課程設(shè)計-固定管板式換熱器.doc

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目錄 1 前言 4 1.1 換熱器的應(yīng)用: 4 1.2 固定式管板換熱器簡介: 4 2 工藝計算 5 2.1 設(shè)計任務(wù)書 5 2.2 設(shè)計方案 5 2.3確定物性數(shù)據(jù) 5 2.4 估算傳熱面積 6 2.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 7 2.6 換熱器核算 10 2.6.1 熱流量核算 10 2.6.2 壁溫核算 12 2.7 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 12 2.7.1 管程阻力?Pt 12 2.7.2 殼程阻力?Ps 13 2.8 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 14 3 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核 16 3.1 殼體與管箱厚度的確定 16 3.1.1 殼體和管箱材料的選擇 16 3.1.2 圓筒殼體厚度的計算及校核 16 3.1.3 管箱厚度計算及校核 17 3.2 隔板 18 3.3接管設(shè)計 19 3.3.1 殼程接管 19 3.3.1 管程接管 20 3.3.2 排液口、排氣口 21 3.4 開孔補強 21 3.5 法蘭與墊片 21 3.5.1管箱法蘭與封頭法蘭 21 3.5.2 墊片 22 3.6 管板設(shè)計 23 3.6.1管板厚度設(shè)計 23 3.6.2 換熱管與管板連接方式 24 3.6.3 換熱管與管板連接拉脫力校核 24 3.6.4 管板與筒體連接方式 25 3.6.5 管板尺寸 25 3.7接管位置確定 25 3.7.1 殼程接管位置的最小尺寸 25 3.7.2 管程接管位置的最小尺寸 26 3.8 管箱和封頭長度及與筒體的連接方式 26 3.9 折流板 27 3.9.1 折流板的形式和尺寸 27 3.9.3 折流板的布置 27 3.10 拉桿、定距管 27 3.10.1拉桿尺寸 28 3.10.2 定距管 28 3.11 防沖板 29 3.12 旁路擋板 29 3.13保溫層 29 3.14 鞍座 29 3.14.1 鞍座安裝尺寸 29 3.14.2 鞍座尺寸: 29 總結(jié) 31 參考文獻 32 1 前言 1.1 換熱器的應(yīng)用: 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，高爐爐氣（約1500℃）的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。本此設(shè)計正是要利用換熱器降低油的溫度，從而獲取熱量用以供熱，洗澡等。這樣不僅節(jié)約了能源，同時也合理利用了資源，帶來了額外的經(jīng)濟價值。 隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。 1.2 固定式管板換熱器簡介: 固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖1所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)殼體直徑相同時，可安排更多的管子，也便于分程，同時制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進行堵管或換管，但無法在管子的外表面進行機械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，因此為了減少溫差應(yīng)力，通常需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來降低管束與殼體中的溫差應(yīng)力。 2 工藝計算 2.1 設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計類型:固定管板式換熱器 設(shè)計基本參數(shù): 換熱器的結(jié)構(gòu)與布局由設(shè)計確定 工作介質(zhì): 管程:油 殼程:水 質(zhì)量流量:6400 Kg/h 油入口溫度:230℃ 出口溫度:180℃ 工作壓力: 管程 ≤0.75MPa 殼程 ≤0.7MPa 其他參數(shù)由設(shè)計計算確定 要求選用合適的材料、元器件和其他零部件等。 