固定管板式換熱器設計-過程設備設計課程設計

1、目錄1.換熱器選型和工藝設計31.1設計條件31.2換熱器選型31.3工藝設計31.3.1傳熱管根數(shù)的確定41.3.2傳熱管排列和分程方法41.3.3殼體內(nèi)徑42 換熱器結(jié)構(gòu)設計與強度校核42.1 管板設計42.1.1管板材料和選型52.1.2管板結(jié)構(gòu)尺寸52.1.3管板質(zhì)量計算62.2法蘭與墊片62.2.1管箱法蘭與管箱墊片72.3 接管82.3.1接管的外伸長度92.3.2 接管位置設計92.3.3 接管法蘭102.4管箱設計122.4.1管箱結(jié)構(gòu)形式選擇122.4.2管箱最小長度122.5 換熱管132.5.1 布管限定圓132.5.2 換熱管與管板的連接132.6 拉桿與定距管142.

2、6.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式142.6.2 拉桿的直徑、數(shù)量及布置142.6.3 定距管152.7防沖板152.7.1防沖板選型152.7.2防沖板尺寸162.8 折流板162.8.1 折流板的型式和尺寸162.8.2 折流板的布置172.8.3 折流板重量計算173.強度計算183.1殼體和管箱厚度計算183.1.1 殼體、管箱和換熱管材料的選擇183.1.2 圓筒殼體厚度的計算183.1.3 管箱厚度計算193.2 開孔補強計算203.2.1 殼體上開孔補強計算203.3 水壓試驗213.4支座213.4.1支反力計算如下：213.4.2 鞍座的型號及尺寸234焊接工藝設計234.1.殼體與焊接

3、234.1 .1殼體焊接順序234.1.2 殼體的縱環(huán)焊縫244.2 換熱管與管板的焊接244.2.1 焊接工藝254.2.2 法蘭與短節(jié)的焊接254.2.3管板與殼體、封頭的焊接264.2.4接管與殼體焊接27總結(jié)28參考文獻28 1.換熱器選型和工藝設計1.1設計條件 項目管程殼程工作壓力（MPa）1.70.7工作溫度（）4015017090介質(zhì)凈化煤氣水蒸氣/冷凝水換熱管尺寸（mm）25×2.5換熱面積（m2）90換熱管長度（m）自選管程數(shù)2結(jié)構(gòu)型式臥式使用壽命10年1.2換熱器選型管程定性溫度 t=40+1502=95殼程定性溫度T=170+902=130管殼程溫差 t=T-

4、t=130-95=3550 故初步選擇不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器（雙管程）。根據(jù)介質(zhì)特性初步選擇換熱管材料為20號碳鋼，殼體材料為Q245R1.3工藝設計1.3.1傳熱管根數(shù)的確定已知換熱管外徑do=0.025m，內(nèi)徑di=0.02m，換熱面積S=90m2,管程數(shù)為2。取換熱管長l=6m，由S=dolN得換熱管數(shù)N=Sdol=903.14x0.025x6=191取N=192（根）1.3.2傳熱管排列和分程方法由于設計要求為雙管程換熱器，故采用組合排列方法，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。取管心距a=1.25do(焊接) 則a=1.25x25=31.25 取a=32mm；各程

5、相鄰管的管心距a1=2a2+6=44mm橫過管束中心線管數(shù)（正三角形排列）nc=1.1N=1.1x192=15.216 （根）1.3.3殼體內(nèi)徑多管程結(jié)構(gòu)取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05aN=1.05x32x1920.7=556mm取D=600mm1.3.4折流板由于殼程有水蒸氣冷凝，所以選用垂直切口的弓形（圓缺形）折流板。a. 圓缺高度h=25%D=25%x600=150mmb. 折流板間距B=151D，取B=300mmc. 折流板數(shù)NB=傳熱管長度/折流板間距-1=6000/300-1=19 塊2 換熱器結(jié)構(gòu)設計與強度校核2.1 管板設計2.1.1管板材料和選型 管板是管殼式

6、換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。管板的設計合理與否直接關系到換熱器的制造成本的高低及綜合性能的優(yōu)劣。由于本設計中的流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的Q2454R板材。固定管板式換熱器常采用管板兼作法蘭，故采用兼作法蘭的管板。2.1.2管板結(jié)構(gòu)尺寸由殼程設計壓力 ps=1.0MPa, 管程設計壓力 pt=2.5MPa；殼體公稱直徑DN=600查<<換熱器設計手冊>>P155可得管板的結(jié)果尺寸如下管板尺寸psMPaptMPaDNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓b1b規(guī)格數(shù)量

