160㎡固定管板式換熱裝置設(shè)計大學(xué)畢設(shè)論文

-第一章引言1.1換熱器的用途換熱器的作用是將熱的流體的所具有的部分熱量傳遞給冷的流體的轉(zhuǎn)換設(shè)備。換熱器在生產(chǎn)中和生活中應(yīng)用廣泛，例如樓體取暖的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的冷凝器等，都屬于換熱器。[1]。換熱器在節(jié)能技術(shù)改革中具有的作用表現(xiàn)在兩個方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器的效率顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著提高設(shè)備的熱效率[2]。1.2換熱器的分類換熱器的分類方法有很多種。按其用途：可將換熱器分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器[3~4]。按其傳熱方式和作用原理：可分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器等。在這其中，間壁式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對廣泛。根據(jù)其換熱面的形狀可以分為板面式、管式、擴(kuò)展表面等形式。在這其中管式換熱器的應(yīng)用較為廣泛，管式管熱氣是通過換熱的管壁傳到熱量的。管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、制造簡單、材料廣泛等優(yōu)點，應(yīng)用較廣泛[5]。管殼式換熱器的形式：管殼式換熱器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器、釜式重沸器等[6~8]。1.3換熱器的發(fā)展趨勢上個世紀(jì)20年代誕生板式換熱器，它主要應(yīng)用在食品行業(yè)中。板式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)熱效果佳等優(yōu)點因此衍生成為很多種形式，知道上個世紀(jì)30年代，瑞典人提出螺旋板換熱器[9~12]。到1930左右，瑞典人既上一次又制造出一臺板殼式換熱器，主要應(yīng)用與紙漿生產(chǎn)[13]。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用[14]。加強(qiáng)生產(chǎn)制造成本的標(biāo)準(zhǔn)系列化，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊型，提高設(shè)備的傳熱效率是單簽換熱器發(fā)展的趨勢。并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化發(fā)展，并CDF（ComptationalFluidDynamics）模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成一個高技術(shù)體系[15~16]。板翅式換熱器（冷箱）應(yīng)用在乙烯裂解，天然氣液化還有空氣分離等。我國杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司（杭氧）在引進(jìn)美國S-W公司技術(shù)和關(guān)鍵加工設(shè)備——大型真空釬焊爐基礎(chǔ)上，生產(chǎn)制造出的乙烯冷箱，設(shè)計水平和制造能力已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在燕山，揚(yáng)子，上海，天津，廣州及齊魯?shù)纫蚁└脑祉椖恐械玫綉?yīng)用。板翅式換熱器流道多達(dá)15股，單體外形尺寸達(dá)6m×1.1×1.154m,最高設(shè)計壓力達(dá)5.12Mpa。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大和使用范圍廣等獨(dú)特優(yōu)點，一直被廣泛應(yīng)用。尤其在高溫高壓和大型化的場合下，以及制造工藝上的進(jìn)一步自動化和機(jī)械化，管殼式換熱器今后將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展[17]。第二章固定管板式換熱器的工藝計算2.1估算換熱面積2.1.1選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度170℃，出口溫度140℃；冷流體進(jìn)口溫度70℃，出口的溫度為90℃，所以初步確定為固定式管板式換熱器。2.1.2流程安排從兩物流的操作壓力來看，應(yīng)使溫度低的走管程，溫度高的走殼程。2.1.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程流體的定性溫度為：管程流體的定性溫度為：根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。在155℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度=1.38kg/定壓比熱容=1.038kJ/kg·℃熱導(dǎo)率=0.0545W/m·℃粘度=2.3×Pa·sN2在80℃下的物性數(shù)據(jù)：密度=1.14kg/定壓比熱容=1.038kJ/kg·℃熱導(dǎo)率=0.051W/m·℃粘度=2.1×Pa·s2.1.4傳熱量與冷水流量1.熱流量：（2-1）2.平均傳熱溫差:（2-2）2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.2.1管徑和管內(nèi)流速換熱管的規(guī)格就是管長還有管徑，換熱管的管徑越大，換熱器的單位體積換熱面積反之就小。對于干凈的流體管徑取值可以小一些，但是一些不是很潔凈的流體管徑，取值就應(yīng)該大一些，避免發(fā)生堵塞現(xiàn)象。在本次設(shè)計中選用Φ25×2較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速=10.8m/s2.