浮頭式換熱器課程設計報告說明書

1、-. z.1.方案確定選擇換熱器的類型浮頭式換熱器：主要特點是可以從殼體中抽出便于清洗管間和管內。管束可以在管內自由伸縮不會產生熱應力。1.1換熱面積確實定根據(jù)化工設備設計手冊選擇傳熱面積為400m21.2 換熱管數(shù)N確實定我國管殼式換熱器常用碳素鋼、低合金鋼鋼管，其規(guī)格為19 2、25 2.5、32 3、38 3、57 3.5 等，不銹鋼鋼管規(guī)格為19 2、25 2、32 2、38 2.5、57 2.5。換熱管長度規(guī)格為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0m等。換熱器換熱管長度與公稱直徑之比，一般在 425 之間，常用的為 610。管子的材料選擇應根據(jù)介質的

2、壓力、溫度及腐蝕性來確定。選用323mm 的無縫鋼管，材質為 0Cr18Ni9，管長為 6000mmn=A/d0L 3-5-. z.式 3-5：n換熱管數(shù)A換熱面積m2 d0換熱管外徑mm L換熱管長度mm-. z.-. z.故根-. z.表1.1 拉桿直徑 /mm換熱管外徑d 10d15 15d25 25d27 拉桿直徑nd10 12 16 表1.2 拉桿數(shù)量換熱器公稱直徑DN/mm400d400d700700d900900d260044810拉桿需 10根。1.3 換熱管的排布與連接方式確實定換熱管排列形式如圖 3.1 所示。換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉正三角形、轉三

3、角形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為廣泛，但管外不易清洗。為便于管外便于清洗可以采用正方形或轉正方形的管束。換熱管中心距要保證管子與管板連接時，管橋有足夠的強度和寬度。管間需要清洗時還要留有進展清洗的通道。換熱管中心距宜不小于 1.25 倍的換熱管的外徑。換熱管排列形式如圖 1.1 所示：正三角形轉角三角形正方形轉角正方形圖 1.1 換熱管排列形式圖 1.2 管子成三角形排列本換熱器采用正三角形排列,由表 1.3,取管間距 a=40mm。表1.3換熱管中心距 (mm)換熱管外徑 d14192532384557換熱管中心距 S19253240485772換熱器的

4、主要設計參數(shù)如下：表1.4設計參數(shù)表流程設計參數(shù)管程殼程工作壓力MPa1.01.6設計壓力MPa1.11.76腐蝕裕度mm1.01.0材質Q235-BQ235-B2.換熱器殼體壁厚的設計計算壓力容器選材：本設備為冷凝器，由于設計壓力在低*圍內，工作溫度不高，介質為乙烯，所以選用Q235-B 材料，且滿足其使用要求。一般來說，換熱器的殼體和管箱公稱直徑大于等于 400mm 時，其筒體使用板材卷制。當換熱器的公稱直徑小于 400mm 時，其筒體使用管材制。由于本次設計的換熱器直徑為 1200mm，所以我選用板材卷制的筒體。2.1 殼程壁厚的設計計算1. 名義壁厚計算4-1查表得t=170MPa取設

5、計壓力p =1.11.6=1.76 MPa故故按照GB151-89對固定管板式換熱器最小壁厚的規(guī)定，取12mm。2.有效壁厚計算3.最小壁厚計算對于合金鋼容器，規(guī)定最小壁厚不能小于2mm。所以殼程的名義厚度取12mm合格。2.2管箱壁厚設計計算換熱器的管箱封頭一般為橢圓形或平蓋形。平蓋容易拆卸，維修關程時不必拆卸管道。一般大直徑壓力高，檢修情況允許時，傾向于使用平蓋。在壓力不高的情況下，換熱器直徑小于等于900mm時，用橢圓形封頭；換熱器直徑大于900mm，通常使用平蓋。因為本換熱器直徑為1200mm,所以選用橢圓形封頭。名義壁厚計算管箱選材為Q235-A，有參考文獻4公式4-2 4-2式4-

6、4：管箱計算壁厚，mm圓筒內徑，mm查得t=170MPa焊縫系數(shù)，焊縫采用雙面焊，局部無損探傷，取= 0.85取設計壓力 p=1.76MPa故查得：故按照GB151-89對固定管板式換熱器最小壁厚的規(guī)定，取12mm。有效壁厚計算3.最小壁厚計算對于碳素鋼容器，規(guī)定最小壁厚3mm。所以管箱的名義厚度取12mm合格。4.管箱水壓試驗較核:由參考文獻4知,內壓容器水壓試驗公式：對于內壓容器式 4-6： 取殼程與管箱中計算壓力較大者，即=1.76MPa設計溫度下材料的許用應力，MPa。由于殼程與管箱采用一樣的材料，所以t=T故所以因為所以該換熱器殼體水壓試驗合格。2.3封頭的選擇及計算容器封頭又稱端蓋

