固定管板式換熱器設計目錄1緒論 11.1課題研究背景及目的 11.2設計主要流程 11.3換熱器介紹 21.4固定管板式換熱器結構簡介 32換熱器工藝設計及計算 72.1初始數據表 72.2設計方案 72.2.1換熱器類型的選擇 72.2.2流速的選擇 72.2.3結構類型 82.3估計傳熱面積 82.3.1原油的流量 82.3.2熱流量 82.3.3對數平均溫差 82.3.4傳熱面積 92.4工藝結構尺寸 92.4.1管徑管內流速及管長 92.4.2管程數和傳熱管數 92.4.3殼體內徑 92.4.4折流板 102.4.5其他附件 112.5換熱器核算 112.5.1管程數據計算 112.5.2管程流體阻力 112.5.3管程對流傳熱系數 132.5.4殼程數據計算 132.5.5殼程流體阻力 142.5.6殼程對流傳熱系數 152.5.7污垢熱阻 152.5.8總傳熱系數 162.5.9壁溫計算 163結構設計 183.1筒體壁厚的計算 183.2管箱厚度計算 193.2.1封頭厚度計算 203.2.3管板計算 223.3接管和接管法蘭 223.3.1殼程接管開孔補強的校核 233.3.2管程接管開孔補強的校核 243.3.3殼程接管位置 253.3.4管箱接管位置 263.4支座 274強度計算以及校核 284.1膨脹節的判斷 284.2管板計算 304.3殼程壓力下的危險組合 354.3.1不計膨脹差 354.3.2計入膨脹差 374.4管程壓力下的危險組合 394.4.1不計入膨脹差 394.4.2計入膨脹差 414.5鞍座校核 43結論 45參考文獻 46PAGE441緒論1．1課題研究背景及目的換熱器是某些化工企業生產經營中的重要輔助設備，傳熱設備廣泛應用于海水淡化、石油精煉等行業的行業中，它也可以作為單獨加熱器、冷卻器使用。換熱器的主要功能是使熱量通過傳遞由溫度較高的介質傳到溫度較低的介質，使流體的溫度指數達到工藝方向上的規定，滿足工業生產上的需求。石化、醫藥、資源等工業或者輕工業生產，普遍需要加熱低溫介質或者冷卻高溫介質。這些過程和傳熱的聯系非常密切，通過使用換熱設備完成這些需要。在化工廠的設備里，換熱器的投資占總投資的10%到20%；在煉油廠中，約占設備總投資的35%到40%；海水淡化過程中需要大量的換熱設備。近20年來，熱交換器被廣泛應用于能源轉換、儲存、回收和利用新能源及污染物的管理中[1]。在換熱器節能技術大發展的環境下，換熱器的應用領域也更加廣泛，各行各業都需要換熱器來幫助生產或者降低成本，熱交換器的利用通過對于熱量回收給公司帶來了非常大的經濟效益。換熱器的重要之處在于國民經濟和工業生產中不可或缺，它的應用非常普遍，伴隨著新技術，新材料，現代社會經濟發展和能源資源緊缺危機的到來，每個國家都非常重視石油化工的加工和綜合高效利用，隨之而來的是換熱器面臨著更加嚴峻的機遇。換熱器的性能對熱量的利用，整套設備或者系統運行的經濟性起著非常大的作用，有時候甚至起著決定性作用。熱交換器發展了非常多的種類，不同種類的換熱器有著不同的特性，因此不同種類的換熱器它們的優缺點是不同的。管殼式換熱器是屬于表面式換熱器的一類，是換熱器中使用最廣的一種，它雖然在傳熱效率、結構的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面不如一些新型的高效緊湊式換熱器，但它結構堅固、可靠性高、易于制造、適應性廣、生產成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便。在高溫、高壓和大型換熱器中，管殼式換熱器仍具有絕對優勢。管殼式換熱器主要又分為：固定管板式換熱器、U型管式換熱器、浮頭式換熱器等，而固定管板式又是管殼式換熱器是使用最為廣泛的一種，具有結構簡單，管程清洗方便等特點[2]。