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定傳熱管數(shù)：（2-4）傳熱管總根數(shù)平均溫差校正系數(shù)：按單殼程，兩管程結(jié)構(gòu)，查得：平均傳熱溫差：（℃）（2-7）由于平均溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.2.4傳熱管排列和分程方法管道的排列方式通?？梢苑譃槿N：三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形。通過比較，等邊三角形排列是比較緊湊的，管道外部流體湍動程度較高，其表面的傳熱系數(shù)較大。正方形排列雖然比較松散傳熱較差，但是管道外部清洗比較方便，通常對于易長生污垢的流體更為適用。圖2.1換熱管排列方式綜合本設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)考慮采用正三角形排列方法。取管心距（焊接時），則（2-8）隔板中心到力氣最近一排管中心距離：（2-9）2.2.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為：=600(mm)（2-10）按卷制殼體的進(jìn)級檔，可取600mm。2.2.6折流板折流板的安裝是為了提高管道外部對流傳熱的系數(shù)，其擋板的間距與形狀需要適當(dāng)，本文所設(shè)計內(nèi)容采用截面形狀為弓形的折流板，弓形大小會增加流體的阻力，太小則不會利于傳熱。取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：（mm）故可取h=1665（mm）取折流板間距，則：（mm）故可取B=333（mm）折流板數(shù)：（2-11）2.2.7其他附件根據(jù)本換熱器殼體的內(nèi)徑，故按標(biāo)準(zhǔn)取拉桿直徑為，拉桿數(shù)量4根。殼程入口處應(yīng)設(shè)防沖擋板[19]。如下表所得：表2-1拉桿直徑表換熱管外徑d拉桿直徑dn10≤d≤141014〈d〈251225≤d≤57162.2.8接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流速為，則接管內(nèi)徑為:（2-12）圓整后可取內(nèi)徑為360mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速，則接管內(nèi)徑為：（2-13）圓整后取管內(nèi)徑為300mm。2.3換熱器核算2.3.1熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算，（2-14）當(dāng)量直徑：（2-15）殼程流通截面積：（2-16）殼體流體流速及雷諾數(shù)分別為：（2-17）（2-18）普朗特數(shù)：（2-19）粘度校正：則：（2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：（2-20）管程流體流通截面積：（2-21）管程流體流速：普朗特數(shù)：（2-22）（3）污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為管壁熱阻為：（4）傳熱系數(shù)（2-23）2.3.2壁溫核算取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫（2-27）式中液體的平均溫度和為：（℃）（2-28）（℃）（2-29）傳熱管平均壁溫：℃殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：由于換熱器殼程流體的溫差不大，殼程壓力不高，因此，選用固定管板式換熱器較為適宜。2.3.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力（2-30）（2-31）傳熱管對粗糙度，查圖得流速，（Pa）（Pa）（2-32）(Pa)管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)[19]。（2）殼程阻力（2-33）.（2-34）（2-35）m/s(Pa)流體流過折流板缺口的阻力：（2-36）m,m（Pa）總阻力：（Pa）由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。2.4換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表2-2物性參數(shù)表參數(shù)管程殼程流率/（Kg/h）148971347600進(jìn)/出溫度/℃110/6029/39壓力/MPa0.90.4定性溫度/℃80155密度/（Kg/m3）1.381.14定壓比熱容/KJ/(Kg.K)1.0381.038粘度/cp0.2110.23熱導(dǎo)率/[W/(m.℃)]0.0510.054普朗特數(shù)4.424設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)：殼體內(nèi)徑/mm：600，殼程數(shù)：1，管徑/mm：?25×2，材質(zhì)：碳鋼，管心距/mm：25，管數(shù)目/根：450，折流板數(shù)/個：11，傳熱面積/㎡：160，折流板間距/mm：2000，管程數(shù)：2。表2-3計算結(jié)果表主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）10.820表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(㎡.℃)]76371565污垢熱阻/（㎡.h.℃/Kcal）0.00020.000176阻力/MPa0.02880.025傳熱溫差/K62.3面積裕度％17.9PAGE24第三章強(qiáng)度計算3.1筒體壁厚計算由工藝設(shè)計給定的設(shè)計溫度155℃，設(shè)計壓力=1.1=1.1×0.9=0.99，選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16MnR卷制.材料170℃時的許用應(yīng)力=170Mpa（假設(shè)厚度為6～16mm時）[12]取焊縫系數(shù)=0.85,腐蝕裕度C2=2mm.則計算厚度（3-1）設(shè)計厚度（3-2）對于16MnR，鋼板負(fù)偏差，因而可取名義厚度。有效厚度（3-3）水壓試驗壓力（3-4）所選材料的屈服應(yīng)力水壓試驗應(yīng)力校核（3-5）水壓強(qiáng)度滿足要求.