Φ900固定管板換熱器的設(shè)計(jì)

1、900固定管板換熱器的設(shè)計(jì)摘要：換熱器在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過(guò)程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過(guò)換熱器來(lái)完成。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國(guó)對(duì)某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門(mén)。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用

2、率的主要設(shè)備之一。換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的換熱器對(duì)降低設(shè)備的造價(jià)和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。 關(guān)鍵詞：換熱器；應(yīng)用廣泛；單元設(shè)備過(guò)控0701 王海全900 fixed tube sheet heat exchanger designsummary：Heat exchanger in oil, chemical industry, light industry,

3、pharmaceuticals, energy, industrial production, often require or fluid cooling high-temperature low temperature fluid heating, steam or liquid turns into steam condensing into a liquid. These processes and heat transfer are closely linked, which can be done by heat exchangers. With the development o

4、f the economy, various types and kinds of heat exchangers is developing rapidly, new structures, new materials for heat exchanger are emerging. In order to meet the needs of development, my country has established a standard of some kind of heat exchangers, forming a series. Broad application of hea

5、t exchanger, heating with in everyday life of heating radiator, condenser of steam turbine plant and the oil cooler on the space rocket, are heat exchangers. It is also widely used in chemical industry, petroleum, power and Atomic Energy and other industrial sectors. Its main function is to ensure t

6、hat process on specific temperature required by media, but also one of the main equipment energy efficiency. But a unit of heat exchangers, such as heaters, coolers and condensers; but also a part of the process equipment, such as heat exchangers in ammonia synthesis Tower. Heat exchanger is an impo

7、rtant unit of chemical production equipment, according to statistics, the tonnage of about the whole process of heat exchange equipment for 20% and some even as high as 30%, its importance can be well imagined. Therefore the design and choose to use, efficient heat exchanger to reduce equipment cost

8、s and operation costs have a very important role.Keywords: heat exchanger; applied widely; unit equipment目錄第一章 緒論1第二章 固定管板換熱器工藝設(shè)計(jì)22.1確定物性數(shù)據(jù)22.2固定管板換熱器結(jié)構(gòu)22.3估算傳熱面積及冷卻水用量32.4工藝尺寸3傳熱管4平均傳熱溫差校正及殼程5折流板5拉桿5接管62.5換熱器核算6熱流量核算6壁溫核算8第三章 固定管板換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)103.1殼體與封頭的確定10殼體和封頭的材料選擇10圓筒殼體的厚度計(jì)算10封頭厚度以及管箱計(jì)算103.2管板設(shè)計(jì)123.3

9、殼體法蘭、管箱法蘭及墊片123.4接管法蘭及墊片133.5開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)14前端管箱開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)14殼體開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)173.6接管的最小位置19殼程接管位置19管箱接管位置203.7膨脹節(jié)203.8水壓試驗(yàn)213.9換熱管22換熱管的排列方式22換熱管束的分程23換熱管與管板的連接233.10防沖板233.11折流板24折流板的型式和尺寸24折流板的布置253.12拉桿與定距管253.13管程分程隔板263.14鞍座26鞍座形式及尺寸26鞍座的安裝位置273.15 吊耳283.16軟件校核28第四章 制造技術(shù)條件484.1 總則484. 2 材料48板材48鍛件484. 2.4 螺柱和螺母494. 2.5

10、焊接材料494. 2.6 其它要求4943制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收49冷彎加工成形49焊接49無(wú)損檢測(cè)504.4水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)504.5 銘牌504.6設(shè)備涂漆514.7 其他要求51結(jié)論52致謝53參考文獻(xiàn)54第一章 緒論換熱設(shè)備(或稱換熱器或稱熱交換器)就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。在石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過(guò)程均和熱量的傳遞有著密切的關(guān)系，因而全都可以通過(guò)換熱設(shè)備來(lái)完成。當(dāng)把換熱設(shè)備用于上述不同過(guò)程時(shí)，通常把它們分別叫做加熱器，冷卻器，汽化器和冷凝器。固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管

11、板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長(zhǎng)度設(shè)置了若干折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的

12、介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：滲流較小；造價(jià)低；無(wú)內(nèi)漏；固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是：殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無(wú)法清洗，不適用于殼程易結(jié)垢場(chǎng)合。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進(jìn)行研究，使我國(guó)換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國(guó)際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱器，為我國(guó)的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。第二章 固定管板換熱器工藝設(shè)計(jì)2.1

