浮頭式換熱器課程設計說明書

1、1方案確定選擇換熱器的類型浮頭式換熱器：主要特點是可以從殼體中抽出便于清洗管間和管。管束可以在管自由伸縮不會產生熱應力1.1換熱面積的確定根據(jù)化工設備設計手冊選擇傳熱面積為40(m21.2換熱管數(shù)N的確定我國管殼式換熱器常用碳素鋼、低合金鋼鋼管，其規(guī)格為 19X、2 25X 2、5 32X、3 38X3、 57 X 3等，不銹鋼鋼管規(guī)格為 19 X 2 25 X 2 32 X、2 38 X 2.5 57 X 2.5換熱管長度規(guī)格為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0m等。換熱器換熱管長度 與公稱直徑之比，一般在425之間，常用的為610。管子的材料選擇應根 據(jù)

2、介質的壓力、 溫度及腐蝕性來確定。選用32X3mm的無縫鋼管，材質為 0Cr18Ni9，管長為6000mmn=A/ n 0L3-5式3-5: n換熱管數(shù)A換熱面積m2 d0換熱管外徑mmL換熱管長度mmn二3.14 32400-36000 10-3=613 根表1.1拉桿直徑/mm換熱管外徑d10Wd 1515 d 2525v d n ,min所以殼程的名義厚度取12m m合格。2.2管箱壁厚設計計算換熱器的管箱封頭一般為橢圓形或平蓋形。平蓋容易拆卸，維修關程時不必拆卸管道。 一般大直徑壓力高，檢修情況允許時，傾向于使用平蓋。在壓力不高的情況下，換熱器直 徑小于等于900m時，用橢圓形封頭；換

3、熱器直徑大于900mm通常使用平蓋。因為本換熱器 直徑為1200m m所以選用橢圓形封頭。1. 名義壁厚計算管箱選材為Q235-A，有參考文獻公式4-24-2PcD2 tPc式4-4：管箱計算壁厚，mmDi 圓筒徑，mm查得孑=170MPa旱縫系數(shù)，焊縫采用雙面焊，局部無損探傷，取 = 0.85取設計壓力 p=1.76MPa7.35mm=1.76 1200=2 170 0.85 1.76+C1 C2查得：C10.8mmC21mm2.有效壁厚計算en C1 C212 0.8 110.2mm3.最小壁厚計算n,min對于碳素鋼容器，規(guī)定最小壁厚 3mmn,minminC23 2 5mmminn,m

4、in所以管箱的名義厚度取12m合格。4.管箱水壓試驗較核：由參考文獻知,壓容器水壓試驗公式:Pr(Di+ e)T2 ett式4-6: Pc 取殼程與管箱中計算壓力較大者，即Pc=1.76MPa對于壓容器Pt1.25pc設計溫度下材料的許用應力，MPa。由于殼程與管箱采用相同的材料，所以 戒故Pt =1.25 1.76=2.2MPa所以t 22 (1200 102) 130.5MPa2 10.2n= +C1 C27.35 0.8 1=9.15mmn 取 12mm。按照GB151-89對固定管板式換熱器最小壁厚的規(guī)定，0.9 s =0.9 235 0.85=179.8MPa因為t $i,minPt

5、Qe)所以封頭的名義厚度取12mm合格4封頭的選擇查參考文獻5，封頭DN120(X 12mm,曲面高度h1 =100mm,直邊高度 構尺寸如下表所示：h2 =25mm。結(mm)表2.2封頭尺寸公稱直徑DN曲面咼度h1直邊高度h2厚度S120012525122.4殼體水壓試驗校核由參考文獻知，壓容器水壓試驗公式:對于壓容器卩丁=1.256口tc t設計溫度下材料的許用應力，Pa。由于殼程與管箱采用相同的材料,所以c t = 門所以故因為pT =1.25 銘76=2.2MPat= 2-2(1200+10-2) =130.5MPa2 10.20.9 時=0.9235X).85=179.115MPa

