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：过控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：设计条件单名称管程壳程物料名称循环水甲醇工作压力操作温度40 C70 C推荐钢材10, Q

2、235-A, 16MnR换热面积60 m2推荐管长=2532-39 m240-75 m76-135 m2m2. 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、3. 国家质量监督检验检疫总局，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.、尸、 亠前言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

4、量（或焓 ） 传递的装置。换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要 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着的经济效益。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。此外，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

5、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

6、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t < 50 C ,当t >50 C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

7、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。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

8、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(

9、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. 管板与壳体，管箱的连接213. 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、工艺条件名称管程壳程物料名称循环水甲醇工作压力操作温度40 °C70 C推荐钢材10, Q235 - A , 16MnR换热面积60 m 2管长管径© =25mm*2、计算(1) 管子数n选一的无缝钢管，材质20号钢，管长3m因为所 n F60306根d均L 314 0.025 2.5采用正三角

10、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,取拉杆数为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:=工：二二】o(3) 换热器壳体直径的确定式中.换热器内径，mmnc 正六角形对角线上的管子数，中心

11、排管数nc 23do最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取-mm故 Di 32 (23 1) 2 25mm 754 mm圆整后取壳体内径Di 800mm(4) 换热器壳体壁厚的计算材料选用Q345R计算壁厚式中.计算压力，取 Pc 1.1Pw 0.5MPa;故1.1 0.45 8001.32mm2 189 0.8 1.1 0.45因为打：汇宀一巳心：，所以取加“查HG/T20580-20581-2011化工设备手册腐蚀裕量 C2 2mm ,对Q345R钢板负偏差Ci 0.3mm。圆整后取n 6mm。(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/T 4746-2002标准，封头为D

12、N 800mm 6mm，曲面高度 hi 200mm,直边高度h2 25mm，材料选用Q345R(6) 容器法兰的选择材料选用20号钢。根据JB/T 4701-2000标准，选用 DN800PNOMPa的平封面甲型平焊法兰。DN=800mm D=930mmDi 890mm; D3 845mm； 40mm；图2-1换热器封头图2-2容器法兰*930(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=800m厚度为6mm由于壳层为

13、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h ? Di 600mm;4折流板间距取500mm查GB151-1999管壳式换热器表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/T 4712-2007，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

14、尺寸为：鞍式支座的结构参数(JB/)公称 直径/DN鞍 座 高 度底板腹板筋板垫板螺 栓 间 距hL3b3S3弧长800200720150101040012010940260665530(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。其补强结构如图所示。接管补强圈壳体图2-3开孔补强结构(12) 管子拉脱力计算计算数据按表1选取表1项目管子壳体操作压力/MPa材质20钢16MnR线膨胀系数/(1/ C)1L2 X 1011.2 X 10弹性模量/MPa许用应力/

15、MPa尺寸/mm管子根数管间距/mm管壳壁温差/r管子与管板的连接方式胀接长度/mm0.205 X10613018925 2.5 2500mm;45732At = 30强度胀接I =480.205 X106DN 800 6mm；在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力其中p 0.45AfPa，I =斗温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力其中由上述计算有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) 计算是否安装膨胀节管、壳壁温差所产生的轴向力 :压力作用于壳上的轴向力-_：其中Q =石(D =-扯船出 +-叫)3.1

16、4(8002 450 252) 0.05 450 202 0.45( N )；4(N)15298.08 79481.25压力作用于管子上的轴向力:则 s 皂上 66.67MPa;As根据GB 151-1999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

17、选取219 7 mm接管，对于DN70选取89 4 mm接管, 对于DN20选取25 2 mm接管。接管高度公称直径/mmDN 200DN80DN20接管咼度/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 圭寸，其公称直径分别为：对颈平焊钢制管法兰(摘自HG/T 20593-2009)公称直径管子直径连接尺寸法兰厚度法、兰法兰螺栓中螺栓螺栓孔螺纹DN外径D心圆直径K孔直径L数量nThC内径B120259065114M1014268089190150184M16189120021932028018

18、8M1622222（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=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2 2230kg/（m.s2），故不需防冲板。（17）.水压试验水压试验压力Pt 1.25PC 0.069MPa所选材料的屈服应力s 345MPa水压试验应力校核t pT（Di ：） 0.069（800站） 7.5MPa292 3.7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

19、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壁厚巾25X换热官最小伸出长度/11K/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

20、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士 2mm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

21、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. 折流板由于折流板很薄， 钻孔时钻头的推力使管板中心变形， 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 1

22、00%射线或超声检测， 按 JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于皿级，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w 25卩m6. 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1 3mm勺间隙。（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）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。四、个人总结为期两个星期的课程设计就要结束，这次设计的是固定管板