U型管式換熱器設計

1、U 型管式換熱器設計摘要本文介紹了U型管換熱器的整體結構設計計算。U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無熱應力，熱補償性能好；管程采用雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強，管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。U型管式換熱器的主要結構包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導流筒、防短路結構、支座及管殼程的其他附件等。本次設計為二類壓力容器，設計溫度和設計壓力都較高，因而設計要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設計中主要進行了換熱器的結構設計，強度設計以及零部件的選型和工藝設計。關鍵詞：U 型管換熱器，

2、結構，強度，設計計算U-TUBEHEATEXCHANGERDESIGNABSTRACTThispaperintroducestheU-tubeheatexchangerdesignandcalculation.U-tubeheatexchangerhasonlyonetubesheet,tubesarefixedatbothendsofboardsinthesametube,andtubescouldtelescopicfreely,non-thermalstress,thermalperformanceandcompensation;useofdouble-tubeprocess,thepr

3、ocessislonger,higherspeed,betterheattransferperformance,pressurecapacity,andcontrolcanbeextractedfromtheshellwitheasymaintenanceandcleaning,andsimplestructurecostless.ThemainstructureofU-tubeheatexchanger,includesEquipmentcontrol,shell,head,exchangertubes,nozzles,baffled,impingementbaffle,guideshell

4、,anti-short-circuitstructure,supportandothershell-tubeaccessories.ThistimeIdesignedasecondcategorypressurevessel,whichhashighdesigntemperatureandhighdesignpressure.Thusthedesigndemandsarestrict.Ithasdualheatexchangertube,stainlesssteelheatexchangermanufacturers.Imainlycarriedoutthedesignofheatexchan

5、gerstructuraldesign,strengthofdesignandpartsselectionandprocessdesign.KEYWOEDS:U-tubeheatexchanger,frame,intensity,designandcalculation目錄中文摘要錯誤！未定義書簽。英文摘要錯誤！未定義書簽。緒論 11 管殼式換熱器的類型、結構與型號 21.1 換熱器的零部件名稱 21.2 換熱器的主要組合部件 32 換熱器材料選擇 42.1 選材原則 43 換熱器結構設計 51壁厚的確定 61管箱圓筒短節(jié)設計 61殼體圓筒設計 71封頭設計 81.5后封頭計算 91.5管箱封

6、頭計算 101換熱管設計 111.6換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 111.6U 形管的尺寸 121.6管子的排列型式 121.6換熱管中心距 131.6布管限定圓 131.6換熱管的排列原則 151管板設計 151.7管板連接設計 171.7管板設計計算 191管箱結構設計 211.8管箱的最小內側深度 221.8分程隔板 224 換熱器其他各部件結構 23進出口接管設計 231接管法蘭設計 231接管外伸長度 251接管與筒體、管箱殼體的連接 251接管開孔補強的設計計算 251接管最小位置 291殼程接管位置的最小尺寸 301管箱接管位置的最小尺寸 30管板法蘭設計 311墊片的設計 331螺栓

7、設計 341法蘭設計 36折流板 381折流板尺寸 391折流板的布置 391折流板的固定 36拉桿與定距管 381拉桿的結構型式 391拉桿的直徑和數(shù)量 391拉桿的尺寸 421拉桿的布置 431定距管尺寸 43防沖與導流 431防沖板的形式 431防沖板的位置和尺寸 431導流筒 44雙殼程結構 44防短路結構 441旁路擋板的結構尺寸 451擋管 451中間擋板 45鞍座 45結論 46參考文獻 47致謝 48附錄英文文摘及翻譯 49緒論能源是當前人類面臨的重要問題之一， 能源開發(fā)及轉換利用已成為各國的重要課題， 而換熱器是能源利用過程中必不可少的設備，幾乎一切工業(yè)領域都要使用，化工、冶

8、金、動力、交通、航空與航天等部門應用尤為廣泛。近幾年由于新技術發(fā)展和新能源開發(fā)利用，各種類型的換熱器越來越受到工業(yè)界的重視，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關鍵的設備，因此，無論是從工業(yè)的發(fā)展，還是從能源的有效利用，換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。近年來隨著節(jié)能技術的發(fā)展， 應用領域不斷擴大， 利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經濟效益。換熱器分類方式多樣，按照其工作原理可分為：直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類，間壁式換熱器又可分為列管式和板殼式換熱器兩類，其中列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性， 在長期的操作過程中積累了豐富的經驗， 其設

9、計資料比較齊全，隨著經濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。近年來盡管列管式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn)，但由于它具有結構簡單、牢周、操作彈性大、 應用材料廣等優(yōu)點， 列管式換熱器目前仍是化工、 石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器，尤其在高溫、高壓和大型換熱設備中仍占有絕對優(yōu)勢。列管式換熱器適用于化工、石油、醫(yī)藥、食品、輕工、冶金、焦化等行業(yè)的液和液，汽和汽，汽和液的對流傳熱，蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱等換熱冷凝流程。列管式換熱器是由一個圓筒形殼體及其內部的管束組成。管子兩端固定在管板上，并將殼程和管程的流體分開。殼體內設有折流板，以引導流體的流動并支承

