固定管板式換熱器.doc
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固定管板式換熱器的設計 學生：庫勇智，化學與環(huán)境工程學院 指導教師：王小雨，江漢大學 摘 要 換熱器是用來在流體間交換熱量的裝置，在化學專業(yè)中具有非常重要的地位，被使用于化工各行業(yè)中。由于其中固定管板式換熱器管板和殼體是一體構造，具有結構簡單、造價十分便宜的優(yōu)點，所以被普遍的使用。 這篇設計說明書上面著重說明了換熱器的換熱面積、各個設計壓力和設計溫度以及接管等數(shù)據(jù)參數(shù)。根據(jù)上面所給的數(shù)據(jù)和換熱器類型來對換熱器的各個零部件，即換熱管根數(shù)，尺寸、排列方式，殼體和管箱、封頭等等，最后校核、壓力試驗，根據(jù)工藝結構選出材料，最后作圖。 本設計說明書的每一部分都是完全參照GB150-2011《壓力容器》和GB151-2014《熱交換器》中固定管板式換熱器的有關標準來計算、校核和選型的。 關鍵詞 管殼式換熱器 ；固定管板式換熱器 ；加熱器 II Abstract Heat exchanger is a device for exchanging heat between the fluids and in chemistry has a very important position, is used in the chemical industry. Because of the fixed tube plate heat exchanger tube plate and the shell is an integral structure, with has the advantages of simple structure, low cost advantages, so be widely use. The design specification above illustrates the change of the heat exchange area of the heat exchanger, each design pressure and temperature and over data parameters. According to the data given above and the heat exchanger type heat exchanger parts, i.e. the heat exchange tube number, size, arrangement, shell and tube box, head, and so on, finally checking, pressure test, selected according to process structure materials. Finally, drawing. The design specification is strictly according to GB150-2011< pressure container > and heat GB151-2014< exchanger is > fixed tube plate heat exchanger of the relevant provisions of the calculation, selection and checking. Key words Shell and tube heat exchanger ；fixed tube heat exchanger ；heater 目 錄 摘 要--------------------------------------------------------1 目 錄--------------------------------------------------------3 符號說明------------------------------------------------------5 第一章 緒論---------------------------------------------------6 第1.1節(jié) 換熱器的分類-----------------------------------------6 第1.2節(jié) 固定管板式換熱器的特點-------------------------------6 第2章 換熱器的工藝設計---------------------------------------7 第2.1節(jié) 各部件的材料-----------------------------------------7 第2.2節(jié) 換熱器的工藝條件-------------------------------------7 第2.3節(jié) 估算設備尺寸-----------------------------------------8 第三章 結構強度設計與校核------------------------------------9 第3.1節(jié) 