單殼程雙管程管殼式換熱器設(shè)計

課程設(shè)Y題目：單殼程雙管程管殼式換熱器設(shè)計（立式）專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)班級：0703班姓名：肖黎鴻成績： 導(dǎo)師簽字：2010年7月11日題目:單殼程雙管程管殼式換熱器設(shè)計（立式）

參數(shù):項目管程殼程工作壓力（項目管程殼程工作壓力（MPa）1.10.7工作溫度（°c）16590設(shè)計溫度（°C）17095設(shè)計壓力（MPa）1.20.8物料名稱氮氣水換熱面積（m2）11焊縫系數(shù)0.850.85腐蝕余量（mm）11（1） 及時了解有關(guān)資料，做好準(zhǔn)備工作，充分發(fā)揮自己的主觀能動性和創(chuàng)造性。（2） 認(rèn)真計算和制圖，保證計算正確和圖紙質(zhì)量。（3） 按預(yù)定計劃循序完成任務(wù)。日程安排：準(zhǔn)備階段（1天）設(shè)計計算階段（3天）繪圖階段（4天）編寫設(shè)計說明書（2天）IITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"緒論 1\o"CurrentDocument"設(shè)計計算 22.1管子數(shù)n的計算 2\o"CurrentDocument"2.2管子排列方式，管間距的確定 2\o"CurrentDocument"2.3殼體直徑的確定 2\o"CurrentDocument"2.4殼體厚度的計算 22.5殼體液壓試驗應(yīng)力校核 32.6分程隔板的選擇 32.7封頭的選擇 32.8法蘭，管板的選擇 4\o"CurrentDocument"2.9墊片尺寸的確定 52.10管子拉脫力的計算 52.11是否安裝膨脹節(jié)的計算 62.12折流板設(shè)計 72.13拉桿設(shè)計 82.14開孔補強 82.15支座 9設(shè)計評述 10\o"CurrentDocument"參考文獻 11附:設(shè)計結(jié)果一覽表 121.緒論熱交換器，通常又稱作換熱器，是化工、煉油和食品及其他工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要作用。化工生產(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可以分為三大類，及間壁式、混合式和蓄熱式。三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。本次設(shè)計的管殼式換熱器就屬于間壁式換熱器的一種。立式固定管板式換熱器示意圖22.設(shè)計計算2.1管子數(shù)n的計算選25x2.5的無縫鋼管，因為F選25x2.5的無縫鋼管，因為F=nd均Ln，所以材質(zhì)20號鋼，管長1.5m。F11n—ndL兀x0.0225x1.5均=104根2.2管子排列方式，管間距的確定本設(shè)計物料：管程氮氣，殼程水，循環(huán)水工作溫度90°C較高，不易結(jié)垢。可暫不考慮機械清洗水垢的問題，故排列方式采用結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)較高的正三角形排列。由《化工設(shè)備與儀表自動化》中表6-4得六角形層數(shù)為6,對角線上的管數(shù)為13,管子根數(shù)為127其中因安排拉桿需減少6根(參見2.12拉桿設(shè)計)，實際管數(shù)121根。查表6-5，由管子外徑25mm,可得管間距a=32mm。管子排列方式如右圖：2.3殼體直徑的確定D.=a(b-1)+2/式中D.—換熱器內(nèi)徑，mmb一正六角形對角線上的管子數(shù)，查表6-4,取b=13/一最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取l=2d.D.—32x(13-1)+2x2x25—485mm查《儀表設(shè)備及儀器自動化》P58表2-5,并結(jié)合殼體直徑的計算，確定D=500mm12.4殼體厚度的計算乙一計算壓力，取外=0.8MPa；D.=500mm;焊接系數(shù)件0.85;材料選用Q235-B鋼：[o]95C=113Mpao計算壁厚為pD4i 22]t?—p—2.09pD4i 22]t?—p—2.09mm2x113x0.85-0.8取c2=1mm，由書中表4-7得c1=0.3mm圓整后實取Sn=4mm。DN500,(=4每米鋼板質(zhì)量為50kg。2.5殼體液壓試驗應(yīng)力校核試驗壓力p=1.25p旦=1.25x0.8x113=1.0MPat”］， 113故。=PtW+'^)=L。匝+(4-偵))"MPat2S 2x(4-1.3)Q235-B在常溫時q、=235MPa,0.9中。$=0.9x0.85x235=179.78MPa,^T<0.9甲七，故液壓試驗應(yīng)力校核合格。2.6分程隔板的選擇分程隔板應(yīng)采用與封頭、管箱短節(jié)相同材料，故材料選用Q235-B。要求隔板的密封面與殼體法蘭密封面，管板密封面與分程槽面須處于同一基面。分程隔板槽深度為4mm，槽寬12mm。其結(jié)構(gòu)相見裝配圖。查《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》表4-1得分程隔板的最小厚度為8mm2.7封頭的選擇上下封頭均選用EHA橢圓封頭，其厚度與殼體厚度相同，材料選用Q235-B鋼。上封頭的主要尺寸如下表：公稱直徑DN(mm)曲面高度h1(mm)直邊高度h2(mm)碳鋼厚度少(mm)500125404下封頭的主要尺寸如下表：公稱直徑DN(mm)曲面高度h1(mm)直邊高度h2(mm)碳鋼厚度少(mm)500125504查《過程設(shè)備機械設(shè)計》P106標(biāo)2JB/T4746-2002得：公稱直徑DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A(m2)容積V(m3)質(zhì)量M(kg)5001500.31030.02139.6如下圖所示:

