管殼式換熱器設(shè)計-課程設(shè)計

1、一、課程設(shè)計題目管殼式換熱器的設(shè)計二、課程設(shè)計內(nèi)容1 .管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：管子數(shù)n,管子排列方式，管間距的確定，殼體尺寸計算，換熱器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管板尺寸確定塔盤結(jié)構(gòu)，人孔數(shù)量及位置，儀表接管選擇、工藝接管管徑計算等等。2 .殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核(1)根據(jù)設(shè)計壓力初定壁厚；(2)確定管板結(jié)構(gòu)、尺寸及拉脫力、溫差應(yīng)力；(3)計算是否安裝膨脹節(jié)；(4)確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進行強度和穩(wěn)定性校核。3 .筒體和支座水壓試驗應(yīng)力校核4 .支座結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核包括：裙座體(采用裙座)、基礎(chǔ)環(huán)、地腳螺栓5 .換熱器各主要組成部分選材，參數(shù)確定。6 .編

2、寫設(shè)計說明書一份7 .繪制2號裝配圖一張，AutoCAD繪3號圖一張(塔設(shè)備的)。三、設(shè)計條件氣體工作壓力管程：半水煤氣0.75MPa殼程：變換氣0.68MPa殼、管壁溫差55C,tt>ts殼程介質(zhì)溫度為220-400C,管程介質(zhì)溫度為180-370C。由工藝計算求得換熱面積為140吊，每組增加10m2。四、基本要求1 .學生要按照任務(wù)書要求，獨立完成塔設(shè)備的機械設(shè)計；2 .設(shè)計說明書一律采用電子版，2號圖紙一律采用徒手繪制；3 .各班長負責組織借用繪圖儀器、圖板、丁字尺；學生自備圖紙、橡皮與鉛4 .畫圖結(jié)束后，將圖紙按照統(tǒng)一要求折疊，同設(shè)計說明書統(tǒng)一在答辯那一天早上8:30前，由班長負

3、責統(tǒng)一交到HF5085 .根據(jù)設(shè)計說明書、圖紙、平時表現(xiàn)及答辯綜合評分。五、設(shè)計安排內(nèi)容化工設(shè)備設(shè)計的基本知識管殼式換熱器的設(shè)計計算管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計管殼式換熱器設(shè)計制圖設(shè)計說明書的撰寫設(shè)計人李海鵬吳彥晨王宜高六、說明書的內(nèi)容1 .符號說明2 .前言(1)設(shè)計條件；(2)設(shè)計依據(jù)；(3)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式概述。3 .材料選擇(1)選擇材料的原則；(2)確定各零、部件的材質(zhì)；(3)確定焊接材料。4 .繪制結(jié)構(gòu)草圖(1)換熱器裝配圖(2)確定支座、接管、人孔、控制點接口及附件、內(nèi)部主要零部件的軸向及環(huán)向位置，以單線圖表示；(3)標注形位尺寸。(4)寫出圖紙上的技術(shù)要求、技術(shù)特性表、接管表、標題明細表等

4、5 .殼體、封頭壁厚設(shè)計(1)筒體、封頭及支座壁厚設(shè)計；(2)焊接接頭設(shè)計；(3)壓力試驗驗算；6 .標準化零、部件選擇及補強計算：(1)接管及法蘭選擇：根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖統(tǒng)一編制表格。內(nèi)容包括：代號，PN,DN,法蘭密封面形式，法蘭標記，用途)。補強計算。(2)人孔選擇：PN,DN標記或代號。補強計算。(3)其它標準件選擇。7 .結(jié)束語：對自己所做的設(shè)計進行小結(jié)與評價，經(jīng)驗與收獲。8 .主要參考資料。【格式要求】：1.計算單位一律采用國際單位；2.計算過程及說明應(yīng)清楚；3.所有標準件均要寫明標記或代號；4.設(shè)計說明書目錄要有序號、內(nèi)容、頁碼；5 .設(shè)計說明書中與裝配圖中的數(shù)據(jù)一致。如果裝配圖中有修

5、改，在說明書中要注明變更；6 .書寫工整，字跡清晰，層次分明；7.設(shè)計說明書要有封面和封底，均采用A4紙，裝訂成冊。1前言11.1 概述11.1.1 換熱器白類型11.1.2 換熱器11.2 設(shè)計的目的與意義21.3 管殼式換熱器的發(fā)展史21.4 管殼式換熱器的國內(nèi)外概況31.5 設(shè)計思路、方法52殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算2.1 管徑112.2 管子數(shù)n112.3 管子排列方式，管間距的確定112.4 換熱器殼體直徑的確定112.5換熱器殼體壁厚計算及校核113換熱器封頭的選擇及校核144容器法蘭的選擇155管板165.1 管板結(jié)構(gòu)尺寸165.2 管板與殼體的連接165.3管板厚度166

