《化工机械基础》课程教学资源（实验指导）机械设计实例-管壳式换热器（图片版）

凝液排出管7.7管壳式换热器的机械设计举例1.已知条件（1）气体工作压力管程：半水煤气0.70MPa壳程：变换气0.68MPa（2）壳、管壁温差50℃,t.>t壳程介质温度为 220 ~ 400 ℃,管程介质温度为 180 ~ 370 ℃。（3）由工艺计算求得换热面积为130m。2.计算(1)管子数n选±25×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长3m。因为F=元dg Ln3所以"dL3.14×0.225x3—613(根）其中，因安排拉杆需减少6根，实际管数607根。（2）管子排列方式，管间距的确定采用正三角形排列,由表 7-4查得层数为 13。查表 7-5,取管间距α= 32 mm。（3）换热器壳体直径的确定D=a(b-1)+2l式中D-一换热器内径，mm；正六角形对角线上的管子数,查表 7-4,取 b = 27;最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取1=2d。故D=32×（27-1）+2×2×25=932（mm）圆整后取壳体内径D,=1000mm。（4）换热器壳体壁厚的计算材料选用20R钢，计算壁厚为p.D,8=2o15-pe式中p—计算压力，取p。=1.0MPa;泰新品式D=1000mm;=0.85；

化工设备机械基础Lajo=101MPa（设壳壁温度为300C)：1.0x10008-2x101x0.80-1.0-5.86(mm)故取C=1.2mm，查表4-9得C,-0.25mm。圆整后取8=8mm。（5）换热器封头选择上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746—2002标准，封头为DN1000×8.曲面高度hl=250mm，直边高度hz=40mm，如图7-47所示，材料选用20R钢。下封头与裙座焊接直边高度取40mm（6）容器法兰的选择材料选用16MnR。根据JB/T4703-2000标准，选用DN1000.PN1.6MPa的样槽密封面长颈对焊法兰。法兰尺寸如图7-48所示。度1：261.00061O51000中i11s图7-47椭圆形封头图7-48容器法兰（7）管板尺寸确定选用固定式换热器管板，并兼作法兰，查相关标准得 p=p、=1.6MPa(取管板的公称压力为1.6MPa）的碳钢管板尺寸，如图7-49所示。$1878$1016中1115中1160图7-49管板（8）管子拉脱力计算计算数据按表7-13选取

表7-13项目壳体管子操作压力/MPa0.680.7材质20R20钢线膨胀系数/C1/C）11.8×10611.8×106弹性模量/MPa0. 21×1060.21×10m许用应力/MPa105.9103尺寸/mm$1000×8425 ×2.5 ×3 000管子根数607管间距/mm32管壳壁温差/℃A/=50管子与管板的连接方式开槽胀接胀接长度/mm1=50许用拉脱力/MPa40①在操作压力下,管子每平方米胀接周边上所受到的力9=其中F=0.866a2d=0. 866×32*元×25*=396（mm）p=0.7MPa, /= 50 mm0.7X396Q—3.147239650=0.07(MPa)②温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力o.(a?-d)qu4d.lO, = E(t, --)其中1+会A.=元D8.=元×1008×8=25321（mm）A=（dg-di）=×（25-20）×607=107211（mm）18 100210 ×5023.7 (MPa)则TE1+923.X(220)1.07 (MPa)4×25X50由已知条件可知，9,与9. 的作用方向相同,都使管子受压，则管子的拉脱力：=Qp+q=1.14MPa<ql=4.0MPa因此,拉脱力在许用范围内。(9）计算是否安装膨胀节管、壳壁温差所产生的轴向力 Fi：

