《固定管板式煤油冷却器化工设备设计》8200字

III固定管板式煤油冷却器化工设备设计摘要在资源稀缺的当今世界，高效和有效地利用热量和冷量是很重要的，特别是在大多数加工厂。热交换器被广泛应用于工业和农业的各个方面，我们在日常生活中可以看到各种各样的热交换器，使其成为我们生产生活中不可或缺的一部分。随着人类社会的不断进步和技术革命的快速发展，我们的衣食住行都发生了巨大的变化。两次能源危机使"能源"一词成为焦点，引起了一些国家的关注。本项目设计的F300固定式管板煤油冷却器是一种广泛使用的化工设备，属于热交换器的一种。在对任务书进行详细分析和检索了相关的资料后，我首先进行的是结构设计与强度计算，如壳体、管箱法兰、接管尺寸、折流版、纵向隔、拉杆及定向管、支座的选择与布置。其次是否安装膨胀节。最后，我进行校准，如封头校准和管道拉出力校准。通过自己设计换热器的各种参数，收益颇丰，但不止是课本上关于换热器的相关知识，因为时间跨度比较大，需要自己去安排每天的任务，自己去自学，这无疑为自己以后的工作打下很好地基础。关键词：冷却器；强度计算；结构尺寸；膨胀节目录TOC\o"1-3"\h\u97951前言 4292491.1煤油冷却器的研究背景及分类 4165961.2管板式换热器及其发展的情况 4186622设计结构参数 5294372.1换热管尺寸参数的确定 553122.2确定管子的中心距 6231812.3选择壳体内径 698163确定换热器的结构并计算及抗压力 7204993.1壳体的设计 7157413.1.1选择材料 7162813.1.2相关参数计算 7316593.1.3校对筒体的强度 7235473.1.4试验筒体的水压 8108553.2管箱的垫片 8108133.3法兰 8322183.4管板的设计 931523.4.1管板的参数 9319913.4.2管箱E型的连接方式 10284423.5接管尺寸 21173703.5.1壳程接管尺寸 2176273.5.2接管位置 22149383.5.3管程接管尺寸 2232593.6设计管箱 23265853.6.1管箱尺寸 23164943.6.2封头尺寸 2358423.6.3前端管箱短节长度 24228913.6.4封头的强度校验 24199083.6.5封头水压试验 24215063.7折流板 2541863.7.1选型 25172253.7.2厚度 26130673.7.3间距 26186283.7.4数量 2673053.8拉杆 26221743.8.1结构形式 26275603.8.2拉杆的位置 26308123.9选择支座 27280883.9.1相关零件质量 28323653.9.2支座校核 29287664应力的计算 3228304.1管子拉脱力 3249674.2是否安装膨胀节 32131325膨胀节 34311976换热器主要结构尺寸和计算结果 356380参考文献 37

1前言1.1煤油冷却器的研究背景及分类随着世界各地能源危机的问题，世界各国都开始寻找新的能源替代方案，而煤油冷却器作为一种换热元件，在这样的时代背景下，因为时代的需求，这项技术也开始飞速发展。而换热器的种类繁多，且作用不尽相同，于是根据换热原理、作用、使用的条件、传热的方式便有了不同的分类。壁间式、蓄热式和混合式是按照原理和换热方式进行区分。按照传热种类可以分为无相变传热和有相变传热。根据它们材质的不同，也可以细分为非金属和金属。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管子清洗工艺简单，管程可分为多道工序，壳程也可分为双道工序，规格繁多，因此在技术上应用广泛。但壳体清洗是困难的。1.2管板式换热器及其发展的情况管板式换热器位于换热器发展时间轴的前端，最开始是应用在食品工业，而在随后的实践中开始在各行各业中应用。在能源危机的时代背景下，节约能源和找出新的能源替代方案是全世界所有势力面临的难题，换热器在一定程度上可以通过节约能源来缓解该问题，也如此它的需求正在上升，对热交换器的要求也在增加。因此，对热交换器的质量要求和标准也越来越严格。一些热交换器必须满足高压、高温和高腐蚀条件。压力需要达到25兆帕，温度在某些情况下可以达到700度以上。但在具体的运行中，还有很多难题没有攻克，随着我国工业的产业升级，我们对换热器的要求也水涨船高，行业对小型热交换器的需求也在持续增长，管板式换热器可以解决上述问题，具备发展前景。对其的不断迭代，在某些情况下会发生新的换热器被更好地使用。在某些领域，它甚至可以完全取代壳管式换热器。因为它们设计坚固，实用性强，可靠性高。由于这些优点，它们被广泛使用，在工业应用中仍占壳管式换热器的约70%，以及其固有的优势（耐高压、设计简单和易于清洗等）都有了明显的改善。

2设计结构参数表1换热器的结构参数壳程（进/出）管程（进/出）物料名称水煤油物料状态液/液液/液设计压力MPa1.151.35最高工作压力MPa1.51.6设计温度℃70170工作温度℃30/40140/40腐蚀余量mm10换热面积m2300换热管规格及管束级别φ25×2.5×2000；Ⅰ类程数22标准规范GB150-2011;GB151-20142.1换热管尺寸参数的确定换热管的材料多样，但是考虑到温度和操作压力等等，因此选用10号钢。选常用规格φ25×2.5的碳钢管。查GB151-2014[2]换热管长度有1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，4.5m，6.0m，7.5m，9.0m，12.0m，考虑换热面积和长径比等因素选择换热管长度为L=6m因为F=πd式中：F——为换热面积，㎡；L——为换热管长度，m；dm——为换热管平均直径，m；d所以：n综上所述，所以设计6个拉杆和708根换热管。2.2确定管子的中心距通过查表得换热管层数15层。标准管中心距S=32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn=44mm2.3选择壳体内径管程数为2,管板利用率的范围为：（0.7～0.85），η=0.75DN=1.05SDs=1.1m

