固定管板式換熱器課設

1、江漢大學課題名稱：固定管板式換熱器設計系 別：化學與環(huán)境工程學院專 業(yè)：過控121班學 號：姓 名：庫勇智指導教師：楊繼軍時 間：2016年元月課程設計任務書設計題目：固定管板式換熱器設計一、設計目的：1. 實用國家最新壓力容器標準、規(guī)范進行設計，掌握典型的過程裝 備設計的全過程。2. 掌握查閱和綜合分析文獻資料的能力，進行設計方法和設計方案 的可行性研究和論證。3. 掌握軟件強度設計計算，要求設計思路清晰，計算數(shù)據(jù)準確可靠, 正確掌握計算機操作和專業(yè)軟件的實用。4. 掌握圖紙的計算機繪圖。二、設計條件：設計條件單名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水甲醇工作壓力0.45Mpa0.05Mpa操作溫度40

2、C70 C推薦鋼材10, Q235-A, 16MnR換熱面積60 m2推薦管長=2532-39 m240-75 m76-135 m2m2. 53m管口表符號公稱直徑用途a200冷卻水金口b200甲醇蒸汽進口c20放氣口d70甲醇物料出口e20排凈物f200冷卻水出口三、設計要求：1. 換熱器機械設計計算及整體結構設計2. 繪制固定管板式換熱器裝配圖（一張一號圖紙）3. 管長與殼體內(nèi)徑之比在3-20之間四、主要參考文獻1. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，GB150-2011壓力容器，中國標準 出版社，2011.2. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，TSGR0004-2009固定式壓力容器安 全技術監(jiān)察規(guī)程

3、，新華出版社，2009.3. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，GB151-1999管殼式換熱器，中國 標準出版社，1999.4. 天津大學化工原理教研室，化工原理上冊，姚玉英主編，天津 科學技術出版社，2012.5. 鄭津樣，董其伍，桑芝富主編，過程裝備設計，化學工業(yè)出版社，2010.6. 趙惠清，蔡紀寧主編，化工制圖，化學工業(yè)出版社，2008。7. 潘紅良，郝俊文主編，過程裝備機械設計，華東理工大學出版社,2006。8. E. U.施林德爾主編，換熱器設計手冊第四卷，機械工業(yè)出版社，1989.刖言換熱設備是用于兩種或兩種以上流體間、一種流體一種固體間、固體粒子間或者熱接觸且具有不同溫度的同一種流體

4、間熱量（或焓）傳遞的裝置。換熱器是化工、石油、動力、冶金、交通、國防等工業(yè)部門重要 工藝設備之一，其正確的設置，性能的改善關系各部門有關工藝的合 理性、經(jīng)濟性以及能源的有效利用與節(jié)約， 對國民經(jīng)濟有著十分重要 的影響。在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%隨著節(jié)能技術的發(fā)展，應用領域不斷擴大，利用換 熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經(jīng)濟效益。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體 傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標， 以滿 足工藝過程上的需要。此外，換熱設備也是回收余熱、廢熱特別是低 品位熱能的有效裝置。換熱器的型

5、式繁多，不同的使用場合使用目的不同。其中常用結構為 管殼式，因其結構簡單、造價低廉、選材廣泛、清洗方便、適應性強, 在各工業(yè)部門應用最為廣泛。根據(jù)管殼式換熱器的結構特點，可分為 固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五類。固定管板式換熱器結構簡單，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 應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當膨脹 之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生 的熱應力。固定管板式換熱器的特點是：1旁路滲流較??；2、鍛件使用較少，造價低；3、無內(nèi)漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20

6、%- 30%固定管板式換熱器的缺點是：1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t < 50C ,當t >50 C時必須在殼體上設置膨脹節(jié);2、易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應力而損壞；3、殼程無法機械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較低。固定管板式換熱器的機械設計除了最關鍵的換熱板片以外，還有 兩塊墻板，我們稱為框架板和壓力板，框架板為外側(cè)不可活動的墻板， 壓力板為換熱板片另一側(cè)的可用拉桿螺栓調(diào)整位置的墻板；數(shù)根拉桿螺栓，用來加緊框架板和壓力板；立柱；上下導桿，連接在框架板和 立柱之間，用來支撐并給壓力板和換熱。半片導向；框架板和立柱上 可安裝底腳底腳，用于固定