10、管子。用拉桿和定距管將折流板與管子組裝在一起。列管式換熱器共有三種結構型式：固定管板式、浮頭式和 U 形管式。固定管板式換熱器結構簡單、緊湊、造價低，每根換熱管可以單獨清洗和更換，在結構尺寸相同的條件下，與浮頭式和 U 形管式換熱器相比，換熱面積最大。固定管板式換熱器的殼程清洗困難，適應熱膨脹能力差，決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質清潔，殼程壓力不高，換熱介質溫差不大的場合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束，而且可拆卸抽出管束，檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便，因此，浮頭式換熱器應用最廣泛，在油田儲運集輸系統(tǒng)中，60%-70%勺換熱器為浮頭式換熱器。U 形管式換熱器是管殼式

11、換熱器的一種，它由管板、殼體、管束等零部件組成。在同樣直徑情況下，U 形管換熱器的換熱面積最大；它結構簡單、緊湊、密封性能高，檢修、清洗方便、在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價最低；U 形管換熱器只有一塊管板，熱補償性能好、承壓能力較強，適用于高溫、高壓工況下操作。1管殼式換熱器的類型、結構與型號換熱器的零部件名稱表 1.1序號名稱序號名稱序號名稱1接管法蘭11活動鞍座（部件）21縱向隔板2管箱法蘭12U 形換熱管22接管3殼體法蘭13擋管23內導流筒4防沖板14固定鞍座（部件）24圓筒5補強圈15滑至 I25管箱側墊片6殼體（部件）16管箱墊片26凸形封頭7折流板17管箱圓筒（短節(jié)）27雙頭螺

12、柱或螺栓8拉桿18封頭管箱（部件）28放氣口9定距管19分層隔板29螺母10支持板20中間擋板圖 1.1U 型管式換熱器換熱器的主要組合部件換熱器的主要組合部件有前段管箱、殼體和后端結構（包括管束）三部分。詳細分類見圖 1.2。圖 1.22主要部件的分類及代號用于打拆管束與管枷制成一體的特箱馬背板制成一俾的即定w版管箱總再縱陶隔板的章程殼體分猛U幃管式基粉II無需板耳布（或冷威器嘴體）T器式海黑懦式耳受w后域咕樹園式前期輯霜螭式殼體用式阜戟克伴單迸單出除施利克體M與A用餐（的固定皆看站構2換熱器材料選擇在進行換熱器設計時， 對換熱器各種零部件的材料， 應根據(jù)設備的操作壓力、 操作溫度、流體的腐

13、蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但對于材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結構有著密切的關系。選材原則換熱器用鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應力、無損檢測標準及檢測項目均按GB150-1998 第四章及其附錄 A 的規(guī)定。換熱器的目的是為了傳熱，經常與腐蝕性介質接觸的換熱表面積很大，為了保護金局部受腐蝕，最根本的方法是

14、選擇耐腐蝕的金屬或非金屬材料。換熱器主要部件材料選擇見表 2.1表 2.1 材料零部件材料設計壓力設計溫度許用應力fot標準管箱封頭15CrMoR8.0323128.24GB6654后封頭15CrMoR8.5273136.4GB6654筒體15CrMoR8.5273136.4GB6654管箱圓筒短節(jié)15CrMoR8.0323128.24GB6654管板0Cr18Ni10Ti4.5323112.62GB4728換熱管0Cr18Ni10Ti8.0323100.4GB/T13296-2007殼程接管15CrMoPN16273105.86GB6479管程接管0Cr18Ni10TiPN16273筒體法蘭

15、15CrMoPN6.4273GB470O-4703-2000管程接管法蘭0Cr18Ni10TiPN16HG20592-97殼程接管法蘭15CrMoPN16323HG20592-97管箱法蘭15CrMoPN6.4273GB470O-4703-20003換熱器結構設計管殼式換熱器的結構設計，必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、比溫差、結垢情況、流體的性質以及檢修與清理等等來選擇一些適合的結構型式。對同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產品外，也常按其特定的條件進行設計，以滿足工藝上的需要。U 形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡

16、單，造價比其它換熱器便宜，管束可以從殼體內抽出，管外便于清洗，但管內清洗困難，所以管內介質必須清潔及不易結垢的物料。U 形管的彎管部分曲率不通，管子長度不一。管子因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。U 型管式換熱器，使用在壓力較高的情況下，在彎管段的壁厚要加厚，以彌補彎管后管壁的減薄。殼程內可按工藝要求裝置折流板、縱向隔板等，折流板由拉桿固定，以提高換熱設備的傳熱效果?？v向隔板是一矩形平板，安裝在平行于傳熱管方向（縱向隔板按工藝要求決定）以增加殼側介質流速。符號：C1-鋼材厚度負偏差 mm 應按相應鋼材標準的規(guī)定選??；C2-鋼材的腐蝕裕量，mmC-厚度附加量（按1第三章取），mm 對多層包扎

17、圓筒只考慮內筒的 C 值，對熱套圓筒只考慮內側第一層套盒圓筒的 C 值；D,-圓筒或球殼的內直徑，mmDo-圓筒或球殼的外直徑（Do=Di+26n）,mm;Pc-計算壓力（按1第 3 章），MPa；B-設計壓力，MpaR-管程設計壓力，MpaPs-殼程設計壓力，MpapwI-圓筒或球殼的最大允許工作壓力，MPa6-圓筒或球殼的計算厚度，mm6e-圓筒或球殼的有效厚度，mm6n-圓筒或球殼的名義厚度，mm6-設計溫度下圓筒或球殼的計算應力，MPaLt-設計溫度下圓筒或球殼材料的許用應力（按1第 4 章），MPa；后】-試驗溫度下材料的許用應力（按1第 4 章），MPa；*-焊接接頭系數(shù)（按1第

