换热器(再沸器冷凝器)专业课程毕业设计指导书

过程装备与控制工程

冷凝器，再沸器，蒸发器设备说明书参考

----换热器

四、设计计算示例

换热器的机械设计计算 1、已知条件：

2、计算步骤

(1)管子数n 选Ф25×2．5的20号钢无缝钢管，管长3m。

名 称 物料名称 工作压力 工作温度 换热面积 推荐材质 20 管程 软水 0.75Mpa 80℃ 135m2 16MnR 壳程 变换气 0.7Mpa 50℃ 由换热面积Fd0L0.1n，可得F135593根，d0L0.10.02530.1 n考虑到需安排拉杆6根，实际管数取为600根。 (2)管子排列方式，管间距的确定

采用正三角形排列，在管板上管子排列的间距a，与管子与管板的连接方法有关。取

a1.25do1.252531.25m32mm

(3)换热器筒体直径的确定 筒体内径可由下式计算： Diab12l

式中 a——换热器管间距，由上知a＝32mm；

b—一位于管束中心线上的管数，管子按正三角形排列时，

b1.1n1.160027

l一最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l2d0;

Di32(271)2225932mm

取筒体内径Di1000mm。 (4)换热器筒体及封头壁厚计算

1

取设计压力p＝0.95MPa，焊缝系数0.85，材料选用16MnR，170Mpa取钢板厚度负偏差c10.8mm，腐蚀裕量c22mm，cc1c22.8mm，设计壁厚d为：

pDi0.951000 dc2.86.1mmt21700.850.952p

查GB151－1998表3－2，取名义壁厚n8mm。

pDi由标准椭圆形封头计算公式 dct20.5p

可知标准椭圆形封头的厚度与筒体厚度基本相同，现取二者等厚。根据JBll54—73标准，取上、下封头均为Dg10008，直边高度h2＝40mm。材料选用16MnR．

考虑到管箱应有足够的空间来均匀输送流体，现取管箱筒节长l＝875mm。 (5)换热器水压试验及其壳体强度校核

水压试验压力：pT1.25p1.19MPa，为方便压力表读数，取pT1.2MPa。

t T

pTDinc1.2100082.8136.5MPa2nc282.80.85pTKDi0.5nc1.20.910000.582.8122.5MPa2nc282.80.85 Tf

T、Tf分别为水压试验时筒体和封头的壁内应力。 所用16MnR板材在常温s＝345MPa， 0.9s0.9345310MPa

可见水压试验时筒体、封头壁内应力都小于0.9s，水压试验安全。 (6)容器法兰的选用

根据JBll60一82标准，选用PN1.6、DN1000的榫槽密封面长颈对焊法兰。本换热器因采用管板兼作法兰，故选用两个榫面法兰(管板兼作槽面法兰)，材料选用16MnR。

(7)确定管板尺寸

选用固定式换热器管板，并兼作法兰。材料选用16MnR。因管板兼作槽面法兰，故其与法兰相配的密封面尺寸应按所选法兰的相应尺寸来确定。管板厚度的计算见GB151－89《钢制管壳式换热器》表3-15，具体计算步骤如下：

已知条件如下所示：

管子 壳体

材质 20钢 16MnR

.26 1 0 11.26 10线膨胀系数(1/0C) 11弹性模量E（Mpa） 2.1105 2.1105 尺寸 252.5 3 1000 管子数 600根 管间距 32mm

2

壳程圆筒内径面积 错误！未找到引用源。ADi241000785398mm2 4壳程圆筒金属横截面积 As＝s(Di+s)=8(1000+8)=25334mm2错误！未找到引用源。 换

热

管

金

属

总

截

面

积

错

误

！

未

找

到

引

用

源

。

nant(dt)6002.5(252.5)106029mm2

nd2252600294524mm2 管板开孔面积 错误！未找到引用源。44假定管板厚度 错误！未找到引用源。

换热管有效长度L=换热管总长-2δ-3=3000-2*60-3=2877mm

Etna2.1105106029换热管束模数 Kt===7739.34MPa错误！未找到引用源。

LDi2877100012122d+d-2t=252+25-22.5=8mm 44管子受压失稳当量长度错误！未找到引用源。，查阅GB151-98,P47图3-21，可知其与折流板间距有关，

所以此处先设计折流板间距，查阅GB151-98中345页 取折流板的间距为：300mm， 等间距布置 则由图3-21， 错误！未找到引用源。=600mm

管子回转半径i=则系数Cr22Etst222.1105130.07

245=130.07 Lcr/i=600/8=7 r5所以管子稳定许用压应力c r=stLcr/i245751-=1-=87.18Mpa 22Cr22130.07nd2785398294524490874mm2 开孔后面积 错误！未找到引用源。A1A4管板布管区面积At (采用三角形排列) At0.866ns2Ad错误！未找到引用源。

s——管间距。查GB151-98 P18表3-7， 取s=32mm

Ad——隔板槽面积，此题中不分程 取Ad0错误！未找到引用源。

所以At0.866ns20.866600322532070mm2 错误！未找到引用源。 管板布管区当量直径：Dt4At4532070823mm

3

系数：Al4908740.625 A7853985Etna2.110 Q5EsAs2.1101060294.1 825334 

na1060290.216 Al4908740.64.18 5.3730.40.60.6250.6250.6Q0.64.18 t0.40.40.40.40.21 60.6250.625s0.40.6Q0.68.314 t法兰力矩