2.2 設(shè)計方案 (1) 水溫選擇：本次設(shè)計考慮到經(jīng)濟和設(shè)備安全問題，選擇水的進口溫度為常溫20℃，出口溫度為60℃。 (2) 流程安排：由于本次設(shè)計的熱流體油的溫度較高,而且水的腐蝕性和結(jié)垢性高于油，所以選擇油走管程,水走殼程。 2.3確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般的輕質(zhì)油和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故 殼程油的定性溫度為：T= (110+60)/2=205℃ 管程水的定性溫度為: t=((20+60))∕2=40℃ 根據(jù)定性溫度查取有關(guān)物性數(shù)據(jù)，得到油和水的數(shù)據(jù)分別如下： 煤油在205℃下的物性數(shù)據(jù)為： 密度 ρ 1=686.8 Kg/m3 定壓比熱容 CP1=2.7436 KJ/(Kg℃) 熱導(dǎo)率 λ1=0.135 W/(mK) 粘度 μ1=0.682 mPas 冷卻軟水在40℃的物性數(shù)據(jù)為: 密度 ρ2 =992.2 Kg/m3 定壓比熱容 Cp2=4.174 KJ/(Kg℃) 熱導(dǎo)率 λ2=0.634 W/(mK) 粘度 λ2=0.653mPas 2.4 估算傳熱面積 熱側(cè)：進口溫度T1=230℃，出口溫度為T2=180℃流量為m1=6400Kg/h；冷側(cè)：進口溫度為t1=20℃，出口溫度為t2=60℃。 傳熱計算（熱負(fù)荷計算） 熱負(fù)荷：Q=m1CP1ρ1(T1-T2)=m2CP2ρ2(t2-t1) 式中：m2,m1——冷熱流體的質(zhì)量流量，kg/s； CP2,Cp1——冷熱流體的定壓比熱，J/(kgk)； t1, t2 ——冷流體的進、出口溫度，k； T1,T2——熱流體的進、出口溫度k (1) 熱流量 依據(jù)式Q1=m1Cp1ΔT有 Q1=m1Cp1ΔT=64002.743650=877952 KJ/h=243.87KW (2) 平均傳熱溫度差 先按逆流計算,依下式得： Δtm=Δt1-Δt2lnΔt1Δt2=210-120ln210120=160.82℃ (3) 傳熱面積 由教材P59頁表2-19選取K=160,則估算的傳熱面積為: AP=Q1KΔtm=243.87103160160.82=9.48㎡ (4) 冷水用量 m2=Q1?t2CP2=8779524.17440=5258.5 Kg/h 2.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 (1) 管徑和管內(nèi)流速 選用Φ252.5較高級冷拔碳鋼傳熱管,取管內(nèi)流速u=0.2 m/s (2) 管程數(shù)與傳熱管數(shù) 依據(jù)下式確定換熱管的單程管字?jǐn)?shù): ns=Vπ4di2u 式中 ns—單程管子數(shù) V—管程流體的體積流量，m3/s di—傳熱管直徑，㎜ u—管內(nèi)流體流速，m/s Q1=243.87KW Δtm=160.82℃ AP=9.48㎡ m2=5258.5 Kg/h u=0.2 m/s 則 ns=Vπ4di2u=6400686.8236000.7850.0220.2=41.21≈42 ns=42 按單管管程計算,所需長度 L=Apπd0ns=9.483.140.02542=2.87 m 取管長L=1500mm,則 Ap=2.871.5=2 管程 Ns=9.483.140.0251.5=80.5≈81 根 (3) 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) R=T1-T2t2-t1=210-18060-20=1.25 P=60-20230-20=0.19 按單殼程、雙管程結(jié)構(gòu),查得：εΔt=0.97 平均傳熱溫差 Δtm=εΔt?Δtm=0.97160.82=156.0 ℃ (4) 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。 