《管壳式换热器机械设计》参考.docx

1 前言11.1 概述1. 1. 11.2 设计的目的与意义21.3 管壳式换热器的进展史21.4 管壳式换热器的国内外概况31.5 壳层强化传热31.6 管层强化传热31.7 提高管壳式换热器传热力气的措施41.8 设计思路、方法5. 51.8.2 换热器管径的设计51.8.3 换热管排列方式的设计51.8.4 管、壳程分程设计51.8.5 折流板的构造设计51.8.6 管、壳程进、出口的设计61.9 选材方法61.9.1 管壳式换热器的选型61.9.2 流径的选择81.9.3 流速的选择91.9.4 材质的选择91.9.5 管程构造92 壳体直径确实定与壳体壁厚的计算112.1 管径112.2 管子数n112.3 管子排列方式，管间距确实定112.4 换热器壳体直径确实定112.5 换热器壳体壁厚计算及校核113 换热器封头的选择及校核144 容器法兰的选择155 管板165.1 管板构造尺寸165.2 管板与壳体的连接165.3 管板厚度166 管子拉脱力的计算187 计算是否安装膨胀节208 折流板设计229 开孔补强2510 支座2710.1 群座的设计2710.2 根底环设计2910.3 地角圈的设计30符号说明32参考文献34小结352 壳体直径确实定与壳体壁厚的计算2.1 管径换热器中最常用的管径有 19mm×2mm 和 25mm×2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于一样的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严峻以及允许压力降较高的状况下，承受 19mm×2mm 直径的管子更为合理。假设管程走的是易结垢的流体， 则应常用较大直径的管子。标 准 管 子 的 长 度 常 用 的 有1500mm ， 2023mm ， 2500mm ，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m 等。换热器的换热管长度与公称直径之比一般为 425,常用的为 610选用 25×2.5 的无缝钢管，材质为 20 号钢，管长 4.5m。2.2 管子数nF = p dL(2-1)均n其中安排拉杆需削减 6 根，故实际管数n=503-6=497 根2.3 管子排列方式，管间距确实定承受正三角形排列，由化工设备机械根底表 7-4 查得层数为 12 层，对角线上的管数为 25，查表 7-5 取管间距 a=32mm.2.4 换热器壳体直径确实定D = a(b -1) + 2l(2-2)i其中l为最外层管子中心到壳壁边缘的距离i取l = 2d ， D = 32 ´ (25 - 1) + 2 ´ 2 ´ 25 = 868(mm )，查表 2-5，圆整后取壳体内径 Di= 9 00mm2.5 换热器壳体壁厚计算及校核材料选用 20R计算壁厚为：ci,d =p D(2-3)2s t f - pc式中: pc350°C为计算压力，取 pc=1.0MPa； Di= 900mm;f =0.9;s t=92Mpa设壳壁温度为将数值代入上述厚度计算公式，可以得知：查化工设备机械根底表 4-11 取C= 1.2mm；2查化工设备机械根底表 4-9 得C1= 0.25mm5.47+1.2+0.25=6.92 mm圆整后取d= 7.0mmn复验dn´ 6% = 0.42 > 0.25mm，最终取C1= 0.25mm该壳体承受 20 钢 7mm 厚的钢板制造。1、液压试验应力校核Ps=T T(D + d ) 2diee£ 0.9fss(2-4)P = 1.15PTs ts = 1.15 ´1 = 1.15Mpa(2-5)d= den- C = 7 - 1.2 - 0.25 = 5.55mm(2-6)查化工设备机械根底附表 6-3ss= 245Mpas= 1.15 ´ (900 + 5.55) = 93.82Mpa ，T2 ´ 5.55可见sT£ 0.9fss故水压试验强度足够。2、强度校核=设计温度下的计算应力stp (Dc2di+d )1.0 ´(900 + 5.55)e= 81.58Mpa2 ´ 5.55es tf = 92 ´ 0.9 = 82.8Mpa st最大允许工作压力P2s t fd =e= 2 ´ 92 ´ 0.9 ´ 5.55 = 1.02Mpa(2-7)wD + die900 + 5.55故强度足够。3 换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，依据 JB/T4746-2023 标准，封头为 DN900×7，查化工设备机械根底表 4-15 得曲面高度h1= 150mm，直边高度h2= 40mm ，材料选用 20R 钢标准椭圆形封头计算厚度：id =pc D2s t f - 0.5 pc=1.0 ´ 900 2 ´ 92 ´ 0.9 - 0.5´1.0= 5.45mm(3-1) p =2s t fde= 2 ´ 92 ´ 0.9 ´ 5.55 = 1.02Mpa(3-2)wKDi+ 0.5de1´ 900 + 0.5 ´ 5.55所以，封头的尺寸如以以下图：图 3-1 换热器封头尺寸4 容器法兰的选择材料选用 16MnR 依据 JB/T4703-2023选用 DN900，PN1.6Mpa 的榫槽密封面长颈对焊法兰。查化工设备机械根底附表 14 得 法兰尺寸如下表：表 4-1 法兰尺寸公 称 直 径法兰尺寸/mm DN/mm螺柱d规格数量900106010159769669635527M2428所以，选用的法兰尺寸如以以下图：图 4-1 容器法兰5 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。