13、確定物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，液體走殼程。定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)口溫度的平均值。故殼程混合液體的定性溫度為：T=90()管程流體的定性溫度為：t=35()殼體液體在90下的有關(guān)特性數(shù)據(jù)如下：密度825Kg/; 定壓比熱容： Cp0=2.22KJ/KJ;熱導(dǎo)率 =0.140W/m; 黏度=0.000715Pas;循環(huán)冷卻水在35下的特性數(shù)據(jù)：密度 Kg/; 定壓比熱容=4.08KJ/KJ;熱導(dǎo)率=0.626W/m; 黏度=0.000725Pas;2.2固定管板換熱

14、器結(jié)構(gòu)固定管板換熱器可依據(jù)膨脹節(jié)分為帶膨脹節(jié)（圖2-1）和不帶膨脹節(jié)（圖2-2）兩種形式。帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器主要用在溫差較大的設(shè)備中。圖2-1 帶膨脹節(jié)固定管板換熱器圖2-2 無(wú)膨脹節(jié)的固定管板換熱器2.3估算傳熱面積及冷卻水用量1熱流量取殼程接管內(nèi)徑D1=100mm，管內(nèi)液體流速=1.5m/s則該液體質(zhì)量流量=9.71 kg/s依據(jù)式（3-1）有=9.712.22(140-40)=2155.62kw2平均傳熱溫度先按純逆流計(jì)算，依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-6）得3傳熱面積 查化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)表3-1取K=250則估算的傳熱面積為：4冷卻水用量 依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程

15、設(shè)計(jì)式（3-5）得：2.4工藝尺寸2.4.1傳熱管1管徑和管內(nèi)流速 選用較高級(jí)冷傳熱管（碳鋼），取傳熱管管內(nèi)流ui速=0.85m/s。 2傳熱管數(shù)依據(jù)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-9）可得傳熱管內(nèi)徑和流速以及確定單程傳熱管數(shù)取ns=200根按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=7m,則該換熱器的管程數(shù)為：傳熱管總根數(shù)。3傳熱管排列和分程方法 采用組合排列方法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)用矩形排列。見(jiàn)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)如圖2-1管心距t=1.25d0則t=1.2525=31.2532mm

16、隔板中心到距離其最近的一排管中心距離按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-16）計(jì)算 ： 各程相鄰的管心距為222=44mm;圖2-1 正三角形排列每程各有傳熱管200根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)圖（3-14）選取。殼體內(nèi)徑D=900 mm。2.4.2平均傳熱溫差校正及殼程平均傳熱溫差校正系數(shù)按式（3-13a）和式（3-13b）有按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)圖3-9得平均傳熱溫差：由于平均傳熱差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程液體流量較大，幫取單殼程合適。2.4.3折流板 采用弓形折流板，折流板切去的圓缺高度取為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的

17、圓缺高度為：h=0.25d0=0.25900=225mm,故可取h=225mm。折流板間距B=0.3D，則B=0.3D =0.3900=270mm,可取B為300mm折流板圓缺面水平裝配，見(jiàn)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)圖3-15。2.4.4拉桿拉桿數(shù)量與直徑按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)表4-7和表4-8選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm,其拉桿直徑為16mm，其有6根拉桿。2.4.5接管殼程流體進(jìn)出口接管內(nèi)液體流速為u1=1.5m/s,則接管內(nèi)徑為100mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=3m/s,則接管內(nèi)徑為圓整取管程接管內(nèi)徑為150mm。2.5換熱器核算2.5.1熱流量核算1殼程

18、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，見(jiàn)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-22）當(dāng)量直徑，依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-23b）得:殼程流通截面積，依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-25）殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為:普朗特?cái)?shù)：黏度校正 2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-32）和式（3-33）有管程流體流通截面積:管程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為:普朗特?cái)?shù)：3污垢熱阻和管壁熱阻 按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)表3-10，可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式(3-34）計(jì)算，依據(jù)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)表3-11，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率約為

19、46W/(mK)。 由，式中b為傳熱管壁厚，為管壁熱導(dǎo)率，則4傳熱系數(shù)依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-21）得,5傳熱面積裕度 依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式(3-35)可得所計(jì)算傳熱面積Ac為實(shí)際傳熱面積A：該換熱器的面積裕度按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式3-36）計(jì)算為該傳熱面積裕度在15%到20%之間，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.5.2壁溫核算因管壁很薄，且管壁熱阻小，故管壁溫度可按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-42）計(jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為15，出口溫度為40計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)圬

