浮頭式換熱器

浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)說明書是關(guān)于浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行了換熱器的工藝計(jì)算、換熱器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。換熱器是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其它許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱能力大的換熱設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中，我盡量采用較新的國家標(biāo)準(zhǔn)，做到既滿足設(shè)計(jì)要求，又使結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低成本，以提高經(jīng)濟(jì)效益為主，力爭使產(chǎn)品符合生產(chǎn)實(shí)際需要，適合市場激烈的競爭。同時(shí)為了使本次設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行順利，我在設(shè)計(jì)前參閱了許多有關(guān)書籍和英文文獻(xiàn)，并做了一定量的外文翻譯工作。設(shè)計(jì)的前半部分主要是對換熱器的原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行的詳細(xì)的描述，從而進(jìn)行換熱器的選型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。設(shè)計(jì)的后半部分則是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型式進(jìn)行設(shè)備內(nèi)各零部件的設(shè)計(jì)，如管板、折流板、定距管、鉤圈、管箱等。包括：設(shè)計(jì)計(jì)算、材料的選擇、具體尺寸確定、確定具體位置、管板厚度的計(jì)算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計(jì)算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算等。最后繪制一張裝配圖，三張零部件圖。關(guān)鍵詞：浮頭式換熱器；設(shè)計(jì)；校核；FloatingHeadHeatExchangerDesignAbstractHeatexchangeristhechemical,oilrefining,power,food,lightindustry,atomicenergy,pharmaceutical,machinery,andotherwidelyusedinmanyindustrialsectorsasageneral-purposedevice.Thepast23years,chemical,petroleum,lightindustryandotherprocessindustrieshavebeendevelopingrapidly.Therefore,therequiredsmallsize,lightweight,largecapacityheatexchangerheattransferequipment.Inthedesignprocess,Itrytousearelativelynewnationalstandard,sonotonlymeetthedesignrequirements,butalsotostructuraloptimization,costreduction,mainlytoimproveeconomicefficiency,andstrivetomaketheproductsmeettheactualneedsofproductionforthemarketcompetition.Meanwhile,inordertomakethisdesignsmoothlycarriedout,IreadalotbeforeinthedesignofthebooksandEnglishliterature,andtodoacertainamountofforeignlanguagetranslationworkThefirstpartofthedesignismainlytheprincipleofheatexchanger,adetaileddescriptionofthestructure,whichforheatexchangerselection,structuredesign.Thelatterpartisaboutthedesignofthestructureandstrengthofthespecialheatexchanger,whichismainlytodesigntheparts,suchastube-sheet,baffleplate,distancecontrol,floatingcover,tubeboxesandsoon,basedontheheatexchangertypesselected.Thepaperinclude:designandcalculation,materialselection,determiningthespecificdimensions,determiningtheexactlocation,pipethicknesscalculation,thefloatingheadcoverandfloatingheadflangethicknesscalculation,theopeningreinforcementcalculation.FinallyIdrawanassemblymap,threepartsdiagram.Keywords:FloatingHeadHeatExchanger;Design;Check;目錄1前言 11.1換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展 11.2換熱器的分類及其特點(diǎn) 32換熱器的結(jié)構(gòu)說明 62.1換熱器的選型和選材 62.2浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 82.3管程結(jié)構(gòu) 92.4殼程結(jié)構(gòu) 162.5管板設(shè)計(jì) 242.6膨脹節(jié) 282.7管殼式換熱器的振動(dòng)與防止 293計(jì)算部分 343.1浮頭式換熱器筒體的計(jì)算 343.2前后端封頭的計(jì)算 373.3管板的計(jì)算 393.4螺栓的選擇及強(qiáng)度校核 443.5法蘭的選擇 453.6浮頭部分的計(jì)算 473.7開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 494結(jié)論 52參考文獻(xiàn) 53謝辭 54浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)1前言換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器的應(yīng)用廣泛，它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器既可是一種單獨(dú)的設(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)的熱交換器。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。