5.1 管板构造尺寸查化工单元设备设计P25-27得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：表 5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径900Db1060101596696358cd4427螺栓孔数245.2 管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均承受焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区分因而构造各异，有在管板上开槽，壳体嵌入后进展焊接，壳体对中简洁， 施焊便利，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；假设压力较高，设备直径较大，管板较厚时，其焊接时较难调整。5.3 管板厚度管板在换热器的制造本钱中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为简洁，而且从不同角度动身计算出的管板厚度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表 5-2 选用。考虑到腐蚀裕量， 以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等缘由，建议最小厚度应大于 20mm。d换热器管子外径 /mm025表 5-2 管板的最小厚度323857管板厚度/mm3 d /42225320综上，管板的尺寸如以以下图：图 5-1 管板6 管子拉脱力的计算计算数据按表 6-1 选取表 6-1工程管子壳体操作压力/Mpa0.820.78材质20 钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa10192尺寸管子根数497管间距/mm32管壳壁温差/管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mml = 50许用拉脱力/Mpa4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qpq=pfpp d l0(6-1)pp其中 f = 0.866a2 -d 2= 0.866 ´ 322 -´ 252 = 396(mm )2(6-2)404p = 0.82 Mpa , l = 50mm2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力qts(d 2 - d 2 )(6-3)q=t0it4d loaE(t - t )(6-4)其中st=tsA1 +tAsA = pD d= 3.14 ´ 907 ´ 7 = 19935 .9(mm )2(6-5)s中pA =(d 2n- d 2 )n =3.14´ (252 - 202 ) ´ 497 = 87782 .6(mm )2(6-6)t40i4由此可知q， q 作用方向一样，都使管子受压，则管子的拉脱力：ptq= q+ q =0.08+1.03=1.11 Mpa 4.0 Mpapt(6-7)因此拉脱力在许用范围内。7 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为：tF = a E(t- t )sA A1A + Ast st(7-1)= 11.8 ´10-6 ´ 0.21´106 ´ 50 19935.9 + 87782.6´19935.9 ´ 87782.6 = 2.01´10 6N压力作用于壳体上的轴向力：=QAF s(7-2)2A+ ASt其中Q = p (D 2 - nd 2 ) p+ n(d- 2d )2 p(7-3)4i0s0tt= p (9002 - 497 ´ 252 ) ´ 0.78 + 497 ´ (25 - 2 ´ 2.5)2 ´ 0.824压力作用于管子上的轴向力为：则s=sF + F12As= 2.01´106 + 0.08 ´106 = 104.8Mpa19935.9(7-4)依据 GB管壳式换热器q4.0 Mpa ，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。8 折流板设计设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形图 8-1 a 、 双 弓 形 图 8-1 b 、 三 重 弓 形 图 8-1 c 等 几 种 形 式 。图 8-1 弓形折流板和圆盘-圆环形折流板单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度 h 为壳体公称直径 Dg 的 15%45%，最好是20%，见图 8-2a；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图 8-2b。高度为 1520mm，供停工排解残液用；在某些冷凝器中需要保存一局部过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可承受带堰的折流板，见图 8-2c。图 8-2 单弓形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一局部液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消退这种弊病，宜承受双弓形折流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑，有些换热器如冷凝器不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际照旧需要设置确定数量的支承板，其外形与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离， 其构造形式可参见图 8-3。