固定管板式换热器课设

1、江汉大学课题名称：固定管板式换热器设计系别：化学与环境工程学院专业：过121班学号：姓名：库勇智指导教师：杨继军时间：2016年元月课程设计任务书设计题目：固定管板式换热器设计一、设计目的：1 .实用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型的过程装备设计的全过程。2 .掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。3 .掌握软件强度设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确可靠,正确掌握计算机操作和专业软件的实用。4 .掌握图纸的计算机绘图。二、设计条件：设计条件单名称irw壳程物料名称循环水甲醇工作压力操作温度40c70c推荐钢材10,Q235-A,16MnR

2、换热面积60m2推荐管长=2532-39m240-75m276-135m22m2.53m管口表符号公称直径用途a200冷却水金口b200甲醇蒸汽进口c20放气口d70甲醇物料出口e20排净物f200冷却水出口三、设计要求：1 .换热器机械设计计算及整体结构设计2 .绘制固定管板式换热器装配图（一张一号图纸）3 .管长与壳体内径之比在3-20之间四、主要参考文献1 .国家质量监督检验检疫总局，GB150-2011压力容器，中国标准出版社，2011.2 .国家质量监督检验检疫总局，TSGR0004-2009«固定式压力容器安全技术监察规程，新华出版社，2009.3 .国家质量监督检验检疫

3、总局，GB151-1999管壳式换热器，中国标准出版社，1999.4 .天津大学化工原理教研室，化工原理上册，姚玉英主编，天津科学技术出版社，2012.5 .郑津样，董其伍，桑芝富主编，过程装备设计，化学工业出版社，2010.6 .赵惠清，蔡纪宁主编，化工制图，化学工业出版社，2008。7 .潘红良，郝俊文主编，过程装备机械设计，华东理工大学出版社，2006。.U.施林德尔主编，换热器设计手册第四卷，机械工业出版社，1989.换热设备是用于两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间热量（或始）传递的装置。换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防

4、等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。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，以满足工艺过程上的需要。止匕外，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。换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选

5、材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五类。固定管板式换热器固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力固定管板式换热器的特点是:1、旁路渗流较小；2、锻件使用较少，造价低；3、无内漏；4、传热面积比浮头式换热器大20%30%，固定管板式换热器的缺点是：1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差tw

6、50C,当tn50c时必须在壳体上设置膨胀节；2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。固定管板式换热器的机械设计除了最关键的换热板片以外，还有两块墙板，我们称为框架板和压力板，框架板为外侧不可活动的墙板，压力板为换热板片另一侧的可用拉杆螺栓调整位置的墙板；数根拉杆螺栓，用来加紧框架板和压力板；立柱；上下导杆，连接在框架板和立柱之间，用来支撑并给压力板和换热。半片导向；框架板和立柱上可安装底脚底脚，用于固定机器。除此以外，还可以有法兰，过滤器,温度计和压力计等一系列附件。固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接

7、。其优点是结构简单紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体与管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端结构等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设

8、计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，强度和工艺条件。目录一、设计计算1 .工艺条件:112 .计算(1) 管子数n.：.：11(2) 管间距的确定:12(3) 换热器壳体直径的确定:12(4) 换热器壳体壁厚的计算:12(5) 换热器封头选择:13(6) 容器法兰选择:13(7) 管板尺寸的确定:14(8) 管箱:14(9) 折流板设计.:14(10) 支座15(11) 开孔补强15(12) 管子脱拉力计算16(13) 是否安装膨胀节17(14) 接管、法兰18(15) 连接紧固件20(16) 防冲板:20(17) 水压试验20二、结构连接211 .换热管与管板的连接.：212 .管板

9、与壳体，管箱的连接2卜3 .管法兰与接管的连接22三、设备总装：23四、个人总结.26、设计计算1、工艺条件名称1TW壳程物料名称循环水甲醇工作压力操作温度40C70C推荐钢材10,Q235-A,16MnR换热面积60m2管长管径=25mm*2、计算(1)管子数n选25X2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长3m。因为F=jrd均Lji所n60306根d均L3.140.0252.5采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正

10、三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。由化工原理上册附录28查得中心排管为23,换热器内管子总根数为467,取拉本f数为10,所以实际管数457根管程分程，管程数取1层(2)管间距的确定由于换热管外径为25mm,化工原理上册附录28得管间距a=32mm。(3)换热器壳体直径的确定Dia(nc1)2do式中换热器内径，mm;nc正六角形对角线上的管子数，中心排管数nc23do最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取m二25mm。故Di32(231)225mm754mm圆整后取壳体内径Di800mm(4)换热器壳体壁厚的计算材料选用Q345R计算壁厚PcDi70P

11、c式中计算压力，取Pc 1.1Pw0.5MPa;Di800mm;0.8(单面焊局部无损检测)；70189MPa(壳壁温度取70摄氏度)；故1.10458001.32mm21890.81.10.45因为&右皿次=3mm,所以取m=事nm。查HG/T20580-20581-2011化工设备手册腐蚀裕量C22mm,对Q345R钢板负偏差C10.3mm。圆整后取n6mm。(5)换热器封头选择左右封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-200淅准，封头为DN800mm6mm,曲面高度h1200mm，直边高度h225mm,材料选用Q345R(6)容器法兰的选择材料选用20号钢。根据JB/T

