1.1概述 (1) (1) (1)1.2设计的目的与意义 (2)1.3管壳式换热器的发展史 (2)1.4管壳式换热器的国内外概况 (3)1.5壳层强化传热 (3)1.6管层强化传热 (3)1.7提高管壳式换热器传热能力的措施 (4)1.8设计思路、方法 (5) (5)1.8.2换热器管径的设计 (5)1.8.3换热管排列方式的设计 (5)1.8.4 管、壳程分程设计 (5)1.8.5折流板的结构设计 (5)1.8.6管、壳程进、出口的设计 (6)1.9 选材方法 (6)1.9.1 管壳式换热器的选型 (6)1.9.2 流径的选择 (8)1.9.3流速的选择 (9)1.9.4材质的选择 (9)1.9.5 管程结构 (9)2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算 (11)2.1 管径 (11)2.2管子数n (11)2.3 管子排列方式，管间距的确定 (11)2.4换热器壳体直径的确定 (11)2.5换热器壳体壁厚计算及校核 (11)3换热器封头的选择及校核 (14)4容器法兰的选择 (15)5管板 (16)5.1管板结构尺寸 (16)5.2管板与壳体的连接 (16)5.3管板厚度 (16)6管子拉脱力的计算 (18)7计算是否安装膨胀节 (20)8折流板设计 (22)9开孔补强 (25)10支座 (27)10.1群座的设计 (27)10.2基础环设计 (29)10.3地角圈的设计 (30)符号说明 (32)参考文献 (34)小结 (35)2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管径换热器中最常用的管径有φ19mm ×2mm 和φ25mm ×2.5mm 。

小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。

所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用φ19mm ×2mm 直径的管子更为合理。

如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。

标准管子的长度常用的有1500mm ，2000mm ，2500mm ，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m 等。

换热器的换热管长度与公称直径之比一般为4—25,常用的为6—10选用Φ25×2.5的无缝钢管，材质为20号钢，管长4.5m 。

2.2 管子数n L F n d 均π=Θ(2-1)其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=503-6=497根 2.3 管子排列方式，管间距的确定采用正三角形排列，由《化工设备机械基础》表7-4查得层数为12层，对角线上的管数为25，查表7-5取管间距a=32mm.2.4换热器壳体直径的确定l b a D i 2)1(+-= (2-2)其中壁边缘的距离为最外层管子中心到壳l取d l 2=，()m m 8682522)125(32=⨯⨯+-⨯=i D ，查表2-5，圆整后取壳体内径9=i D 00mm2.5 换热器壳体壁厚计算及校核材料选用20R计算壁厚为：ctic p D p -=φσδ][2, (2-3) 式中:p c 为计算压力，取p c =1.0MPa ；=i D 900mm;φ=0.9;[σ]t =92Mpa （设壳壁温度为 350°C ）将数值代入上述厚度计算公式，可以得知： 查《化工设备机械基础》表4-11取2.12=C mm ； 查《化工设备机械基础》表4-9得25.01=C mm 5.47+1.2+0.25=6.92 mm 圆整后取0.7=n δ mm复验25.042.0%6>=⨯n δ mm ，最后取25.01=C mm 该壳体采用20钢7mm 厚的钢板制造。

1、液压试验应力校核see i T T D P φσδδσ9.02)(≤+=(2-4) [][]MpaPP tT 15.1115.115.1=⨯==σσ (2-5)55.525.02.17=--=-=C n e δδ mm (2-6) 查《化工设备机械基础》附表6-3Mpa s 245=σMpa T 82.9355.52)55.5900(15.1=⨯+⨯=σ，可见sT φσσ9.0≤故水压试验强度足够。

2、强度校核设计温度下的计算应力Mpa D p e e i c t 58.8155.52)55.5900(0.12)(=⨯+⨯=+=δδσMpa t 8.829.092][=⨯=φσ﹥t σ最大允许工作压力MpaD P e i e t w 02.155.590055.59.0922][2][=+⨯⨯⨯=+=δφδσ (2-7) 故强度足够。

3 换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2000标准，封头为DN900×7，查《化工设备机械基础》表4-15得曲面高度1501=h mm ，直边高度402=h mm ，材料选用20R 钢标准椭圆形封头计算厚度：mm45.50.15.09.09229000.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-=c ti c p D p φσδ(3-1)MpaKD p e i e t w 02.155.55.0900155.59.09225.0][2][=⨯+⨯⨯⨯⨯=+=δφδσ (3-2) 所以，封头的尺寸如下图：图3-1 换热器封头尺寸4 容器法兰的选择材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN900，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。

查《化工设备机械基础》附表14得法兰尺寸如下表：表4-1 法兰尺寸公称直径DN/mm 法兰尺寸/mm 螺柱d 规格数量900 1060 1015 976 966 963 55 27 M24 28所以，选用的法兰尺寸如下图：图4-1 容器法兰5 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。

5.1管板结构尺寸查（《化工单元设备设计》P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：表5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径D b c d 螺栓孔数900 1060 1015 966 963 58 44 27 245.2管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。

由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，有在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，其焊接时较难调整。

5.3管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。

一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。

对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表5-2选用。

考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm。

表5-2 管板的最小厚度换热器管子外径0d /mm ≤25323857管板厚度/mm30d /422 25 32综上，管板的尺寸如下图：图5-1 管板6 管子拉脱力的计算计算数据按表6-1选取表6-1项目 管子 壳体 操作压力/Mpa 0.82 0.78 材质 20钢 20R 线膨胀系数 弹性模量 许用应力/Mpa 101 92 尺寸 管子根数 497 管间距/mm 32 管壳壁温差/℃管子与管板连接方式 开槽胀接胀接长度/mm =l 50许用拉脱力/Mpa4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力p qld pfq p 0π=(6-1) 其中39625432866.04866.022202=⨯-⨯=-=ππd a f()mm 2 (6-2)Mpa p 82.0=, 50=l mm2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力t qld d d q o i t t 4)(220-=σ(6-3)其中sts t t A A t t E +-=1)(ασ(6-4)9.199********.3n =⨯⨯==δπ中D A s()mm 2(6-5).687782497)2025(414.3)(422220=⨯-⨯=-=n d d A i t π()mm 2(6-6) 由此可知p q ，t q 作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：q=p q +t q =0.08+1.03=1.11Mpa ﹤4.0Mpa(6-7)因此拉脱力在许用范围内。

7 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为：10666101.26.877829.199356.877829.199********.0108.11)(⨯=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=+-=-ts ts s t A A A A t t E F α（N ）(7-1)压力作用于壳体上的轴向力：t S sA A QA F +=2 (7-2)其中])2()[(420202t t s i p d n p nd D Q δπ-+-=(7-3)=]82.0)5.2225(49778.0)25497900[(4222⨯⨯-⨯+⨯⨯-π压力作用于管子上的轴向力为：则MpaA F F s s 8.1049.199351008.01001.26621=⨯+⨯=+=σ (7-4) 根据GB １５１——１９９９《管壳式换热器》q ﹤［ｑ］＝4.0Mpa ，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。

8 折流板设计设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。

常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形[图8-1（a ）]、双弓形[图8-1（b ）]、三重弓形[图8-1（c ）]等几种形式。

图8-1 弓形折流板和圆盘-圆环形折流板单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h 为壳体公称直径Dg 的15%～45%，最好是20%，见图8-2（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图8-2（b）。

高度为15～20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图8-2（c）。

图8-2 单弓形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。

为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。

从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。

但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。

折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图8-3。