7、,按其形狀可分為三類：凸形封頭、錐形封頭、平板形封頭。其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭或稱帶折邊的球形封頭和球冠封頭或稱無折邊球形封頭四種。1.球形封頭從受力分析來看，球形封頭是最理想的構造形式。但缺點是深度大，當直徑較小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也大。半球形封頭常用在高壓容器。如下列圖所示：2.橢圓形封頭橢圓形封頭是由橢圓面和短圓筒組成，直邊段的作用是防止封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經向曲徑半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由于封頭的橢圓局部經線曲率變化平滑連續(xù)，所以應力分布比擬均勻，且橢圓形封頭深度較半球形深度封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中

8、應用最為普遍的封頭之一。如下列圖所示：3.平蓋在理論分析時平板的周邊支承被認為固支或簡支，但實際上平蓋與圓筒連接時，真實的支承既不是固支也不是簡支，而是介于固支和簡支之間。平蓋的集合形狀包括圓形、橢圓形、長圓形、矩形及正方形等幾種，平蓋的最大應力既可能出現(xiàn)在中心部位，也可能在圓筒與平蓋的連接部位。比擬以上幾種封頭形式，選用標準橢圓形封頭，為了便于焊接封頭及經濟性要求，Q235-B。容器設計壓力P1.6MPa；使用溫度在0350；殼體厚度小于16mm。不得用于盛裝液化石油氣介質以及毒性程度為高度或極度危害介質。采用材料為Q235-B。1.封頭名義壁厚計算由參考文獻4得上式中t設計溫度下材料的許用

9、應力，MPa查得t =170MPa焊縫系數(shù)，焊縫采用雙面焊，局部無損探傷，取= 0.85取設計壓力 p=pw=1.76MPa故按照GB151-89對固定管板式換熱器最小壁厚的規(guī)定，n取12mm。2.有效壁厚計算e3.最小壁厚計算n, min 對于碳素鋼容器，規(guī)定最小壁厚不能小于3mm。n,min =min=3+2=5mmminn,min所以封頭的名義厚度取12mm合格。4.封頭的選擇查參考文獻5，封頭DN120012mm，曲面高度 h1 =100mm，直邊高度 h2 =25mm。構造尺寸如下表所示：表2.2封頭尺寸mm公稱直徑DN曲面高度h1直邊高度h2厚度120012525122.4殼體水壓

10、試驗校核由參考文獻4知,內壓容器水壓試驗公式：對于內壓容器 t 設計溫度下材料的許用應力，MPa。由于殼程與管箱采用一樣的T材料，所以 t =故 pT =1.251.76=2.2MPa所以故 0.9s=0.92350.85=179.115MPa因為 T0.9s所以該換熱器殼體水壓試驗合格。3.密封裝置設計及選型3.1 法蘭的選型與設計法蘭聯(lián)接是作為容器的筒體與封頭、筒體與筒體、管道間、管道與閥門管件等的可拆性聯(lián)接。它是由一對法蘭、數(shù)個螺栓、螺母和一個墊片組成。由于強的密封性能和較好的強度，故應用廣泛。缺點是不能快速拆卸，制造本錢較高。常見的整體法蘭形式有兩種即平焊法蘭和對焊法蘭。平焊法蘭構造能

11、保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適量減薄，但會在殼體上產生較大應力，適用于PN4.0MPa的低壓容器。甲型平焊法蘭與乙型平焊法蘭的區(qū)別在于乙型平焊法蘭有一個壁厚不小于16mm 的圓筒形短節(jié)，因而乙型平焊法蘭的剛性比甲型平焊法蘭好，甲型法蘭在PN0.6MPa時，適用的容器直徑*圍為DN=3001200，乙型法蘭性能更優(yōu)。由于本次設計的換熱器壓力低，屬于一類容器DN=1200mm，所以選用甲型平焊法蘭。3.2.法蘭壓緊面的選擇凹凸面如圖 5-2安裝時易于對中，還能有效地防止墊片被擠出壓緊面，適用于 pN6.4MPa 的容器法蘭和管法蘭。綜上所述，選用凹凸面壓緊面。如圖 3.1：圖3.1法蘭1法