取中心距a=1.25d0，則 a=1.2525=31.25≈32㎜ 隔板中心到離其最近的管子中心距離為： S=a2+6=322+6=22㎜ 則各相鄰管的管心距為 t=2S=44㎜,管束的分程方法,一程為40根,另外一程為41根排管圖如下所示： （5） 殼體內(nèi)徑 采用雙管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按正方形排列估算。取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑為： L=2.87 m L=1500mm Ap=2 Ns=81根 R=1.25 P=0.19 ?Δt=0.97 Δtm=156.0℃ a=32㎜ S=22㎜ t=44㎜ η=0.7 D=1.05aNTη=1.0532810.7=361.44㎜ 按卷制殼體的進級檔50~100，取D=400㎜ (6) 折流板 本次設(shè)計采用單弓形折流板,卻弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的1/4,則h為h=0.25D=0.25400=100㎜ 取折流板間距B=0.4D=160㎜ 則折流板的數(shù)目為 N=DB-1=8.37≈8 根 但是根據(jù)實際接管的位置及布局,最終根據(jù)畫圖所得取N=7 塊 2.6 換熱器核算 2.6.1 熱流量核算 1） 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a0 用克恩法計算： a0=0.36λdeRe00.55Pr13μμw1.14 當(dāng)量直徑,按三角形排列計算: de=432pt2-π4do2πdo=4320.042-π40.0322π0.032=0.02m 殼程流通截面積 S0=B?D1-d0a=0.160.41-0.0250.032=0.014㎡ 殼體流速和雷諾數(shù)分別為 u0=V0S0=5258.5(3600992.2)0.014=0.105m/s Re=deu0ρμ=0.0200.105992.20.65310-3=3190 普朗特系數(shù)查得Pr=4.31 粘度校正μμw≈1,則: a0=0.360.6340.02031910.554.311310.14=1562.8 W/(㎡?K) 2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi (無相變) αi=0.023λidiRe0.8Prn 管內(nèi)流體被冷卻,n=0.3 管程流速和雷諾數(shù)分別為 ui=ViSi=64003600686.80.7850.022812=0.204m/s Re=0.020.204686.80.68210-3=4084.8 普朗特系數(shù) Pr=2.7431030.68210-30.135=13.86 αi=0.0230.1350.0204084.80.813.860.4=389.21W/(㎡?K) 3)污垢熱阻和管壁熱阻 按書上P65可取 管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.2610-3 ㎡?K/W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=1.05610-3 ㎡?K/W 管壁熱阻,碳鋼在205℃的條件下的熱導(dǎo)率為λw=44.19W/(m?K),所以 Rw=bλw=0.002544.19=5.6610-5㎡?K/W 4) 傳熱總系數(shù)KC為 Kc=1d0αidi+Rid0di+Rwd0dm+R0+1α0 算得KC=182W/(㎡?K) 5) 傳熱面積裕度 傳熱面積AC為 AC=QK?tm=243.87103182160.82=8.33㎡ 則該換熱器的面積裕度為 H=AP-ACAC=9.48-8.338.33=13.6﹪ 傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 2.6.2 壁溫核算 按最不利的條件計算，即取兩側(cè)污垢熱阻為零計算，熱力學(xué)平衡公式為 Q=αhAhTm-Tw=αcActw-tm 熱流體的換熱面積為 Ah=πd0l=7.63㎡ 熱流體的換熱面積為 Ac=πdil=9.53㎡ 1) 傳熱管壁溫T Tw=205-2438707.63389.21=122.87℃ tw=30+24387015629.53=46.38℃ 則熱管壁為 T=Tw+tw2=84.62℃ 2) 殼體壁溫t 由于殼程水的溫度不高,可近似取為流體的平均溫度,則 t=t1+t22=40℃ 3) 殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為 ?T=T-t=84.62-40=40.62℃ 該溫差比較大,需要設(shè)置溫度補償設(shè)備,所以采用波形膨脹節(jié)進行補償。 