管壳式换热器课程设计说明书

郑州大学

课程设计说明书

题目：纵向流管壳式换热器设计指导教师：吴金星职称：教授学生姓名：学号：

专业：能源与动力工程

院（系）：化工与能源学院

完成时间：

2015年9 月21 日

1.换热器传热工艺计算

1.1 参数的初步选择

换热器管程介质：流量 2.4t/h；工作压力：常压；进水温度：23 ℃；出水温度：55 ℃；壳程

介质：流量 4t/h；工作压力：常压；进水温度：90 ℃；出水温度：75 ℃。

1.2 传热系数计算

kg/

s

.4

2.换热器结构设计

2.1 壳体

根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为20℃；设计压力为0.6Mpa 。 2.1.1 壳体材料的选择

由于所设计的换热器属于常规容器，公称直径小于400mm 的可用无缝钢管制作，市面上的常见的无缝钢管的材质为20号钢，故选择20号钢管为壳体的材料。

20号钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。 2.1.2 圆筒壳体厚度的计算

公称直径小于400mm 的可用无缝钢管制作，选用钢管标准为：Φ219*8，20号刚。

根据GB6654《压力容器用钢板》规定可知对20号钢其

120;2C C mm ==。

验证该厚度满足条件：

120;2C C mm ==

名义厚度mm C d n 81=?++=δδ（其中为向上圆整量） 设计厚度mm C d 8262=+=+=δδ；

假设材料的许用应力[]125t σ=Mpa （厚度为6～16mm 时），壳体计算厚度δ=6mm ，应力σ=

Mpa Mpa 1257.256

)

16273(6.0<=-?，则此时厚度满足要求，故合适。

2.1.3 管板和封头的厚度计算

管板采用碳钢材料的固定式管板，查取国标，螺栓采用M20*12(参考课本128，校核参考设计269）

管板的重量是：γ???-÷+?+?+??-?=112

3252422222464

n b d h D D d b n D D Q f ;

封头采用椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。

查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：

表3-1 DN219标准椭圆形封头参数 短节部分的厚度同封头处厚度，为6mm 。

此时选用标准椭圆形封头，故1K =，且同上

120;2C C mm ==，则封头计算厚度为：

1K =

120;2C C mm ==

验证许用应力：

名义厚度mm C dh nh 61=?++=δδ

（为向上圆整量）； 设计厚度mm C h dh 62=+=δδ；

1257.172/)5.0(

<=+=c h

i

c P D KP δσ；故此封头合适

2.1.4 拉杆

查取标准，拉杆的选用为：

2.2 换热管

换热管的规格为mm 219?Φ，数量40根，长为2m ，材料选为ND 钢。 2.2.1 换热管的排列方式

换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：①正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但给热效果较差；③正方形错列：可以提高给热系数。

在此，考虑换热效果，选择三角形排列，考虑流速的原因，我们采取单壳程、两管程的设计。 查GB151-1999可知，换热管的中心距T s =25mm 。 2.2.2 排管

排管方式正三角形排列方式，如下：

2.2.3 折流圈个数

折流圈之间的间距一般为0.152m，因为我们的换热管取2m，所以这里折流圈的个数为：2/0.152-1=12。

2.2.4 热管与管板的连接

热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。强度胀接主要适用于设计压力小≤4.0Mpa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。

在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊接。这是主要是因为热管两端是密封的，不能用胀接。

2.3冷热流体进出口接管与法兰

2.3.1进出口管直径

管程进出口管

取管程流量

87

.

151

153

.0

6.

992

2

2=

?

=

?ν

ρ

；

则进出口流通截面积为

2 2

00345

.0

87

.