1.2設計主要流程本次設計第一步是搜集資料，通過學校圖書館查找相關文獻，以及網上資源下載的方式，在收集到了足夠的資料后著手進行下一步操作，通過對于換熱器的了解，了解到它的具體工作原理后，首先考慮設計過程中需要注意的影響因素，接著理解固定管板式換熱器的具體結構，以及零部件的類型，以及作用原理。對于換熱器內的各個主要部件的類型做出描述后，對于在設計過程中遵循的標準進行了一定的介紹，在完成了緒論部分后。接著由給定的設計要求確定了設計方向，對于冷熱流體的走向、流速、傳熱管的排布方式以及管徑的大小等得出了初步的結論。然后便開始熱力計算，對與柴油的流量、總熱流量和傳熱面積進行計算。緊接著通過對于工藝的結構計算確定下了傳熱管的管長、傳熱管根數、殼程數、管程數、殼體內徑、折流板數以及接管內徑等。最后進行了換熱器的總傳熱系數和流體阻力的計算完成了整個換熱器的熱力校核計算。然后對于筒體、封頭、管箱接管法蘭、固定管板等的選材和強度進行校核，第一步確定了接管法蘭、接管以及支座的尺寸，接下來就是對于是否需要膨脹節和接管補強的判斷，依據了國標上的判斷依據得出結論后，完成了換熱器的整體強度計算及校核。緊接著對于換熱器的主要零部件進行了匯總，得出了設計的結論。1.3換熱器介紹換熱器是一種用于在兩個或多個流體之間、流體與固體之間的熱傳導的裝置，或是固體顆粒的熱接觸的裝置，它能夠對于熱量進行傳遞是熱量從一個介質傳遞到需要的另外一個介質上。它廣泛應用于化工、煉油、食品、輕工、能源、機械等許多工業部門。在工業生產中，在不同的工作條件、用途、材料特性等影響因素下，有各種各樣的換熱設備，換熱器的種類繁多。本次設計主要是對于固定管板式換熱器的設計，管殼式換熱器屬于間壁式換熱器，它是通過間壁將需要交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量從熱流體通過間壁傳遞給冷流體。這種換熱器是一種應用最廣泛的換熱器。它的大致結構是在一個或者是多個的圓筒形的殼程中安置傳熱管，該傳熱管的兩端或者一端要固定于管板上面，主要通過焊接，其中管子上的軸線要和殼體上的軸線相平行。這是為了增加管內流體的流動和支撐，改善傳熱的性能，在筒體內間隔安裝多塊折流板，用拉桿和定距管將折流板和管子組裝在一起。換熱器的殼體和兩側的端蓋上裝有流體的進出口，也有根據要求在其上裝設檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排氣孔和排液空等。管殼式換熱器它雖然在傳熱效率上不高，結構的緊湊性低和單位傳熱面積以及金屬消耗量等方向上比不上一些新型發展起來的換熱器，但它也有明顯的優點，如可靠性高、結構堅固、易于制造、適應性廣、生產成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便等。在高溫、高壓和大型換熱器中，管殼式換熱器仍具有絕對優勢，是目前使用最廣泛的一類換熱器[3]。根據管殼式換熱器的結構特點，分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器和釜式重沸器五類。在本設計論文中是對固定管板式換熱器的設計計算，以及對于固定管板式換熱器的理解，主要介紹固定管板式換熱器。1.4固定管板式換熱器結構簡介固定管板式換熱器由管板、法蘭、管箱、筒體、傳熱管等零件組成，管束連接在管板中，管板和殼體之間焊接，管束兩端用脹接或焊接的方法將管子固定在管板上，殼體進出口管直接焊接在筒體上，管板外圓周和封頭法蘭直接用螺栓緊固，管程的進出口管直接焊接在管箱上，管束內根據換熱管長度設置多塊折流板，這類換熱器的管程可以用隔板分程多個程數。