固定管板式換熱器設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計課程設(shè)計

1、1.換熱器選型和工藝設(shè)計3設(shè)計條件3換熱器選型3工藝設(shè)計3傳熱管根數(shù)的確定4傳熱管排列和分程方法4殼體內(nèi)徑42 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核42.1 管板設(shè)計4管板材料和選型5管板結(jié)構(gòu)尺寸5管板質(zhì)量計算6法蘭與墊片6管箱法蘭與管箱墊片72.3 接管8接管的外伸長度92.3.2 接管位置設(shè)計92.3.3 接管法蘭10管箱設(shè)計12管箱結(jié)構(gòu)形式選擇12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142.6.1 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15防沖板15防沖板選型15防沖板尺寸162.8 折

2、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18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21支座21支反力計算如下：213.4.2 鞍座的型號及尺寸234焊接工藝設(shè)計234.1.殼體與焊接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25管板與殼體、封頭的焊接26接管與殼

3、體焊接27總結(jié)28參考文獻(xiàn)28項目管程殼程工作壓力（MPa）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-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Q245R工藝設(shè)計已知換熱管外徑，內(nèi)徑，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

4、=191取N=192（根）由于設(shè)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(焊接) 則a=1.25x25=31.25 取a=32mm；各程相鄰管的管心距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）多管程結(jié)構(gòu)取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為=1.05x32x1920.7=556mm取D=600mm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

5、熱管長度/折流板間距-1=6000/300-1=19 塊2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核2.1 管板設(shè)計.1管板材料和選型管板是管殼式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(shè)計合理與否直接關(guān)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(shè)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管板結(jié)構(gòu)尺寸由殼程設(shè)計壓力 ps=1.0MPa, 管程設(shè)計壓力 ；殼體公稱直徑DN=600查P155可得管板的結(jié)果尺寸如下管板尺寸psMPa

6、ptMPaDNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓b1b規(guī)格數(shù)量n260076071567659766360027M24243848 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=121Kg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

7、頸對焊法蘭，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(shè)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60066561532.3 接管（1）選材本次設(shè)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

8、體焊接連接，為了減少焊接應(yīng)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(shè)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(jìn)口89B80氣體出口89C80蒸氣進(jìn)口89D50冷凝水出口60E25排污口34F25排污口34G25排氣口34H25排氣口34根據(jù)接管公稱直徑和厚度查換熱器設(shè)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(shè)計在換熱器設(shè)計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)、出口接管應(yīng)盡量接近兩端管板，而管箱進(jìn)、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短

9、管箱、殼體長度，減輕設(shè)備重量。然而，為了保證設(shè)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(jìn)口),由于是無補強圈結(jié)構(gòu),可以按照下面的公式計算取L1=120mm。由于殼體接管F,H外徑都小于89,其相應(yīng)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

10、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 ；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，可以選用板式平焊法蘭（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

11、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）251007511M10414335014011014M12416598019015018M1641891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。故選用此結(jié)構(gòu)管箱。管箱結(jié)構(gòu)尺寸確定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

12、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，材料選為20號

13、碳鋼。.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，,且b38mm取b3=10mm,則 DL=600-2x10=580mm 。.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。 強度脹接主要適用于設(shè)計壓力小2.5Mpa；設(shè)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(yīng)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(fù)合管板等的場合。在此，根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度及

14、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 GB151-2014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(dāng)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

15、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(yīng)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(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于3個支承點。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(jìn)入介質(zhì)為水蒸氣，會對入口出的換熱器表面進(jìn)行沖擊，故應(yīng)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)

16、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(shè)計殼體內(nèi)徑為600mm,缺口為左右缺口，故選擇此結(jié)構(gòu)。.2防沖板尺寸防沖板攝于蒸汽進(jìn)口接管處，即接管C處。對接管C，DN=80；查的外徑Do=89mm則H1=1413Do=（22.2529.67）mm ,取H1=25mm。防沖板邊長W、L（上圖（f）應(yīng)大于接管外徑50mm,即為139mm。取W=160mm,L=140mm。防沖板最小厚度Do3000mm時，取兩支座距離LB=（0.50.7）L這里取LB=23L=4000mm4焊接工藝設(shè)計與焊接4.1 .1殼體焊接順序焊接殼體時，應(yīng)先焊筒節(jié)縱縫，焊好后

17、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(yīng)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4-1 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(jìn)行預(yù)熱，采用埋弧自動焊，開V型坡口，采用H08Mn2焊絲和HJ431焊劑，焊完后需將其加熱到600650，要進(jìn)行焊后熱處理，以消除殘余應(yīng)力，而且也可軟化淬硬部位，提高韌性。4.2 換熱管與管板的焊接4.2.1 焊接工

18、藝換熱管與管板的焊接一般采用手工電弧焊，也廣泛采用惰性氣體保護(hù)焊，在此選擇其焊接方式為手工電弧焊。管子的材料為20號鋼，而管板的材料為鍛件Q245R，兩者的焊接性能都較好，由于管板厚度較大，此時應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100200，選用焊條J506，焊后熱處理溫度為600650，以消除殘余應(yīng)力。焊縫圖如下 圖4-24法蘭與短節(jié)的焊接法蘭與筒體的焊接屬于C類接頭。法蘭的材料為鍛件Q245R，筒體的材料為Q245R，其具有良好的綜合機械性能和焊接性能，此時可以采用埋弧自動焊，焊絲為H10MnSiA，焊劑為HJ250，焊后需要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，需要將熱處理溫度控制在550650。圖4-3管板與殼體、封頭的焊接管板、殼體、封頭三者材料全是Q245R，三者的焊接性能都較好而且焊接應(yīng)力不大，在此選擇其焊接方式為埋弧自動焊。但由于管板厚度較大，此時應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100200，選擇焊絲為HO8A，焊劑為HJ431，焊后熱處理溫度為600640，以消除殘余應(yīng)力。其焊接結(jié)構(gòu)如下所示： 圖4-4接管與殼體焊接接管材料為20號鋼，,殼體的材料為Q245R，二者可焊性較好。焊前不需要進(jìn)行預(yù)熱，采用埋弧自動焊，開V型坡口，采用H08A焊絲和HJ431焊劑，接管和殼體厚度都只有10mm,所以焊完后不需要進(jìn)行焊后熱處理。接管采用插入式焊接如下：圖4-5總結(jié)通過本次課程設(shè)計