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【JX17-49】FHLK6700-40-1列管式聚四氟乙烯换热器改进设计(二维+论文)

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JX17-49 【JX17-49】FHLK6700-40-1列管式聚四氟乙烯换热器改进设计二维+论文
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1 目 录 目目 录录1 第一章第一章 绪论绪论3 1.1 概述3 1.2 研究成果3 1.2.1 氟塑料换热器制造工艺3 1.2.2 工业用的各种聚四氟乙烯换热器设计、试制方面4 1.3 我国聚四氟乙烯换热器应用4 1.4 存在的问题及发展方向5 1.5 设计参数5 第二章第二章 列管式换热器的结构列管式换热器的结构6 2.1 管程结构6 2.2 壳程结构7 2.3 管程和壳程数的确定9 第三章第三章 管壳式换热器的热力计算管壳式换热器的热力计算11 3.1 确定物性参数11 3.2 传热量与水流热量11 3.3 有效平均温差12 3.4 结构初步设计12 3.5 管程换热系数计算13 3.6 壳程换热系数计算14 3.7 总传热系数计算15 3.8 管壁温度计算16 3.9 管程压降计算16 3.10 壳程压降计算17 第四章第四章 换热器的总体结构设计换热器的总体结构设计19 4.1 换热器壳体壁厚计算及校核19 4.2 换热器封头的选择20 4.3 法兰垫片的选择21 4.3.1 固定端法兰与垫片21 4.3.2 接管法兰型式与尺寸.22 4.4 管板的设计23 4.5 换热管与管板连接拉脱力24 4.5 膨胀节25 4.5.1 膨胀节25 4.5.2 膨胀节计算26 4.6 折流板设计28 4.6.1 折流板型式29 4.6.2 折流板尺寸29 4.6.3 折流板的布置30 2 4.7 进出口设计31 4.7.1 接管外伸长度31 4.7.2 接管与筒体、管箱壳体的连接32 4.7.3 接管最小位置34 第五章第五章 总结总结36 参考文献参考文献37 谢谢 辞辞38 3 第一章 绪论 聚四氟乙烯换热器是一种重要的换热设备,它的发展、应用和发展经历了 20 多年的历史,现在有许多不同结构、不同用途和性能的聚四氟乙烯制品。目 前工业生产中广泛应用于管壳式换热器。本文介绍了近年来在化学工业中的应 用,简要介绍了它的发展现状、工业应用及今后的发展方向。 1.1 概述 聚四氟乙烯换热器是化工设备的新品种,在各种合金、非金属和贵金属 冠的聚四氟乙烯材料的耐腐蚀性能,如金、银、锆,因此这种设备解决强腐蚀 性流体材料制药、石油化工传热问题具有重要的意义。这个.据报道,美国,英 国,法国,德国,意大利,美国和其他国家已广泛使用这种新设备,以及制造 和应用这个设备还没有全面展开。随着我国工业和科学技术的发展,必将促进 聚四氟乙烯的研究和应用。聚四氟乙烯传热设备是在工业上需要的耐腐蚀和传 热材料与Gao Jie率的情况。根据数据,1965的美国杜邦公司开发的聚四氟乙烯 盐酸冷凝器,代替传统的玻璃陶瓷器、吸收器、石墨设备冷凝换热器,大大提 高了耐腐蚀性和传热介质的清洁率,然后逐渐广泛应用于石油化工、制药、电 镀、硫酸和轻工业。 1985,在郑州工业大学开展了PTFE换热器制造工艺的研究工作。通过试制、 试验和数据的积累,我们已经探讨了聚四氟乙烯换热器制造工艺的可行性和设 计生产各种氟塑料换热器适用于中国工业领域的应用。 1.2 研究成果 1.2.1 氟塑料换热器制造工艺 氟乙烯换热器制造的技(1)自创了一种“氟塑料换热器F-4管板限施压加热 焊接法”工艺,解决了管式聚四术关键。目前,该项技术已应用于工业生产,其 技术为郑州工业大学校办工厂原厂,设备特点简单,投资少,可解决实际问题。 (2)聚四氟乙烯换热器制造方面; 聚四氟乙烯换热器制造分为三个步骤:设备制造、模具制造、工艺技术。 设备制造焊接炉 4 聚四氟乙烯换热器采用有限膨胀压力管板焊接工艺加热管板焊接,焊接工 艺无需任何焊接剂,换热器在成品件全部 PTFE 结构材料上保证耐腐蚀要求。 在所有工艺中,焊接工艺是换热器制造的关键工序。 自制焊接炉所需投资少,设备简单,易于工人操作控制,便于定期维护维 修。焊接牢固性高,焊接面质量好。其焊接后焊缝机械强度等指标高于四氟管 本身的物理机械性能所以焊接炉是四氟换热器制造中最重要设备。 工装制造 该系列主要部件为膨胀模具、焊接加热钢芯、辅助夹具等,配有一系列详 细图纸。 (3) 郑州工业大学校办总厂与锦西化工总厂协作研究了“F- 46蜂状管板焊 接法”和“F- 46管板熔加热焊接法”,后者已被用于制造工业用的F-46换热制品。 