6、管子拉脫力的計算187計算是否安裝膨脹節(jié)208折流板設(shè)計229開孔補強2510支座2710.1 群座的設(shè)計2710.2 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計2910.3 地角圈的設(shè)計30符號說明32前言1.1 概述1.1.1 換熱器的類型管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一

7、定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50c以上）時，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。1.1.2換熱器換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式

8、可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流

9、體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。1.2 設(shè)計的目的與意義換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體

10、溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。對同一種

11、形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設(shè)計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。1.3 管殼式換熱器的發(fā)展史為了滿足電廠對在較高壓力下運行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀初，提出了殼管式換熱器的基本設(shè)計。經(jīng)過長期的運用，使設(shè)計變得相當成熟和專業(yè)化。當今已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀初也開始適應(yīng)石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油儲分和有關(guān)的有機流體的冷凝器這些設(shè)備需要在惡劣的野外條件下運行，流體常常不干凈而且又

12、要求高溫和高壓，因此，設(shè)備便于清洗和進行現(xiàn)場修理是絕對需要的。殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴重問題，不是在傳熱方面（這可以由實踐經(jīng)驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強度計算問題，還有在制造技術(shù)和工程實施中的許多有關(guān)的其他問題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。在20世紀20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個主要制造商努力的結(jié)果。制造設(shè)備的傳熱面積可達500m2,即直徑約750mm長6ml用于急劇增長白石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設(shè)計者，根據(jù)直接經(jīng)驗和在理想管束上的實驗數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計原則。水-水和水-氣換熱器的設(shè)計

13、，大概與現(xiàn)今的設(shè)計差不多。因為污垢熱阻起很大的作用，殼側(cè)流動的粘性流是一個困難的問題，而且，60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應(yīng)用穩(wěn)步增長，以及對在各種流程條件下性能預(yù)計的精度要求越來越高，這造就40年代直至50年代研究活動的激增。研究內(nèi)容不僅包括殼側(cè)流動，而且相當重要的還有真實平均溫差的計算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強度計算。多年來發(fā)展起來的殼管式換熱器，由于其結(jié)構(gòu)堅固并能適應(yīng)很大的設(shè)計和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。1.4 管殼式換熱器的國內(nèi)外概況隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴重，必然帶來更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對產(chǎn)品

14、質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96%,換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35%-40%其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢，約70%其余30%為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計和低壓力損失設(shè)計的方向發(fā)展。當今換熱器的發(fā)展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個高技術(shù)體系10該換熱器是當前應(yīng)用最廣，理論研究

15、和設(shè)計技術(shù)完善，運用可靠性良好的一類換熱器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強化傳熱主要有3種途徑提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差，研究主要集中在強化管程和殼程傳熱面方面。2殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算2.1 管子數(shù)n選用32X3的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼，管長3m丁F=nd均Ln140d均Ln3.140.0293其中安排拉桿需減少6根，故實際管數(shù)n=517根2.2 管子排列方式，管間距的確定采用正三角形排列，由化工設(shè)備機械基礎(chǔ)表7-4查得層數(shù)為12層，查表7-5取管間距a=40mm.2.3 換熱器殼體直徑的確定Di=a(b-1)2l其中l(wèi)為最外層管子中心到殼壁邊緣

16、的距離其中b為正六角形對角線上的管子數(shù)b=25mm查表7-5,取管間距a=32mm取l=2d,Di=40x(251)+2x2x32=1088(mm)查表2-5,圓整后取殼體內(nèi)徑Di=1100mm2.4 換熱器殼體壁厚計算及校核材料選用Q245R1岡板計算壁厚為:PcDi2-t-Pc式中：pc為計算壓力，取pc=1.0Mpa；Di=1100mm9=0.85;仃t=108Mpa(設(shè)殼壁溫度為3000C)將數(shù)值代入上述厚度計算公式，可以得知=6.03mm1.011000=2920.85-1.0查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)表4-11MC2=1.2mm;查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)表4-9得C1=0.3mm查表4-13圓整

