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1、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 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 irw 殼程 物料名稱 循環(huán)水 甲醇 工作壓力 0.45Mpa 0.05Mpa 操作溫度 40c 70c

2、 推薦鋼材 10,Q235-A,16MnR 換熱面積 60m2 推薦管長①=25 32-39m2 40-75m2 76-135m2 2m 2.5 3m 管口表 符號 公稱直徑 用途 a 200 冷卻水金口 b 200 甲醇蒸汽進口 c 20 放氣口 d 70 甲醇物料出口 e 20 排凈物 f 200 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 .國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，G

3、B150-2011《壓力容器》，中國標準 出版社，2011. 2 .國家質量監(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》，新華出版社，2009. 3 .國家質量監(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

4、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. 刖百 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間熱量（或始） 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%fc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

5、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。止匕外，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 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

6、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%%-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tw50C,當tn 50C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

7、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，框架板為外側不可活動的墻板， 壓力板為換熱板片另一側的可用拉桿螺栓調(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

8、種換熱器適用于殼側介質清潔且不易結垢并能進行清洗，管、殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。 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.11 2 .計算 (1)管子數(shù)n11 (2)管間距的確定.

9、.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21 1 .換熱管與管板的連接....21 2 .管板與殼體，管箱的連接21 3 .管法蘭與接管的連接22 三、設備總裝.2

10、3 四、個人總結.26 、設計計算 Di=a(nc-1)2do nc nc = 23 do Pc = 1.1Pw =0.5MPa； ⑼70 =189MPa （殼壁溫度取70攝氏度）； 6 = 工「：筐，Di=32(23-1)225mm=754Di=800mm hi=200mmh2=25mmp；J][；*pQDi=890mm;D3=845mm;、.=40mm; 圖2-1換熱器封頭

11、 5=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管箱 3 6=h=3Di=600mm；e=12mm；查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸 4 為： 鞍式支座的結構參數(shù)(JB/T4712.1-2007) 公稱 直徑 / DN 鞍座高度 h 底板 腹 板 筋板 墊板 螺栓間距 11 b1 61 ^2 L3 b3 5 3 弧 長 b4 e I2 800 200 72 0 15 0 10 10 40 0 120

12、 10 940 26 0 6 65 530  圖2-3開孔補強結構 1L2 X 10~41,2 X 10-S0.205 X 1060.205 X 頻 *25 M 2.5m 2500mm; DN 800M 6mm; pf 。正號 7 IT - F 入 % =-f = 0.866 a2 --dj= 0.866 x32z 一一 x 25z = 396(mm:) 此= 301 = 48 ' 4 0 4 i ' p = 0.45iWPal = 48nwn,p 045 X 396 4(虜-d?) =O.D47MPat?r = -- 314 X 25 X 48 0 4。

13、 二E(tt -ts) 11.2 0.21 30 1As 6.2 = 11.38MPa Q(d qt 二— 4dol -di2) 11.38 (625 -400) ——-= =0.53MPa 4 25 48 As=-：Dtn=3.148126=15298.08mm; At = — (do2 -di2)n 4 314cc -(252-202)457=80717.6mm; 4 f2 .Fi=；tAtu11.3879481.25-904547.9(N)-0.9106(N);_ Q二;[婚-聞用+n(d0-28JPJ4 3.14 -[(8002-4502

14、52)0.054502020.45](N); 4 F2=77665.915298.08=12535.8(N)=0.12/(N);『: 15298.0879481.25 F3=QAt=0.62m106(N);os=F1+F2=66.67MPa;AtAsAs F3-Fi ot==—35.23MPa;對于DN200選取*219x7mm接官,對于 At DN70B取689x4mn?管，對于DN2cB取?25父2m雁管。 接管高度 公稱直徑/mm DN200 DN80 DN20 接管局度/mm 200 150 150 根據(jù)化工設備機械基礎，由于換熱器的壓力不高，而且

15、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 封，其公稱直徑分別為: 對頸平焊鋼制管法蘭（摘自HG/T20593-2009） 公稱 直徑 dn 管子 直徑 A1 連接尺寸 法蘭 厚度 C 法蘭內(nèi)徑 B 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 Th PN0.6MPa 20 25 90 65 11 4 M10 14 26 80 89 190 150 18 4 M16 18 91 200 219 320 280 18 8 M16

16、 22 222 墊片尺寸D=844d=804 石棉橡膠板 本課程設計的殼程流體為甲醇蒸汽，其Pd<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c-s=345MPa 水壓試驗應力校核二丁二PT(DiSe)=0.069(8003.7)=7.5MPa 2Se23.7 0.9不=0.93450.8=248.4MPa 所以5<0.96?,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

17、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 4)25X2.5 換熱管最小伸出長度/11 3+2 K/mm 0.5 2 .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 OJ 管法蘭與接管焊接 1. 三、設備總裝 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

18、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土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

19、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1

20、6MnR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%射線或超聲檢測，按JB4730-94進行表面檢測，檢測結果不低于m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w25師。 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的間隙。 (2)地腳螺栓兩側均有墊鐵。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的熱膨脹。 :_PcDi 2I」0-pc Di=800mm;4=0.8（單面焊局部無損檢測）； 1.10.45800… =1.32mm 21890.8-1.10.45 電"■'l6=3=1禽；C*2=2mmC1=0.3mm、n=6mmDN=800mm6mm