固定管板式換熱器的優點是結構簡單、緊湊，并可以承受較高的壓力，造價低，管程的清洗方便，管子損壞的時候易于堵管或者更換；缺點是當管束和殼體的壁溫或者材料的線膨脹系數差別較大時，殼體和管束中的熱應力較大。這種換熱器適用于殼側介質比較清潔而且不容易結構并能進行清洗，管、殼程兩側的溫差較小或溫差較大但是殼側的壓力不高的場合[4]。為了減少熱應力對于換熱器的影響，通常在固定管板式換熱器中安置柔性元件（比如膨脹節或撓性管板等），通過柔性元件來吸收熱膨脹差。在管殼式換熱器的基本設計方法中，首先要保證在滿足工藝過程要求的前提下，使其達到安全和經濟的目標。換熱器的設計它的主要任務有數據設計、結構設計、傳熱計算和壓降計算等。設計同時包括了傳熱管的排列、傳熱管的支承結構、管程數、管長、殼體形式、換熱器類型、冷熱流體流動通道等工藝計算和殼體、封頭、管板等零部件的結構、強度設計計算。換熱器的工藝設計計算依據設計任務的不同可以分為設計計算和校核計算，包括換熱面積的計算與選型兩方面。普遍情況下由已知的冷流體和熱流體的物性和處理量，進出口壓力和溫度由工藝方面的要求來確定。在設計計算中需要選擇或確定的有三大類數據：結構數據、物性數據和工藝數據。設計計算是通過對于已知的數據來計算換熱器的傳熱面積，從而來具體決定換熱器所需要的各種結構，可以由此來選定已經有的標準換熱器；而校核計算則是通過對已有的各種數據進行核定，校核能夠確定它是否滿足預定的要求。在管程結構當中，傳熱管占了整個換熱器的主要重量，換熱管它除了光管之外還有各式各樣的強化傳熱管，例如翅片管、螺紋管、螺旋槽管等。當傳熱管內外兩側的熱系數比較大時，翅片管的翅片布置應首先在給熱系數較低的一側。換熱管是具有標準的尺寸的鋼管，主要分為無縫鋼管和不銹鋼管。本次設計主要選用無縫鋼管，在設計換熱器的時候，采用小管徑的換熱管，能夠使傳熱系數提高、單位面積的傳熱面積增大、金屬耗量減少、結構緊湊。通過簡單的估算，將同直徑換熱器的換熱管尺寸由φ25mm改為φ19mm，傳熱面積便可以增加非常大的部分，同時能夠節約五分之一以上的金屬。但采用小管徑的流體會產生較大阻力，而且不方便清洗，比較容易結垢堵塞。在一般情況下，采用大直徑的管子主要用于黏性較大或污濁的流體，采用小管徑的管子則主要用于相對較清潔的流體。換熱管常用的材料通常有碳素鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、低合金鋼、不銹鋼、鈦等。除上述材料之外，也可使用一些非金屬材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。換熱管的排列方式主要有正方形、轉角正三角形、正三角形、轉角正方形等。正三角形的排列方式能夠在相同的管板上排列最多的管數，所以用的比較普遍，但是管外不便于清洗[5]。為便于管外清洗，可采用正方形或轉角正方形排列的管束。管板在管殼式換熱器的內部是最重要的零部件之一，它的主要作用是排布換熱管。將管程和殼程的流體分開，以此來避免冷熱流體的混合，與此同時受到管程、殼程的壓力和溫度的作用。管板在選用材料的時候不僅要考慮力學性能，還要考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱器之間存在的電位差對腐蝕的影響。當流體腐蝕較低或者基本沒有腐蝕性的時候，管板一般采用壓力容器用的碳素鋼或者鍛件或低合金鋼板來制造。當流體的腐蝕性較強時，管板應采用耐腐蝕材料，如不銹鋼鈦、鋁、銅、等。對于厚度較大的管板，為達到降低造價，工程上常采用鈦+鋼、不銹鋼+鋼、鈦+鋼等復合板，或堆焊襯里。在換熱器承受高溫、高壓時，高溫、高壓對管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便可以承受更大的壓力，但是當管板兩側的溫差較大的時候，沿管板內部厚度方向的熱應力會增大；若減小管板的厚度，可以適當的降低它的熱應力，但是承壓能力會下降一些。