管殼式換熱器設計-課程設計

1、一、課程設計題目管殼式換熱器的設計二、課程設計內(nèi)容1 .管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設計包括：管子數(shù)n,管子排列方式，管間距的確定，殼體尺寸計算，換熱 器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管板尺寸確定塔盤結(jié)構(gòu)，人孔數(shù)量及位置，儀表 接管選擇、工藝接管管徑計算等等。2 .殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核(1)根據(jù)設計壓力初定壁厚；(2)確定管板結(jié)構(gòu)、尺寸及拉脫力、溫差應力；(3)計算是否安裝膨脹節(jié)；(4)確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進行強度和穩(wěn)定性校核。3 .筒體和支座水壓試驗應力校核4 .支座結(jié)構(gòu)設計及強度校核包括：裙座體(采用裙座)、基礎環(huán)、地腳螺栓5 .換熱器各主要組成部分選材，參數(shù)確定。6

2、.編寫設計說明書一份7 .繪制2號裝配圖一張，Auto CAD繪3號圖一張(塔設備的)。三、設計條件氣體工作壓力管程：半水煤氣0.75MPa殼程：變換氣0.68 MPa殼、管壁溫差55C, tt>ts殼程介質(zhì)溫度為220-400 C,管程介質(zhì)溫度為180-370 C。由工藝計算求得換熱面積為140吊，每組增加10 m2。四、基本要求1 .學生要按照任務書要求，獨立完成塔設備的機械設計；2 .設計說明書一律采用電子版，2號圖紙一律采用徒手繪制；3 .各班長負責組織借用繪圖儀器、圖板、丁字尺；學生自備圖紙、橡皮與鉛4 .畫圖結(jié)束后，將圖紙按照統(tǒng)一要求折疊，同設計說明書統(tǒng)一在答辯那一天 早上8

3、: 30前，由班長負責統(tǒng)一交到 HF5085 .根據(jù)設計說明書、圖紙、平時表現(xiàn)及答辯綜合評分。五、設計安排內(nèi) 容化工設備設 計的基本知 識管殼式換熱 器的設計計 算管殼式換熱 器結(jié)構(gòu)設計管殼式換熱器 設計制圖設計說明書的 撰寫設計人李海鵬吳彥晨王宜高六、說明書的內(nèi)容1 .符號說明2 .前言(1)設計條件；(2)設計依據(jù)；(3)設備結(jié)構(gòu)形式概述。3 .材料選擇(1)選擇材料的原則；(2)確定各零、部件的材質(zhì)；(3)確定焊接材料。4 .繪制結(jié)構(gòu)草圖(1)換熱器裝配圖(2)確定支座、接管、人孔、控制點接口及附件、內(nèi)部主要零部件的軸向 及環(huán)向位置，以單線圖表示；(3)標注形位尺寸。(4)寫出圖紙上的技

4、術(shù)要求、技術(shù)特性表、接管表、標題明細表等5 .殼體、封頭壁厚設計(1)筒體、封頭及支座壁厚設計；(2)焊接接頭設計；(3)壓力試驗驗算；6 .標準化零、部件選擇及補強計算：(1)接管及法蘭選擇：根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖統(tǒng)一編制表格。內(nèi)容包括：代號，PN,DN, 法蘭密封面形式，法蘭標記，用途)。補強計算。(2)人孔選擇：PN,DN標記或代號。補強計算。(3)其它標準件選擇。7 .結(jié)束語：對自己所做的設計進行小結(jié)與評價，經(jīng)驗與收獲。8 .主要參考資料?！靖袷揭蟆浚?.計算單位一律采用國際單位；2.計算過程及說明應清楚；3.所有標準件均要寫明標記或代號；4.設計說明書目錄要有序號、內(nèi)容、頁碼；5 .設計說明

5、書中與裝配圖中的數(shù)據(jù)一致。 如果裝配圖中有修改，在說明書中 要注明變更；6 .書寫工整，字跡清晰，層次分明； 7.設計說明書要有封面和封底，均采 用A4紙，裝訂成冊。1前言 11.1 概述 11.1.1 換熱器白類型 11.1.2 換熱器 11.2 設計的目的與意義 21.3 管殼式換熱器的發(fā)展史 21.4 管殼式換熱器的國內(nèi)外概況 31.5 設計思路、方法 52殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算 2.1 管徑 112.2 管子數(shù)n 112.3 管子排列方式，管間距的確定 112.4 換熱器殼體直徑的確定 112.5換熱器殼體壁厚計算及校核 113換熱器封頭的選擇及校核 144容器法蘭的選擇 15

6、5管板 165.1 管板結(jié)構(gòu)尺寸 165.2 管板與殼體的連接 165.3管板厚度 166管子拉脫力的計算 187計算是否安裝膨脹節(jié) 208折流板設計 229開孔補強 2510支座 2710.1 群座的設計 2710.2 基礎環(huán)設計 2910.3 地角圈的設計 30符號說明 32前言1.1 概述1.1.1 換熱器的類型管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導作用，主要有 殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為 管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主 要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)

