U型管换热器设计

西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 本科毕业设计 论文 U 型管换热器结构设计与建模 学院名称 制造科学与工程学院 专业名称 过程装备与控制工程 学生姓名 XX 学号 XX 指导教师 XX 讲师 二 一五年六月 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 目录 绪论 第一章 1 1 换热器的发展及研究现状 1 2 换热器的生产需求 第二章 2 1 设计任务 2 1 1 设计题目 2 1 2 设计参数 2 2 方案确定 2 3 确定介质物性参数 2 4 计算总传热系数 2 4 1 热流量 2 4 2 平均传热温差 2 4 3 水蒸气用量 2 4 4 总传热系数 K 2 5 传热面积计算 2 6 工艺结构尺寸 2 6 1 管束数量确定 2 6 2 平均传热温差校正 2 6 3 传热管排列和分程方式 2 6 4 壳体内径 Di 2 6 5 折流挡板 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 2 6 7 接管尺寸 第三章 3 1 构件材料选择 3 1 1 一般选材原则 3 1 2 压力容器常用钢 3 1 3 构件材料终定 第四章 4 1 筒体计算 4 1 1 厚度计算 4 1 2 校核筒壁压力 4 2 封头尺寸计算 4 2 1 封头厚度计算 4 2 2 校核封头应力 4 3 管箱短节计算 4 3 1 管箱短节圆筒厚度的计算 4 3 2 压力及应力计算 4 3 3 管箱短节长度计算 4 4 管板设计及校核 4 4 1 布管面积 4 4 2 管板布管区的当量直径 4 4 3 管板计算厚度 4 4 4 管板名义厚度 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 4 4 5 换热管轴向应力计算及校核 4 5 开孔补强计算 4 5 1 等面积法适用范围 4 5 2 壳程接管开孔补强 4 5 3 管程开孔补强 第五章 5 1 设备外部结构 5 1 1 壳体结构 5 1 2 封头结构 5 1 3 管箱结构 5 1 4 接管设计 5 1 5 法兰选用 5 1 6 支座结构 5 2 设备内部件结构 5 2 1 折流板设计 5 2 2 拉杆和定距管设计 5 2 3 分程隔板设计 5 2 4 防冲挡板 5 2 5 管板设计 5 2 6 U 型换热管 5 3 各构件连接形式 5 3 1 压力容器连接形式分类 5 3 2 椭圆封头和壳体的连接 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 5 3 3 壳程接管和壳体的连接 5 3 4 管程接管与壳体的连接 5 3 5 管束和管板的连接 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 1 第一章 绪论 1 1 换热器的发展及研究现状 是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换器 二十世纪 20 年代 出现板式换热器 并应用于食品工业 以板代管制成的换热器 结构紧凑 传热效 果好 因此陆续发展为多种形式 30 年代初 瑞典首次制成螺旋板换热器 接着 英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器 用于飞机发动机 的散热 30 年代末 瑞典又制造出第一台板壳式换热器 用于纸浆工厂 在此期 间 为了解决强腐蚀性介质的换热问题 人们对新型材料制成的换热器开始注意 60 年代左右 由于空间技术和尖端科学的迅速发展 迫切需要各种高效能紧凑型 的换热器 再加上冲压 钎焊和密封等技术的发展 换热器制造工艺得到进一步完 善 从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用 自 60 年代开始 为 了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要 典型的管壳式换热器也得到了进一 步的发展 70 年代中期 为了强化传热 在研究和发展热管的基础上又创制出热 管式换热器 目前对换热器的研究现状 工程上已经大量使用商业的软件进行换热器的计算 最著名的专业换热器计算软件主要有以下几个 第一是成立于 1962 年的美国传热 研究公司 Heat Transfer Research Inc 即 HTRI 开发的 Xchange Suit 软件 第二是 成立于 1976 年的英国传热及流体服务中心 Heat Transfer and Fluid Flow Service 即 HTFS 开发的 HTFS 系列软件和 B JAC 软 因此 换热器计算软件发展到今天 已经可以向很多制造厂商提供设备条件 目前工业上用得较多的管壳式换热器主要 有浮头式 固定管板式和 U 型管式 其中以浮头式换多 本次选择设计的是 U 型 管式换热器 它的管板比固定管板式换热器少 其泄露量也相应减少 并且 U 型 管式换热器具有壳程水压试验后烘干更容易 适用场合广 换热面积大 管内介质 流速大效率高 检修简便 操作弹性较大 结构简单 价格便宜承受能力强的特点 由于 U 型换热管的两端都同时固定在上同一块管板上 管子可以自由伸缩 因此 当壳体与 U 形换热管有温差时不会产生热应力 但是 U 型管换热器的主要缺点 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 2 就是 U 型管具有一定的弯曲半径 故管板的利用率较差 管内不容易清洗 一旦 内层有管束堵塞更换困难 只有将堵塞的换热管两端封住 影响传热 所以 U 型管式换热器适用于管与壳壁温差较大或管内走清洁而不易结垢的高 温 