151

524

.0

2

2

2

m

v

Qm

a

N

=

=

=

ρ

；

进出口管道内径：

m

a

D

N

N

064

.0

14

.3

4

2

2

=

=

；

取管子为65*5.0mm，取对应法兰标准；壳程进出口管：

取壳程流量

67

.204211.097011=?=?νρ；

则进出口流通截面积为

2

100543.067.204111

.1111m v Qm a N ===

ρ； 进出口管道内径：

m a D N N 083.014

.34

11==

；

取管子为76*6.0mm ，取对应法兰标准；

2.3.2接管外伸长度

又称接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度，计算公式为：

151+++≥δh h l

式中，l 表示接管外伸长度； h 表示接管法兰厚度； h1表示接管法兰螺母厚度； δ表示保温层厚度。

冷水进出口伸出长度 151+++≥δh h l 取120mm 。

热水进出口伸出长度 151+++≥δh h l 取120mm 。

2.3.3接管位置的尺寸(参考课本127）

在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，进口接管应尽量靠近下端管板，出口在正上方。

壳程接管的最小尺寸（不带补强圈）：

C b d L H

+-+≥

)4(2

1 mm 其中C ≥4S(S 为管箱壳体厚度，mm)且≥30mm ，3284=?≥C ,取32mm 。

9832)432(2

761=+-+≥L mm

1l 取98mm 。

管箱接管的最小尺寸（不带补强圈）：

管箱接管位置的最小尺寸，可按下式进行计算：

C h d L f H

++≥

2

2mm 其中C ≥4S(S 为管箱壳体厚度，mm)且≥30mm 。

5.10132322

75

2=++≥

L mm 1l 取102mm 。 2.4其他部件结构设计

2.4.1排污孔及排气排液孔设计

排污孔及排气排液孔都取Φ25×3mm ，与筒体采取焊接的方式连接。 2.4.2鞍座设计

根据国家标准JB/T4712,采用BI219标准件。

3.换热器强度计算

3.1开孔补强计算

补强判别：根据GB150表8-1，允许不另行补强的最大接管外径是89mm Φ，本设计的开孔外径都小于允许不另行不强的最大接管外径，因此不需要另行考虑其补强。 3.2 筒体强度校核

圆筒选自标准管，壁厚为8mm ，则内径为203 mm 。 压力实验应力校核

液压试验的试验压力由GB150-1989式（1-5）确定：

Mpa

P P Mpa P

P T T T 7.01.075.016.025.125.1=+==??==??

,取两者中的较大值，所以取0.75Mpa 。

?—设计温度下的材料许用应力，125Mpa ； ?T —实验温度下的材料许用应力，125Mpa 。

压力实验时，圆筒的薄膜应力按下式计算：

M p a e e P T D i T 18.136

26

20375.02=?+?=+=

?δδ?

在进行液压试验时，圆筒的薄膜应力不得超过试验温度下材料屈服点的90％，即112.5Mpa ，所以符合要求。

最大工作压力和计算应力

最大许用工作压力：Mpa D P e i t e W 1.76

2031

125622=+???=+=

δ??δ 设计温度下的圆筒筒壁计算应力按下式计算：Mpa pD e e i t 8.106

26

2036.02=?+?=+=δδ?

因此，筒体满足应力要求。

3.3 管板强度校核

由于管板是取自标准型的带法兰式固定管板，且能够承受一定的压力，而本设计为常压装置，故所取管板强度符合要求。

4. 换热器图纸说明

图纸包括热管换热器总装图和两个零件图。

五、课程设计总结

通过这次课程设计，再一次熟悉了换热器尤其是管壳式换热器的设计思路和方法，对换热器有了更加深刻的认识，同时也学习到了很多的新知识。同时也系统性的回顾了传热学流体力学等相关方面的知识，同时对设计过程的先后顺序有了更进一步的的理解；另外，在CAD 制图方面，由于很长时间没有操作，将本来以前熟悉的操作步骤都陌生了，经过这次的绘图，又能熟练的操作CAD 制图软件；最后，我认为这次热管式蒸发器的设计不仅让我弥补了以前没有记住的知识，也让我学到了很多以前没有学过的知识，总之，这次设计对我还是有很大的帮助的。

参考文献：

[1] 林宗虎，汪军．强化传热技术．北京：化学工业出版社，2007

[2] 吴金星，曹海亮等.高效换热器及其节能应用，北京：化学工业出版社，2009

[3] 钱颂文.换热器设计手册，北京：化学工业出版社，2008

[4] 李静芳.折流栅换热器的研究与发展.[J].能源信息与研究.

[5] 吴金星，王丹.换热器原理与设计.[M].郑州大学.

[6] C.C.GENTRY.折流杆换热器技术. [J]

[7] 朱聘冠．换热器原理与计算．北京：清华大学出版社，1998

[8] 胡明辅，金涛.双壳程折流杆换热器的理论、设计与工程计算.[J].云南工业大学