固定管板式換熱器課設(shè) 固定管板式換熱器設(shè)計(jì)

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1、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 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) irw 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 40c 70c

2、 推薦鋼材 10,Q235-A,16MnR 換熱面積 60m2 推薦管長(zhǎng)①=25 32-39m2 40-75m2 76-135m2 2m 2.5 3m 管口表 符號(hào) 公稱(chēng)直徑 用途 a 200 冷卻水金口 b 200 甲醇蒸汽進(jìn)口 c 20 放氣口 d 70 甲醇物料出口 e 20 排凈物 f 200 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，G

3、B150-2011《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，TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，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

4、社， 2006。 8 .E.U.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. 刖百 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（或始） 傳遞的裝置。 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%fc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

5、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。止匕外，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

6、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)是： 1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差tw50C,當(dāng)tn 50C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)

7、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

8、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.11 2 .計(jì)算 (1)管子數(shù)n11 (2)管間距的確定.

9、.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21 1 .換熱管與管板的連接....21 2 .管板與殼體，管箱的連接21 3 .管法蘭與接管的連接22 三、設(shè)備總裝.2

10、3 四、個(gè)人總結(jié).26 、設(shè)計(jì)計(jì)算 Di=a(nc-1)2do nc nc = 23 do Pc = 1.1Pw =0.5MPa； ⑼70 =189MPa （殼壁溫度取70攝氏度）； 6 = 工「：筐，Di=32(23-1)225mm=754Di=800mm hi=200mmh2=25mmp；J][；*pQDi=890mm;D3=845mm;、.=40mm; 圖2-1換熱器封頭

11、 5=40mm,管板與筒體間的連接方法選用強(qiáng)度脹接。管板 尺寸查GB151-1999則管板管孔直徑為25.25mm管箱 3 6=h=3Di=600mm；e=12mm；查JB/T4712.1-2007,鞍座的各部分尺寸 4 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 11 b1 61 ^2 L3 b3 5 3 弧 長(zhǎng) b4 e I2 800 200 72 0 15 0 10 10 40 0 120

12、 10 940 26 0 6 65 530  圖2-3開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 1L2 X 10~41,2 X 10-S0.205 X 1060.205 X 頻 *25 M 2.5m 2500mm; DN 800M 6mm; pf 。正號(hào) 7 IT - F 入 % =-f = 0.866 a2 --dj= 0.866 x32z 一一 x 25z = 396(mm:) 此= 301 = 48 ' 4 0 4 i ' p = 0.45iWPal = 48nwn,p 045 X 396 4(虜-d?) =O.D47MPat?r = -- 314 X 25 X 48 0 4。

13、 二E(tt -ts) 11.2 0.21 30 1As 6.2 = 11.38MPa Q(d qt 二— 4dol -di2) 11.38 (625 -400) ——-= =0.53MPa 4 25 48 As=-：Dtn=3.148126=15298.08mm; At = — (do2 -di2)n 4 314cc -(252-202)457=80717.6mm; 4 f2 .Fi=；tAtu11.3879481.25-904547.9(N)-0.9106(N);_ Q二;[婚-聞?dòng)?n(d0-28JPJ4 3.14 -[(8002-4502

14、52)0.054502020.45](N); 4 F2=77665.915298.08=12535.8(N)=0.12/(N);『: 15298.0879481.25 F3=QAt=0.62m106(N);os=F1+F2=66.67MPa;AtAsAs F3-Fi ot==—35.23MPa;對(duì)于DN200選取*219x7mm接官,對(duì)于 At DN70B取689x4mn?管，對(duì)于DN2cB取?25父2m雁管。 接管高度 公稱(chēng)直徑/mm DN200 DN80 DN20 接管局度/mm 200 150 150 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

15、流體無(wú)毒, 所以選用對(duì)頸平焊法蘭，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/T20593-2009） 公稱(chēng) 直徑 dn 管子 直徑 A1 連接尺寸 法蘭 厚度 C 法蘭內(nèi)徑 B 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 Th PN0.6MPa 20 25 90 65 11 4 M10 14 26 80 89 190 150 18 4 M16 18 91 200 219 320 280 18 8 M16

16、 22 222 墊片尺寸D=844d=804 石棉橡膠板 本課程設(shè)計(jì)的殼程流體為甲醇蒸汽，其Pd<2230kg/(m.s2),故不需防 沖板。 (17) .水壓試驗(yàn) 水壓試驗(yàn)壓力Pt=1.25Pc=0.069MPa 所選材料的屈服應(yīng)力c-s=345MPa 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核二丁二PT(DiSe)=0.069(8003.7)=7.5MPa 2Se23.7 0.9不=0.93450.8=248.4MPa 所以5<0.96?,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

17、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X壁厚 4)25X2.5 換熱管最小伸出長(zhǎng)度/11 3+2 K/mm 0.5 2 .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 OJ 管法蘭與接管焊接 1. 三、設(shè)備總裝 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、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

18、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)度誤差為土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

19、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，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1

20、6MnR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m級(jí)，或超聲檢測(cè)中的I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w25師。 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1~3mm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。 :_PcDi 2I」0-pc Di=800mm;4=0.8（單面焊局部無(wú)損檢測(cè)）； 1.10.45800… =1.32mm 21890.8-1.10.45 電"■'l6=3=1禽；C*2=2mmC1=0.3mm、n=6mmDN=800mm6mm