高压 腐蚀性大的介质的情形 有时候也用在换热器壳程容易结垢 需要清洗 但又不适宜用浮头式或固定管板式的场合 U 型管换热器是一种典型的管壳式换 热器 其管子弯成 U 形 管子的两端固定在同一管板上 因此每根管子可以自由 伸缩 而与其他管子及壳体无关 U 型管换热器仅有一块管板 且无浮头 所以 结构简单 造价比其他换热器便宜 U 形管束可以从壳体内抽出 所以管子便于 清洗 但管内清洗困难 所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料 由于换热管 呈 U 形 管子的更换除外侧一层外 内部管子大部分不能更换 管束中心部分存 在空隙 所以流体易发生短路而影响传热效果 U 形管的弯头部分曲率不同 管 子长度不一 因而物料分布不如固定管板式换热器均匀 1 2 换热器的生产需求 U 型管换热器在当前市场的生产需求是比较大的 U 型管换热器是在工业过程 生产中实现两种介质间进行热量传递的一种设备 也可以用来保证工艺流程和条件 的同时实现二次能源余热的回收 在化工厂换热器约占总投资 10 20 在炼油 厂换热器约占全部工艺设备投资的 35 40 由于工艺流程不同 生产中往往进 行着加热 冷却 蒸发或冷凝等过程 通过换热器热量从温度较高的流体传递给温 度较低的流体 以满足工艺需要 近 20 年来 换热设备在能量储备 转化 回收 以及新能源利用和污染治理中得到了广泛运用 在工业生产中 换热设备的主要作 用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体 使流体温度达到工艺过程规 定的指标 以满足工艺过程的需要 除此之外 换热设备也是回收余热 废热特别 是低品位热能的有效装置 所谓低品位热能是指难以利用容易忽略的热能 例如工 业排放的烟道气 高炉炉气等 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 3 第二章 换热器工艺计算 2 1 设计任务 2 1 1 设计题目 U 型管换热器结构设计 处理量为 12000Nm h 使用寿命为 15 年 2 1 2 设计参数 1 由 2 管程和 1 壳程组成 2 水蒸汽加热空气 水蒸汽 入口温度 100 出口温度 100 空 气 入口温度 30 出口温度 40 3 设计压力为常压 1 1013 允许的压降 不大于 105Pa MPa 2 2 方案确定 考虑到空气和水蒸气均不易结垢 且为了便于强化传热 应使传热系数较小 的流体管程 因此 选择空气走壳程 水蒸气走管程 2 3 确定介质物性参数 根据定性温度 分别从 化学化工物性数据手册 中查取壳程和管程流体的相 关物性数据如下表 2 1 表表 2 12 1 相关介质物性参数相关介质物性参数 介质空气水蒸气 温度 30 35 差值法取值 40 100 密度kg m31 1651 1471 1280 597 定压比热容kJ kg 1 0051 0051 0051 525 导热系数W m 0 026750 027160 027560 024 黏度Pa s0 0 0 0 2 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 4 WhKJ tcmQ p 67 43 1057 1 3040 012 1 29 4 22 12000 5 000 0 2 4 计算总传热系数 2 4 1 热流量 2 1 2 4 2 平均传热温差 2 2 65 2 30100 40100 m t 2 4 3 水蒸气用量 常压下 100 的水蒸气汽化热为 r 2258KJ Kg 则 2 3 hkg r Q wi 53 69 2258 1057 1 5 0 2 4 4 总传热系数 K 管程传热系数 2 4 4854 0000123 0 597 0 5 002 0 i iii e ud R 2 22 024 0 0000123 0 10525 1 4854 020 0 024 0 023 0 023 0 2 4 0 3 8 0 4 08 0 mW c ud d i i i p i iii i i i 壳程传热系数 假设壳程传热系数 污垢热阻 150 2 0 mWWmRsi 00008598 0 2 管壁的导热系数 则传热系数 K WmRso 00034394 0 2 45 mWK 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 5 8 15 150 1 00034394 0 0225 0 45 025 0 0025 0 02 0 025 0 00008598 0 02 0 2 22 025 0 1 1 1 2 mW R kd d R d d K o so m o si ii o 2 5 2 5 传热面积计算 2 6 2 3 5 42 65 8 15 1067 43 m tK Q S m 考虑 25 的面积裕度 2 7 2 2 53 5 4225 1 25 1 mSS 2 6 工艺结构尺寸 2 6 1 管束数量确定 本次 U 型管换热器设计采用单壳程双管程结构 若取传热管长 L 3m 换热器 程数为 2 则 2 7 根226 3025 0 14 3 2 53 Ld S n o s 每程管束为 226 2 113 根 管内流速 2 8 sm nd V u s i i 912 0 11302 0785 0 3600597 0 53 69 4 2 2 2 6 2 平均传热温差校正 平均传热温差校正系数 2 9 0 3040 100100 12 21 tt TT R 2 10 14 0 30100 3040 11 12 tT tt P 按单壳程 双管程结构查温差校正系数表可得 1 t 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 6 平均传热温差 65651 