管殼式換熱器機械設(shè)計參考資料

1、1前言11.1 概述11.1.1 換熱器的類型11.1.2 換熱器11.2 設(shè)計的目的與意義21.3 管殼式換熱器的開展史21.4 管殼式換熱器的國內(nèi)外概況31.5 殼層強化傳熱31.6 管層強化傳熱31.7 提升管殼式換熱器傳熱水平的舉措41.8 設(shè)計思路、方法51.8.1 換熱器管形的設(shè)計51.8.2 換熱器管徑的設(shè)計51.8.3 換熱管排列方式的設(shè)計51.8.4 管、殼程分程設(shè)計51.8.5 折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計51.8.6 管、殼程進、出口的設(shè)計61.9 選材方法61.9.1 管殼式換熱器的選型61.9.2 流徑的選擇81.9.3 流速的選擇91.9.4 材質(zhì)的選擇91.9.5 管程結(jié)構(gòu)9

2、2殼體直徑確實定與殼體壁厚的計算112.1 管徑112.2 管子數(shù)n112.3 管子排列方式,管間距確實定112.4 換熱器殼體直徑確實定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 根底環(huán)設(shè)計2910.3 地角圈的設(shè)計30符號說明32參考文獻34小結(jié)352殼體直徑確實定與殼體壁厚的計算2.1管徑換熱器中最常用的管徑有|19mrm2mnO小25mm&l

3、t;2.5mm小直徑的管子可以承受更大的壓力,而且管壁較??；同時,對于相同的殼徑,可排列較多的管子,因此單位體積的傳熱面積更大,單位傳熱面積的金屬耗量更少.所以,在管程結(jié)垢不很嚴重以及允許壓力降較高的情況下,采用619mme2mm直徑的管子更為合理.如果管程走的是易結(jié)垢的流體,那么應(yīng)常用較大直徑的管子.標準管子的長度常用的有1500mm,2000mm,2500mm,3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000n<.換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為425,常用的為6-10選用25X2.5的無縫鋼管,材質(zhì)為20號鋼,管長4.5m.2.2管子數(shù)n(2-1)160n=

4、nd均Ln3.14M0.0225M4.5=503(根)其中安排拉桿需減少6根,故實際管數(shù)n=503-6=497根2.3管子排列方式,管間距確實定采用正三角形排列,由?化工設(shè)備機械根底?表7-4查得層數(shù)為12層,對角線上的管數(shù)為25,查表7-5取管間距a=32mm.2.4換熱器殼體直徑確實定Di=a(b-1)2l(2-2)其中l(wèi)為最外層管子中央到殼壁邊緣的距離取l=2d,Di=32(25-1)+2父2M25=868(mm),查表2-5,圓整后取殼體內(nèi)徑Dj=900mm2.5換熱器殼體壁厚計算及校核材料選用20R計算壁厚為:PcA2二t-Pc式中：Pc為計算壓力,取Pc=1.0MPa；Di=900

5、mm中=0.9;仃3500C)將數(shù)值代入上述厚度計算公式,可以得知：1.0900V=2920.9-1.0查?化工設(shè)備機械根底?表4-11取C2=1.2mm；查?化工設(shè)備機械根底?表4-9得Ci=0.25mm5.47+1.2+0.25=6.92mm圓整后取,十=7.0mm復(fù)驗6n父6%=0.42>0.25mm,最后取C1=0.25mm(2-3)二92Mpa(設(shè)殼壁溫度為5.47mm該殼體采用20鋼7mm厚的鋼板制造1、液壓試驗應(yīng)力校核Pr(Die)2e三0.9二s卜PT九15P百=1.151=1.15Mpa(2-4)(2-5)(2-6)；e=；n-C=7-1.2-0.25=5.55mm查?

6、化工設(shè)備機械根底?附表6-3crs=245Mpa1.15(9005.55)“一ctt=93.82Mpa,25.550.9；=s=0.90.9245=198.45Mpa可見小故水壓試驗強度足夠._0.9二s2、強度校核設(shè)計溫度下的計算應(yīng)力力Pc(Die)2Z1.0(9005.55)二81.58Mpa二t=920.9=82.8Mpa最大允許工作壓力吁2B=HF<02MPa(2-7)故強度足夠3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)JB/T4746-2000標準,封頭為DN900X7,查?化工設(shè)備機械根底?表4-15得曲面高度h|=150mm,直邊高度h2=40mm材料選用2

