本科生通用题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）专业：应用化学班级：0703班姓名：肖黎鸿成绩：导师签字：2010年7月11日题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）参数:要求要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能力，在设计过程中必须做到：（1）及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造性。
（2）认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量。
（3）按预定计划循序完成任务。
日程安排：1.准备阶段（1天）2.设计计算阶段（3天）3.绘图阶段（4天）4.编写设计说明书（2天）目录1.绪论 02．设计计算 (1)2.1管子数n的计算 (1)2.2管子排列方式，管间距的确定 (1)2.3壳体直径的确定 (2)2.4壳体厚度的计算 (2)2.5壳体液压试验应力校核 (2)2.6分程隔板的选择 (2)2.7封头的选择 (3)2.8法兰,管板的选择 (3)2.9垫片尺寸的确定 (4)2.10管子拉脱力的计算 (4)2.11是否安装膨胀节的计算 (6)2.12折流板设计 (7)2.13拉杆设计 (7)2.14开孔补强 (8)2.15支座 (8)3．设计评述 (9)4.参考文献 (10)附:设计结果一览表 (11)1.绪论热交换器，通常又称作换热器，是化工﹑炼油和食品及其他工业部门的通用设备，在生产中占有重要作用。
化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热式。
三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
本次设计的管壳式换热器就属于间壁式换热器的一种。
立式固定管板式换热器示意图2．设计计算2.1管子数n 的计算选25 ×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m 。
因为F =πd 均Ln ，所以根均1045.10225.011=⨯⨯==ππL d F n2.2管子排列方式，管间距的确定本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90℃较高，不易结垢。
可暂不考虑机械清洗水垢的问题，故排列方式采用结构紧凑、传热系数较高的正三角形排列。
由《化工设备与仪表自动化》中表6-4得六角形层数为6，对角线上的管数为13，管子根数为127其中因安排拉杆需减少6根(参见2.12拉杆设计)，实际管数121根。
查表6-5，由管子外径25mm,可得管间距α=32mm 。
管子排列方式如右图：2.3壳体直径的确定D i =a(b-1)+2l式中 D i —换热器内径，mmb —正六角形对角线上的管子数，查表6-4，取b=13 l —最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l =2d.mmD i 4852522)113(32=⨯⨯+-⨯=查《仪表设备及仪器自动化》P58表2-5，并结合壳体直径的计算，确定D i =500mm2.4壳体厚度的计算p c —计算压力，取p c =0.8MPa ；D i =500mm; 焊接系数φ=0.85; 材料选用Q235-B 钢，[σ]95℃=113Mpa 。
计算壁厚为mm p D p s c i c 09.28.085.011325008.0]2[t =-⨯⨯⨯=-=ϕσ取 c 2=1mm,由书中表4-7得c 1 =0.3mm圆整后实取S n =4mm 。
DN500,δ=4每米钢板质量为50kg 。
2.5壳体液压试验应力校核试验压力MPa p p tT 0.11131138.025.1][][25.1=⨯⨯==σσ故：()()MPa S S D p e e i T T 1.93)3.14(2)3.14(5000.12=-⨯-+⨯=+=σQ235-B 在常温时MPa s 235=σ,MPa s 78.17923585.09.09.0=⨯⨯=ϕσ,sT ϕσσ9.0<, 故液压试验应力校核合格。
2.6分程隔板的选择分程隔板应采用与封头、管箱短节相同材料，故材料选用Q235-B 。
要求隔板的密封面与壳体法兰密封面，管板密封面与分程槽面须处于同一基面。
分程隔板槽深度为4mm ，槽宽12mm 。
其结构相见装配图。
查《化工单元过程及设备课程设计》表4-1得分程隔板的最小厚度为8mm2.7封头的选择上下封头均选用EHA椭圆封头，其厚度与壳体厚度相同，材料选用Q235-B 钢。
上封头的主要尺寸如下表：公称直径DN (mm) 曲面高度h1 (mm) 直边高度h2 (mm) 碳钢厚度δ(mm) 500 125 40 4 下封头的主要尺寸如下表：公称直径DN (mm) 曲面高度h1 (mm) 直边高度h2 (mm) 碳钢厚度δ(mm) 500 125 50 4 查《过程设备机械设计》P106标2 JB/T4746-2002得:公称直径DN (mm) 总深度H(mm)内表面积A (m2)容积V (m3)质量M (kg)500 150 0.3103 0.0213 9.6 如下图所示：2.8法兰,管板的选择容器法兰材料选16MnR。
根据JB4701—2000标准，选用DN500，PN1.6(MPa)的甲型平密封面法兰。
DN25(100)PN＜4MPa管法兰的接管伸出长度为150mm。
