固定管板式換熱器設計

TOC\o"1-5"\h\z前言2列管式換熱器機械設計3一、問題重述3設計題目3條件3二、計算42.1管子數(shù)N42.2管子的排列方式,管間距確實定42.3換熱器殼體直徑確實定42.4換熱甥殼體壁厚的計算52.5換熱器封頭換熱甥封頭的選擇52.6封頭法蘭的選擇62.7管板尺寸確實定62.8管子拉脫力計算92.9折流板設計112.10拉桿、定距管122.11波形膨脹節(jié)的計算132.12接管法蘭的選擇152.13開孔補強152.14封頭法蘭墊片162.15底座16三、課程設計小結(jié)16參考資料17前言換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各個領域應用的十分廣泛,在日常生活中也隨處可見,是不可缺少的工藝設備之一.換熱器的研究備受各種研究機構(gòu)的關注和重視,其性能的每一點提升都意味巨大的經(jīng)濟與社會效益.管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備體積和金屬材料的消耗方面不如其他新型的換熱設備,但它具有結(jié)構(gòu)鞏固、操作彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等,所以在各領域中仍得到廣泛的應用.對于學習化工機械的大學生來說,換熱器設計是必須要了解和掌握的知識之一.換熱器設計是一個復雜而艱辛的過程,它不僅僅是確定一個或者多個可行的解決方案,還要求確定最可能的或接近最優(yōu)的設計方案.管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設計,必須考慮很多的因素,如壓力、溫度、材料、流體性質(zhì)及檢修清理等,通過各種因素的綜合考慮,來選擇適宜的設計方案.本次課程設計通過對固定管板式換熱器的的結(jié)構(gòu)設計以及整體裝配的設計,了解到換熱器大體的設計過程和裝配過程,豐富了我們所學習的知識,學以致用,增強了我們對知識的實際應用水平,并且在設計過程中一些新的知識,開闊了自己是思維,對我們以后的工作具有很大是指導意義.本次課程設計由陳慶和王海波老師指導,特此表示感謝.由于設計者水平有限,缺乏之處,還望指導.XXX2021年12月26日列管式換熱器機械設計一、問題重述設計題目年產(chǎn)3000噸合成氨廠變換工段換熱器的機械設計.2條件(1)氣體平均壓力：管程：半水煤氣0.7MPa(絕壓)；殼程：變換氣0.(絕壓)；(2)半水煤氣進口溫度180C,出口溫度370C；變換氣進口溫度400℃,出口溫度220C.(3)由工藝計算求得換熱面積為130〃/.二、計算2.1管子數(shù)n換熱管選用中32義3的無縫鋼管,材質(zhì)為20號鋼,換熱管的長度推薦采用0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,12.0m,本次設計選取管長為3米.管子的當量直徑為：=32-3=29〃〃〃=0.029m.換熱面積：A=7ndnbiA130….=n===475.877根以1nL乃x0.029x3世考慮到換熱過程中的各種熱量損失,圓整確換熱管數(shù)量"476根.2管子的排列方式,管間距確實定換熱管的排列方式采用正三角形排列,換熱管中央距不宜小于1.25倍的換熱管外徑,由GB151-1999?管殼式換熱器表?中表12可知換熱管外徑"=32〃?相時,換熱管中央距S=40m〃Z.查表得六角形層數(shù)為12層,六角形對角線上的管子數(shù)為25個.2.3換熱器殼體直徑確實定殼體內(nèi)徑：￡>,=S(Z?-l)+2/s——換熱管中央距,s=40mm,b——正六角形對角線上的管子數(shù),b=25個；/最外層管子的中央到殼體邊緣的距離,取/=2d：0=S(b-1)+2/=32X(25—1)+2X2X32=1088mm選取殼體內(nèi)徑.=1100mm.4換熱器殼體壁厚的計算殼體材料選取A3R,殼體承受壓力為0.68例Pm設計壓力應該取大于0.68MP〞取設計壓力P=IMPa,設計溫度取400C,設壁厚在3-16/wh之間,此時材料的許用應力［打=\Q6MPa；鋼板寬度在2500-4000〃?加時,材料的允許負偏差GD.8加%;對于碳素鋼,腐蝕裕量a不小于,取a=2〃?團；焊接接頭形式為單面焊對接接頭,局部無損檢測,焊接接頭系數(shù)中二0.8.此時筒體的計算厚度：=6.524mmePDi1=6.524mmc~2[or]^-P(~2x106x0.8-1實際所需厚度5=b+C\+C\=9.324/77/77Cl/所以材料的名義厚度可以圓整取b=10〃〃〃.5換熱器封頭換熱器封頭的選擇上下封頭均選擇標準橢圓形封頭,封頭材料選A3R,根據(jù)JB/T4746-2002標準,以內(nèi)徑為基準,封頭公稱直徑DM=.=1100加〃,封頭厚度也取5=10〃〃%曲面高度力=275加加,查表可知封頭總高度〃=300小〃?.封頭結(jié)構(gòu)如以下圖：6封頭法蘭的選擇材料選擇16Mn,根據(jù)JB/T4703-2000,選用DN=1100/w??,PN=1.6MP.的梯槽密封面長頸對焊法蘭,其規(guī)格尺寸如以下圖：