2.7 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 2.7.1 管程阻力?Pt ?Pt=?Pi+?PrNSNpFs 取管程結(jié)垢校正系數(shù)FS=1.5 直管阻力?Pi為 ?Pi=λildiρu22=0.0481.50.02686.80.20422=51.44 Pa 局部阻力?Pr為 ?Pr=ξρu22=3686.80.20422=42.87 Pa 則 ?Pt=51.44+42.87121.5=282.93 Pa 2.7.2 殼程阻力?Ps ?Ps=?P0+?PiNSFs 其中殼程結(jié)垢校正系數(shù)Fs=1.15 正方形排列，則： NT=1.19NT0.5=1.19810.5=10.71 流通面積 S0=BD-NTCd0=0.16(0.4-10.710.02)=0.029㎡ 管子排列形式對阻力的影響,正三角形取F=0.5 殼程流體摩擦因子f0為 f0=5Re0-0.228=53191-0.228=0.794 殼程流體橫過管束的最小流速為u0 u0=V0S0=5258.53600992.20.029=0.05 m/s ?P0=Ff0NTCNB+1ρu022=47.46 Pa ΔPi=NB3.5-2BDρu022=26.78 Pa 則： ?Ps=47.46+26.781.151=85.37 Pa (3) 總阻力為 ?P=?Pt+?Ps=282.93+85.37=368.30 Pa D=400㎜ h=100㎜ B=160 N=7 塊 de=0.02m S0=0.014㎡ u0=0.0105m/s Re=3190 Pr=4.31 μμw≈1 a0=1562.8W/(㎡?K) n=0.3 ui=0.204m/s Re=4084.8 Pr=13.86 αi=389.21W/(㎡?K) R0=0.2610-3㎡?K/W Ri=1.05610-3 ㎡?K/W Rw=5.6610-5㎡?K/W KC=182W/(㎡?K) AC=8.33㎡ H=13.6﹪ Ah=7.63㎡ Ac=9.53㎡ Tw=122.87℃ tw=46.38℃ T=84.62℃ t=40℃ ?T=40.62℃ FS=1.5 ?Pi=51.44 Pa ?Pr=42.87 Pa ?Pt=282.93 Pa Fs=1.15 NT=10.71 S0=0.029㎡ F=0.5 f0=0.794 u0=0.05 m/s ?P0=47.46 Pa ΔPi=26.78 Pa ?Ps=85.37 Pa ?P=368.30 Pa 2.8 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 到此換熱器的工藝計算告一段落，其中工藝計算的主要目的是計算出其換熱面積，選出相應(yīng)的換熱器型式，其計算結(jié)果如下表2-1所示： 表2-1 參數(shù) 管程（油） 殼程（軟水） 流率/(kg/h) 6400 5258.5 進/出口溫度/℃ 230/180 20/60 壓力/MPa 0.101 0.101 物性 定性溫度/℃ 205 40 密度/(kg/㎡) 686.82 992.2 定壓比熱容/(kJ/(kgK)) 2.7436 4.174 粘度/(Pas) 0.68210-3 0.65310-3 熱導(dǎo)率/[W/(mK)] 0.135 0.634 普朗特系數(shù) 13.86 4.31 續(xù)表2-1 設(shè)備機構(gòu)參數(shù) 形式 固定管板式 臺數(shù) 1 殼體內(nèi)徑/㎜ 400 殼程數(shù) 1 管徑/㎜ Φ252.5 管心距/㎜ 32 管長/㎜ 1500 管子排列 Δ 管數(shù)目/根 81 折流板數(shù)/ 個 7 傳熱面積/㎡ 9.48 折流板間距/㎜ 160 管程數(shù) 2 材質(zhì) 碳鋼 主要計算結(jié)果 管程 殼程 流速/(m/s) 0.204 0.105 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[(W(㎡K)] 389.21 1562.8 污垢熱阻/(㎡K/W) 0.00105 0.00026 阻力/MPa 282.93 85.37 熱流量/kW 243.87 傳熱溫差/K 40.62 傳熱系數(shù)/[(W(㎡K)] 182 裕度/﹪ 13.6 3 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核 在第一部分進行工藝計算結(jié)束后,應(yīng)進行下一步:開始換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強度計算。