7、機器。除此以外，還可以有法蘭，過濾器, 溫度計和壓力計等一系列附件。固定管板式換熱器管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu) 點是結構簡單緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管 子損壞時易于堵管或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線膨 脹系數(shù)相差較大時，殼體與管束中將產(chǎn)生較大的熱應力。 這種換熱器 適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結垢并能進行清洗， 管、殼程兩側(cè)溫差不 大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。主要由殼體、換熱管束、管板、前端管箱（又稱頂蓋或封頭）和 后端結構等部件組成。管束安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在管板上。管箱和后端結構分別與殼體兩端的法蘭用螺栓相連，檢修或清洗時便于拆 卸。換熱器

8、設計的優(yōu)劣最終要看是否適用、經(jīng)濟、安全、運行靈活可 靠、檢修清理方便等等。一個傳熱效率高、緊湊、成本低、安全可靠的換熱器的產(chǎn)生，要求在設計時精心考慮各種問題.準確的熱力設計和計算，強度和工藝條件。目錄一、設計計算1. 工藝條件.112計算(1) 管子數(shù)n 11(2) 管間距的確定.12(3) 換熱器殼體直徑的確定 .12(4) 換熱器殼體壁厚的計算 .12(5) 換熱器封頭選擇.13(6) 容器法蘭選擇.13(7) 管板尺寸的確定.14(8) 管箱.14(9) 折流板設計.14(10) 支座15(11) 開孔補強15(12) 管子脫拉力計算 16(13) 是否安裝膨脹節(jié) 17(14) 接管、法

9、蘭18(15) 連接緊固件20(16) 防沖板.20(17) 水壓試驗20二、 結構連接211. 換熱管與管板的連接 .212. 管板與殼體，管箱的連接213. 管法蘭與接管的連接22三、 設備總裝.23四、 個人總結.26、設計計算1、工藝條件名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水甲醇工作壓力0.45MPa0.05MPa操作溫度40 °C70 C推薦鋼材10, Q235 - A , 16MnR換熱面積60 m 2管長2.5m管徑© =25mm*2.5mm2、計算(1) 管子數(shù)n選錯誤！未找到引用源。的無縫鋼管，材質(zhì)20號鋼，管長3m。因為F =所 n F60306根d均L 3.14

10、0.025 2.5采用正三角形排列，正三角形排列比較緊湊，在一定的殼徑內(nèi)可排列較多的管子，且傳熱效果好，但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗方便，適用于殼程中的流體易結垢的情況，其傳熱效果 較正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯列，用于殼側(cè)流體清潔，不易結垢，后者殼側(cè)污垢可以用化學處理掉的場合。由化工原理上冊附錄28查得中心排管為23,換熱器內(nèi)管子總根數(shù) 為467,取拉桿數(shù)為10，所以實際管數(shù)457根管程分程，管程數(shù)取1層(2) 管間距的確定由于換熱管外徑為25mm化工原理上冊附錄28得管間距錯 誤!未找到引用源。(3) 換熱器殼體直徑的確定Di a(nc 1) 2d。式中錯

11、誤!未找到引用源。換熱器內(nèi)徑，mm錯誤!未找到引用源。一一正六角形對角線上的管子數(shù)，中心排管數(shù)nc 23錯誤!未找到引用源。一一最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取錯誤!未找到引用源。mm故 Di 32 (23 1) 2 25mm 754錯誤！未找到引用源。mm圓整后取殼體內(nèi)徑Di 800mm錯誤！未找到引用源。(4) 換熱器殼體壁厚的計算 材料選用Q345R計算壁厚Pc Di70Pc式中錯誤！未找到引用源。計算壓力，取Pc 1.1Pw 0.5MPa;Di 800mm;0.(單面焊局部無損檢測);70 189MPa (殼壁溫度取70攝氏度)；1.32mm1.1 0.45 8002 189 0.

12、8 1.1 0.45因為錯誤！未找到引用源。，所以取錯誤!未找到引用源。查HG/T20580-20581-2011化工設備手冊腐蝕裕量C2 2mm，對Q345R鋼板負偏差C1 0.3mm錯誤！未找到引用源。圓整后取n 6mm錯誤！未找到引用源(5) 換熱器封頭選擇左右封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù)JB/T 4746-2002標準，封頭為錯誤！未找到引用源。，曲面高度h1 200mm錯誤！未找到引用 源。，直邊高度h2 25mm錯誤！未找到引用源。，材料選用Q345R(6) 容器法蘭的選擇材料選用20號鋼。根據(jù)JB/T 4701-2000標準，選用錯誤！未找到引用源。N800,錯誤!未找到引用源

