固定管板式換熱器課設(shè)

1、.江漢大學(xué)課題名稱(chēng)： 固定管板式換熱器設(shè)計(jì) 系 別： 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 過(guò)控121班 學(xué) 號(hào)： 122209104119 姓 名： 庫(kù)勇智 指導(dǎo)教師： 楊繼軍 時(shí) 間： 2016年元月 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：固定管板式換熱器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的：1. 實(shí)用國(guó)家最新壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，掌握典型的過(guò)程裝備設(shè)計(jì)的全過(guò)程。2. 掌握查閱和綜合分析文獻(xiàn)資料的能力，進(jìn)行設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)方案的可行性研究和論證。3. 掌握軟件強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，要求設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，正確掌握計(jì)算機(jī)操作和專(zhuān)業(yè)軟件的實(shí)用。4. 掌握?qǐng)D紙的計(jì)算機(jī)繪圖。二、設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)條件單名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水甲醇工

2、作壓力0.45Mpa0.05Mpa操作溫度4070推薦鋼材10，Q235-A，16MnR換熱面積60推薦管長(zhǎng)=2532-3940-7576-1352m253m管口表符號(hào)公稱(chēng)直徑用途a200冷卻水金口b200甲醇蒸汽進(jìn)口c20放氣口d70甲醇物料出口e20排凈物f200冷卻水出口三、設(shè)計(jì)要求：1.換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.繪制固定管板式換熱器裝配圖（一張一號(hào)圖紙）3.管長(zhǎng)與殼體內(nèi)徑之比在3-20之間四、主要參考文獻(xiàn)1.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，GB150-2011壓力容器，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.2.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程

3、，新華出版社，2009.3.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，GB151-1999管殼式換熱器，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.4.天津大學(xué)化工原理教研室，化工原理上冊(cè)，姚玉英主編，天津科學(xué)技術(shù)出版社，2012.5.鄭津樣，董其伍，桑芝富主編，過(guò)程裝備設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.6.趙惠清，蔡紀(jì)寧主編，化工制圖，化學(xué)工業(yè)出版社，2008。7.潘紅良，郝俊文主編，過(guò)程裝備機(jī)械設(shè)計(jì)，華東理工大學(xué)出版社，2006。8.EU施林德?tīng)栔骶?，換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)第四卷，機(jī)械工業(yè)出版社，1989.前言換熱設(shè)備是用于兩種或兩種以上流體間、一種流體一種固體間、固體粒子間或者熱接觸且具有不同溫度的同一種流體間熱量（或焓)傳遞的裝

4、置。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、冶金、交通、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)重要工藝設(shè)備之一，其正確的設(shè)置，性能的改善關(guān)系各部門(mén)有關(guān)工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及能源的有效利用與節(jié)約，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著十分重要的影響。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過(guò)程規(guī)定的指標(biāo)，以滿(mǎn)足工藝過(guò)程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低品位熱能的有效裝置。換熱器的型式繁多，不同的使用場(chǎng)合使用目的不同。其

5、中常用結(jié)構(gòu)為管殼式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、選材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)，在各工業(yè)部門(mén)應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五類(lèi)。 固定管板式換熱器固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：1、旁路滲流較??；2、鍛件使用較少，造價(jià)低；3、無(wú)內(nèi)漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%30%。固定管板式換熱器的缺點(diǎn)

6、是：1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t50,當(dāng)t50時(shí)必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；2、易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；3、殼程無(wú)法機(jī)械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低。固定管板式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)除了最關(guān)鍵的換熱板片以外，還有兩塊墻板，我們稱(chēng)為框架板和壓力板，框架板為外側(cè)不可活動(dòng)的墻板，壓力板為換熱板片另一側(cè)的可用拉桿螺栓調(diào)整位置的墻板；數(shù)根拉桿螺栓，用來(lái)加緊框架板和壓力板；立柱；上下導(dǎo)桿，連接在框架板和立柱之間，用來(lái)支撐并給壓力板和換熱。半片導(dǎo)向；框架板和立柱上可安裝底腳底腳，用于固定機(jī)器。除此以外，還可以有法蘭，過(guò)濾器，溫度計(jì)和壓力計(jì)等一系列附件。固定管

