《管殼式換熱器機械設計》參考資料

1前言 11.1概述 11.1.1換熱器的類型 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殼層強化傳熱 31.6管層強化傳熱 31.7提高管殼式換熱器傳熱能力的措施 41.8設計思路、方法 51.8.1換熱器管形的設計 51.8.2換熱器管徑的設計 51.8.3換熱管排列方式的設計 51.8.4管、殼程分程設計 51.8.5折流板的結(jié)構(gòu)設計 51.8.6管、殼程進、出口的設計 61.9選材方法 61.9.1管殼式換熱器的選型 61.9.2流徑的選擇 81.9.3流速的選擇 91.9.4材質(zhì)的選擇 91.9.5管程結(jié)構(gòu) 92殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算 112.1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 155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 32參考文獻 34小結(jié) 352殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算2.1管徑換熱器中最常用的管徑有φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。所以，在管程結(jié)垢不很嚴重以及允許壓力降較高的情況下，采用φ19mm×2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應常用較大直徑的管子。標準管子的長度常用的有1500mm，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為4—25,常用的為6—10選用Φ25×2.5的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼，管長4.5m。2.2管子數(shù)n(2-1)其中安排拉桿需減少6根，故實際管數(shù)n=503-6=497根2.3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，對角線上的管數(shù)為25，查表7-5取管間距a=32mm.2.4換熱器殼體直徑的確定(2-2)其中取，，查表2-5，圓整后取殼體內(nèi)徑00mm2.5換熱器殼體壁厚計算及校核材料選用20R計算壁厚為：,(2-3)式中:為計算壓力，取=1.0MPa；900mm;=0.9;[]t=92Mpa（設殼壁溫度為350°C）將數(shù)值代入上述厚度計算公式，可以得知：查《化工設備機械基礎》表4-11??；查《化工設備機械基礎》表4-9得5.47+1.2+0.25=6.92mm圓整后取復驗，最后取該殼體采用20鋼7mm厚的鋼板制造。1、液壓試驗應力校核(2-4)(2-5)(2-6)查《化工設備機械基礎》附表6-3，可見故水壓試驗強度足夠。2、強度校核設計溫度下的計算應力﹥最大允許工作壓力(2-7)故強度足夠。3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)JB/T4746-2000標準，封頭為DN900×7，查《化工設備機械基礎》表4-15得曲面高度，直邊高度，材料選用20R鋼標準橢圓形封頭計算厚度：(3-1)(3-2)所以，封頭的尺寸如下圖：圖3-1換熱器封頭尺寸4容器法蘭的選擇材料選用16MnR根據(jù)JB/T4703-2000選用DN900，PN1.6Mpa的榫槽密封面長頸對焊法蘭。查《化工設備機械基礎》附表14得法蘭尺寸如下表：表4-1法蘭尺寸公稱直徑DN/mm法蘭尺寸/mm螺柱d規(guī)格數(shù)量900106010159769669635527M2428所以，選用的法蘭尺寸如下圖：圖4-1容器法蘭5管板管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要的受壓器件。5.1管板結(jié)構(gòu)尺寸查（《化工單元設備設計》P25-27）得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸：表5-1固定管板式換熱器的管板的主要尺寸公稱直徑Dbcd螺栓孔數(shù)90010601015966963584427245.2管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異，有在管板上開槽，殼體嵌入后進行焊接，殼體對中容易，施焊方便，適合于壓力不高、物料危害性不高的場合；如果壓力較高，設備直徑較大，管板較厚時，其焊接時較難調(diào)整。5.3管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當大的比重，管板設計與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計算過程較為復雜，而且從不同角度出發(fā)計算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按表5-2選用?？