殼體和管箱的厚度計算--------------------------------9 第3.2節(jié) 封頭的計算------------------------------------------11 第3.3節(jié) 墊片------------------------------------------------12 第3.4節(jié) 螺栓------------------------------------------------12 第3.5節(jié) 法蘭------------------------------------------------13 第3.6節(jié) 開孔補強的計算--------------------------------------14 第3.7節(jié) 壓力試驗--------------------------------------------15 第四章 零部件的選型-----------------------------------------16 第4.1節(jié) 換熱管的型式和尺寸----------------------------------16 第4.2節(jié) 折流板----------------------------------------------17 第4.3節(jié) 定距管和拉桿----------------------------------------18 第4.4節(jié) 防沖板----------------------------------------------19 第4.5節(jié) 接管------------------------------------------------20 第4.6節(jié) 管箱------------------------------------------------22 第4.7節(jié) 管板的結構尺寸--------------------------------------22 第4.8節(jié) 封頭------------------------------------------------23 第4.9節(jié) 螺栓的選型------------------------------------------24 第4.10節(jié) 鞍座的選取-----------------------------------------24 第五章 換熱器的連接形式-------------------------------------26 第5.1節(jié) 傳熱管與管板的連接----------------------------------26 第5.2節(jié) 管板與殼體的連接------------------------------------27 第5.3節(jié) 管板與法蘭的連接------------------------------------28 第六章 換熱器的制造、檢驗及安裝-----------------------------28 第6.1節(jié) 總體制造工藝----------------------------------------28 第6.2節(jié) 筒體的制造------------------------------------------29 第6.3節(jié) 封頭的制造------------------------------------------30 第6.4節(jié) 管板的制造------------------------------------------31 第6.5節(jié) 管束的制造------------------------------------------31 第6.6節(jié) 折流板的制造----------------------------------------32 第6.7節(jié) 換熱器的質量檢測------------------------------------32 第6.8節(jié) 裝配------------------------------------------------32 第6.9節(jié) 油漆、包裝------------------------------------------33 總結---------------------------------------------------------34 致謝---------------------------------------------------------34 參考文獻-----------------------------------------------------35 符號說明 符 號 意 義 單 位 [σ]t 許用應力 MPa σt 計算應力 MPa C 厚度附加量 mm C1 鋼材厚度偏差 mm C2 腐蝕裕量 mm Di 圓筒內直徑 mm [Pw]t 最大允許工作壓力 MPa Pc 計算壓力 MPa E 材料的彈性模量 Pa ф 焊縫系數(shù) —— δ 計算厚度 mm δd 設計厚度 mm δn 名義厚度 mm δe 有效厚度 mm m 墊片系數(shù) mm ye 比壓力 MPa A 補強截面積 mm2 B 補強有效寬度 mm F 壓力 N K 橢圓形封頭形狀系數(shù) —— M 力矩 N.mm VIII 第一章 緒 論 換熱器的工作原理是換熱器中管程、殼程流體由于溫度不同而產生熱交換，流體來達到升高或降低溫度的目的。