1.2.2 工业用的各种聚四氟乙烯换热器设计、试制方面 自1985以来的设计和各种不同的氟塑料换热器结构的制造,如管壳式、U 型线圈浸渍管浸入,通过多种行业,实际应用效果理想,并在国内工业生产已 经实现。目前在工业应用中的最大换热面积为280平方米。换热管达2000根。 1.3 我国聚四氟乙烯换热器应用 目前,PTFE换热器种类很多,各有特点: (1):壳管式是目前应用最广泛的一种,使用面积最大,单体面积最大, 为280平方米。 (2)浸入式:分为U型浸泡和盘管浸入式两种。由于采用F4稳定材料的化 学性质,即使F4材料溶解在“王水”沸腾不起反应,使产品可用于酸、碱的热 交换过程,强氧化剂等液体材料,如用碱溶液、氢氟酸、硝酸一、发烟硫酸、 20%种有机酸、氯、溴混合物,有机溶剂和其他流体材料加热,冷凝。由于F4 表面自由能很低,只有119pa,且膨胀系数比一般的污垢,管是灵活和易于振动, 大大减少结垢堵塞的机会。由于柱管带有薄壁管,单位体积中所含的传热面积 比普通管增加了数倍,F4弥补了传热材料导热系数低的缺陷。在一般情况下, 设备的总传热系数K为209291Wm2K。同时,由于采用了小口径换热管,该 装置可在管壳的温度范围内承受一定的压力,允许的温度范围和压力如下: 许用温度范围:-50150 5 许用压力范围:管程压力015MPa 壳程压力013Mpa 1.4 存在的问题及发展方向 目前,PTFE换热器管板焊接技术难以掌握,远远小于机械化和自动化生产, 有待进一步探索和改进。换热器与其它材料换热器不一样,可在任何条件下使 用。它必须根据其特点使用,并可以使用,以获得预期的技术和经济效果。由 于采用聚四氟乙烯小口径换热管,其温度范围和压力程度受到很大限制,且必 须防止机械损坏。为了防止在中大颗粒堵塞,在换热器必须安装在粒子分离器 的入口,如果颗粒浓度不高,可以使流体规律的反向流动,从而增加在一定程 度上对设备的适用性。焊接原理不同于钢换热器管板PTFE管,焊接质量检验只 能通过宏观检测手段,如水压试验、气密性试验,确定企业的焊接面。焊接表 面存在的缺陷不能立即测量,只有经过一段时间才能定期检查,以弥补。 总之,PTFE 换热器具有非常广阔的发展前景,加强 F4 基材料的研究,开 发新品种和新系列,以提高产品的应用范围是未来发展的主要方向。中国的市 场是广阔的,氯碱、硫酸、化肥、制药等行业的设备升级,一大批先进的聚四 氟乙烯设备的需要。 1.5 设计参数 (1)设计压力:1Mpa。壳体介质:水。管程介质:乙二醇胺。 (2)总体参数:列管长 6700mm,材料为聚四氟乙烯。 (3)设计温度:壳、管壁温差 45,ttts 壳程介质温度为 25-35,管程介质温度为 45-70。 6 第二章 列管式换热器的结构 2.1 管程结构 换热管规格和排列的选择 换热器直径越小,换热器单位体积传热面积越大。因此,清洁流体是可取的。但对 于脏或易垢的流体,直径应较大,以免堵塞。考虑到制造和维护的方便,加热管的规格 不应太多。目前我国试行的系列标准规定采用和两种规格,对一般流体是25 2.519 2 适应的。此外,还有,的无缝钢管和,的耐酸不锈钢管。38 2.557 2.525 238 2.5 根据所选管径和流量确定管的数量,然后根据所需的传热面积,管的长度。实际长 度应根据合理的长度与钢管厂长度。中国的钢管长度生产 6m 或 9m,因此标准系列 1.5m 长,2m,3m、4.5m、6m 或 9m,六、3、6 个月更常见。同时,管子的长度与直径、长度 和直径的配合比应为 LD 的比例约为 46。 管道布置有两种:等边三角形和正方形。与正方形相比,等边三角形布置紧凑,湍 流程度高,表面传热系数大。虽然方的布置相对松散,传热效果差,但易于清洗外管, 更适合于易垢流体。如果方形管束倾斜到 45 度,传热系数可以在一定程度上得到改善。 图1 管子在管板上的排列 管板 固定管板式换热器的管板两端通过焊接方法与壳体连接固定。 管板用于连接被加热的管束并分离管壳侧流体。 封头和管箱 封头 头部有两种方形和圆形,方形用于小直径的壳体,圆用于大直径的壳体。 管箱 管式换热器管箱是换热器盖,也称配电室。对于液体的分布和头部的作用。 当压力低时,可采用盖板,高压时采用凸帽。检修时可拆下管箱对管子进行清洗或更换。 管箱的最小内侧深度应符合以下两个条件 7 1)轴向开口中单管的最小深度不应小于喷嘴内径的1/3。 2)多管内深度应保证两道工序之间的最小流量面积不小于每管传热面积的1.3倍;当 操作允许时也可等于换热管的流通面积。 3)管箱的长度也应考虑2B 管侧入口和出口管道开孔补强应力影响范围的边缘,如果 是靠近壳程进出口管,也应考虑螺栓和螺母的处理,这个新手容易忽视的,特别是在图 纸不按比例的情况下,个别病例应被视为空间管箱的维修。 