而且，在開車和停車的時候，由于厚管板的溫度變化較慢，換熱管壁厚薄，溫度變化較快，所以在換熱管和管板的連接處會產生出較大的熱應力，大的熱應力往往會導致換熱管和管板連接的地方發生破壞。因此，在滿足強度的要求下，應盡量減少管板的厚度。管板設計時的基本考慮是：把實際復雜的管板簡化為承受均勻分布的載荷，置于彈性的基礎上并且受到在管孔有平均削弱作用的當量圓板。同時也在這個基礎上考慮管束對于管板的撓度有約束作用，但忽略對于管板的轉角具有約束作用；管板周邊沒有布管區域對管板有應力影響，把管板劃分成為兩個區，即靠近中央的布管區和靠近周邊較窄的不布管區；不同結構形式的換熱器，管板邊緣處具有不同形式的連接結構，根據具體的情況，考慮了殼體、法蘭、管箱、封頭、墊片等元件對管板邊緣轉角產生的約束作用[6]；管板兼做法蘭時，法蘭力矩對管板應力的影響。管板的設計思路包括管板的彈性分析、危險工況、管板應力校核、管板應力調整。在整個設計下來，管板的計算非常復雜，而且計算量也非常大，但是在目前我國已經開發出了過程設備的強度計算的軟件，比如說SW6，它在實際工程計算中運用軟件設計能夠大大縮短設計計算的工作量。管箱位于熱交換器的兩端，其功能是將流體均勻地分布于各個換熱管中，并將流體聚集在一起，并送出熱交換器。在多管程換熱器中，管箱也能起到改變流體流動方向的作用。管程是流體在管內從端流動到另一端，在管殼和管換熱器中，最簡單的是單管程換熱器。根據工藝設計要求，需要增加傳熱面積，可用于增加換熱器管的長度或管數。換熱管的長度受到加工、運輸、安裝和維護等方面的限制，因此，通常用以增加換熱面積，實現換熱面積的增加。管板與換熱管的連接是管殼式換熱器設計，是制造業的關鍵技術之一，也是換熱器事故率最高的部分。因此，換熱器管板換熱管連接質量的變化直接影響換熱器的使用效果和使用壽命。主要用于強度膨脹，強度焊接，膨脹和焊接方法。在殼程結構中主要由殼體、折流板或折流桿、拉桿、防沖擋板、縱向隔板、防短路結構等元件組成[7]。殼體是個圓筒，在筒壁與接管焊接，可以從接管出流入和排出流體。折流板的設置主要是為了提高殼程流體的流速并同時增加湍動，使殼程流體垂直地沖刷管束，以此改善傳熱，并增加殼程流體的傳熱系數，用以減少結垢。在臥式換熱器中，折流板還能夠有支承作用。折流板一般是等間距布置，管束兩端的折流板應放置在靠近殼程進出口接管。折流板上的管孔和換熱管之間的間隙、折流板和殼體內壁之間的間隙應該符合要求，間隙過大會泄漏嚴重，對傳熱不利，還會引起振動；間隙過小，會使安裝困難。折流板一般采用拉桿和定距管連接在一起[8]。其他零部件可根據需求來設定或者選用，如折流桿、防短路結構（擋管、旁路擋板、中間擋板）、防沖板、支座、靜電接地板、銘牌等。今天的社會是一個不斷發展和進步的社會，能源和資源短缺，使人們不得不努力開發新類型的熱交換器，高換熱器組件的研究模型，各工業部門都在努力發展的大容量和高性能設備，降低設備的投資和成本。在當今化工行業生產環境更為惡劣，介質的腐蝕和毒性也會更加嚴重，因此新材料的設計和制造也不斷增加。在這樣一個世界，所有國家都加快了先進的熱傳輸技術和節能技術的發展。中國非常重視加強熱傳導和熱回收利用的研究和開發，在這些領域，發展到不同的工業過程，需要有效的傳熱設備，以提高經濟效益，并取得了豐碩成果。其中，強化傳熱技術和節能技術是傳熱技術研究的主要方向。傳熱強化是提高傳熱性能的技術，可以提高和改善傳熱率，通過使用最經濟的傳熱設備傳輸的熱量，也可以通過改善傳熱系數，增加傳熱的平均溫度差，傳熱面積擴大，實現[9]。目前，它已被廣泛用于在表面的膨脹，以提高熱傳輸的新的管道，如槽管，翅片管，螺紋管，波紋管等。而且還經常通過改變殼側擋板結構，改變管束支撐結構，減少或消除在滯留死區的殼側流動和傳熱，使換熱面積能得到充分利用，對殼側換熱效果[10]。