管壳式换热器课程设计一、管壳式换热器的介绍管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，它的特点是结构坚固、可靠高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范围广、换热面的清洗比较方便、高温和高压下亦能应用。

但从传热效率、结构的紧凑性以及位换热面积所需金属的消耗量等方面均不如一些新型高效率紧凑式换热器。

管壳式换热器结构组成：管子、封头、壳体、接管、管板、折流板；如图1－1所示。

根据它的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函和釜式重沸器五类。

二、换热器的设计2.1设计参数参数名称壳程管程设计压力（MPa） 2.6 1.7操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口）设计温度（℃） 250 75操作温度（℃） 220/175(进口、出口) 25/45(进口/出口)流量（Kg/h） 40000 选定物料（-）石脑油冷却水程数（个） 1 2腐蚀余度（mm） 3 -2.2设计任务1. 根据传热参数进行换热器的选型和校核2.对换热器主要受压原件进行结构设计和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座等。

3.设计装配图和重要的零件图。

2.3热工设计2.3.1基本参数计算2.3.1.1估算传热面积-=220-45=175-=175-25=150因为,所以采用对数平均温度差算术平均温度差：=P=R=查温差修正系数表得因此平均有效温差为0.82放热量考虑换热器对外界环境的散热损失,则热流体放出的热量将大于冷流体吸收的热量，即：取热损失系数,则冷流体吸收的热量：由可的水流量：==31372.8这里初估K=340W/(),由稳态传热基本方程得传热面积：=16.552.3.1.2由及换热器系列标准，初选型号及主要结构参数选取管径卧式固定管板式换热器，其参数见上表。

从而查《换热器设计手册》表1-2-7，即下表公称直径管程数管子根数中心排管管程流通换热面积换热管长换热管排列规格及排列形式：换热管外径壁厚：d=50mm排列形式：正三角形管间距： =32mm折流板间距：2.1.1.3实际换热面积计算实际换热面积按下式计算2.2计算总传热系数，校核传热面积总传热系数的计算式中：——管外流体传热膜系数，W/(m2·K)；——管内流体传热膜系数，W/(m2·K)；,——分别为管外、管内流体污垢热阻，(m2·K) /W；—管壁厚度，m；——管壁材料的导热系数，W/(m2·K) oαiαiorr,δwλ2.2.1管内传热膜系数管内未冷却水流入，其速度为：雷诺数：对于湍流，由Dittus –Boelter关系式，有传热膜系数：其中，普朗特数： =4.87由于冷却水要被加热,故取n=0.4,即管内传热膜系数为：=927.4W/()2.2.1管外传热膜系数因换热管呈正三角形排列，根据Kern法当量直径：=故0.55流体流过管间最大截面积是其中壳体内径估算为=0.37因此，=0.216.7=雷诺数：普朗特数：壁温可视为流体平均温度，即：2.2.3总传热系数因为有污垢热阻，因此查看表《GB151-1999管壳式换热器》可有管外有机物污垢热阻：/W管内冷却水污垢热阻：/W插入法得到=因此得到故2.2.4总换热面积由稳态传热基本方程：=8.5（1+25%）=10.62.3计算管程压力降管程压力降有三部分组成，可按照如下公式进行计算—流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa;--流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa;—流体流经管箱进出口的压力降，Pa;—结构矫正因素，无因次，对Φ25×2.5mm，取为1.4；--管程数，取2；--串联的壳程数，取1其中：对光滑管，Re=3时，由伯拉修斯式，得：因此，因此，管程压力降在允许范围内1.3.2壳程压力降采用埃索法计算公式：式中：--流体横过管束的压力降，Pa;--流体通过折流板缺口的压力降，Pa;—壳程压力降的结垢修正系数，无因此，对液体取1.15;其中：式中：F—管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形F=0.5;—壳程流体摩擦系数，当Re>500时，;--横过管束中心线的管子数，对三角形排列;--按壳程流通截面积计算的流速，。

计算过程如下：0.003Mpa因此，壳程压力降在允许范围内。

三、结构设计下面选取材料，并进行换热器的结构设计3.1结构尺寸参数a)根据换热器公称直径为400mm，选用圆筒作为换热器壳体。

壳体圆筒：公称直径DN=400mm，壁厚。

b)换热管：外径d=25mm，壁厚，换热管长度，根数n=94，受压失稳当量长度，换热管呈正三角形排列，管间距。

c)管板：刚度削弱系数，强度削弱系数。

d)螺栓：数量n=16，规格M27，30mm有效承载面积：（《换热器设计手册》）e)管箱法兰：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整体钢制管法兰法兰外径，螺栓孔径中心圆直径，法兰厚度C=32mm，管箱圆筒厚度，法兰宽度：3.2采用原件材料及数据a)换热管材料：碳素钢钢管 20设计温度下的许用应力设计温度下的屈服点设计温度下的弹性模量(GB150-89,表15)管壁温度下的弹性模量管壁温度下的膨胀系数b)壳程圆筒材料：碳素钢Q235-B250设计温度下的许用应力圆筒在壁温下的弹性模量Mpa圆筒在壁温下的线膨胀系数mm/c)管板材料：16Mn250设计温度下的许用应力250设计温度下的弹性模量d)螺栓材料：40Cr（GB150-1989表2-7）常温下许用应力250设计温度下的许用应力e)管箱法兰材料：16Mn由于管箱法兰为长颈对焊法兰，管箱圆筒材料弹性模量取管箱法兰材料的值，根据GB150-1989250下的弹性模量75下的弹性模量f)垫片材料：铁包石棉垫片根据GB150-1998，垫片系数m=2，比压y=11Mpa3.3壳体、管箱壳体和封头的设计3.3.1壳体的设计a)圆筒公称直径由计算知，圆筒的公称直径为400mm400mm，采用卷制圆筒。