18、3 章）；對熱套圓筒取*=1.0;壁厚的確定殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常由管材或板材卷制而成。壓力容器的公稱直徑按 GB9019-88 規(guī)定，當直徑400nlm 時，通常采用管材做殼體和管箱殼體。當直徑400mm 時，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以便于法蘭、封頭的選型。卷制圓筒的公稱直徑以 400nlm 為基數(shù)，一般情況下，當直徑1000nlm 時，直徑相差 100nlm 為一個系列，必要時也可采用 50mm；當直徑1000nlm 時直徑相差 200nlm 為一個系列，若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔可以取為

19、 100mm。圓筒的厚度按 GB150-1998W5 章計算， 但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于表3.1.1 的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應不小于 3.1.2 的規(guī)定。表 3.1.12mm公稱直徑400W700700工10001000工150015002000工2600浮頭式，L 形管式810121416固定式管板式68101214表 3.1.22mm公稱直徑400W500500700100015002000-1000150020002600最小厚度3.54.5681012管箱圓筒短節(jié)設計管箱圓筒（短節(jié)）計算按 GB150-199 阱五章的有關規(guī)定；具開孔補強計算按GB150-199

20、 睇八章有關規(guī)定。圓筒的最小厚度按表 3.1.2 的規(guī)定。設計條件見表 3.1.3表 3.1.3設計溫設計壓1 二bC1C2部件材料*標準度 C力 MpaMpaMpammmm管箱圓15CrMoR3238.0128.241.0GB66500筒短節(jié)4圓筒計算：設計溫度下圓筒的計算厚度按式（3-2-1）計算，公式的適用范圍為pc0.4H8.080026226二127MpaJIs.I滿足強度要求，故取名義厚度、=26mnr適。設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計算:21匕i*Die(3-2-3)|p226128.241.080026=8.07MpaIPW1Emax=7.5Mpa滿足壓力

21、要求，故取名義厚度、：n=26mnr適。3.3 殼體圓筒設計圓筒的厚度應按 GB150-1998 第 5 章計算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不部件材料設計溫度 C設計壓力 Mpa表 3-4I：fMpabMpa標準C1mmC2mm殼體15CrMoR2738.5136.41.0GB665400圓筒計算:設計溫度下圓筒的計算厚度按式（3-2-1）計算，其中 PC=pt=8.5Mpa;Di=800mm;b1=136.4Mpa4=1.0 帶入(3-2-1)得:其中 PC=ps=8.0Mpa;Dj=800mm；k1=128.24Mpa；4=1.0 帶入上式得:計算厚度：6=25.76mm設計厚度：

22、、；d-C2=二=25.76mm名義厚度：6n=6d+G=25.76mm,經圓整取 6n=26mm有效厚度：、e=、n-C2-Ci-26-0-26mm設計溫度下圓筒的計算應力按式（3-2-2）計算：tPCDi、e二2(3-2-2)小于表 3-1 的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應不小于表 3-2 的規(guī)定。設計條件見表 3-4:圓筒計算厚度：6=25.73mm設計厚度：、；d=二-C2=、：=25.73mm名義厚度：a=dd+C1=25.73mm,經圓整取dn=26mm有效厚度：、e=、n-C2-C1=26-0=26mm設計溫度下圓筒的計算應力按式（3-2）計算：8.580026226二135Mp

23、aJ.1Di0.5、.e2136.4261.0I.PW1=8.72MPa8000.526RlRmax=8.0MPa該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度配=26mnr適。設計溫度下封頭的計算應力按式（3-4-3）計算:Pc2Di、e4、；8.5280026=132.89MPa4261.0。：二L-tx.136.4MPa滿足強度要求，故取名義厚度、=26mnr適。4.7.2管箱封頭計算標準橢圓形封頭的計算厚度按式（3-4-1）計算：其中 PC=ps=8.0Mpa;Di=800mm；b=128.24Mpa； 1=1.0 帶入 （3-4-1） 得： 計算厚度： 6=25.35mm設計厚度：、石=;C2=2

24、5.35mm名義厚度：6n=6d+C1=25.35mm,經圓整取 6n=26mm有效厚度：、e=、n-C2-C1=26-0=26mm標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑的 0.15%,但當確定封頭厚度時已考慮了內壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。(3-4-2)(3-4-3)、.e0.15%Di=0.15%800=1.2mm故該標準橢圓形封頭的名義厚度 dn=26m 斡適。橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計算:IR1,Pax=7.5MPa該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度乞=26mnr適。設計溫度下封頭的計算應力按式（3-4-3）計算:8.0280026；二二二125.08MP