7、板式換熱器管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體與管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。主要由殼體、換熱管束、管板、前端管箱（又稱(chēng)頂蓋或封頭）和后端結(jié)構(gòu)等部件組成。管束安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在管板上。管箱和后端結(jié)構(gòu)分別與殼體兩端的法蘭用螺栓相連，檢修或清洗時(shí)便于拆卸。換熱器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣最終要看是否適用、經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)行靈活可靠、檢修清理方便等等。 一個(gè)傳熱效率高、緊

8、湊、成本低、安全可靠的換熱器的產(chǎn)生，要求在設(shè)計(jì)時(shí)精心考慮各種問(wèn)題.準(zhǔn)確的熱力設(shè)計(jì)和計(jì)算，強(qiáng)度和工藝條件。目錄一、設(shè)計(jì)計(jì)算1. 工藝條件.112. 計(jì)算（1） 管子數(shù) n.11（2） 管間距的確定.12（3） 換熱器殼體直徑的確定.12（4） 換熱器殼體壁厚的計(jì)算.12（5） 換熱器封頭選擇.13（6） 容器法蘭選擇.13（7） 管板尺寸的確定.14（8） 管箱.14（9） 折流板設(shè)計(jì).14（10） 支座15（11） 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)15（12） 管子脫拉力計(jì)算16（13） 是否安裝膨脹節(jié)17（14） 接管、法蘭18（15） 連接緊固件20（16） 防沖板.20（17） 水壓試驗(yàn)20二、結(jié)構(gòu)連接211.

9、換熱管與管板的連接.212.管板與殼體，管箱的連接213.管法蘭與接管的連接22三、設(shè)備總裝.23四、個(gè)人總結(jié).26一、設(shè)計(jì)計(jì)算1、 工藝條件 名稱(chēng)管程 殼程 物料名稱(chēng)循環(huán)水 甲醇 工作壓力0.45MPa 0.05MPa 操作溫度40 70 推薦鋼材10, Q235 - A , 16MnR 換熱面積60 m 2 管長(zhǎng)2.5m 管徑=25mm*2.5mm2、計(jì)算(1)管子數(shù)n選的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)20號(hào)鋼，管長(zhǎng)3m。因?yàn)樗捎谜切闻帕?，正三角形排列比較緊湊，在一定的殼徑內(nèi)可排列較多的管子，且傳熱效果好，但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗方便，適用于殼程中的流體易結(jié)垢的情況，其傳熱效果較正

10、三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯(cuò)列，用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢，后者殼側(cè)污垢可以用化學(xué)處理掉的場(chǎng)合。由化工原理上冊(cè)附錄28查得中心排管為23，換熱器內(nèi)管子總根數(shù)為467，取拉桿數(shù)為10，所以實(shí)際管數(shù)457根管程分程，管程數(shù)取1層(2)管間距的確定由于換熱管外徑為25mm，化工原理上冊(cè)附錄28得管間距。(3) 換熱器殼體直徑的確定 式中 換熱器內(nèi)徑，mm； 正六角形對(duì)角線(xiàn)上的管子數(shù)，中心排管數(shù) 最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取mm。故 mm圓整后取殼體內(nèi)徑(4)換熱器殼體壁厚的計(jì)算材料選用Q345R，計(jì)算壁厚式中 計(jì)算壓力，取 故因?yàn)?，所以取。查HG/T20580-20581-

11、2011化工設(shè)備手冊(cè)腐蝕裕量，對(duì)Q345R鋼板負(fù)偏差。圓整后取。(5)換熱器封頭選擇左右封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T 4746-2002標(biāo)準(zhǔn)，封頭為，曲面高度,直邊高度，材料選用Q345R。(6)容器法蘭的選擇材料選用20號(hào)鋼。根據(jù)JB/T 4701-2000標(biāo)準(zhǔn)，選用DN800，的平封面甲型平焊法蘭。DN=800mm；D=930mm；圖2-1 換熱器封頭圖2-2容器法蘭(7)管板尺寸的確定 選用固定式換熱器管板型，并兼作法蘭，材料選用16Mn鍛件。直徑D=930mm，厚度管板尺寸查GB151-1999，則管板管孔直徑為25.25mm。(8)管箱公稱(chēng)直徑DN=800mm厚度為6mm由