Dt8230.823 Di1000基本法兰力矩 Mm 其计算见GB150——1998第九章 螺栓载荷计算 预紧状态下：WaFa3.14DGby

DG查阅压力容器法兰标准，此处选长颈对焊法兰（PN1.6,DN1000）,榫槽密封面

则 DGD4a11063181045mm

m,y查 GB150——1998表9—2 取y=15.2 ,m=2.25 由表9—1 取垫片基本密封宽度b0mm因为 b06.4

wg2a1g218310.5mm 2所以垫片有效密封宽度b2.53b02.5310.58.2mm 所以Wa3.1410458.215.2408981N

2操作状态下：WpFFp0.785DGPc6.28DGbmPc 251045 0.780.8256.2810458.22.25N 0.825807114螺栓面积计算：预紧状态下 AabWa

t螺栓材料取为40Cr，查GB150——1998表4—7 b212Mpa b189Mpa

Aa4089811929mm2 2124

操作状态下：错误！未找到引用源。Apwpbt8071144270mm2 189Aa需要螺柱面积：Am 错误！未找到引用源。 取大值=4270mm2

Ap实际用32个M24螺柱，其螺柱总面积Ab32所以符合要求螺柱设计载荷： 1. 2.

预紧状态：错误！未找到引用源。W=FG=操作状态:W=Wp=807114N

法兰基本力矩：Mm=AmLGb=4270LGb

DbDG 错误！未找到引用源。——螺柱中心圆直径 查法兰标准 211151045错误！未找到引用源。为DbD11115mm错误！未找到引用源。 LG35mm2错误！未找到引用源。

Am+Ab427014469212=1986334N b=224未找到引用源。 24214469mm2Am错误！

LGMm42703521231683400N.mm

管程压力作用时法兰力矩错误！未找到引用源。计算

MpFDLDFTLTFGLG (GB150-1998 第96页)

FD0.785Di2pc0.785100020.825647625N

2FTFFD0.785DGpcFD0.785104520.82564762559598N

LDLA0.51D1Di2111510002644.5mm 2222LA+1LG44.50.52LG44.51335===46.25mm 222错误！未找到引用源。LT=MP64762544.55959846.25198633435101097410N.mm

管板计算

D管子加强系数 K=1.31t82EtnaEpL8232.1510106029=1.318 =22.45602.1100.4287760所以K=4.73

k=K(1-t)=4.73(1-0.823)=0.837

5

法兰计算：法兰宽度 bf管箱法兰厚度 f56mm

DfDi211602100080mm

h122162621mm 221hD10000.021i 56fD10000.056i

查图3-15得：0.018

32bE21fff旋转刚度 错误！未找到引用源。kEh f12bfDiDi法兰材料采用16Mn Ef取为1.9105MPa 此处用长颈对焊法兰 所以EhEf1.9105MPa

121.9105802563k()1.90.001831.8 f121000801000壳体法兰厚度f取为60456mm

8sD10000.008i 56fD10000.056i查图3-15得：0.00024 错误！未找到引用源。

''12Efbf2f'旋转刚度 Kf12DibfDi3'Esw 3122.1510802565 102.11210008010004a 7.8Mp0.00 024旋转刚度无量纲参数

6

KfK'f4Kt

47739.347.84 =0.000795

壳体法兰应力参数Y :查GB150—98 P100表9—5

KDfDi1160/10001.16

查表得 Y=13.15

按K, Kf查图3—16 得 m10 m10 KKf按K, Kf查图3—18 得 G21 Mlm10

2KQG2按K,Q查图3—19 得 G31.3

KfKfG30.0007950.0006 110.0007951.3K'fK\"f7.840.247 31.8M114.039 K'f0.0006110.247\"KfMfK'fK\"fM0.2474.0390.9976

按K,Q查图3—17 得 m213

壳程压力作用下的危险组合 pspcpspt(1)0.770.825(10.216)0.233 壳程设计压力 ps=ps=0.233 管程压力pt=0

6t(ttt0)s(tst0)11.2*10（50-20）-11.2*10-6（80-20）=-0.000336

Et0.216*(0.000336)*2.1*10515.24

7

不计膨胀差 计入膨胀差

paspsEt5.373*(0.233)(15.24)