20、垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是，按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-42）有式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)式（3-44）和式（3-45）計(jì)算為：為冷流體進(jìn)口溫度，為冷流體出口溫度；為熱流體進(jìn)口溫度，為熱流體出口溫度，。傳熱管平均溫度：殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：該溫差較大，故需設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫差較大，但是工作壓力不

21、高，因此確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器。第三章 固定管板換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)在確定換熱器面積后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，主要包括殼體和封頭的厚度計(jì)算，材料的選擇、管板厚度的計(jì)算、法蘭的選取，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（管板和管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接）等，具體計(jì)算如下：3.1殼體與封頭的確定根據(jù)給定的流體和進(jìn)出口溫度，選擇殼程設(shè)計(jì)溫度為200，設(shè)計(jì)壓力為1.6Mpa。選擇管程設(shè)計(jì)溫度為100，設(shè)計(jì)壓力為1.6Mpa。由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，在生產(chǎn)成本、使用條件等綜合考慮，選擇20R為殼體與封頭的制造

22、材料。焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損探傷，故焊接系數(shù)為。根據(jù)GB6654壓力容器用鋼板可知，對(duì)20R鋼板7850Kg/，其。假設(shè)材料的許用應(yīng)力為（厚度為6mm16mm時(shí)），殼體計(jì)算厚度按下式計(jì)算：= =5.89mm 設(shè)計(jì)厚度：圓整為8mm GB151-1999_管殼式換熱器規(guī)定最小厚度9mm取名義厚度：=10mm圓筒殼體的質(zhì)量：m=l=1570kg其最小厚度為10mm,則此時(shí)厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適。管箱由兩部分組成，短節(jié)與封頭，且由于前端管箱與后端管箱的形式不同，故此時(shí)將前端管箱和后端管箱分開(kāi)計(jì)算。1前端管箱厚度計(jì)算前端管箱為橢圓形管箱，這是因?yàn)闄E圓形封頭的應(yīng)力分

23、布比較均勻，且其深度較半球封頭小得多，易于沖壓成型。因此選用標(biāo)準(zhǔn)鋼制橢圓形封頭，故K=1,且同上取，則封頭計(jì)算厚度為：=5.87mm設(shè)計(jì)厚度：=+=5.87+2=7.87mm整為8mm取名義厚度：=10mm。經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適。查JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭，表B.1，B.2可得封頭的型號(hào)參數(shù)如表3-1：表3-1 前端管箱封頭參數(shù)公稱直徑DN mm總深度 mm內(nèi)表面積 容積 封頭質(zhì)量 kg9002500.94870.111374.1短節(jié)部分的厚度同封頭厚度，為10mm。2后端管箱厚度計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故K=1,且同上，則封頭計(jì)算厚度為：=5.87mm設(shè)計(jì)厚度：=+=

24、5.87+2=7.87mm整為8mm取名義厚度：=10mm。經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適。查JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭表B.1，B.2，可得封頭的參數(shù)如表3-2：表3-2 后端管箱封頭參數(shù)公稱直徑DN mm總深度 mm內(nèi)表面積 容積 封頭質(zhì)量 kg9002500.94870.111374.13.2管板設(shè)計(jì)管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來(lái)排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開(kāi)來(lái)，避免冷熱流體混合，并同時(shí)受管程、殼程壓力和溫度的作用，由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的0Cr18Ni9整體管板。依據(jù)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)表4-14 利用差值法得管板的尺寸如表3-

25、3：表3-3 管板參數(shù)公稱直徑DNDD1D2D3D4D5=D6D7b1cd螺栓孔數(shù)n90010601015890-953900-44.5-2740管板厚度：b=60mm。管板質(zhì)量：= b=264.55kg。3.3殼體法蘭、管箱法蘭及墊片1殼體法蘭、管箱法蘭殼體法蘭、管箱法蘭選用整體長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，凸凹密封面，材料為鍛件0Cr18Ni9（圖3-1）, 查JB4703-2000表1，PN=2.5MPa，體尺寸如表3-4所示：（單位為mm）圖3-1 殼體、管箱法蘭表3-4 長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭尺寸公稱直徑DN法蘭900109510409989889856214542表3-4（續(xù)） 長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭尺寸公稱直徑DN