12、于殼層為甲醇，較清潔，可選結(jié)構(gòu)為封頭管箱，管箱筒節(jié)長(zhǎng)l=400mm。(9)折流板設(shè)計(jì)折流板選用弓形，高度折流板間距取500mm;查GB151-1999管殼式換熱器5.9表34得折流板最小厚度為6mm，折流板外徑為DN-4.5即795.5mm，查5.9表39管孔直徑為25.8mm，材料為Q235-A鋼。拉桿查GB151-1999管殼式換熱器表43和44選用直徑，數(shù)量8根，材料為Q235-A鋼。(10)支座采用雙鞍座，根據(jù)JB/T 4712-2007，鞍座DN BI800-S，選用120度包角， L=2500mm，LB=0.6L=1500mm A=0.2L=500mm。鞍座材料選用Q235-A，墊

13、板材料選用16MnR。查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸為: 鞍式支座的結(jié)構(gòu)參數(shù)（JB/T4712.1-2007）公稱(chēng)直徑/DN鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距L3b33弧長(zhǎng)800200720150101040012010940260665530(11)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器換熱器殼體和封頭上的接管處開(kāi)孔需要補(bǔ)強(qiáng)，常用的結(jié)構(gòu)是在開(kāi)孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同，即6mm厚的16MnR鋼板。其補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖2-3開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)（12）管子拉脫力計(jì)算計(jì)算數(shù)據(jù)按表1選取。表1項(xiàng)目 管子 殼體 操作壓力/MPa 0.45 0.05 材質(zhì) 20鋼 16

14、MnR線(xiàn)膨脹系數(shù)/(1/) 彈性模量/MPa 許用應(yīng)力/ MPa 130 189 尺寸/mm 管子根數(shù) 457管間距/mm 32 管殼壁溫差/ 管子與管板的連接方式 強(qiáng)度脹接 脹接長(zhǎng)度/mm 在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中 ，溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中由上述計(jì)算有由于管子和管板的連接采用強(qiáng)度脹接，管子的許用拉脫力遠(yuǎn)小于0.5倍材料的許用應(yīng)力。因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。（13） 計(jì)算是否安裝膨脹節(jié) 管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力：壓力作用于殼上的軸向力：其中 =77665.9（N）則壓力作用于管子上的軸向力：則 根據(jù)GB 151-1999管殼式換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)

15、定，在考慮熱應(yīng)力的情況下管子和殼體上的應(yīng)力均小于3倍的許用應(yīng)力，實(shí)際所求的應(yīng)力均較小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故本換熱器不必安裝膨脹節(jié)。(14)接管、法蘭殼層接管在入口處加以擴(kuò)大，做成喇叭形，起緩沖效果，或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板。接管材料選用20號(hào)鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)條件管口公稱(chēng)直徑，查HG/T20592鋼制管法蘭選用對(duì)勁平焊法蘭，公稱(chēng)壓力為0.6MPa。材料為20號(hào)鋼。對(duì)于DN200選取mm接管,對(duì)于DN70選取mm接管, 對(duì)于DN20選取mm接管。接管高度公稱(chēng)直徑/mmDN 200DN80DN20接管高度/mm200150150根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ),由于換熱器的壓力不高，而且流體無(wú)毒，所以選用對(duì)頸平焊法蘭

16、，材料選用20號(hào)鋼，密封面型式選用突面密封，其公稱(chēng)直徑分別為：對(duì)頸平焊鋼制管法蘭（摘自HG/T 20593-2009）公稱(chēng)直徑DN管子直徑連 接 尺 寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B1法蘭外徑D螺栓中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋PN0.6MPa20259065114M1014268089190150184M161891200219320280188M1622222（15）連接緊固件因?yàn)榻橘|(zhì)僅為水和甲醇，因此密封性要求一般，因?yàn)檫x擇墊片采用價(jià)格相對(duì)較低的石棉橡膠板，螺母螺栓選用Q235-A。墊片尺寸D=844，d=804。石棉橡膠板（16） 防沖板本課程設(shè)計(jì)的殼程流體為甲醇蒸汽，其，故不需防沖板