图 8-3 折流板安装图由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允许的最小折流板间距为壳体内径的 20%或 50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小， 壳程流体介质由此泄漏的量越少，即削减了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备本钱，故此间隙要求适宜。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表 8-1 所列数据。表 8-1 折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm 20025040070070010001000相邻两折流板间距/mm30030045045060060075075035610105610101268101216610121616支承板厚度一般不应小于表 8-1(左)中所列数据。支承板允许不支承的最大间距可参考表 8-1右所列数据。壳体直径400 400900管子外径19253857/mm支承板厚6度/mm8008120010/mm最大间距/mm1500180025003400表 8-2 支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距33经选择，我们承受弓形折流板，h= D4i= 4 ´ 900 = 675mm , 折流板间距取 600mm,查化工设备机械根底表 7-7 得折流板最小厚度为 4 mm,折流板外径负偏差-0.60查化工设备机械根底表 7-9 折流板外径为 896 mm,材料 Q235-A 钢查化工设备机械根底表 7-10 拉杆f 12，共 10 根，材料 Q235-A· F 钢折流板开孔直径f 25.60+0.40所以，折流板尺寸如以以下图：图 8-4 折流板9 开孔补强1、确定壳体和接收的计算厚度及开孔直径由条件得壳体计算厚度d = 5.47mm接收计算厚度为dtp D2s t f + p=c0c(9-1)其中 D0= 258mm选用 20 钢 查附表 9 得s t = 92Mpa开孔直径为：d = d + 2C = (258 - 2 ´ 4) + 2 ´1 = 252 mm(9-2)i2、确定壳体和接收实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度 h壳体名义厚度dn= 7mm ，补强局部厚度为dnt= 4mm接收有效补强宽度为 B=2d= 2 ´ 252 = 504mm(9-3)ddnt502 ´ 4接收外侧有效补强高度h = 44.8mm(9-4)3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为：A = dd = 502 ´ 4 = 2023 (mm )2可以作为补强的金属面积为：(9-5)A = (B - d )(d1e- d ) = (504 - 252)(5.55 - 4) = 390.6(mm)2(9-6)A = 2h21(det- d ) ftr= 2 ´ 44.8 ´ (2.75 -1.55) ´1 = 107.52(mm )2(9-7)4、A= A + A + Ae123= 390.6 + 107.52 + 16 = 514.12(mm )2(9-8)5、比较 A 与A ， A (= 514.12mm 2 ) < A(= 2023 mm 2 ) ，所以壳程接收需要补强，而管程接收ee的公称直径较大，也需要补强。常用的构造是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都一样即 7mm 厚的钢板。综上，得换热器开孔补强构造如以以下图：图 9-1 换热器开孔补强构造10支座10.1 裙座设计承受圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接承受焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可承受较大的轴向力，故承受对接形式。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的厚度与封头的厚度一样，即裙座尺寸为 900×7mm.。裙座材料选用 Q235-A。图 10-1 裙座壳与壳体的对接型式。排气孔中心线至裙座壳140180220顶端的距离无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔，表 10-1排气孔规格和数量容器内直径Di600120014002400>2400排气孔尺寸80 80 100排气孔数量，个244因此设置两个排气孔，排气孔尺寸为 80，排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为 140图 10-2 裙座上部排气孔的设置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外，引出管直径 d引出孔的加强管无缝钢管20、25 133×432、40 159×4.550、70 219×680、100 273×8卷焊管- 200 250表 10-2 引出孔尺寸引出孔的加强管选用 Q235-A 的无缝钢管，引出管直径选用 20图 10-3 引出孔构造示意图10.2 根底环设计1、根底环尺寸确实定D= D - 300 = 900 - 300 = 600(mm )ibis10-1D= D + 300 = 900 + 300 = 1200(mm )cbis10-22、根底环的构造，根底环选用有筋板的根底环图 10-4 有筋板根底环3、有筋板根底环厚度的设计6Ms sbd=b10-3操作时或水压试验时，设备重力和弯矩在混凝土根底环根底环底面上所产生的最大组合应力为根底环上的最大压应力sb max可以认为是作用作用在根底环底上的均匀载荷。