26、法蘭螺栓對(duì)接筒體最小厚度900211820321530M2732122殼體法蘭、管箱法蘭墊片查JB4706壓力容器法蘭，根據(jù)設(shè)計(jì)溫度可選擇墊片形式為金屬包墊片，材料為鋁,其尺寸如表3-5所示：表3-5 筒體法蘭墊片尺寸公稱壓力PN公稱直徑DN外徑D內(nèi)徑d墊片厚度2.590098794733.4接管法蘭及墊片1接管法蘭法蘭結(jié)構(gòu)如圖3-2，法蘭尺寸見(jiàn)標(biāo)下表3-6（單位為mm）：圖3-2 帶頸平焊鋼制管法蘭表3-6 帶頸平焊鋼制管法蘭尺寸公稱直徑DN鋼管外徑A連接尺寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B法蘭頸大端N法蘭高度H法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓Th螺栓孔數(shù)量n2533.711079.416M

27、14412.734.54916100114.3230190.518M16822.311613532150168.3280241.322M20823.9170.519238接管外伸度均為90mm2接管法蘭墊片查HG20592-20639-2009鋼制管法蘭、緊固件、墊片，根據(jù)設(shè)計(jì)溫度可選擇全平面型（FF型）墊片形式為金屬包墊片，材料為鋁,其尺寸如表3-7所示：表3-7 接管法蘭墊片公稱壓力PN公稱直徑DN外徑D1內(nèi)徑D2螺栓孔數(shù)量n螺栓孔直徑L螺栓孔中心圓直徑K墊片厚度T20253410841679.41.520100115229818190.51.520150169279822241.31.5

28、3.5開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)該固定管板換熱器上，殼程流體的進(jìn)出口在殼體上，管程流體則從前端管進(jìn)入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開(kāi)孔，開(kāi)孔之后，除削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，會(huì)給換熱器的安全操作帶來(lái)隱患，因此此時(shí)應(yīng)進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。由于管程與殼程出入口公稱直徑分別為100mm和150mm，按照HG20592-20639-2009鋼制管法蘭、緊固件、墊片，可選接管的規(guī)格為接管的材料選為20R。1補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法差別補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150-1998表8-1，可不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是mm,因此需另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。開(kāi)孔直徑：=,

29、則補(bǔ)強(qiáng)圏在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)圏的厚度為：圖3-3 E型坡口考慮鋼板負(fù)偏差并經(jīng)圓整，取殼體和管箱上補(bǔ)強(qiáng)圏的名義厚度為8mm，即。1補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150-1998表8-1，不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是mm，本開(kāi)孔外徑為114.3mm,因此需另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。開(kāi)孔直徑：滿足等面積法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。2開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù)： 接管有效厚度：開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算：3有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效厚度：max=208mm有效高度：(a) 外側(cè)有效高度為：，=min=27.27mm(b) 內(nèi)側(cè)有效高度為：min=0mm4有效補(bǔ)強(qiáng)面積殼體多余金屬

30、面積：則多余的金屬面積： 接管多余金屬面積：接管計(jì)算厚度：接管多余金屬面積：接管焊縫面積（焊腳取6mm）: 有效補(bǔ)強(qiáng)面積：5另需補(bǔ)強(qiáng)面積6采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)接管公稱直徑DN100參照J(rèn)B/T4736補(bǔ)強(qiáng)圏補(bǔ)強(qiáng)。選取補(bǔ)強(qiáng)圏的外徑，內(nèi)徑（選用E型坡口，適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)），因?yàn)锽=208mm,則補(bǔ)強(qiáng)圏在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)圏的厚度為：考慮鋼板負(fù)偏差并經(jīng)圓整，取殼體和管箱上補(bǔ)強(qiáng)圏的名義厚度為8mm，即。余下開(kāi)孔直接均為33.7mm，根據(jù)GB150-1998不需要另行補(bǔ)強(qiáng)。3.6接管的最小位置在換熱器設(shè)計(jì)中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)出口接管應(yīng)盡量接近兩端管板，而管箱進(jìn)、出口