12、蘭材料選用Q235-A，許用應力為:f= 170MPa，t=170MPa。其中：f常溫下法蘭的許用應力，MPa；ft設計溫度下法蘭的許用應力，MPa。2法蘭力矩由前面法蘭尺寸可知:操作時法蘭力矩：MP=P1l1+P2l2+P3l3=31086040+4283035+3373930=14945620.Nmm預緊時法蘭力矩：則法蘭設計力矩：取MP14945620 Nmm與Ma=5038800 Nmm中最大值，則取M=Ma=5038800Nmm式中：P1內壓作用在內徑截面上的軸相力，N；P2內壓作用在法蘭端面上的軸相力，N；P3墊片支反力，N；Db螺栓中心圓直徑，mm；MP操作時法蘭力矩，Nmm；W

13、預緊狀態(tài)螺栓的設計載荷，N；Ma預緊時法蘭力矩，Nmm；M 法蘭設計力矩，Nmm。3形狀系數(shù)法蘭外徑 D0=1280mm則系數(shù)：根據(jù)K查得： Y=7.5式中Y形狀系數(shù)4法蘭厚度所選法蘭標準法蘭厚度=30mm，則tA，所以不用另行補強。6.鞍式支座的設計計算及校核6.1. 鞍式支座的設計1.鞍座的構造：是由護板、橫向腹板和底板組成。2.鞍座數(shù)目的選擇：放在鞍座上的圓筒形設備，其情況和梁相似。從受力分析來看，承受同樣載荷且具有同樣幾何尺寸的梁采用多支座比采用兩個支座梁內產生的應力小。但實際上應看情況而定，對于大型容器，因制造誤差所造成的支座標高不一致，或因地基沉降不均勻，所以造成的支承點水平高度不

14、一致，都使支承反力不均勻，在設備內造成較大附加應力。同時為了防止溫度應力，多支座的情況，也不便于采取措施。所以一般采取雙支座。為了防止產生溫差應力，有一個支座的地腳螺栓孔做成長圓形，安裝時不擰死螺母，以便使其能有自由滑動的可能。最好的方法是一端采用滾動式支座。3.支座位置確實定：采用雙鞍座時，支座位置確實定，是以下為依據(jù)，即：是在使支承反力對筒體形成的彎距相等的原則下，使其充分利用封頭對筒體鄰近局部的加強作用。在中國現(xiàn)行標準 4731鋼制臥式容器規(guī)定取 A0.2L，A 的最大值不得超過 0.25L。否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應力過大。其中 A 為封頭切線至支座中心線之距離，L 為

15、兩封頭切線之間的距離，此外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗彎剛度，故封頭對于圓筒的抗彎剛度具有局部加強作用。假設支座靠近封頭，則可充分利用罐體在支座處圓筒截面的加強作用。因此 4731 還規(guī)定當滿足 A0.2L 時，最好使 A0.5 Rm Rm為圓筒的平均半徑。為了分析方便，以下用圓筒內半徑代替平均半徑。所以本設計的 A=0.2L=0.22238=447.6mm，為了便于安裝選 445mm。4.鞍座寬度 b 確實定：支座 b 的大小一方面決定設備所給支座的載荷的大小，另一方面要考慮支座處筒壁環(huán)向應力不超過許用值。鋼制鞍座的寬度不應小于 10SS是筒體計算壁厚所以本設計取b=100mm。鞍座的選

16、擇：一般可按標準1167-81進展。鞍座的公稱直徑即為設備的公稱直徑。按照公稱直徑的不同分為四個標準系列Dg159500mm 、Dg6001200mm 、Dg13002000mm、Dg21004000mm。同一公稱直徑的鞍座又分為 A 型輕型和 B型重型。每一種形式又分為固定式型和移動式型兩種。A 型和 B 型的區(qū)別是軸向腹板的數(shù)量和尺寸及底板的寬度不同，而型和型的區(qū)別僅僅在于底板上地腳螺栓孔的形狀不同，型為長圓孔，安裝地腳螺栓時采用雙螺母，第一個螺母擰緊后倒退一圈，再用第二個螺母鎖緊，使鞍座能在根底上自由滑動。、型的尺寸除螺栓孔不同，其余均一樣。在同一臺臥式容器上，、型要配對使用。在標準系列

