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F280 填料函 换热器 设计 10 CAD

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内容简介：

摘 要换热器是一种十分重要的节能设备，能够大幅提高能源使用效率，广泛应用于石油、化工、动力、冶金等各个领域，在国民经济生产中占据着特别重要的位置，尤其是在走可持续发展路线的今天，节能环保成为工业发展的一个主旋律。换热器在缓解能源紧缺的应用中显得尤为重要，国内外各研究机构、高等院校对换热器的研究一直非常重视。根据任务书要求，本设计设计对象为F280填料函式换热器，主要为换热器的工艺计算、换热器的结构以及强度的设计。此次设计的主要过程分三个部分，一是工艺计算部分，主要是由给定的换热面积以及其他参数，进行换热器的选型、校核传热系数、计算出所需要的管壳程的各部分结构，并初步选定结构的各部分参数，如材料尺寸等；第二部分是关于结构以及强度的设计校核，主要是对选定的各部件的设计进行应力计算；第三部分是对换热器的制造安装，防腐以及后期的维护保养做出说明。经过反复的修改结构设计参数，以及图纸的绘画，完成了填料函式换热器的设计。关键词：填料函 强度 焊接 防腐ABSTRACT The heat exchanger is a very important energy-saving device that can greatly increase the efficiency of energy use. It is widely used in various fields such as petroleum, chemical industry, power, and metallurgy. It occupies a particularly important position in the national economy, especially in walking. Today, sustainable development has made energy conservation and environmental protection the main theme of industrial development. Heat exchangers are particularly important in the application of mitigation of energy shortages. Research institutions at home and abroad, universities and colleges have always attachedgreat importance to the study of heat exchangers.According to the requirements of the mission statement, this design and design object is a F280 packing heat exchanger, which is mainly for the process calculation of the heat exchanger, the structure of the heat exchanger and the design of the strength. The main process of this design is divided into three parts. The first part is the process calculation part, which mainly consists of a given heat exchange area and other parameters. The heat exchanger is selected, the heat transfer coefficient is calibrated, and the required shell is calculated. The various parts of the structure, and the initial selection of various parameters of the structure, such as the size of the material, etc.; the second part is about the design and verification of the structure and strength, mainly for the stress calculation of the selected parts of the design; The part is to explain the manufacturing and installation of heat exchangers,anti-corrosion and the maintenance of the later stage.After repeated modification of the structural design parameters and drawing drawings, the design of the filler heat exchanger was completed.Keywords: stuffing box ;strength; welding ;anticorrosion 目录1概述11.1设计背景11.2.