7、n21.02.560076071567659766360012.527M24243848 圖2-1 管板結(jié)構(gòu) 2.1.3管板質(zhì)量計算do換熱管外徑25；N換熱管根數(shù)192；Q245R密度，=7850Kg/m3對上圖所示的管板結(jié)構(gòu)h取值為0。其它字母含義和數(shù)值見上圖和管板尺寸表Q=4D2-d22xn2xbf+D42x6+D52x4+D32xh-do2xbxNx=47602-272x24x38+6632x6+6002x4-252x48x192x10-9x7850=121Kg2.2法蘭與墊片 2.2.1管箱法蘭與管箱墊片 （1） 查NB/T 47023-2012壓力容器法蘭可選管箱法蘭為長頸對焊法蘭

8、，凹凸密封面，材料為鍛件Q245R，其具體尺寸如下：（單位為mm） 圖2-2 凹凸面法蘭結(jié)構(gòu)DN600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6007607156766666634211035211816261227M242410（2）此時查NB/T4702-2012壓力容器法蘭，根據(jù)設計溫度可選擇墊片型式為非金屬包墊片，材料為石棉橡膠板，其尺寸為：圖2-3 墊片結(jié)構(gòu)管箱墊片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外徑D(mm)內(nèi)徑d(mm)墊片厚度2.560066561532.3 接管（1）選材本次設計壓力在低壓范圍內(nèi)、工作溫度不高、介質(zhì)腐蝕性弱、接管與殼體

9、焊接連接，為了減少焊接應力集中選擇接管材料選用20號鋼。（2）接管尺寸規(guī)格本次設計共有8個接管，由管口公稱直徑，查得接管的外徑和厚度如下符號公稱尺寸用途外徑 mm厚度mm(sch20)A80氣體進口894.6B80氣體出口894.6C80蒸氣進口894.6D50冷凝水出口603.5E25排污口343.5F25排污口343.5G25排氣口343.5H25排氣口343.52.3.1接管的外伸長度根據(jù)接管公稱直徑和厚度查換熱器設計手冊P142表1-6-6可得，接管A、B、C、D、E、F、G、H伸出長度都可以取150mm。2.3.2 接管位置設計 在換熱器設計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進

10、、出口接管應盡量接近兩端管板，而管箱進、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱、殼體長度，減輕設備重量。然而，為了保證設備的制造安裝，管口距地的距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。（1） 殼程接管位置的最小尺寸殼程接管位置最小尺寸即接管中心線到管板密封面的距離如圖2-3所示.圖2-4 殼體接管的位置對接管C(蒸汽進口),由于是無補強圈結(jié)構(gòu),可以按照下面的公式計算L1dh2+b-4+C=892+48-4+30=118.5mm取L1=120mm。由于殼體接管F,H外徑都小于89,其相應的L1小于118.5mm,故取接管C、接管F、接管H的L1=120dh=89mm，為接管外徑；b為管板厚度；C

11、管外壁至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，計算中 取C4S（S為殼體厚度，mm），且；(2)管箱接管位置的最小尺寸管層接管位置是指接管中心到法蘭密封面的距離如圖3-4所示圖2-5 管箱接位置無補強圈按下面公式計算L2dh2+hf+C=892+110+30=184.5mm ；取L2=185mm；同理，對管程接管、E、G，取L2=185mmhf為法蘭高度,由前可知hf=H=110mm2.3.3 接管法蘭（1）接管法蘭的材料為取材方便，選接管法蘭材料為Q245R（2） 法蘭類型和密封面形式由HG/T2059220653-2009鋼制管法蘭、墊片和緊固件可知，PN2.5MPa，可以選用板式平焊法

12、蘭（PL ）、密封面形式選用全平面（FF）如圖2-6 圖2-6 全平面管法蘭（3） 法蘭結(jié)構(gòu)尺寸法蘭結(jié)構(gòu)圖如圖2-7所示 圖2-7 板式平焊管制法蘭A1為接管外徑查得法蘭的尺寸如下表公稱尺寸DN連接尺寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B1（B）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓Th螺栓孔數(shù)量N（個）251007511M10414335014011014M12416598019015018M16418912.4管箱設計 2.4.1管箱結(jié)構(gòu)形式選擇B型封頭管箱型,用于單程或多程管箱,結(jié)構(gòu)簡單,便與制造,適于高壓清潔的介質(zhì),可省掉一塊造價高的盲板、法蘭和幾十對螺栓，橢圓型封頭受力情況比平端蓋好得多。故選