25、a4261.0:k-t=128.24MPa滿足強度要求，故取名義厚度;.n=26mnr適。由續(xù)表 13查取封頭的數(shù)據(jù)見表 3.4.2:表 3.4.2公稱直徑曲回局度 n直邊高度h2內邊面積 A容積 V質量 m封頭DNmmmmmm2m3mkg管箱封頭800200500.81940.0992174.67后封頭800200500.81940.0992174.67.5 換熱管設計4符號規(guī)定：d-換熱管外徑，mm換熱管厚度，mmR-彎管段彎曲半徑，mmS。-彎曲前換熱管的最小壁厚，mm4-直管段的計算厚度，mm換熱管的規(guī)格和尺寸偏差換熱管的長度有設計條件給定取為 6m 直徑中 19mm 厚度 6=2mm

26、 由 GB1329 查得換熱管的規(guī)格和尺寸偏差見表 3.5.1:2128.24261.08000.526=8.2MPaU 形管的尺寸U 形管彎管段的彎曲半徑U 形管彎管段白彎曲半徑 R（見圖 3.5.2）應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按 GB151-199 瞇 11 選取,取Rmin=40mm圖 3.5.2U 形管彎管段彎曲前的最小壁厚按式（3-5-1）計算:(3-5-1)其中，d=19mm,R=Rmin=40mm1=2mm,帶入上式得:復(,19%=231+I4M40J管子的排列型式換熱管的排列主要有以下四種方式:材料不銹鋼換熱管標準外徑 d厚度 8外徑偏差厚度

27、偏差管孔允許直徑Bit12%0.15GBA13296-2007192_0.2019.250-10%1=2.2375mm,圓整取為 2.5mm表 3.5.10Cr18Ni10Ti管子規(guī)格，mm 高精度，較高精度，mm 管控規(guī)格，mm圖 3.5.32正三角形排列用得最普遍，因為管子間距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEM 標準規(guī)定，殼程需用機械清洗時，不得采用三角形排列型式。在殼程需要機械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應該是連續(xù)的，且要保證 6mmi 清洗通道。圖 3.5.3 中（a）和（d）兩種排列方式，在折流板間距相同

28、的情況下，其流通截面要比（b）、（c）兩種的小，有利于提高流速，故更合理些。本次設計采用正三角形排列。換熱管中心距換熱管的中心距宜不小于 1.25 倍的換熱管外徑，根據(jù) GB151-1999S12,取換熱管中心距為 S=25mm,取分程隔板槽兩側相鄰管中心距Sn=38mm。布管限定圓符號：b-見圖 3.5.5.1，其值按表 3.5.5.1 選取，mmb1-見圖 3.5.5.1,其值按表 3.5.5.2 選取,mmb2-見圖 3.5.5.1,b2=bn+1.5,mmb3-固定管板式換熱器或 U管式換熱器管束最外層換熱管外表面至殼體內壁的最3短距離，見圖 3.5.5.2,b3=0.25d=0.25

29、319=4.75mm,一般不小于 8mmbn-D_Dd取b3=8mm墊片寬度， 其值按表 3-9 選取， mm 布管限定圓直徑，mm圓筒內直徑,換熱管外徑，mmmm圖3.5.5.1PLDi圖3.5.5.2表 3.5.5.12D700取bn=30mmb1=5mmD3100026004D=800mm 取 b=28mm表 3.5.5.22bn1013則有b2=bn1.5=301.5布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，布管限定圓按表b1331.5mm3.5.5.3 確定。表 3.5.5.3換熱器型式固定管板式、U 形管式浮頭式布管限定圓直徑DLD-2b3D-2b1b2b得：Q=D-2b3=800-

30、2 父 8=784mm除了考慮布管限定圓直徑外，換熱管與防沖板間的距離也許考慮。通常，換熱管外表面與鄰近防沖板表面間的距離，最小為 6mm 換熱管中心線與防沖板板厚中心線或上表面之間的距離，最大為換熱管中心距的 73/2。換熱管的排列原則換熱管的排列應使整個管束完全對稱；在滿足布管限定圓直徑和換熱管與防沖板間的距離規(guī)定的范圍內，應全部布滿換熱管；拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣在靠近折流板缺邊位置處應布置拉桿，其間距小于或等于 700mm 拉桿中心至折流板缺邊的距離應盡量控制在換熱管中心距地(0.51.5)而范圍內；多管程的各管程數(shù)應盡量相等，其相對誤差應控制在 10 犯內，最大不得超過 20

31、%3.6 管板設計符號規(guī)定：A-在布管區(qū)范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面積，mm2;例如雙管程管板，對于三角形排列：A=nS(Sn-0.86625)(3-6-1)n-U 形管根數(shù)，管板開孔數(shù)為 2n；n-沿隔板槽一側的排管根數(shù)；S-換熱管中心距，mmSn-隔板槽兩側相鄰管中心距，mmA-管板布管區(qū)面積，rn2;三角形排列：A=1.732nS2+Ad(3-6-3)a-一根換熱管管壁金屬的橫截面積，m2;一1Cc-系數(shù)，按和下 T，查圖 19Kf一1Ce-系數(shù)，按和，查圖 202；Kf:管板開孔前的抗彎剛度，N2mmEp、；32121-DG-墊片壓緊力作用中心圓直徑，按