7、構(gòu) 材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱 器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋 板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次 錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同， 因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50c以上）時，就可能由 于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。 1.1.2換熱器換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備， 在生產(chǎn)中占有 重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要

8、求等各不相同，故換熱器的類 型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱 流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。 在這類換熱器中，冷、熱 流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。 該類換熱 器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁 多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接 觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體 允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、

9、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝 器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大 的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流 體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱 體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高 溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體 的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以 分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。1.2 設計的目的與意義換熱器是將熱流體的部分熱量傳

10、遞給冷流體的設備，以實現(xiàn)不同溫度流 體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換 和傳遞不可缺少的設備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種 以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。換熱設備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷 凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方 面不如其他新型的換熱設備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范 圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用

11、。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮 很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理 等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在 工程設計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設計，以滿 足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟的便于生產(chǎn)制造的換熱 器等等）。1.3 管殼式換熱器的發(fā)展史為了滿足電廠對在較高壓力下運行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器） 的需要，在20世紀初，提出了殼管式換熱器的基本設計。經(jīng)過長期的運用，使 設計變得相當成熟和專業(yè)化。當今已廣泛

12、地應用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在 20世紀初也開始適應石油 工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油儲分和有關(guān)的有機流 體的冷凝器這些設備需要在惡劣的野外條件下運行， 流體常常不干凈而且又要求高溫和高 壓，因此，設備便于清洗和進行現(xiàn)場修理是絕對需要的。殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴重問題，不是在傳熱方面 （這可以由實踐經(jīng)驗粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強度計算 問題，還有在制造技術(shù)和工程實施中的許多有關(guān)的其他問題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。在20世紀20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當圓滿的發(fā)展， 這主要 是由于幾個主要制造商努力的結(jié)果

13、。制造設備的傳熱面積可達500m2,即直徑約750mm長6ml用于急劇增長白石油工業(yè)。在 30年代，殼管式換熱器的設計者， 根據(jù)直接經(jīng)驗和在理想管束上的實驗數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設計原則。水 -水 和水-氣換熱器的設計，大概與現(xiàn)今的設計差不多。因為污垢熱阻起很大的作用， 殼側(cè)流動的粘性流是一個困難的問題，而且，60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應用穩(wěn)步增長，以及對在各種流程條件下性能預計的精度要 求越來越高，這造就40年代直至50年代研究活動的激增。研究內(nèi)容不僅包括殼側(cè)流動，而且相當重要的還有真實平均溫差的計算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強度計 算。多年來發(fā)展起來的殼管式換熱器，由于其結(jié)

14、構(gòu)堅固并能適應很大的設計和使 用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。1.4 管殼式換熱器的國內(nèi)外概況隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴重，必然帶來更多的高性能、高參數(shù)換熱設備的需求。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量 利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達 96%,換熱設備在石油煉廠中約占全部工藝 設備投資的35%-40%其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢，約70%其余30 % 為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設備，其中板式、板翅式、熱管及各類 高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化，換熱

15、器也趨 于大型化，并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發(fā)展。當今換熱器的發(fā)展以 CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)及新型換 熱器開發(fā)等形成了一個高技術(shù)體系1 o該換熱器是當前應用最廣，理論研究和設計技術(shù)完善，運用可靠性良好的一 類換熱器。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。 強化傳熱主要 有3種途徑提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差，研究主要集中在強化 管程和殼程傳熱面方面。2殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算2.1 管子數(shù)n選用32X3的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼，管長3m丁 F = nd均 Ln140d 均 Ln

16、3.140.0293其中安排拉桿需減少6根，故實際管數(shù)n=517根2.2 管子排列方式，管間距的確定采用正三角形排列，由化工設備機械基礎表 7-4查得層數(shù)為12層，查表7-5取管間距a=40mm.2.3 換熱器殼體直徑的確定Di =a(b -1) 2l其中l(wèi)為最外層管子中心到殼 壁邊緣的距離其中b為正六角形對角線上的管子數(shù) b=25mm查表7-5 ,取管間距a=32mm取 l =2d , Di =40x(251) +2x2x32 = 1088(mm)查表2-5,圓整后取殼體內(nèi)徑Di =1100mm2.4 換熱器殼體壁厚計算及校核材料選用Q245R1岡板計算壁厚為:PcDi2二t - Pc17式

17、中：pc為計算壓力，取 pc=1.0Mpa； Di =1100mm9=0.85;仃t=108Mpa設殼壁溫度為300 0 C)將數(shù)值代入上述厚度計算公式，可以得知=6.03mm1.0 11000 =2 92 0.85-1.0查化工設備機械基礎表 4-11 M C2 =1.2 mm ;查化工設備機械基礎表 4-9得C1=0.3mm查表4-13圓整后取6 n=9mm3換熱器封頭的選擇及校核上下封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù) GB/T25198標準，圭頭為DN110CX 8,查化工設備機械基礎表 7-47得曲面高度h1=275mm ,直邊高度h2 =40 mm 材料選用Q245R下封頭與裙座焊接，4