换热器的分类11.2.1按照作用原理和实现传热的方式分类11.2.2按使用目的分类21.2.3按照传热面的形状和材料分类21.3管壳式换热器（列管式换热器）21.4 设计的任务32 F280填料函式换热器结构选择42.1 F280填料函式换热器设计工艺参数及要求42.1.1烟道气的物性52.2.2水的物性52.1.3流体空间的选择52.2换热器结构与结构参数的选择52.2.1换热管尺寸52.2.2换热管数量62.2.3换热管的排列和管心距62.2.4换热管的材料72.2.5 壳体72.3 进出口设计92.3.1 接管接管伸出长度)92.3.2 接管与筒体、管箱壳体的连接92.3.3 排气、排液管92.4 接管最小位置102.4.1 壳程接管位置的最小尺寸102.4.2 管箱接管位置最小尺寸102.5 管板112.5.1管板结构选择112.5.2管板的计算122.5.1 最小厚度132.6 管箱132.6.1管箱结构形式132.6.2 管箱材料的选择142.7壳体与管板的连接结构152.7.1容器法兰的结构选择152.7.2容器法兰的参数选择152.7.3外头盖法兰、外头盖侧法兰与外头盖垫片、浮头垫片162.8管板与管箱的连接162.9管板与换热管的连接162.9.1胀接172.9.2焊接172.9.3胀焊结合172.9.4焊接方法及结构173 F280填料函式式换热器其他各部件结构183.1 折流板与支承板183.1.1 折流板的主要几何参数183.1.2 折流板的最小厚度183.1.3 折流板的管孔193.1.4 折流板外直径及允许偏差193.1.5 折流板间距193.2 防冲与导流203.2.1 防冲板的结构203.2.2 防冲板的位置和尺寸213.3 拉杆与定距管213.3.1 拉杆的结构和尺寸213.3.2 拉杆的布置233.3.3 定距管尺寸233.4纵向隔板233.5 封头、法兰以及鞍座的选择233.5.1 封头的选用233.5.2 法兰结构类型233.5.3 鞍座的选择244 填料函式换热器部分强度设计及校核254.1 法兰的强度校核254.1.1 垫片254.1.2 螺栓254.1.3 法兰264.1.4 法兰设计力矩274.2 管板厚度计算274.2.1 管板参数计算274.2.2 结构尺寸274.2.3 管板应力计算284.2.4 操作力力矩294.2.5法兰预紧力304.3径向应力304.3.1 计算设计力矩M和管板延长部分的法兰应力304.3.2 应力校核31管程设计压力Pt = 1.05MPa，PS = 0MPa：314.4 管子与管板连接拉脱力的校核324.4.1 换热管轴向应力324.4.2 换热管与管板连接拉脱力324.5 开孔补强的计算334.5.1 概述334.5.2 壳体开孔补强334.6 压力试验334.6.1 管程圆筒334.6.2 壳程圆筒345 填料函式换热器的制造、安装、检验、防腐，清洗和维修355.1 概述355.2 材料验收355.3 填料函式换热器的制造355.3.1 壳体圆筒355.3.2 管箱355.3.3 管板365.3.4 管孔加工365.3.5 换热管道的组装365.4换热器的安装365.5清洗365.6换热器的防腐375.6.1换热管的防腐375.6.2管子与管板、折流板连接处的腐蚀375.7 填料函式换热器的操作与维护375.7.1换热器的正确使用375.7.2换热器的科学管理375.8换热器的定期检验385.8.1外部检查385.8.2内部检查385.8.3全面检查39总结40致 谢41IX1概述1.1设计背景能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，自从人类学会使用火开始，能源就成了发展不可缺少的基础。人类在使用能源的过程中，体现了很好的开拓性，不管是蒸汽机的出现以及改进，还是内燃机的不断改进，还是电力时代的彻底解放。能源是一个国家综合实力的体现，是生产力的体现。 中国在能源道路上，走的是可持续发展的路线，不管是大力发展水电事业，还是出台各种能源政策，旨在以更高效，更健康的发展经济，以为后代负责，为世界负责的态度，积极承担作为大学的责任与担当。根据规划，到2020年全国能源消费总量要控制在50亿吨标准煤以内，单位GDP能耗下降15%，重点推进节能工作的领域包括工业、建筑、交通、商贸流通、农业农村、公共机构等。这其中，工业领域的节能工作是重中之重，同时也是压力较大的推进领域。根据数据，2018年前两个月，国内工业增加值能耗下了2.08%，按照既定目标，“十三五”工业增加值能耗要下降18%，平均每年下降4%左右，但直到去年下半年才追平完成年度目标。所以目前我们的节能减排形势严峻，尤其是工业方面。 换热器在工业生产中的地位很高，在很多行业，是不可或缺的设备，这也是厂家集中发力的研究点，希望通过更高的能源使用效率，获得更高的经济效益1.2.换热器的分类换热器的分类方式很多，这里举几种常用分类方式说明。按照不同的分类方式，换热器有不同的类型。1.2.1按照作用原理和实现传热的方式分类直接接触式换热器 它是利用流体的直接接触来进行热量交换的，传热效率最高。（1） 蓄热式换热器：通过交替通过同一种载热体表面来进行换热。（2） 间壁式换热器：通过固体壁面将流体分开，通过壁和面来进行传热，这种换热器在工业生产中使用范围更广，且易于操作，方便大规模集中配备。间壁式换热器是化工生产中应用最为广泛的一种形式，亦称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热两股流体换热管道隔开，通过固体壁面的导热和对流换热进行风量的传递。参加换热的流体不会混合，传热过程连续而稳定地进行。而根据传热面和传热元件的不同，间壁式换热器又可分为管式换热器和板式换热器两大类。