13、用此結(jié)構(gòu)管箱。管箱結(jié)構(gòu)尺寸確定2.4.2管箱最小長度前端管箱由于換熱器為二管程，其最小管箱長度可按相鄰焊縫間距計算Lg minL2+L3+L4=185+100+183=468mmL2 在管箱接管最小位置一節(jié)已算出為185mm；L3為接管軸線到殼體與封頭焊縫間距離，這里取L3=100mm；L4為封頭高度，根據(jù)DN=600，查GB/T25198-2010 壓力容器封頭可得=h1+h2175mm考慮封頭厚度L4=h1+h2+Sp=150+25+8=183mmh1為封頭曲面高度，h2為封頭直邊高度，Sp為封頭厚度（第三節(jié)強度計算中得出）取管箱長度為470mm；（后端管箱長度同前端管箱，見裝配圖）則L3

14、取102mm；管箱短節(jié)長度ld=L2+L3=185+102=287mm。由于是多管程換熱器，故此處需要用到分程隔板。查GB151-2014可知：分程隔板槽槽深，槽寬為12mm，且分程隔板的最小厚度為10mm2.5 換熱管 換熱管的規(guī)格為25×2.5，材料選為20號碳鋼。2.5.1 布管限定圓布管限定圓DL為管束最外層換熱管中心圓直徑，其由下式確定：DL=Di-2b3 查GB151-2014可知，d30.25d=6.25,且b38mm取b3=10mm,則 DL=600-2x10=580mm 。2.5.2 換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接方式有強度焊、強度脹以及脹焊并用。 強度脹接

15、主要適用于設計壓力小2.5Mpa；設計溫度200；操作中無劇烈振動、無過大的溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。 除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復合管板等的場合。在此，根據(jù)設計壓力、設計溫度及操作狀況選擇換熱管與管板的連接方式為強度焊。這是因為強度焊加工簡單、焊接結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫力強，在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。2.6 拉桿與定距管2.6.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式常用拉桿的形式有三種：1) 拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束， （按 G

16、B151-2014規(guī)定）；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14mm的管束，；3) 當管板比較薄時，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。由于此時換熱管的外徑為25mm，因此選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)拉桿一端用螺紋擰入管板，每兩塊折流板之間的距離用定居管固定，最后一塊折流板用兩個螺母擰緊固定。2.6.2 拉桿的直徑、數(shù)量及布置其具體尺寸如下所示：表2-1 拉桿的參數(shù)拉桿的直徑d拉桿螺紋公稱直徑dn abb拉桿的數(shù)量1616206024其中拉桿的長度L按需要確定。拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣。若對于大直徑的換熱器，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

17、支承點。對于本臺換熱器拉桿的布置可參照零件圖。2.6.3 定距管定距管的規(guī)格同換熱管，其長度同實際需要確定。本臺換熱器定距管的布置可以參照部件圖。2.7防沖板由于殼程進入介質(zhì)為水蒸氣，會對入口出的換熱器表面進行沖擊，故應在流體入口處裝置防沖板。2.7.1防沖板選型防沖板采用下圖（d）所示結(jié)構(gòu)這種形式常用于殼體內(nèi)徑大于325mm時的折流板左、右缺口和殼體內(nèi)徑小于600mm時的折流板上、下缺口的換熱器。本次設計殼體內(nèi)徑為600mm,缺口為左右缺口，故選擇此結(jié)構(gòu)。2.7.2防沖板尺寸防沖板攝于蒸汽進口接管處，即接管C處。對接管C，DN=80；查的外徑Do=89mm則H1=1413Do=（22.252

18、9.67）mm ,取H1=25mm。防沖板邊長W、L（上圖（f）應大于接管外徑50mm,即為139mm。取W=160mm,L=140mm。防沖板最小厚度Do<300; 碳鋼,低合金鋼為4.5mm。為取材方便，取防沖擋板材料為Q245R。取防沖板厚度為5mm。2.8 折流板2.8.1 折流板的型式和尺寸為方便選材，可選折流板的材料選為Q245R，由前可知，弓形缺口高度為150mm，折流板間距為300mm，數(shù)量為19塊，查GB151-2014表6-21可知折流板的最小厚度為4mm，故此時可選其厚度為6mm。同時查GB151-2014表6-20可知折流板名義外直徑為DN-4.5=595.5mm