tm mt t 2 6 3 传热管排列和分程方式 每程均按正三角形排列 取管心距 t 1 25d 则 mmt3225 312525 1 横过管束中心线的管数 根 1822619 1 19 1 Nnc 2 6 4 壳体内径 Di 采用双管程结构 取管板利用率 则壳体内径为 7 0 2 11 mNtDi6047 0 2263205 1 05 1 圆整后可取目前常用管径 mmDi800 2 6 5 折流挡板 采用弓形折流挡板 取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的 30 则切去的圆 缺高度为 mmh24080030 0 取折流挡板间距 则 根据 GB151 相关规定 DB5 0 mmB4008005 0 挡板间距最小间隔为 1 5 倍壳体内径 且不小于 50mm 折流挡板数为 块 2 12 75 61 400 3000 1 折流挡板间距 传热管长 B N 折流挡板圆缺面水平装配 2 6 7 接管尺寸 壳程流体进出口接管 取接管内空气流速为 u1 40m s 则接管内径为 2 13 m u V d346 0 4014 3 147 1 3600 4 22 291200044 1 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 7 圆整后可取壳程接管内径为 350mm 根据 GB3087 82 中标准钢管规格 选用 的 10 号无缝钢管 10377 管程流体进出口接管 取接管内水蒸汽流速 u2 2m s 则接管内径为 2 14 m u V d144 0 214 3 597 0 3600 53 6944 2 2 圆整后取接管内径为 150mm 根据 GB3087 82 中标准钢管规格 选用 的 10 号无缝钢管 5 4159 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 8 第三章 材料选择 3 1 构件材料选择 3 1 1 一般选材原则 1 所需钢板厚度小于 8mm 时 在碳素钢和低合金钢之间 应尽量采用碳素钢 钢板 2 在刚度和结构设计为主的场合 应尽量选用普通碳素钢 在强度设计为主 的场合 根据压力 所需耐酸不锈钢温度 介质等使用限制 选用 Q245R Q345R 等钢板 3 所需耐酸不锈钢厚度大于 12mm 时应尽量采用复合板衬里 堆焊等结构形式 4 耐酸不锈钢应尽量不用做设计温度小于或等于 500 的耐热钢 5 碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压 低压容器 壁厚不大的中压容器 锻 件 承压钢管 非受压元件以及其他由刚性或结构决定壁厚的场合 6 低合金钢高强度钢用于介质腐蚀性不强 壁厚较大 8mm 的受压容器 7 珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀 或设计温度为 350 650 的压 力容器用耐热钢 8 不锈钢用于介质腐蚀性较高 防铁离子污染或设计温度大于 500 或设计温 度小于 100 的耐热或低温用钢 3 1 2 压力容器常用钢 1 压力容器常用钢分类 1 钢板 钢板是压力容器最常用的材料 如圆筒一般由钢板卷焊而成 封头一 般由钢板通过冲压或旋压制成 它具有良好的加工工艺性能 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 9 2 钢管 压力容器的接管 换热管等常用无缝钢管制造 根据 GB151 1999 规 定 当压力容器圆筒公称直径 DN 400mm 时 可用钢管制作 当卷制圆筒的公称 直径以 400mm 为基数 以 100mm 为进级档 必要时 也可采用 50mm 为进级档 3 锻件 高压容器的平盖 端部法兰 中 低 压设备法兰 接管法兰等常用 锻件制造 2 钢材类型 1 碳素钢也称碳钢 碳素钢强度较低 塑性和可焊性较好 价格低廉 故常用 于常压或中 低压容器制造 也用作支座 垫板等零部件的材料 如 碳素结构钢 Q235 B 和 Q235 C 钢板 优质碳素结构钢 10 20 钢管 20 35 钢锻件 压力容器 专用钢板 Q245R 20G Q245R 是在 20 钢基础上发展起来的 主要是对硫 磷等 有害元素的控制更加严格 对刚才的表面质量和内部缺陷控制的要求也较高 2 低合金钢 低合金钢是在碳素钢基础上加入少量合金元素的合金钢 它具有 高强度 优良的韧性 焊接性能 成型性能和耐腐蚀性能 同时它不仅可以减小容 器的厚度 减轻重量 节约钢材 而且能解决大型压力容器在制造 检验 运输 安装中因厚度太大所带来的各种困难 Q345R 16MnR 是屈服强度为 340MPa 级的压力容器专用钢板 也是中国压 力容器行业使用量最大的钢板 它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能 主要 用于制造中低压容器和多层高压容器 16MnDR 15MnNiDR 和 09MnNiDR 三种钢板是使用温度低于等于 20 的压力 容器专用钢板 3 高合金钢 压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀 耐高温 钢 主要有铬钢 铬镍钢和铬镍钼钢 除了铬钢以外 高合金钢都具有良好的低温 性能 0Cr13 是常用的铁素体不锈钢 有较高的强度 塑性 韧性和良好的切削加工 性能 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 10 0Cr18Ni9 是奥氏体不锈钢 具有良好的塑性 韧性和冷加工性 在氧化性酸和 大气 水 蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳 3 1 3 构件材料终定 1 壳体材料 