6、otv0.9 c s 所以該換熱器殼體水壓試驗合格3. 密封裝置設計及選型3.1法蘭的選型與設計法蘭聯(lián)接是作為容器的筒體與封頭、筒體與筒體、管道間、管道與閥門管件等的可拆性 聯(lián)接。它是由一對法蘭、數(shù)個螺栓、螺母和一個墊片組成。由于強的密封性能和較好的強度, 故應用廣泛。缺點是不能快速拆卸，制造成本較高。常見的整體法蘭形式有兩種即平焊法蘭和對焊法蘭。平焊法蘭結構能保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適量減薄，但會在殼體上產生較大應力，適用于(PNC 4.0MPS)的低壓容器。甲型平焊法蘭與乙型平焊法蘭的區(qū)別在于乙型平焊法蘭有一個壁厚不小于16mm的圓筒形短節(jié)，因而乙型平焊法蘭的剛性比甲型平焊法蘭

7、好，甲型法蘭在(PNC0.6MPS)時，適用的容器直徑圍為(DN=3001200),乙型法蘭性能更優(yōu)。由于本次設計 的換熱器壓力低， 屬于一類容器DN=1200mm,所以選用甲型平焊法蘭。32法蘭壓緊面的選擇凹凸面(如圖5-2 )安裝時易于對中，還能有效地防止墊片被擠出壓緊面，適用于 pN 40+42830 35+33739 30=14945620.N mm預緊時法蘭力矩：W Am+Ab b 1274702170167960 N2 2Ma Wl3167960 305038800 N ? mm則法蘭設計力矩：取 MP14945620 N mm 與 Ma=5038800 N- mm 中最大值，則取

8、 M=Ma=5038800N mm式中：P1 壓作用在徑截面上的軸相力，N ;P2壓作用在法蘭端面上的軸相力，N ;P3墊片支反力，N ；Db 螺栓中心圓直徑，mm;MP操作時法蘭力矩，Nmm;W預緊狀態(tài)螺栓的設計載荷，N ;Ma 預緊時法蘭力矩，Nmm;M 法蘭設計力矩， N mm。(3) 形狀系數(shù)法蘭外徑D0=1280mm則系數(shù)：K “ 1280 1.07Di 1200(7)法蘭校核預緊時：t =16.67MP0.8(T f=90.4MPa操作時：t =22.2MP0.8(T f t=90.4MPa同時：(T T=54.37MPa c f t=113MPa式中Y形狀系數(shù)(4)法蘭厚度YM

9、75 5038800tt = ，=8.66mm- fDi -70 1200所選法蘭標準法蘭厚度 8=30mr,Mt200 2=7536mm 2 取 l=2mm 。操作狀態(tài)下:=W = 167960At 5024=33.4MPa綜上所述，可知所選法蘭合格。3.3墊片.螺栓設計 查參考文獻得墊片的尺寸如下表，表3.2墊片參數(shù)表(mm)公稱直徑DN墊片徑墊片外徑墊片厚度 1200 1203 12393圖 3.2 法蘭1.墊片寬度計算 墊片的實際寬度4-37N =(Dg0-Dgi) /2式 4-37：所以墊片密封基本寬度 查表得3. 墊片壓緊力N 墊片實際寬度， mmDg0 墊片外徑， mmDgi 墊

10、片徑， mmN=(1239-1203)/2=18mmb = b0b=8mm預緊時需要的壓緊力查參考文獻 4按公式計算得4-38Fa=Dgby式4-38: Fa預緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，Nb 墊片有效密封寬度， mmDG 墊片壓緊力作用中心圓計算直徑， mm當b0詣.4mm時，DG等于墊片接觸的平均直徑當bo 6.4mm時，Dg等于墊片接觸的外徑所以DG =1221mmy墊片的比壓力，MPa由參考文獻 4查得，墊片厚度為 2mm 時， y=11MPabb =8mm所以Fa=3.14 X221 8X1 仁337386N由參考文獻4查得4-39Fp=2 nDbmpc式4-39: Fp操作狀態(tài)下