7、0R鋼標準橢圓形封頭計算厚度:PcDi2二t-0.5pc1.09002920.9-0.51.0=5.45mm(3-1)p:Al,PKD0.5e2920.95.5519000.55.55=1.02Mpa(3-2)所以,封頭的尺寸如下列圖:4容器法蘭的選擇材料選用16MnR根據(jù)JB/T4703-2000選用DN900PN1.6Mp4勺樺槽密封面長頸對焊法蘭.查?化工設(shè)備機械根底?附表14得法蘭尺寸如下表：表4-1法蘭尺寸公稱直徑法蘭尺寸/mm螺柱DN/mmDD1D2D3D4d規(guī)格數(shù)量900106010159769669635527M2428所以,選用的法蘭尺寸如下列圖:5管板管板除了與管子和殼體等

8、連接外,還是換熱器中的一個重要的受壓器件.5,1管板結(jié)構(gòu)尺寸查?化工單元設(shè)備設(shè)計?P25-27得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸:表5-1固定管板式換熱器的管板的主要尺寸直徑DDiD3D4bcd螺栓孔數(shù)90010601015966963584427245.2 管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中,管板與殼體的連接均采用焊接的方法.由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異,有在管板上開槽,殼體嵌入后進行焊接,殼體對中容易,施焊方便,適合于壓力不高、物料危害性不高的場合；如果壓力較高,設(shè)備直徑較大,管板較厚時,其焊接時較難調(diào)整.5.3 管板厚度管板在換熱器的制造本錢中占有相當大的比重,管板設(shè)

9、計與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān),其計算過程較為復(fù)雜,而且從不同角度出發(fā)計算出的管板厚度往往相差很大.一般浮頭式換熱器受力較小,其厚度只要滿足密封性即可.對于脹接的管板,考慮脹接剛度的要求,其最小厚度可按表5-2選用.考慮到腐蝕裕量,以及有足夠的厚度能預(yù)防接頭的松脫、泄露和引起振動等原因,建議最小厚度應(yīng)大于20mm表5-2管板的最小厚度徑d/mm<25323857管板厚度/mm3d./4222532綜上,管板的尺寸如下列圖:4C15圖5-1管板*900(966叱uu6管子拉脫力的計算計算數(shù)據(jù)按表6-1選取表6-1操作壓力/Mpa0.820.78材質(zhì)20鋼20

10、R線膨脹系數(shù)11.810J11.810-彈性模量-60.2110-60.2110許用應(yīng)力/Mpa10192尺寸252.545009007管子根數(shù)497管間距/mm32管殼壁溫差/Ct=50管子與管板連接方式開槽脹接脹接長度/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qpqppf二九1(6-1)(6-2)其中f=0.866a22d；=0.866M322土父252=396(mm244p=0.82Mpa,1=50mmqp0.823963.142550-0.08Mpa2、溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力qt22"d.-di)qt二4dol(6

11、-3)其中二且蕓1冬As(6-4)2As=nD中加=3.14x907x7=19935.9(mm)(6-5)3.14At=(d；-di2)n(252-202)497=87782.6mm44(6-6)11.8100.2110650二t22.93Mpat/87782.61119935.9qt=_2_222.93(25-20)42550=1.03Mpa由此可知qp,q作用方向相同,都使管子受壓,那么管子的拉脫力:(6-7)q=qp+qt=0.08+1.03=1.11Mpa<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:：E(tt-ts)AsAtAsAt11.8

12、100.211065019935.987782.6=2.011019935.9+87782.6(N)(7-1)壓力作用于殼體上的軸向力:F2QAsAsAt(7-2)其中Q=N(Djd2)psMd.-l2*、0(7-3)QAAsAtF1F22.011060.08106As19935.9=104.8Mpa(7-4)-F1F3-2.011060.08106At87782.6=-21.99Mpa(900F2=0.0810N-497252)0.78497(25-22.5)20.824=0.4341019935.987782.6N根據(jù)GB1511999?管殼式換熱器?仃s=104.8Mpa<2旬仃；

13、=2x0.9x101=181.8Mpa二t=-21.99Mpa：二2二S=20.992=165.6Mpa=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)計設(shè)置折流板的目的是為了提升流速,增加湍動,改善傳熱,在臥式換熱器中還起支撐管束的作用.常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板,弓形折流板又分為單弓形圖8-1(c)等幾種形式8000-000000QO0QOQOQ0OOLooaozroox(a)、雙弓形圖8-1(b)、三重弓形圖8-1OdOOCC1G&0QOc-o©oo©©oQQ.OOO)oo<Z圖8-1弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板單弓形

14、折流板用得最多,弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%-45%最好是20%見圖8-2(a);在臥式冷凝器中,折流板底部開一90°的缺口,見圖8-2(b).高度為1520mm供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保存一局部過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭,這時可采用帶堰的折流板,見圖8-2(c)0圖8-2單弓形折流板在大直徑的換熱器中,如折流板的間距較大,流體繞到折流板背后接近殼體處,會有局部液體停滯起來,形成對傳熱不利的“死區(qū).為了消除這種弊病,宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板.從傳熱的觀點考慮,有些換熱器如冷凝器不需要設(shè)置折流板.但為了增加換熱器的剛度,預(yù)防管子振動,實際仍然需要

