乙炔反应器出料冷却器设计毕业论文.doc

i 乙炔反应器出料冷却器设计毕业论文乙炔反应器出料冷却器设计毕业论文 目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 换热器概述 1 1 2 浮头式换热器 2 2 换热器设计 3 2 1 换热器计算方法依据 3 2 2 换热器工艺设计计算 3 2 2 1 确定设计方案 3 2 2 2 定性温度和物性参数计算 3 2 3 初选结构 4 2 3 1 管排列方式 4 2 3 2 管子外径 5 2 3 3 折流板的选择 7 2 3 4 校核总换热系数 7 3 换热器的机械设计计算 10 3 1 换热流程设计 10 3 1 1 管子和传热面积 10 3 1 2 壳体 10 3 2 前端管箱筒体计算 11 3 2 2 前端管箱封头的设计计算 13 3 2 3 外头盖筒体计算 14 3 2 4 外头盖封头计算 15 3 2 5 浮头设计计算 16 3 2 6 壳程外压作用下浮头盖的计算 18 3 2 7 管板的设计计算 19 3 2 8 接管及开孔补强计算 25 4 其他结构选择 27 ii 4 1 1 换热器支座选择和设计 27 4 1 2 法兰选择 30 4 1 3 拉杆的选取 31 4 1 4 防冲与导流 32 4 1 5 安装与拆卸 33 总结 34 主要参考文献 35 致谢 40 1 1 绪论 1 1 换热器概述 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备 随着 现 代新工艺 新技术 新材料的不断开发和能源问题的日趋严重 世界各国已 普遍 把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置 换热器因而面 临着新 的挑战 换热器的性能对产品质量 能量利用率以及系统运行的经济性 和可靠性 起着重要的作用 有时甚至是决定性的作用 目前在发达的工业国家 热回收率已 达 96 换热设备在现代装置中约占设备总重的 30 左右 其中管 壳式换热器仍然占绝对的优势 约 70 其余 30 为各类高效紧凑式换热器 新型热管热泵和蓄热器等设备 其中板式 螺旋板式 板翅式以及各类高效传 热元件的发展十分迅速 1 在继续提高设备热效率的同时 促进换热设备的 结构紧凑性 产品系列化 标准化和专业化 并朝大型化的方向发展 浮头式 换热器是管壳式换热器系列中的一种 换热管束包括换热管 管板 折流板 支持板 拉杆 定距管等 换热管可为普通光管 也可为带翅片的翅片管 翅 片管有单金属整体轧制翅片管 双金属轧制翅片管 绕片式翅片管 叠片式翅 片管等 材料有碳钢 低合金钢 不锈钢 铜材 铝材 钛材等 壳体一般为 圆筒形 也可为方形 管箱有椭圆封头管箱 球形封头管箱和平盖管箱等 分 程隔板可将管程及壳程介质分成多程 以满足工艺需要 管壳式换热器主要有 固定管板式 U 型管式和浮头式换热器 针对固定管板式与 U 型管式的缺陷 浮头式作了结构上的改进 两端管板只有一端与外壳固定死 另一端可相对壳 体滑移 称为浮头 浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束 因此不会 因管束之间的差胀而产生温差热应力 浮头式换热器的优点还在于方便拆卸 清洗方便 对于管子和壳体间温差大 壳程介质腐蚀性强 易结垢的情况很能 适应 其缺点在于结构复杂 填塞式滑动面处在高压时易泄露 这使其应用受 到限制 适用压力为 1 0Mpa 6 4Mpa 换热器 热交换器 是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 换热器 按传热方式的不同可分为混合式 混合式换热器是通过冷 热流体的直接接触 混合进行热量交换的换热器 又称接触式换热器 蓄热式 蓄热式换热器是利 用冷 热流体交替流经蓄热室中的蓄热体 填料 表面 从而进行热量交换的 换热器 和间壁式 随间壁式换热器的冷 热流体被固体间壁隔开 并通过间 壁进行热量交换的换热器 因此又称表面式换热器 这类换热器应用最广 三 类 2 2 在我国换热器的制造技术远落后于外国 由于制造工艺和科学水平的限制 早期的换热器只能采用简单的结构 而且传热面积小 体积大和笨重 如蛇管 式换热器等 随着制造工艺的发展 逐步形成一种管壳式换热器 它不仅单位 体积具有较大的传热面积 而且传热效果也较好 长期以来在工业生产中成为 一种典型的换热器 在我国随着经济快速发展的同时 各种不同型式和种类的换热器发展很快 新结构 新材料的换热器不断涌现 为了适应发展的需要 我国对某些种类的 换热器已经建立了标准 形成了系列 完善的换热器在设计或选型时应满足以 下基本要求 1 合理地实现所规定的工艺条件 2 结构安全可靠 3 便于制造 安装 操作和维修 4 经济上合理 所谓提高换热器性能 就是提高其传热性能 狭义的强化传热系数指提高 流体和传热之间的传热系数 其主要方法归结为下述两个原理 温度边界层减 勃和调换传热面附近的流体 因此最近十几年来 强化传热技术受到了工业界的广泛重视 得到了十分 迅速的发展 凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程 凝结换热系数很 高 但经过强化措施还可以进一步提升换热效率 1 管外凝结换热的强化 1 冷却表面的特殊处理 2 冷却表面的粗糙化 3 采用扩展表面 2 管内凝结换热的强化 1 扩展表面法 2 采用流体旋转法 3 改变传热面形状 1 2 浮头式换热器 浮头式换热器的一端管板与壳体固定 一端的管板可在壳体内自由浮动 壳体和管板对热膨胀是自由的 因此当两种介质温差较大时 管束与壳体之间 不产生温差应力 浮头端设计成可拆结构 使管束能容易地插入或抽出壳体 这样方便清洗和检修 由于此类换热器结构复杂 而且浮动端小盖在操作时无 法得知其泄漏情况 所以在安装时应特别注意其密封 首先 通过换热计算确 定换热面积与管子的根数初步选定结构 然后按照设计的要求以及一系列国际 3 标准进行结构设计 在结构设计时 要考虑许多因素 例如传热条件 材料 介质压力 温度 流体性质以及便于拆卸等等 3 2 换热器设计 2 1 换热器计算方法依据 由于换热器不仅是一种把热量从一种流体传递到另一种流体的专用设备 而且还是一种压力容器 所以在上个世纪较长的时间里 换热器各个部件的设 计和计算都是由压力容器标准 特别是ASME标准提供依据的 但其主要部件 管板 却没提供设计和计算的依据 我国的管壳式换热器管板设计计算最早出 现于TH2 59标准中 1972年颁布的JBll45 71也包含有关管板设计计算的内容 参照TEMA和日本JISB8249标准 根据钢制石油化工压力容器相关设计规定和 钢制列管式换热器相关技术条件和我国多年来在管壳式换热器设计 制造 安 装 使用和维护等方面的经验 于1989年颁布文献 11 的前版本 GBl51 1989 该标准同时遵守文献 10 和劳动部颁布的 压力容器安全监察规程 的 有关规定 4 2 2 换热器工艺设计计算 管壳式换热器的工艺设计 必须考虑很多因素 如材料 压力 温度 壁温 差 结垢情况 流体性质以及检修与清理等 通过各种因素的综合考虑及比较 来选择某一种适合的结构形式 并且按工艺特定的条件进行设计 以满足工艺 上的需要 2 2 1 确定设计方案确定设计方案 两流体温度变化情况 热流体是乙炔 进口温度 116 7 oC 出口温度 40oC 冷流体 循环水 进口温度 30 oC 出口温度 38 5oC 2 2 2 定性温度和物性参数计算 水的定性温度 1 0 38 530 t 34 25 2 C 水的密度 2 995 7kg m3 水的比热 Cp2 4 174kJ kg 水的导热系数 k2 0 686W m 4 水的粘度 2 801 5 10 6 水的柏朗特数 Pr2 5 42 乙炔的定性温度 2 0 116 740 t 78 35 2 C 乙炔密度 1 1 261 kg m3 乙炔比热 Cp1 1 222 kJ kg 乙炔导热系数 k1 1 25 W m 乙炔粘度 1 9 85 10 4 乙炔柏朗特数 0 963 1 Pr 2 3 初选结构 有效平均温差计算 由于逆流的传热效果比并流好 故在此选用逆流操作 逆流平均温差 76 78 5 30 123 76 7 ln ln 8 5 N tt tC tt 大小 大小 参数 R 11 22 116 74076 7 9 024 38 5308 5 tt R tt 参数 P 22 12 38 5308 5 0 098 116 73086 7 tt P tt 换热器按照双壳程四管程设计 查 GB151 图 F2 b 可得温差校正系数 则有效平均温差 0 95 0 95 30 12328 617 mN ttC 在此温度下水的密度为 3 kg 995 7 m 水 水的比热容 0 4 174 P CKJ KG C 查相关资料取总传热系数 0 300wm CK 化工原理 16P 表 4 7 5 2 3 1 管排列方式 管子在管板上的排列方式 应力求均布 紧凑并考虑清扫和整体结构的要 求 基本的排列方式有五种 等边三角形 其一边与流向垂直 是最常用的形式 与正方形排列相比传 热系数高 可节省 15 的管板面积 适用于不生污垢或可用化学清洗污垢以及 允许压降较高的工况 转角三角形 三角形的一边与流向平行 其特点介于等边三角行和正方形 两种排列之间 不宜用于卧式冷凝器 因下方管子形成的厚度越来越厚的凝膜 会使传热削弱 正方形排列最不紧凑 但便于机械清扫 常用于壳程介质易生污的浮头式 换热器 对于多管程换热器常采用组合排列法 每程均属正三角形排列 而各层面 间呈正方形排列 以便于安排分程隔板 5 图图 2 12 1 排管方式简图 排管方式简图 综合比较以上几种布管方式 可采用组合排列形式 采用正方形 2 3 2 管子外径管子外径 对一定的传热面积而言 传热管径越小 换热器单位体积的传热面积越大 对清洁的流体 管径可取小些 而对黏度较大或易结垢的流体 考虑管束的清 洗方便或避免管子堵塞 管径可取大些 由已知设计条件知冷却水走管程 急 冷油走壳程 故可取较小的管径 在此选取的无缝钢管 d0 0 019m 作为换热管 6 热管中心距选择表热管中心距选择表 2 12 1 10 GB150 钢制压力容器设计标准 管子内径 d0 2 2 1000 0 015m 4 i d 由已知设计条件知换热面积 则总传热量 2 1052 1mA 6 0 300 1052 1 28 6179 0324 10 m QK AtW 列管式换热器内常用流速气体为 5 30m s 取管内水的流速 u 1m s 则单根管子的传热量 23 mpip q qt dt 4 2739 10 w 4 CC AAA AAA 水 所需换热管根数 6 3 9 0324 10 n 2113 39 q4 2739 10 Q 则取换热管根数N 2114根 则管子的长度为 0 1052 1 8 342m d21143 140 019 A L N A 经查换热管长度的系列标准取换热管长8Lm 管长 L 8 m 换热管中心距宜不小于 1 25 倍的换热管外径 根据换热管外径查管壳式换热器 设计手册 GB151 表 12 可得换热管中心距 S 25mm 分程隔板槽两侧相邻管中心 距 38mm n S 则管束中心换热管数 1 11 1211454 c NN 7 取 54 根 c N 故壳体内径 12255412 1 5 191379 ic DS Nbmm 式中管束中心线上最外层管的中心到壳体内壁的距离 一般取 b 在此取 mm 0 1 1 5bd 0 1 5bd 图图 2 22 2 折流板简图折流板简图 查标准取筒体公称直径 1600mm i D 长径比 设计合理 8 5 1 5 i L D 2 3 3 折流板的选择 常用的折流板和支撑板有弓形和圆盘两种 弓形折流板又可以分为单弓形 双弓形 三弓形 这里选用单弓形 折流板的作用是可以提高壳程流体的流速 增加湍动程度 并使壳程流体 垂直冲刷管束 以改善传热 增大壳程流体的传热系数 同时减少结垢 常用 的折流板形式有弓形和圆盘 圆环形两种 在这里选用弓形折流板 即弓形折流板弓高 0 250 25 1600400 i hDmm 折流板的最小间距宜不小于壳体内直径的 且不小于 50mm 最大间距1 5 应不大于壳体内直径 在这里取折流板间距 11 1 60 533 33 i BDm 折流板数量 8 1114 009 0 533 B L n B 取 14 B n 2 3 4 校核总换热系数 1 管程对流传热系数 0 80 4 0 023RePr i i i d 式中 管子的内径 m i d 管程雷诺数 4 1 4 0 015 1 1000 Re2 1 10 7 274 10 i d u 水 水 8 管程普朗特准数 3 4 1 1 4 174 107 274 10 Pr4 85 0 6265 Cp 水 水 故管程对流传 0 80 440 80 4 0 6265 0 023RePr 0 023 2 1 10 4 855183 6 0 015 i i i d 0 W m C 2 壳程对流传热系数 壳程流通截面积 20 19 10 533 1 610 2047 25 i d ShDm t 式中 h 折流挡板间距 m t 管中心距 mm 乙炔流量 6 2 3 221 9 0324 10 28 213 4 174 1076 7 m p Q kg q s cTT 乙炔流速 222 28 213 10 93 1 261 0 2047 m s m uSq 管子正三角形排列时当量直径 2 00 2 3 4 24 e dtdd 式中 t 相邻两管中心距 m 管外径 m 0 d 所以 222 00 2 31 7323 14 440 0250 0193 14 0 0190 0173 2424 e dtdmd 32 2 3 0 0173 10 93 1 261 Re0 298 10 0 8 10 e d u 2 2 查化工原理图 4 53 得 0 14 1 3 2 22 Pr17 w u Nu u 33 22 2 1 222 100 8 10 Pr1 834 0 533 p c 9 乙 炔 被 冷 却 取 0 95 0 14 2 w u u 则 总传热系数 总传热热阻 222 21 2111 1 b1 dd m K ddd RR ddd 计 式中 0 0 0190 015 0 017 22 i m dd dmm 计算得 0 342 34W m C K计 传热面积 6 2 9 032 10 921 9 t342 3428 617 M Q Am K 计 计 1052 1 1 141 921 9 A A 计 即传热面积有 14 1 的裕量 0 14 11 0 32 2 3 22 0 533 17Pr1714 40 951200W m C 0 0173w e u u d 10 3 换热器的机械设计计算 3 1 换热流程设计 采用 2 壳程 4 管程的 2 4 型换热器 由于换热器尺寸较大 可以用一台 未考虑采用多台组合使用 管程分程隔板采用十字型结构 其主要优点是布管 紧密 壳体分程采用纵向隔板 图图 3 13 1 换热器隔板简图换热器隔板简图 3 1 1 管子和传热面积 换热管除要求具有足够的强度外 当采用胀管法固定时 还要求管子有良 好的塑性 避免因胀接而产生裂缝 焊接固定时 要求管子可焊性好 一般采 用优质碳钢 以保证管子质量 一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用 10 号钢和 20 号钢管 在强腐蚀性流体的情况下 可采用不锈钢 189 钢 铝等无缝管石墨管 聚四氟乙炔管等 由于水 油腐蚀 r C1 i N i T 性不大 故可采用碳钢 现选择 20 号钢的无缝钢管 根据设计要求采用的无缝钢管192 管子总数为 2114 根 其传热面积为 2 0 0 019 821141008 96 t Fd LNm 3 1 2 壳体 壳体材料除要满足一定的强度外 由于制造过程中经过卷板 冲压和焊接 故要求材料有一定的塑性和可焊性 一般采用含碳量较低的 Q345R 等 nR 16 现选用钢 11 壳体内径 Ds 1600mm 壳体壁厚 50 c p pD t S 2 为壳体工作温度下的许用应力 已知壳程设计温度为 415 根据碳钢 t 板许用应力 表查得 99 4 t 为焊缝系数 取 1 p1为工作压力 p1 3 46MPa 1 1 25pp c 3mm 则 1 25 3 46 1600 340 06 299 4 1 1 25 3 46 mm 液压试验 对于内压容器 耐压试验的的目的是 在超设计压力下 考核缺陷是否会 发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏 检验密封结构的密封性能 水压试验压力 7 76 T t ppMpa 式中耐压试验压力 T p Mpa 压力容器的设计压力 P Mpa 耐压试验压力系数 对于钢和有色金属 液压试验时 1 25 的应力水平 T 0 90 s 274 54mpa 试验压力下圆筒的应力 T 148 32mpa pD Tie e 2 由于 T T 所以满足条件 3 2 前端管箱筒体计算 由给定条件知 管程的设计压力 焊接接头系数 13 46pMpa 0 85 压力试验允许通过 12 设计温度 腐蚀裕量 在此筒体的材料选择 Q345R 设计温 0 65tC 2 3 0Cmm 度需用应力 163pa t M 钢板负偏差 1 0 3mm C 腐蚀余量 2 3 00mm C 筒体简图如下 图图 3 23 2 通体简图通体简图 计算厚度 3 46 1600 20 23 2 163 0 853 46 2 ci t c p D mm p 可知筒体内径查 化工压力容器设计 方法 问题和要点 1600 i Dmm 时浮头式换热器筒体的名义厚度26 0 n mm 所以有效厚度 12 100 336 7 en CCmm 液压实验 2 对于内压容器 耐压试验的的目的是 在超设计压力下 考核缺陷是否会 发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏 检验密封结构的密封性能 实验压力值 325 1 251 25 4 33 163 T t ppMpa 压力试验下允许通过的应力水平 t s 0 9 293 t Mpa 实验压力下圆筒的应力 T 7 76160022 7 181 9 2222 70 85 Tie T e pD Mpa 13 校核 t T 所以 合格 压力和应力计算 3 筒体的最大允许工作压力 w p 2222 7 163 0 85 3 88M 1600 22 7 t e w ie ppa D 筒体设计温度下的计算应力 t 3 46160022 7 123 7 2222 7 ciet e pD Mpa 163 0 85138 6 t MpaMpa 校核 t t 所以满足要求 3 2 2 前端管箱封头的设计计算 前端封头采用标准椭圆封头原因如下 根据工艺条件的要求 和制作的难易程度和材料的消耗情况采用标准椭圆 封头最合理 标准椭圆封头如图 图图 3 33 3 椭圆封头简图椭圆封头简图 椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成 直边段的作用是避免封头和圆 筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变 以改善焊缝的受力状况 由于封头的 椭球部分经线曲率变化平滑连续 故应力分布比较均匀 且椭圆形封头深度较 半球形封头小的多 易于冲压成型 是目前中 低压容器中应用较多的封头之 14 一 在此选择标准椭圆形封头 见127P 封头设计过程设备设计 已知条件 计算压力 设计温度 65 度 内径 1600 毫米 板材 Q345R c 3 46 paPM 设计温度许用应力 163Mpa 焊接接头系数 0 85 标准椭圆形封头的形状系数公式 K 2 i i 1 K 2 1 0 62 D h 求封头的曲面高度hi 11600 h 400mm 44 ii D 则封头的计算厚度 1 3 46 1600 20 3 2 163 0 850 5 3 46 20 5 ci t c Kp D mm p 封头的有效厚度 en12 23 6mmn CC 允许最大工作压力 2223 6 163 0 85 3 963 0 51 16000 523 3 t e w ie pMpa KD 比较可知 合格 3 2 3 外头盖筒体计算 已知条件 计算压力 设计温度 t 65 度 内径 D 1600 毫米 板材 Q345R c 3 46 paPM 设计温度许用应力 99 4Mpa 焊接接头系数 1 0 钢板负偏差 0 3mm 1 C 15 腐蚀裕量的最小厚度应不小于 3mm 取腐蚀余量 3 0mm 2 C 计算厚度 封头的有效厚度 en12 43 8mmn CC 液压实验 2 对于内压容器 耐压试验的的目的是 在超设计压力下 考核缺陷是否会 发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏 检验密封结构的密封性能 实验压力值 157 1 251 25 7 7 99 T t ppMpa 压力试验下允许通过的应力水平 t s 0 9 274 5 t Mpa 实验压力下圆筒的应力 T 7 76160043 8 163 2243 8 1 Tie T e pD Mpa 校核 t T 所以 合格 压力和应力计算 3 筒体的最大允许工作压力 w p 2243 8 99 1 4 75M 1600 43 8 t e w ie ppa D 筒体设计温度下的计算应力 t 4 5160043 8 94 5 2243 8 ciet e pD Mpa 99 199 t MpaMpa 校核 t t 所以满足要求 16 3 2 4 外头盖封头计算 椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成 直边段的作用是避免封头和圆 筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变 以改善焊缝的受力状况 6 由于封头 的椭球部分经线曲率变化平滑连续 故应力分布比较均匀 且椭圆形封头深度 较半球形封头小的多 易于冲压成型 是目前中 低压容器中应用较多的封头 之一 在此选择标准椭圆形封头 曲面高度 1 h 4 ii D 式中 封头内径 即封头直边段内径 mm i D 所以 11 h1700425 44 ii Dmmmm 对于标准椭圆形封头 形状系数1K 封头的材料仍选 Q345R 封头的焊接形式采用双面全焊透 100 无损检测 即焊接接头系数 1 00 假设材料的许用应力 则封头的计算厚度为 99 t Mpa 4 5 1700 39 08 299 10 54 5 20 5 ci t c p D mm p 所以封头的有效厚度 e12 42 38mm CC 考虑到封头与管箱筒体焊接的整体强度 故将封头的名义厚度也圆整为 51 n mm 当时 没有发生变化 故合适 51 n mm t 51 n mm 满足最小厚度要求 压力试验 最大允许工作压力 2242 38 99 1 4 65 0 51 17000 542 38 t e w ie pMpa KD 因为计算压力小于最大允许工作压力 所以合格 17 3 2 5 浮头设计计算 根据 GB151 1999 管壳式换热器 7 选用钩圈式浮头 浮头端盖选用 球冠形封头 根据换热器筒体内径查 GB151 1999 管壳式换热1600 i Dmm 器 表 46 可得封头球面内半径 1300 i Rmm 浮头简图 图图 3 43 4 浮头简图浮头简图 布管限定圆参数表布管限定圆参数表 3 13 1 换热器形式固定管板式 U 形式浮头形式 布管限定圆直径 3 2b i D 12 2 i Dbbb 10 GB150 钢制压力容器设计标准 布管限定圆参数总表布管限定圆参数总表 3 23 2 10 GB150 钢制压力容器设计标准 选择所用参数并绘制表格 布管限定圆参数表布管限定圆参数表 3 33 3 18 序号项目单位数值序号项目单位数值 1 bmm 85 布管限定圆直径 L D 1531 mm 21 b mm 56 垫片压紧力作用中心圆直径 c D mm 3n b mm 207 封头球面内半径 i R 1300 mm 42 b mm 21 58 螺栓中心圆直径 b D mm 10 GB150 钢制压力容器设计标准 布管限定圆直径 L D L D 12 2 1600 2 5 21 5 8 1531mm i Dbbb 浮头法兰和钩圈的内直径 fi D 1 2160028201544 fiin DDbbmm 浮头法兰和钩圈的外直径 801600801680 foi DDmm 外头盖内直径D 10016001001700 i DDmm 浮动管板外径 0 D 01 21600251590 i DDbmm 3 2 6 壳程外压作用下浮头盖的计算 用图算法设计球冠形封头 计算压力 封头的材料仍选择 Q345R 3 46 c pMpa 封头材料的许用应力 99 t Mpa 焊接接头系数1 0 取腐蚀裕量 厚度负偏差 2 3 0Cmm 1 0 3Cmm 19 假设浮头盖的名义厚度 则有效厚度51 ns mm 则 12 510 3347 7 esns CCmm 1300 27 25 47 7 i es R 计算系数 0 1250 125 0 0045 27 25 ies A R 由 设计温度用温度内插法查图 过程设备设计 图0 0045A 0 415tC 4 8 可得系数110BMpa 则许用外压力 110 4 03 27 25 ies B pMpa R 且两者相差不多 所以名义厚度合适 c pp 51 ns mm 设计厚度下封头的计算应力 3 46160051 28 099 4451 t cie e pD MpaMpa 满足强度要求 3 2 7 管板的设计计算 管板是管壳式换热器的主要部件 管板的设计是否合理对确保换热器的安 全运行 节约金属材料 降低制造成本是至关重要的 由于管板受力情况复杂 影响管板强度因素很多 有管内 外压力 温度产生的力 法兰力矩和换热管 的支撑力等影响 因此正确地进行管板分析是比较复杂的 在不同的假定下 可得到各种不同计算方法各计算结果 在此采用 GB151 标准中管板计算方法 来设计计算管板 1 结构如图所示 20 图图 3 53 5 管板简图管板简图 图图 4 64 6 布管简图布管简图 本设计选择不带法兰的管板 管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接 结构如 GB151 1999 图 18 a 型管板所示 在布管区内 因设置隔板槽和拉杆结构的需要 而未能被换热管支承的面 d A 积 对于正方形排列mm d A n nS SS 式中 换热管中心距 S 2 mm 21 隔板槽两侧相邻管中心距 n S mm 沿隔板槽一侧的排管根数 n 取 59n 则 2 d A5925382519175 n n S SSmm 换热管正方形排列的浮头式换热器 管板布管区的面积为 222 211425191751340425 td AnSAmm 换热管根数 根 n 管板布管区内开孔后的面积为 22 2 1 3 14 19 13404252114741349 11 44 t d AAnmm 一根换热管管壁金属横截面积为 2 3 14 2192106 76 tt admm 式中换热管壁厚 mm t 管板布管区当量直径 t D 44 1340425 1306 73 3 14 t t A Dmm 换热管的有效长度为 L 2 22 tn LLl 式中换热管长 mm t L 管板的名义厚度 mm n 换热管与管板胀接长度或焊脚高度 mm 2 l 根据换热管外径查 管壳式热交换器设计手册 GB151 知管板最 0 19dmm 小厚度 在这里取 min0 0 750 75 1914 52dmm 200 n mm 在这里换热管和管板的连接方式选择焊接 参考 管壳式热交换器设计手册 22 GB151 表 33 取 2 3 5lmm 换热管最小伸出长度表换热管最小伸出长度表 3 43 4 资料来源 11 GB151 管壳式热交换器设计手册 则 2 22800025223 57889 tn LLlmm 管束模数为 t t t E na K L D 式中管束模数 t K Mpa 设计温度下换热管材料的弹性模量 t E 管板布管区当量直径 mm t D 换热管的材料选择 10 号钢 热轧处理 由于换热管既受管程温度作用 受壳程温度作用 取两者中较大的作为换热管的设计温度 查 GB150 1998 表 F5 得180600 t EMpa 则 1806002114 106 76 3953 87 7889 1306 73 t t t Ena KMpa L D 管束无量纲刚度 t p K t E K 式中管板刚度削弱系数 一般可取 一般可取 0 4 设计温度时 管板材料的弹性模量 p E Mpa 同理查 GB150 1998 表 F5 可得166400 p EMpa 则 3953 87 0 0594 0 4 166400 t p K t E K 23 无量纲压力 P 1 5 d a t r P 式中管板强度削弱系数 可取 0 4 管板设计压力 d P Mpa 设计温度时 管板材料的许用应力 t r Mpa 管程设计压力 设计温度3 46 t pMpa 0 65 t tC 壳程设计压力 设计温度4 5 s pMpa 0 415 s tC 管板材料选择 16Mn 钢 管板既受管程温度的作用也受壳程温度的作用 取 两者中的较大者作为管板的设计温度 过程设备设计 表 D 5 得 99 t r Mpa 参考 GB151 1999 管壳式热交换器设计手册 取管程和壳程设计压力 较大者作为管板的设计压力 即 4 5 ds ppMpa 则 4 5 P0 0758 1 50 499 1 51 5 ds a tt rr Pp 系数 1306 73 0 769 1700 t t G D D 1 3 1 3 1 21 2 0 0594 1 417 0 0758 P t a K 11 1 30 0 769 t 根据 1 3 1 3 1 21 2 0 0594 1 417 0 0758 P t a K 11 1 30 0 769 t 系数 1 2114 106 76 0 3044 741349 11 na A 系数 2 t r t s E C 24 式中设计温度下换热管材料的屈服点 t s Mpa 设计温度下换热管材料的弹性模量 t E Mpa 已查得 查 GB150 1998 表得180600 t EMpa 99 t s Mpa 则 22 180600 3 14189 66 99 t r t s E C 换热管的回转半径i 22 22 0 2520 2519192 26 05 t iddmm 根据 GB151 1999 图 32 图图 4 74 7 换热管失稳当量长度简图换热管失稳当量长度简图 换热管失稳当量长度 320 cr Lmm 320 52 89189 66 6 05 cr r L C i 故换热管稳定许用压应力为 9752 66 1141 76 2222 189 66 t scr cr r Li Mpa C 由上述计算过程知 max 4 5 dsts ppppMpa 0 0758aP 管板的计算厚度 P0 49 1306 730 0758176 30a t CDmm 管程的腐蚀裕量等于壳程的腐蚀裕量即 t C s C3 ts CCmm 25 查 GB151 1999 管壳式热交换器设计手册 知隔板槽的深度宜不小于 4mm 所以在此取管板的管程侧隔板槽深 壳程侧结构槽深 2 6hmm 1 6hmm 则 12 max max 176 3066188 30200 dstn h Ch Cmmmm 所以管板名义厚度取合格200 n mm 2 换热管轴向应力计算及校核 对于浮头式换热器 换热管轴向应力为 1 1 t tcstwe A pppG A 式中 1 cst ppp 只有壳程设计压力 管程设计压力时 s p0 t p cs pp 则 1 11291850 4 54 502 243 54 0 2833166593 83 t tcstwe A pppGMpa A 43 54 t cr Mpa 所以管板轴向应力校核合格 换热管与管板连接拉脱力 17 24 ta qMpaq dL 所以管板满足强度要求 3 2 8 接管及开孔补强计算 由于各种工艺和结构上的要求 不可避免地要在容器上开孔并安装接管 开孔以后 除削弱器壁的强度外 在壳体和接管的连接处 因结构的连续性被 破坏 会产生很高的局部应力 给容器的安全操作带来隐患 因此压力容器设 计必须充分考虑开孔的补强问题 接管宜与壳体内表面平齐 对于不能利用接管 或接口 进行放气和排液 的换热器 就在管程和壳程的最高点设置放气口 最低点设置排液口 其最小 26 公称直径为 20mm 立式换热器可设置溢流口 接管直径计算 当圆筒内径时 开孔最大直径 且 1500 i Dmm 1 3 i dD 1000mmd 壳程流体进出口接管 取接管内变换气流速为 u 10 93m s 则接管内径为 444273 371 89 3 14 10 93 3600 o q d u mm 查 GB T17395 2008 取管子541 70mm 管程流体进出口接管 取接管内循环水流速 u 1 0 m s 则接管内径为 4 28 i q d u mm 查 GB T17395 2008 取管子 71 25mm 外壳接管开孔补强计算 1 设计条件 计算压力 4 5MPa c P 计算温度 415 接管实际外伸长度 200mm 接管实际内伸长度 0mm 接管焊接接头系数 1 接管腐蚀裕量 3mm 接管厚度负偏差 1 0mmC 接管材料许用应力 99MPa t 2 开孔补强计算 壳体计算厚度 mm 39mm 接管计算厚度 t mm 4 5 371 8 628mm 299 14 5 2 ci t t c Pd P 接管材料强度削弱系数 r f 接管与母材材料相同 所以接管材料强度削弱系数为 0 27 开孔直径 dmm 12 22 371 892 82 30 361 89mm int ddCC 补强区有效宽度 Bmm 22361 89723 78mmBd 接管有效外伸长度 1 hmm 1 361 89 853 8mm nt hd 接管有效内伸长度 2 hmm 0 2 h 开孔削弱所需的补强面积 A 2 mm 2 21361 89392395 21014271mm etr Adf 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 1 A 2 mm 1 2 21 723 78361 89513925 2513910 2156mm eeter ABdf 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 2 A 2 mm 2 2122 2211326mm ettretr AhfhCf 补强区内的焊缝面积 3 A 2 mm 2 3 1 28 864mm 2 A 有效补强范围内的计算补强截面积 e A 2 mm 2 123 64215611271 13491mm e AAAA 因为 所以不需另加补强 e AA 结论 补强满足要求 不需另加补强 28 4 其他结构选择 4 1 1 换热器支座选择和设计 鞍式支座如图 2 9 所示 鞍式支座在换热器上的布置 因 取3000mmL 0 5 0 7 B LL 图图 4 14 1 鞍式支座图鞍式支座图 在本换热器设计过程中 令且令7000mm B L 1000mm cc LL 查 JB T4712 1 2007 标准 在 120o包角重型带垫DN1500mm 2000mm 板或不带垫板鞍式支座结构 鞍式支座结构表鞍式支座结构表 4 14 1 12 JB T4712 1 2007 标准 卧式设备一般采用两个鞍座 这是因为基础水平高度有可能不一致 如果 使用多个支座 将会造成支座反力分布不均匀 从而引起设备的局部应力增大 因此采用两个支座 采用双支座时 一个鞍座为固定支座 地脚螺栓为圆孔 另一个鞍座为活 动支座 地脚螺栓为长圆孔 配合两个螺母 第一个螺母拧紧后 倒退一圈 然后再用第二个螺母锁紧 这样 可以使设备在温度变化是自由伸缩 如图示 29 4 型 型 图图 4 24 2 鞍式支座鞍式支座 JB T4712 1 2007 鞍座 BI 600 S 材料 Q345R 置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力 容器受重 力作用时 双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸 简支梁 支座的安放位置也有一定的标准 一般支座与壳体端面的距离A 0 2L L 为壳体的长度 置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力 容器受 重力作用时 双鞍座卧式容器可近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外 伸简支梁 在此次设计中我们对注满水时的静重情况进行校核计算 14 鞍式支座结构数据表鞍式支座结构数据表 4 24 2 10 GB150 钢制压力容器设计标准 30 根据 GB150 钢制压力容器鞍座设计标准 公称直径为 1600mm 的容器 其鞍 座的尺寸结构见表最后一条 将鞍座的尺寸结构用表列出 鞍座的尺寸结构表鞍座的尺寸结构表 4 34 3 底 板 腹 板筋 板垫 板 螺 栓 间 距 鞍 座 质 量 kg 公称 直径 DN 允 许 载 荷 Q KN 鞍 座 高 度 h 1 l 1 b 1 2 3 l 3 b 3 弧长 4 b 4 e 2 l 带 垫 板 增加 100mm 高度增 加的质 量 kg 1600796250112 0 2001612257230121870320104096014618 10 GB150 钢制压力容器设计标准 4 1 2 法兰选择 压力容器法兰是压力容器的常用部件 是连接压力容器部件的基本元件 法兰应该是个组件 包括法兰垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母 其作用是使不 同的受压元件组合在一起 同时保证连接部位不产生泄露 8 我国的压力容器 法兰自成体系 目前最新的标准为 JB T4700 4707 2000 压力容器法兰分类表压力容器法兰分类表 4 44 4 13 JB T4700 4707 2000 31 本次设计的换热器公称直径为 1600mm 设计压力为 4 5MPa 参考设计标 准应当选择对焊法兰 法兰分类 压力容器的法兰分类种类很多 按法兰的材料可分为 钢制法兰 有色金属法 兰 其他还有按制造工艺分类和按结构形式分类 13 JB T4700 4707 2000 一 壳体法兰 我国压力容器行业 压力容器法兰分类主要按结构形式进行划分 本 设计采用对焊法兰 壳体接管采用平颈对焊法兰 由于管箱 壳体 浮头箱直径都不一样 因 此在选用法兰时 不能只按标准选取 如图 6 为壳体与浮头箱的对接法兰 DN 1600mm 的是按标准选取的 二 接管法兰 管箱接管采用平颈对焊法兰 如图示 图图 4 34 3 接管法兰接管法兰 设计尺寸按化工机械标准设计 32 4 1 3 拉杆的选取 常用的拉杆结构有两种 拉杆定距管结构和拉杆折流板点焊结构 这里选 用拉杆定距管结构 适用于换热管外径大于或者等于 19mm 的管束 如图所示 图图 4 44 4 拉杆定距管结构简图拉杆定距管结构简图 拉杆的直径和数量 拉杆的直径和数量可以按表 43 和表 44 选用 拉杆的直径和数量表拉杆的直径和数量表 4 54 5 11 GB151 管壳式热交换器设计手册 因为换热管的外径为d 19mm 由表得拉杆直径选择为 进一步选择拉杆的数目 n d 12mm l n 14 33 在保证大于或者等于表 44 所给定的拉杆中截面积的前提下 拉杆的直径和数 量可以变动 但其直径不得小于 数量不得小于 4 根 10mm 拉杆的长度按需要确定 在此设计中拉杆的长度为L 8mL 拉杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 对于大直径的换热器 在布管区内或者 靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆 任何折流板应不少于 3 个支撑点 图图 4 54 5 拉杆简图拉杆简图 4 1 4 防冲与导流 管程设置防冲板的条件 当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过时 应设置防冲板 3m s 以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀 因为本设计管内水流速为 u 1m s 所以不需要设计防冲挡板 4 1 5 安装与拆卸 设计中要考虑到安装问题 各零部件的结构不能影响整个装配体的安装 对于浮头式换热器 设计的初衷是可以拆下管束进行清洗 因此也要考虑到拆 卸的问题 其安装步骤可概述如下 第一步 焊接部件 将所有的焊接部件进行焊接 包括管箱 壳体 浮头箱 碟形盖 支座等 第二步 安放折流板 将拉杆的一个螺纹端拧入固定管板的螺纹孔 拉杆都 装好 然后