32、1第 9 章，mmDj殼程圓筒和管箱圓筒內直徑，mmDt-管板布管區(qū)當量直徑，MmmDt=.4At，二d-換熱管外徑，mmEp-管板材料的彈性模量，MPa；Kf-管板邊緣旋轉剛度參數(shù)，MPaKf=Kf+Kf，對于 a 型連接 Kf=0,.一、.Kf-殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉剛度參數(shù)，MPaKf-管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉剛度參數(shù)，MPa-旋轉剛度無量綱參數(shù)；對于 a 型連接=0KfKfl-換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，按 5.8.2.3 或 5.8.3.22規(guī)定，mmPd-管板設計壓力，MPaPt-殼程設計壓力，MPaR-管程設計壓力，MPaq-換熱管與管板連接的拉脫力，MPalq

33、-許用拉脫力，按 5.7.52規(guī)定，MPaR-半徑，mm 對 a 型連接：R=DG/2S-換熱管中心距，mm6-管板計算厚度，mm務管箱圓筒厚度，mmBs殼程圓筒厚度，mmq-換熱管壁厚，mmN-管板強度削弱系數(shù)，一般可取 N=0.4;u-管板材料泊松比，取 u=0.3；P-布管區(qū)當量直徑 Dt與直徑 2 叱比；CM(3-6-5)(3-6-6)(3-6-7)-設計溫度下，管板材料的許用應力，MPab|-設計溫度下，換熱管材料的許用應力，MPa管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要受壓元件。對管板的設計除了要滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結構設計

34、。管板得合理設計對于正確選用和節(jié)約材料、減少加工制造的困難、降低成本、確保使用安全都具有重要意義。U型管換熱器僅有一塊管板， 采用可拆式連接， 管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。其連接形式見圖 3.6。圖 3.6管板的最小厚度除滿足強度設計要求外，當管板和換熱器采用焊接時，應滿足結構設計和制造的要求，且不小于 12mm 若管板采用復合鋼板，具復合層的厚度應不小于 3mm 對于有腐蝕要求的復層，還應保證距復層表面深度不小于 2mr復層化學成分和金相組織符合復層材料的要求。當管板與換熱管采用脹接時，管板得最小厚度(不包括腐蝕裕度)應滿足表 3.6.1。若管板采用復合管板，具復層最小厚度應不小于

35、 10mm 并應保證距復層表面深度不小于8mr復層化學成分和金相組織符合復層材料的要求。表 3.6.1換熱管外徑 d,mm2550用于易燃易爆及有毒介質等場合d最小厚度，mm用于無害介質的一般場合0.75d0.70d0.65d管板連接設計(1)管板與換熱管的連接對于換熱管與管板的連接結構形式，主要有以下三種：脹接；焊接；脹焊并用，但也可采用其他可靠的連接形式a、強度脹接用于管殼之間介質滲漏不會引起不良后果的情況下，脹接結構簡單，管子修不容易。由于脹接管端處在脹接時產生塑性變形，存在著殘余應力，隨著溫度的上升，殘余應力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結合力的作用。一般適用設計壓力4MPa 設計溫

36、度0300C；操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及明顯的應力腐蝕場合。一般要求：1、換熱管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有應力腐蝕時，不應采用管端局部退火的方式來降低換熱管的硬度。b、強度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的焊接。管子與管板的焊接，目前應用較為廣泛，由于管孔不需開槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工簡單。焊接結構強度高，抗拉脫力強，當焊接部分滲漏時，可以補焊，如須調換管子，可采甩專用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸脹管方便。不適用于有較大振動和有間隙腐蝕的場合。其結構形式和尺寸見圖 3.6.1 和表。圖 3.6.1表

37、3.6.12換熱管規(guī)格d3813112311431.51633235733.51.5193225322.538334533換熱管11最小伸0.51.01.52.02.53.012出長度1.52.02.53.03.54.0最小坡口深度1.022.5注：1 當工藝要求管端伸出長度列值（如立式換熱器要求平齊或少低）時，可適當加大管板坡口深度或改變結構型式2 當換熱管直徑和壁厚與列表值不同時11l213值可適當調整3 圖（c）用于壓力較高的工況本次設計中采用不銹鋼換熱管， 通常不銹鋼管與管扳一般均采用焊接結構， 不管其壓力大小，溫度高低。采用圖 3.6.1 焊接形式，取 11=1.5mm,l2=2.5

38、mm,l3=2,0mmo 管板最小厚度不小于 12mmc、對于壓力高、滲透性強或在一例有腐蝕性的介質，為保證不致泄漏后污染另一側物料，這就要求管子與管板的連接處絕對不漏，或為了避免在裝運及操作過程中的振動對焊縫的影響，或避免縫隙腐蝕的可能性等，采用脹焊并用的結構型式。脹焊并用的結構從加工工藝過程來看，有先脹后焊，先焊后脹，焊后脹接及貼張等幾種形式。管板設計計算(1)換熱器設計條件：殼程設計壓力 R=4.5MPa;管程設計壓力 P=4.5MPa管板設計溫度 323c殼程腐蝕裕量 C=0mm；管程腐蝕裕量 C=0mm管程程數(shù)為 2換熱器公稱直徑 DN=800mm換熱管外徑 d=19mm換熱管壁厚二