1.25 0.052 0

16.49 Mpa 0.00 3

0

Mm4Mm4*31683400

Di3pa0.625**10003*pa

MMmM*M1Mm4.039*0

M0*M

m

0 0 1.2 4

0 0 1.24

m1m2 13mG1G1i1.24

krr/11G1111.24 4QG244.1813m1 4kQG2

0.059 8 0.0598

0 0

p1111

4QG244.181 0.048 3 0.0483

MwsMmMfM10.000611Mm0.99760管板应力



5710 3.1 1.8106

Drrpairpa20.62510000.4602 32.44 428.0 3kk2pa'rr1m2mD2mi 0 0

2paDtpp壳体法兰应力

t0.625pa8231.29Mp0.575Mpa 17.07Mpa ar p0.460Di'fYMwspa'4f

tt0.0821.5f1.5150225Mpa0.0613f450Mpa1000 13.15Mws0.625pa

45622

8

管子应力

1G2QtpcpsQG2 1100.87cr87.18Mpa0.2330.233 —0.87 0.2164.181壳程圆筒轴向应力

AcB1vQGpa2

785398t253340.625(10)4.181p 4.67MPaa c0.881701Mp44. a5拉脱应力 qta

dl atdt2.5252.5176.63

（见GB151-98 P56图3-23 ） 取l3.5mm

qt176.63253.5

0.559Mpaq0.5tt0.513065Mpa (8)管子拉脱力计算 已知条件如下所示：

管子 壳体

材质 20钢 16MnR

线膨胀系数(1/0C) 11.26 1 0 11.26弹性模量E（Mpa） 2.1105 2.1105 尺寸 252.5 3 1000 管子数 600根 管间距 32mm 管壳壁温差 t300C 管子与管板连接方式 开槽胀接 胀接长度 l50mm 在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qp为： qpf pd0l式中

p0.95MPa；　　l50mmf0.866a2

4d200.8663224252　　=396mm23.96104m29

61.6Mp8ta3c433.Mp5a-0.559Mpa 0 1

式中 则

qt0.953.96104106qp0.1MPa0.0250.05而温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力qt为

td02di24d0ltEttts1AtAsAsDn1008825400mm2　=2.54102m2Atd02di2n4　=252202600106029mm20.11m2411.21060.2110630t13.2MPa0.1110.0254qt13.20.02520.02240.0250.050.6MPa由已知条件可知，qp与qt的作用方向相同，都使管子受压。则合拉脱力：

qqpqt0.7MPaq3.92MPa，[q]由GB151-89中表查得。因此，拉脱力在许用范围内。

(9)计算是否必须安装膨胀节 管、壳壁温差所产生的轴向力

F1EtttsAsAtAsAt11.21060.21106106300.02540.110.02540.111.46106N压力作用于壳体上的轴向力

QAs F2AtAs 其中：

Q222Dndpnd2pti0s0t440.64106N2216000.02520.860010 0.02520.0250.85

则

0.641060.0254压力作用于管子上的轴向力 0.12106NF20.110.0254QA0.641060.11 tF30.52106NAtAs0.110.0254

则 F1F262.2MPa　　F1F38.5MPastAsAt

根据《钢制管壳式换热器》设计规定：

s62.2MPa2s289MPa t8.5MPa2t266MPa

qq3.92MPa

条件成立。故本换热器不必设置膨胀节。

33h1000mm 折流板为弓形， D  750 ，折流板间距取300mm。由GBl51一98《钢i44制管壳式换热器》的表3一l 9查得折流板最小厚度为8mm，由表3—21查得折流板外径为

tt（10）折流板设计

994mm，折流板开孔直径的大小可由表3—2查得为25.8+0.4。材料为Q235－A。

拉杆选用12，共6根。材料为Q235－A。 (11)开孔补强

换热器壳休和封头上的接管处开孔需要补强时，常可按等面积补强方法来补强。其结构是在开孔外面焊上一块截面积相当的，与容器器壁材料和厚度都相同的即8mm厚的16MnR钢板。计算步骤见《过程设备设计》有关内容。

(12)支座

换热器常用卧式的鞍式支座予以支承，鞍座的应力计算及校核见《过程设备设计》有关内容。

附表1

11

附表2 设计参数：

序号 换热器型式 换热管尺寸 换热面积(m2) 甲苯入口管径（mm）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 固定管板式换热器 φ25×2.5 长度3m 25 30 DN80 12

35 40 45 DN100 50 55 60 65 70 DN125

甲苯出口管径（mm） 乙二醇入口管径（mm） 乙二醇出口管径（mm） 管程介质 壳程介质 管程介质压力(Mpa) 壳程介质压力(Mpa) 管程介质操作温度(℃) 壳程介质操作温度(℃) 序号 换热管尺寸 换热面积(m2) 甲苯入口管径（mm） 甲苯出口管径（mm） 乙二醇入口管径（mm） 乙二醇出口管径（mm） 管程介质 壳程介质 管程介质压力(Mpa) 壳程介质压力(Mpa) 管程介质操作温度(℃) 壳程介质操作温度(℃)

11 DN80 DN80 DN80 DN100 DN100 DN100 乙二醇 甲苯 0.4 0.27 121.4～104.4 26.7～62.8 DN125 DN125 DN125 12 13 14 15 16 17 18 φ25×2.5 长度4.5m 100 110 120 130 140 DN100 DN100 DN100 DN100 乙二醇 甲苯 0.6 0.4 121.4～104.4 26.7～62.8 150 160 DN125 DN125 DN125 DN125 170 DN80 DN80 DN80 DN80 13