本次 U 型管换热器结构设计中 水蒸气为干净清洁的气体 空气在流速低的情 况下容易结垢 两者均不属于腐蚀介质 考虑到 U 型管换热器壳体内壁不易清洗且 管程流速快 本次设计由空气走管程 水蒸气走壳程 故计算温度壳程为 100 计算压力为常压 属于低压容器 综合上面所述 本次壳程筒体材料的选择 壳程介质为空气 无毒 无腐蚀性 由于筒体直径为 800mm 400mm 因此我们可以选择 Q245 GB150 4 1 4 规定需 在正火处理后使用 钢板作为壳体的材料 GB151 1999 2 封头和管箱短节材料 本次 U 型管换热器结构设计中 与封头接触的介质均为干净 无腐蚀 不易结 垢的气体介质 并且设计压力为常压 在保证强度和成本的基础上考虑到壳体材料 为了焊接方便 因此壳体封头 管箱封头和管箱短节材料均采用 Q245R 钢板 综上 本次 U 型管换热器各构件材料选择汇总如下表 3 1 表表 3 13 1 换热器各部分零部件材料换热器各部分零部件材料 构件壳体封头 管箱短 节 接管法兰管板 分程隔 板 材料 钢 号 Q245RQ245RQ245R10Q235AQ245RQ245R 续表续表 3 13 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 11 构件 U 形换 热管 折流板拉杆定距管 鞍式支 座 垫片紧固件 材料 钢 号 20Q235A1010Q235A 石棉橡 胶板 0Cr18Ni9 注明 由于本次换热器设计流体介质均为干净无腐蚀的流体 并且操作压力和 操作温度都是常温常压 因此对材料的选用要求不高 故通过查阅相关标准选用最 常用 最节约成本的材料 第四章 强度计算 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 12 4 1 筒体计算 4 1 1 厚度计算 由于本次设计空气走壳程 空气入口温度为 30 出口温度为 40 则设计 温度取最高温度 40 设计压力为常压为 Pc 0 1013Mpa 选用材料为 Q245R 钢板 卷制 材料在 40 时的许用应力为 焊接接头系数根据 GB150 a147 40 MP 2011 和 GB151 1999 规定取双面焊局部检测0 85 壳体内径 Di 800mm 计算厚度 4 1 0 1013 800 0 33 2 147 0 850 1013 2 ci t c p D mm p 介质为压缩空气 水蒸气和水的碳素钢或低合金钢制换热器腐蚀裕量不低于 1mm 查 腐蚀数据与材料选择手册 得年腐蚀量为 0 1mm 使用年限为 15 年 故腐蚀裕量为 C2 15 0 1 1 5mm 故 设计厚mm 4 2 83 1 2 C d 根据 GB T 709 2006 中的 B 类要求 Q245R 等钢板的负偏差均为 C1 0 30mm 故 名义厚度 4 3 mmC dn 53 1 1 根据 GB151 中 5 3 2 的规定 碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度符合下表 4 1 要求 U 型管式换热器筒体最小壁厚为 10mm 其中包含 1mm 的厚度附加量 因此本换热器筒体的名义厚度圆整后为 10mm 当厚度为 10mm 时 Q245R 钢 n 板的 t无变化 厚度合适 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 13 表表 4 14 1 工称直径400 700 700 1000 1000 1500 1500 2000 2000 2600 浮头式 U 形管式 810121416 固定管板式68101214 注 表中数据包括厚度附加量 C2 按 1mm 考虑 4 1 2 校核筒壁压力 根据 化工容器及设备简明设计手册 圆筒壳应力校核公式为 4 4 e eic t DP 2 其中 Pc 0 1013Mpa Di 800 C1 C2 8 1 5 0 3 8 8 带入数据得 e n 5 48Mp t 147Mpa 满足要求 t 4 2 封头尺寸计算 本次封头采用标准椭圆形封头其形状系数 K 1 查 化工容器及设备简明设 计手册 第二版 P324中有以内径为公称直径的碳素钢制封头在 DN 为 800mm 壁厚为 10mm 时封头的直边为 h2 40mm 曲面高度为 h1 200mm 质量为 63 6kg 采 用 Q245R 钢板冲压成型 4 2 1 封头厚度计算 由于本次设计空气走壳程 空气入口温度为 30 出口温度为 40 则设 计温度取最高温度 40 设计压力为常压为 Pc 0 1013Mpa 选用材料为 Q245R 钢 板冲压制成 材料在 40 时的许用应力为 焊接接头系数根据a147 40 MP GB150 2011 和 GB151 1999 规定取双面焊局部检测0 85 壳体内径 Di 800mm 封头形状系数 K 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 14 计算厚度 4 5 1 0 1013 800 0 33 2 147 0 850 5 0 1013 20 5 ci t c Kp D mm p 介质为压缩空气 水蒸气和水的碳素钢或低合金钢制换热器腐蚀裕量不低于 1mm 查 腐蚀数据与材料选择手册 得年腐蚀量为 0 1mm 使用年限为 15 年 故腐蚀裕量为 C2 15 0 1 1 5mm 故 设计厚mm 83 1 2 C d 根据 GB T 709 2006 中的 B 类要求 Q245R 等钢板的负偏差均为 C1 0 30mm 故 名义厚度 mmC dn 53 1 1 由于换热器筒体的壁厚为 10mm 封头厚度应与筒体厚度一致 故圆整后封头 名义厚度为 10mm 当厚度为 10mm 时 Q245R 钢板的 t无变化 厚度合适 n 4 2 2 校核封头应力 根据公式 4 6 