管壳式换热器（过热蒸汽0.65MPa,295℃;水0.8MPa,50℃）摘要本设计说明书是关于固定管板是换热器的设计，设计依照GB151-1999《钢制管壳式换热器》进行，设计中对换热器进行化工计算、结构设计、强度计算。

设计第一步是对换热器进行化工计算，主要根据给定的设计条件估算换热面积，初定换热器尺寸，然后核算传热系数，计算实际换热面积，最后进行阻力损失计算。

设计第二步是对换热器进行结构设计，主要是根据第一步计算的结果对换热器的各零部件进行设计，包括管箱、定距管、折流板等。

设计第三步是对换热器进行强度计算，并用软件SW6进行校核。

最后，设计结果通过图表现出来。

关键词：换热器，固定管板，化工计算，结构设计，强度计算。

AbtractThe design statement is about the fixed tube sheet heat exchanger .In the design of the heat exchanger ,the chemical calculation,the structure design and the strength calculation must according to GB151-1999“Steel System Type Heat exchanger ”.The first step of the design is the chemical calculation .Mainly according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area and select heat exchanger size.Then check the heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area,and finally calculate the resistance loss.The second step of the design of heat exchanger is the structural design of the heat exchanger. The design of heat exchanger parts mainly according to the first step of calculation.such as tube boxes , the distance control tube, baffled plates .The third step of the design of heat exchanger is the strength calculation and using SW6 software to check. Finally, the design results are shown in figures.Key words: heat changer, fixed tude plate, chemical calculation,structure design, strength calculation.一、前言管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，它具有结构坚固、可靠性高、适用性强、选材广泛等优点。

在石化领域的换热设备中占主导地位。

随着工艺过程的深化和发展，换热器设备正朝着高温、高压、大型化的方向发展，而管壳式换热器的结构能够很好的完成这一工艺过程。

本次毕业设计题目为管壳式换热器设计，设计的主要内容是固定管板式换热器的工艺计算、结构设计和强度校核。

在设计过程中我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合实际生产需要。

由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和错误，恳请各位老师批评指正，特此致谢！二、管壳式换热器基本理论（一）工作原理管壳式换热器是以封闭在壳体内管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

这种换热器由壳体传热管束管板折流板和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种管在外流动，称为壳程流体。

管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。

（二）主要特性一般，管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐温，耐压，结构坚固，可靠性高；2、选材范围广泛，适用范围大；3、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维修检验技术成熟；4、在换热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及其他类型的换热器。

（三）设计内容管壳式换热器的机械设计主要包括下列内容：1、根据给定设计条件确定设计方案；2、确定换热器类型与主要结构；3、根据换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸；4、核算换热器的传热能力及流体阻力；5、确定换热器的工艺结构；6、对壳体、管板、膨胀节等进行强度校核和结构设计，形成设备设计图。

（四）结构管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。

管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。

另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。

管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。

（五）分类由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。

如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。

因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。

根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型:固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管换热器。

本设计采用固定管板式换热器，管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。

当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。

三、设计参数根据此次设计要求，列出了一系列设计参数，要求学生从中选出两组数据进行设计计算，具体参数列表见表一。

表一：设计参数四、设计过程及内容（一）热力学及流体力学计算根据所选的第三组设计数据进行计算，过热蒸汽走管程，冷却水走壳程。

1、工艺计算根据给定的设计条件，初步确定换热器的公称直径DN=400mm ，换热管排列方式为正三角形，换热管长l=1.5m ，规格为Φ25×2.5mm ，双管程，管心距t=32mm 。

经过排管得实际排管数n=92根，则得0A =n d (L-0.1)π实=10.11m 2。

根据实际排管数核算传热系数：0000121K=1i i m d b d d R R d d d αλα++++=301W/(m 2·K ), 由公式m Q A K t =∆计得计算换热面积A 计=8.7m 2，则得A =1.16A 实计满足要求。