表 4-3 混凝土根底的许用应力Ra混凝土标号Ra/MPa 753.51005.0混凝土标号Ra/MPa 1507.520010.0混凝土标号Ra/MPa 25013.0同样，依据工艺要求和前人的阅历，可确定根底环的厚度为20mm，材料选用为Q235-A。4.3 地脚栓的设计为了使塔设备在刮风或地震时不至翻倒，必需安装足够数量和确定直径的地脚螺栓， 把设备固定在根底环上。地脚螺栓承受的最大拉应力为假设s£ 0 ，则设备自身足够稳定，但为了固定塔设备的位置，应设置确定数量的地b脚螺栓。假设s£ 0 ，则设备必需安装地脚螺栓，并进展计算。计算时可先按 4 的倍数假设地b脚螺栓的数量为 n，此时地脚螺栓的螺纹小径mm:螺纹小径与公称直径见下表。表 10-4 螺纹小径与公称直径比照表螺栓公称直径螺纹小径/mm螺栓公称直径螺纹小径/mmM2420.752M4237.129M2723.752M4842.588M3026.211M5650.046M3631.670选用Q235-A，计算后，选取地脚螺栓为M 30´900 ，n=8,相应螺母M30，8 个，则其尺寸查表，得螺栓表 10-5 M30 螺母的尺寸M3036422812300120170符号说明tt 操作状态下管壁温度，°C;F换热面积，；st 操作状态下壳壁温度，°C；a管间距，mm； 焊接接头系数，无量纲；d 壳体内径，mm；ib正六边形对角线上的管子数，个；do壳体外径，mm；L 换热管长度，；Pc计算压力，MPa;d 管子的平均直径，mm；Pw工作压力，MPa;均P最大允许工作压力，MPa；P 水压试验压力，MPa;TDN直径公称，； 公称压力，MPa； 管子的工作压力，MPa； 壳体的工作压力，MPa；管壳壁温度，°许用拉脱力，MPa; 线膨胀系数，°C; 每四根管子之间的面积，mm；P设计压力，MPa; 计算壁厚，mm；设计壁厚，mm；d n名义壁厚，mm； e有效壁厚，mm； C厚度附加量，mm；C 钢板的负偏差，mm；1C 腐蚀欲量，mm；2s 屈服点，MPa；h 曲面高度，mm；1A 换热管截面面积，mm；A壳壁横截面面积，mm；F 管、壳壁温差所产生的轴向力，N；F 压力作用于壳体上的轴向力，N；2F 压力作用于管子上的轴向力，N；3l胀接长度，mm ；ho短圆筒长度，mm；h 直边长度，mm；2E弹性模量，； 温差应力，；最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，；参考文献1匡国柱 史启才 ：化工单元过程与设备设计；2秦叔经、叶文邦等：换热器M ，化学工业出版社,2023 年版；3谭天恩、窦梅、周明华等：化工原理第三版上、下册M，化学工业出版社,2023 年版；4化工过程及设备设计M华南工学院化工原理教研室,1987；5贾绍义等： 化工原理课程设计M，天津大学出版社,2023 年版；6刁玉玮、王立业、喻健良等：化工设备机械根底M，大理理工大学出版社,2023年版；7钱颂文：换热器手册M，化学工业出版社；8蔡纪宁、张莉彦：化工设备机械根底课程设计指导书M，化学工业出版社 2023年版；9.GB151-89 钢制管壳式换热器.国家技术监视局公布，1989 出版；10时均等：化学工程手册(其次版，上卷).化学工业出版社；11钢制压力容器GB150-1998；12钢制塔式容器JB4710-1992；13 GB151-1999 管壳式换热器1999 年；14压力容器安全技术监察规程国家质量技术监视局 1999 年。通过这次课程设计，让我对化工设备机械根底这门课有了进一步的生疏。这次课程设计设是对这门课程的一个总结，对化工机械学问的应用。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合谢辞适的设计参数，对换热器的材料和构造确定之后还要进展一系列校核计算，包括管子直径、壳体厚度，管板选择等。校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。通过这次设计对我们单独解决问题的力气也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关学问要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最终附管试换热器的图，在绘图的整个过程中，我对化工制图更加生疏。这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在教师的指导下我们依据毕业设计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了根底。在此感谢我们的唐小勇教师.，教师严谨细致、一丝不苟的作风始终是我工作、学习中的典范；教师循循善诱的教育和不拘一格的思路赐予我无尽的启迪；这次模具设计的每个试验细节和每个数据，都离不开教师您的细心指导。而您开朗的共性和宽容的态度，帮助我能够很顺当的完成了这次课程设计。由于我的学问有限，所做出的设计存在很多缺点和缺乏，请教师做出批判和指正。最后感谢教师对这次课设的评阅。