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。1.1換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展它是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其它許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠中，約占總投資的35%～40%。例如，如煙道氣（約200～300℃）、高爐爐氣（約1500℃）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣（300～1000℃）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動(dòng)力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。能源緊缺已成為世界性重大問題之一，各工業(yè)部分都在大力發(fā)展大容量、高性能設(shè)備，以減少設(shè)備的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱能力大的換熱設(shè)備。特別是20世紀(jì)70年代的世界能源危機(jī)，加速了當(dāng)代先進(jìn)換熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。世界各國十分重視傳熱強(qiáng)化和熱能回收利用的研究和開發(fā)工作，開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備來提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，并取得了豐碩成果。到目前為止，已研究和開發(fā)出多種新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)和高效傳熱元件。為了強(qiáng)化傳在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。1.2換熱器的分類及其特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。按作用原理或傳熱方式分類：按換熱設(shè)備熱傳遞原理或傳熱方式進(jìn)行分類，可分為以下幾種主要形式。⑴直接接觸式換熱器這類換熱器又稱混合式換熱器，它是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，以達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場所。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時(shí)分離。⑵蓄熱式換熱器這類換熱器又稱回?zé)崾綋Q熱器。它是借助于由固體(如固體調(diào)料或多孔性格子磚等)構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單體體積傳熱面積大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。⑶間壁式換熱器這種換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷、熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣。⑷中間載熱體式換熱器這類換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。間壁式換熱器分類：間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。eq\o\ac(○,1)管式換熱器這類換熱器都是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器和纏繞管式換熱器等。eq\o\ac(○,2)板面式換熱器此類換熱器都是以板面作為傳熱面，按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分分為以下五種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器。板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使流體能在較低的速度下就達(dá)到湍流狀態(tài)，從而強(qiáng)化了傳熱。板面式換熱器采用板材制造，在大規(guī)模組織成產(chǎn)時(shí)，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。eq\o\ac(○,3)其他型式換熱器這類換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般是為滿足某些工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等。3計(jì)算部分3.1浮頭式換熱器筒體的計(jì)算3.1.1設(shè)計(jì)溫度t=200℃內(nèi)徑鋼板負(fù)偏差材料名稱16MnR腐蝕裕量設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[]t=170MPa設(shè)計(jì)溫度下屈服點(diǎn)焊接系數(shù)有GB6654《壓力容器用鋼板》，GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定，壓力容器專用鋼板偏差不大于0.25mm，因此使用標(biāo)準(zhǔn)鋼板可取.3.1.2前端管箱筒體壁厚計(jì)算（1）厚度計(jì)算計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：根據(jù)管殼式換熱器對于低合金鋼板的最小厚度要求，當(dāng)時(shí)，最小厚度為8mm，又考慮此處有兩個(gè)大開孔，利用多余的壁厚進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)，所以：名義厚度：有效厚度：（2）壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型：水壓試驗(yàn)允許最大操作壓力：水壓試驗(yàn)校核：0.93.1.3后端管箱筒體壁厚計(jì)算：（1）計(jì)算厚度根據(jù)管殼式換熱器對于低合金鋼板的最小厚度要求，當(dāng)時(shí)，最小厚度為10mm,名義厚度：有效厚度：（2）壓力及應(yīng)力計(jì)算及水壓試驗(yàn)校核最大允許工作壓力：水壓試驗(yàn)校核：壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平：0.9試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力：合格3.1.4殼程筒體壁厚計(jì)算：=1.6設(shè)計(jì)溫度t=200℃內(nèi)徑材料名稱16MnR計(jì)算厚度:名義厚度：根據(jù)管殼式換熱器對于低合金鋼板的最小厚度要求，當(dāng)時(shí)，最小厚度為8mm,有效厚度：