7管板尺寸確實定選用固定式換熱器管板e型,管板與殼程圓筒連為整體,期延長局部兼做法蘭,與管箱用螺柱、墊片連接；管板材料選用16Mn0單管程〔延長局部兼作法蘭固定管板換熱器管板,管板周邊布管區(qū)較窄〔管板周邊布管區(qū)無量綱寬度Ena

E/Lb攵＜1.0〕,假定管板厚度為5=管子Ena

E/Lb(1)K2=1.318(1)式中：.一一殼程圓筒內(nèi)徑,僅加；8——管板計算厚度,mm；〃一一管子根數(shù)：a——一根換熱管管壁金屬的橫截面積,mm2；〃一一管板剛度削弱系數(shù),取〃=0.4；L——管子有效長度,m；E,——管子設計溫度下的彈性模量,GPa；

Ep——管板設計溫度下的彈性模量；GPa.式中：.一一管板布管區(qū)當量直徑,團〃？；A——管板布管區(qū)面積,mm2.夕=2'D,式中：P,——管板布管區(qū)的當量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比.對單管程換熱器,三角形排列時.：Af=0.866n52九-6)式中：S管間距,inm；用——管子壁厚,帆機；d管子外徑,twno(4)式代入(2)式中得：0==1.05S五(60)式代入(3)式化簡得:pt=1.055—在實際設計工作中,k=K(l—a)且知：Z:<1.0八、10⑼所以,由(8)得：K(1一g)K1.0,,即(1一夕,)4后

⑼由⑼代入(1)中,經(jīng)化簡得：(10)5>2.389?^^工？q_(10)由條件計算得：pt=1.055—=1.05x40x亞IE=0.833Dt1100設計溫度為400c時,管子材料為20鋼,彈性模量耳=187GP.,管板材料為16Mn,彈性模量石〃=185GPa5N5N2.38%心心型I(1-A)4=2.389：476x3x(32—3)x187x1IO.？x(1—0.8=2.389：185x3000=23.587/71/72所以管板的最小有效厚度為23.587〃〃〃.取管板的有效厚度3=40〃〃九,并且將管板延長局部作為法蘭和封頭法蘭配合形成梯槽面密封結(jié)構(gòu),那么其他尺寸如以下圖所示：一…一…一2.8管子拉脫力計算管子和管板采用開槽脹接的方式連接,管板厚度大于25〃〃〃時,需要開二

個槽.開槽,換熱管外徑為.32時,查表可知開槽深度"0.6如〃,管子伸出段長度為4?二〃〃〃,具體結(jié)構(gòu)如以下圖所示：殼體A3R11.8殼體A3R11.8x10^21OGPa例100x10材質(zhì)20號鋼a11.8x10"E2lOGPa尺寸.32x3x3000管字數(shù)：476根；管間距：s=40mm；管殼壁溫差：△r=50℃；管子與管板連接結(jié)構(gòu)：開槽脹接;脹接長度：I=44mmo(1)在操作壓力下,脹接周邊所產(chǎn)生的應力分PA7U11式中:A=0.866S2—史=0.866x(40x1CT)2—￡x(32x1CT)=5.818x1CT*團244P=0.7MPa

I=0.044mPA0.7xI=0.044mPA0.7x5.818xlO-4mil7Vx(32xICT,)x0.044=0.0945MPa⑵在溫差應力作用下,脹接周邊所產(chǎn)生的應力分式中:4dlaE(Tf-T)1+A/A7rDn8=^xl.llx0.01=3.485xIO2m2兀(d1—d；)^x(0.0322-0.0262)x476…八2——n=——=0.130m-b_aE(Tt-T)_11.8X1Q-61+A/A,4x210xl0X.=26/9001+(0.130/0.03485)a(d2-dh26.19x106x(0.0322-0.0262)一,一小4,〃4x0.032x0.04,〃4x0.032x0.044分與分的作用方向相同,那么q=qp+%=0.0945+1.656=1.751MPa查表知碳素鋼在開槽脹接時許用拉脫應力[q]=4WP"由于q<[q]=4MP〃,拉脫力在許用范圍內(nèi).2.9折流板設計折流板為弓形,查表可知折流板的名義外徑:.=ON—6=1100—6=1094m/72折流板高度h=DN—(0.2—0.45)Z)N=(0.55—0.8)DN=605—880/7〃〃范圍內(nèi),取〃=850/〃〃?.