2換熱器工藝設計及計算2.1初始數據表表1初始數據表管程殼程工作介質流體名稱原油柴油流體密度（）715815污垢熱阻值()0.00020.0004物性μ（kg/(m·s)）(kJ/(kg·℃))2.482.2λ（W/（m·℃））0.0870.130操作壓力正常/最大MPa（G）0.8MPa1.0MPa進/出口操作溫度（℃）195/10260/120.1壁溫（℃）148.590.05流量22.222.2設計方案2.2．1換熱器類型的選擇原油進口溫度為195℃，出口溫度為102℃柴油進口溫度為60℃，出口溫度為120.1℃選擇固定管板式換熱器2.2.2流速的選擇換熱器內流體介質應盡量采用較高的流速，流速高可以提高傳熱系數，但增大流速又會使流體阻力有明顯的增大。換熱器內流體應該盡可能使，只有在流體粘度過大時，為避免壓降過大，才不得不采用層流流動，初步選定速度為1.0m/s2.2.3結構類型管束采用正三角形排列，正三角形排列方式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數，但管外不易于清洗。管程應為偶數程采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、結構緊湊、金屬消耗量減少、傳熱系數提高。將同直徑換熱器的換熱管由25mm改為19mm，其傳熱面積可增加40%左右，節約金屬20%以上2.3估計傳熱面積2.3.1柴油的流量（2-1）2.3.2熱流量2.3.3對數平均溫差在并流和逆流時，雖然兩流體的進、出口溫度不變，但逆流時的傳熱平均溫度差比并流要大28%度，故工業生產中多采用逆流換熱。故本次設計采用逆流傳熱（2-2）（2-3）（2-4）求溫差修正系數設定管程數為多程，殼程數為單程。按化工工藝手冊圖15-14（a）求得（2-5）2.3.4傳熱面積根據流體情況，假定總傳熱系數K=270W/(m^2.℃)（2-6）2.4工藝結構尺寸2.4.1管徑管內流速及管長選用Φ19x2mm的碳鋼管作為傳熱管，管長為6m，管心距定為25mm管內徑：(2-8)取管內流速2.4.2管程數和傳熱管數傳熱管根數(2-8)根據化工設備設計手冊選用6管程，管數則為根，中心排管數38，管程流通面積根據流體情況選擇傳熱管排列方式為正三角形2.4.3殼體內徑根據化工設備設計手冊(2-9)管心距傳熱管配置角度對換熱器直徑的影響系數（45°~90°，CL=1）CTP傳熱管數對換熱器直徑的影響系數（CTP=0.85）(2-10)(2-11)根據排管情況決定殼體內徑2.4.4折流板本設計采用弓形折流板，其圓缺率為25%左右，采取上下排列，能使液體傳熱系數增大（通過使液體產生劇烈擾動）。弓形折流板的間距不應小于殼體內徑的1/5，且不小于50mm。同時在換熱管外徑19mm下折流板和支持板的最大間距不得超過1500mm，并相鄰兩塊折流板間距不得大于殼體內直徑。因此在殼體內徑1000mm下，折流板的間距=315mm。折流板高度:(2-12)設定折流板數目:(2-13)折流板間距：(1)最小板間距，取不小于殼體內徑的1/5，且不小于50mm。(2)最大板間距，應保證換熱管的無支承長度不超過表2的規定，用作折流時，其值尚應不大于殼體內徑表2換熱管最大無支撐跨距換熱管外徑(mm)19253238最大跨距(mm)1500190022002500圖1折流板2.4.5其他附件拉桿數量和尺寸按GB151-1999表43和表44選取，由換熱管直徑為19mm,殼體內徑為1000mm，故拉桿直徑，拉桿數量10根。