31、接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長(zhǎng)度，減輕設(shè)備重，然而，為了保證設(shè)備的制造安裝，管口距地的距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。依據(jù)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)可知接管的最小位置如圖3-4，可以按下式計(jì)算 （接管帶補(bǔ)強(qiáng)圏）（接管不帶補(bǔ)強(qiáng)圏）圖3-4 殼體接管位置式中：殼程接管位置最小尺寸，mmB：補(bǔ)強(qiáng)圈外徑，mmC:補(bǔ)強(qiáng)圏外邊緣至管板與殼體連接焊縫之間的距離，計(jì)算中，取C4S（S為殼體厚度，mm）,且不小于50100mm。:接管外徑，mmb:管板厚度，mm經(jīng)過(guò)實(shí)際畫(huà)圖后，滿足最小位置要求。管箱接管最小位置如圖3-5。帶補(bǔ)強(qiáng)圏的控管，應(yīng)按下式計(jì)算圖3-5 管箱接管位置式中：法蘭高度，為14

32、5mm則經(jīng)過(guò)實(shí)際畫(huà)圖后，L2 =350mm,滿足最小位置的要求。3.7膨脹節(jié)膨脹節(jié)是裝在固定管板換熱器殼體上的撓性構(gòu)件，依靠這樣易變形的撓性構(gòu)件對(duì)管子與殼體的熱膨脹差進(jìn)行補(bǔ)償，以此來(lái)緩和或降低殼體與管子因溫差而引起的溫差應(yīng)力。換熱器是否設(shè)置膨脹節(jié)，主要取決于管程與殼程的溫差、壓差和殼體及管子的材料。查GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)選用ZDW（B）型膨脹節(jié)如圖3-6。膨脹節(jié)尺寸如表3-8：表3-8 波形膨脹節(jié)尺寸公稱直徑DN波根外徑波高h(yuǎn)圓弧半徑R膨脹節(jié)長(zhǎng)度L壁厚S單波最大位移量單波軸向剛度單波重量G90091612535180103.242052.672.7表3-7中=DN+2S=

33、900+28=916mm L=4R+5S=435+510=190mm圖3-6 波形膨脹節(jié)3.8水壓試驗(yàn)試驗(yàn)溫度為常溫，則有：試驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜應(yīng)力為：（為20R的屈服應(yīng)力245MPa）水壓試驗(yàn)校核合格。3.9換熱管換熱管的規(guī)格為,材料選為16Mn熱軋。換熱器的管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和同心圓排列三種排列方式，各種排列方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)：正三角形排列，排列緊湊，管外流體湍流程度高；正方形排列易清洗，但給熱效果較差；同心圓排列，在靠近殼體的地方管子分布較為均勻，在殼體直徑很小的換熱器中可排的換熱管數(shù)比正方形還多。在此，選擇正三角形排列，主要是考慮管外表面的傳熱系數(shù)較大。查GB151-1

34、999可知換熱器的中心距S=32mm,分程隔板兩側(cè)相鄰管的中心距為44mm,同時(shí)，由于換熱器管間距需進(jìn)行機(jī)械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離不宜小于6mm。1 布管限定圓布管限定圓（圖3-7）為管束最外層換熱管中心距直徑，其由下式確定：，b30.25d一般不小于8mm取b310mm則圖3-7 布管限定圓2 排管排管時(shí)須注意，拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處應(yīng)布置拉桿，其間距小于或等于700mm，拉桿中心到折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心的（0.51.5）范圍內(nèi)。多管程換熱器其各程管數(shù)應(yīng)盡量相等，其相對(duì)誤差應(yīng)控制在10%以內(nèi)，最大不能超過(guò)20%。相對(duì)誤差：其中Ncn：各

35、程的平均管數(shù)， Nmin（max）：各程中最小或最大的管數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)際排管后發(fā)現(xiàn)，每個(gè)管程的布管數(shù)目分別是198、202，各管程的平均管數(shù)為200，因此可知各管程數(shù)的相對(duì)誤差為：即兩管程數(shù)相對(duì)誤差約為0.02%。在這里首先要先提到管箱，管箱是把從管道輸送來(lái)的流體均勻地分布到換熱管各把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器，在多管程換熱器中管道還起到改變流體流向的作用。由于所選擇的換熱器是雙管程，故管程選擇為多程板板的安置形式，而對(duì)于換熱管束的分程，為了接管方便，采用平均分法較合適，且平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。換熱管與管板的連接方式有焊接、強(qiáng)度脹接以及脹焊并用。強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小于等于4.0M