管式换热器是以管子为传热面和传热元件的换热设备，常用的有管壳式(列管式)、蛇管式，螺旋管式、套管式和热管式等:此类换热器结构简单，制造工艺成熟，适用性强，传热效率略差。板式换热器是以平板或成形板作为传热面和传热元件，多用金属板，又称为高效紧凑式换热器。1.2.2按使用目的分类(1） 冷却器，用作冷却，介质一般采用水；(2） 加热器，用作加热；(3） 再沸腾，用于蒸馏塔底汽化物料的设备；(4） 冷凝器，用于将气态物料冷凝到液态物料的设备；(5） 过热器。1.2.3按照传热面的形状和材料分类（1）管壳式换热器（即列管式换热器）通过管子壁面进行传热的换热设备，在换热设备中应用最为广泛。以结构简单，制造方便著称。 （2）板式换热器 以板与面进行传热。这类换热器传热效率高、热损失小，缺点是承压能力低，处理景小，制造加工较复杂，成本较高。 （3）热管式換热器 它是一种新型的传热设备，以热管作为传热元件。这类换热器结构简单，制造方便。 （4）新材料换热器 目前绝大多数换热器采用碳钢材料，少数采用不锈钢材料。为了满足工艺特殊设计的具有特殊结构或特殊材料的换热器。1.3管壳式换热器（列管式换热器）（1） 固定管板式换热器 固定管板式换热器的管子，管板，壳体刚性连接，适用于介质温差不大或者温差大但是壳程压力不大以及壳程介质不易结垢的场合。（2） 浮头式换热器 其一端管板与壳体固定连接，另一端则不与壳体连接，而是用一较小端单独来密封，这就是“浮头”,这就是浮头换热器。（3） 填料函式换热器 可以说是一种浮头换热器，是将浮头换热器的浮头移到壳体外边，采用填料函来进行密封的一种常规型换热器。（4） U形管式式换热器 管束弯曲成U形，一端固定在同一个管板上，一端却不固定，能够自由伸缩，也就没有了温差应力的产生。此结构设计简单，节省原料，但管子由于弯曲，清洗比较困难；管束亦存在不小空隙，传热稳定性不高，流体容易短路。1.4 设计的任务设计课题主要是对换热器的机械结构部分进行设计，并且通过计算选定合适的参数，并对设计后的换热器进行强度和性能的校核。使其达到国家标准的各种要求。通过对图形的绘制，毕业设计说明书的制作，熟练使用绘图软件和办公软件，强化我们的动手能力，保证步入社会时有更多的技能。设计完成之后，需要多次的反复修改，优化设计，提高设计的合理性与专业性。毕业设计不仅要设计出合适的换热器，还要对换热器哥部件的选材，主体与部分的加工制造做出计划和方案，还要对换热器的防腐，维修保养等做出正确说明，保证设计的完整性与专业性。 2 F280填料函式换热器结构选择图1 填料函式换热器结构示意图2.1 F280填料函式换热器设计工艺参数及要求表1 换热器设计参数和要求项目设计要求1管程介质烟道气2壳程介质水3管程设计压力1.05MPa4壳程设计压力 0.95MPa5管程设计温度3306壳程设计温度807换热面积280m28腐蚀余量自定2.1.1烟道气的物性表2 烟道气物性参数项目设计要求1温度t3002密度10.617kg/m33比热容Cp10.268KJ/（Kg ）4导热系数1 4.16（mh)5粘度12.87810-3Pas6普朗特数Pr10.652.2.2水的物性表3 水的物性参数项目设计要求1温度t252比热容Cp22.1KJ/（Kg ）3导热系数2 4.16（mh)4粘度20.8910-3Pas 5普朗特数Pr216.12.1.3流体空间的选择由设计参数要求中可知，烟道气走管程，水走壳程。且为单壳程，双管程。2.2换热器结构与结构参数的选择2.2.1换热管尺寸(1） 管径 管径越小越紧凑，也就能节省成本，能够获得更好的传热膜系数和阻力系数的比值，但是将会使压降变大。所以在满足压力降的前提下选用更小的管径。在本设计中仍然需要考虑到清洗的方便。依照已经给出的部分参数，参照换热器设计手册填料函式换热器基础参数的选取。初选用外径为d=25mm,管壁厚=2.5mm的换热管。表4 换热管尺寸换热管外径X壁厚排列型式管间距碳素钢、低碳合金钢不锈耐酸钢25X2.525X2正三角形3219X219X225(2)管长 已知换热面积为280，公称压力PN=1.24Mpa，据换热器设计手册表1-2-7，可选换热管长度4500mm。2.2.2换热管数量 (1)可得n894（四舍五入取整数）查表取式中A换热面积，； d换热管外径，； L换热管长度，m； 管板厚度，m； n换热管根数。则管程流通面积： （2）2.2.3换热管的排列和管心距 管子在换热管上主要有正方形排列和三角形排列等。三角形排列有利于壳程流体达到端流且排管数较多，有利于节省空间和材料。正方形排列有利于壳程的清洗。为了弥补缺点，所以选用正三角形排列。下图为几种主要的换热管排列方式： 图2 换热管的主要排列方式 管心距是两相邻管子中心的距离，距离越小越紧凑，但会使板管增厚，不利清洁，增大壳程压降，一般选用范围为(1.25-1.5)d，查GB151-1999可知，换热管中心距S=32mm。而且，因为换热管管间要进行机械清洗，所以相邻两管间的净空距离（S-d）不应该小于6mm。 (3)表5 换热管尺寸换热管外径X壁厚排列型式管间距碳素钢、低碳合金钢不锈耐酸钢25X2.525X2正三角形3219X219X225如表所示，取管间距 32mm 2.2.4换热管的材料 管子除了要求具备足够的强度外，还要保证管体与其他部分的良好连接，由于此次设计有采用焊胀结合，因而换热也必定要拥有优良的可塑性。在这样的情形下通常要去采用优质碳钢，用此来保障。根据GB151-1999，初步选中采用20钢当作换热管的材质。2.2.5 壳体通过管束中心线的换热管数量：由化工过程及设备设计（1-14）可知 （根） （4） 式中 n：单程管数 m: 程数由于设计的是双管程结构，因而壳程内径为 （5) 所以取整得=800mm 壳程设计压力、温度分别是和，根据钢制压力容器中的表4-1，选用壳体材质是Q235-7，查阅表可知t=112MPa，连接采用焊接接头。