課程設(shè)計-固定管板式換熱器

/目錄1前言41.1換熱器的應(yīng)用:41.2固定式管板換熱器簡介:42工藝計算52.1設(shè)計任務(wù)書52.2設(shè)計方案52.3確定物性數(shù)據(jù)52.4估算傳熱面積62.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸72.6換熱器核算102.6.1熱流量核算102.6.2壁溫核算122.7換熱器內(nèi)流體的流動阻力12管程阻力?Pt12殼程阻力?Ps132.8換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果143換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核163.1殼體與管箱厚度的確定163.1.1殼體和管箱材料的選擇163.1.2圓筒殼體厚度的計算及校核163.1.3管箱厚度計算及校核173.2隔板183.3接管設(shè)計193.3.1殼程接管193.3.1管程接管203.3.2排液口、排氣口213.4開孔補強213.5法蘭與墊片21管箱法蘭與封頭法蘭213.5.2墊片223.6管板設(shè)計23管板厚度設(shè)計233.6.2換熱管與管板連接方式243.6.3換熱管與管板連接拉脫力校核243.6.4管板與筒體連接方式253.6.5管板尺寸253.7接管位置確定253.7.1殼程接管位置的最小尺寸253.7.2管程接管位置的最小尺寸263.8管箱和封頭長度及與筒體的連接方式263.9折流板273.9.1折流板的形式和尺寸273.9.3折流板的布置273.10拉桿、定距管27拉桿尺寸283.10.2定距管283.11防沖板293.12旁路擋板293.13保溫層293.14鞍座293.14.1鞍座安裝尺寸293.14.2鞍座尺寸:29總結(jié)31參考文獻(xiàn)321前言1.1換熱器的應(yīng)用:在工業(yè)生產(chǎn)中,換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體,是流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo),以滿足工藝流程上的需要。此外,換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如,高爐爐氣〔約1500℃隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高,因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱極力的研究十分活躍,一些新型高效換熱器相繼面世。1.2固定式管板換熱器簡介:固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖1所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上,而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比,結(jié)構(gòu)簡單,當(dāng)殼體直徑相同時,可安排更多的管子,也便于分程,同時制造成本較低。由于不存在彎管部分,管內(nèi)不易積聚污垢,即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞,也便于進(jìn)行堵管或換管,但無法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗,且難以檢查,不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時,在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力,因此為了減少溫差應(yīng)力,通常需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié),利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來降低管束與殼體中的溫差應(yīng)力。2工藝計算2.1設(shè)計任務(wù)書設(shè)計類型:固定管板式換熱器設(shè)計基本參數(shù):換熱器的結(jié)構(gòu)與布局由設(shè)計確定工作介質(zhì):管程:油殼程:水質(zhì)量流量:6400油入口溫度:230℃出口溫度:180℃工作壓力:管程≤0.75MPa殼程≤0.7MPa其他參數(shù)由設(shè)計計算確定要求選用合適的材料、元器件和其他零部件等。2.2設(shè)計方案<1>水溫選擇：本次設(shè)計考慮到經(jīng)濟(jì)和設(shè)備安全問題,選擇水的進(jìn)口溫度為常溫20℃,出口溫度為60℃。<2>流程安排：由于本次設(shè)計的熱流體油的溫度較高,而且水的腐蝕性和結(jié)垢性高于油,所以選擇油走管程,水走殼程。2.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般的輕質(zhì)油和水等低粘度流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程油的定性溫度為：T=(110+60)/2=205℃管程水的定性溫度為:t=((20+60))∕2=40℃根據(jù)定性溫度查取有關(guān)物性數(shù)據(jù),得到油和水的數(shù)據(jù)分別如下：煤油在205℃下的物性數(shù)據(jù)為：密度ρ定壓比熱容熱導(dǎo)率λ粘度μ冷卻軟水在40℃的物性數(shù)據(jù)為:密度ρ定壓比熱容C熱導(dǎo)率λ粘度λ2.4估算傳熱面積熱側(cè)：進(jìn)口溫度T1=230℃,出口溫度為T2=180℃流量為m傳熱計算〔熱負(fù)荷計算熱負(fù)荷：Q=式中：m2,mCP2,Cp1——冷熱流體的定壓比熱,J/<kgt1,tT1,T<1>熱流量依據(jù)式Q1Q<2>平均傳熱溫度差先按逆流計算,依下式得：Δ<3>傳熱面積由教材P59頁表2-19選取K=160,則估算的傳熱面積為:A<4>冷水用量m2.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸<1>管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5較高級冷拔碳鋼傳熱管,取管內(nèi)流速<2>管程數(shù)與傳熱管數(shù)依據(jù)下式確定換熱管的單程管字?jǐn)?shù):n式中ns—單程管子數(shù)V—管程流體的體積流量,m3/sdi—傳熱管直徑,㎜u—管內(nèi)流體流速,m/sQΔAmu=0.2m/s則nn按單管管程計算,所需長度L=取管長L=1500mm,則AN<3>平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)R=P=按單殼程、雙管程結(jié)構(gòu),查得：ε平均傳熱溫差Δ<4>傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。取中心距a=1.25d0,則a=1.25×25=31.25≈32隔板中心到離其最近的管子中心距離為：S=則各相鄰管的管心距為t=2S=44㎜,管束的分程方法,一程為40根,另外一程為41根排管圖如下所示：〔5殼體內(nèi)徑采用雙管程結(jié)構(gòu),殼體內(nèi)徑可按正方形排列估算。取管板利用率η=0.7L=2.87mL=1500mmANR=1.25P=0.19?Δta=32㎜S=22㎜t=44㎜η=0.7D=1.05a按卷制殼體的進(jìn)級檔50~100,取D=400㎜<6>折流板本次設(shè)計采用單弓形折流板,卻弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的1/4,則h為h=0.25D=0.25×400=100取折流板間距B=0.4D=160㎜則折流板的數(shù)目為N=但是根據(jù)實際接管的位置及布局,最終根據(jù)畫圖所得取N=7塊2.6換熱器核算2.6.1熱流量核算1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a0用克恩法計算：a當(dāng)量直徑,按三角形排列計算:d殼程流通截面積S殼體流速和雷諾數(shù)分別為uR普朗特系數(shù)查得P粘度校正μμa2>管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αiα管內(nèi)流體被冷卻,n=0.3管程流速和雷諾數(shù)分別為uR普朗特系數(shù)Pα3>污垢熱阻和管壁熱阻按書上P65可取管外側(cè)污垢熱阻R管內(nèi)側(cè)污垢熱阻R管壁熱阻,碳鋼在205℃的條件下的熱導(dǎo)率為λwR4>傳熱總系數(shù)KC為K算得K5>傳熱面積裕度傳熱面積AC為A則該換熱器的面積裕度為H=傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.6.2壁溫核算按最不利的條件計算,即取兩側(cè)污垢熱阻為零計算,熱力學(xué)平衡公式為Q=熱流體的換熱面積為A熱流體的換熱面積為A1>傳熱管壁溫TTt則熱管壁為T=2>殼體壁溫t由于殼程水的溫度不高,可近似取為流體的平均溫度,則t=3>殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為?T=T-t=84.62-40=40.62該溫差比較大,需要設(shè)置溫度補償設(shè)備,所以采用波形膨脹節(jié)進(jìn)行補償。2.7換熱器內(nèi)流體的流動阻力管程阻力?Pt?取管程結(jié)垢校正系數(shù)F直管阻力?Pi?P局部阻力?Pr?P則?殼程阻力?Ps?其中殼程結(jié)垢校正系數(shù)F正方形排列,則：N流通面積S0管子排列形式對阻力的影響,正三角形取F=0.5殼程流體摩擦因子f0f殼程流體橫過管束的最小流速為uu?PΔP則：?P<3>總阻力為?P=?D=400㎜h=100B=160N=7dSuRPμan=0.3uRPαRRRKAH=13.6AATtT=84.62t=40℃?T=40.62F?P?P?FNSF=0.5fu?PΔP?P?P=368.30Pa2.8換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果到此換熱器的工藝計算告一段落,其中工藝計算的主要目的是計算出其換熱面積,選出相應(yīng)的換熱器型式,其計算結(jié)果如下表2-1所示：表2-1參數(shù)管程〔油殼程〔軟水流率/<kg/h>64005258.5進(jìn)/出口溫度/℃230/18020/60壓力/MPa0.1010.101物性定性溫度/℃20540密度/<kg/㎡>686.82992.2定壓比熱容/<kJ/<kg·K>>2.74364.174粘度/<Pa·s>0.682×10-30.653×10-3熱導(dǎo)率/[W/<m·K>]0.1350.634普朗特系數(shù)13.864.31續(xù)表2-1設(shè)備機(jī)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/㎜400殼程數(shù)1管徑/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管長/㎜1500管子排列Δ管數(shù)目/根81折流板數(shù)/個7傳熱面積/㎡9.48折流板間距/㎜160管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/<m/s>0.2040.105表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[<W<㎡·K>]389.211562.8污垢熱阻/<㎡·K/W>0.001050.00026阻力/MPa282.9385.37熱流量/kW243.87傳熱溫差/K40.62傳熱系數(shù)/[<W<㎡·K>]182裕度/﹪13.63換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核在第一部分進(jìn)行工藝計算結(jié)束后,應(yīng)進(jìn)行下一步:開始換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強度計算。這一過程主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、接管計算、開孔補強計算,還有主要構(gòu)件的設(shè)計〔如管箱、殼體、折流板、拉桿、膨脹節(jié)等和主要連接〔包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等,具體計算如下：3.1殼體與管箱厚度的確定根據(jù)計算得出的軟水進(jìn)出口溫度,選擇設(shè)計溫度為80℃；設(shè)計壓力為1.0Mpa。殼體和管箱材料的選擇由于所設(shè)計的換熱器屬于常規(guī)容器,并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造,故在此綜合成本、使用條件等的考慮,選擇16MnR為殼體與管箱的材料。16MnR是低碳低合金鋼,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能,其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼,同時采用低合金鋼可以減少容器的厚度,減輕重量,節(jié)約鋼材。圓筒殼體厚度的計算及校核焊接方式：選為雙面焊對接接頭,全部進(jìn)行無損探傷,故焊接系數(shù)?=1.0；根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對16MnR鋼板其：C材料在80℃的許用應(yīng)力σTδ=設(shè)計厚度為：δ名義厚度δ查其最小厚度為6mm,則此時厚度不滿足要求,取δ有效厚度為δ水壓試壓壓力為P所選材料的屈服應(yīng)力為σ水壓試壓應(yīng)力σ水壓試壓應(yīng)力校核σ即水壓試壓強度滿足要求,設(shè)計的厚度是合適的。?=1.0CCσδ=1.18mmδδδPσσ管箱厚度計算及校核此時選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,材料為16MnR,故K=1,且同前面一樣,其中C1=0.6mm;材料在205℃的許用應(yīng)力為σ則封頭計算厚度為：δ設(shè)計厚度名義厚度δnh=δ考慮到和法蘭及管板連接的最小厚度取δ有效厚度δ水壓試壓壓力P水壓試壓應(yīng)力為σ水壓試壓校核σ即水壓試壓強度滿足要求,設(shè)計的厚度是合適的。K=1CC?=0.85σδδδδPσσ查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號參數(shù)如下表3-1：表3-1DN400標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN<mm>總深度H<mm>直段長度l<mm>內(nèi)表面積A<㎡>容積<m3>封頭質(zhì)量〔㎏4001251000.20490.01159.7封頭處的厚度同前管箱短節(jié)部分的厚度一樣,為6mm。3.2隔板隔板與管箱采用角接焊,與管板進(jìn)行開槽密封連接。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深,槽寬為12mm,且分程隔板的最小厚度為8mm。焊接方式如下圖3-1所示:圖3-13.3接管設(shè)計3.3.1殼程接管<1>殼程接管公稱直徑DN殼程進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)軟水的流速為u則直徑為:d按照鋼管厚度系列,取公稱直徑DN=32mm可選接管的規(guī)格為Φ32×3,接管的材料選為20uDN=32mm<2>接管法蘭形式與尺寸根據(jù)接管的公稱直徑,公稱壓力可查HG20592～20635－97鋼制管法蘭、墊片、緊固件,選擇板式平焊鋼制管法蘭,其具體尺寸如下表3-2所示：表3-2法蘭參數(shù)公稱直徑DN鋼管外徑A1連接尺寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B1法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺栓TH323812090144M121619具體形式如圖3-2所示：圖3-2<3>接管高度<伸出長度>L=h+圓整,取L=70mmL=70mm3.3.1管程接管<1>管程接管公稱直徑DN殼程進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)軟水的流速為u則直徑為:d按照鋼管厚度系列,取公稱直徑DN=40mm可選接管的規(guī)格為Φ40×2.5,接管的材料選為20uDN=40mm<2>接管法蘭形式與尺寸根據(jù)接管的公稱直徑,公稱壓力可查HG20592～20635－97鋼制管法蘭、墊片、緊固件,選擇板式平焊鋼制管法蘭,其具體尺寸如下表3-3所示：表3-3法蘭參數(shù)公稱直徑DN鋼管外徑A1連接尺寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B1法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺栓TH4045130100144M121646<3>接管高度<伸出長度>L=h+圓整,取L=70mm3.3.2排液口、排氣口排液口和排氣口的公稱直徑大小一般不小于Φ15mm,本次采用的公稱直徑為ΦL=70mm3.4開孔補強根據(jù)GB150-2011,允許不另行補強的最大接管外徑是Φ=89mm,本次設(shè)計的殼程接管、管程接管、排液口和排氣口均小于Φ3.5法蘭與墊片3.5.1管箱法蘭與封頭法蘭管箱與法蘭、封頭與法蘭均采用對接焊,查JB4700-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭,平面密封面,材料為鍛件20MnMoⅡ,其結(jié)構(gòu)如圖3-3,其具體尺寸如下表3-4：〔單位為mm圖3-3表3-4DN400長頸對焊法蘭尺寸DN法蘭螺柱對接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd規(guī)格數(shù)量400540500465455452349525171412221223M202063.5.2墊片查JB4700-2000壓力容器法蘭,根據(jù)設(shè)計溫度可選擇墊片型式為金屬包墊片,材料為0Cr18Ni9,結(jié)構(gòu)如圖3-4所示,其尺寸如表3-5：圖3-4表3-5管箱墊片尺寸PN<Mpa>DN<mm>外徑D<mm>內(nèi)徑d<mm>墊片厚度反包厚度Ｌ1.0400454422343.6管板設(shè)計3.6.1管板厚度設(shè)計采用BS法〔1假設(shè)管板厚度為δ〔2計算K值:K則K=3.98<3>管板邊緣支承的形式為簡支形式,則:G<4>計算σrσσ<5>校核σr查GB150-2011得,16MnR鋼材的[σ]rσσ符合要求,說明假設(shè)厚度合適?！?管板厚度δδK=3.98GGσσσ[δ3.6.2換熱管與管板連接方式根據(jù)GB151-1999的規(guī)定,換熱管與管板連接采用脹接方式連接,K=0.5mm,伸出長度lt=3mm其連接方式如下圖圖3-53.6.3換熱管與管板連接拉脫力校核q=其中：lt—管子與管板脹接的長度,mm,查GB151-1999可知許用拉脫力q明顯地,q<[q],說明連接方式是合適的q=1.6Mlqq3.6.4管板與筒體連接方式采用管板兼作法蘭的形式,其連接方式如下圖3-6所示:圖3-63.6.5管板尺寸根據(jù)法蘭尺寸并作實際圖確定,其尺寸如下表3-6所示:表3-6管板尺寸<mm>公稱直徑DN外徑D1厚度b內(nèi)徑D2螺栓孔直徑d螺栓孔內(nèi)圓直徑D1螺栓螺栓個數(shù)4005403039118500M20203.7接管位置確定3.7.1殼程接管位置的最小尺寸采用無補強圈的形式<其中b為管板厚度>,如下圖3-7所示：圖3-7L取L3.7.2管程接管位置的最小尺寸采用無補強圈的形式<其中b為管板厚度>,如下圖3-8所示：圖3-8L取LLL3.8管箱和封頭長度及與筒體的連接方式管箱的長度380mm,封頭的長度為220mm,采用法蘭連接,如下圖3-9所示:圖3-93.9折流板3.9.1折流板的形式和尺寸根據(jù)前面計算可知,本次設(shè)計采用單弓形,上下方向排列。圓缺高度為H=100mm,厚度為δ=4mm,間距為B=160mm,數(shù)量為N=7塊3.9.2折流板的排列本次課程設(shè)計折流板的排列如下圖3-10所示圖3-103.9.3折流板的布置根據(jù)實際畫圖得與前管板的距離為L1=250mm,與后管板的距離為3.10拉桿、定距管根據(jù)GB151-1999,由于換熱管規(guī)格為?25㎜×2.5㎜圖3-113.10.1拉桿尺寸拉桿形式及各部分尺寸如下圖3-12所示：圖3-12拉桿的具體尺寸如下表3-7表3-7拉桿的參數(shù)<mm>拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑DNLLb拉桿數(shù)量161617≥6024 其中L根據(jù)實際作圖得到L=1280mm的2根,L=1120mm的2根。3.10.2定距管根據(jù)換熱器設(shè)計手冊,定距管的尺寸同換熱管的尺寸相同,材料選用碳鋼Q235-B。外徑為?25mm×3.11防沖板由于殼程流體的ρv2=992.2×0.1053.12旁路擋板根據(jù)GB151-199規(guī)定,旁路擋板采用與折流板厚度一致,而本次設(shè)計的公稱直徑DN=400<5003.13保溫層根據(jù)設(shè)計溫度選保溫層材料為脲甲醛泡沫塑料,其物性參數(shù)如下表3-8：表3-8保溫層物性參數(shù)密度Kg/m3導(dǎo)熱kcal/mh℃吸水率抗壓強度kg/m３適用溫度℃厚度mm13～200.0119～0.02612%0.25～0.5-190～+500103.14鞍座3.14.1鞍座安裝尺寸根據(jù)GB151-1999,LB=(0.4~0.6)L,取LB圖3-133.14.2鞍座尺寸:根據(jù)JB/T4712-92選擇鞍座的型號為：DN600、120°包角重型帶墊板鞍式支座。結(jié)構(gòu)如下圖3-14所示：圖3-14具體尺寸如