39、t=2mm換熱管根數(shù) n=367(根據(jù) JB/T4717-1992U 型管式換熱器型式與基本參數(shù)選取)換熱管與管板為焊接連接加持管板的殼程法蘭與管箱法蘭采用特殊設計的長頸對焊法蘭環(huán)形密封面墊片為八角墊環(huán)900/840墊片基本密封寬度 4,按 GB150-1998 表 9-1 選壓緊面形狀 6,30八b0=3.75mm88殼程側隔板槽深.=4mm 管程側 FB 板槽深 h,=4mm管板強度削弱系數(shù)=0.4(2)各元件材料及其設計數(shù)據(jù)換熱管材料 0Cr18Ni10Ti;設計溫度下許用應力 k|=112.62MPa管板材料 0Cr18Ni10Ti;設計溫度下許用應力 b=83.62MPa許用拉托力按

40、 GB151-1999 表 33b)-1|0.5=0.5112.62=56.31MPa計算a、根據(jù)布管尺寸計算 Ad、A、Dt；根據(jù)法蘭連接密封面型式和墊片尺寸計算墊片壓緊力作用中心圓直徑 DG。由式(3.6.1)得：Ad-nSSn-0.86625)=3125(38-250.866)=12671.25mm2由式(3.6.3)得：At=1.732nS2Ad=1.73236725212671.25=409948.75mm由式(3.6.6)得：Dt=jZAT774x409948.75=722.65mm根據(jù) GB150S9.5.1 條b0=3.75mm6.4mmb=bo=3.75mmDG=墊片接觸面的

41、平均直徑=(900+840)/2=870mm。b、計算 P，以 5 查表 222得 Cc,或以，查圖 19,由縱坐標軸上直接查得 CcR=DG/2=870/2=435mm：t=Dt/2R=722.65/(2435)=0.834=1.204,查圖查圖 192,由縱坐標軸上直接查得：Cc=0.2742c、確定管板設計壓力因為本次設計中設備壓力高，因而對其工作條件要求高，考慮設備運行的安全性,保證設備在任何情況下管程和殼程壓力同時作用，且兩側均為正壓，取Pd=4.5MPa管板計算厚度 6 按式（3.6.8）計算。(3.6.8)代入數(shù)據(jù)得:根據(jù) GB151-1999 管板的名義厚度不小于下列三者之和：

42、i、管板的計算厚度或最小厚度，取大者；ii、殼程腐蝕裕量或結構開槽深度，取大者；出、管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，取大者；所以，n=MAXrminMAXCs,工MAXCt,h2=137.0244=145.02mm圓整取=150mm管板得有效厚度整體管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和:a、管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分；、=0.828700.27424.5；0.483.62二 137.02mm、=0.82DGb、殼程腐蝕裕量與管板在殼程側的結構開槽深度二者中的較大值。d、換熱管的軸向應力一根換熱管管壁金屬橫截面積a-二、td-、t=/2192)=106.76mm2,2

43、-二 d-二t二-Ps-RR4a按三種工況分別計算:只有殼程設計壓力 Ps=4.5MPa,管程設計壓力為 0;2一二19二t-4.5-0-0-11.94MPa4106.76只有管程設計壓力 p=4.5MPa,殼程設計壓力為 0;2一一二19_；-1-0-4.5-4.5=7.44MPa4106.76殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用;二t=-4.5MPa種工況下計算值的絕對值均小于換熱管設計溫度下的許用應力I值=112.62MPae、換熱管與管板連接拉脫力二taq;二dl其中取 d 項計算中三種工況的絕對值最大者%=11.94MPal=22=4mm取 l1=2mm,l3=2mm,則有l(wèi)=22=4

44、mm才兩足要求。3.7 管箱結構設計管箱的作用是把管道中來的流體， 均勻分布到各傳熱管和把管內流體匯集在一起送出換熱以上三由此得：q 二11.94106.76二194=5.34MPalql=56.31MPa器。在多程換熱器中，管箱還起改變流體的流向作用。管箱側或管箱頂部有介質的出、入口接管。管箱的最小內側深度(1)軸向開口的單管程管箱，開口中心處的最小深度應不小于接管內直徑的 1/3;(2)多程管箱的內側深度應保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的 1.3 倍；當操作允許時，也可等于每程換熱管的流通面積。兩程之間的最小流通面積是指管箱被平行與地面的平面所剖開所形成的載面面積；每程

45、換熱管流通面積是指同一管程內的換熱管管內截面所形成的面積之和。根據(jù)設計要求選擇取管箱內側深度為 835mm分程隔板隔板材料應采用與管箱相同的材料制造。分程隔板的最小厚度應不小于表 62的規(guī)定。按規(guī)定取隔板材料為 15CrMq 隔板的最小厚度為 10mm分程隔板槽深按照 5.6.6.2規(guī)定：1)槽深宜不小于 4mm;2)分程隔板槽的寬度為：碳鋼 12mm 不銹鋼 11mm；3)分程隔板槽拐角處的倒角一般為 45。，倒角寬度 b 近似等于分程墊片的圓角半徑 R,見圖 3.7.2。絡時灰度圖 3.7.2取槽深為 4mm 槽寬度為 12mm 倒角為 454換熱器其他各部件結構進出口接管設計在換熱器的殼

46、體和管箱上一般均裝有接管或接口以及進出口管。在殼體和大多數(shù)管箱的底部裝有排液管，上部設有排氣管，殼側也常設有安全閥接口以及其他諸如溫度計、壓力表、液位計和取樣管接口。對于立式管殼式換熱器，必要時還需設置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上開孔， 必然會對殼體局部位置的強度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設置，初考慮其對傳熱和壓降的影響外，還應考慮殼體的強度以及安裝、外觀等因素。接管法蘭設計已知設計條件見表 4.1.1表 4.1.1管口規(guī)格符號用途或名稱公稱尺寸連接標準法蘭類型及密封面形式1-1,2管程進出口PN16DN250HG20592-97WN/RJ2-1,2殼程進出口PN16DN200H