选定焊接接头的系数是，。参考钢制压力容器中的详细计算数据计算厚度： (6) 取整得4mm 式中：Pc：管程设计压力D：i公称直径,t：管：胀接系数。 设计厚度： (7) 名义厚度： (8) 取整得mm 有效厚度： (9）设计温度下圆筒计算应力： (10) 设计温度下圆筒最大工作应力 (11) 管程设计压力，设计温度，依据，采用,查表得到 ，1，,。 计算厚度： 设计厚度： 名义厚度： mm 有效厚度： 设计温度下圆筒计算应力： 设计温度下圆筒最大允许工作应力： 1.32MPa1.05MPa2.3 进出口设计流体介质进出接管位置的选择需要充分考虑到流体的均匀分布，并且尽量减少死角，在本设计中，接管是径向设置，且与内表面平齐。接管地方最大的直径应不大于三分之一到四分之一的壳体直径。当然同时还需要虑到进出口压强的状况，使流体介质充分进行热交换。入口和出口处的允许压降和流体流量压力都是应该考虑的，这个有计算保证，有利于保证安全和较高的换热效率。 2.3.1 接管接管伸出长度)接管法兰面至壳体（管箱壳体）外壁距离是接管外伸长度。由换热器设计手册第页，可得知接管其长度运算公式是： 式中：l接管外伸长度，mm；h接管法兰厚度，mm； h1接管法兰的螺母厚度，mm；保温层厚度，mm。 2.3.2 接管与筒体、管箱壳体的连接 本换热器设计考虑到压力与温度的变化采取插入式焊接法并且接管位置高于换热器壳体内壁水平高度。并且按照中有开孔的标准范围选定。并且不设定开口补强。2.3.3 排气、排液管在换热器的壳程以及管程处设计了排气排液口，是为了充足利用传热面积，提高效率。如图3所示为卧式换热器的排气液口，在本设计中安装在封头的顶部或者底部，有利于介质流体的均匀流动。图3 用于卧式换热器之排气（液）管2.4 接管最小位置 在换热器中为了充分利用其共同接触面积，提高换热效率。进出口管壳应尽最大可能靠近管板两端，而进出口管则尽可能靠近管道法兰。2.4.1 壳程接管位置的最小尺寸 依照换热器设计手册第144页的图1-6-2，如下图3所示：图4 壳程接管位置运算此下公式：带补强圈： 无补强圈： 2.4.2 管箱接管位置最小尺寸 换热器设计手册第页图，如下图5示：图5管箱接管位置带补强圈： 无补强圈： 通常要求mm，本设计要求达到40mm，以保证强度，延长使用寿命根据公式运算得到出水进、出口高度=mm, 烟道气进、出口高度=mm。 管箱压力接管高度=mm,出口高度=mm，壳程出水口接管口高度=mm。2.5 管板管板是负责固定换热管的机构，管板能够固定住换热管，主要承受壳程介质的冲击和压力以及换热管道温差应力，主要考虑强度和结构设计。对外填料函式换热器而言，一般不会将它兼做法兰的管板，本设计选定管板亦是如此，此换热器中，Pd=|Pt|。 2.5.1管板结构选择根据换热器设计手册P233,选定如图6所示结构。能够完全满足本换热器要求，需要注意的是在分程隔板的弯曲部位，选取倒角的数据为，有利于装配和强度的提升，这里的连接不采取焊接连接，固定在壳体法兰与管箱法兰之间，方便后期的拆卸清洗以及更换管道。图6 固定端管板2.5.2管板的计算 式中Ad未能被换热管支承的面积，n隔板槽排管根数；S中心距；Sn隔板槽两侧邻管的中心距；式中 管板布管区的面积， 式中布管区内开孔后面积，；式中，管板布管区当量直径，换热管外径，；管板材料的弹性模量，Mpa；换热管材料弹性模量，Mpa；查阅换热器设计手册第页表（A）和（B）得管板尺寸：mm mm mm mm2.5.1 最小厚度管板最小厚度min根据换热器设计手册第页的表，见表6。表6 管板开孔尺寸管子外径d 管孔名义直径d 最小胀接长度l 管子外伸长度l1 槽深度K19 19.4 50 50 5 0.525 25.4 32 32.4 -3 6 0.645 45.5 2d 7 0.8=C所以最小厚度min为mm2.6 管箱 管箱装配在填料函式换热器的两侧。管箱半径决定隔板的厚度，进而需要确保刚性以及密封面的厚度要求。2.6.1管箱结构形式按照换热器设计手册选择图7（a）分程隔板的最小厚度如下表7示： 表7 隔板材料选择公称直径DN 碳素钢及低合金钢 高合金钢DN600 8mm 8mm600DN1200 10mm 8mmDN1200 14mm 10mm2.6.2 管箱材料的选择 已经得知设计温度、压力分别为330、。根据，管箱材料选取表8 管箱数据序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力PcMPa1.482管箱内径dimm14003管箱材料Q235R4设计温度下许用应力tMPaGB150-981405管箱计算厚度mm=Pcdi/（2t-Pc）106焊接接头系数mm0.8957腐蚀余量C2mm2.09设计厚度dmmd=+ C29.710名义厚度nGB151-1999项目5.3.2162.7壳体与管板的连接结构2.7.1容器法兰的结构选择管束需要经常清洗，除垢，防腐等操作，所以采用可拆式连接机构，据换热器手册p168中可拆式管板设计要求可知，需要用可拆式管板夹持型式.如图8图8 管板与管箱的连接机构2.7.2容器法兰的参数选择对容器法兰的参数选定如表9所示，表9 容器法兰的选择序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1法兰类型可拆式管板夹持型式JB/T4703-2000PN=4MPa2法兰外径d0mmJB/T4703-200011203螺栓圆直径d1mmJB/T4703-20009604法兰直径dnmmJB/T4703-200010005法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4703-2000PN=2.5MPa7垫片材料不锈钢GB/T3985-20008垫片外径D0mmJB/T4704-200011259垫片内径DmmJB/T4704-2000112510法兰厚度mmJB/T4704-20007011垫片厚度1mmJB/T4704-2000312螺栓数量240M282.7.3外头盖法兰、外头盖侧法兰与外头盖垫片、浮头垫片（1） 外头盖法兰的型式与尺寸、材料均同容器法兰，如表9所示。