4)管子的长度也应考虑从喷嘴到头端的距离,焊缝与法兰密封面之间的距离。 2.2 壳程结构 壳体 换热器壳体的内径应等于或略大于管板的直径。根据实际的管数、管径、中心距和 管的布置等计算。然而,当数反复计算和拔管的方法,太繁琐和费时的,通常在初步设 计中,第一个被选择和流体流速和管直径在一系列标准的壳侧流动面积计算发现。整个 设计完成后,绘制方法用于绘制管道布置图。为了使管子排列均匀,防止流体走“短路“, 可以适当增减一些管子。 另外,初步设计中也可用下式计算壳体的内径,即: (1)2 c Dt n b 式中 D壳体内径,m; t管中心距,m; nc横过管束中心线的管数; b管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离,一般取 b=(11.5)do。 nc值可由下面的公式计算。 管子按正三角形排列时:1.1 c nn 管子按正方形排列时: 1.1 c nn 式中 n 为换热器的总管数。 折流挡板 安装挡板的目的是提高管外表面的传热系数。折流挡板不仅可以防止流体的短路, 提高流体的流速,而且还可以迫使流体流过管束,根据规定的路径。挡板有圆形和圆盘 形两种。弓的高度约为10外壳直径的40%,一般从20到25%,过高或过低都不利于传热。 8 a.圆缺形 b.圆盘形 a.圆缺形 b.圆盘形 图2 折流板 两个相邻挡板之间的距离为壳体内径的0.21倍。板间距太小,不易制造和维护,阻 力也较大。如果板间距太大,很难流体垂直流过管束,使对流换热系数降低。 的间隙的大小有一个重要的影响,在壳侧的流体流动。从图2可以看出,间隙过大或 过小都会产生“死区” ,不利于传热,而且经常增加流体阻力。 a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 图3 挡板切除对流动的影响 挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大,不能保证流体垂直流过管束, 使管外表面传热系数下降;间距太小,不易制造和维护,阻力损失也较大。一般采取挡 板间距为0.2倍至1倍直径的外壳。我国系列标准中采用的挡板间距为: 固定管板式有100mm,150mm,200mm,300mm,450mm,600mm,700mm 七种 浮头式有100mm,150mm,200mm,250mm,300mm,350mm,450mm,600mm 八 种。 9 图4 装有圆形折流挡板的列管换热器 缓冲板 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击,可在进料管口装设缓冲挡 板。 其它主要附件 导流筒 壳液进出口管与板之间会有流体流动的空间,为了提高传热效果,常在管 束中加入导流管,流体进出外壳时受此空间约束。 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔,以排除不凝性气体和冷 凝液等。 接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算,即: 4 s V d u 式中 Vs-流体的体积流量,m3/s; u-接管中流体的流速,m/s。 流速 u 的经验值为: 对液体:u=1.52m/s; 对蒸汽:u=2050m/s; 对气体:u=(1520)p/;式中 p 为压强,单位为 atm; 为气体密度,单位为 kg/m3。 2.3 管程和壳程数的确定 当流体流量小或传热面积大,需要管的数量时,管内流速较低,对流换热系数小。 为了提高管道中的流速,多管。但这个过程太多,造成管程流体阻力增加,电力成本增 加;同时多通道将使平均温差减小;此外还有多通管板的分区可以减少设计的面积应考 虑这些问题。管式换热器系列标准管编号1、2、4和6。在多通的情况下,在每个过程中 的管的数目应该是大致相等的。 管程数 m 可按下式计算,即: 10 u m u 式中 u管程内流体的适宜速度,m/s; u管程内流体的实际速度,m/s。 当壳体侧流体流速过低时,也可应用于壳体。如果壳体安装有与挡板平行的管束, 则流体流经壳体两次,称为壳体的两个。然而,由于立式挡板的制造、安装和维护等方 面的困难,不需要采用壳程多通道换热器串联。例如,当壳体为两个时,主管道的数量 分为两部分,分别设置在直径相同、直径较小的套管内,然后两个热交换器串联,串联 使用。 11 第三章 管壳式换热器的热力计算 3.1 确定物性参数 定性温度:可取流体进出口温度的平均值。 壳程流体水的定性温度:t=(t1+t2)/2=(25+35)/2=30 管程流体乙二醇胺的定性温度:T=(T1+T2)/2=(70+45)/2=57.5。 