氣密試驗壓力3.2管箱短節(jié)、封頭厚度的計算3.2.1管箱短節(jié)厚度的計算由工藝設(shè)計給定設(shè)計參數(shù)為:設(shè)計溫度60℃,設(shè)計壓力=1.1=1.1×0.4=0.44,選用16MnR鋼板,材料許用應(yīng)力=170Mpa,屈服強(qiáng)度,取焊縫系數(shù)計算厚度（3-6）設(shè)計厚度（3-7）名義厚度（3-8）綜合考慮結(jié)構(gòu),補(bǔ)強(qiáng),焊接的需要,取有效厚度（3-9）3.2.2封頭厚度的計算殼體封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計算厚度（3-10）名義厚度（3-11）為了便于選材殼體封頭厚度取與短節(jié)厚度相同.有效厚度壓力試驗應(yīng)力校核水壓試驗壓力（3-12）（3-13）3.3管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法,由工藝設(shè)計給定的接管尺寸為考慮實際情況選20號熱軋?zhí)妓劁摴?,腐蝕裕度（3-14）接管計算壁厚（3-15）接管有效壁厚（3-16）開孔直徑（3-17）接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度（3-18）接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度（3-19）需要補(bǔ)強(qiáng)面積（3-20）可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為（3-21）（3-22）（3-23）該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。3.4殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)。選取20號熱軋?zhí)妓劁摴?，鋼管的許用應(yīng)力，接管計算壁厚（3-24）接管有效壁厚（3-25）開孔直徑（3-26）接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度（3-27）接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度（3-28）需要補(bǔ)強(qiáng)面積（3-29）可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為（3-30）（3-31）（3-32）無需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。3.5管板設(shè)計及校核3.5.1管板計算的有關(guān)參數(shù)的確定計算殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積（3-33）圓筒殼壁金屬的橫截面積（3-34）一根換熱管管壁金屬的橫截面積（3-35）（3-36）兩管板間換熱管有效長度(估計管板厚度為)（3-37）管束模數(shù)根據(jù)查得(換熱管材料為)（3-38）管子回轉(zhuǎn)半徑（3-39）管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度由,確定（3-40）取（3-41）管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力根據(jù)查得[4]（3-42）,由公式得為（3-43）管板開孔后面積（3-44）管板布管區(qū)面積（3-45）管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑（3-36）系數(shù)為（3-37）殼體不帶波形膨脹節(jié)時,換熱管束與圓筒剛度比（3-38）系數(shù)、、（3-39）（3-40）（3-41）管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比（3-42）3.5.2計算法蘭力矩根據(jù),殼程直徑,選用甲型平焊法蘭,直徑螺柱選用,數(shù)量,材料為。預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積墊片選用石棉橡膠板墊片,公稱直徑,公稱壓力P=1.0Mpa墊片型號:1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根據(jù)表查得系數(shù)，比壓力。3.5.3管板的計算的相關(guān)參數(shù)確定假定管板的計算厚度，則換熱管的加強(qiáng)系數(shù)為（3-43）剛度參數(shù)計算及某些系數(shù)的確定確定（根據(jù)）（3-44）（3-45）（3-46）3.5.4確定和由和根據(jù)查得（3-47）3.5.5對于其延長部分兼作法蘭的管板計算計算（3-48）由和根據(jù)查得計算（3-49）（3-50）（3-51）3.5.6設(shè)計條件不同的組合工況殼程壓力作用下的危險組合殼程壓力管程壓力不計膨脹由和根據(jù)查得則取與中較大的值（3-52~55）（1）管板應(yīng)力（3-56）（3-57）（3-58）（2）殼體法蘭應(yīng)力（3-59）按（3-60）（3）管子應(yīng)力（3-61）（4）殼程圓筒軸向應(yīng)力（3-62）（5）拉脫應(yīng)力連接形式選用焊接（3-63）管程壓力作用下的危險組合殼程壓力管程壓不計膨脹差（3-64~67）由和根據(jù)查得則（3-68~71）（1）管板應(yīng)力（3-72）（3-73）（3-74）（3-75）（2）殼體法蘭應(yīng)力（3-76）按（3-77）（3）管子應(yīng)力（3-78）（4）殼程圓筒軸向應(yīng)力（3-79）（5）拉脫應(yīng)力連接形式選用焊接（3-80）計算結(jié)果表明進(jìn)行的管板設(shè)計合格。第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1折流擋板擋板的間距對于殼程的流動具有很重要的影響。擋板的間距過小，則不方便制造和維修，太大怎會造成管道外部流體系數(shù)下降。通常擋板的間距為殼體內(nèi)徑的0.2倍到1.0倍。我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7種；浮頭式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm8種[18]。