2.5換熱器核算2.5.1管程數據計算管程流通截面積：(2-14)管程內流體流速：（2-15）雷諾數：（2-16）2.5.2管程流體阻力管程流體的阻力等于流體流經傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力之和：符號說明：——單程直管阻力；——局部阻力；——串聯殼程數；——管程數；——管程總阻力；——管程結垢校正系數；——摩擦系數；——傳熱管長度，；——傳熱管內徑，；——管內流速，；——流體密度，；——局部阻力系數。設管壁粗糙度：，則，且由，查莫狄圖得：(2-17)查有關資料，阻力系數取3。(2-18)查相關資料得，管子規格不同結垢校正因數不同，管子(2-19)在1~100kPa之間，能滿足要求。2.5.3管程對流傳熱系數普朗特數為：(2-20)管內表面傳熱系數為：(2-21)湍流下的動能校正系數(2-22)當時，2.5.4殼程數據計算殼程流通截面積為：(2-23)殼程流體流速為：(2-24)由于管子采用正三角形排列。當量直徑：(2-25)雷諾數(2-26)2.5.5殼程流體阻力符號說明：——殼程總阻力，；——流體流過管束的阻力，；——流體流過折流板缺口的阻力，；——殼程結垢校正系數；——殼程數；——中心排管數；——折流板數目；——折流板間距，；——換熱器殼體內徑，；——殼程流體橫過管束的最小流速，；——管子排列形式對阻力的影響，——殼程流體摩擦因子；管子按正三角形排列，所以有：，,，，。(2-27)管子為正三角形排列，(2-28)流體經過折流板缺口的阻力位：(2-29)(2-30)在10~100kPa之間，能滿足要求2.5.6殼程對流傳熱系數普朗特數：(2-31)由于采用的圓缺形折流板且在之間（2-32）2.5.7污垢熱阻由GB151-1999附錄F7得管外污垢熱阻管內污垢熱阻碳鋼在該條件下的熱導率為50W/m.℃2.5.8總傳熱系數(2-33)計算傳熱面積：(2-34)該換熱器的實際傳熱面積:(2-35)該換熱器的面積裕度：（2-36）因為滿足換熱器的要求，換熱器操作的可靠性得到保證。2.5.9壁溫計算(2-37)冷流體的平均溫度和熱流體的平均溫度(2-38)(2-39)(2-40)(2-41)式中:—熱流體進口溫度，；—熱流體出口溫度，；—冷流體進口溫度，；—冷流體出口溫度，。傳熱管平均壁溫：將已知數據代入（2-37）得：(2-42)式中—熱流體平均溫度，；—冷流體平均溫度，；—管內表面傳熱系數，；—管外表面傳熱系數,。殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：(2-43)3結構設計3.1筒體壁厚的計算由工藝設計給定：殼程設計溫度為90.05℃，設計壓力為，選用Q345R(板材)。材料在90.05℃時的許用壓力為，根據GB6654-1999表2，取厚度偏差；在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，不小于1mm,故取腐蝕裕量,焊縫系數。用作換熱器圓筒的碳素鋼、低合金鋼鋼管應該采用無縫鋼管，符合GB1501998A4.2的奧氏體不銹鋼焊接鋼管，可用作換熱器圓筒。計算厚度：(3-1)有效厚度：對于壓力較低的容器，按強度公式計算的厚度很薄，給實際操作帶來不便，故對殼體規定了不包括腐蝕余量的最小厚度，對于碳素鋼、低合金鋼制的容器，最小厚度為3mm，故取。設計厚度：(3-2)名義厚度:圓整(3-3)(3-4)名義厚度取有效厚度：(3-4)液壓試驗壓力：（3-5）所選材料屈服應力：。壓力試驗允許通過的應力水平T：試驗壓力下圓筒的應力(3-6)壓力試驗允許通過的應力水平T：校核結果水壓強度滿足要求。3.2管箱厚度計算計算厚度：(3-7)(3-8)取設計厚度：(3-9)名義厚度:圓整(3-10)名義厚度取有效厚度：(3-11)液壓試驗壓力：（3-12）所選材料屈服應力：。壓力試驗允許通過的應力水平T：（3-13）壓力試驗允許通過的應力水平T：校核結果水壓強度滿足要求。