19、。2.8.2 折流板的布置一般應使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口管，其余折流板按等距離布置?？拷馨宓恼哿靼迮c管板間的距離l應按下式計算：l=L1+B22-b-4=150+1602-48-4=186mm；其中：L1殼程接管位置的最小尺寸，mm； b管板的名義厚度，mm； B2為防沖板長度，由前可知其值為160mm2.8.3 折流板重量計算 符號說明如下：Q折流板質(zhì)量，kg；Da折流板外圓直徑，；Af折流板切去部分的弓形面積，Af=Da2C，； C系數(shù)，由haDa查表求??；ha折流板切去部分的弓形高度，mm；d1管孔直徑，mm；d2拉桿孔直徑，mm；n1管孔數(shù)量；n2拉桿孔數(shù)量；折流板厚

20、度，mm； Q245R密度，=7850Kg/m3。計算過程如下haDa=150595.5=0.252，查得C=0.15528 ； Af=Da2C=595.52×0.15528=55065mm2 ； Q=4Da2-Af-4d12.n1+4d22.n2×× =4×595.52-55065-4×252×192+4×162×4x6x10-9x7850 =6.04kg3.強度計算3.1殼體和管箱厚度計算3.1.1 殼體、管箱和換熱管材料的選擇 由于所設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

21、、使用條件等的考慮，選擇Q245R為殼體與管箱的材料。Q245R是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學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。管程介質(zhì)為水煤氣輕微腐蝕，一般取換熱管材料為20號碳鋼。3.1.2 圓筒殼體厚度的計算焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數(shù)=1.0；根據(jù)過程設備設計第三版P115可知Q245R鋼板負偏差C1=0.3mm，取腐蝕余量C2=2mm殼程條件（厚度為616mm時） pc=1.1pw=1.1x0.7=0.77MPa設計溫度 ts=170筒體材料Q2

22、45R 許用應力 【】t=136.4MPa 屈服點 s=245MPa 常溫許用應力 【】=148MPa殼體計算厚度按下式計算為： =PcDi2t-Pc=0.77×6002×136.4×1-0.77=1.7mm； (3-1)設計厚度為： d=+C2=1.7+2=3.7mm ； (3-2)名義厚度n=d+C1+=6mm(其中為向上圓整量) ； (3-3)查其最小厚度為6mm，則此時厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。3.1.3 管箱厚度計算管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；由2.4管箱設計部分可知為管箱為B型封頭管箱型,取封頭管箱材料Q245R。管程條件 pc=1.

23、1pw=1.1*1.7=1.87MPa設計溫度 tt=150封頭管箱材料Q245R 許用應力 【】t=140MPa 屈服點 s=245MPa 常溫許用應力 【】=148MPa此時選用標準橢圓形封頭，故，且C1=0.3，C2=2mm，則封頭計算厚度為：h=KPcDi2t-0.5Pc=1×1.87×6002×140×1-0.5×1.87=4.02mm ； (3-4)設計厚度 dh=h+C2=4.02+2=6.02mm ; (3-5)GB151中規(guī)定的最小厚度 7.00 mm，故名義厚度 nh=dh+C1+=8 mm （為向上圓整量）；經(jīng)檢查，沒有變

24、化，故合適。查GB/T25198-2010 壓力容器封頭可得封頭的型號參數(shù)如下EHA標準橢圓型封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A()容積(m3) 封頭質(zhì)量（）6001750.43740.035327.5短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為8mm。3.2 開孔補強計算在該臺固定管板式換熱器上，殼程流體的進出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，會給換熱器的安全操作帶來隱患。因此此時應進行開孔補強的計算。 由于管程入口和出口，殼程出