18、容器法蘭的選擇材料選用Q345R根據(jù)NB/T4703-2012選用DN1100 PN1.6Mpa的樺槽密封面長頸對焊法蘭。所以，選用的法蘭尺寸如下圖7-48所示：5管板5.1管板尺寸的確定選用固定換熱器管板，并兼作法蘭，查相關(guān)標準得p=p=1.6MPa（取管板的公稱壓力為1.6MPa）的碳鋼板尺寸，如圖7-49所示：6管子拉脫力的計算計算數(shù)據(jù)按表7-13選取管子操作壓力/Mpa0.750.7材質(zhì)20鋼20R線膨脹系數(shù)11,8 10-611,8 10-6彈性模量0.21 1060.21 106許用應力/Mpa10192尺寸32 3 30001100 9管子根數(shù)511管間距/mm40管殼壁溫差/C

19、. ：t =55管子與管板連接方開槽脹接式脹接長度/mml =50許用拉脫力/Mpa4.01、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 qp pqppfd0l(6-1)其 中 f =0.866a2-" d2=0.866M40244 322 =522 mm(6-2)p=0.75Mpa, l =50 mm0.75 396qD = =0.087Mpap 3.14 32 502、溫差應力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力22"d° -di )qt4dol:E(tt 7)AsAs=nD 中 5n = 3.14 父 1009 父 9 = 28515(mm 231A=4(d:

20、-di2)n=314 (322 -262) 511 = 139595 mm 2411.8 10，0.21 106 55d 135951 -28515= 22.1Mpa _2_222.93 (25 -20 )qt _ 1.03Mpa4 25 50由此可知qp, qt作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力:q= qp + qt =1.297 Mpa <4.0 Mpa因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。7計算是否安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為:F ；E(tt-ts)AAF1 -AsAtAs A11.8 10-6 0.21 106 552851513595 =3.07 1

21、010 (NJ)壓力作用于殼體上的軸向力QAAs AIT其中 Q = (D： - nd；)ps n(d。-2-)2川4=(11002 -511 322) 0.7 511 (32 -2 3)2 0.7546= 0.581 10 N0.581 106 2851528515 139595= 0.099 106 N壓力作用于管子上的軸向力為:F3 二QAtAsAt0.581 106 2851528515 13595= 0.482 106NFiF2As3.07 106 0.099 10628515= 111.1Mpa-F1At-3.07 106 0482 10613595= T85.5Mpa根據(jù)GB1

22、5 1 1 9 9 9管殼式換熱器% =111.1Mpa <2©叼t =180Mpa 0t = -18.5Mpa <2©產(chǎn)；=216Mpaq< q =4.0Mpa條件成立 故本換熱器不必要設置膨脹節(jié)。8折流板設計33我們米用弓形折流板 h=Di =x1100 =825mm折流板間距取600mmS表7-9 44查得折流板外徑為1095.5,材料為Q235-A鋼如圖7-50所示。拉桿選用*12,共6根，材料為20鋼。9開孔補強換熱器殼體和封頭上的等面積的接管處開孔需要補強， 常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面 焊上一塊與容器材料和厚度都相同，即 9mmB白Q245R鋼板。

23、具補強結(jié)構(gòu)如圖 7-51所示。10支座采用裙座，詳細計算參見第八章“塔設備的機械設計”。這里選裙座厚度為9mm 基礎環(huán)厚度為14mm設計結(jié)果為如圖7-52所示的換熱器裝置圖。表 7-14技術(shù)特性表名稱指標管程殼程1工作壓力/ Mpa0.70.682工作溫度/c1803704002203物料名稱半水煤氣變換氣4傳熱回積/ m2130表 7-15接管表序號接管法蘭標準密封間形式用途1PN16 DN250HG/T 20592平向變換氣進口2PN10 DN250HG/T 20592平向半水煤氣進口3PN10 DN250HG/T 20592平向變換氣進口4PN16 DN250HG/T 20592平向半水

24、煤氣進口符號說明11-操作狀態(tài)卜管壁溫度，。C;F換熱回積，n；ts-操作狀態(tài)下殼壁溫度，。C;a管間距，mm-焊接接頭系數(shù)，無量綱；di冗體內(nèi)徑，mmb正六邊形對角線上的管子數(shù)，個；do冗體外徑，mmLn換熱管長度，mm;Pc計算壓力，MPa;d均管子的平均直徑，mmPw-一工作壓力，MPa;Pw最大允許工作壓力，MPaP-設計壓力，MPa;Pl-水壓試驗壓力，MPa;-一計算壁厚，mmDN直徑（公稱），mm;6 d-一設計壁厚，mm-N-公稱壓力，MPao n名義壁厚,mm-t一管子的工作壓力，MPa6 e-后效壁諄,mm厚度附加量，mmi鋼板的負偏差，mm 2腐蝕欲量，mm(7 s屈服點，MPai曲面局度，mm短圓筒長度，mim2直邊長度，mmE 彈性