這一過程主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、接管計算、開孔補強計算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計（如管箱、殼體、折流板、拉桿、膨脹節(jié)等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計算如下： 3.1 殼體與管箱厚度的確定 根據(jù)計算得出的軟水進出口溫度，選擇設(shè)計溫度為80℃；設(shè)計壓力為1.0Mpa。 3.1.1 殼體和管箱材料的選擇 由于所設(shè)計的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇16MnR為殼體與管箱的材料。 16MnR是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。 3.1.2 圓筒殼體厚度的計算及校核 焊接方式：選為雙面焊對接接頭，全部進行無損探傷，故焊接系數(shù)?=1.0； 根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對16MnR鋼板其： C1=0.6㎜;C2=2㎜ 材料在80℃的許用應(yīng)力σT=170MPa（厚度為6～16mm時）殼體計算厚度按下式計算為： δ=PcDi2[σ]t?-Pc=4001.021701.0-1.0=1.18㎜ 設(shè)計厚度為： δd=δ+C2=1.18+2=3.18mm 名義厚度δn=δd+C1+?=4mm(其中?為向上圓整量) 查其最小厚度為6mm，則此時厚度不滿足要求,取δn=6mm 有效厚度為δe=δn-C1-C2=6-0.6-2=3.4 mm 水壓試壓壓力為 PT=1.25PCσσt=1.251.0170170=1.25 MPa 所選材料的屈服應(yīng)力為σs=345 MPa 水壓試壓應(yīng)力 σT=PTDi+δe2δe=1.25(400+3.4)23.4=74.15 MPa 水壓試壓應(yīng)力校核 σT=74.15 MPa<0.9σs?=0.93251.0=292.5 MPa 即水壓試壓強度滿足要求,設(shè)計的厚度是合適的。 ?=1.0 C1=0.6㎜; C2=2㎜ σT=170MPa δ=1.18mm δd=3.18mm δn=6mm δe=3.4 mm PT=1.25 MPa σs=345 MPa σT=74.15 MPa 3.1.3 管箱厚度計算及校核 此時選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，材料為16MnR,故K=1，且同前面一樣，其中C1=0.6mm;C2=1mm，采用雙面焊對接接頭，部分進行無損探傷的焊接形式，取?=0.85 材料在205℃的許用應(yīng)力為σT=156 MPa 則封頭計算厚度為： δh=KPcDi2σt?-0.5Pc=11.040021560.85-0.51.0=1.51mm 設(shè)計厚度 δdh=δh+C2=1.51+2=3.51mm 名義厚度 δnh=δdh+C1+?=5 mm （?為向上圓整量）； 考慮到和法蘭及管板連接的最小厚度取δnh=6 mm 有效厚度δne=δnh-C1-C2=6-0.6-2=3.4 mm 水壓試壓壓力 PnT=1.25PCσσt=1.251.0170156=1.36 MPa 水壓試壓應(yīng)力為 σnT=PnTDi+δne2δne=1.36(400+3.4)23.4=80.68 MPa 水壓試壓校核 σnT=80.68 MPa<0.9σs?=0.93250.85=248.625 MPa 即水壓試壓強度滿足要求,設(shè)計的厚度是合適的。 K=1 C1=0.6mm; C2=1mm ?=0.85 σT=156 MPa δh=1.51mm δdh=3.51mm δnh=6 mm δne=3.4 mm PnT=1.36 MPa σnT=80.68 MPa σnT<0.9σs? 