（2） 外头盖侧法兰选用凸密封面，材料为锻件20MnMo，查JB/4721-92可知其具体尺寸如下表10。表10 外头盖侧法兰尺寸dd1d2d3d4Hha112R860825786776773481608228264022（3）查JB/T4618-92选定外头盖垫片为外径D为775mm，内径d为715mm的金属垫片，通过JB/T4618-92也选法兰垫片的型式为金属包垫片，外径D为583mm，内径d为568mm，材料为0Cr18Ni9。2.8管板与管箱的连接根据工艺要求，与管板法兰的连接形式需要一定的密封形式。因为管程走的是烟道气，需要较高的密封性能，所以选择图9榫槽连接。图9 管板与管箱的连接2.9管板与换热管的连接管子与管板之间的连接是一个比较重要的结构问题，是换热器加工制造中的关键，有时防止泄漏的重点。所以，管子在管板上的连接方法，必须保证结构稳定可靠。在这里重点对其连接方法做介绍与对比。常用的方法有胀接，焊接和焊胀结合等。2.9.1胀接胀接方法是将管子的一端退火后，用砂纸去除表面的污垢以及铁锈，装入管板预先设定的孔内，管子另一端固定，在胀管器强力滚子的作用下，管径增大，产生塑性变形，管板孔的直径也增大产生弹性变形，取出胀管器之后，管板孔产生弹性收缩企图回到原来的直径，从而使管端外表面与孔内表面紧密结合，达到固定和密封的作用。胀接连接适用于设计压力小于4MPa，设计温度小于300，操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化的及无明显的应力腐蚀，管子与管板的材质均为碳钢或者低合金钢并无特殊要求的换热器。2.9.2焊接对于高温高压以及易燃易爆的介质，管子与管板的连接多采用焊接办法应用广泛不需要开槽加工制造很简便，适合规模化生产，焊接对比胀接有以下主要优点：方法简单，不易泄漏，在高温高压环境下仍然能够保证连接的紧密型；管板加工要求低，可节约孔的加工的同时，焊接工艺也比胀接更加工艺简便，并且在压力不太高时可使用较薄的管板，因此焊接法应用广泛。由于焊接接头处管端与管板孔之间有间隙，易腐蚀，焊接时产生的热应力还容易造成应力腐蚀与破裂，所以不适合有剧烈震动及有间隙腐蚀的场合。2.9.3胀焊结合单独采用胀接或者焊接均有一定的局限性。为此，出现了胀接加焊接的形式，其结构有两种形式：一是强度胀加密封焊，胀接承受载荷并且保证密封，焊接仅是辅助性防漏；二是强度焊加贴胀，焊接承载并保证密封，贴胀是为了消除间隙，提高抗振动能力，延长使用寿命，适用于密封性能要求较高，承受疲劳或振动载荷，以及有间隙腐蚀的场合。2.9.4焊接方法及结构在此设计中，考虑到管程压力比较大，以及烟道气的不确定性，本设计中采用强度焊的方式。管板材料为Q235B，换热管的材料为20钢。结构选用粒式换热器焊接结构。3 F280填料函式式换热器其他各部件结构3.1 折流板与支承板折流板的构造设计根据工艺来选定的，相对换热器来说设计折流板主要产生的作用是为了提升传热效果以及对管子支撑力度。由于管程介质为烟道气，此时采用不等距的折流板可以明显提升传热效率。折流板的分类主要是三种，它分别是弓形、盘形、矩形。其中弓形折流板又是为三大类分别是单弓形、双弓形、以及三弓形。而此次设计采用的是圆缺形折流板。并且由于壳体与管束之间不存在过大间隙，所以并不需要采用旁路短板。3.1.1 折流板的主要几何参数单弓形折流板缺口高度通常大概是壳体内径的百分之十五至百分之四十五，并且不小于50mm。缺口高度： h=80025= 200 mm 折流间距： B=0.3 D=240 mm 折流板数： 3.1.2 折流板的最小厚度浏览换热器设计手册第页的表，正如下表12所示表12 折流板或支撑板的最小厚度工程直径DN l300 300l600 600l900 900l1200 1200l1500 l1500DN400 3 4 5 8 10 10400DN700 4 5 6 10 10 12700DN900 5 6 8 10 12 16900DN1500 6 8 10 12 16 161500DN2000 - 10 12 16 20 202000DN2600 - 12 14 18 20 22已经知道壳径，浏览换热器设计手册第页的表，采用跨距，然后折流板最小厚度为5mm。3.1.3 折流板的管孔因为管孔选中的材料是钢，所以管束管孔直径和偏差如表13所示：换热管外径管孔直径允许偏差1414.61616.61919.6+0.42525.8+0.453232.803838.8+0.54545.80表13 折流板管孔直径和允许偏差D为25mm，因此管孔直径是25.8mm。在管孔的挡板处进行处理，对管孔两侧需要进行倒角处理。3.1.4 折流板外直径及允许偏差 依据换热器设计手册第页的表，获取到表14参数：表14 板外直径及允许偏差公称直径DN 折流板名义外尺寸 允许偏差DN400 DN-2.5 0400DN500 DN-3.5 -0.5500DN900 DN-4.5 0900DN1300 DN-6 -0.81300DN1700 DN-8 01700DN2000 DN-10 -1.22000DN2300 DN-12 0 - - -1.42300DN2600 DN-14 0 - - -1.6 依照已知，所得折流板的外直径是 （30）3.1.5 折流板间距 最小间距则肯定是大于圆筒直接的零点二倍，最大间距如表15所示：表15 最大无支撑跨距换热管外径最小钢管有色金属管道19mm1500mm1300mm25mm1850mm1600mm32mm2200mm1900mm38mm2500mm2200mm44mm2800mm2500mm已得取管子外径为25mm，材质是钢，则跨距选定1850mm。3.2 防冲与导流设计防冲板的目的是为了预防介质从接口流入时，对管子的径向接触面产生直接冲击，管程介质为烟道气，由于烟道气流速很快，压力大，所以需要在管程设置防冲板。壳程介质为普通水，无明显腐蚀性以及腐磨性，所以不需要设置防冲板。由于本设计换热器为卧式换热器，所以不需要设置导流筒3.2.1 防冲板的结构浏览换热器设计手册第的四类防冲板结构，如图所示：图11防冲板结构一般用于普通固定板换热器；用于流通介质为气体的装置； 用于上、下缺边折流板的换热器；用于左右缺边折流板的换热器。依照此设计条件，可以选取的防冲板型式是。3.2.2 防冲板的位置和尺寸壳体内未设定有防冲压板，管壳内部设有防冲板，防冲板表面到管壳之间的长度小于接管外径的四分之一。并且挡板的焊接角度设定为90度，防冲板表面到管壳内壁间的距离运算公式根据换热器设计手册第页的。公式31是计算防冲板的表面至管壳内壁之间的距离。 （31）算得碳钢、低碳合金钢最小厚度是，不锈钢最小厚度是。3.3 拉杆与定距管3.3.1 拉杆的结构和尺寸（1）拉杆的结构型式 查询换热器设计手册第页，得到拉杆具有2种结构，一种是拉杆和折流板焊接，用于换热光管外径小于14mm的管束，另一种为拉管定距离管拉杆结构，如图。前者适用于，后者用于。除此以外，当管板厚度很小时，也可以选定其他的结构形式。图12拉杆结构形式选取拉杆定距管结构。（2）拉杆的尺寸、直径与数量长度需要根据拉杆直径来选择，据换热器设计手册第188页的拉杆尺寸图，如图13和第189页表1-6-36拉杆尺寸表11，表12。 图13 拉杆连接尺寸 表11 拉杆数量 （mm）拉杆直径 拉杆数量DN400 400DN700 700DN900 900DN1300 1300DN1500 1500DN1800 10 4 6 10 12 16 2412 4 4 8 10 12 1816 4 4 6 6 8 12 表12 拉杆的直径 （mm）换热管外径 拉杆直径10 1014 1219 1225 1632 1638 1645 1657 16查表11与表12可以知道其直径，根。3.3.2 拉杆的布置 换热器的稳定运转会受到拉杆布置合理性的明显影响，因此拉杆的布置需要设定在合适的位置，拉杆的位置也能够影响换热器的传热效率，拉杆安装好能提高换热器的工作效率，延长使用寿命，本换热器设计中拉杆均匀布置在管束的外边缘，并且由于流速较快，折流板应当设置4个支撑点。3.3.3 定距管尺寸定距管的尺寸是和换热器的换热管规格相同的。因为此次设计的换热管采取的外径是不锈钢换热管，所以此次采取的是碳钢定距管。3.4纵向隔板本设计为带纵向隔板的双壳程换热器，所以需要设置纵向隔板，有利于提高壳程给热系数。其形状是一块矩形平板，这里需要注意的是，纵向隔板回流端的通道面积应该稍微大于折流口缺口面积，为了避免损失，需要注意。由于隔板与内壁存在间隙，容易导致部分流体在通道内发生短路，从而影响换热效率以及容易导致温差应力的产生，所以需要妥善的密封。密封方式主要有两种：（1） 焊接式连接 应用于固定板换热器，由于不适用本设计，在此不赘述。（2） 可拆式连接 填料函换热器的重要优势就是可拆，所以在此运用可拆式连接，即以不锈钢弹簧片，压紧螺栓，螺母，压紧板组合成的机构，通过拆解螺母就可以拆解隔板。 由于隔板两侧压差明显，需要比平时所用6mm隔板更厚，根据前文计算，选定隔板厚度10mm。3.5 封头、法兰以及鞍座的选择3.5.1 封头的选用 按照压力容器设计规范外，头盖应采取材料16MnR的标准椭圆形封头，它的厚度是7mm。名义厚度： = d+0.3+圆整= 8mm （32）有效厚度： e=10-c1-c2=8-3-0.3=4.7mmm （33） 得椭圆形封头h2=25mm,h1=178mm3.5.2 法兰结构类型 由于管程需要拆开清洗而壳程在一般维护中不需要拆卸，应当选用可拆式螺柱连接。并且由于螺柱的紧固容易伴随松动，所以需要设置防松机构，且搭配防松支耳。 3.5.3 鞍座的选择此次设计的是F280填料函式换热器，选用鞍式支座。4 填料函式换热器部分强度设计及校核4.1 法兰的强度校核4.1.1 垫片 管板与法兰之间设置垫片，加强了结构稳定性，减少了松动的可能性，有效防止容器泄漏。 据化工设备设计全书-化工容器上的表7-1，已知参数得出外径D为775mm，内径d为735mm，厚度为6mm的石棉橡胶垫片。垫片系数m=2.0mm,预紧比压力y=11MPa。垫片的有效密封宽度 接触宽度N10mm，基本密封宽度boN/2=10/2=5mm 根据GB1501997，当bo6.4mm时， (34) 垫片压紧力作用中心圆直径 当b06.4mm时，垫片压紧力作用中心圆直径 (35) 最小垫片压紧力 预紧状态下压紧力： N (36) 操作状态下压紧力：N (37)4.1.2 螺栓（1）查取标准HG20634-1997，选取35CrMoA作为螺栓材料，尺寸为M20160的双头螺柱，从GB150-2011表12，螺栓在常温下b为8.45MPa，设计温度tb为191.25MPa，n为40个。法兰径向尺寸，螺栓最小间距(2)螺栓载荷预紧状态下螺栓载荷： N (38)操作状态下螺栓最小载荷： N (39)最小螺栓面积预紧状态下螺栓面积： (40) 操作状态下螺栓面积： (3(40)故最大值为Am=2901.19mm实际螺栓面积： AbAm ,符合设计要求在预紧状态下的螺栓设计载荷： 在操作状态下的螺栓设计载荷： 4.1.3 法兰法兰厚度（1）法兰力距 mm （49） （2）预紧状态下和操作状态下的法兰力矩分别如下： (51) (52) =4.1.4 法兰设计力矩 法兰材料选用Q235-B，在设计温度80下的许用应力4.2 管板厚度计算4.2.1 管板参数计算未被换热管支承的面积计算如下 管板布管区面积: t = 1.732 ns2 +d = (55)管板布管区当量直径： (56)系数为 4.2.2 结构尺寸根据先面选用的尺寸大小：宽度bf=133mm, 厚度f=40mm，厚度=50mm= =由/Di=8/700=0.011和/Di=40/700=0.057,查图26得=0.006；由/Di=8/700=0.011和/Di=36/700=0.051,查图26得=0.001.管板开孔前的抗弯刚度： 旋转刚度参数： 管板布管区当量直径： 由GB151-1999的图19、图20和图21，可以查得：, 4.2.3 管板应力计算计算管板中心处（r=0），布管区周边处（r=Rt）和边缘处（r=R）d 的径向应力，这里分开进行单独计算。以壳程设计压力Ps=0.95MPa,Pt=0MPa 以管程设计压力 Pt=1.05MPa,Ps=0MPa：4.2.4 操作力力矩 计算基本法兰力矩Mm，操作工况法兰力矩Mp4.2.5法兰预紧力计算法兰预紧力矩Mfo(1）Ps作用下： (2) Pt作用下： 4.3径向应力计算由法兰预紧力矩Mfo所引起的在管板中心处（r=o），布管区周边处(r=Rt)和边缘处(r=R)的径向应力。 （1）以壳程设计压力Ps=0.95MPa,Pt=0MPa： （3）（4） 以 (2）管程设计压力Pt=1.05MPa,Ps=0MPa：4.3.1 计算设计力矩M和管板延长部分的法兰应力Ps=0.95MPa,Pt=0MPa以管程设计压力Pt=1.05MPa,Ps=0MPa： 4.3.2 应力校核管程设计压力Pt = 1.05MPa，PS = 0MPa：设计温度下管板许用应力 设计温度下管板力 ( 管板符合标准。4.4 管子与管板连接拉脱力的校核4.4.1 换热管轴向应力（1）根据前面所选的换热管材料查GB150-2011查得设计温度下换热管的许用力为 对壳程的设计压力=，=0 （2）以管程的设计压力Ps=1.05MPa （3）壳程的设计压力Ps=0.95MPa，管程的设计压力Pt=1.05MPa，同时作用 综上，符合要求。4.4.2 换热管与管板连接拉脱力由GB151-1999规定 换热管与管板焊脚高度l=2mm(1) 以壳程的设计压力Ps=0.95MPa,Pt=0MPa： (2) 以管程的设计压力Pt=1.55MPa,Ps=0MPa： （3）壳程的设计压力Ps=0.95MPa，管程的设计压力Pt=1.05MPa，同时作用： 管子与管板连接拉脱力符合要求。4.5 开孔补强的计算4.5.1 概述 开孔会引起换热器结构的变化。假如开孔尺寸较小，且设置的接管可以让减弱的管孔处强度得到补偿。如果开孔尺寸较大，并且得不到补偿。4.5.2 壳体开孔补强按照GB150-2011的规定，不考虑开孔补强的情况如下。（1）壳程设计压力小于2.5MPa；（2）接管公称外径不能大于89mm；（3）符合GB150-2011中的规定要求。4.6 压力试验4.6.1 管程圆筒设计压力P1.05MPa， 设计温度330，试验压力： 各元件材料许用应力比/t的最小值就是符合校核要求。应力校核： 查化工设备用钢 的表9-13S=180.2MPa,满足设计要求。 4.6.2 壳程圆筒 设计压力是0.95MPa, 温度是80，各元件材料许用应力比/t小就是符合设计要求。应力校核 S=170.2MPa, 满足设计要求。5 填料函式换热器的制造、安装、检验、防腐，清洗和维修5.1 概述填料函式换热器设计已经相当成熟，结构相对紧凑。优势明显，在管壳式换热器中相当的比例，应用广泛，在工业生产中有很高的地位。尤其此种换热器成本低，结构紧凑，制造也很方便，能够显著提高效益。根据压力容器安全技术检监察规程，GB150-2011，GB151-1999的标准来严格制造生产。5.2 材料验收 压力容器用钢材应当符合GB150-1998钢制压力容器的要求，选材应接受国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监察规程的监督。在选材时一定得按照材料的制造工艺，焊接的性能，工作的环境，防腐等来选择，这也是设计的重点之一，通过计算和要求，选择合适的材料，既要满足工作要求，又要考虑到经济性等等，这是设计工作永远的重点。5.3 填料函式换热器的制造5.3.1 壳体圆筒 由于必须时常的抽装管束，所以需要确定壳子圆筒的内部直径误差、截面上面的最小、最大的差，还有直线度误差等，以保证换热器的优良性能和使用寿命。（1）壳体圆筒同一断面上，最大直径与最小直径差小于该断面设计内直径的5，即应当小于40mm。（2）壳体圆筒的直线度允许偏差为4.5mm。（3)直线度应在中心线的水平和垂直面检查，即沿圆四个位置测量直线度检验；(4)焊缝尺寸：余高0-2mm的范围内；直线度要在任意300mm连续焊缝直线度3mm；焊缝宽度50mm内的最大宽度和最小宽度差值2mm，整条焊缝3mm。5.3.2 管箱 管箱均匀分布从管道中流入的烟道气，使流体汇集，管箱的设计很大程度影响了介质的换热稳态，加工难度相对比较大，所以应当格外注意。 管箱是物料进出的空间，在该结构中一般只有一条焊缝，焊在隔板的一边。管箱的直径越大隔板的厚度越厚。分层隔板上需要开排净孔，直径是6mm；厚度多余10mm的隔板削边为10mm，削边长度为一比四。5.3.3 管板 管板作为一种连接机构，连接管道与管箱，形式多样，管板的正确选用与否，影响了换热器的换热效率和机构稳定性。