47、G20592-97WH/RJ根據(jù) HG20592-9 破取接管法蘭的結構參數(shù)如下:公稱直徑DN鋼管外徑A1法蘭厚度C法蘭頸法蘭高度H法蘭理論重量(kg)NSH1R200219662781616814065.625027376340201810155106.4公差連接尺寸DN法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th2004303603612M33322505154304212M3933密封面尺寸DNdPEFRmax25038833011170.820032227511170.8公差0.50.13+0.400.2土 0.5墊片尺寸DNAPHC20015.52752210.525

48、015.53302210.5公差0.20.18士 0.4士 0.2緊固件長度計算：螺柱：l=2CCEh2m2P2TlnT式中：l-緊固件長度，mmC-法蘭厚度，mmC-法蘭厚度正公差（按 HG2059220635-97 表 A.0.1-1 規(guī)定），mmE-環(huán)連接面法蘭突臺高度（按 HG2059218.0.2 規(guī)定），mmh-環(huán)連接面法蘭問近似距離（按 HG2059220635-97 表 A.0.1-2 規(guī)定）,mmm-螺母最大厚度（按 HG2059220635-97 表 A.0.1-3 規(guī)定），mmP-緊固件倒角端長度（按 HG2059220635-97 表 A.0.1-3 規(guī)定），mmTI-

49、六角螺栓或螺柱安裝時的最小伸出長度（按一個螺距計算，見 HG2059220635-97 表 A.0.1-3 規(guī)定），mmn-六角螺栓或螺柱的負公差（按 HG2059220635-97 表 A.0.1-4 規(guī)定），mm,T-墊片厚度，取 T=3mm%查取數(shù)值，及計算結果見下表：DNCCEhmPTInT計算結果 l20066+4.0116.728.7222.33239.425076+4.0116.733.42.532.63272.14.1.2 接管外伸長度接管外伸長度也叫接管伸出長度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度?？砂词剑?.1.1）計算：l 之 h+A+d+15（4.1.1）符號：

50、l-接管外伸長度，mmh-接管法蘭厚度，mmh=C+E;殼程進出口法蘭：hs=6611=77mm管程進出口法蘭：ht=7611=87mmh1-接管法蘭的螺母厚度，mm殼程進出口法蘭：h1s=28.7mm管程進出口法蘭：h1t=33.4mm6保溫層厚度，mm 取為 0。代入數(shù)據(jù)計算接管外伸長度得：殼程進出口接管外伸長度為：1t-7728.7015-120.7mm取1t=125mm管程進出口接管外伸長度為：1s-8733.4015-135.4mm取1s=140mm接管與筒體、管箱殼體的連接接管的結構設計應符合 GB150-1998 第 8 章和附錄 J 的有關規(guī)定。接管（或接口）的一般要求：1）接

51、管宜與殼體內表面平齊；2）接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置；3）設計溫度高于或等于 300c 時，應采用對焊法蘭；4）必要時應設置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口；5）對于不能利用接管（或接口）進行放氣和排液的換熱器，應在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其最小公稱直徑為 20mm6）立式換熱器可設置溢流口。接管開孔補強的設計計算符號：A-開孔削弱所需的補強面積，m2;B-補強有效寬度，mmC厚度附加量，mmDi殼體內直徑，mmd-開孔直徑，圓形孔取接管內直徑加兩倍厚度附加量，橢圓形或長圓形孔取所考慮平面上的尺寸（弦長，包括厚度附加量），mmfr-強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下

52、接管材料與殼體材料許用應力之比，當該值大于 1.0 時，取為 1.0;h1-接管外側有效補強高度，mmh2-接管內側有效補強高度，mmpc-計算壓力（按 GB150-199 睇三章），MPa6-殼體開孔處的計算厚度，mm區(qū)-殼體開孔處的有效厚度，mm6et-接管有效厚度，mm6n-殼體開孔處的名義厚度，mm6nt接管名義厚度，mm6t接管計算厚度，mm島t-設計溫度下殼體材料的許用應力（按 GB150-199 睇四章）,MPa4-鋼材標準抗拉強度下限值，MPa色-鋼材標準屈服點，MPa*-焊接接頭系數(shù)（按 GB150-199 睇三章）。本次設計采用整體補強設計。具體設計如下：（1）確認方法的適

53、用性A 圓筒計算厚度：殼程圓筒計算厚度：=25.73mm管程圓筒計算厚度：=25.76mmd=DN 接管+2C殼程開孔直徑：d=2000=200mm管程開孔直徑：d=2500=250mm殼程接管計算厚度：二8.5200=6.87mm2127.861.0-8.5名義厚度：、=，C=6.87mm,圓整取二 M=7mm有效厚度：。鉗=f-Cu7mm管程接管計算厚度:8.02502119.761.0-8.0=8.64mmB 接管計算厚度:PCd2bN-pC名義厚度：0nt=口C=8.64mm,圓整取 c.nt=9mm有效厚度：、；et=-nt-C=9mmC 校核使用條件殼程接管：d/Dj=200/80