查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號參數(shù)如下表3-1： 表3-1 DN400標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù) DN(mm) 總深度H(mm) 直段長度l(mm) 內(nèi)表面積A(㎡) 容積(m3) 封頭質(zhì)量（㎏） 400 125 100 0.2049 0.0115 9.7 封頭處的厚度同前管箱短節(jié)部分的厚度一樣,為6mm。 3.2 隔板 隔板與管箱采用角接焊,與管板進行開槽密封連接。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，槽寬為12mm，且分程隔板的最小厚度為8mm。焊接方式如下圖3-1所示: 圖3-1 3.3接管設(shè)計 3.3.1 殼程接管 (1) 殼程接管公稱直徑DN 殼程進出口接管:取接管內(nèi)軟水的流速為u1=2 m/s 則直徑為: d1=4qvπu1=45258.53600992.23.142=0.306 m 按照鋼管厚度系列，取公稱直徑DN=32 mm可選接管的規(guī)格為Φ323，接管的材料選為20號鋼。 u1=2 m/s DN=32 mm (2) 接管法蘭形式與尺寸 根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可查HG20592～20635－97鋼制管法蘭、墊片、緊固件，選擇板式平焊鋼制管法蘭，其具體尺寸如下表3-2所示： 表3-2法蘭參數(shù) 公稱直徑DN 鋼管外徑A1 連接尺寸 法蘭厚度C 法蘭內(nèi)徑B1 法蘭外徑D 螺栓孔中心圓直徑K 螺栓孔直徑L 螺栓孔數(shù)量n 螺栓TH 32 38 120 90 14 4 M12 16 19 具體形式如圖3-2所示： 圖3-2 (3) 接管高度(伸出長度) L=h+h1+δ+l=16+10.8+10+30=66.8 mm 圓整,取L=70 mm L=70 mm 3.3.1 管程接管 (1) 管程接管公稱直徑DN 殼程進出口接管:取接管內(nèi)軟水的流速為u2=2 m/s 則直徑為: d2=4qvπu2=464003600686.83.142=0.406 m 按照鋼管厚度系列，取公稱直徑DN=40 mm可選接管的規(guī)格為Φ402.5，接管的材料選為20號鋼。 u2=2 m/s DN=40 mm (2) 接管法蘭形式與尺寸根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可查HG20592～20635－97鋼制管法蘭、墊片、緊固件，選擇板式平焊鋼制管法蘭，其具體尺寸如下表3-3所示： 表3-3法蘭參數(shù) 公稱直徑DN 鋼管外徑A1 連接尺寸 法蘭厚度C 法蘭內(nèi)徑B1 法蘭外徑D 螺栓孔中心圓直徑K 螺栓孔直徑L 螺栓孔數(shù)量n 螺栓TH 40 45 130 100 14 4 M12 16 46 (3) 接管高度(伸出長度) L=h+h1+δ+l=16+10.8+10+30=66.8 mm 圓整,取L=70 mm 3.3.2 排液口、排氣口 排液口和排氣口的公稱直徑大小一般不小于Φ15 mm,本次采用的公稱直徑為Φ30 mm。 L=70 mm 3.4 開孔補強 根據(jù)GB150-2011，允許不另行補強的最大接管外徑是Φ=89 mm，本次設(shè)計的殼程接管、管程接管、排液口和排氣口均小于Φ=89 mm，因此不需要另行考慮開孔補強問題。 3.5 法蘭與墊片 3.5.1管箱法蘭與封頭法蘭 管箱與法蘭、封頭與法蘭均采用對接焊，查JB4700-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭，平面密封面，材料為鍛件20MnMoⅡ，其結(jié)構(gòu)如圖3-3，其具體尺寸如下表3-4：（單位為mm） 圖3-3 表3-4 DN400長頸對焊法蘭尺寸 DN 法蘭 螺柱 對接筒體最小厚度 D D1 D2 D3 D4 H h a a1 R d 規(guī)格 數(shù)量 400 540 500 465 455 452 34 95 25 17 14 12 22 12 23 M20 20 6 3.5.2 墊片 查JB4700-2000壓力容器法蘭，根據(jù)設(shè)計溫度可選擇墊片型式為金屬包墊片，材料為0Cr18Ni9，結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，其尺寸如表3-5： 圖3-4 表3-5 管箱墊片尺寸 PN(Mpa) DN(mm) 外徑D(mm) 