36、pa，設(shè)計(jì)溫度小于等于300，操作無(wú)劇烈振動(dòng)，無(wú)過(guò)大的溫度波動(dòng)及無(wú)明顯應(yīng)力腐蝕等場(chǎng)合。除了有較大振動(dòng)及有縫隙腐蝕的場(chǎng)合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其他場(chǎng)合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高，承受振動(dòng)和疲勞載荷，有縫隙腐蝕，要采用復(fù)合管板 等的場(chǎng)合。在此，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度及操作狀況選擇換熱器與管板的連接方式為脹焊并用。采用先脹接后焊接。3.10防沖板依據(jù)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)由于殼程流體的因此，在該固定管板換熱器需要設(shè)置防沖板。防沖擋板的結(jié)構(gòu)及形式如圖3-8：圖3-8 防沖擋板防沖擋板與殼體內(nèi)壁的高度H1=(1/31/4)接管外徑。取H1=8mm。防沖擋板的直徑或邊長(zhǎng)W、L應(yīng)大于

37、接管外徑的50mm，取W=L=220mm。防沖擋板材料用20R，則其厚度為4.5mm。3.11折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加流動(dòng)速度，并使管程垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用，常見(jiàn)的折流板形式為弓形和圓盤(pán)圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形、雙弓形三種，但是工程上使用較多的是單形折流板。該換熱器采用單弓形折流板見(jiàn)圖3-9。圖3-9 折流板此時(shí)兩端選用環(huán)形折流板，中間選用單弓形折流板，上下方向排列這樣可造成液體的劇烈擾動(dòng)，增大傳熱膜系數(shù)。折流板的材料為20R,由前可知，弓形制缺口高度為225mm，折流板間距為

38、300mm，據(jù)GB151-1999_管殼式換熱器表34可知折流板的最小厚度為5mm，故此時(shí)可選取其厚度為7mm。一般應(yīng)使管束兩端的析流板盡可能靠近殼程進(jìn)出口管（圖3-9），其余折流板按照等距離布置，靠近管板的折流板與管板間的距離l應(yīng)按下式計(jì)算：=（220+220/2）-(62-4)+28=300mm：殼程接管位置的最小尺寸，mmb:管板的名義厚度，mm：為防沖擋板長(zhǎng)度圖3-10 折流板位置3.12拉桿與定距管1拉桿的結(jié)構(gòu)形式常用拉桿的形式有兩種，一：拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束（按GB151-1999表45規(guī)定）；二：拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱器管外徑小于或等

39、于14mm的管束，；三：當(dāng)管板比較薄時(shí)，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。拉桿使用Q235制造。2拉桿拉桿數(shù)量及其具體尺寸如表3-9：表3-9拉桿的參數(shù)拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑拉桿數(shù)管板上拉桿孔深1616206=602.020其中拉桿的長(zhǎng)度L按需要確定。拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，若對(duì)于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于3個(gè)支承點(diǎn)。對(duì)于本臺(tái)換熱器，拉桿的布置可參照裝配圖。3.13管程分程隔板管程分程隔板是用來(lái)將管內(nèi)流體分程，根據(jù) 所需的程數(shù)進(jìn)行組合，裝置在管箱內(nèi)。該固定管板換熱器是雙管程因此需要使用分程隔板（圖3-10）。查GB151-1999可

40、知，分程隔板槽深=4mm，槽寬為12mm,且分程隔板的最小厚度為10mm。圖3-11 隔板及隔板槽3.14鞍座 根據(jù)JB/T4712.1-2007選擇DN900，120度包角，重型，有墊板的焊接式鞍座。鞍座結(jié)構(gòu)如圖3-11，鞍座尺寸見(jiàn)表3-10：3-12鞍座結(jié)構(gòu)圖表3-10 鞍座尺寸公稱直徑DN允許載荷QKN鞍座高度h底板腹板筋板900225200810150101045012010表3-10（續(xù)） 鞍座尺寸墊板螺栓間距鞍座質(zhì)量（帶墊板）kg增加100mm增加的重量kg弧長(zhǎng)1060260665590438支座在換熱器上的位置如下圖3-12。由化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)可知：當(dāng)L3000mm時(shí)，

