固定管板式換熱器課設(shè)

1、江漢大學(xué)課題名稱(chēng)：固定管板式換熱器設(shè)計(jì)系 別：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：過(guò)控121班學(xué) 號(hào)：姓 名： 庫(kù)勇智指導(dǎo)教師：楊繼軍時(shí) 間：2016年元月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：固定管板式換熱器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的：1. 實(shí)用國(guó)家最新壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，掌握典型的過(guò)程裝 備設(shè)計(jì)的全過(guò)程。2. 掌握查閱和綜合分析文獻(xiàn)資料的能力，進(jìn)行設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)方案的可行性研究和論證。3. 掌握軟件強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，要求設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠， 正確掌握計(jì)算機(jī)操作和專(zhuān)業(yè)軟件的實(shí)用。4. 掌握?qǐng)D紙的計(jì)算機(jī)繪圖。二、設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)條件單名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水甲醇工作壓力操作溫度40 C70 C推薦鋼材10, Q

2、235-A, 16MnR換熱面積60 m2推薦管長(zhǎng)=2532-39 m240-75 m76-135 m2m2. 53m管口表符號(hào)公稱(chēng)直徑用途a200冷卻水金口b200甲醇蒸汽進(jìn)口c20放氣口d70甲醇物料出口e20排凈物f200冷卻水出口三、設(shè)計(jì)要求：1. 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2. 繪制固定管板式換熱器裝配圖（一張一號(hào)圖紙）3. 管長(zhǎng)與殼體內(nèi)徑之比在3-20之間四、主要參考文獻(xiàn)1. 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，GB150-2011壓力容器，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 出版社， 2011.2. 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，TSGR0004-2009固定式壓力容器安 全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程，新華出版社， 2009.

3、3. 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，GB151-1999管殼式換熱器，中國(guó) 標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1999.4. 天津大學(xué)化工原理教研室， 化工原理上冊(cè)，姚玉英主編，天津 科學(xué)技術(shù)出版社， 2012.5. 鄭津樣，董其伍，桑芝富主編， 過(guò)程裝備設(shè)計(jì) ，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.6. 趙惠清，蔡紀(jì)寧主編， 化工制圖，化學(xué)工業(yè)出版社， 2008。7. 潘紅良，郝俊文主編，過(guò)程裝備機(jī)械設(shè)計(jì) ，華東理工大學(xué)出版社，2006。.U.施林德?tīng)栔骶帲瑩Q熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)第四卷，機(jī)械工業(yè)出版社， 1989.、尸、 亠前言換熱設(shè)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

4、量（或焓 ） 傳遞的裝置。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、冶金、交通、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)重要 工藝設(shè)備之一， 其正確的設(shè)置， 性能的改善關(guān)系各部門(mén)有關(guān)工藝的合 理性、經(jīng)濟(jì)性以及能源的有效利用與節(jié)約， 對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著十分重要 的影響。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總 投資的30%-45%隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換 熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)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(dá)到工藝過(guò)程規(guī)定的指標(biāo)， 以滿(mǎn) 足工藝過(guò)程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低 品位熱能的有效裝置。換熱

5、器的型式繁多，不同的使用場(chǎng)合使用目的不同。其中常用結(jié)構(gòu)為 管殼式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、選材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)， 在各工業(yè)部門(mén)應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(lèi)。固定管板式換熱器固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用。殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹 之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生 的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：1、旁路滲流較小;2、鍛件使用較少，造價(jià)低；3、無(wú)內(nèi)漏；4、傳熱

6、面積比浮頭式換熱器大20%- 30%固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是：1、 殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t < 50 C ,當(dāng)t >50 C時(shí)必須在殼體上設(shè)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(yīng)力而損壞；3、殼程無(wú)法機(jī)械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低。固定管板式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)除了最關(guān)鍵的換熱板片以外，還有 兩塊墻板，我們稱(chēng)為框架板和壓力板，框架板為外側(cè)不可活動(dòng)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(lái)加緊框架板和壓力板；立柱；上下導(dǎo)桿，連接在框架板和 立柱之間，用來(lái)支撐并給壓力板和換熱。半片導(dǎo)向；框架板和立柱

7、上 可安裝底腳底腳，用于固定機(jī)器。除此以外，還可以有法蘭，過(guò)濾器， 溫度計(jì)和壓力計(jì)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管 子損壞時(shí)易于堵管或更換； 缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨 脹系數(shù)相差較大時(shí)， 殼體與管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。 這種換熱器 適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)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(chǎng)合。主要由殼體、換熱管束、管板、前端管箱(又稱(chēng)頂蓋或封頭)和 后端結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分別與殼體兩端的法蘭用螺栓相

