第六章换热设备的设计6.1 换热设备的分类和总体结构6.1.1 换热设备的分类按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：1.混合式换热器——利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。

这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状。

2.蓄热式换热器——在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。

首先让热流体通过，把热量蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。

由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。

这类换热器的结构紧凑，价格便宜、单位体积传热面大，故较适合于气—气热交换的场合。

3.间壁式换热器——是工业中最为广泛应用的一类换热器。

冷—热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。

按照传热面的形状与结构特点它又可分为：（1）管式换热器——如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。

（2）板面式换热器——如板式、螺旋板式、板壳式等。

（3）扩展表面式换热器——如板翅式、管翅式、强化的传热管等。

其中以管式换热器应用作为广泛，其特点见表6-1所示。

表6-1 管壳式换热器的主要类型及特点6.1.2 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构均包括：管箱、管板、壳体、折流板或支承板、定距管、拉杆、分程隔板、接管、支座等。

如图6-1所示。

图6-1 常见管壳式换热器结构1—平盖；2—平盖管箱（部件）；3—接管法兰；4—管箱法兰；5—固定管板；6—壳体法兰；7—防冲板；8—仪表接口；9—补强圈；10—壳体（部件）；11—折流板；12—旁路挡板；13—拉杆；14—定距管；15—支持板；16—双头螺柱；17—螺母；18—外头盖垫片；19—外头盖侧法兰；20—外头盖法兰；21—吊耳；22—放气口；23—椭圆形封头；24—浮头法兰；25—浮头垫片；26—无折边球形封头；27—浮头管板；28—浮头盖（部件）；29—外盖头（部件）；30—排液口；31—钩圈；32—接管；33—活动鞍座；34—换热管；35—假管；36—管束（部件）；37—固定鞍座；38—滑道；39—管箱垫片；40—管箱短节；41—封头管箱；42—分程隔板；43—悬挂式支座；44—膨胀节（部件）；45—中间挡板；46—U形换热器；47—内导流筒；48—纵向隔板；49—填料；50—填料函；51—填料压盖；52—浮动管板；53—部分剪切环；54—活套法兰。

6.2管壳式换热设备设计的内容和步骤6.2.1 管壳式换热设备设计的内容管壳式换热设备设计的内容包括工艺设计和机械设计两方面。

本课程设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对换热设备进行强度、刚度及稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。

换热设备设计任务书内容和格式按表6-2所示。

6.2.2 管壳式换热设备设计的步骤在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行换热设备的机械设计。

○1了解设计条件；○2选材；○3按设计压力计算壳体和管箱壁厚；○4管子与管板连接结构设计；○5壳体与管板连接结构设计；○6管板厚度计算；○7折流板、支持板等零部件的结构设计；○8换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算；○9管子拉脱离和稳定性校核；○10判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进行有关的计算；○11接管、接管法兰、支座等的选择及开孔补强设计等。

表6-2 换热设备设计任务书比例条件内容修改设计参数及要求修改标记修改内容签字日期壳程管程工作压力，MPa 1.43 1.53设计压力，MPa 1.57 1.68工作温度，℃310 420设计温度，℃310 420 单位名称介质碱洗气变换气工程名称推荐材料16MnR 20钢设计项目管/壳程数 1 1 条件编号传热面积，m2 70设备图号公称直径，mm 800位号/台数传热管直径，mm 38提出人日期传热管长度，m 3备注传热管根数，根205腐蚀情况微弱设计寿命接管表符号公称尺寸DN 连接面形式用途a 400 凹面变换气b 250 凹面碱洗气c 250 凹面碱洗气d 400 凹面变换气e 1/2”螺纹排水口表6-3 换热设备设计任务书简图与说明设计参数及要求壳程管程工作压力，MPa 1.43 1.53设计压力，MPa 1.57 1.68工作温度，℃310 420设计温度，℃310 420 介质碱洗气变换气管/壳程数 1 1 传热面积，m2 70公称直径，mm 800传热管直径，mm 38传热管长度，m 3传热管根数，根205腐蚀情况微弱设计寿命接管表符号公称尺寸DN 连接面形式用途a 400 凹面变换气b 250 凹面碱洗气c 250 凹面碱洗气d 400 凹面变换气e 1/2”螺纹排水口6.3 换热设备的设计示例6.3.1 管壳式换热器某合成氨厂变换工段中变换热器，系卧式固定管板式的管壳式换热器，如图6-2所示，其壳程圆筒内径为800mm 。

换热管规格为φ38×3的无缝钢管，共205根，管长3m 。

工作条件：壳程介质为碱洗液（脱碳后的氮氢混合气），压力为1.43Mpa ，最高温度为310℃；管程介质为变换气（含有二氧化碳的氮氢混合气），压力为1.53Mpa ，最高温度为420℃。

有工艺计算得沿长度平均的壳程圆筒金属温度为274℃，换热管金属温度为350℃。

试对该换热器进行材料选择、结构设计及强度计算。

结构草图如图6-2所示，下面分别进行壳程圆筒、管箱封头及圆筒、法兰、管板，以及U 形膨胀节设计及计算。

图6-2 卧式带膨胀节的固定管板换热器1—变换气入口接管；2—锥形封头；3—设备法兰；4—管板；5—碱洗气出口接管；6—补强圈；7—筒体；8—膨胀节；9—换热管；10—定距管；11—折流板；12—碱洗气入口接管； 13—变换器出口接管；14—鞍式支座。