e eic t KDP 2 5 0 必须满足 t t 其中 Pc 0 1013Mpa Di 800 C1 C2 8 1 5 0 3 8 8 带入数据得 e n 4 7 MPaMP KDP e eic t 147 a44 5 85 0 8 82 8 85 080011013 0 2 5 0 t 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 15 满足许用要求 4 3 管箱短节计算 4 3 1 管箱短节圆筒厚度的计算 管程最高操作温度 100 故取设计温度 100 管程操作压力 选用0 1MPa Q245R 钢板 负偏差为 0 3mm 材料许用应力 取焊缝系数 147 t MPa 0 85 腐蚀余量 2 0 1 15 1 5Cmm 计算厚度 4 8 0 1013 800 0 33 2 147 0 850 1013 2 ci t c p D mm p 设计厚度 4 9 2 0 33 1 51 83 d Cmm 名义厚度 4 10 1 1 830 3 1 53 nd Cmm 综合考虑结构 补强 焊接的需要 由 GB151 1999 表 8 有10 n mm 有效厚度 12 100 3 1 58 8 en CCmm 则短节圆筒名义厚度 10 n mm 4 3 2 压力及应力计算 根据 化工容器及设备简明设计手册 圆筒壳应力校核公式为 4 11 e eict DP 2 其中 Pc 0 1013Mpa Di 800 C1 C2 8 1 5 0 3 8 8 带入数据得 e n 5 48Mp t 147Mpa 满足要求 t 4 3 3 管箱短节长度计算 管箱最小长度计算 按流通面积计算 min L 4 12 Shh E Nd L cpi 21 2 min 4 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 16 640200 8004 2262014 3 2 mm3357 334 封头曲面高度 200mm 1 h 封头直角边高度 40 mm 2 h 换热管数 226 根 cp N 换热管内径 20mm i d 封头厚度 10 mm S 在壳体设计时 已知管箱和壳体在 DN800 时 圆筒最小厚度要取 10mm 根据 GB150 规定 短节长度 L 300 考虑到管程开孔直径 计算所得最mm150dmm 小长度为 335mm 故取管箱短节的尺寸为 mmLmmDN n 400 10 800 4 4 管板设计及校核 管板与法兰采用 a 型连接 换热管与管板采用强度焊接连接 管板材料为 Q245R 设计温度下管板弹性模量 设计温度下许用应力为 11 2 0 10EPa 147MPa 考虑到管板与分程隔板的连接 壳 管程侧开槽深度为 腐蚀 12 0 4hmm hmm 余量 1 5 st CCmm 4 4 1 布管面积 布管区域内 未能被支撑的面积 d A S0 866S dn AnS 4 13 2 1832 440 86632 9381 888mm 管板布管区面积 4 14 2 1 732 td AnSA 2 2 1 732 226 329381 888 410208 256mm 管板开孔后面积 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 17 4 15 2 1 4 t AAnd 2 2 3 1425 410208 256226 4 299327 006mm 4 4 2 管板布管区的当量直径 4 16 44 410208 256 723 3 14 t t A Dmm 管板参数 根据 JB T4700 4703 壳体内径为 800mm 时 管板与管箱 壳体连 接采用 a 型 此时管板外径为 840mm 垫片压紧作用中心圆直径 DG 820mm 钢 板边缘旋转刚度参数 0 f K 系数 t tt 723 8200 882 G D D 1 1 0 8821 134 t 查询 GB151 1999 表 19 得 0 256 c C 在 a 型连接中 由 GB150 2011 表 7 1 压紧面形状选择为 1a 垫片外径为 840mm 内径为 800mm 垫片基本密封宽度 4 17 850 800 256 22 o N bmm 垫片有效密封宽度 4 18 2 5312 65 o bbmm 4 4 3 管板计算厚度 由管板厚度计算公式 4 19 0 82 cd Gt r C p D 式中 管板强度削弱系数 0 4 设计温度下管板材料的许用应力 147 t r MPa Pd为 0 1013Mpa 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 18 管板计算厚度为 4 20 0 82 0 256 0 1013 0 82 825 0 4 147 14 21mm cd Gt r C p D 4 4 4 管板名义厚度 根据GB151 1999 管板的名义厚度不小于下列三者之和 1 管板的计算厚度或最小厚度 取大者 2 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度 取大者 3 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度 取大者 所以 管板名义厚度应不小于下列三部分之和即 4 21 min12 14 21 121 5 0 1 5 4 14 21 1 5 4 19 71 nst MAXMAX C hMAX C h MAXMAXMAX mm 考虑到拉杆固定 取管板名义厚度30 n mm 4 4 5 换热管轴向应力计算及校核 换热管材料为 20 GB9948 其设计温度下材料许用应力 许 147 t t MPa 用拉脱力 0 573 5 t t qMPa 一根换热管管壁金属的横截面积 4 22 22 i 222 4 