b)圆筒厚度圆筒的最小厚度应按GB150-1989计算，但不得小于表3-1规定。

表3-1碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 mm公称直径400如上表按附加量圆整取最小厚度为10mm表2-2壳体、管箱壳体厚度 mmQ235-A/B/C 8 8 8 8 - -400 16MnR 8 8 8 8 10 121Cr18Ni9Ti 4 4 4 6 10 14对应壳体、管箱壳体厚度也取10mm3.3.2封头设计按工作原理，设计封头应为受内压的椭圆形封头，采用长轴与短轴比为2的标准型封头。

椭圆形封头是由半个椭圆球和具有高度h的圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的还焊缝受到边缘应力的影响。

封头厚度（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.3%。

由表3-3，取封头厚度为10mm表3-32.3.2封头设计按工作原理，设计封头应为受内压的椭圆形封头，采用长轴与短轴比为2的标准型封头。

椭圆形封头是由半个椭圆球和具有高度h的圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的还焊缝受到边缘应力的影响。

封头厚度（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.3%。

由表2-3，取封头厚度为10mmQ235-A/B/C 8 8 8 8 - -400 16MnR 8 8 8 8 10 141Cr18Ni9Ti 4 4 4 6 10 143.4进出口设计3.4.1接管的要求接管应与壳体内表面齐平，接管应尽量沿着壳体的径向或轴向设置，接管与外部管线可采用焊接连接，在设计温度下，接管法兰不采用整体法兰，必要时可设置温度及接口、压力表接口及液面计接口。

3.4.2接管直径的计算确定接管直径的基本公式仍用连续性方程,经简化之后的计算公式：，对计算的管径进行圆整，取接近标准管径。

a) 接管上设置温度计接口、压力表接口及液面计接口b) 对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，且最小公称直径为20mm。

3.4.3接管的外伸长度接管外伸长度也叫接管伸出长度，指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度，可按下式计算：式中：l—接管外伸长度，mm；h—接管法兰厚度，mm；--接管法兰的螺母厚度，mm；—保温层厚度，mm接管外伸长度也可根据下表数据选取，选取外伸长度为150mm表3-4 PN 4.0Mpa 的接管伸出长度 mmDN\ 0-5070 150100 1503.4.4接管与筒体、管箱壳体的连接a)结构形式接管接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的形式，可采用插入式焊接结构，一般接管不能凸出壳体内表面。

b)开孔补强计算具体过程见强度计算3.4.5接管的最小位置在换热器设计中，为使换热面积得到充分利用，壳程进出口接管应尽量靠近两端管板，而管箱进出口接管应尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱壳体长度，减轻设备重量。

然而，为保证设备的制造、安装，管口距地的距离也不应靠的太近，受最小位置的限制。

a)壳程接管位置的最小尺寸壳程接管最小位置，见图2-1，可按下列公式计算：图2-1 壳程接管位置带补强圈接管：无补强圈接管：b)管箱接管位置的最小尺寸管箱接管最小位置，见图2-2，可按下列公式计算：图2-2管箱接管位置带补强圈接管：无补强圈接管：式中：b—管板厚度，mm；—壳程/管箱接管位置最小尺寸，mm/mm；C—补强圈外边缘（无补强圈时，管外侧）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mm；--补强圈外径，mm；--接管外径，mm3.5管板与换热管3.5.1 管板3.5.1.1材料：16MnR3.5.1.2厚度根据设计要求，当采用先胀后焊连接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕量）见表3-5；取（包括腐蚀裕量）。

用于无害介质的一般场合2.5.1.3布管a) 换热管的排列形式，见图2-3，本设计选择三角形错列形式图2-3布管形式b)换热管中心距换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径。

常用换热管外径如《换热器设计手册》表1-6-16，即表3-6 所示：根据表中要求选取换热管中心距为S=32mm表3-6 换热管中心距 mm换热管外径d 25换热管中心距S 32分程隔板槽两相邻管中心距 44c)布管限定圆：布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径表3-7布管限定圆 mm表中：b—见图2-4，其值按表2-8选取，mm--见图2-4，其值按表2-9选取，mm--见图2-4，，mm--固定管板式换热器或U型管换热器管束最外层换热管表面至壳体内壁的最短距离，且不小于10mm—垫片宽度，其值按表2-9选取，mm图3-4 布管示意图除了考虑布管限定圆直径外，换热管与防冲板间的距离也需考虑。

通常，换热管外表面与邻近防冲板表面间的距离，最小为6 mm。