11、，需要的最小墊片壓緊力，Nm墊片系數(shù)Pc 計算壓力，MPa所以Fp=2X3.14 X218X2X).275=15434N4. 螺栓載荷計算預緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷等于保證墊片初始密封所需的壓緊力，即Wa=Fa=337386N4-40式4-40: Wa預緊狀態(tài)下所需要的最小螺栓載荷，N2Wp F Fp=Dg Pc+Fp4-414式4-41: Wp操作狀態(tài)下的最小螺栓載荷，N所以w 3.14Wp=122120.275+15434=1185744N4.螺栓設計預緊狀態(tài)下，按常溫計算，螺栓所需要截面積 AaAaWab4-42 式 4-42:170MPa。有參考文獻3附表得c b=113MPa所以

12、操作狀態(tài)下，3373862代=1984m170按設計溫度計算，螺栓所需截面積Apc b常溫下螺栓材料Q235-A的許用應力為式中：Cb設計溫度下，螺栓材料的許用應力為 170MPa。所以Ap=6974m2螺栓截面積Am取Aa和Ap中的較大者。即可確定螺栓的直徑與個數(shù)，取個數(shù)為n=20do =4Amn式中：d 0螺紋根徑或螺栓最小截面直徑， mm n螺栓個數(shù)所以d - j4Am_(4 69743.14 20=21 mm查標準n=20寸，螺栓為M22勺能滿足要求5. 螺栓最大間距計算法蘭環(huán)上兩螺栓孔中心距LDbn式4-45: Db法蘭環(huán)上螺栓中心直徑,4-45mm。查得 Db =580mm所以L=

13、3.14 X1280/20=200mm法蘭環(huán)螺栓最大間距Lmax式 4-46:dB 螺栓公6 fLmax=2dB+m+0.54-46稱直徑，mm?法蘭有6 f630L max=2dB+=222+=116mm效厚m +0.52+0.5度, mm。由參考文獻-查得?=30mm所以即L V Lmax，所以初選的連接螺 栓M22，共20個，螺栓材料為Q235-A合格4. 固定管板的設計及計算4.1固定管板的計算固定管板設計采用BS法，假定管板厚度b=100mm總換熱管數(shù)量一根管壁金屬的橫截面積為n=613a= (d0 d 2)=(322 262 ) 273mm44開孔強度削弱系數(shù)(回程)卩=0.6兩管

14、板間換熱管有效長度(除掉兩管板厚)L取6800mm“ ccDina 1200613 107.441.321.320.636b iLb100 A，所以不用另行補強。6. 鞍式支座的設計計算及校核6.1.鞍式支座的設計1. 鞍座的結構：是由護板、橫向腹板和底板組成。2. 鞍座數(shù)目的選擇：放在鞍座上的圓筒形設備，其情況和梁相似。從受力分析來看，承受同 樣載荷且具有同樣幾何尺寸的梁采用多支座比采用兩個支座梁產生的應力小。但實際上應看情況而定，對于大型容器，因制造誤差所造成的支座標高不一致，或因地基沉降不均勻，所以造成的支承點水平高度不一致，都使支承反力不均勻，在設備造成較大附加應力。同時為了避免溫度應

15、力，多支座的情況，也不便于采取措施。所以一般采取雙支座。為 了避免產生溫差應力，有一個支座的地腳螺栓孔做成長圓形，安裝時不擰死螺母，以便使其能有自由滑動的可能。最好的辦法是一端采用滾動式支座。3. 支座位置的確定：采用雙鞍座時，支座位置的確定，是以下為依據(jù)，即：是在使支承反力對筒體形成的彎距相等的原則下，使其充分利用封頭對筒體鄰近部分的加強作用。在中國現(xiàn)行標準JB 4731鋼制臥式容器規(guī)定取 A 0.2L，A的最大值不得超過 0.25L。否則由于容 器外伸端的作用將使支座截面處的應力過大。其中A為封頭切線至支座中心線之距離，L為 兩封頭切線之間的距離，此外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗彎剛度

16、，故封頭對于圓筒的抗彎剛度具有局部加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體在支座處圓筒截面的加強作用。因此JB 4731還規(guī)定當滿足 AW0.2L時，最好使A9.8 %.2=4112N,所以水平推力向下偏移，偏離容器的軸線。水平推力和偏心距離為：s =qRi4-52式4-52: s水平推力，N.m所以s=1876X).25 =469N.m式中:yc =yc 偏心距離，myc=0.25 =0.0625所以當為橢圓形封頭時m2=0.25qR（1-H2/Ri）,為簡化計算常略去一些差異m2，所以梁端點的力偶 M為:2mi m2 q (R2 H2)4218764(0.2520.1252)41243N