13、。的平封面甲型平焊法蘭。40mm；DN=800m；D=930mm D1 890mm; D3 845mm;圖2-1換熱器封頭圖2-2容器法蘭(7) 管板尺寸的確定選用固定式換熱器管板型，并兼作法蘭，材料選用16Mn鍛件。直徑D=930mm厚度 40mm,管板與筒體間的連接 方法選用強度脹接。管板尺寸查GB151-1999則管板管孔直徑為 25.25mm(8) 管箱公稱直徑DN=800m厚度為6mm由于殼層為甲醇，較清潔，可選結構為封頭管箱，管箱筒節(jié)長l=400mm(9) 折流板設計折流板選用弓形，高度h - Di 600mm；4折流板間距取500mm查GB151-1999管殼式換熱器5.9表34

14、 得折流板最小厚度為6mm折流板外徑為DN-4.5即795.5mm查5.9 表39管孔直徑為25.8mm 材料為Q235-A鋼。拉桿查GB151-199管殼式換熱器表43和44選用直徑12mm；錯誤!未找到引用源。，數(shù)量8根，材料為Q235-A鋼。(10) 支座采用雙鞍座，根據(jù) JB/T 4712-2007，鞍座DNBI800-S，選用120 度包角，L=2500mm LB=0.6L=1500mmA=0.2L=500mm鞍座材料選用Q235-A墊板材料選用16MnR查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸為：鞍式支座的結構參數(shù)(JB/T4712.1-2007)公稱 直徑/DN鞍 座

15、高 度h底板腹板筋板墊板螺 栓 間 距l(xiāng)1b112L3b353弧長b44e12800200720150101040012010940260665530(11) 開孔補強根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器換熱器殼體和封頭上的接管 處開孔需要補強，常用的結構是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和 厚度都相同，即6mm厚的16MnF鋼板。其補強結構如圖所示。圖2-3開孔補強結構(12) 管子拉脫力計算計算數(shù)據(jù)按表1選取表1項目操作壓力/MPa管子0.450.05殼體材質(zhì)20線膨脹系數(shù)/(1/ C)未找到引用源。彈性模量/MPa未找到引用源。鋼16MnR錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。許用應力/

16、 MPa130189尺寸/mm錯誤!未找到引用源25 2.5 2500mm;DN800 6mm;錯誤!未找到引用源管子根數(shù)管間距/mm管殼壁溫差/r管子與管板的連接方式脹接長度/mm45732錯誤!未找到引用源 強度脹接錯誤！未找到引用源在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力pf其中f = C.S66Q3=0.866 X 3227TX 25=39&(mma)錯誤!未找到引用源。，錯誤!未找到引用0.45 x 396=0.047MPa3.14 X 25 X 48溫差應力導致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中E(tt ts)AtA11.2 0.21 306.211.38MPa2

17、2t(d。di )4dol由上述計算有九38 (625 400)0.53MPa4 25 48由于管子和管板的連接采用強度脹接，管子的許用拉脫力遠小于0.5倍材料的許用應力。因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。（13）計算是否安裝膨脹節(jié)AsDtn 3.14 812 6 15298.08mm;At(do2 d2) n 空 (252 202 ) 45 7 8 071 7.6mm;44管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力 錯誤!未找到引用源。：F1tAt 11.38 79481.25 904547.9(N) 0.9 106(N);壓力作用于殼上的軸向力 錯誤!未找到引用源。：其中?=-呻-訛計出+船站-叫嚴空(8002

18、450 252) 0.05 450 202 0.45(N)；4=77665.9( N)貝卩 F277665.9 15298.0812535.8(N) 0.12 106(N)；15298.08 79481.25壓力作用于管子上的軸向力錯誤!未找到引用源。：F3QA 0.62 106(N)；At AsF1 F2AsF3 F1At66.67MPa;35.23MPa;根據(jù)GB 151-1999管殼式換熱器的設計規(guī)定，在考慮熱應力的情況下管子和殼體上的應力均小于 3倍的許用應力，實際所求的應力均較小，滿足設計要求，故本換熱器不必安裝膨脹節(jié)(14) 接管、法蘭殼層接管在入口處加以擴大，做成喇叭形，起緩沖效

19、果，或者在換熱器進口處設置擋板。接管材料選用 20號鋼。根據(jù)設計條件管口公稱直徑，查 HG/T20592鋼制管法蘭選用對勁 平焊法蘭，公稱壓力為0.6MP&材料為20號鋼。對于DN200選取219 7 mm接管，對于DN70選取89 4 mm接管, 對于DN2Q選取25 2 mm接管。接管高度公稱直徑/mmDN 200DN80DN20接管咼度/mm200150150根據(jù)化工設備機械基礎，由于換熱器的壓力不高，而且流體無毒, 所以選用對頸平焊法蘭，材料選用 20號鋼，密封面型式選用突面密 圭寸，其公稱直徑分別為：對頸平焊鋼制管法蘭（摘自HG/T 20593-2009）公稱直徑DN管子直徑