容器法兰的主要尺寸如下表：公称直径DN，mm法兰，mm 螺柱D D1D2D3D4δ d 规格数量500 630 590 555 545 542 44 23 M20 28选用固定式换热器管板，不兼做法兰，换热管与管板的连接采用先焊后强度胀的连接形式，考虑到胀接结构要求，此次管板的厚度取30mm。
实际上，管板的厚度应按GB151-1991进行强度计算，但由于计算复杂，在此不进行具体的校核。
2.9垫片尺寸的确定由于与壳体接触的介质仅为冷却水，对密封的要求一般，因此密封垫片选用价格相对较低的石棉橡胶片。
根据JB/T4704—1992及所选的DN500，PN1.6(MPa)甲型平焊法兰。
垫片尺寸如下表：（单位：mm）公称直径DN 垫片内径d i垫片外径D0垫片厚度t 500 504 544 32.10管子拉脱力的计算计算数据如下表p ld pfq p 0π= 式中)(39625432866.04866.022202mm d a f =⨯-⨯=-=ππp =1.1(MPa)； l =40mmMPa q p 14.040253961.1=⨯⨯⨯=πB.温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力l d d d q i t t 02204)(-=σ式中st s l t A A t t aE +-=1)(σ2n 24.633042508500S mm D A s =⨯+⨯=⨯=ππ中 222220625.21371)6127()2025(4)(4mm n d d A it =-⨯-⨯=-=ππ则)(47.4224.6330625.213711751021.0108.1166MPa t =+⨯⨯⨯⨯=-σ )(91.150254)2025(47.4222MPa q t =⨯⨯-⨯=由已知条件可知，q p 与q t 的作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为MPa q q q t p 05.291.114.0=+=+= q <[q ]=4.0(MPa) 因此，拉脱力在许用范围内。
2.11是否安装膨胀节的计算 管，壳壁所产生的轴向力：)(1008.9625.2137124.6330625.2137124.6330751021.0108.11)(5661N A A A A t t aE F t s t s s l ⨯=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=⋅⋅+-=-压力作用于壳体上的轴向力：t s sA A QA F +=2其中lt t s i p S d n p nd D Q ])2()[(420202⋅-+⋅-=π)(1038.1]1.1)5.2225(1217.0)25121500[(45222N Q ⨯=⨯⨯-⨯+⨯⨯-=π则N F 55210315.0625.2137124.633024.63301038.1⨯=+⨯⨯=压力作用于管子上的轴向力：N A A QA F t s t 55310065.1625.2137124.6330625.213711038.1⨯=+⨯⨯=+=)(41.14824.633010315.01008.95521Mpa A F F s s =⨯+⨯=+=σ)(50.37625.2137110065.11008.95531MPa A F F t t -=⨯+⨯-=+-=σ根据《钢制管壳式换热器设计规定》：)(180][241.148MPa MPa t s s =〈=σφσ)(206][250.37Mpa MPa l t t =〈=σσq <[q ]=4.0(MPa)条件成立，故本换热器不必设置膨胀节。
2.12折流板设计折流板为单弓形，切缺率（切掉圆弧的高度与壳体内径百分比）为20%~49%，通常为20%~25%，最佳大小一般为20%，此时单位压降下的传热膜系数最高。
切掉圆弧的高度mmD h i 1002.0500%20=⨯=⨯=实际应用中，单弓形折流板间距B=(0.2-1.0)D i ，以0.4~0.5最优。
取B=0.5D i=250mm 。
折流板数5125015001=-=-=折流板间距传热管长B N折流板最小厚度与壳体直径、换管无支承板有关，由书中表6—6查得为3mm 。
由表6—8查得折流板外径496.5mm,材料为Q235—B 钢。
按GB151规定，I 级换热器由于d<32mm,l =1500>900mm,故折流板管孔直径与允许偏差分别为25.4mm 和0.3mm 。
弓形缺口为上下布置，以造成流体剧烈扰动，增大传热系数。
2.13拉杆设计由于换热管外径大于19mm ，故拉杆采用拉杆定距管的形式。
根据《过程设备机械设计》中表5-6，拉杆选用Φ10，共6根，材料为Q235—B 钢，如图所示：由GB151-1999表45查得，拉杆的主要尺寸如下表： 拉杆螺纹公称直径 d n /mm 数量 基本尺寸拉杆直径d/mm L a /mm L b /mm b /mm 1061013≥401.5拉杆孔见上图：d n=10mm, L2=1.5×d n=15mm2.14开孔补强换热器壳体和封头的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器的材料和厚度相同，即4mm厚的Q235—B钢板。
开孔补强如下图。
2.15支座采用裙座，裙座厚度取S c=8mm,基础环厚度取10mm。
设计结果，见所绘的换热器装配图。
3．设计评述本次设计的单壳程双管程管壳式换热器，其两端与壳体连为一体，管子则固定于管板上，其结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑。