【28t-h對二甲苯固定管板式換熱器設(shè)計（論文）8300字】

[鍵入文字][鍵入文字][鍵入文字]第頁共41頁28t-h對二甲苯固定管板式換熱器設(shè)計摘要：本次設(shè)計的是28t/h對二甲苯固定管板式換熱器。管程介質(zhì)為循環(huán)水，殼程介質(zhì)為對二甲苯。通過一系列運(yùn)算，得到關(guān)于循環(huán)水的流量，傳熱系數(shù)575W/(m2·℃)，由此推算出實(shí)際傳熱面積為24.7m2。此次選擇換熱管規(guī)格Ф25×2.5mm，長度為4500mm，管子有70根，正三角形排列布管，材質(zhì)是20#。由管束得到殼體內(nèi)徑DN=350mm，確定折流板間距是200mm后，得到折流板有20塊，圓缺高度為100mm，換熱器面積裕度為22.8%，阻力降分別為管程14.7KPa、殼程19.5KPa等數(shù)據(jù)。據(jù)換熱器等標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，對換熱器的進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計及強(qiáng)度校核。確定法蘭、鞍座、管板等規(guī)格；對它們進(jìn)行對應(yīng)的計算，符合實(shí)際情況。管板有6種工況都得符合。關(guān)鍵詞：固定管板式換熱器；換熱計算；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強(qiáng)度校核目錄摘要Ⅰ1緒論11.1背景介紹11.2固定管板式換熱器11.3未來發(fā)展方向12工藝計算22.1查找物性數(shù)據(jù)22.2估算傳熱面積22.3計算尺寸32.4換熱器核算52.5匯總103結(jié)構(gòu)設(shè)計計算113.1封頭、管箱筒體和殼程筒體113.2管板設(shè)計133.3設(shè)備法蘭與墊片的選取133.4換熱管143.5接管143.6折流板163.7拉桿與定距管173.8設(shè)置分程隔板193.9鞍座194強(qiáng)度校核204.1開孔補(bǔ)強(qiáng)204.2膨脹節(jié)214.3管板校核234.4計算總質(zhì)量385總結(jié)30參考文獻(xiàn)401緒論1.1背景介紹熱交換器在制藥、機(jī)械、食品等領(lǐng)域廣泛使用。自上世紀(jì)八十年代后，技術(shù)提高。人類開并運(yùn)用這些設(shè)備,隨之而來的是巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,市場的前景日益繁榮，在當(dāng)代制造時代，目前熱交換器的應(yīng)用前景已經(jīng)很大了，但在未來由于一些能源緊張、生態(tài)環(huán)境等方面的問題，會繼續(xù)造成換熱器升級改進(jìn)。減少資源的浪費(fèi)，維護(hù)社會生態(tài)的發(fā)展是必不可少的[1]。在光能，風(fēng)能等方面，研究力度在未來幾年會被政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)大幅度增加。1.2固定管板式換熱器組成部分：管箱、殼體、2個管板、管束等部件。管板與殼體通過焊接連接，管束與管板連接，管板的延長部分和法蘭通過螺栓連接。管束內(nèi)設(shè)置了諸多折流板根據(jù)換熱管的長度。優(yōu)點(diǎn)有這幾方面：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、允許在高溫度、高壓力狀態(tài)下使用、清管方便。劣勢也是比較明顯的，不潔凈的流體比如水：易結(jié)構(gòu)，就適宜走管程。適用的場合：溫差不怎么大，或溫差大得多，但殼程壓力不是特別高的情況下[2]。它在某些時候會加一個補(bǔ)償圈，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來吸收因過大的溫差應(yīng)力導(dǎo)致的熱膨脹[3]。1.3未來發(fā)展方向從目前的到未來的重點(diǎn)就是對換熱器的升級，提高能源的利用率，提高換熱器的壽命。能源多、利用率低的情況數(shù)不勝數(shù)，對能源的過度開發(fā)利用造成了對環(huán)境的污染損耗，若技術(shù)能夠提高，將會對能源緊張的局面創(chuàng)造一個緩解時間。例如：不同的折流板對性能的影響。S.ZeyninejadMovassag等人[4]改善了常規(guī)殼體和節(jié)段折流板的性能，通過用螺旋折流板來代替節(jié)段折流板，降低了壓降和減少結(jié)垢。Wang等人[5]用花形折流板與普通的節(jié)段折流板進(jìn)行了性能比較。隨著各種新想法、新思路和新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，換熱器將朝著更加高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方向發(fā)展。2工藝計算表2.1已知數(shù)據(jù)對象出口溫度℃入口溫度℃出口流量入口流量殼程對二甲苯649728000管程循環(huán)水3828以t1為28℃，t2為382.1查找物性數(shù)據(jù)定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的平均值Tm=tm=28+382=33℃ T物性數(shù)據(jù)見表2.2表2.2物性數(shù)據(jù)表物性流體導(dǎo)熱系數(shù)W比熱kJ粘度μpa?s密度對二甲苯0.12221.8890.00034810.6循環(huán)水0.61734.1780.0007523994.732.2估算傳熱面積2.2.1熱負(fù)荷計算熱負(fù)荷計算公式：Q=qc(t2?t1) 對二甲苯熱負(fù)荷：Qo=1745436=485kW2.2.2循環(huán)水qmi2.2.3有效溫度差?t1=97?38=59℃ ?t2=64?28=36℃ 逆流：?t2.2.4換熱面積s=Q初步選取K值K=500則s'：

一般要求面積裕度15%，s=1.15×s2.3計算尺寸2.3.1管徑及流速表2.3換熱管規(guī)格名稱規(guī)格尺寸材質(zhì)換熱管?25×2.5mm20查找換熱器常用流速范圍，取ui=1.02.3.2傳熱管根數(shù)和管程數(shù)的計算單程管數(shù)量：ns求出來的長度為：L=SL過長，選擇l=4.5米的換熱管，管程數(shù)為：

N總計：

NT2.3.3殼程數(shù)及平均傳熱溫差校正的計算

?t式中：?tε溫差校正系數(shù)：R=T1?T2?tmε?t由于ε?t2.3.4換熱管排列形式圖2.1排列形式正三角形的長處：傳熱好、緊湊、布管多，但難處理。正方形的長處：管外側(cè)清洗方便，適用于易結(jié)垢的，劣勢是傳熱差。選正三角形。2.3.5管心距查資料知，a=32mm分程隔板槽兩側(cè)距離：2S=2×a2.3.6殼體內(nèi)徑多管程結(jié)構(gòu)：D=1.05aN/η式中：η——管板利用率。查閱資料，知η的取值范圍在0.7-0.85。取η=0.7D=1.05a選D=350mmnc圖2.2實(shí)際示意圖由圖2.2知，數(shù)量70根。2.3.7折流板由于折流板是水平安裝的，為防止造成流體短路，所以取殼體內(nèi)徑的四分之一。h=1取h=100mm。一般換熱器最小間距為殼體內(nèi)徑的35%，最大間距不大于2倍，取B=0.6D，則B=0.6D=0.6×350=210mm（2.23）取B=200mm折流板數(shù)目：NB取NB=202.4換熱器核算2.4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αodeSouoReoPro粘度校正(α=1120W/(m2.4.2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi=0.023λidiRe0.8α2.4.3熱阻RRRw在Tm=80.5℃下的碳鋼熱導(dǎo)率為45W/(R2.4.4傳熱系數(shù)K=1式中：K——傳熱系數(shù)，W/(αRRddαK==575H=KAc=H=A合理。2.4.5壁溫TWtWTTtT2.4.6壓降[7]表2.4允許范圍運(yùn)行壓力（絕壓）/×合理壓降/×10P=0～1?P=P/10P=1～1.7?P=P/2P=1.7～11?P=0.35PP=11～31?P=(0.35～1.8)P2.4.6.1管程壓降?pi?pNNF?p其中：?pi?pr式中：λilduρeλ=0.1?p?p?p管程壓降在允許范圍內(nèi)。2.4.6.2殼程壓降?pOFN?p1fnNu?p?p?p2?p合理。2.5匯總表2.5數(shù)據(jù)匯總表參數(shù)殼程管程質(zhì)量流量/kg/s7.811.6進(jìn)/出口溫度/℃97/6428/38壓力/MPa1.100.40物性定性溫度/℃3380.5比熱/KJ/(kg/℃)4.1781.889密度/kg?994.73810.60粘度/Pa?s0.00075230.0003400導(dǎo)熱系數(shù)/W/0.61730.1222計算結(jié)果殼程管程污垢熱阻/(0.000300.00017表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(11204591流速0.6400.972阻力/KPa19.514.7安全系數(shù)/%22.8傳熱系數(shù)/W/(575熱流量/W485000傳熱溫差/℃42.043結(jié)構(gòu)設(shè)計Pt=1.1PwPPsP設(shè)計溫度通常高于工作溫度15～30℃tt屬于第Ⅰ類。3.1封頭、管箱筒體、殼程筒體的設(shè)計3.1.1殼程筒體to=120℃，C1=0.3mm，材質(zhì)：Q345R，[σ]=189MPa，(厚度3?16mm)[9]，σPcδ=Pcδδ結(jié)合GB151-2014中表7-1圓筒的最小厚度的規(guī)定，取δ有效厚度：δσtσ合理。水壓：PT校核：σ合理。3.1.2管箱、封頭厚度的計算ti=60℃C1=0.3mm，材質(zhì)：Q345R，[σ]=189MPa，(厚度3?16mm)[9]，σ管箱：δδ結(jié)合GB151-2014中規(guī)定，取δ有效厚度：δ在60℃下所受的壓力：σσ因此滿足要求。水壓：P所取材料屈服應(yīng)力：σs水壓校核：σ封頭：ti=60℃類型：EHA材質(zhì)：Q345R。圖3.1標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1[10]。δ=取δ=3mmδδ結(jié)合GB151-2014中相關(guān)規(guī)定，取δ有效厚度：δ在60℃、0.5MPa下所受的壓力：σσ因此合理。水壓：Pσs水壓校核：σ表3.1封頭的數(shù)據(jù)公稱直徑厚度直邊高度曲面高度總深度內(nèi)表面積容積質(zhì)量DN/mmδhhH/mmA/V/m/kg35062587.5112.50.160.0087.63.2管板設(shè)計不考慮介質(zhì)的腐蝕性。材質(zhì)：16MnⅡ。圖3.2固定管板兼做法蘭e型連接；尺寸參照設(shè)備法蘭尺寸，見表3.2表3.2DN350管板公稱直徑法蘭，mmDDDD350490405415450表3.2DN350管板尺寸（續(xù)）法蘭，mm螺柱DCd規(guī)格數(shù)量40228M20163.3設(shè)備法蘭與墊片的選取據(jù)Pt=0.5MPa法蘭：選NB/T47023-2012，密封面形式：MFM墊片規(guī)格：350?1.0XB350，Φ404/Φ360，δ=3mm，HG/T20606-2009，石棉橡膠板墊片管箱法蘭一般作為凹面，管板就是凸面。表3.3長頸對焊法蘭參數(shù)表公稱直徑DN法蘭DDDD350490450415405表3.3長頸對焊法蘭參數(shù)表（續(xù)）法蘭螺柱Dδd規(guī)格數(shù)量4023223M20163.4換熱管布管限定圓DL：圖3.3換熱管與管板的連接示意圖DL表3.4管孔直徑外徑/mm管孔直徑/mm上、下偏差2525.3±0.103.5接管3.5.1尺寸1）殼：取流速為1.0m/s，則內(nèi)徑為：d=4V取標(biāo)準(zhǔn)管徑為DN125，?133×6mm。2）管程：取流速為1.5m/s，則內(nèi)徑為：d=取標(biāo)準(zhǔn)管徑為DN100，?108×4mm。3.5.2排氣、排液管尺寸一般不小于Φ15mm；選取Φ25×2mm接管。圖3.4排氣、排液接管結(jié)構(gòu)3.5.3外伸長度外伸長度為150mm。3.5.4求最小位置1）管箱接管L2L2≥d圖3.5（a）管箱接管位置2）殼程接管L1L取L1見圖3.5（b）圖3.5（b）殼程接管位置3.5.5接管法蘭的形式選擇WN鋼制管法蘭[11]，突面形式密封；選自HG/T20592-2009；材質(zhì)：Q345R。接管、法蘭參數(shù)見表3.5，3.6；WN圖見圖3.6 表3.5筒體管法蘭參數(shù) DN/mmD/mmK/mmL/mmT12525021018M16表3.5筒體管法蘭參數(shù)（續(xù)）n/數(shù)目C/mmAN/mmH/mm82213315655表3.6管箱管法蘭參數(shù)DN/mmD/mmK/mmL/mmT10022018018M16表3.6管箱管法蘭參數(shù)（續(xù)）n/數(shù)目C/mmAN/mmH/mm82210813152圖3.6WN示意圖3.6折流板已知：h=100mmδ板min3.6.1孔徑Ⅰ級管束，見圖3.7。圖3.7Ⅰ級管束3.6.2直徑及允許偏差表3.7外徑及偏差公稱直徑＜400400～＜500名義直徑DN?2.5DN?3.5外直徑允許偏差0?0.53.6.3布置l=L1式中：l=210mm。3.7拉桿與定距管圖3.8示意圖圖3.9拉桿示意圖拉桿的尺寸見表3.8表3.8拉桿尺寸拉桿直徑d拉桿螺紋管程直徑bLL10101.5≥401312122.0≥501516162.0≥6020拉桿的直徑和數(shù)量按下面表3.9和表3.10。表3.9拉桿直徑選用表換熱管外徑d25≤d≤57拉桿直徑16表3.10拉桿數(shù)量選用表公稱直徑DNmm拉桿直徑d＜400104124164表3.10拉桿數(shù)量選用表（續(xù)）公稱直徑DNmm拉桿直徑d≥700～＜900≥900～＜1300101012128101666拉桿規(guī)格：Ф16mm，4根，均勻布置在換熱管束的外邊緣。3.8設(shè)置分程隔板[12]δ=10mm，有Ф=6mm的排液孔見圖3.10。圖3.10分程隔板3.9鞍座[13]BI350?SF，見圖3.11圖3.11鞍座LL4強(qiáng)度校核4.1開孔補(bǔ)強(qiáng)4.1.1殼程開孔補(bǔ)強(qiáng)規(guī)格：?133×6mm，材質(zhì)：Q235B，材料許用應(yīng)力[σ]=113MPa，C2δ=PδA=δd+2δδd=dfd=123.6mm＜0.5滿足等面積補(bǔ)強(qiáng)法。A=δd+2δA.有效補(bǔ)強(qiáng)范圍寬度B=2d=2×123.6=247.2mm（4.4）B=d+2δB=247.2mm。B.?1=d?????Ae=式中：AA3A1==522.5A2=2×27.23=132A3=2×1因為Ae4.1.2管箱接管的校核規(guī)格：?108×4mm，材質(zhì)：Q235B，材料許用應(yīng)力[σ]=113MPa，C2δ=δd=d=98.6mm＜0.5滿足條件。A=δd+2δA.有效補(bǔ)強(qiáng)范圍寬度B=2d=2×98.6=197.2mmB=d+2B=197.2mm。B.??h?2?hA==413.5=2×24.3×=131因為Ae4.2膨脹節(jié)4.2.1計算4.2.1.1拉脫力拉脫力是管子在受脹接時平均每平方米周邊所受到的力，本次采用的是焊接的方法，有相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)驗指出，拉脫力不能引起接頭被破壞，所以拉脫力不需要計算。4.2.1.2膨脹節(jié)設(shè)置條件σs=F1滿足四個條件之一，則要設(shè)置膨脹節(jié)：σsσtσs管子拉脫力q>qF1=αtQ=πF3α=12.05×10?6℃?1換熱管物性常數(shù)如下：α=11.53×10?6℃?1AtAsFQ===0.9×10Fσσσst=189MPa，2?2不必設(shè)置膨脹節(jié)。4.3管板強(qiáng)度校核4.3.1受壓元件材料和數(shù)據(jù)查閱資料，管板：σr殼程圓筒：σct=189MPa，管箱圓筒：E換熱管設(shè)計溫度取50℃σtt=147MPa（δ≤16mm）；屈服強(qiáng)度EEtm=199500螺柱：35鋼，室溫和設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力分別為σb=2284.3.2校核管板A）已知a=32mm，B）求值a、A、a=πδtA=πAsA1已知管板的厚度是28mm，超出管板的厚度約3mm有效長度：L=Ktλ=AQ=Eβ=na∑s∑t=0.4×=4.122lcrCri=0.25=8.004lCσcrn'=9A=9×3×44×32?DtAR=ρtC）墊片計算計算Mm，MpN=404?360bobob=2.53bDGLG墊片系數(shù)m=2，比壓力y=11MPaWaW=0.785×=78541.8NAa=ApAmMmFDLDFGFTLTMp==2.95×系數(shù)Y查資料，得Y=12.10；K=D）預(yù)設(shè)管板厚度δ，求δδbδη=0