水在 30的有关物性数据如下: 密度 1=995.7kg/m3 定压比热容 Cp1=4.174kJ/(kg) 热导率 1=0.618W/(m) 粘度 1=8.0510-7Pas 乙二醇在 57.5的有关物性数据如下: 密度 i=1052.04 kg/m3 定压比热容 Cpi=2.87kJ/(kgK) 热导率 i=0.265W/(mK) 粘度 i=697.7610-6Pas 流量 qmi=63131.31kg/h 3.2 传热量与水流热量 取定换热器热效率为 =0.98 冷凝段传热量: Q1= G1/3600 =1.31.9861031052.040.98/3600 =739.4KW 冷却段传热量: Q1C= G1Cp1C(t3- t1”)/3600 =1.31.9861032.87(70-45)0.98/3600 =50.4KW 总传热量 Q0= Q1+ Q1C=739.4+50.4=789.8KW 冷却水的流量: 0 2 “ 222 789800 18922/ ()4.174 (3525) P Q Gkg h Ctt 设定冷凝段和冷却段分界处水的温度为 t3 1 2 223 18922/ () c P Q Gkg h Ctt 12 解得 t3=34.3 3.3 有效平均温差 冷凝段温差: =39.8 N t 1213 12 13 ()() () ln () tttt tt tt (7035)(7025) 7035 ln 7025 对于冷凝,冷凝温度基本一定,故温差校正系数为 1,所以有效平均温差=39.8 m t 冷却段温差: =27.1 Nc t “ 1312 13 “ 12 ()() () ln () tttt tt tt (7034.3)(4525) 7034.3 ln 4525 查得温差校正系数=0.82 所以有效平均温差=0.8227.1=22.2 ncmc tt 3.4 结构初步设计 参考表 2-7,初选冷凝段的传热系数=850W/m o K 初选冷却段的传热系数=250W/m oc K 初选传热面积: 冷凝段的传热面积:= =21.86m2 1 O Om Q F Kt 739400 850 39.8 冷却段的传热面积: = =7.4m2 1C OC OCmc Q F Kt 50400 250 27.1 选用无缝钢管作换热管19 2 管子外径 d0=19mm 管子内径 di=15mm 管子长度取 l=4.5m 管子总数: =108.9 OOC t o FF N dl 21.867.4 3.14 0.019 4.5 取 121 根 管间距 S=1.25d0=1.250.019=0.025m 13 管束中心排管数:NC=1.1=1.1=12.1 取 13 根 t N121 壳体内径:取 Di=0.6m 长径比:l/Di=3/0.6=5 合理 弓形折流板弓高:h=0.25Di=0.250.6=0.15m 折流板间距:B=Di/3=0.6/3=0.200m 折流板数量:nb=l/B-1=3/0.200-1=14 块 取 13 块。 3.5 管程换热系数计算 管程流通截面积: 222 2 134 0.020.020.021 2424 t N am 管程流速:w2=0.25m/s 2 22 3600 G a 18922 995.7 0.021 3600 管程雷诺数:Re2=7135 22 2 i wd 6 995.7 0.25 0.02 697.76 10 管程质量流量:248.9Kg/s 222 995.7 0.25W 管程传热系数: 冷凝段的定性温度:=(+t3)/2=(34.3+25)/2=29.65 2 t 2 t 冷却段的定性温度: =(+t3)/2=(34.3+35)/2=34.65 c t2 2 t 冷凝段传热系数:= 2 0.8 22 0.2 3605(1 0.015 ) (100) i t w d = 0.8 0.2 3605(1 0.015 29.65) 0.25 (100 0.02) =2907.9 冷却段传热系数:= c2 0.8 22 0.2 3605(1 0.0152) (100 0.02) c tw = 0.8 0.2 3605(1 0.015 34.65) 0.25 (100 0.02) =3048.7 14 3.6 壳程换热系数计算 壳程流通面积: f1=BDI(1-d0/S)=0.2000.6(1-0.019/0.025)=0.0263m 壳体当量直径: =0.0533m 2222 0.6134 0.019 134 0.019 ito e to DNd d Nd 壳程流速 冷凝段:=11.80m/s 3 1 1 11 1.3 1.986 10 36002.13 0.0263 3600 G f 冷却段:=0.035m/s 3 1 1 11 1.3 1.986 10 3600777.87 0.0263 3600 c C G f 凝段管外壁温度假定值:=58 1w t 膜温:tm=64 11 7058 22 w tt 膜温下的物性参数查表得: m=0.1607W/m =765.41kg/m3 m =0.3166 m 3 10 Pa s 冷凝负荷:=G/=0.0497kg/(m.s) 3 1.3 1.986 10 3.14 3600 0.019 184 冷凝段雷诺数:=627.9 1 3 44 0.0497 0.3166 10 e m R 冷却段雷诺数:=4330 3 1 11 1 103351 . 