在我們熟悉和掌握它的特點，以及按照它的相關的一些生產方法，才可以對換熱器進行合理的設計和選型。目前換熱器在我國化工行業(yè)中得到廣泛的應用，所以其制造工藝的提高、設計的優(yōu)化可大大提高化工企業(yè)的效益。 1.1 換熱器的分類 換熱器根據(jù)工作原理、結構特點及使用用途進行分類，常見的分類方法如下圖1-1所示： 圖1-1 換熱器的分類 1.2固定管板式換熱器的特點 常見的固定管板式換熱器結構特點如下圖1-2所示，管束和管板相連，管板和殼體焊接在一起。優(yōu)點：結構簡單、制造價格低廉、承壓能力強、結構緊湊，管程的清洗比較方便，管子損壞時更換方便；缺點：管束和殼體壁溫相差很大時會產生的熱應力。這種換熱器一般用于物料清潔以及不容易結垢并清洗方便、管程與殼程溫差不大或者殼體中流體壓力不是很高小于600kpa的場合。 圖1-2固定管板式換熱器結構圖 固定管板式換熱器制造及檢驗應符合GB150-2011《壓力容器》，GB151-2014《管殼式換熱器》中的標準來進行。 第二章 換熱器的工藝設計 2.1各部件的材料 固定管板式換熱器的主要零部件選用的材料如下表2-1： 表2-1選材 元件名稱 材料 狀態(tài) 標準號 供貨狀態(tài) 殼體 Q245R 板材 GB 9948 固溶 換熱管 20 管材 GB /T13296-2007 固溶 管板 Q345R 鍛件 2014E-46-02 固溶 管箱 Q245R 板材 GB 713-2007 固溶 管箱法蘭 Q245R 板材 HG20592-2009 固溶 殼程接管 20 板材 GB/T9948 -2006 固溶 筒體法蘭 Q245R 鍛件 HG20592-2009 固溶 管程接管 S30408 板材 GB/T13296-2007 固溶 管箱法蘭 Q245R 鍛件 HG20592-2009 固溶 2.2 換熱器的工藝條件 設 計 條 件： 殼 程 管 程 工 作 介 質： 蒸汽 水 設 計 溫 度： 152℃ 80℃ 工 作 溫 度: 135℃ 80℃ 設 計 壓 力： 0.6MPa 0.6Mpa 工 作 壓 力： 0.56Mpa 0.58Mpa 焊 縫 系 數(shù)： 0.85 0.85 腐 蝕 余 量： 1mm 0mm 換 熱 面 積： 15M2 2.3 設備尺寸的估算 2.3.1 計算傳熱管數(shù)NT 用傳熱管規(guī)格為ф25x2.5x2000mm（無縫鋼管還有19x2和38x2.5，使用的只用前兩種），傳熱管數(shù)NT為： 用小管徑可加大傳熱面積、符合本換熱器結構緊湊的特點、耗材少經(jīng)濟實惠、也能提高傳熱系數(shù)，但是小管徑流體阻力大，不便清洗，易結垢堵塞。一般大直徑管子用于黏性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。 （符合） （2-1） 式中： — 換熱管外徑。 S— 換熱面積。 L — 換熱管長。 — 換熱管總數(shù)。 2.3.2 排管方式 換熱管的排管方式如下圖2-1所示，正三角形、正方形、轉角正方形、轉角正三角形四種方式。各種排列方式都有其各自的特點：（1）正三角形排列：排管密集，流體湍流好，用得 最為普遍；（2）正方形排列：清洗比較方便，但傳熱效果不好；（3）轉角正方形：和以上直排列比較，可稍微提高一些傳熱系數(shù)。 考慮到給出設計條件和工藝要求，本設計選用正三角形的排管方式。 2.3.3換熱器的傳熱管如果按正三角形排列，殼程直徑D計算如下： 取管心距 t=1.25do （焊接法）（化工原理上277頁） t=1.3x25=32(mm) 橫過管束中心線的管數(shù)： 采用單管程結構（流量、傳熱面積小化工原理277頁），則殼體內徑為： D=t(nc-1)+(2-3)do=32x(11-1)+(2-3)x25=370-395(mm) （2-2） 圓整得D＝400mm（化工原理上278頁）（最小壁厚10mm） 圖2-1換熱管排列方式 第三章結構及強度設計與校核 3.1 殼體、管箱的壁厚和封頭的厚度計算 3.1.1 殼體厚度和校核 使用Q245-R，設計壓力為0.6MP，許用應力[σ]t=131MP,接頭系數(shù)Φ＝0.85，公稱直徑Di=400mm,鋼板厚度負偏差C1＝0.1mm，腐蝕裕量C2＝1mm。 計算厚度： (3-1) 設計厚度： 名義厚度： 由GB151-2014，固定管板式換熱器筒體最小壁厚?。沙楣苁? 有效厚度： 進行液壓試驗壓力為： 由GB150-2011附錄F，Q245屈服極限是245MPa。 查表得,即，即液壓試驗通過。 3.1.2 管箱厚度和校核 使用Q245-R，設計壓力0.6MPa，許用應力[σ]t=147Mpa ，接頭系數(shù)Φ＝0.85，公稱直徑Di=400mm，厚度負偏差C1＝0.1mm，腐蝕裕量C2＝0mm。 