3.2.1封頭厚度計算由于該換熱器為單殼程、六管程，故封頭選用橢圓形封頭，如圖2。因它受力分布較均勻，且容易沖壓成型。用于制造換熱器圓筒或封頭的鋼板應該符合GB150的規定圖2橢圓形封頭采用橢圓形封頭，根據材料一般厚度范圍選用（正火加回火）鋼板作為封頭材料，查得材料在常溫時許用應力為167Mpa，在設計溫度148.5℃時為167Mpa標準橢圓形封頭厚度計算：(3-14)計算壓力:(3-15)材料許用應力:2焊縫接頭系數:腐蝕裕度:(3-16)取(3-17)鋼板負偏差；名義厚度:圓整(3-18)圓整圓整考慮到封頭存在減薄量將名義厚度定為有效厚度：(3-19)水壓試驗壓力：（3-20）水壓試驗應力的校核：(3-21)，校正結果水壓強度滿足要求。按JB/T4746-2002，公稱直徑小于等于2000直邊段長度為25，大于2000直邊段長度為40。與設計壓力無關。因此封頭為，根據標準選取曲面高度，直邊高度3.2.3管板計算管板與換熱管采用脹接，根據鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊在脹接下管板的最小有效厚度為，但包括腐蝕裕量在內不應小于20mm表3固定管板延長部分兼做法蘭尺寸表公稱直徑b螺孔規格螺栓孔數10001190109099610421000425236圖3固定管板延長部分兼做法蘭3.3接管和接管法蘭殼程流體進出口接管：取接管內流體流速，則接管內徑為：(3-22)圓整，據管法蘭墊片緊固件選用手冊以及無縫鋼管常用尺寸規格表選用接管法蘭的管程流體進出口接管：取接管內流體流速為，則接管內徑為：(3-23)圓整取根據法蘭墊片緊固件選用手冊以及無縫鋼管常用尺寸規格表選用接管查法蘭墊片緊固件選用手冊，得到法蘭尺寸表表4平面、突面對焊鋼制管法蘭（GB/T9115.1-2000）公稱直徑DN鋼管外徑（法蘭焊端外徑）連接尺寸法蘭厚度(C)法蘭高度(H)法蘭外徑（D）螺栓孔中心圓直徑（K）螺栓孔直徑（D1）螺栓孔數量（n）螺紋規格40451501101841845505716512518420486576185145188225280892001601882458150168.330025026828753.3.1殼程接管開孔補強的校核開孔補強采用等面積補強法,由工藝設計給定的接管尺寸為,選用0Cr18Ni9材料鋼管,選用標準為,取焊縫系數,厚度偏差，腐蝕裕量。則接管厚度：（3-24）開孔直徑:（3-25）接管有效補強寬度:（3-26）接管外側有效補強高度:（3-27）需要補強的面積:（3-28）殼體計算厚度可以作為補強的面積:（3-29）接管材料在設計溫度下的許用應力大于筒體材料在設計溫度下的許用應力（3-30）殼程接管自身補強的強度足夠，不需要另設補強面積。3.3.2管程接管開孔補強的校核開孔補強采用等面積補強法,由工藝設計給定的接管尺寸為,選用0Cr18Ni9,選用標準為,取焊縫系數,腐蝕裕量。則接管計算厚度:（3-31）接管有效厚度:（3-32）開孔直徑:（3-33）接管有效補強寬度:（3-34）接管外側有效補強高度:（3-35）需要補強的面積:（3-36）可以作為補強的面積:（3-37）接管材料在設計溫度下的許用應力大于筒體材料在設計溫度下的許用應力(3-38)管程接管自身補強的強度足夠，不需要另設補強面積。3.3.3殼程接管位置殼程流體進出口接管應盡量靠近兩端管板，然而為了保證設備的制造、安裝，管口距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。接管位置見圖4。(3-39)其中，且不小于50～100mm。所以取C=50mm。，取。圖4殼程接管位置3.3.4管箱接管位置管箱進出口接管盡量靠近管箱法蘭，這樣可縮短管箱殼體長度，減輕設備重量。