紤]到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動等原因，建議最小厚度應大于20mm。表5-2管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm≤25323857管板厚度/mm3/4222532綜上，管板的尺寸如下圖：圖5-1管板6管子拉脫力的計算計算數(shù)據(jù)按表6-1選取表6-1項目管子殼體操作壓力/Mpa0.820.78材質(zhì)20鋼20R線膨脹系數(shù)彈性模量許用應力/Mpa10192尺寸管子根數(shù)497管間距/mm32管殼壁溫差/℃管子與管板連接方式開槽脹接脹接長度/mm50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(6-1)其中(6-2),mm2、溫差應力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力(6-3)其中(6-4)(6-5)(6-6)由此可知，作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力：q=+=0.08+1.03=1.11﹤4.0(6-7)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：（N）(7-1)壓力作用于殼體上的軸向力：(7-2)其中(7-3)=壓力作用于管子上的軸向力為：則(7-4)根據(jù)GB１５１——１９９９《管殼式換熱器》q﹤［ｑ］＝4.0，條件成立，故本換熱器不必要設置膨脹節(jié)。8折流板設計設置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形[圖8-1（a）]、雙弓形[圖8-1（b）]、三重弓形[圖8-1（c）]等幾種形式。圖8-1弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，見圖8-2（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90°的缺口，見圖8-2（b）。高度為15～20mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用帶堰的折流板，見圖8-2（c）。圖8-2單弓形折流板在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實際仍然需要設置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖8-3。圖8-3折流板安裝圖由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當換熱器內(nèi)流體無相變時，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小，殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設備成本，故此間隙要求適宜。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表8-1所列數(shù)據(jù)。表8-1折流板厚度/mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm≤300300～450450～600600～750＞750200～2503561010400～70056101012700～100068101216＞1000610121616支承板厚度一般不應小于表8-1(左)中所列數(shù)據(jù)。 支承板允許不支承的最大間距可參考表8-1（右）所列數(shù)據(jù)。殼體直徑/mm＜400400～800900～1200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400表8-2支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，h=,折流板間距取600mm,查《化工設備機械基礎》表7-7得折流板最小厚度為4mm,折流板外徑負偏差-0.60查《化工設備機械基礎》表7-9折流板外徑為896mm,材料Q235-A鋼查《化工設備機械基礎》表7-10拉桿12，共10根，材料Q235-AF鋼折流板開孔直徑所以，折流板尺寸如下圖：圖8-4折流板9開孔補強1、確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑由已知條件得殼體計算厚度接管計算厚度為(9-1)其中選用20鋼查附表9得開孔直徑為：(9-2)2、確定殼體和接管實際厚度，開孔有效補強面積及外側(cè)有效補強高度h已知殼體名義厚度，補強部分厚度為接管有效補強寬度為B=2d=(9-3)接管外側(cè)有效補強高度(9-4)3、計算需要補強的金屬面積和可以作為補強的金屬面積需要補強的金屬面積為：(9-5)可以作為補強的金屬面積為：(9-6)(9-7)4、(9-8)5、比較，，所以殼程接管需要補強，而管程接管的公稱直徑較大，也需要補強。常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同即7mm厚的鋼板。