.4K==1.138×35022k=K1?k＜1.0，且kδkw'=4.4=4.4×0.04×350×=14.1×=4.4×0.024×350×=17.5×Kf'==K=KKE）按K和Kf查管板系數(shù)查資料：m1ψ=m1F）查m按K和Qex查得G）M由K和Qex查GGM1=ξ=K?M?MH）計算γ和c假設(shè)tγ=αt=11.53×=?6.4×由于2<K<4，即c=0.0834ccI）按6種工況計算：單獨(dú)作用，不計入膨脹變形差只有Ps，而γ=0，γβEtmPcPaMmM=ν=ψMm=mξb=0.6734frb=查圖17-6b，f當(dāng)0.3≤m＜0.9時，fG1=M=0.39×0.045?0.2142×0.0097=0.015（4.73）σrτp=σ=86.31MPa（4.76）σrτp=τpσ==12.88MPa（4.78）σcσ==86.19MPa（4.79）σfσ==?0.04MPa（4.80）|σtl=3.5mmq=σtq≤均合格只有Pt，Pγ=0，γβEtmPcPMMν=ψm=查GB/T151，f?3≤m≤0.3，GMστσσrττpσσcσσfσ==12.4MPa|σt連接形式：強(qiáng)度焊；焊腳l=3.5mm拉脫力：q=q≤均合格單獨(dú)作用，計入膨脹變形差只有Ps，PPPP=2.958×1.25?0?6.4×=?21.9MMν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834?0.5×=0.36f查GB/T151，f當(dāng)0.3≤m＜0.9時，f由此知fG=?0.39×0.0076?0.2142×0.0097=?0.005στ=157.2MPaσrτ=?40.36MPaτpσσcσσfσ|σtq=q≤均合格只有Pt，PPcP=0?0.5×4.122?6.4×MMν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834?0.5×=0.398f查GB/T151，f0.3≤m＜0.9，fGMστσσrττpΣσcσσfσ|σtq=q≤均合格同時作用不計入膨脹變形差γ=0，γβPcPMMⅠ）：殼程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834?0.5×fm≥0.9，fMⅡ）：管程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834?0.5×fm≥0.9，fM因此frfν=0.595MGστσσrττpσσcσσfσ|σtq=q≤均合格Pt、PPcPMMⅠ）：殼程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834?0.5×=0.365f查GB/T151，f0.3≤m＜0.9，fMⅡ）：管程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834?0.5×=?0.26f查GB/T151，?3≤m＜0.3，fM因此知frfν=?0.028MGστσσrττpσσcσ=185MPaσfσ|σtq=q≤均合格4.4計算總重量4.4.1容器自重容器總重量主要由封頭、管箱筒體、殼程筒體、管板、設(shè)備法蘭、折流板、換熱管定距管、拉桿等部分組成零件名稱數(shù)量單重/kg凈重/kg管箱封頭27.615.2管箱筒體215.831.6殼程筒體1234234管板22142設(shè)備法蘭227.855.6換熱管706.24436.8折流板20360接管法蘭13434附件1106106mmmmm換熱管重量：m=取其他附件質(zhì)量：m=106kg自重總重：m4.4.2充水容重VVV=mm=1014+588.3=1602.3kg水壓試驗時的總載荷G=mg=1602.3×9.8=15703kN支座反力F=0.5G=0.5×15703=7851.5kg所選鞍座符合滿足承載要求。5總結(jié)2020年12月我們開始了畢業(yè)設(shè)計前期工作。在最初，我們參考了諸多文獻(xiàn)和外文資料，從一籌莫展到慢慢的接觸理解、解決，需要去查各種相關(guān)的資料，比如對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)的圖紙、請教老師、同學(xué)，尋求他們的幫助，由于他們的幫助，進(jìn)步非常迅速，一遍遍的修改計算圖紙，在看到成品的時候，感覺到非常大