15、設(shè)置一定數(shù)量的支承板,其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理.折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離,其結(jié)構(gòu)形式可參見圖8-3.圖8-3折流板安裝圖由于換熱器是功用不同,以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同,折流板間距也不同,其系列為：100mm150mm200mm300mm450mm600mm800mm1000mm允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20斌50mm取其中較大值.允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān),當換熱器內(nèi)流體無相變時,其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑,否那么流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子,從而使傳熱膜系數(shù)降低.折流板外徑與殼體之間的間隙越小,殼程流體

16、介質(zhì)由此泄漏的量越少,即減少了流體的短路,使傳熱系數(shù)提升,但間隙過小,給制造安裝帶來困難,增加設(shè)備本錢,故此間隙要求適宜.折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān),見表8-1所列數(shù)據(jù).表8-1折流板厚度/mm殼體公稱相鄰兩折流板間距/mm內(nèi)徑<300300450450600600750>750/mm200250356101040070056101012700681012161000>1000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表8-1左中所列數(shù)據(jù).支承板允許不支承的最大間距可參考表8-1右所列數(shù)據(jù).表8-2支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距殼體直往/mm<4004

17、008009001200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm150018002500340033.經(jīng)選擇,我們米用弓形折流板,h=-Di=-'<900=675mm,折流板|可距取600mm,查?化44工設(shè)備機械根底?表7-7得折流板最小厚度為4mm,折流板外徑負偏差-0.60查?化工設(shè)備機械根底?表7-9折流板外徑為896mm材料Q235-A鋼查?化工設(shè)備機械根底?表7-10拉桿412,共10根,材料Q235-AF鋼折流板開孔直徑力25.60由4°所以,折流板尺寸如下列圖：圖8-4折流板(9-1)(9-2)(9-3)(9-4)(9-5)(

18、9-6)(9-7)9開孔補強1、確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑由條件得殼體計算厚度二=5.47mm其中Do=258mm選用20鋼查附表9得of=92Mpa1.0258、t=1.55mmt2920.91.0開孔直徑為：d=d2C=(258-24)21=252mm2、確定殼體和接管實際厚度,開孔有效補強面積及外側(cè)有效補強高度h殼體名義厚度3=7mm,補強局部厚度為兀=4mm接管有效補強寬度為B=2d=2M252=504mm接管外側(cè)有效補強高度h=dnt=.5024=44.8mm3、計算需要補強的金屬面積和可以作為補強的金屬面積需要補強的金屬面積為：A=d、=5024=2021mm2可以作為補強

19、的金屬面積為：A=(Bd)(,e-、)=(504252)(5.554)=390.6mm2A2=2h1(-et-,t)fr=244.8(2.75-1.55)1=107.52mm2,一2二16mm1-=-2442(9-8)4、Ae=A+A2+A3=390.6+107.52+16=514.12(mm)5、比擬Ae與A,Ae(=514.12mm2)<A(=2021mm2),所以殼程接管需要補強,而管程接管的公稱直徑較大,也需要補強.常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同即7mm5的鋼板.綜上,得換熱器開孔補強結(jié)構(gòu)如下列圖:接管圖9-1換熱器開孔補強結(jié)構(gòu)10支座10.1 裙座設(shè)計采

20、用圓筒形裙式支座,裙座與塔體的連接采用焊接,由于對接焊縫的焊縫受壓,可承受較大的軸向力,故采用對接形式.取裙座外徑與封頭外徑相等.并且取裙座的厚度與封頭的厚度相同,即裙座尺寸為900X7mm.裙座材料選用Q235-A.圖10-1裙座殼與殼體的對接型式.無保溫層的裙座上部應(yīng)均勻設(shè)置排氣孔,表10-1排氣孔規(guī)格和數(shù)量容器內(nèi)直徑Di600120014002400>2400排氣孔尺寸8080100排氣孔數(shù)量,個24>4排氣孔中央線至裙座殼頂端的距離140180220因此設(shè)置兩個排氣孔,排氣孔尺寸為80,排氣孔中央線至裙座殼頂端的距離為140圖10-2裙座上部排氣孔的設(shè)置塔式容器底部引出管一

