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： 122209104119 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

2、作壓力0.45Mpa0.05Mpa操作溫度4070推薦鋼材10，Q235-A，16MnR換熱面積60推薦管長=2532-3940-7576-1352m253m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，TSG R0004-2009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.EU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.前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間熱量（或焓)傳遞的裝

4、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。換熱器的型式繁多，不同的使用場合使用目的不同。其

5、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?。?、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

6、是：1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t50,當t50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

7、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介質(zhì)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

8、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.

9、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.26一、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0.45MPa 0.05MPa 操作溫度40 70 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選的無縫鋼管，材質(zhì)20號鋼，管長3m。因為所采用正三角形排列，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

10、三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯列，用于殼側流體清潔，不易結垢，后者殼側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。(3) 換熱器殼體直徑的確定 式中 換熱器內(nèi)徑，mm； 正六角形對角線上的管子數(shù)，中心排管數(shù) 最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取mm。故 mm圓整后取殼體內(nèi)徑(4)換熱器殼體壁厚的計算材料選用Q345R，計算壁厚式中 計算壓力，取 故因為，所以取。查HG/T20580-20581-

11、2011化工設備手冊腐蝕裕量，對Q345R鋼板負偏差。圓整后取。(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，曲面高度,直邊高度，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DN800，的平封面甲型平焊法蘭。DN=800mm；D=930mm；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=800mm厚度為6mm由

12、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，高度折流板間距取500mm;查GB151-1999管殼式換熱器5.9表34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GB151-1999管殼式換熱器表43和44選用直徑，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DN BI800-S，選用120度包角， L=2500mm，LB=0.6L=1500mm A=0.2L=500mm。鞍座材料選用Q235-A，墊

13、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鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距L3b33弧長800200720150101040012010940260665530(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16MnR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 管子 殼體 操作壓力/MPa 0.45 0.05 材質(zhì) 20鋼 16

14、MnR線膨脹系數(shù)/(1/) 彈性模量/MPa 許用應力/ MPa 130 189 尺寸/mm 管子根數(shù) 457管間距/mm 32 管殼壁溫差/ 管子與管板的連接方式 強度脹接 脹接長度/mm 在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中 ，溫差應力導致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中由上述計算有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) 管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力：壓力作用于殼上的軸向力：其中 =77665.9（N）則壓力作用于管子上的軸向力：則 根據(jù)GB 151-1999管殼式換熱器的設計規(guī)

15、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0.6MPa。材料為20號鋼。對于DN200選取mm接管,對于DN70選取mm接管, 對于DN20選取mm接管。接管高度公稱直徑/mmDN 200DN80DN20接管高度/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

16、，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/T 20593-2009）公稱直徑DN管子直徑連 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PN0.6MPa20259065114M1014268089190150184M161891200219320280188M1622222（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，故不需防沖板

17、。（17）.水壓試驗水壓試驗壓力 所選材料的屈服應力 水壓試驗應力校核 所以，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×壁厚25×2.5換熱管最小伸出長度/K/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 管法蘭與接管焊接 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

18、、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±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

19、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

20、，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%射線或超聲檢測，按JB4730-94進行表面檢測，檢測結果不低于級，或超聲檢測中的級為合格。 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25µm。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13mm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。四、個人總結 為期兩個星期的課程設計就要結束，這次設計的是固定管板式換熱器的機械設計。雖然為期不長，但收獲頗多。