2、压降计算 管内阻力损失为2111p (3)2t s p i u l F N N d ρλ∆=+=31.83kPa 管外阻力损失为22020p [(1)(3.52)]2c B B S S u h Ff n N N F N b ρ∆=++-=10.84 kPa 管内管外阻力损失都满足要求。

3、壁温计算 热流体侧壁温1()h th m dh m t T K r t α=-+∆=124.1℃ 冷流体侧壁温1()tc m dc m c t t K r t α=++∆=86.75℃ 则换热管壁温()12t th tc t t t =+=105.4℃ 由于在壳体外面加50mm 的保温层，因此取壳体壁温为流体的平均温度51.14℃。

（二）主要零部件的材料选择本设计在遵照选材的一般原则及规定、考虑工艺条件并借鉴实际经验的情况下，对主要零部件的材料进行了选取：管箱法兰及接管法兰、壳程筒体、管箱筒体、接管、换热管、定距管选用20号钢，管板采用16Mn 锻件，折流板、螺母采用Q235-A ，防冲挡板采用Q345R,拉杆采用35号钢，螺柱采用40Cr ，封头采用Q245R ，垫片选用石棉橡胶板。

（三）结构设计根据GB151-1999的规定对管箱、壳程圆筒、管板、折流板、防冲挡板的结构尺寸进行设计，选定换热管、拉杆、定距管的结构和规格尺寸，确定壳程圆筒和管箱上的接管位置、尺寸，并确定管板与壳程圆筒、管箱圆筒采用焊接形式。

壳体壁厚由公式[]2c it c p D t p σϕ=-计算得t=1.05mm ，按照我国容器标准，对碳钢和低合金钢容器最小壁厚不小于 3.0mm ，取壳体最小厚度t-3.5mm ，取C 1=0.60mm,C 2=1.5mm,则壳体有效厚度t e =3.9mm 。

由公式d =计算管程接管直径和壳程接管直径，都取Φ159x6mm 的钢管。

由于壳程流速过低故设有4块折流板，由于壳程进口管流体的ρv 2>2230Kg/(m ·s 2)故设置防冲挡板。

换热管与管板的连接形式采用强度焊加贴胀，强度焊提供足够的抗拉强度，而贴胀消除管制和管孔之间的间隙，保证密封性能。

管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与管箱用螺柱、垫片连接。

（四）强度计算根据GB150-2011的强度计算及校核要求用SW6对壳程筒体、管箱筒体的壁厚、开孔补强和水压试验进行计算；对封头的规格、厚度以及水压试验校核进行了计算；在考虑到开孔削弱的前提下对管板的厚度进行了计算；同时也对换热管与管板连接时的拉脱应力进行了核算。

壳体强度校核：计算壳体允许工作应力()2t c i e ep D t t σ+==39.87MPa< []t ϕσ=147MPa ，则壳体满足强度要求。

开孔补强计算用等面积法计算，经过计算补强区内补强面积A=A 1+A 2+A 3=454.85mm 2,所需补强面积A 0=158.32mm 2,A >A 0，则不需要补强。

封头强度校核：计算得封头最大允许工作压力[][]20.5t ew i e t p KD t σϕ=+=2.05MPa ＞P C =0.77MPa,则封头满足强度要求。

综合上述各项计算及相关规定，本次设计的固定管板式换热器所有参数如下：公称直径D 0=400mm ，壳程圆筒、管箱圆筒以及封头的名义厚度均取6mm ，封头深度125mm ；蒸汽进出口接管公称直径159mm ，冷却水进出口接管公称直径159mm ，壁厚均为6mm ，排气孔和排液孔接管公称直径25mm ，壁厚2.5mm ；换热管长1500mm ，外径25mm ，壁厚2.5mm ，折流板厚8mm ，拉杆直径16mm ，定距管与换热管外径、壁厚相同；管板兼做法兰，厚度为34mm ，管箱法兰选取长颈对焊法兰，密封面类型选取突面密封；鞍座按JB/T4712.1-2007容器支座选取。