12、4701-2000标准，选用DN800,PNC.6MPa的平封面甲型平焊法兰。DN=800mm;D=930mm;Di890mm;D3845mm;40mm;图2-1换热器封头(7)管板尺寸的确定选用固定式换热器管板型，并兼作法兰，材料选用16Mn锻件。直径D=930mm,厚度40mm,管板与筒体间的连接方法选用强度胀接。管板尺寸查GB151-1999,则管板管孔直径为。(8)管箱公称直径DN=800mm厚度为6mm由于壳层为甲醇，较清洁，可选结构为封头管箱，管箱筒节长l=400mm。(9)折流板设计折流板选用弓形，高度hDi600mm;4折流板间距取500mm;查GB151-1999管壳式换热器

13、表34得折流板最小厚度为6mm,折流板外径为即，查表39管孔直径为，材料为Q235-A钢。拉杆查GB151-1999管壳式换热器表43和44选用直径12mm；,数量8根，材料为Q235-A钢。(10)支座采用双鞍座，根据JB/T4712-2007鞍座DNBI800-S选用120度包角，L=2500mm,LB=1500mmA=500mm。鞍座材料选用Q235-A,垫板材料选用16MnR。查JB/鞍座的各部分尺寸为：鞍式支座的结构参数(JB/)公称直径/DN鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距11b112L3b353弧长b44el28002007201501010400120109402606655

14、30(11)开孔补强根据GB151-1999管壳式换热器换热器壳体和封头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同，即6mm厚的16MnR钢板。具补强结构如图所示。图2-3开孔补强结构(12)管子拉脱力计算计算数据按表1选取。1项目管子壳体操作压力/MPa材质20钢16MnR线膨胀系数/(1/C)11.2X10'611.2X10-6弹性模量/MPaC.205x10s0.2C5X106许用应力/MPa130189尺寸/mm252.52500mm;DN8006mm;管子根数457管间距/mm32管壳壁温差/CAt=30管子与管板的连接方式强度胀接胀接长度

15、/mm1=4B在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力pf7TM 25(其中f = C.S66Q37rl2d；=0.366X324°割=0.45MP盘,I=4mrn。,45x396ff_=：=O.C47MPa“3.14X25X48温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力先3：-”?!=.43其中E(ttts)11.20.2130t-a11.38MPa1 公6.2As由上述计算有22t(dodi)11.38(625400)|t-0.53MPa4dol42548由于管子和管板的连接采用强度胀接，管子的许用拉脱力远小于倍材料的许用应力。因此，拉脱力在许用范围内。(13)计算是否安

16、装膨胀节AsDtn3.14 812 6 15298.08mm;At-(do2di2)n314(252202)45780717.6mm;44管、壳壁温差所产生的轴向力后：FitAt11.3879481.25904547.9(N)0.9106(N);压力作用于壳上的轴向力西：QASf2=-2 4+At其中e=Tkp：薰却与+咻一吟产314222-(80045025)0.05450200.45(N);4=(N)则F277665.915298.0812535.8(N)0.12106(N)；15298.0879481.25压力作用于管子上的轴向力入：F3QAt0.62106(N)；AtAs贝UsF1F2

17、66.67MPa;AsF3Fit35.23MPa；At根据GB151-1999管壳式换热器的设计规定，在考虑热应力的情况下管子和壳体上的应力均小于3倍的许用应力，实际所求的应力均较小，满足设计要求，故本换热器不必安装膨胀节。(14)接管、法兰壳层接管在入口处加以扩大，做成喇叭形，起缓冲效果，或者在换热器进口处设置挡板。接管材料选用20号钢。根据设计条件管口公称直径，查HG/T20592钢制管法兰选用对劲平焊法兰，公称压力为。材料为20号钢。对于DN200选取2197mm接管，对于DN70选取894mm接管，对于DN20选取252mm接管。接管高度公称直径/mmDN200DN80DN20接管局度

18、/mm200150150根据化工设备机械基础，由于换热器的压力不高，而且流体无毒，所以选用对颈平焊法兰，材料选用20号钢，密封面型式选用突面密封，其公称直径分别为：对颈平焊钢制管法兰（摘自HG/T20593-2009公称直径DN管子直径Ai连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰外径D螺栓中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th20259065114M1014268089190150184M161891200219320280188M1622222(15)连接紧固件因为介质仅为水和甲醇，因此密封性要求一般，因为选择垫片采用价格相对较低的石棉橡胶板，螺母螺栓选用Q235-A。垫片尺寸D=844,d

19、=804。石棉橡胶板(16) 防冲板本课程设计的壳程流体为甲醇蒸汽，其22230kg/(m.s2),故不需防冲板。(17) .水压试验水压试验压力pT1.25PC0.069MPa所选材料的屈服应力s345MPa水压试验应力校核tPT(DiSe)0.069(8003Q7.5MPa2Se23.70.9s0.93450.8248.4MPa所以T 0.9 s,水压试验满足强度要求二、结构连接1 .换热管与管板的连接选用强度焊接连接。制造加工方便，保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接，目前采用较广泛。查GB151,可知其相接各部分的尺寸如下：换热管外伸长度换热管规格外径X壁厚4)25X换热管最

20、小伸出长度/ll32K/mm2 .管板与壳体及管箱的连接管板与壳体及管箱的连接3.管法兰与接管连接管法兰与接管采用内外焊接45°管法兰与接管焊接三、设备总装1. 换热管直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm,两管板间长度误差为±2

21、mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。2. 筒体换热器筒体的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外周长允许上偏差10mm;下偏差为0。3. .封头和管箱封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。4. 折流板钻孔时钻头的推力使管板中心

22、变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。5. 管板管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm,如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于m级，或超声检测中的I级为合格。换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值W25wm。6. 换热器安装1 .安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。2 .基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。3 .地脚螺栓和垫铁（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有13mm的间隙。（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。（3