0 0533 . 0 035 . 0 87.777 c ecc ce d R 冷却段管外壁温假定值:=42 cw t 1 壁温下乙二醇粘度:=0.3519Pas 1w 3 10 粘度修正系数:=0.993 1 14 . 0 1 1 )( w 14 . 0 3 3 ) 103519 . 0 103351 . 0 ( 15 切去弓形面积所占比例按 h/Di=0.2 查得为 0.145 壳程传热因子查图图 2-12 得=75 s j 冷凝段壳程换热系数: 冷凝负荷:=26.60Kg/() 3 22 33 1.3 1.986 10 3 184 B t G G l N sm =0.945 1 3 1 23 )( B m mm G g =0.945 3 1 3 723 ) 60.26103166 . 0 10 7 . 1241.7651607 . 0 ( =31394 冷却段壳程换热系数: =400.7 c1 e c d 1 sr jp 1 3/1 75993 . 0 76 . 5 0533 . 0 16 . 0 3 1 3.7 总传热系数计算 乙二醇侧污垢热阻:r1=0.0001762/W 2 m 水侧污垢热阻: r2=0.000344/W 2 m 总传热系数 冷凝段: 00 12 12 1 11 j ii K dd rr dd = 1 10.01910.019 0.00017620.000344 313940.0152907.90.015 =936 冷却段: = jc K 00 12 12 1 11 cici dd rr dd = 1 10.01910.019 0.00017620.000344 400.70.0153048.70.015 16 =284.8 传热系数比值: =936/850=1.10 合理 oj KK / =284.8/250=1.14 合理 jojc KK/ 3.8 管壁温度计算 假设冷凝段传热长度 1 2.5lm 假设冷却段传热长度 1 2 c lm 冷凝段管外壁热流密度: = =22318W/ 1 q 1 01t Q Ndl 580250.94 184 3.14 0.019 2.5 2 m 管外壁温度: =tm- (=64.4-22318(+0.0001762) 1 1w t 1 q 1 1 1 )r 31394 1 =59.7 误差校核:-=58-59.7=-1.7 误差不大 1w t 1w t 冷却段管外壁热流密度: =2937.1W/m2. c q1 1 01 c tc Q Ndl 50909.00 184 3.14 0.019 2 管外壁温度: =- (+r1)=51.2-2937.1(0.0001762) 2 1w t 1 t c q1 c1 1 7 . 400 1 =43.4 误差校核:-=42-43.4=-1.4 误差不大 cw t 1 2 1w t 3.9 管程压降计算 管内壁温度: tw2=t2+=37+2937.1(+0.000344) 0 12 2 1 () c ic d qr d 0.019 0.015 7 . 3048 1 17 =39.5 壁温下水的粘度:=659 PaS 2w 6 10 粘度修正系数: =1.008 2 14 . 0 2 2 )( w 14 . 0 6 6 ) 10659 1076.697 ( 查得管程摩擦系数:2=0.042 管内沿程压降: =()()() i p 2 2 2 2 W i t d nl 2 2 =1722.75 Pa 2 523.243 20.042 2 993.25 0.015 1.008 回弯压降: = =1102.60Pa b p t n W 4 2 2 2 2 24 25.9932 24.523 2 取进口管处质量流速: =1600kg/m2s 2N W 进出口管处压降:=1.5=1.5=1933.05 Pa 2n P 2 2 2 2 N W 25.9932 16002 管程结垢校正系数:=1.4 2d 管程压降:=( 2 P 22 ) Ndbi PPP =(1722.75+1102.60)1.4+1933.05 =5888.54 Pa 3.10 壳程压降计算 壳程当量直径: =0.0471m 2222 0.6184 0.019 0.6 184 0.019 ito e ito DNd d DNd 雷诺数:=3826.7 1e R c ec dW 1 1 3 777.87 0.035 0.0471 0.3351 10 查得壳程摩擦系数: =0.8 1 管束压降: 2 11 0 11 (1) 2 ib e D nW P d 18 =68.46 Pa 2 (777.87 0.035)0.6 (13 1)0.8 2 777.870.04710.993 取进出口质量流速:=1000kg/ 1N Wsm 2 进出口管压降:=1.5=1.5=964.17 Pa 1N P 1 2 1 2 N W 87.7772 10002 取导流板阻力系数: =5 d 导流板压降:5=3213.90 Pa 87.7772 1000 2 2 1 2 1 d N d W P 壳程结垢修正系数: =1.38 d 壳程压降: =68.461.38+3213.90+964.17 101Ndd PPPP =4272.5 Pa 壳程允许压降:=20000 Pa 1 P 管程允许压降:=50000 Pa 2 P 11 PP 22 PP 即压降符合要求。 19 第四章 换热器的总体结构设计 4.1 换热器壳体壁厚计算及校核 焊接方式:选为双面焊对接接头,焊接系数;0.9 计算壁厚为:, c t ic p Dp 2 式中:为计算压力,取=1.0Mpa;600mm;=0.9;t =133Mpapcpc i D 将数值代入上述厚度计算公式,可以得知: 1.0 600 2.52 mm 2 133 0.9-1.0 查化工设备机械基础表 4-11 取;2 . 1 2 Cmm 查化工设备机械基础表 4-9 得25 . 0 1 Cmm 2.52+1.2+0.25=3.97mm。又因为腐蚀度为 2mm。 故查表 4-13 圆整后取8 n mm 复验,最后取6%0.480.25 n mm25 . 0 1 Cmm 该壳体采用聚四氟乙烯制造。 1、液压试验应力校核 s e eiT T DP 9 . 0 2 )( MpaPP t T 15. 1115 . 1 15 . 1 8 1.20.256.55 en Cmm 查化工设备机械基础附表 9-1Mpa s 245 , 1.15 (6006.55) 53.25 2 6.55 T Mpa Mpa s 45.1982459 . 09 . 09 . 0 可见,故水压试验强度足够。0.9 Ts 2、强度校核 20 设计温度下的计算应力 ()1.0 (6006.55) 46.3 22 6.55 cie t e p D Mpa 133 0.9119.7 t Mpa t 最大允许工作压力 2 2 133 0.9 6.55 2.59 6006.55 t e w ie PMpa D 故强度足够。 4.2 换热器封头的选择 选择标准椭圆形封头 JB/T4737-95。 椭圆封头由两部分组成,即长轴和短轴分别由 A、B 和 H 组成。直边的作用是保证 头部的质量,避免气缸与头部之间的圆周焊接作用的边缘应力。 受内压(凹面受压)的椭圆形封头的计算壁厚为: 2 ) 2 (2 6 1 25 . 0 25 . 0 2 i i c t oc c t ic h D K p DpK p DpK S 而对于标准椭圆形封头,K=1,故 1 600 3.13 2 0.522 113 0.850.5 1 co t c pD Smm p 表3-1 封头厚度 壳程或管程公称压力 PN,MPa 0.61.01.62.54.06.4DN,mm材料 厚度,mm 聚四氟乙烯88810 16MnR88881016600 1Cr18Ni9Ti55681218 表3-2 标准椭圆形封头的直边高度 ho(mm) 封头材料聚四氟乙烯不锈钢 封头壁厚4810182039101820 直边高度254050254050 由以上壳体和管箱壳体的尺寸结构应选择的封头为 DN=600mm,材料为聚四氟乙烯, 封头厚度为 8mm,直边高度为25mm。 21 4.3 法兰垫片的选择 换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰、外头盖法兰、外头盖侧法兰以及接管法 兰。 垫片则包括了管箱垫片和外头盖垫片。 4.3.1 固定端法兰与垫片 (1)查 JB4700-2000 压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰, 凹凸密封面,材料为聚四氟乙烯,其具体尺寸如图所示:(单位为 mm) 图 4-1 法兰 22 表 4-1 DN600 长颈对焊法兰尺寸 法兰螺柱 DN DD1D2D3D4 Hhaa1 1 2 Rd 规 格 数量 对接 筒体 最小 厚度 600760 715 676 666 663 42 110 35211816261227 M 24 2410 (2)此时查 JB4700-2000 压力容器法兰,根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片, 材料为 0Cr18Ni9,其尺寸为: 图 3-8 垫片 表 4-2 管箱垫片尺寸 PN(Mpa)DN(mm)外径 D(mm) 内径 d(mm)垫片厚度反包厚度 1.660066562534 4.3.2 接管法兰型式与尺寸 根据管道的公称直径,选择法兰的焊接管法兰,采用凹凸密封面,具体尺寸如图所 示: (单位为) 图 4-2 接管法兰 23 4.4 管板的设计 管板是壳管式换热器的重要组成部分,它不仅与壳体相连,而且是换热器的主要部 件。除了要满足强度要求,管板设计应考虑。 1)管板结构 下图是固定管板换热器作为法兰的管板,管板与法兰连接处的密封面是凸的,过程 中隔墙角,倒角1045。 图5-1 整体管板结构 图5-2 堆焊管板结构 2)管板最小厚度 除满足计算要求,管板的最小厚度应满足结构和制造的要求,且不得小于12mm。管 板由复合管制成,复合层的厚度不得小于3mm。此外,对于耐腐蚀层,应保证复合层的 化学成分和表层厚度不小于2mm 的复合材料的显微组织的要求。 当管板和换热管采用胀接时,管板的最小厚度应满足表4-2-1。若管板采用复合管板。 表5-1 胀接时的管板最小厚度 换热管外径 do,mm25253006006009009001200120015001500 公称直径 DN 折流板或支持板最小厚度 400700456101012 3)折流板或支持板管孔 刚换热管 I 级管束折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表8-2。 表8-2 换热管外径或无支撑跨距d32或 l900l900且 d32 管孔直径d+0.8d+0.4 允许偏差+0.4 0 级管束折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表4-5-3 表8-3 换热管外径1416192532384557 管孔直径14.616.619.625.832.838.845.858.0 允许偏差+0.40 0 +0.45 0 +0.50 0 4)折流板或支持板外直径及允许偏差 表8-4 公称直径 DN 400 400 500 500 900 900 1300 1300 1700 1700 2000 2000 2300 2300 2600 折流板 名义直径 DN-2.5DN-3.5DN-4.5DN-6DN-8DN-10DN-12DN-14 折流板外直 径允许偏差 0 -0.5 0 -0.8 0 -1.2 0 -1.4 0 -1.6 4.6.3 折流板的布置 1)折流板的布置 一般情况下,管束两端的挡板应尽可能靠近壳体的进出口,其 它挡板应按等间距布置。靠近管板折流板和管板之间的距离图8-3所示: )4() 2 ( 2 1 b B Ll 式中 L1为壳程接管位置的最小尺寸; B2为防冲板长度,当无防冲板时,可取 B2=di。 31 图8-3 流板与管板间距 壳卧式换热器单相清洗液,挡板间隙应水平下的安排,如果气体中含有少量的液体 ,它应该在缺口上挡板开度最低的出液;如果在液体中少量的气体,它应该到挡板开港 口的最高点。当卧式换热器、冷凝器和再沸器的壳体为气相和液相或含固体物料的液体 时,挡板间隙应垂直布置,并在挡板的最低点处打开出液口。 2)折流板间距 挡板之间的最小距离一般不小于气缸直径的15,且不小于50m m。折流板间距应最大自由长度不得超过表4-5-5热管的规定,作为一个挡板,其值应小于 壳体内径。 4.7 进出口设计 其特征在于:所述换热器的壳体和管盒一般设有喷嘴或接口和进、出管。排气管安 装在外壳的底部和管多数,上部设有排气管,壳体的一侧还设有安全阀接口和其它接口 如温度计、压力表、液位计和取样管接口。对于垂直管壳式换热器,必须设置溢流管。 由于壳体和壳体的开启,壳体局部位置的强度减弱。因此,对壳体、喷嘴上的壳体喷嘴 ,除了考虑其对传热和压降的影响外,还要考虑壳体的强度和安装、外观等因素。 4.7.1 接管外伸长度 接管外伸长度也叫接管伸出长度,是指接管法兰面到壳体(管箱壳体)外壁的长度 。可按下式计算: 15 l hhl 式中 l接管外伸长度,mm; h接管法兰厚度,mm; hl接管法兰的螺母厚度,mm; 保温层厚度,mm。 除按上式计算外,接管外伸长度也可由表9-1的数据选取 表9-1 PN4.0MPa 的接管外伸长度 DN 050517576100101125126150151175176200 80150150200200250250300 150200200200200250250300 此壳程接管外伸长度为150mm,管程接管外伸长度为200mm。 4.7.2 接管与筒体、管箱壳体的连接 1)结构型式 接管与壳体、管箱壳体(包括封头)连接的结构型式,采用插入式焊接结构。一般 32 接管不得凸出于壳体的内表面。 2)开孔补强 (1)补强设计原则 加固设计的原则等面积法:局部强金属截面积壳截面面积必须大于或等于负的孔, 其含义是平均强度加强壳壁,开孔部分和壳壁减弱金属强度补偿。但这种方法不能完全 解决应力集中问题。当加强金属集中在喷嘴根部时,加固效果良好。当加强金属分散时 ,即使100%钢筋的面积很强,也不能有效地解决应力集中系数。 塑性失效强化的原理:在开口孔体积达到整体塑性时的极限压力等于非多孔壳体的 屈服压力;同时,按弹性计算的最大应力应不超过2s,即: s 2 max 而 5 . 1 s 代入上式,得 3 max 该式表明:如果薄膜应力控制在许用应力以下,应力集中区的最大应力集中系数可 达3。需要指出的是,这种加固方法只允许采用整体锻造加固结构。 (2)补强形式 内加强平齐接管:将补强金属加在接管或壳体的内侧。 外加强平齐接管:将补强金属加在接管或壳体的外侧。 对称加强凸出接管:采用凸出(插入)接管,接管的内伸与外伸部分实行对称加强 。 密集补强:将补强金属密集地加在接管和壳体的连接处。 理论和试验结果表明,从强度的角度来看,钢筋的强度是最好的,对称的凸管加固 是第二个,和加强的内管是第三。而从制造角度来看,密集补强必须从接管根部和壳体 连接处做成一个整体结构,这就给制造加工带来了困难,而且容器和开孔的直径越大, 加工越困难;凸出接管对称加强形式,连接处的内侧焊接困难,且容器和开孔越小越困 难;对于内加强平齐接管来说,除加工制造困难外,还会给工艺流程带来一些其它问题 。因此,一般不采用这种形式。我们这里选择采用外加强平齐接管的补强形式。 (3)补强结构 加强结构是指与加强壳体或连接管连接的加强金属的结构。主要如下: 加强环的加强结构:用加强环作为加强金属焊接壳体与喷嘴之间的连接。 加固环材料与墙体材料相同,其厚度与墙体厚度相同。加强板与加固装置的壁焊接 ,使其与装置壁同时承受力。为了接近焊缝检查,加强板带有一个小的螺丝孔 M10,通 入压缩空气从这里,涂覆在焊缝补强圈肥皂水和外墙,如果焊缝缺陷的,哪里会吹肥皂 泡。 结构的加强板和外壳或接管金属煤油形成一个整体,温度应力,抗疲劳。由于这些 33 缺点,加强环结构只适用于中低压容器。此外,加强环应符合下列规定: 钢材的标准抗拉强度下限值;MPa b 540 补强圈厚度小于或等于1.5Sn(Sn为壳体开孔处的名义壁厚,mm) ; 壳体名义厚度不大于38mm; 加强构件的结构:喷嘴或壳体附近的孔需要加强部分,由钢筋组成,然后用喷嘴和 壳体焊接在一起。 整体加强结构:壳体厚度增加,或厚壁管接头或整体加强锻件与壳体焊接,为全焊 接结构形式。 在这里我们采用补强圈补强。 (4)不另行补强的最大开孔直径 壳体开孔满足下面全部要求时,可不另行补强 设计压力不大于2.5MPa; 两相邻开孔中心的间距(对于曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍 ; 接管公称外径不大于89mm; 接管最小壁厚满足表9-2要求 表9-2 接管最小壁厚 接管公称外径253238454857657689 最小壁厚3.54.05.06.0 因此壳程接管可以不补强。 5)管程等面积补强计算补强圈外径 补强圈补强厚度一般与器壁厚度相等,故取补强圈厚度为8mm,则补强圈外径 DH=2 d=2150=300mm 4.7.3 接管最小位置 在换热器的设计中,为了充分利用换热面积,壳程流体入口和出口管道应尽量靠近 管板的两端与管箱的入口和出口管应尽量靠近管箱法兰、伸缩管箱壳体长度、重量设备 。然而,为了保证设备的制造和安装,喷嘴与管板或管法兰之间的距离不能太近,它受 最小位置的限制。 1)壳程接管位置的最小距离 34 图9-2 壳程接管位置 壳程接管位置的最小尺寸,见图9-2,可按下式进行计算: 带补强圈接管 mmCb D L H )4( 2 1 不带补强圈接管 mmCb d L H )4( 2 1 以上两式中取 C4S(S 为管箱壳体厚度,mm) ,且30mm。 2)管箱接管尺寸的最小位置 图9-3 管箱接管位置 管箱接管位置的最小尺寸,见图9-3,可按下式进行计算: 带补强圈接管 mmCh D L f H 2 1 不带补强圈接管 mmCh d L f H 2 1 以上两式中取 C4S(S 为管箱壳体
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本文标题:【JX17-49】FHLK6700-40-1列管式聚四氟乙烯换热器改进设计(二维+论文)
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