17、。（17）.水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)壓力 所選材料的屈服應(yīng)力 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 所以，水壓試驗(yàn)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。二、結(jié)構(gòu)連接1換熱管與管板的連接選用強(qiáng)度焊接連接。制造加工方便，保證換熱管與管板連接的密封性和抗拉脫強(qiáng)度的焊接，目前采用較廣泛。 查GB151，可知其相接各部分的尺寸如下：換熱管外伸長(zhǎng)度換熱管規(guī)格外徑×壁厚25×2.5換熱管最小伸出長(zhǎng)度/K/mm0.52.管板與殼體及管箱的連接管板與殼體及管箱的連接3.管法蘭與接管連接管法蘭與接管采用內(nèi)外焊接 管法蘭與接管焊接 三、設(shè)備總裝 1. 換熱管 直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應(yīng)該進(jìn)行校直，管子兩端須用磨管機(jī)清除氧化皮、鐵銹

18、、及污垢等雜質(zhì)直至露出金屬光澤。除銹長(zhǎng)度不小于兩倍管板厚度。當(dāng)管子與管板的連接采用脹接工藝時(shí)，管端硬度應(yīng)低于管板硬度。同一根換熱管的對(duì)接焊縫，直管不得超過(guò)一條；包括至少50mm直管段范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。管端破口應(yīng)采用機(jī)械方法加工，焊前應(yīng)清洗干凈。 換熱管組裝要求兩管板相互平行，允許誤差不得大于1mm，兩管板間長(zhǎng)度誤差為±2mm；管子與管板應(yīng)垂直；拉感應(yīng)牢靠固定；定距管兩端面要整齊；穿管時(shí)管子頭不能用鐵器直接敲打。2. 筒體換熱器筒體的圓度要求較高，必須保證殼體與折流板之間有合適的間隙。如太大就要影響換熱效果，太小就要增加裝配的難度。切割好的鋼板應(yīng)根據(jù)鋼板厚度、操作壓力高低選定破口形

19、式進(jìn)行邊緣加工。用鋼板卷制時(shí)，內(nèi)直徑允許偏差可通過(guò)外圓周長(zhǎng)加以控制，其外周長(zhǎng)允許上偏差10mm；下偏差為0。3 . 封頭和管箱 封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。分程隔板兩側(cè)全長(zhǎng)均應(yīng)焊接，并應(yīng)具有全焊透的焊縫。由于焊接應(yīng)力較大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理，最后進(jìn)行機(jī)械加工。4. 折流板由于折流板很薄，鉆孔時(shí)鉆頭的推力使管板中心變形，故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點(diǎn)焊、然后一起鉆孔。 為了保證順利穿管，必須是折流板的管孔與管板中心在同一直線(xiàn)上，可以將管板當(dāng)作鉆模放在折流板上，壓緊后進(jìn)行引孔，即以管板危機(jī)出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔

20、，然后取下管板，將折流板壓緊，并換上合適的鉆頭。5. 管板 管板由低合金鋼鍛件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超過(guò)此值，應(yīng)先進(jìn)行校平，然后進(jìn)行加工。 拼接管板的對(duì)接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線(xiàn)或超聲檢測(cè)，按JB4730-94進(jìn)行表面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不低于級(jí)，或超聲檢測(cè)中的級(jí)為合格。 換熱管與管板的連接：二者采用焊接的形式連接，連接部位的換熱管和管板孔表面，應(yīng)清理干凈，不得有毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。焊渣及凸出于換熱器內(nèi)壁的焊瘤均應(yīng)清除。 管板與換熱管焊接時(shí)，管孔表面粗糙度Ra值25µm。6. 換熱器安裝1.安裝位置：根據(jù)該換熱器的結(jié)構(gòu)形式，在換熱器的兩端留有足夠的空間來(lái)滿(mǎn)足拆裝、維修的需要。2.基礎(chǔ)：必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動(dòng)支座的一端應(yīng)予埋滑板。3.地腳螺栓和墊鐵（1）活動(dòng)支座的地腳螺栓應(yīng)裝有兩個(gè)緊鎖的螺母，螺母與底板間應(yīng)留有13mm的間隙。（2）地腳螺栓兩側(cè)均有墊鐵。設(shè)備找平后，斜墊鐵，可與設(shè)備支座底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。（3）墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。四、個(gè)人總結(jié) 為期兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)就要結(jié)束，這次設(shè)計(jì)的是固定管板式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)。雖然為期不長(zhǎng)，但收獲頗多。