在本填料函式换热器设计中，管子与管板用的是胀焊相结合的办法，在前文已有具体分析，这里不多赘述。5.3.4 管孔加工 管孔的加工是在铣床生发生的，属于简单机械加工，根据公差要求选择加工工艺流程，具体应当严格按照标准进行加工，并且注意在加工过程中孔与管板平面需要垂直，符合加工精度。管板与折流板组装之后，管孔与拉杆孔的圆心务必在一条直线上。5.3.5 换热管道的组装换热器中的换热壁，是介质进行换热的场所。不平稳的连接容易导致介质流通压力不均匀，产生应力。在拉杆、定距管、折流板安装时一定要检查换装顺序是否正确，一旦倒了顺序，安装难度就会增大，时间也会大幅延长。5.4换热器的安装换热器安装的首要前提是安装后换热器不会下沉，换热器的接管在运行过程中不会发生大的变形。：安装一般分有两种形式，一种砖砌成形，另一种是混凝土基础。 换热器的安装属于不断改进不断尝试的过程，虽然换热器结构简单，但是体积大，细碎零件多，所以需要反复尝试，安装时一定要有清晰的思路，来保证安装的持续进行。安装前期需要修平垫铁的基础平面，这样有利于换热器的稳定，然后放置换热器主体，最后利用专业水平仪器调平。5.5清洗换热器的清洗是很方便进行的，因为其他换热器相对来说拆卸方便很多，并且由于结构紧凑简单，二次安装也很迅速。清洗的意义在于除垢，不管是壳程还是管程，都需要定期清洗，壳程内部水比较容易结垢，可以针对性做除垢处理。由于烟道气中可能含有很多酸性物质，那么就需要对换热管做进一步的防腐处理，具体应该到具体烟道气的成分，再做出对应的防腐蚀处理。换热器的清洗能够增加换热效率和换热速度，能够降低换热器的使用条件。5.6换热器的防腐由于换热器结构紧凑，日常运转没有太多的损耗，所以一般换热器的使用寿命很长，能够满足正常的设备换代的需求，基本上只要针对的做出防腐，换热器就能得到更长的使用命。5.6.1换热管的防腐由于管程介质烟道气中可能含有很多酸性物质，那么就需要对换热管做进一步的防腐处理，具体应该到具体烟道气的成分，再做出对应的防腐蚀处理，这里应当着重注意换热管道的化学腐蚀，对于其生成物的化学性质，也应当在工业生产中注重检测。由于管道温度较高，所以重点应当放在设置金属保护层，虽然加工难度比较大，但可能能够大幅减少换热器的维护保养时间。具体应当根据烟道气成分来做具体设定。5.6.2管子与管板、折流板连接处的腐蚀由于大小应力的存在，也就容易出现裂纹，管子与折流板交界处的破裂，一般是因为管子太长，加之间隙的存在，故其交界地带成为腐蚀的“重灾区”。因此在日常维护保养时应当多留意连接处。5.7 填料函式换热器的操作与维护换热器工作条件危险，烟道气温度高，压力大，对换热器的技术管理，精心操作与维护对于安全生产都是有绝对意义的。5.7.1换热器的正确使用（1） 启用换热器 及时检查好阀门的开关状态，关注压力表的数值，安全阀和报警装置（2） 做好准备工作，核实无误再确定操作。操作要平稳，阀门的开启与关闭应当缓慢进行，使压力平稳上升或下降。以减少温差应力带来的危害。（3） 严格控制好换热器的工作环境，如温度，压力等，如果失去控制，应当逐渐停止换热器各部分工作。（4） 当换热器受压元件发生裂纹，鼓包，压力参数骤变等情况时，立即采取措施并联系设计人员。5.7.2换热器的科学管理化工生产是连续性生产，生产是一环接一环的，某个设备的故障可能导致整个生产的停止，为提高生产效率，提高经济效益，所以要对压力容器做好科学管理。（1)建立、健全换热器技术档案，如原始技术资料，维修使用记录，事故记录使用时间，使用条件等进行记录，方便后续的保养维护以及生产。（2）技术管理制度。把具体计划落实到具体班组，甚至个人，制定安全操作流程，定期检测制度，事故报告制度等。并且要求落实到位。（3）维护检查主要内容。对设备的定期维护检查在实际生产中有至关重要的意义，关于定期的时间，应当按照具体工作环境以及维修记录制定时间。维护检查的内容亦是如此。一般来说，主要有设备操作记录；压力变化；温度变化；物料性质变化，这里主要是指出口烟道气和出口水的温度；外观，内外部声响等。对于这些部分，应当在设备运行时经常性检查。5.8换热器的定期检验在换热器正常使用过程中，每隔一段时间采用不同而有规律的方法，对换热器各个承压部件以及附件进行试验，能够在早期发现问题，解决问题，不仅节省了时间，而且提高了生产效率，有效防止很多生产事故，这对于生产来说意义重大。根据换热器不同阶段或者不同结构，将这种检验分为外部检查，内部检查以及全面检查。5.8.1外部检查 外部检查是换热器外部发生明显有危及安全的现象或者缺陷时，应当立即按步骤停车。检查应当在换热器运行时进行，换热器由于运行稳定，外部检查一般很容易进行，需要注意的是，由于换热器的高温高压，检查要落实到位。检查的主要内容有：（1) 换热器的防腐涂层，保温层以及接口是否完好（2) 换热器外表面是否有裂纹，变形或者局部过热等情况发生（3) 换热器接管焊缝，密封结构有无脱落或者形变（4) 安全附件是否齐全，固定脚有无下沉或者倾斜5.8.2内部检查内部检查是需要在换热器停车时进行的，需要对部分零件或者结构进行拆解。检验工作一般几年进行一次，这里考虑到烟道气成分的不确定性，应当两年检查一次。内部检查的主要内容有：（1） 外部检查的所有内容；（2） 外壳内外表面，接管处是否有腐蚀，形变或者磨损的情况；（3） 换热器的所有焊接接头。封头过渡区和其他应力集中区域是否出现裂痕；（4） 对所有紧固螺栓进行细致外观检查5.8.3全面检查全面检查是指在外部检查和内部检查的基础上，对换热器进行更进一步的检查工作。内容主要是压力试验，对主要焊接接头进行无损检测抽查甚至所有焊接接头做此检查。全面检查的时间一般是五年进行一次，但应当根据使用条件变化。全面检查的具体内容与结果对以后的设计以