20、A1連接尺寸法蘭厚度C法、蘭內(nèi) 徑B1法蘭外徑D螺栓中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋ThPN0.6MPa20259065114M1014268089190150184M161891200219320280188M1622222(15) 連接緊固件因為介質(zhì)僅為水和甲醇，因此密封性要求一般，因為選擇墊片采用價格相對較低的石棉橡膠板，螺母螺栓選用 Q235-A。墊片尺寸D=844 d=804。石棉橡膠板(16) 防沖板本課程設計的殼程流體為甲醇蒸汽，其2 2230kg/(m.s2)，故不需防沖板。(17) .水壓試驗水壓試驗壓力Pt 1.25PC 0.069MPa所選材料的屈服應力s 345

21、MPa水壓試驗應力校核t pT(Di Se) 0.069(800 3.7) 7.5MPa2Se2 3.70.9 s 0.9 345 0.8248.4MPa所以T 0.9 s，水壓試驗滿足強度要求。二、結構連接1換熱管與管板的連接選用強度焊接連接。制造加工方便，保證換熱管與管板連接的密封性和抗拉脫強度的焊接，目前采用較廣泛。查GB151，可知其相接各部分的尺寸如下：換熱管外伸長度換熱管規(guī)格外徑X壁厚巾 25X 2.5換熱官最小伸出長度/ ll3 2K/mm0.52.管板與殼體及管箱的連接管板與殼體及管箱的連接3.管法蘭與接管連接管法蘭與接管采用內(nèi)外焊接1 1L<4pv/Zh0Cd管法蘭與接

22、管焊接三、設備總裝1.換熱管直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應該進行校直，管子兩端須用磨管機清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質(zhì)直至露出金屬光 澤。除銹長度不小于兩倍管板厚度。當管子與管板的連接采用脹接工 藝時，管端硬度應低于管板硬度。同一根換熱管的對接焊縫，直管不 得超過一條；包括至少50mm直管段范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。管端破 口應采用機械方法加工，焊前應清洗干凈。換熱管組裝要求兩管板相互平行，允許誤差不得大于1mm兩管板間長度誤差為士 2mm管子與管板應垂直；拉感應牢靠固定；定距 管兩端面要整齊；穿管時管子頭不能用鐵器直接敲打。2. 筒體換熱器筒體的圓度要求較高，必須保證殼體與折流板之間

23、有合適 的間隙。如太大就要影響換熱效果，太小就要增加裝配的難度。切割 好的鋼板應根據(jù)鋼板厚度、操作壓力高低選定破口形式進行邊緣加 工。用鋼板卷制時，內(nèi)直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外 周長允許上偏差10mm下偏差為0。3 .封頭和管箱封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。 分程隔板兩側(cè)全長均 應焊接，并應具有全焊透的焊縫。由于焊接應力較大，故管箱和封頭 法蘭等焊接后，須進行消除應力的熱處理，最后進行機械加工。4. 折流板由于折流板很薄，鉆孔時鉆頭的推力使管板中心變形， 故可將下 料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點焊、然后 一起鉆孔。為了保證順利穿管，必須是折流板的管孔

24、與管板中心在同一直線 上，可以將管板當作鉆模放在折流板上，壓緊后進行引孔，即以管板 危機出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板， 將折流板壓緊，并換上合適的鉆頭。5. 管板管板由低合金鋼鍛件 16MnR制成，加工前表面不平度不得大于 2mm如超過此值，應先進行校平，然后進行加工。拼接管板的對接接頭應進行100%寸線或超聲檢測，按JB4730-94 進行表面檢測，檢測結果不低于皿級，或超聲檢測中的I級為合格。換熱管與管板的連接：二者采用焊接的形式連接，連接部位的換 熱管和管板孔表面，應清理干凈，不得有毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。 焊渣及凸出于換熱器內(nèi)壁的焊瘤均應清除。管板與換熱管焊接時，管孔表面粗糙度 Ra值w 25小。6. 換熱器安裝1. 安裝位置：根據(jù)該換熱器的結構形式，在換熱器的兩端留有足夠的 空間來滿足拆裝、維修的需要。2. 基礎：必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動支座的一端應予埋滑板。3. 地腳螺栓和墊鐵(1) 活動支座的地腳螺栓應裝有兩個緊鎖的螺母，螺母與底板間應留有1 3mm勺間隙。(2) 地腳螺栓兩側(cè)均有墊鐵。設備找平后，斜墊鐵，可與設備支座 底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。(3) 墊鐵的安裝不應妨礙換熱器