綜上，得換熱器開孔補強結(jié)構(gòu)如下圖：圖9-1換熱器開孔補強結(jié)構(gòu)10支座10.1裙座設計采用圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對接焊縫的焊縫受壓，可承受較大的軸向力，故采用對接形式。取裙座外徑與封頭外徑相等。并且取裙座的厚度與封頭的厚度相同，即裙座尺寸為Ф900×7mm.。裙座材料選用Q235-A。圖10-1裙座殼與殼體的對接型式。無保溫層的裙座上部應均勻設置排氣孔，表10-1排氣孔規(guī)格和數(shù)量容器內(nèi)直徑Di600~12001400~2400>2400排氣孔尺寸Φ80Ф80Ф100排氣孔數(shù)量，個24≥4排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離140180220因此設置兩個排氣孔，排氣孔尺寸為Ф80，排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離為140圖10-2裙座上部排氣孔的設置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座殼外，表10-2引出孔尺寸引出管直徑d20、2532、4050、7080、100引出孔的加強管無縫鋼管Ф133×4Ф159×4.5Ф219×6Ф273×8卷焊管--Ф200Ф250引出孔的加強管選用Q235-A的無縫鋼管，引出管直徑選用20圖10-3引出孔結(jié)構(gòu)示意圖10.2基礎環(huán)設計1、基礎環(huán)尺寸的確定（10-1）（10-2）2、基礎環(huán)的結(jié)構(gòu)，基礎環(huán)選用有筋板的基礎環(huán)圖10-4有筋板基礎環(huán)3、有筋板基礎環(huán)厚度的設計（10-3）操作時或水壓試驗時，設備重力和彎矩在混凝土基礎環(huán)（基礎環(huán)底面上）所產(chǎn)生的最大組合應力為基礎環(huán)上的最大壓應力可以認為是作用作用在基礎環(huán)底上的均勻載荷。表4-3混凝土基礎的許用應力Ra混凝土標號Ra/MPa混凝土標號Ra/MPa混凝土標號Ra/MPa753.51005.01507.520010.025013.0同樣，根據(jù)工藝要求和前人的經(jīng)驗，可確定基礎環(huán)的厚度為20mm，材料選用為Q235-A。4.3地腳栓的設計為了使塔設備在刮風或地震時不至翻倒，必須安裝足夠數(shù)量和一定直徑的地腳螺栓，把設備固定在基礎環(huán)上。地腳螺栓承受的最大拉應力為如果，則設備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設備的位置，應設置一定數(shù)量的地腳螺栓。如果，則設備必須安裝地腳螺栓，并進行計算。計算時可先按4的倍數(shù)假設地腳螺栓的數(shù)量為n，此時地腳螺栓的螺紋小徑（mm）:螺紋小徑與公稱直徑見下表。表10-4螺紋小徑與公稱直徑對照表螺栓公稱直徑螺紋小徑/mm螺栓公稱直徑螺紋小徑/mmM2420.752M2723.752M3026.211M3631.670M4237.129M4842.588M5650.046選用Q235-A，計算后，選取地腳螺栓為，n=8,相應螺母M30，8個，則其尺寸查表，得表10-5M30螺母的尺寸螺栓M3036422812300120170

符號說明tt——操作狀態(tài)下管壁溫度，°C;F——換熱面積，㎡；ts——操作狀態(tài)下殼壁溫度，°C；a——管間距，mm；Ф——焊接接頭系數(shù)，無量綱；di——殼體內(nèi)徑，mm；b——正六邊形對角線上的管子數(shù)，個；do——殼體外徑，mm；Lｎ——換熱管長度，ｍｍ；Pc——計算壓力，MPa;d均——管子的平均直徑，mm；Pw——工作壓力，MPa;［Pｗ］——最大允許工作壓力，MPa；P——設計壓力，MPa;PT——水壓試驗壓力，MPa;δ——計算壁厚，mm；DN——直徑（公稱），ｍｍ；δd——設計壁厚，mm；ＰＮ——公稱壓力，MPa；δn——名義壁厚，mm；Ｐｔ——管子的工作壓力，MPa；δe——有效壁厚，mm；Ｐｓ——殼體的工作壓力，MPa；C——厚度附加量，mm；△ｔ——管殼壁溫度，°Ｃ;C1——鋼板的負偏差，mm；［ｑ］——許用拉脫力，MPa;C2——腐蝕欲量，mm；ａ——線膨脹系數(shù)，１／°C;σs——屈服點，MPa；ｆ——每四根管子之間的面積，mm２；h1——曲面高度，mm；Aｔ——換熱管截面面積，mm２；ho——短圓筒長度，mm；Aｓ——殼壁橫截面面積，mm２；h2——直邊長度，mm；F１——管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力，N；E——彈性模量，ＭＰａ；F2——壓力作用于殼體上的軸向力，N；ｑｔ——溫差應力，ＭＰａ；F3——壓力作用于管子上的軸向力，N；——①脹接長度，mm；②最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，mm；ｑｐ——在操作壓力下，每平方米脹接周邊受到的力，ＭＰａ；參考文獻［1］匡國柱史啟才：《化工單元過程與設備設計》；［2］秦叔經(jīng)、葉文