54、0=0.25:二 0.5D/6=800/25.73=31.09,1031.09100二b/二s=440/275=1.61.5管程接管：d/D=250/800=0.3125：0.5D/6=800/25.76=31.06,1031.06100二b/二s=440/275=1.61.5故本設計可用整鍛件補強設計。(2)開孔所需補強面積殼程：d-=200=1.97.0.4D:80025.7322A=0.75d、=0.7520025.73=3859.5mrm管程：d=250=2.460.4D、80025.762.2A=0.75d、=0.7525025.7=4830mm(3)有效補強范圍A 設定補強元件結構

55、尺寸如圖 4.1.4 所示。過渡圓角半徑按 GB15 確定r1=0.1e=0.126=2.6mmr3-#一)-或工？6t 取大者，式中：8=45,、45290殼程圓角半徑r3:3,45、2006.87_.()1_45904519026=6.5mm2=10.86mmrr4取 15mm管程圓角半徑r4:r4=2508.64：|1-=13.61mmr4取 15mm(4)26x26.5mm有效補強范圍半徑有效補強范圍半徑按式（殼程有效補強范圍半徑:管程有效補強范圍半徑:有效補強面積圓筒多余金屬面積：A殼程：A管程：A4.1.4.1)計算LcLc=0.472D=0.472=0.472=2Lc-：n-二2

56、60.6226-25.73260.6726-25.76接管多余金屬面積：A=2Lc殼程：A2=260.62-26管程：6=260.67-26C 密集補強區(qū)金屬面積:D有效補強面積（略去殼程：A+A+A管程：A+A+A3（5） 補強結果2/3280080001=0=-25.73-25.76(4.1.4.1),2x25.76,A=3859.5mrh管程：A+A+A=4972.6312mrhA=4830mm故補強滿足要求。接管最小位置在換熱器設計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進、出口接管應盡量靠近兩端管板，而管箱進、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設備重量。然而，為了保證

57、設備的制造、安裝，管口距地的距離也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。本設計采用接管整體補強。殼程接管位置的最小尺寸符號：b-管板厚度，mmL1/L2-殼程/管箱接管位置最小尺寸，mmC-補強圈外邊緣（無補強圈時，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mmDH-補強圈外圓直徑，mmdH-接管外徑，mm殼程接管位置的最小尺寸，可按下列公式計算：無補強圈的接管LI-d2Hb-4C取 C4s（S 為殼體厚度,mmM30mm計算殼程接管位置的最小尺寸如下：C4S=4326=104mm,取 C=105mm4.1.7 管箱接管位置的最小尺寸管箱接管位置的最小尺寸，可按下列公式計算:無補強圈的

58、接管L?-九 hfC22f取 C4s（S 為殼體厚度，mmM30mm(4.1.6.1)LI200272150-4105=358mm(4.1.7.1)計算管箱程接管位置的最小尺寸如下：C4S=4326=104mm,取 C=105mm4.2 管板法蘭設計壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如中低壓容器中的螺紋連接、承插式連接和螺栓法蘭連接等，其中以結構簡單、裝配比較方便的螺栓法蘭連接用得最普通。螺栓法蘭連接主要由法蘭、螺栓和墊片組成。本次設計管板與管箱和殼體的連接采用螺栓法蘭連接。圖 4-2符號規(guī)定：A-預緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓總截面積，以螺紋小徑計算或以無螺紋部分的最小直徑計算，取小者，m2;Ab

59、-實際使用的螺栓總截面積，以螺紋小徑計算或以無螺紋部分的最小直徑計算，取小者，m2;Am-需要的螺栓總截面積，取人、備之大者，m2;AP-操作狀態(tài)下，需要的螺栓總截面積，以螺紋小徑計算或以無螺紋部分的最小直徑計算，取小者，m2;b-墊片有效密封寬度，mmL225029150-4105=385mmb0-墊片基本密封寬度（見表 9-11）,mmDb-螺栓中心圓直徑，mmDG-墊片壓緊力作用中心圓直徑，mmD-法蘭內直徑，mm當D202 時，法蘭軸向應力（見式 5-12）計算中，以Di 代替D。對筒體端部結構，D等于筒體端部內直徑；D0-法蘭外直徑，mmdi-參數(shù)，di=U%樂2,mm；VdB-螺栓

60、公稱直徑，mmdb-螺栓孔直徑，mmE-在設計溫度下法蘭材料的彈性模量，按附錄 F5（提示的附錄）,MPa；乙 Fe-參數(shù)，e=,mmhoF-流體壓力引起的總軸向力，F(xiàn)=0.785DG2pc,N;f-整體法蘭頸部應力校正系數(shù)（法蘭頸部小端應力與大端應力的比值），由圖 9-75 查得或按表 9-8計算，當 f-系數(shù)；尸=里/T6f-法蘭有效厚度，mm60-法蘭頸部小端有效厚度，mm自-法蘭頸部大端有效厚度，mm州-系數(shù)；”=fdi九-系數(shù)；虱=”仃H-法蘭頸部軸向應力，MPaOR-法蘭環(huán)的徑向應力，MPa%-法蘭環(huán)的切向應力，MPa-常溫下螺栓材料的許用應力(按1第四章)，MPa-設計溫度下螺栓材料的許