查表知公稱直徑為1100〃〃〃時,折流板的厚度5=8帆利.折流板的間距一般不小于圓筒內(nèi)徑的五分之一,換熱管外徑為.32時,鋼管的最大無支撐跨距為2200〃〃〃,在此范圍內(nèi)取折流板間距/=600〃〃〃,那么折流板數(shù)量為4個.查表知,在間距/=600/77/7?<900mm時,折流板管孔直徑取d+..7丁.折流板結(jié)構(gòu)如以下圖：2.10拉桿、定距管常用拉桿形式有兩種：(1)拉桿定距管結(jié)構(gòu),適用于換熱管外徑大于或等于的管束,k>L0；(2)拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu),適用于換熱管外徑小于或等于14〃〃〃的管束.由于本次設計所用換熱管外徑為32〃〃〃,故采用拉桿定距管結(jié)構(gòu).換熱管外徑為姆2時,查表得對應的拉桿直徑二16〃〃九；圓筒公稱直徑DN為1100〃〃〃,查得拉桿數(shù)量為6根,La=20mm,Lb>60mm,b=2mm,拉桿長度根據(jù)結(jié)構(gòu)所需來確定,拉桿結(jié)構(gòu)如下：6X46X45,0X45°拉桿定距管結(jié)構(gòu)以及和管板的連接方式如以下圖所示＞Lo：(a)拉桿定距管結(jié)構(gòu)拉桿應盡量均勻布置在管束外緣,在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿,任何折流板應不少于3個支撐點.合理布置完拉桿后,根據(jù)結(jié)構(gòu)得出定距管數(shù)量為18根.2.11波形膨脹節(jié)的計算根據(jù)GB16749-1999標準,選用一個ZDL型(立式)波形膨脹節(jié),材料Q235,其壁厚按以下兩式計算,選用二者中較大值.(1)6=AD

exexi

P,、、=1.25x0.7=0.875MPa水mf=1o-;00=170MPaC=0.25h=*=0.7,由表查得％〞=0.990,%,=0.103exLIP-1.10.8755、=2D,-+C=0.103x11001+0.25=8.8mmA"VfbV1x170(2)5ex5ex021g—Q)lip梆

fUDeDex—-二157L429加加0.7凰=0.21(1571.429—1100+0.25=8.184加取波形膨脹節(jié)的厚度與殼體厚度一樣,即5,“為10〃〃〃,按下式進行應力校核:_0.8(2,(核:_0.8(2,(1-AJ

兀電-C)_^EL(T-T)^3

k0.06a(1-/7)D2n

ex'/exz/ex^xll.8xl0-6x210xl09x3x50x0.0130.06x0.990x(1-0.7)x1.12xl=54128.892N0,8Q,(l-/?<x)_0,8x54128,892x03^(<5tv-C)2-3.14x(0.01-0.00025)2=43.521MPa<[crL=1.5[b]=1.5x127=1905MPa故膨脹節(jié)厚度符合要求,查表知膨脹節(jié)尺寸如以下圖所示:R43九42.12接管法蘭的選擇變換氣進口選.356x10的接管,根據(jù)法蘭標準JB/T4703-2000,PN=L6MPa,DN=350〃〃〃的對焊接管法蘭,半水煤氣選.325x10的接管,PN=1.6MPa,DN=300〃〃〃的對焊接管法蘭,材料為20鋼.結(jié)構(gòu)尺寸如以下圖所示：13開孔補強容器開口需要補強,常用的結(jié)構(gòu)是在開口外面焊上一塊與容器器壁材料和厚度都相同,即10〃〃〃的A3R鋼板,查表可知補強結(jié)構(gòu)尺寸,見以下圖：2.14封頭法蘭墊片由于封頭法蘭所選的是長頸對焊法蘭,采用梯槽密封面密封,故墊片選用適用于長頸對焊法蘭的纏繞墊片中的根本型墊片,根據(jù)JB/T4075-2000標準,其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖：2.15底座本次設計的換熱器圓筒公稱直徑在800?4000〃〃〃范圍內(nèi),圓筒長度L與公稱直徑DX之比小于5,容器總高度小于10〃7,故采用結(jié)構(gòu)簡單的支承式支座中的B型支座即可,根據(jù)JB/T4712.4-2007支承式支座標準,其結(jié)構(gòu)尺寸具體見裝配圖.三、課程設計小結(jié)三周的機械設計使我們熟悉到了作為一名工程技術人員需具備的素質(zhì),扎實的專業(yè)知識和較寬的知識面,我們設計者之間團隊的重要性,三周的時間里的能夠讓我們學到很多很多的實際性的知識,怎樣才能在這三周里更好的運用學的知識來完成設計任務呢？這無疑讓我們有時間做一個理性的思考.把所學的知識在這次設計中和自己的想法結(jié)合起來并在自己的設計中形象而生動的表現(xiàn)出來,我認為此次課程設計是我們走向工作的前奏也算是對個人的一個實踐性的練習.課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐練習,著是我