21、般需伸出裙座殼外,引出孔的增強管選用Q235-A的無縫鋼管,引出管直徑選用20圖10-3引出孔結(jié)構(gòu)示意圖表10-2引出孔尺寸引出管直徑d20、2532、4050、7080、100引出孔的增強管無縫鋼管133X4159X4.5219X6273X8卷焊管-20025010.2 根底環(huán)設(shè)計1、根底環(huán)尺寸確實定(10-1)(10-2)Dib=Dis-300=900-300=600mmDcb-Dis300=900300=1200mm2、根底環(huán)的結(jié)構(gòu),根底環(huán)選用有筋板的根底環(huán)圖10-4有筋板根底環(huán)3、有筋板根底環(huán)厚度的設(shè)計6Ms(10-3)二b操作時或水壓試驗時,設(shè)備重力和彎矩在混凝土根底環(huán)根底環(huán)底面上所

22、產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為二bmax=ma0-00-0(MP)ax0g±Fv0.3Mw+Me.mmagAb,ZbAbMS=MAX(mX,My根底環(huán)上的最大壓應(yīng)力0bmax可以認為是作用作用在根底環(huán)底上的均勻載荷.表4-3混凝土根底的許用應(yīng)力Ra混凝土稱號Ra/MPa混凝土稱號Ra/MPa混凝土稱號Ra/MPa753.51507.525013.01005.020010.0同樣,根據(jù)工藝要求和前人的經(jīng)驗,可確定根底環(huán)的厚度為20mm,材料選用為Q235-A.4,3地腳栓的設(shè)計為了使塔設(shè)備在刮風(fēng)或地震時不至翻倒,必須安裝足夠數(shù)量和一定直徑的地腳螺栓,把設(shè)備固定在根底環(huán)上.地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力

23、為；M廿+MemmingM廣+0.25M/ng-Fv0"：/.、ab=max1,(MPa)ZbAbZbAbI如果.bE0,那么設(shè)備自身足夠穩(wěn)定,但為了固定塔設(shè)備的位置,應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓.如果.bM0,那么設(shè)備必須安裝地腳螺栓,并進行計算.計算時可先按4的倍數(shù)假設(shè)地腳螺栓的數(shù)量為n,此時地腳螺栓的螺紋小徑(mm):C,np-bt螺紋小徑與公稱直徑見下表.表10-4螺紋小徑與公稱直徑對照表螺栓公稱直徑螺紋小徑/mm螺栓公稱直徑螺紋小徑/mmM2420.752M4237.129M2723.752M4842.588M3026.211M5650.046M3631.670選用Q235-A

24、,計算后,選取地腳螺栓為M30M900,n=8,相應(yīng)螺母M30,8個,那么其尺寸查表,得表10-5M30螺母的尺寸螺栓did26ndeshilllM3036422812300120170F換熱面積,ttf；a管間距,mm；di殼體內(nèi)徑,mmdo殼體外徑,mm計算壓力,MPa;工作壓力,MPa;P-設(shè)計壓力,MPa;8計算壁厚,mm8d設(shè)計壁厚,mm8n名義壁厚,mm8e有效壁厚,mmC厚度附加量,mmCl鋼板的負偏差,mm;C2腐蝕欲量,mm;bs屈服點,MPa;hi曲面高度,mmho短圓筒長度,mmh2直邊長度,mmE彈性模量,MPa;符號說明tt操作狀態(tài)下管壁溫度,.C;ts操作狀態(tài)下殼壁

25、溫度,.C;一一焊接接頭系數(shù),無量綱；b正六邊形對角線上的管子數(shù),個；Ln換熱管長度,mm;Pcd均管子的平均直徑,mmPwPw最大允許工作壓力,MPa;Pt水壓試驗壓力,MPa;DN直徑公稱,mm;PN公稱壓力,MPa;Pt管子的工作壓力,MPa;s殼體的工作壓力,MPa;t管殼壁溫度,°C;q許用拉脫力,MPa;一線膨脹系數(shù),C;f每四根管子之間的面積,mm；At換熱管截面面積,mrh；As殼壁橫截面面積,mrh;巳一一管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力,N;F2壓力作用于殼體上的軸向力,N;qt溫差應(yīng)力,MPa;F3壓力作用于管子上的軸向力,N;l脹接長度,mm;最外層管子的中央到殼壁邊緣的距離,mmqP在操作壓力下,每平方米脹接周邊受到的力,MPa;參考文獻1匡國柱史啟才：?化工單元過程與設(shè)備設(shè)計?；2秦叔經(jīng)、葉文邦等：?換熱器?MD,化學(xué)工業(yè)出版社,2003年版；3譚天恩、竇梅、周明華等：?化工原理第三版上、下冊?化學(xué)工業(yè)出版社,2006年版；4?化工過程及設(shè)備設(shè)計?MD華南工學(xué)院化工原理教研室,1987;5賈紹義等：?化工原理課程設(shè)計?MD,天津大學(xué)出版社,2003年版；6刁玉瑋、王立業(yè)、喻健良等：?化工設(shè)備機械根底?MD,大理理工大學(xué)出版社,2006年版；7錢頌