2520176 6 4 o add mm 换热管轴向应力校核 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 19 4 23 2 4 tstt d PPP a 分别以三种不同工况进行计算 只有壳程设计压力 管程设计压力为0 0 1013 s PMPa 2 25 0 101300 0 282 4 176 6 t MPa 只有管程设计压力 壳程设计压力为0 0 1013 t PMPa 2 25 00 10130 10130 181 4 176 6 t MPa 壳程设计压力和管程设计压力同时作用 0 1013 t MPa 以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力 147 t t MPa 换热管与管板连接拉脱力 4 24 ta q dl 其中取以上计算中三种工况的绝对值最大者 查GB151 1999 t 0 282 t MPa 表33有 4 25 13 lll 取换热管最小伸出长度 最小坡口深度 则有 1 2 lmm 3 2 lmm 224 lmm 由此得 1 500 mm 时 开孔最大直径 Di 3 且 1 000 mm op d op d 3 凸形封头或球壳开孔的最大允许直径 Di 2 锥形封头开孔的最大直径 op d Di 3 Di为开孔中心处的锥壳内直径 op d 注 开孔最大直径对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸 op d 由以上规定可知 本次接管外径为均大于不另行补强的最大接管外159377 和 径 故开孔需另行考虑其补强 其中 10 号钢管许用应力 取89 Mpa n 121 50 腐蚀裕度 C 15 0 1 1 5mm 4 5 2 壳程接管开孔补强 开孔直径 满足等面积法开mmDmmcdd ii 4002 3605 123572 孔补强计算使用条件 开孔材料强度削弱系数 fr 4 26 823 0 147 121 t fr t n 接管计算厚度 4 27 mm p dp c t n ic t 18 0 1013 0 85 0 1212 3571013 0 2 接管有效厚度 4 28 mmc ntet 5 85 110 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 21 开孔所需补强面积 4 28 2 8 119 823 0 1 5 833 0 233 0 360 1 2 mm fdA ret 有效补强范围 有效宽度 mmdB72036022 有效高度 外侧有效高度 mmdh nt 0 6010360 1 内侧有效高度 0 2 h 壳体多余金属面积 4 29 接管多余金属面积 4 30 接管区焊缝面积 2 36665 02 3 mmA 综上 有效补强面积为 由 2 321 4 3881367 8217 3023mmAAAAe 于 所以本次开孔满足补强要求 不需要另行补强 2 8 119 mmAAe 4 5 3 管程开孔补强 开孔直径 满足等面积mmDmmcdd ii 4002 1625 121592 法开孔补强计算使用条件 开孔材料强度削弱系数 fr 4 31 823 0 147 121 t fr t n 2 1 7 3023 823 0 1 33 0 8 8 5 82 33 08 8 360720 1 2 mm fdBA reee 2 2212 7 821 0823 0 18 0 5 8 602 2 2 mm fChfhA retrtet 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 22 接管计算厚度 4 32 mm p dp c t n ic t 08 0 1013 0 85 0 1212 1591013 0 2 接管有效厚度 4 33 mmc ntet 5 85 110 开孔所需补强面积 4 34 2 8 119 823 0 1 5 833 0 233 0 360 1 2 mm fdA ret 有效补强范围 有效宽度 mmdB72036022 有效高度 外侧有效高度 mmdh nt 0 6010360 1 内侧有效高度 0 2 h 壳体多余金属面积 4 35 接管多余金属面积 4 36 接管区焊缝面积 2 36665 02 3 mmA 综上 有效补强面积为 由 2 321 4 3881367 8217 3023mmAAAAe 于 所以本次开孔满足补强要求 不需要另行补强 结论是采用 2 8 119 mmAAe 10 号无缝钢管满足补强要求 不需要另行补强 5 4159 2 1 7 3023 823 0 1 33 0 8 8 5 82 33 08 8 360720 1 2 mm fdBA reee 2 2212 7 821 0823 0 18 0 5 8 602 2 2 mm fChfhA retrtet 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 23 第五章 结构设计 5 1 设备外部结构 5 1 1 壳体结构 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 24 筒体按结构可分为单层式和组合式两大类 1 单层式筒体 单层筒体按制造方式又可分为单层卷焊式 整体锻造式 锻 焊式等几种 其中单层卷焊是目前用得最多的一种筒体形式 它的主要优点就是结 构简单 制造方便 2 整体锻焊式筒体的材料金相组织紧密 强度高 因而质量较好 特别适合 于焊接性能较差的高强度钢所制造的超高压容器 3 组合式筒体又包含多层包扎式 热套式 绕板式 整体多层包扎式和绕带 式 4 多层包扎式是目前世界上使用最为广泛 制造和使用经验最为丰富的组合 式圆筒结构 制造工艺简单 可靠性强 但是 制造工序多 