=0.9×345=310.5所以合格。3.2前后端封頭的計(jì)算3.2.1計(jì)算壓力：=1.6內(nèi)徑：，；設(shè)計(jì)溫度：200℃材料名稱：16MnR；腐蝕裕量：；負(fù)偏差：；焊接系數(shù)：；設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力：本設(shè)計(jì)當(dāng)中均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭。3.2.2前端封頭的厚度計(jì)算（1）厚度計(jì)算：；；根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊查表得到橢圓封頭形狀系數(shù)：；計(jì)算厚度：名義厚度：有效厚度：最大允許工作應(yīng)力：所以該厚度的前端封頭滿足使用要求。3.2.3（1）厚度計(jì)算：；；根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊查表得到橢圓封頭形狀系數(shù)：；計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：（2）壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型：水壓試驗(yàn)最大允許壓力：水壓試驗(yàn)校核：由于＜，所以該厚度的后端封頭滿足使用要求。3.3管板的計(jì)算3.3.1符號說明D-法蘭外直徑，mm；Db-螺栓中心圓直徑，mm；Di-法蘭內(nèi)直徑，mm；FD-作用在法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)風(fēng)頭壓力載荷引起的軸向分力，N；FD=0.785PCFr-作用在法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力，N；M0-總力矩，N·mm；Pc-計(jì)算壓力，MPa；Ri-封頭球面部分內(nèi)直徑，mm；LD-螺栓中心至法蘭環(huán)內(nèi)直側(cè)的徑向距離，mmLr-Fr對法蘭環(huán)截面形心的力臂，mm；β1-封頭邊緣處球殼中面切線與法蘭環(huán)直徑的夾角（°）；-封頭計(jì)算厚度，mm；f-法蘭計(jì)算厚度，mm；3.3.2選纏繞墊片材料填料石墨壓緊形式1a尺寸當(dāng)3.3.①.管子選中25×2.510號鋼管長L=6000mm實(shí)際管子數(shù)n=256根，采用轉(zhuǎn)正方形排列，查表S=32mmSn=40mm②.隔板面積：對于a型連接形式，轉(zhuǎn)正方形=4×（4978.03—2816+5883.13—3328+400—256）=19444.64mmna=256×3.14×（25-2.5）×2.5=45216mm設(shè)管板的查表Et=186×1000MpaEp=196×Mpa確定管板的設(shè)計(jì)壓力根據(jù)管程側(cè)：結(jié)構(gòu)開槽殼程側(cè)：結(jié)構(gòu)尺寸為零系數(shù)根據(jù)FB1511999圖32查算：所以因?yàn)?lt;所以：合格。3.3.4由①.當(dāng)只有管程設(shè)計(jì)壓力所以：合格。②.當(dāng)只有殼程設(shè)計(jì)壓力所以：合格③.當(dāng)管程設(shè)計(jì)壓力和殼程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用所以：合格。3.3.5取換熱管軸向應(yīng)力三種工況的絕對值最大值，故取=49.95Mpa合格。3.4螺栓的選擇及強(qiáng)度校核3.4.1根據(jù)JB/T4707-2000材料40MnB個(gè)數(shù)26個(gè)m=3y=69（1）操作下的螺栓載荷（2）預(yù)緊狀態(tài)下螺栓載荷3.4.2（1）預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積（2）操作條件下需要的最小螺栓面積螺栓根徑：實(shí)際螺栓面積：螺栓的間距校核：實(shí)際間距：所以：合格。3.5法蘭的選擇選擇固定管板端為整體法蘭，材料為16MnR型號為FM700-2.5，3.5.1(1)預(yù)緊狀態(tài)的法蘭力矩(2)操作狀態(tài)的法蘭力矩3.5.2（1）軸向應(yīng)力所以：合格。（2）徑向應(yīng)力所以：合格。（3）環(huán)向應(yīng)力所以：合格。3.6浮頭部分的計(jì)算3.6.1選擇球冠形封頭的材料為16MnRRi=60mmDN=700mm(1)按內(nèi)壓設(shè)計(jì)此時(shí)Pc=Pt=1.6Mpa(2)外壓校核按GB150-1998中進(jìn)行a假設(shè)厚度取內(nèi)壓故查GB150-1998圖6-5B=84Mpa此時(shí)許用外壓力顯然不滿足殼程外壓=1.6的要求b重設(shè)查GB150-1998圖6-5B=98Mpa所以滿足要求(3)根據(jù)內(nèi)，外，壓計(jì)算校核的結(jié)果取3.6.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)螺栓M24n=32個(gè)螺栓材料根據(jù)TB/4707-2000為40MnB墊片選用纏繞填料石墨按JB/T4718-1992墊片尺寸：當(dāng)查GB150/1998表9-2m=3.0y=69Mpa3.7開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算3.7.1符號說明A--開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積，mm2；B--補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，mm；Di--殼體內(nèi)直徑，mm；d--開孔直徑，mm；fr--強(qiáng)度削弱系數(shù)h1--接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度，mm；h2--接管內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度，mm；pc--計(jì)算壓力，MPa；S1--管孔的軸向節(jié)距，mm；S2--孔帶的單位長度，mm；S3--管孔的對角向節(jié)距，mm；--殼體開孔處的計(jì)算厚度，mm；e--殼體開孔處的有效厚度，mm；et--接管有效厚度，mm；n殼體開孔處的名義厚度，mm；nt接管名義厚度，mm；t接管計(jì)算厚度，mm；[]t--設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力，MPa;b鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa;s剛才標(biāo)準(zhǔn)屈服點(diǎn)，MPa;焊接接頭系數(shù)。3.7.2殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)：a)設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa；b)兩相鄰開孔中心的間距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；c)接管公稱外徑小于或等于89mm；本設(shè)計(jì)中只需對殼程的DN=150的接管進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，接管材料為20號鋼，外徑及厚度為。(1)接管的計(jì)算厚度(2)開孔削弱截面A(3)有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度補(bǔ)強(qiáng)區(qū)外側(cè)高度補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)側(cè)高度(4)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積①殼體多余的金屬面積②接管多余的截面積③.焊縫金屬截面積