計算壁厚為 (3-2) 設計厚度： 名義厚度 由GB151固定管板式換熱器管箱最小壁厚規(guī)定 取 有效厚度： 進行液壓試驗壓力為： 由GB150-2011附錄F，Q245屈服極限是245MPa。 查表得,即，即液壓試驗通過。 3.2封頭的計算和校核 3.2.1換熱器封頭的選擇 由于本次設計的固定管板式殼程壓力為0.6MPa，管程壓力為0.6MPa，屬于低壓容器，橢圓形封頭就能夠滿足要求，所以本設計中的管箱封頭與殼體封頭都選取橢圓形封頭。封頭的橢球部分的壓力分布均勻，容易沖壓成型，是目前中、低壓容器中使用比較廣泛的封頭之一，本設計封頭環(huán)焊縫采用雙面對接焊并用局部無損探傷。 3.2.2封頭厚度及水壓實驗校核 (3-3) （其中 K是標準橢圓形封頭形狀系數(shù)為1.0） 腐蝕余量C2=0mm，鋼板負偏差C1=0.1mm， 設計厚度： 名義厚度： 為方便焊接和避免形狀不連續(xù)導致應力集中，封頭厚度取值與管箱一致，故 取 有效厚度： 液壓試驗時的壓力為： 根據(jù)GB150-2011附錄F，Q245R屈服極限為245MPa。 查表得 即,所以液壓試驗通過。 3.3墊片的計算 采用D＝470mm，d=426 mm,δ=3mm的石棉橡膠板。 根據(jù)GB150－2011表7－2：m=2.0mm（墊片系數(shù)）,y=11MPa（比壓力） 1)墊片的有效密封寬度 接觸寬度N＝22mm，基本密封寬度bO＝N/2=22/2=11mm 根據(jù)GB150－2011查表得，當bO>6.4mm 2)墊片壓緊力作用中心圓直徑 當bO>6.4mm時，可得墊片壓緊力作用中心圓直徑 DG＝D-2b=427-2x8.39=453.22mm 3)墊片壓緊力 預緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力 FG=Fa=3.14DGby=3.14x453.22x8.3911x11=131757.17N 4)操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力 FG=FP=6.28DGbmPC=6.28x453.22x8.39x2.0x0.58=27700.57N 3.4螺栓 3.4.1螺栓的布置尺寸 GB150-2011表7-3，法蘭尺寸為LA＝27mm，Le＝26 螺栓間距： 3.4.2螺栓的載荷計算 (1).預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 Wa＝Fa=3.14DGby==131757.17N (2).操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 WP=F+FP=0.785DG2PC+6.28DGbmPC =0.785x453.22x0.58+6.28x453.22x8.39x2.0x0.58=121223N 3.4.3螺栓面積的計算 (1)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 (2)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 (3)需要的螺栓面積 取Aa和Ab的最大值 Amax=1063.36mm2 (4)實際螺栓面積Ab Ab≥Am ,符合螺栓設計要求 3.4.5螺栓載荷的設計 (1).預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷 (2).操作狀態(tài)下螺栓設計載荷 3.5法蘭的計算 1)法蘭力矩 2)預緊狀態(tài)下的法蘭力矩 3)操作狀態(tài)下的法蘭力矩 4)法蘭設計力矩 法蘭材料Q235B在設計溫度90℃下的許用應力 法蘭材料在常溫下的許用應力 3.6節(jié) 開孔補強的計算 3.6.1 概述 接管是換熱器結構設計上的必備結構，因此需要在設備上開孔，在容器的開孔部位產生的應力集中將引起殼體局部強度削弱以及給容器的安全操作帶來隱患。如果開孔很小，并且接管又可以使強度的削弱得到彌補，那么就不需要補強：如果開孔很大，有應力集中就需要開孔補強，這就是所謂的開孔補強設計。然而接管的補強區(qū)只能降低應力集中，卻無法將應力集中消除，所以壓力容器的結構設計必須腰考慮到開孔補強的問題。 1. 在GB150-2011上殼體開孔滿足以下幾點時，不用補強。 1)．Pc≤2.5Mpa. 2)．相近的開孔中心距小于兩個孔直徑和的兩倍 3).接管最小壁厚滿足GB150-2011表6-1 4)．接管公稱外徑小于或等于89mm 5)．殼體開孔的排污口、排氣口和排凝出口接管選擇φ32*3.5和φ76×6的接管，可不用補強。 2.殼體飽和蒸汽入口、 熱水入口、出口開孔補強的校核 ， 因殼體和管箱開孔尺寸相同，兩者計算其一即可。 3.6.2殼體上開孔補強計算（過程設備設計106 ） 開孔直徑 對于內徑,當筒體開孔直徑=78mm
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