周期长 效率低 钢 板材料利用率低的缺点 5 热套式圆筒除了具有多层包扎式的优点外还具有工序少和周期短等优点 但需要有较准确的过盈量 对卷筒的精度要求很高 且套合时需选配套合 6 绕板式和整体多层包扎式具有的特点与多层包扎式和热套式类似 综上所述 本次筒体结构形式采用单层卷焊式 5 1 2 封头结构 根据几何形状的不同 封头可分为球形 椭圆形 碟形 球冠行 锥壳 变径 段 紧口和平盖等几种 其中球形 椭圆形 碟形和球冠形封头又统称为突形封头 受内压的半球形封头 在均匀内压作用下 薄壁球形容器的薄膜应力为相同直 径圆筒的一半 故从受力分析上看 球形封头是理想的结构形式 但是缺点是深度 大 直径小时 整体冲压困难 大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大 半球形 封头常用在高压容器上 椭圆形封头 是由半个椭球面和短圆筒组成 由于封头废热椭球部分经线曲率 变化平滑连续 故应力分布比较均匀 且椭球形封头深度较半球形封头小得多 易 于冲压成型 是目前中 低压容器中应用较多的封头之一 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 25 碟形封头 是一个不连续曲面 在经线曲率半径突变的两个曲面连接处 由于 曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力 该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加 使 该部位的应力远远高于其他部位 故受力状况不佳 球冠形封头 碟形封头当 r 0 时 即成为球冠形封头 它是部分球面与圆筒直 接连接 因而结构简单 制造方便 常用作容器中两独立受压室的中间封头 也可 用作端盖 锥壳 由于结构不连续 锥壳的应力分布并不理想 但其特殊的结构形式有利 于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放 可作为不同直径圆筒的中间过渡段 在中 低压容器中使用较为普遍 综上所述 本次封头采用标准椭圆形封头其形状系数 K 1 查 化工容器及 设备简明设计手册 第二版 P324中有以内径为公称直径的碳素钢制封头在 DN 为 800mm 壁厚为 10mm 时封头的直边为 40mm 质量为 63 6kg 5 1 3 管箱结构 管箱位于管壳式换热器的两端 管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀的分 布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器 在多管程换热器中 管箱还起 改变流体流向的作用 管箱的结构形式主要是根据换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来 确定的 本次设计的换热器中 两流体分别为空气和水蒸气 从介质来讲属于比较 清洁的介质 对于管子的清洗要求不是很高 从各方面的条件考虑选用封头管箱结 构 管箱封头也采用标准椭圆形封头 5 1 4 接管设计 接管设计一般由以下几个要求 1 接管宜与壳体内表面平齐 2 接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置 3 设计温度高于或等于 300 时 应采用对焊法兰 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 26 4 对于不能利用接管进行放气和排液的换热器 应在管程和壳程的最高点设 置排气口 或在最低点设置排液口 其最小公称直径为 20mm 由于壳体内空气可由接管排出 故不设置排气孔 接管与法兰采用板式平焊法 兰 根据 化工容器及设备设计手册 第二版 表 23 5 1 规定 当接管公称直 径 70mm 500 时 mm 接管外伸长度为 150mm 5 1 5 法兰选用 1 法兰形式选择 法兰类型包括 板式平焊法兰 带颈平焊法兰 带颈对焊法兰 整体法兰 承 插焊法兰 螺纹法兰 对焊环松套法兰 平焊环松套法兰 法兰盖和衬里法兰盖 由于本次设计温度为常压 对法兰要求不是很高 且为了方便铸造 降低成本 故采用接管法兰采用板式平焊法兰 设备法兰选用甲型平焊法兰 根据 JB T4700 2000 表 6 规定 综合考虑后材料选用Q235A 板材 2 接管法兰尺寸 查 HG20592 2009 法兰标准表 8 2 规定 PN0 6Mp 钢管外径 A1 377mm 时 法兰外径 D 490mm 螺栓孔中心圆直径 K 445mm 螺栓孔直径 L 22mm 螺栓孔数量 n 12 个 螺纹 M20 法兰厚度 C 26mm 密封面 d 415mm f1 4mm f2 5 5 法兰内径 B1 381mm 法兰理论重量 11 9kg PN0 6Mp 钢管外径 A1 159mm 时 法兰外径 D 265mm 螺栓孔中心圆直径 K 225mm 螺栓孔直径 L 18mm 螺栓孔数量 n 8 个 螺纹 M16 法兰厚度 C 20mm 密封面 d 202mm f1 3mm f2 5 法兰内径 B1 161mm 法兰理论重量 5 14kg 具体尺寸位置如下图 5 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 27 图图 5 15 1 3 壳体法兰尺寸 查 JB T4700 4703 200 压力容器法兰标准表一规定 PN 0 25Mp DN 800 时 D 915 D1 880 D2 850 D3 840 D4 837 厚度 36mm 螺栓孔直径 d 18mm 螺栓孔数量 n 32 个 螺纹 M16 螺栓孔位分布如下图 5 2 图图 5 25 2 5 1 6 支座结构 采用换热器常用支座 鞍式支座 查 化工容器及设备设计简明手册 