8、連， 檢修或清洗時(shí)便于拆 卸。換熱器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣最終要看是否適用、經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)行靈活可 靠、檢修清理方便等等。一個(gè)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(shè)計(jì)時(shí)精心考慮各種問(wèn)題 . 準(zhǔn)確的熱力設(shè)計(jì)和計(jì)算，強(qiáng)度和工藝條件。目錄一、設(shè)計(jì)計(jì)算1. 工藝條件.112. 計(jì)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(jì)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(shè)計(jì).14(10) 支座15(11) 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)15(12) 管子脫拉力計(jì)算 16(

9、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(yàn)20二、結(jié)構(gòu)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(shè)備總裝 .23四、個(gè)人總結(jié) .26、設(shè)計(jì)計(jì)算1、工藝條件名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水甲醇工作壓力操作溫度40 °C70 C推薦鋼材10, Q235 - A , 16MnR換熱面積60 m 2管長(zhǎng)管徑© =25mm*2、計(jì)算(1) 管子數(shù)n選一的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)20號(hào)鋼，管長(zhǎng)3m因?yàn)樗?n F60306根d均L 314 0.025 2.5采用正三角

10、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(jié)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(cuò)列，用于殼 側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢，后者殼側(cè)污垢可以用化學(xué)處理掉的場(chǎng)合。由化工原理上冊(cè)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(shí)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(cè)附錄 28得管間距:=工：二二】o(3) 換熱器殼體直徑的確定式中.換熱器內(nèi)徑，mmnc 正六角形對(duì)角線上的管子數(shù)，中心

11、排管數(shù)nc 23do最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取-mm故 Di 32 (23 1) 2 25mm 754 mm圓整后取殼體內(nèi)徑Di 800mm(4) 換熱器殼體壁厚的計(jì)算材料選用Q345R計(jì)算壁厚式中.計(jì)算壓力，取 Pc 1.1Pw 0.5MPa;故1.1 0.45 8001.32mm2 189 0.8 1.1 0.45因?yàn)榇颍簠R宀一巳心：，所以取加“查HG/T20580-20581-2011化工設(shè)備手冊(cè)腐蝕裕量 C2 2mm ,對(duì)Q345R鋼板負(fù)偏差Ci 0.3mm。圓整后取n 6mm。(5) 換熱器封頭選擇左右封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T 4746-2002標(biāo)準(zhǔn)，封頭為D

12、N 800mm 6mm，曲面高度 hi 200mm,直邊高度h2 25mm，材料選用Q345R(6) 容器法蘭的選擇材料選用20號(hào)鋼。根據(jù)JB/T 4701-2000標(biāo)準(zhǔn)，選用 DN800PNOMPa的平封面甲型平焊法蘭。DN=800mm D=930mmDi 890mm; D3 845mm； 40mm；圖2-1換熱器封頭圖2-2容器法蘭*930(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(qiáng)度脹接。管板尺寸查GB151-1999則管板管孔直徑為。(8) 管箱公稱(chēng)直徑DN=800m厚度為6mm由于殼層為

13、甲醇，較清潔，可選結(jié)構(gòu)為封頭管箱，管箱筒節(jié)長(zhǎng)l=400mm(9) 折流板設(shè)計(jì)折流板選用弓形，高度h ? Di 600mm;4折流板間距取500mm查GB151-1999管殼式換熱器表34得折 流板最小厚度為6mm折流板外徑為即，查表39管孔直徑為，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12mm；，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=1500mmA=500mm鞍座材料選用Q235-A墊板材料選用16MnR查JB/,鞍座的各部分

14、尺寸為：鞍式支座的結(jié)構(gòu)參數(shù)(JB/)公稱(chēng) 直徑/DN鞍 座 高 度底板腹板筋板墊板螺 栓 間 距hL3b3S3弧長(zhǎng)800200720150101040012010940260665530(11) 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)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(kāi)孔需要補(bǔ)強(qiáng)，常用的結(jié)構(gòu)是在開(kāi)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(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖所示。接管補(bǔ)強(qiáng)圈殼體圖2-3開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(12) 管子拉脫力計(jì)算計(jì)算數(shù)據(jù)按表1選取表1項(xiàng)目管子殼體操作壓力/MPa材質(zhì)20鋼16MnR線膨脹系數(shù)/(1/ C)1L2 X 1011.2 X 10彈性模量/MPa許用應(yīng)力/

15、MPa尺寸/mm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(zhǎng)度/mm0.205 X10613018925 2.5 2500mm;45732At = 30強(qiáng)度脹接I =480.205 X106DN 800 6mm；在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中p 0.45AfPa，I =斗溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中由上述計(jì)算有由于管子和管板的連接采用強(qiáng)度脹接，管子的許用拉脫力遠(yuǎn)小于倍材 料的許用應(yīng)力。因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。(13) 計(jì)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Q =石(D =-扯船出 +-叫)3.1