17、中，鞍座的高度H有200、300、400、500mm 四種規(guī)格，但可根據(jù)要求改變。必要時，要對根據(jù)標準選好的鞍座進展支座寬度 b 和根底支承面進展強度校核，對支座處筒體的局部應力也要校核。6.2 鞍式支座的計算及校核臥式容器的載荷有：1壓力，可以是內壓或外壓真空2容器的重量，包括圓筒、封頭及其它附件等的重量3物料的重量4其它載荷假設容器的總重為2F，橢圓形封頭折算成直徑等于容器直徑，長度的圓筒H為封頭的曲面深度。所以該容器總重作用的長度為： 4-49式4-49：L該容器總作用下的長度，mmH為封頭的曲面深度，mm所以該容器總重沿長度方向均勻分布，則作用在總長度上的單位長度均布載荷為： 4-50

18、式4-50：q作用在總長度上的單位長度均布載荷，N/mF設備總重，N容器內介質的密度為1049kg/m3，殼體和封頭材質的密度為7860kg/m3：則4-51式4-51：Ri圓筒內徑，mm所以所以工程上將雙鞍式支座臥式容器化為長度為L，受均布載荷q作用的外伸簡支梁。封頭本身的重量和封頭中物料的重量為：此重力作用下在封頭含物料的重心上。對于橢圓形封頭，它的重心位置e0.375H=47mm。按力平衡原理，此重力可作用在梁端點的剪力Fp=0.667Hq=156N和力偶m1=0.25qH2代替。此外，當封頭中充滿液體時，液體的靜壓力對封頭作用一水平方向的外推力，因為液體的壓力沿筒體高度按線性規(guī)律分布，

19、頂部壓力為零底部壓力為P0=2gRi=210499.80.2=4112N，所以水平推力向下偏移，偏離容器的軸線。水平推力和偏心距離為：s=qRi 4-52式4-52：s水平推力，N.m所以s=18760.25=469N.m式中：yc偏心距離，m所以當為橢圓形封頭時m2=0.25qRi(1-H2/Ri)，為簡化計算常略去一些差異，取m2=0.25qRi=117.25 N.m，所以梁端點的力偶M為：鞍座內力的分析： a.圓筒在支座中截面處的彎距M1查參考文獻4得： 4-54式4-54 故M 1= 2256(0.24223810 3M1為正值時，表示上半局部圓筒受壓縮，下半局部圓筒受拉伸。b.圓筒在

20、支座中截面處的彎距M2 4-55式4-55 故M2一般為負值，表示圓筒的上半局部受拉伸，下半局部受壓縮。這里只討論支座截面處的剪力，因為對于承受均勻載荷的外伸簡支梁，其跨距處截面的剪力等于零，所以不用討論。當支座距離封頭切線距離A0.5Ri時，分重量的影響，在支座處截面上的剪力為： 4-56式 4-56：V支座處截面上的剪力，N所以7.其他附件的設計7.1折流板的設計1. 折流板材質的選擇根據(jù)本設計的要求，綜合考慮材料的性能及經濟性要求選用的材料為0Cr18Ni9。2. 折流板的類型折流板的類型有弓形、圓形、矩形、環(huán)形、圓盤-圓環(huán)形等等。大多數(shù)折流板都采用弓形折流板，對于臥式換熱器，殼程為單鄉(xiāng)

21、清潔液體時，折流板缺口應水平上下放置。假設氣體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設通液口。綜合考慮我選用弓形折流板。3. 折流板的尺寸規(guī)格設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結垢。在臥式換熱器中，折流板還起到支承管束的作用。缺口大小用切去的弓形弦高占殼體內直徑的百分比來確定。如單弓形折流板,缺口弦高宜取 0.200.45 倍的殼體內直徑，最常用的0.25倍殼體內直徑。折流板一般應按等間距布置，管束兩端的折流板應盡量靠近殼程進出口接收。折流板的最小間距宜不小于殼體內直徑的 1/5，且不小于 50

22、mm；最大間距應不大于殼體內直徑。折流板的弓形高度：h=0.75Di=0.75397=298.5，有參考文獻9查得，折流板間距取530mm，折流板最小厚度為 8mm。有參考文獻9查得折流板外徑為 994mm，折流板開孔直徑有參考文獻9查得32.80.45，見圖 7.1：圖 7.1 折流板7.2拉桿的設計1.拉桿材質的選擇：根據(jù)本設計的要求，綜合考慮材料的性能及經濟性要求選用的材料為0Cr18Ni9。2.拉桿的尺寸規(guī)格表7.1拉桿直徑mm換熱管外徑d10d1415d2425d27拉桿直徑dn101216表7.2拉桿數(shù)量換熱器公稱直徑DN/mm400400d700700d900900d260044