第二版 表 22 1 规定 符合壳体公称直径 800mm 的鞍式支座为 重型 B1 型 120 度包 角 焊制 双筋 带垫板 支座具体尺寸见下表 5 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 28 表表 5 15 1 鞍座材料一般为 Q235 A F 如需更换其他材料则选择与壳体材料相同 鞍座置 应尽可能靠近封头 即 A 应小于或等于 D0 4 且不宜大于 0 2L 当需要时最大不 得大于 0 25L 考虑到管箱长度 本次鞍座位置 A 取 872mm600 1200 1200 8 10 14 6 8 10 2 分程隔板板槽 板槽设计应符合以下规定 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 32 1 槽深不宜小于 4mm 2 宽度为 碳钢 12mm 3 板槽拐角处的倒角一般为 45 度 倒角宽度 b 近似等于分程垫片的圆角半径 R 如下图 5 6 图图 5 65 6 5 2 4 防冲挡板 根据 GB151 规定 当管程采用轴向入口接管或介质流速超过 3m s 时应设置防虫冲挡板 本次管程 流速为 2m s 故可以不设置防冲挡板 当壳程进口管非腐蚀单相流体的时应在壳程进口处设置防 2230 22 smkgv 冲挡板 本次壳程为空气 故不需要设置防 2 183540147 1 222 smkgv 冲挡板 5 2 5 管板设计 管板与壳体 管箱的连接方式 采用 a 型连接 管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接 如下图 5 7 图图 5 7 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 33 5 2 6 U 型换热管 1 U 型换热管规格 管子材料选择 20 号无缝碳钢管 级管束 根据 GB151 表 11 可得 5 225 U形管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径 常用换热管的最小弯曲 半径取 50mm 如下图5 8 m i n R 图图 5 85 8 2 U型管弯曲段弯曲前最小壁厚 最小壁厚按下式计算 5 2 01 1 4 d R 其中 d 25mm R 50mm 2 5mm 带入上式得 m i n R 1 圆整取为3 0mm 0 25 2 512 81 4 50 mm 符号规定 d 换热管外径 mm 换热管厚度 mm R 弯管段弯曲半径 mm 弯曲前换热管的最小壁厚 mm 0 直管段的计算厚度 mm 1 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 34 3 管子的排列型式 换热管的排列主要有以下图5 9四种方式 图图5 9 正三角形排列用得最普遍 因为管子间距都相等 所以在同一管板面积上可排 列最多的管子数 而且便于管板的划线与钻孔 但管间不易清洗 TEMA标准规定 壳程需用机械清洗时 不得采用三角形排列型式 在壳程需要机械清洗时 一般采用正方形排列 管间通道沿整个管束应该是连 续的 且要保证6mm的清洗通道 图中a和d两种排列方式 在折流板间距相同的情况下 其流通截面要比b c两 种的小 有利于提高流速 故更合理些 本次设计壳程为空气 不易结垢 故采用正三角形排列 4 换热管中心距 换热管的中心距宜不小于1 25倍的换热管外径 根据GB151 1999表12 取换热 管中心距为S 32mm 取分程隔板槽两侧相邻管中心距 44mm n S 5 布管限定圆 根据GB151规定 各尺寸由以下确定 符号 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 35 b 见下图5 10 其值按表5 5选取 4mm 见下图5 10 其值按表5 6选取 5mm 1 b 见下表5 7 14 5mm 2 b 2 1 5 n bb 固定管板式换热器或U型管式换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的 3 b 最短距离 见下图5 10 0 25d 0 25 25 6 25mm 一般不小于 3 b 8mm 取 10mm 3 b 垫片宽度 其值按表5 6选取 13mm n b 布管限定圆直径 mm L D7801028002 3 bDD iL 圆筒内直径 800mm i D 换热管外径 25mm d 图图 5 10 表表 5 5 Dib 3 1000 2600 4 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 36 表表 5 6 Dibnb1 700 103 700 135 表表 5 7 5 换热管的排列原则 换热管的排列应使整个管束完全对称 在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板间的距离规定的范围内 应全部 布满换热管 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆 其间距小于或等于700mm 拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中 心距地 0 5 1 5 范围内 3 多管程的各管程数应尽量相等 其相对误差应控制在10 以内 最大不得 超过20 5 3 各构件连接形式 5 3 1 压力容器连接形式分类 压力容器的焊接接头形式分为 A B C D 四类 如下图 5 11 换热器型式固定管板式 U 型管式浮头式 布管限定圆直径 D1D1 2b3D1 2 b1 b2 b 西南科技大学本科生毕业设计西南科技大学本科生毕业设计 37 圆筒部分的纵向接头 球形封头与圆筒连接的环向接头