4.2法蘭設(shè)備法蘭標(biāo)準(zhǔn)有：JB4710甲型平焊法蘭選用壓力范圍為0.25～1.6MpaJB4702乙形平焊法蘭選用壓力范圍為0.25～4.0MpaJB4703長頸對焊法蘭選用壓力范圍為0.6～6.4Mpa本設(shè)計選用JB4701甲型平焊法蘭選用壓力范圍為0.25～1.6Mpa。4.3換熱管目前我國試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用Φ25×2和Φ19×2兩種規(guī)格，對于一般流體是適用的。此外還有Φ38×2.5，Φ57×2.5的無縫鋼管。本設(shè)計選用Φ25×2規(guī)格的換熱管。我國生產(chǎn)的鋼管系列標(biāo)準(zhǔn)中管長有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管長合理截取。同時管長又應(yīng)與殼徑相適應(yīng)，一般管長與殼徑之比，即L/D為3～4.5。本設(shè)計選用3m的管長。管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊管外流體湍流程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對亦結(jié)垢流體更為適用。本設(shè)計選用等邊三角形的排列方式[18]。4.4支座化工壓力容器及設(shè)備都是通過支座固定在工藝流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大類：立式容器支座、臥式容器支座、球式容器支座。臥式容器支座又可分為鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最為廣泛。鞍式支座的結(jié)構(gòu)特征：1.鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)分輕型（代號A）和重型（代號B）兩種。輕型用于滿足一般臥式容器使用要求；重型用以滿足臥式換熱器、盛裝液體重度大和L/D大的臥式容器使用要求。2.根據(jù)安裝形式，鞍式支座分固定式（代號F）和滑動式（代號S）兩種。3.鞍式支座適用于臥式容器直徑DN159～426（用無縫管件筒體）、300～4000（用卷制筒體）的范圍內(nèi)[22]。本設(shè)計選用鞍式支座[23]圖4.1鞍式支座4.5壓力容器選材原則1.選用壓力容器材料時，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和介質(zhì)特征；材料的使用性能，如機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經(jīng)濟(jì)合理性能，如材料的價格、制造費(fèi)用和使用壽命。2.剛制壓力容器用鋼材應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器》中所列材料選用，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計壓力不大于35Mpa，對于超出規(guī)定的，應(yīng)進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行試驗，經(jīng)過研究以后決定。3.鋼材的使用溫度不超過各鋼號許用應(yīng)力中所對應(yīng)的上限溫度。但要注意的是，碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃溫度下長期使用時，應(yīng)考慮鋼中碳化物的石墨化傾向。奧氏體剛的使用溫度高于525℃時，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04％，對于≤-20℃的低溫容器材料用鋼，還應(yīng)進(jìn)行夏比“V”型缺口沖擊試驗。4.壓力容器非受壓元件用鋼必須有良好的可焊性。5.在考慮壓力容器受壓元件有足夠強(qiáng)度的情況下，必須考慮他的韌性，以防止外加載荷作用下發(fā)生脆性破壞[22]。4.6墊片設(shè)備墊片標(biāo)準(zhǔn)主要有：JB4704非金屬軟墊片JB4705纏繞墊片JB4706金屬包墊片一般情況下，非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。法蘭密封面形式為光滑密封面或凹凸密封面。纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。非金屬軟墊片厚度一般根據(jù)容器直徑選取：容器直徑DN≤450mm時，厚度δ=2mm；容器直徑DN〉4500mm時,厚度δ=3mm。金屬平墊片厚度一般為3～6mm。墊片的選擇要綜合考慮操作介質(zhì)的性質(zhì)、操作壓力、操作溫度以及需要密封的程度；對墊片本身要考慮墊片性能，壓緊用的次數(shù)。對高溫高壓的情況一般多采用金屬墊片；中溫中壓可采用金屬和非金屬組合式或非金屬墊片；中低壓情況多采用非金屬墊片；高真空或深冷溫度下以采用金屬墊片為宜。根據(jù)本設(shè)計要求選用石棉橡膠板墊片，確定墊片系數(shù)m=2.5，比壓力y=20MPa，墊片尺寸D=944㎜,d=904㎜。結(jié)論半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，我完成了固定管板式換熱裝置的工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度設(shè)計的計算，確定了設(shè)備結(jié)構(gòu)，完善了設(shè)計圖紙。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，使我系統(tǒng)全面地了解了化工設(shè)備的設(shè)計過程，對化工設(shè)備有了更深刻、全面地認(rèn)識，拓寬了知識領(lǐng)域，為今后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。本設(shè)計主要進(jìn)行了換熱面積估算,實際換熱面積為160㎡,工藝結(jié)構(gòu)尺寸的確定，殼體內(nèi)徑為600,換熱管規(guī)格為Φ25×2；流動阻力計算；零部件選型，選用甲型平焊法蘭，墊片選用石棉橡膠板墊片，鞍式支座，折流板選用弓形折流板，螺栓規(guī)格M12×60；設(shè)備強(qiáng)度計算，經(jīng)計算及校核后，所得的數(shù)據(jù)均符合要求。參考文獻(xiàn)