23、8103.拉桿的構造由參考文獻9拉桿選用12，共10根材料為0Cr18Ni9，拉桿的尺寸如圖7.2：圖7.2拉桿8.焊接接頭的選擇和設計8.1焊接接頭的設計化工容器常用的焊接接頭有：對接接頭、角接接頭、T 字型接頭和塔接接頭四種。對接接頭的焊縫在焊接中受熱均勻、受力對稱、焊縫質量較容易保證；角接接頭是將兩塊板互成直角或*一角度，而在兩塊板接觸邊緣上焊接的接頭，這種形式受熱不均勻，焊縫性能沒有對接焊縫好。本次焊縫采用對接接頭和角接接頭兩種形式。為了保證焊接效果需開坡口，坡口形式為 V 字型。如圖 8.1、8.2：-. z.8.2焊接接頭選擇圖焊接形式-. z.焊接方法主要有氣焊、電弧焊、氣體保護

24、焊、等離子弧焊接。手工電弧焊的優(yōu)點是設備簡單，可以焊接各種位置的焊縫以及可以進展高空作業(yè)。其缺點是焊縫質量不易保證，生產效率低。本次設計主要采用埋弧自動焊。焊接輔助采用手工電弧焊。-. z.設計體會大學的最后一次課程設計經過三周的努力，在廖教師的指導下完成了。課程設計給我最深刻的體會就是它的那種理論與實踐相結合的特點，在平時的學習中我們經常承受課本上的理論知識很難了解到所學在實際中的應用，課程設計為我們提供了一次理論與實際向結合的時機。這次課程設計的第一周我們主要進展計算和校核，我計算了殼體的厚度并進展了校核，計算了封頭厚度并進展了校核和水壓試驗，計算并選取了適宜的法蘭，計算了螺栓直徑并進展了

25、校核最終選取了適宜的螺栓并確定了螺栓的長度，計算了管子數(shù)目、換熱面積，選取了管子長度、管徑、管程數(shù)和管子的排列方式。第二周里，在廖教師的指導下我們使用繪圖軟件設計圖紙，我使用的是CA*A2011因為這個軟件我比擬熟悉，使用起來得心應手。在繪圖過程中有很多要注意的事情，比方說法蘭的選取要符合國家標準，主左視圖要高平齊等。在繪圖過程中出現(xiàn)了很多問題，有一個問題給我的記憶最深刻，就是我畫了幾條線怎么都刪不掉，試了好多種方法，最后在同學幫我指出了問題的關鍵所在，原來我把圖層給鎖定了，解鎖后就可以刪掉了，其實這個是我在繪圖過程中不小心點了那個圖層的鎖了。第三周我又用了兩三天的時間畫圖，終于在教師規(guī)定的時

26、間里把圖畫完了，廖教師來檢查我們的圖，給指出了很多錯誤。我的左視圖里面的管子排列沒有按照要求來，很明顯誤，主視圖里面也有很多多線少線的情況，標題欄和明細欄也不完善。教師指出錯誤后我又用了兩天多是時間才把圖弄完，有很多錯誤犯的好低級，該畫粗線用細線，該畫虛線用的居然是實線。廖教師還告訴我們畫完圖后把圖框放大適宜的倍數(shù)，把放大后的圖框粘貼到圖中的方法，這樣圖中的標注尺寸不會發(fā)生變化，而我一直想的是把畫的一比一的圖縮小適宜倍數(shù)，然后畫圖框，當時我一直糾結與尺寸標注會變化，廖教師一個簡單的提醒讓我頃刻解圍。經過三周的努力，我終于完成了課程設計，這次課程設計我較大限度了使用了圖書館和網(wǎng)絡的資源，在圖書館借了兩本有關管殼式換熱器的書，不過里面的內容不完善，我畫圖所需的尺寸計算里面沒有，我只好在網(wǎng)上下載了壓力容器設計國家標準。開場畫圖的時候，我連A0圖紙圖框都不會畫，在網(wǎng)上查了A0圖紙圖框的尺寸是1189841，然后畫了出來。課程設計是一項需要耐心和認真仔細的任務，畫一個法蘭就要查很多資料來確定法蘭的最后尺寸，螺栓要計算校核直徑，只要拿出耐性和認真的精神，最終是可以很好的完成任務的。在此，向廖教師表示感謝，感謝他在課程設計過程中為我們提供指導，感謝他在我們沒耐性不想堅持的時候一次次要求我