41、取=（0.40.6）L=（0.40.6）7000。+C且C4S，C50mm。圖3-13 鞍座安裝位置取=4000mm，=250mm3.15 吊耳吊耳查HGT_21574-2008_化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求選用設(shè)置在筒體兩側(cè)的HP型吊耳如圖3-13。吊耳尺寸見(jiàn)表3-11。圖3-14 吊耳表3-11 吊耳尺寸單個(gè)吊耳重量SDLRLHPHHPminS1單個(gè)吊耳質(zhì)量吊耳板重墊板重13.51650140502201408142.73.388吊耳安裝在管箱接管同一截面上。3.16軟件校核本次設(shè)計(jì)使用的校核軟件是SW6-98。SW6-98可單獨(dú)計(jì)算最為常用的受內(nèi)、外壓的圓筒和各種封頭，以及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)、法蘭等

42、受壓元件，也可對(duì)HG20582-1998鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定中的一些較為特殊的受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。十個(gè)設(shè)備計(jì)算程序則幾乎能對(duì)該類設(shè)備各種結(jié)構(gòu)組合的受壓元件進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算或整體計(jì)算。其界面如圖3-14。圖3-15 SW6-98軟件輸入界面該軟件校核過(guò)程如下，校核結(jié)果見(jiàn)表3-12。固定管板換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算 計(jì)算單位設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 條 件 殼 程管 程設(shè)計(jì)壓力 1.6MPa設(shè)計(jì)壓力 1.6MPa設(shè)計(jì)溫度 200設(shè)計(jì)溫度 100殼程圓筒內(nèi)徑 900 mm管箱圓筒內(nèi)徑900mm材料名稱20R材料名稱20R 簡(jiǎn) 圖計(jì) 算 內(nèi) 容殼程圓筒校核計(jì)算前端管箱圓筒校核計(jì)算前端管箱封頭(平蓋)校核計(jì)算后端管箱圓筒

43、校核計(jì)算后端管箱封頭(平蓋)校核計(jì)算膨脹節(jié)校核計(jì)算開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算管板校核計(jì)算前端管箱筒體計(jì)算計(jì)算單位計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc 1.60MPa設(shè)計(jì)溫度 t 100.00 C內(nèi)徑 Di 900.00mm材料 20R ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 133.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st 133.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss 245.00MPa鋼板負(fù)偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 2.00mm焊接接頭系數(shù) f 1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度 d = = 5.45mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm名義厚度 dn = 10.00mm重量 142.50Kg

44、壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型 液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT = 1.25P = 2.0000 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 sT = = 113.50 MPa校核條件 sT sT校核結(jié)果 合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力 Pw= = 2.34361MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力 st = = 90.80MPastf 133.00MPa校核條件stf st結(jié)論 筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度9.00mm,合格前端管箱封頭計(jì)算計(jì)算單位 計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc 1.60MPa設(shè)計(jì)溫度 t

45、100.00 C內(nèi)徑 Di 900.00mm曲面高度 hi 225.00mm材料 20R (板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 133.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st 133.00MPa鋼板負(fù)偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 2.00mm焊接接頭系數(shù) f 1.00厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù) K = = 1.0000計(jì)算厚度 d = = 5.43mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm最小厚度 dmin = 1.35mm名義厚度 dn = 10.00mm結(jié)論 滿足最小厚度要求重量 74.06 Kg壓 力 計(jì) 算最大允許工作壓力 Pw= = 2.35398MPa結(jié)論 合格后端管箱筒

46、體計(jì)算計(jì)算單位計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc 1.60MPa設(shè)計(jì)溫度 t 100.00 C內(nèi)徑 Di 900.00mm材料 20R ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 133.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st 133.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss 245.00MPa鋼板負(fù)偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 2.00mm焊接接頭系數(shù) f 1.00厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度 d = = 5.45mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm名義厚度 dn = 10.00mm重量 142.50Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型 液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT = 1.25P = 2.0000

47、 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 sT = = 113.50 MPa校核條件 sT sT校核結(jié)果 合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力 Pw= = 2.34361MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力 st = = 90.80MPastf 133.00MPa校核條件stf st結(jié)論 筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度9.00mm,合格后端管箱封頭計(jì)算計(jì)算單位 計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc 1.60MPa設(shè)計(jì)溫度 t 100.00 C內(nèi)徑 Di 900.00mm曲面高度 hi 225.00mm材料 20R (板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 133.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st 133.00MPa鋼板負(fù)偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 2.00mm焊接接頭系