16、4(8002 450 252) 0.05 450 202 0.45( N )；4(N)15298.08 79481.25壓力作用于管子上的軸向力:則 s 皂上 66.67MPa;As根據(jù)GB 151-1999管殼式換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)定，在考慮熱應(yīng)力的情況下管子和殼體上的應(yīng)力均小于 3倍的許用應(yīng)力，實(shí)際所求的應(yīng) 力均較小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(kuò)大，做成喇叭形，起緩沖效果，或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板。接管材料選用 20號(hào)鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)條件管口公稱(chēng)直徑，查HG/T20592鋼制管法蘭選用對(duì)勁 平焊法蘭，公稱(chēng)壓力為。材料為 20號(hào)鋼。對(duì)于DN200

17、選取219 7 mm接管，對(duì)于DN70選取89 4 mm接管, 對(duì)于DN20選取25 2 mm接管。接管高度公稱(chēng)直徑/mmDN 200DN80DN20接管咼度/mm200150150根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，由于換熱器的壓力不高，而且流體無(wú)毒, 所以選用對(duì)頸平焊法蘭，材料選用 20號(hào)鋼，密封面型式選用突面密 圭寸，其公稱(chēng)直徑分別為：對(duì)頸平焊鋼制管法蘭(摘自HG/T 20593-2009)公稱(chēng)直徑管子直徑連接尺寸法蘭厚度法、蘭法蘭螺栓中螺栓螺栓孔螺紋DN外徑D心圓直徑K孔直徑L數(shù)量nThC內(nèi)徑B120259065114M1014268089190150184M16189120021932028018

18、8M1622222（15）連接緊固件因?yàn)榻橘|(zhì)僅為水和甲醇，因此密封性要求一般，因?yàn)檫x擇墊片采用價(jià) 格相對(duì)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(shè)計(jì)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(yàn)水壓試驗(yàn)壓力Pt 1.25PC 0.069MPa所選材料的屈服應(yīng)力s 345MPa水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核t pT（Di ：） 0.069（800站） 7.5MPa292 3.7所以T 0.9 s，水壓試驗(yàn)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。二、結(jié)構(gòu)連接1. 換熱管與管板的連接選用強(qiáng)度焊接連接。制造加工方便，保證換熱管與管板連

19、接的密封性和抗拉脫強(qiáng)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(zhǎng)度換熱管規(guī)格外徑X壁厚巾25X換熱官最小伸出長(zhǎng)度/11K/mm2.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(shè)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(yīng)該進(jìn)行校直，管 子兩端須用磨管機(jī)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(zhǎng)度不小于兩倍管板厚度。當(dāng)管子與管板的連接采用脹接工 藝時(shí)，管端硬度應(yīng)低于管板硬度。同一根換熱管的對(duì)接焊縫，直管不 得超過(guò)一條；包括至少50mm直管段范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。管端

20、破 口應(yīng)采用機(jī)械方法加工，焊前應(yīng)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(zhǎng)度誤差為士 2mm管子與管板應(yīng)垂直；拉感應(yīng)牢靠固定；定距管兩端面要整齊；穿管時(shí)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(yīng)根據(jù)鋼板厚度、操作壓力高低選定破口形式進(jìn)行邊緣加 工。用鋼板卷制時(shí)，內(nèi)直徑允許偏差可通過(guò)外圓周長(zhǎng)加以控制，其外 周長(zhǎng)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(zhǎng)均 應(yīng)焊接，并應(yīng)具有全焊透的焊

21、縫。由于焊接應(yīng)力較大，故管箱和封頭 法蘭等焊接后，須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理，最后進(jìn)行機(jī)械加工。4. 折流板由于折流板很薄， 鉆孔時(shí)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(diǎn)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(dāng)作鉆模放在折流板上，壓緊后進(jìn)行引孔，即以管板 危機(jī)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(guò)此值，應(yīng)先進(jìn)行校平，然后進(jìn)行加工。拼接管板的對(duì)接接頭應(yīng)進(jìn)行 1

22、00%射線或超聲檢測(cè)， 按 JB4730-94進(jìn)行表面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不低于皿級(jí)，或超聲檢測(cè)中的I級(jí)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(yīng)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(yīng)清除。管板與換熱管焊接時(shí)，管孔表面粗糙度 Ra值w 25卩m6. 換熱器安裝1. 安裝位置：根據(jù)該換熱器的結(jié)構(gòu)形式， 在換熱器的兩端留有足夠的 空間來(lái)滿(mǎn)足拆裝、維修的需要。2. 基礎(chǔ)：必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動(dòng)支座的一端應(yīng)予埋滑板。3. 地腳螺栓和墊鐵（1）活動(dòng)支座的地腳螺栓應(yīng)裝有兩個(gè)緊鎖的螺母，螺母與底板間應(yīng) 留有1 3mm勺間隙。（2）地腳螺栓兩側(cè)均有墊鐵。設(shè)備找平后，斜墊鐵，可與設(shè)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(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。四、個(gè)人總結(jié)為期兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)就要結(jié)束，這次設(shè)計(jì)的是固定管板