17、.m鞍座力的分析:a圓筒在支座中截面處的彎距M 1查參考文獻4得:M1 F(GL A)4-54式 4-542吟）2（牛）21 2(空)22238鬆)24(1茅）4(14 125 )3 2238)0.24M 1= 2256 (0.24 2238 10 -3- M 1為正值時，表示上半部分圓筒受壓縮，下半部分圓筒受拉伸b.圓筒在支座中截面處的彎距M 24-55式 4-55M2C2C3M2FAC2(114HR2 H22RL4 1253 22381.06252 .12520.032 0.25 2.2382256 0.4451.06四 0.03 型 1.06)2.2380.445233.4N.m的 論。

18、M2一般為負值，表示圓筒的上半部分受拉伸，下半部分受壓縮。這里只討論支座截面處剪力，因為對于承受均勻載荷的外伸簡支梁，其跨距處截面的剪力等于零，所以不用討 當支座距離封頭切線距離 A 0.5 Ri時，分重量的影響，在支座處截面上的剪力為：4-56F q(A+iH)所以2256(2.238 2 0.445、(2.238 41059N7. 其他附件的設計7.1折流板的設計1. 折流板材質的選擇根據(jù)本設計的要求，綜合考慮材料的性能及經濟性要求選用的材料為0Cr18Ni92. 折流板的類型折流板的類型有弓形、圓形、矩形、環(huán)形、圓盤-圓環(huán)形等等。大多數(shù)折流板都采用弓形折流板，對于臥式換熱器，殼程為單鄉(xiāng)清

19、潔液體時，折流板缺口應水平上下放置。若 氣 體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設通液口。綜合考慮我選用弓形 折流板。3. 折流板的尺寸規(guī)格設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖 刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結垢。在臥式換熱器中，折流 板 還起到支承管束的作用。缺口大小用切去的弓形弦高占殼體直徑的百分比來確定。如單弓形折流板,缺口弦高宜取0.200.45倍的殼體直徑，最常用的0.25倍殼體直徑。 折流板一般應按等間距布置，管束兩端的折流板應盡量靠近殼程進出口接管。折流板的最 小間距宜不小于殼體直徑的 1/5，且不小于50m

20、m；最大間距應不大于殼體直徑。折流板的弓形高度：h=0.75Di=0.75 897=298.5，有參考文獻9查得，折流板間距取530mm，折流板最小厚度為 8mm。有參考文獻9查得折流板外徑為994mm，折流板開孔直 徑有參考文獻9查得 32.8 X 0.45見圖7.1:圖7.1折流板7.2拉桿的設計1. 拉桿材質的選擇：根據(jù)本設計的要求，綜合考慮材料的性能及經濟性要求選用的材料為0Cr18Ni9。2. 拉桿的尺寸規(guī)格表7.1拉桿直徑（mm）換熱管外徑d10 d 1415v dv 2425 d 27表7.2拉桿數(shù)量換熱器公稱直徑DN/mmV 400400d 700700dv 900900841

21、，然后畫了出來。課程設 計是一項需要耐心和認真仔細的任務，畫一個法蘭就要查很多資料來確定法蘭的最后尺寸， 螺栓要計算校核直徑，只要拿出耐性和認真的精神，最終是可以很好的完成任務的。在此，向廖老師表示感，感他在課程設計過程中為我們提供指導，感他在我們沒耐性不 想堅持的時候一次次要求我們必須堅持。感在課程設計過程中使用的參考書的作者，是你們 的努力使得我們課程設計有了參考。附表設計值匯總名稱尺寸/mm材料名稱尺寸/mm材料筒體厚度12Q235-B管程接管260X810筒體補強厚度12Q235-B殼程接管260X1610外頭蓋短節(jié)厚10Q235-B固定管板厚108Q235-B外頭蓋封頭厚10Q235-B浮頭管板厚80Q235-B管箱短節(jié)厚50Q235-B鉤圈總厚96Q2