E(t-A.AF, -EA.+A.11.8X100.2110×50×2532110721125321+107211=2. 54X106(N)压力作用于壳体上的轴向力F2QA,F.=A.+A.其中Q=[(D-nd)p+n(d。-28)][(10002—607×253)×0. 68+607×(252×2.5)×0.7]=0.465×10（N)F=0.465×10×25321则= 0.089×10%(N)5321+107211压力作用于管子上的轴向力F：QA0.465X106X107211F3==0.376×10（N)A+A,107211+253210.F+F=2.54×100+0.089×10则=103.8（MPa)25.32F+F—2.54×106+0.376×106=—20.2 (MPa)107211根据GB151-1999《管壳式换热器》,-103.8MPa<2LoJ:-180MPao.=—20. 2 MPa<2[oJ: 206 MPaq<[q]=4.0MPa条件成立，故本换热器不必安装膨胀节。（10）折流板设计折流板为弓形，h=3D=3×1000=750（mm）折流板间距取 600 m!由表 7-6 查得折流板最小厚度为6 mm由表 7-9 查得折流板外径为995.5mm，材料为Q235-A钢，见图7-50。拉杆选用±12,共6根，材料为Q235-A·F钢。（11）开孔补强换热器壳体和封头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同.即8mm厚的 20R 钢板。其补强结构如图 7.51 所票（12）支座采用裙座，详细计算参见第 8 章"塔设备的机械设计"。 这里选裙座厚度为 8 mm,基础环厚度为14mm。设计结果如图7-52所示的换热器装配图

25图7-51换热器开孔补强结构图纸上的技术要求本设备按GB151--1999《管壳式换热器》进行制造，试验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术临察理程>的览督2.焊接采用电弧焊，焊条标号16MnR间为J507.16MnR与20钢间为J427.3.焊模接头形式及尺寸除图中注明外，按 HG 20583中的规定，不带补强圈的接管与简体的焊接接头为G2，带补强围的接管与简体的焊接接头为G29，每条焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准中的规定到营采用开植胀接壳体焊健应进行射线检测，检测长度不得少于各条焊缝长度的20%，且不小于250mm，符合《压力容器无损检验）1994RT.级为合格制造完毕后·进行水李程1.65MPa（表压）：管程1.65MPa（表压）管口方位见图7图纸上的技术特性表、接管表及标题栏明细表分别见表7-14、表7-15和表7-16。技术特性表指标名称管程壳程0.68工作压力/MPa07400~220180~370工作温度/C半水煤气变换气物料名称传热面积/m

018A36120日7-52换热器装配图

表7-15接管表序号接管法兰标准用途密封面型式PN1.6DN250 HG 20592变换气进口平面PN1.0 DN200 HG 20592平面半水煤气进口PN1. 6 DN250 HG 20592变换气出口平面PN1. 0 DN200 HG 20592平面半水煤气进口表7-16标题栏明细表30—017-03拉杆$12Q235-A.0312.18下简体DN1000×81120R4101=206030—017-02下管板8=601016MnR300JB/T4703-2000法兰-T 1 000-1. 616MnR112筒节DN1000X820R174.5JB/T4746—2002封头DN1000×820R74.1148.2GB/T 8163排气孔57×3.5=8010A0.3690.74人孔426×8 L=120511. 1座体 DN1 000×8Q235-A311=1560Q235-A盖板260×160×209:173筋板328×157×12Q235-A3.860.6基础环 =20Q235-A总计单件名称数量图号或标准号材料备注号质量/kg工程名称（企业名称）设计项目设计阶段施工图审核换热器装配图校对设计F=130m2$1000×6230制图1:30第1张共7张描图化俊

续表）0.234Q235-A1.86螺母M30GB/T41-20005.52A2Q235-A3地脚螺栓M30×1000GB/T799-19883620法兰PNLODN50HG205924,00接管457×3.51-858358.24法兰 PN1.0DN20034HG20592336.62接管4219×6（=210GB/T8163列管425×2.5-30004.173231GB/T95-12-100HV垫圈A12Q235-A0.036GB/T6170螺母AM128级Q235-A0.0160.1030-017-06上管板8=6016MnR30028JB4705-2000缠绕垫片缸054/1026JB4703-2000样面法兰PN1.6DN100016MnR112GB/T6170螺母AM248级40Mn0.1129.8625JB4707-2000双头螺柱M24X13040MnVB849.3924HG20592法兰 PN1.0 DN2008.2423GB8163接管Φ219×61-2106.6228JB/T4736—2002补强圈DN200×816MnR5.4421 GB/T95-12-100HV垫图A12Q235-A0.0060.012GB64-62六角螺塞A12×1.25Q235-A0.030.0619JB/T4736-2002补强圈DN250×816MnR7.58HG2059218法兰PN1.6DN25016MnR5.6GB816接管273×814.3GB/T9019-二简体DN1000×830—017-05折流板#995.535-A96.630-017-04折流板*995.5Q235-A2.24GB8163定距管425×25