25、入口公稱直徑均為80mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為89×4.6，接管的材料選為20號鋼。3.2.1 殼體上開孔補強計算 補強及補強方法判別：補強判別：根據(jù)GB150表8-1，允許不另行補強的最大接管外徑是89，本換熱器最大接管外徑為89mm，因此不需要另行考慮其補強。3.3 水壓試驗對于壓力容器而言,水壓試驗是很重要的一個環(huán)節(jié)，其主要檢驗壓力容器密封、承壓等性能。水壓試驗壓力應以能考核承壓部件的強度，暴露其缺陷，但又不損害承壓部件為佳。通常規(guī)定，承壓部件在水壓試驗壓力下的薄膜應力不得超過材料在試驗溫度下屈服極限的90。壓力容器水壓試驗后，無滲漏、無可見的異常變形，試驗過程中無異

26、常的響聲，則認為水壓試驗合格。對于本設計而言：設試驗溫度為常溫，則有pT=1.25pct=1.25x0.77x148136.4=1.04MPa 有效厚度e=n-C1-C2=6-2-0.3=3.7mm 則校核水壓試驗時圓筒的薄膜壓力T：T=PT(Di+e)2e=1.04×(600+3.7)2×3.7 =84.8<0.9s=0.9×1×245=220.5MPa則說明，壓力容器承壓部件滿足設計壓力要求。3.4支座 選擇鞍座應首先計算支座反力，再根據(jù)支反力選擇合適的鞍座3.4.1支反力計算如下： 管板的質(zhì)量：m1=121+121=242kg ； (3-72

27、) 圓筒的質(zhì)量： m2=4Di+2n2-Di2L' (3-73) =4 600+2x62-6002×6287x10-9×7850 =563kg ；式中：L'是指換熱器中相當于圓筒的部分的總長度，包括了殼體的有效長度與前后端管箱的短節(jié)部分（雖然短節(jié)部分厚度與筒體厚度相差2mm,為了簡化問題這里近似認為短節(jié)部分和筒體厚度都為6mm）； 是指材料的密度，由于殼體與管箱的材料均選用Q245R，故=7850Kg/m3。封頭的質(zhì)量：m3=27.5+27.5=55kg； 附件（如接管、法蘭等）質(zhì)量取為全部質(zhì)量的20%： m4=20%m1+m2+m3 =0.2×2

28、42+563+55 =172kg （3-76）圓筒的體積：V1=4Di2L'=4×6002×6280×10-9 =1.77m2； （3-77）封頭的體積：V2=2×0.0353=0.0706m3； （3-78）故總體積為：V=V1+V2=1.77+0.0706=1.8406m3； （3-79）水壓試驗時充液重量： m5=iV=998×1.8406=1837kg； i為20時水的密度。水壓試驗時總質(zhì)量： m=m1+m2+m3+m4+m5 =242+563+55+172+1837 =2869kg； 水壓試驗時單位長度載荷： q=mgL

29、9;+43H=2869×9.86287+175×43=4.3N/mm； （3-82）水壓試驗時支座反力：F=12mg=12×2869×9.8=14058N； 3.4.2 鞍座的型號及尺寸（1）根據(jù)支反力查JB/T4712.1-2007選擇DN500mm900mm、120°包角重型帶墊板鞍式支座,鞍座高度 h=200mm 。記為: JB/T4712.1-2007 鞍座 B 600/S表3-7 鞍座尺寸公稱直徑允許載荷Q(KN)底板腹板筋板墊板螺栓間距l(xiāng)2鞍座質(zhì)量（kg）增加100mm高度增加的質(zhì)量（kg）l1b1l3b3弧長b4e60016555

30、01501083001208710240656400255 （2）兩支座設置在換熱管束長度范圍內(nèi)的適當位置，當L>3000mm時，取兩支座距離LB=（0.50.7）L 這里取LB=23L=4000mm4焊接工藝設計4.1.殼體與焊接4.1 .1殼體焊接順序焊接殼體時，應先焊筒節(jié)縱縫，焊好后校圓，再組裝焊接環(huán)縫。要注意的是必須先焊縱縫后焊環(huán)縫，因為若先將環(huán)縫焊好再焊縱縫時筒體的膨脹和收縮都要受到環(huán)縫的限制，其結(jié)果會引起過大的應力，甚至產(chǎn)生裂紋。每條焊縫的焊接次序是先焊筒體里面，焊完后從外面用碳弧氣刨清理焊根，將容易產(chǎn)生裂紋和氣孔的第一層焊縫基本刨掉，經(jīng)磁粉或著色探傷確信沒有缺陷存在后再焊外側(cè)。 圖4-14.1.2 殼體的縱環(huán)焊縫殼體的材料為Q245R，其可焊性較好。焊前不需要進行預熱，采用埋弧自