然而為了保證設備的制造、安裝，管口距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。接管位置見圖5。(3-40)其中，且不小于50～100mm。所以取C=50mm。取圖5管程接管位置3.4支座根據JB/T4712.1-2007，選用輕型鞍式支座，尺寸大小如下圖6圖6支座尺寸示意圖4強度計算以及校核4.1膨脹節的判斷取室溫，則筒體和管子的膨脹量之差為：平均溫度下的線脹系數:(4-1)殼程與管程壓差產生的力:(4-2)筒體橫截面積:（4-3）管束橫截面積:(4-4)由于筒體和管子之間溫差產生的力（4-5）由于殼程和管程的壓力作用于筒體上的力（4-6）由于殼程和管程的壓力作用于管子上的力（4-7）筒體上產生的應力:(4-8)殼程殼體的軸向壓應力小于殼程殼體材料在其設計溫度下的穩定許用壓應力。管子上產生的應力:(4-9)換熱管的軸向拉應力小于換熱管材料在其設計溫度下的穩定許用應力。單管的橫截面積:（4-10）由可得（4-11）取，則管子拉脫力計算（4-12）管子與管板采用貼脹（4-13）換熱管與管板連接接頭的拉脫力小于許用拉脫力所以不設置膨脹節。4.2管板計算主要數據殼程圓筒：材料Q345（板材）內徑厚度內徑面積:（4-14）金屬橫截面:（4-15）管箱：圓筒厚度::封頭：封頭厚度::材料(正火回火)接管：材料:管子：管子外徑d=19mm管子壁厚管子根數n=1148管心距S=25mm面積:（4-16）管子金屬總截面積：（4-17）開孔面積:（4-18）管子有效長度:（4-19）管束模數:（4-20）管子回轉半徑:（4-21）管子受壓失穩當量長度:系數:（4-22）因（4-23）法蘭：法蘭外徑:法蘭寬度:（4-24）管箱法蘭厚度:殼體法蘭厚度:（4-25）（4-26）（4-27）（4-28）（4-29）（4-30）旋轉剛度:（4-31）（4-32）旋轉剛度無量剛參數:（4-33）根據GB151-2014按K,查圖7-12取（4-34）按K,查取（4-35）對于延長部分兼做法蘭的管板（4-36）按K,Q查圖7-15取查圖7-12取（4-37）（4-38）（4-39）（4-40）系數計算：開孔后面積:（4-41）管板布管區面積（4-42）管板布管區當量直徑:（4-43）系數：（4-44）（4-45）（4-46）（4-47）（4-48）（4-49）管子穩定許用壓力:（4-50）管板：假定管板厚度:管子加強系數:（4-51）管板周邊不布管區無量剛寬度為：（4-52）法蘭力矩:按GB150-1998第9章確定基本法蘭力矩墊片密封寬度按GB151-1999表15選取（4-53）（4-54）（4-55）（4-56）（4-57）（4-58）（4-59）管程壓力操作工況下法蘭力矩（4-60）（4-61）（4-62）（4-63）（4-64）（4-65）4.3殼程壓力下的危險組合殼程設計壓力管程設計壓力4.3.1不計膨脹差(4-66)(4-67)(4-68)(4-69)(4-70)（4-71）(4-72)(4-73)(4-74)管板應力:(4-75)(4-76)(4-77)殼體法蘭應力：(4-78)(4-79)管子應力：(4-80)殼程圓筒軸向應力：(4-81)拉脫力(4-82)(4-83)4.3.2計入膨脹差換熱管與圓筒的熱膨脹應變形差假定換熱器制造環境溫度為20(4-84)(4-85)管板應力:殼體法蘭應力：管子應力：殼程圓筒軸向應力：拉脫力4.4管程壓力下的危險組合殼程設計壓力：管程設計壓力：(4-86)4.4.1不計入膨脹差(4-87)管板應力:殼體法蘭應力：管子應力：殼程圓筒軸向應力：拉脫力4.4.2計入膨脹差換熱管與圓筒的熱膨脹應變形差假定換熱器制造環境溫度為20(4-88)