2.8法蘭，管板的選擇容器法蘭材料選16MnR。根據(jù)JB4701—2000標(biāo)準(zhǔn)，選用DN500,PN1.6(MPa)的甲型平密封面法蘭。DN25(100)PNV4MPa管法蘭的接管伸出長度為150mm。容器法蘭的主要尺寸如下表：公稱直徑DN，mm法蘭，mm螺柱DD1D2D3D48d規(guī)格數(shù)量5006305905555455424423M2028其密封面結(jié)構(gòu)如下圖所示:點選用固定式換熱器管板，不兼做法蘭，換熱管與管板的連接采用先焊后一強度脹的連接形式，考慮到脹接結(jié)構(gòu)要求，此次管板的厚度取30mm。實際上，管板的厚度應(yīng)按GB151-1991進行強度計算，但由于計算復(fù)雜，在此不進行具體的校核。2.9墊片尺寸的確定由于與殼體接觸的介質(zhì)僅為冷卻水，對密封的要求一般，因此密封墊片選用價格相對較低的石棉橡膠片。根據(jù)JB/T4704—1992及所選的DN500，PN1.6(MPa)甲型平焊法蘭。墊片尺寸如下表：(單位：mm)公稱直徑DN墊片內(nèi)徑d.墊片外徑D0墊片厚度150050454432.10管子拉脫力的計算計算數(shù)據(jù)如下表項目-部件_管子殼體材質(zhì)20號鋼Q235-B鋼(a/°C)11.8x10-611.8x10-6E(MPa)0.21x1060.21x106尺寸^25x2.5x15009500x4管子數(shù)127根管間距32mm管殼壁溫差/CT=75管子與管板連接方式開槽脹接脹接長度L=40mmA.在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qpq-Wp式中f=0.866a2—-d2=0.866x322—lx式中f=0.866a2—-d2=0.866x322—lx252=396(mm)40 4p=1.1(MPa)；/=40mmq=1.1x396=0.14MPap-x25x40B.溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力bt(d2—d2)q= 0 」t 4dlaE(t一t)-T^A^1+——ts=切中xS=-x500+508x4=6330.24mm22冗' 「 冗— -c "一 ， =—(d2—d2)n=-x(252—202)x(127—6)=21371.625mm240i411.8x10-6x0.21x106x75=42.47(MPa)1+21371.6256330.2442.『(252-202)=1.91(Mpa)4x25x50由已知條件可知，qp與為的作用方向相同，都使管子受壓，則合拉脫力為q=q+q=0.14+1.91=2.05MPaq<[q]=4.0(MPa)因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。2.11是否安裝膨脹節(jié)的計算管，殼壁所產(chǎn)生的軸向力:11.8x10-6x0.21x106x756330.24+21371.625x6330.24x21371.625=9.08x105(N)st壓力作用于殼體上的軸向力:QA