17、后取6n=9mm3換熱器封頭的選擇及校核上下封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù)GB/T25198標準，圭頭為DN110CX8,查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)表7-47得曲面高度h1=275mm,直邊高度h2=40mm材料選用Q245R下封頭與裙座焊接，4容器法蘭的選擇材料選用Q345R根據(jù)NB/T4703-2012選用DN110QPN1.6Mpa的樺槽密封面長頸對焊法蘭。所以，選用的法蘭尺寸如下圖7-48所示：5管板5.1管板尺寸的確定選用固定換熱器管板，并兼作法蘭，查相關(guān)標準得p=p=1.6MPa（取管板的公稱壓力為1.6MPa）的碳鋼板尺寸，如圖7-49所示：6管子拉脫力的計算計算數(shù)據(jù)按表7-13選取管子

18、操作壓力/Mpa0.750.7材質(zhì)20鋼20R線膨脹系數(shù)11.810-611.810-6彈性模量0.211060.21106許用應(yīng)力/Mpa10192尺寸323300011009管子根數(shù)511管間距/mm40管殼壁溫差/C.：t=55管子與管板連接方開槽脹接式脹接長度/mml=50許用拉脫力/Mpa4.01、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qppqppf二dol(6-1)其中f=0.866a2-"d2=0.866M40244322=522mm(6-2)p=0.75Mpa,l=50mm0.75396qD=0.087Mpap3.1432502、溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生

19、的拉脫力22"d。-di)qt4dol:E(tt7)AsAs=nD中5n=3.14父1009父9=28515(mm231A=4(do-di2)n=3114(322-262)511=139595mm2411.810，0.2110655d135951-28515=22.1Mpa_2_222.93(25-20)qt1.03Mpa42550由此可知qp,qt作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力:q=qp+qt=1.297Mpa<4.0Mpa因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。7計算是否安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為:F：E(tt-ts)AAF1AsAtAsAt11,810-60.211

20、0655285151359562851513595=3.071010(N)壓力作用于殼體上的軸向力QAsAsAtIT其中Q=(D：-nd；)psn(d。-2-)2川4=(11002-511322)0,7511(32-23)20,7546=0.58110N0.5811062851528515139595=0.099106N壓力作用于管子上的軸向力為:F3二QAtAsAt0.581106285152851513595=0.482106NF1F2As3.071060.09910628515=111.1Mpa-F1At-3.07106048210613595=-185.5Mpa根據(jù)GB1511999管

21、殼式換熱器仃s=111.1Mpa<2©叼;=180Mpa0t=-18.5Mpa<2®仃；=216Mpaq<q=4.0Mpa條件成立故本換熱器不必要設(shè)置膨脹節(jié)。8折流板設(shè)計33我們米用弓形折流板h=Di=x1100=825mm折流板間距取600mmi表7-944查得折流板外徑為1095.5,材料為Q235-A鋼如圖7-50所示。拉桿選用*12,共6根，材料為20鋼。9開孔補強換熱器殼體和封頭上的等面積的接管處開孔需要補強，常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面焊上一塊與容器材料和厚度都相同，即9mmB白Q245R鋼板。具補強結(jié)構(gòu)如圖7-51所示。10支座采用裙座，詳細計算參

22、見第八章“塔設(shè)備的機械設(shè)計”。這里選裙座厚度為9mm基礎(chǔ)環(huán)厚度為14mm設(shè)計結(jié)果為如圖7-52所示的換熱器裝置圖。表7-14技術(shù)特性表名稱指標管程殼程1工作壓力/Mpa0.70.682工作溫度/c1803704002203物料名稱半水煤氣變換氣4傳熱回積/m2130表7-15接管表序號接管法蘭標準密封間形式用途1PN16DN250HG/T20592平向變換氣進口2PN10DN250HG/T20592平向半水煤氣進口3PN10DN250HG/T20592平向變換氣進口4PN16DN250HG/T20592平向半水煤氣進口符號說明11-操作狀態(tài)卜管壁溫度，。C;F換熱回積，n；ts-操作狀態(tài)下殼壁溫度，。C;a管間距，mm-焊接接頭系數(shù)，無量綱；di冗體內(nèi)徑，mmb正六邊形對角線上的管子數(shù)，個；do冗體外徑，mmLn換熱管長度，mm;Pc計算壓力，MPa;d均管子的平均直徑，mrpPw-一工作壓力，MPa;Pw最大允許工作壓力，MPaP-設(shè)計壓力，MPa;Pl-水壓試驗壓力，MPa;-一計算壁厚，mmDN直徑（公稱），mm;6d-一設(shè)計壁厚，mmWN-公稱壓力，MPaon名義壁厚,mmWt一管子的工作壓力，MPa6e-后效壁諄,mm厚度附加量，mmi鋼板的負偏差，mm2腐蝕欲量，mm(7s屈服點，MPai曲面局度，mm短圓筒長度，mm2直邊長度，mmE彈性模量，MPa;qt