6.3.1.1 壳程圆筒根据工作条件选择壳程圆筒的材料为16MnR 钢板。

在常温时许用应力为170Mpa ，在设计温度310℃时的许用应力为142MPa ，屈服限为227Mpa 。

按GB150-98式（6-1）壳程圆筒计算厚度 []c i tcp D 2P δσφ=- （6-1）式中 计算压力c P 1.1 1.43 1.57MPa =⨯=； 内直径i D 800mm =材料许用应力[]t142MPa σ=焊缝系数φ=0.85（采用双面焊、局部无损探伤）以上数值代入式（6-1）得1.578005.24mm 21420.85 1.57δ⨯==⨯⨯-按GB150-98碳素钢或低合金钢容器的最小厚度不小于3mm ，该厚度值不包括厚度附加量C=2mm 即e 6mm δ=。

壳程圆筒的液压试验及压力试验时应力校核。

试验液体为水，试验压力PT 按下式[][]T t 170P 1.251.25 1.572.35MPa 142σσ==⨯= 压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式()()T i e T ts e P D 2.3580061850.90.9227204.3MPa 2260.85δσσδφ++===<=⨯⨯⨯⨯6.3.1.2 管箱（1）锥形封头如图6-2所示为带折边锥形封头，根据工作条件选择锥形封头材料为15CrMoR （正火加回火）钢板。

在常温时许用应力为150MPa ，在设计温度420℃时的许用应力为115.6MPa ，屈服限为229.4MPa 。

图6-3 锥形封头按GB150-98式（6-10），式（6-11） 过渡段厚度[]'c ih tckP D 20.5P δσφ=- （6-10）与过渡段相接处的锥壳厚度 []'c ih tcfP D 0.5P δσφ=- （6-11）式中 计算压力Pc=1.1×1.53=1.68MPa 内直径Di=800mm材料许用应力[σ]t=115.6MPa焊缝系数φ=0.85（采用双面焊、局部无损探伤）系数K=0.682（采用标准封头r/D i =0.15, α=30℃）f=0.554（同上）K 、f 值分别由GB0-98表6-4、表6-5查得。

以上数值代入式（6-10）、式（6-11）得 'h 0.682 1.688004.70mm 2115.60.850.5 1.68δ⨯⨯==⨯⨯-⨯'h 0.554 1.688007.64mm 115.60.850.5 1.68δ⨯⨯==⨯⨯-⨯取h 7.7mm δ=，附加厚度c=2mm 选取he 10mm δ= 锥形封头的水压试验压力[][]T ct 150P 1.25P 1.25 1.682.27MPa 115.6σσ==⨯= 壳程圆筒和封头计算参见GB150-98。

（2）管箱法兰选JB/T4703-2000长颈对焊法兰PN=2.5MPa ，DN800，材料为15CrMo 。

法兰密封面型式为凹凸面，连接尺寸（参阅图6-4）如下： D i =800mm δ0=16mm D b =915mm δ1=26mm D f =960mm H=115mmD 4=863mmδf =52mm （不包括厚度附加量）垫片采用金属包垫片865×825JB/T4706-200由GB150-98表9-2查得m=3.75，y=52.4MPa 选32个材料为35CrMoA 等长双头螺栓M24×160JB/T4707-2000。

○1螺栓计算 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按式GB150-98式（9-4）计算： a a G W F 3.14D by ==（6-12）式中 垫片有效密封宽度b垫片接触宽度865825N 20mm 2-== 按GB150-98表9-1得垫片基本密封宽度0N 2010mm 22b ===由于b>6.4mm 则b 8mm ===垫片压紧力中心直径G 4D D 2b 86328847mm =-=-⨯=垫片比压力y=52.4MPa （见GB150-98表9-2） 以上数值代入式（9-2）得6a W 3.14847852.4 1.11510N =⨯⨯⨯=⨯操作状态下需要的最小垫片压紧力按GB150-98式（9-5）计算： 2p p G c G c W F F 0.785D P 6.28D bmP =+=+（6-13）式中 由上已知b=8mm ，DG=847mm 垫片系数m=3.75管程设计压力p=1.68MPa以上数值代入式（9-5）得2p 666W 0.785847 1.68 6.288478 3.75 1.680.946100.26810 1.21410=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=⨯+⨯=⨯预紧状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98式（9-6）计算：[]aa b W A σ=（6-14）操作状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98式（9-7）计算： []pp tbW A σ=（6-15）式中常温下螺栓材料许用应力[σ]b=228MPa 在设计温度420℃下螺栓材料许用应力[]tb 163.6MPa σ=代入式（9-6）、式（9-7）得62a 1.11510A 4890mm 228⨯==62p 1.21410A 7420.5mm 163.6⨯==需要的螺栓面积2m p A A 7420.5mm ==实际螺栓面积()22b 002A n d d 20.75mm 320.78520.75410815.73mm π=⋅==⨯⨯=b m A A >所需螺栓面积足够。