s—

A+A其中兀 — ,Q=—[(D2-nd2)-p+n(d-2S)2-p]4i0s 0ttl兀Q=-[(5002-121x252)x0.7+121x(25-2x2.5)2x1.1]=1.38x105(N)4則「=技8x105x6330.24=0.315x105n26330.24+21371.625壓力作用于管子上的軸向力:廠QA1.38x105x21371.625F3=E=6330.24+21371.625刑5乂NstF+F 9.08x105+0.315x1056330.24a=——2= =148.41(Mpa)6330.24A 6330.24一土3=-9.08x105+L065x105=-37.50(MPa)tA 21371.625根據(jù)《鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定》：b=148.41MPa〈2巾[。]t=180(MPa)a=37.50MPa〈2Q]i=206(Mpa)g<[0]=4.0(MPa)條件成立，故本換熱器不必設(shè)置膨脹節(jié)。2.12折流板設(shè)計折流板為單弓形，切缺率(切掉圓弧的高度與殼體內(nèi)徑百分比)為20%?49%，通常為20%?25%，最佳大小一般為20%，此時單位壓降下的傳熱膜系數(shù)最高。切掉圓弧的高度h=D.x20%=500x0.2=100mm實際應(yīng)用中，單弓形折流板間距B=(0.2-1.0)D.，以0.4?0.5最優(yōu)。取B=0.5D.=250mm。折流板數(shù)N=，傳熱管長-1=覷-1=5b折流板間距250折流板最小厚度與殼體直徑、換管無支承板有關(guān)，由書中表6—6查得為3mm。由表6—8查得折流板外徑496.5mm，材料為Q235—B鋼。按GB151規(guī)定，I級換熱器由于d<32mm,l=1500>900mm,故折流板管孔直徑與允許偏差分別為25.4mm和0.3mm。弓形缺口為上下布置，以造成流體劇烈擾動，增大傳熱系數(shù)。

2.13拉桿設(shè)計 一由于換熱管外徑大于19mm，故拉桿采用拉桿定距管的形式。根據(jù)《過程設(shè)備機械設(shè)計》中表5-6，拉桿選用①10，共6根，材料為Q235—B鋼，如圖所示：由GB151-1999表45查得，拉桿的主要尺寸如下表:拉桿螺紋公稱直徑dn/mm數(shù)量基本尺寸拉桿直徑d/mmLa/mmLb/mmb/mm1061013N401.5選用定距管規(guī)格為巾25x2.5（碳鋼20），共6根。dn-n［對拉桿孔見上圖：dn=10mm,L2=1.5Xdn=15mm2.14開孔補強換熱器殼體和封頭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的材料和厚度相同，即4mm厚的Q235—B鋼板。開孔補強如下圖。

2.15支座采用裙座，設(shè)計結(jié)果，do裙座厚度取Sc=8mm，基礎(chǔ)環(huán)厚度取2.15支座采用裙座，設(shè)計結(jié)果，do見所繪的換熱器裝配圖。本次設(shè)計的單殼程雙管程管殼式換熱器，其兩端與殼體連為一體，管子則固定于管板上，其結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊。考慮到清洗和整體結(jié)構(gòu)的要求，由于殼程介質(zhì)清潔，故采用結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)較高的正三角形排列。在殼體設(shè)計時增加了液壓試驗應(yīng)力校核，以確保在運行中的安全。但并未對封頭、法蘭、管板、換熱管等受力元件進行強度計算。封頭，容器法蘭、管板，墊片，拉桿的選擇均參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB151-1999，但封頭直邊高度的選擇并未依據(jù)其厚度而選擇。由于壓力不高、氣密性要求較高，故封頭與殼體的連接結(jié)構(gòu)采用平墊密封結(jié)構(gòu)。管板不兼做法蘭，采用焊接的方式與殼體連接。管子與管板的連接形式采用脹焊、焊接和脹接并用，兼顧脹接的密封性好和焊接強度高的特點。以上結(jié)構(gòu)均詳見裝配圖。管殼式換熱器的特點是殼層清洗困難，管殼程間有溫差應(yīng)力存在，當(dāng)熱冷流體溫差較大時，需在殼體設(shè)置膨脹節(jié)。經(jīng)計算，本次設(shè)計的換熱器不需設(shè)計膨脹節(jié)。在折流板設(shè)計時，選用弓形折流板。由于物料為無相變流體，兼顧傳熱與壓降兩個因素，切缺率（h/D.）選為0.2,此時單位壓降下的傳熱膜系數(shù)最高；單弓形折流板間距B取為0.5D.O由于計算復(fù)雜，本次設(shè)計并未對開孔補強及群座進行設(shè)計計算。4.參考文獻《機械設(shè)計基礎(chǔ)》.劉澤深.中國建筑工業(yè)出版社《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》.趙軍.化學(xué)工業(yè)出版社《機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計》.劉澤深.中國建筑工業(yè)出版社《簡明機械零件設(shè)計手冊》.朱龍根.機械工業(yè)出版社《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》.龔桂義.高等教育出版社《化工制圖》.熊潔羽.化學(xué)工業(yè)出版社《化工設(shè)備與儀表自動化》.唐洪波，馬冰潔.沈陽工業(yè)大學(xué)《化工原理課程設(shè)計》.賈紹義，柴誠敬.天津大學(xué)出版社《過程設(shè)備機械設(shè)計》.潘紅良，郝俊文.華東理工大學(xué)出版社《換熱器設(shè)計手冊》.T.Kuppan.化學(xué)工業(yè)出版社《化工裝置實用