內(nèi)徑d(mm) 墊片厚度 反包厚度Ｌ 1.0 400 454 422 3 4 3.6 管板設(shè)計 3.6.1管板厚度設(shè)計 采用BS法 （1） 假設(shè)管板厚度為δ3=28 mm （2） 計算K值: K2=1.32DibnaμLb=1.324002881176.60.5144428=15.86 則K=3.98 (3) 管板邊緣支承的形式為簡支形式,則: G1=2.9;G2=-0.65;G2=2.9 (4) 計算σr和σt: σr=Ps-Pt4μG1Dib2=140.52.9400282=35.19MPa σt=1βPa-Ps-PbG2λ=10.6841-1-0.650.684=28.5 MPa (5) 校核σr和σt: 查GB150-2011得,16MnR鋼材的[σ]r=150 MPa, [σ]t=113MPa。則： σr=35.19 MPa<σr=150 MPa σt=28.5 MPa<[σ]t=113MPa 符合要求，說明假設(shè)厚度合適。 （6） 管板厚度 δ3n=δ3+2C=28 mm+21=30 mm δ3=28 mm K=3.98 G1=2.9;G2=-0.65; G2=2.9 σr=35.19 MPa σt=28.5 MPa σr=150 MPa [σ]t=113MPa δ3n=30 mm 3.6.2 換熱管與管板連接方式 根據(jù)GB151-1999的規(guī)定,換熱管與管板連接采用脹接方式連接，K=0.5 mm,伸出長度lt=3 mm其連接方式如下圖3-5所示 圖3-5 3.6.3 換熱管與管板連接拉脫力校核 q=σtmax?a10πd0lt=2.8176.6103.14323=1.6Mpa 其中： lt—管子與管板脹接的長度，mm,查GB151-1999可知lt=3 mm 許用拉脫力q=0.52[σ]tt=0.586=43Mpa 明顯地，q<[q],說明連接方式是合適的。 q=1.6Mpa lt=3mm q=43Mpa q<[q] 3.6.4 管板與筒體連接方式 采用管板兼作法蘭的形式,其連接方式如下圖3-6所示: 圖3-6 3.6.5 管板尺寸 根據(jù)法蘭尺寸并作實際圖確定,其尺寸如下表3-6所示: 表3-6 管板尺寸(mm) 公稱直徑DN 外徑D1 厚度b 內(nèi)徑D2 螺栓孔直徑d 螺栓孔內(nèi)圓直徑D1 螺栓 螺栓個數(shù) 400 540 30 391 18 500 M20 20 3.7接管位置確定 3.7.1 殼程接管位置的最小尺寸 采用無補強圈的形式(其中b為管板厚度)，如下圖3-7所示： 圖3-7 L1≥dH2+b-4+C=382+30-4+100=145 mm 取L1=150 mm 3.7.2 管程接管位置的最小尺寸 采用無補強圈的形式(其中b為管板厚度) ，如下圖3-8所示： 圖3-8 L2≥dH2+hf+C=402+95+60=175 mm 取L2=180 mm L1=150 mm L2=180 mm 3.8 管箱和封頭長度及與筒體的連接方式 管箱的長度380mm,封頭的長度為220 mm,采用法蘭連接,如下圖3-9所示: 圖3-9 3.9 折流板 3.9.1 折流板的形式和尺寸 根據(jù)前面計算可知,本次設(shè)計采用單弓形,上下方向排列。圓缺高度為H=100 mm，厚度為δ=4 mm，間距為B=160 mm,數(shù)量為N=7 塊。 3.9.2 折流板的排列 本次課程設(shè)計折流板的排列如下圖3-10所示 圖3-10 3.9.3 折流板的布置 根據(jù)實際畫圖得與前管板的距離為L1=250 mm，與后管板的距離為L2=290 mm。 3.10 拉桿、定距管 根據(jù)GB151-1999,由于換熱管規(guī)格為25㎜2.5㎜，采用拉桿定距管形式如圖3-7所示，拉桿一端的螺紋擰入管板，折流板用定距管定位，最后一塊折流板靠拉桿螺母固定。材料選用Q235-A，同時拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束外邊緣。拉桿的一端的螺紋擰入管板，折流板用定距管定位，最后一塊折流板靠拉桿螺母固定。如下圖3-11所示： 圖3-11 3.10.1拉桿尺寸 拉桿形式及各部分尺寸如下圖3-12所示： 圖3-12 拉桿的具體尺寸如下表3-7 表3-7 拉桿的參數(shù)(mm) 拉桿直徑d 拉桿螺紋公稱直徑DN La Lb b 拉桿數(shù)量 16 16 17 ≥60 2 4 其中L根據(jù)實際作圖得到L=1280mm的2根,L=1120mm的2根。 3.10.2 定距管 根據(jù)換熱器設(shè)計手冊，定距管的尺寸同換熱管的尺寸相同，材料選用碳鋼Q235-B。外徑為25mm2.5mm。其長度根據(jù)折流板間距確定為16mm。 3.11 防沖板 由于殼程流體的ρv2=992.20.1052=10.94Kg/(m.s2)<2230Kg/(m.s2)( 查GB151-1999)管程換熱管流體的流速<3m/s，因此在本臺換熱器的殼程與管程都不需要設(shè)置防沖板。 3.12 旁路擋板 根據(jù)GB151-199規(guī)定,旁路擋板采用與折流板厚度一致,而本次設(shè)計的公稱直徑DN=400<500,選用一對擋板。 3.13保溫層 根據(jù)設(shè)計溫度選保溫層材料為脲甲醛泡沫塑料，其物性參數(shù)如下表3-8： 表3-8 保溫層物性參數(shù) 密度Kg/m3 導(dǎo)熱kcal/mh℃ 吸水率 抗壓強度kg/m３ 適用溫度℃ 厚度mm 13～20 0.0119～0.026 12% 0.25～0.5 -190～+500 10 3.14 鞍座 3.14.1 鞍座安裝尺寸 根據(jù)GB151-1999,LB=(0.4~0.6)L,取LB=0.53L=790mm，LC=250mm,LC=360mm鞍座安裝方式如下圖3-13所示 圖3-13 3.14.2 鞍座尺寸: 根據(jù)JB/T4712-92選擇鞍座的型號為：DN600、120包角重型帶墊板鞍式支座。結(jié)構(gòu)如下圖3-14所示： 圖3-14 具體尺寸如下表3-9所示： 表3-9 鞍座尺寸 公稱直徑DN 鞍座 高度 允許載荷Q(KN) 底板 腹板 筋板 墊板 螺栓間距l(xiāng)2 鞍座質(zhì)量（kg） 增加100mm高度增加的質(zhì)量（kg） l1 b1 l3 b3 弧長 b4 e 400 200 60 380 120 8 8 300 96 8 480 160 6 28 260 14 3 總結(jié) 在老師辛勤的指導(dǎo)下，本次我們順利地完成了是固定管板式換熱器的設(shè)計。通過這次課程設(shè)計，讓我們對換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計有了一個新的認(rèn)識，讓我對石油化工過程裝備設(shè)計這門課有了進一步的認(rèn)識。設(shè)計時要有一個明確的思路，要考慮多種因素包括環(huán)境條件和介質(zhì)的性質(zhì)等再選擇合適的設(shè)計參數(shù)，對固定管板式換熱器的材料和結(jié)構(gòu)確定之后還要進行一系列校核計算，包括筒體、封頭的應(yīng)力校核，以及鞍座的載荷和應(yīng)力校核。校核合格之后才能確定所選設(shè)備型符合要求。 通過這次設(shè)計對我們獨自解決問題的能力也有所提高。在整個過程中，我們查閱了許多有關(guān)書籍及文獻，取其相關(guān)知識要點應(yīng)用到課設(shè)中，而且其中有很多相關(guān)設(shè)備選取標(biāo)準(zhǔn)可以直接選取，這樣設(shè)計出來的設(shè)備更加符合要求。在寫設(shè)計說明書中，采用了CAD等繪圖軟件，在繪圖的整個過程中，我對制圖軟件的操作更加熟悉。這次課設(shè)的書寫中對格式的要求也很嚴(yán)格，在老師的指導(dǎo)下我們按照畢業(yè)設(shè)計的格式要求完成課設(shè)。這就為我們做畢業(yè)設(shè)計打下了基礎(chǔ)。 因為的知識有限，所做出的設(shè)計存在許多缺點和不足，請老師做出批評和指正。最后感謝老師對這次課設(shè)的評閱。 參考文獻 [1].GB150-1999鋼制壓力容器； [2].GB151-1999管殼式換熱器； [3].JB／T4700～4707-2000，壓力容器法蘭； [4].JB／T4718－92，管殼式換熱器用金屬包墊片； [5].JB／T4721－92，外頭蓋側(cè)法蘭； [6].JB／T4712－92，鞍式支座； [7].HG20592～20635－97，鋼制管法蘭、墊片、緊固件； [8].JB／T4746－2002，鋼制壓力容器用封頭； [9].HG20580－～HG20581-1998，鋼制化工容器設(shè)計基礎(chǔ)規(guī)定等； [10].JB4726－94，壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件。 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