3确定换热器的结构并计算及抗压力在设计计算换热器各参数之前，需要了解材料的选择与壳体的厚度。确定构件的连接方式，进行计算。根据任务书得，壳侧设计温度为70℃，壳侧设计压力为1.15MPa；管侧设计温度为170℃，管侧设计压力为1.35MPa。3.1壳体的设计3.1.1选择材料换热媒体为煤油，，考虑到经济因素和强度因素，煤油经济实惠，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定等特点，所有采用Q345R作为壳体制作材料3.1.2相关参数计算在工艺设计时，壳体公称直径：d=1100mm。设计压力：p=1.15MPa,设计温度：Ts=70℃；如果我们采用双面焊对接接头的方式去焊接可以保证百分百的无损害，所以焊接系数：φ=1δ=PcDδδ当厚度取整数的时候，更加契合开孔补强和结构需要，所以本次设计取10mm计算得：x=厚度为10mm，内径为1100mm，外径为1120mm。3.1.3校对筒体的强度假设最大允许工作压力下： Pw=2δe假设圆筒的计算应力下：σt=PcDi综上，强度合格3.1.4试验筒体的水压PT=1.25P该校核为σP131.22所以符合要求3.2管箱的垫片通过查表，选用非金属软垫片。图1非金属软垫片3.3法兰该管箱选用材料为16Mn的甲型平焊法兰，如下：图2凹凸密封面-法兰当公称直径为1100mm,表如下：表2管箱法兰参数DNDD1D2D3D4δd螺栓规格螺栓数量1100124011801155114111385522M20443.4管板的设计3.4.1管板的参数选用材料为Q345R，形式为管板兼法兰的管板。图3整体管板管板数据见下表：表3管板参数表DNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓规格螺栓数量bfb1100124011801155108711461100022M204264763.4.2管箱E型的连接方式管板与法兰连接的结构尺寸按的规定。采用E型方法，如图2所示图4管箱-e型(1)管板校核有关参数的确定换热管设计温度下的屈服强度σtt205MPa；换热管设计温度下弹性模量Et=210000MPa；换热管设计温度下许用应力[σ]tt121MPa;换热管设计温度下线性膨胀系数αt=11.12mm╱mm·℃;设计温度下壳体材料的弹性模量Es=201000MPa；壳体材料设计温度下的屈服强度σst214MPa;壳体材料设计温度下线性膨胀系数αs=10.76mm╱mm·℃;螺栓许用应力[σ]b=196MPa；设计温度下管板材料的弹性模量Ep=205000MPa；管板材料的许用应力[σ]pt189MPa;设计温度下管箱法兰材料的弹性模量Ef=181000MPa；换热管稳定许用应力回转半径i：i=0.25×do2换热管受压失稳当量长度lcr=1308.15mm系数：C[σ][σ]cr≤[σ]tt121MPa,合格壳程圆筒内直径横截面积A=π4D沿隔板槽一侧的排管根数N1=31根隔板槽两侧相邻管中心距Sn=44mm。A开孔后：Aλ=横截面积：As=π布管区面积：Aa=系数：β=当量直径：D内径之比：ρ凸缘宽度：b需要的螺柱面积A基本法兰力矩M法兰颈部大端厚度δ1=12mm法兰颈部小端厚度δ2=10mm管箱法兰厚度δf=55mmδ系数ω´´=0.00023旋转刚度参数K´´γ=0壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比Q=系数：Ε系数：Εμ=0.4η=0.4厚度δ=76mm管程腐蚀裕量2mm壳程腐蚀裕量2mm管板壳程侧焊接结构槽深3mmδδ´L=6000−2换热管加强系数K=图26得：系数ω´=0.00031K´旋转刚度参数K管束模数KK系数G2，按K和K_f9得G2=3.87系数G3，按K和Q得G3=0.04ψ=系数Mξ=ΔMΔM1、只有壳程设计压力Ps=1.15MPa,而管程设计压力pt=0,不考虑膨胀变形差Ps=1.15MPaPt=0MPaγ=0βγEt=0当量压力组合P有效压力组合PMM´=Mυ=ψM´=18.02管板总弯矩系数m=系数fre=-0.57系数fri,查GB151-2014[2]，得0.73系数fτ管板布管区周边剪切应力系数τσ管板布管区周边处径向应力系数σ´管板径向应力σσττ壳体法兰应力σσ壳程圆筒轴向应力σσ换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）σσ换热管与管板的焊接高度按GB151-2014[2]中的5.8.3.2的规定，l=换热管与管板连接的拉脱力q=q≤0.52、换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差：γ=βγE当量压力组合P有效压力组合PMM´=M管板边缘剪切系数υ=ψM´=18.02管板总弯矩系数m=系数fre=-0.57系数fri,查GB151-2014[2]图31实线，得0.73系数f管板布管区周边剪切应力系数τ管板径向应力系数σ管板布管区周边处径向应力系数σ´壳体法兰力矩系数管板径向应力σσ合格管板布管区周边处径向应力σ´σ´管板布管区周边剪切应力ττ壳体法兰应力σσ壳程圆筒轴向应力σσ换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）σσ换热管与管板的焊接高度按GB151-2014[2]中的5.8.3.2的规定，l=换热管与管板连接的拉脱力q=q≤0.53、Ps=0MPaPt=1.35MPaγ=0βγEt=0P有效压力组合PMM´=管板边缘力矩系数Mυ=ψM´=18.02管板总弯矩系数m=系数fre=-0.57系数fri,，得0.73系数f管板布管区周边剪切应力系数τ管板布管区周边剪切应力系数τ管板径向应力系数σ管板布管区周边处径向应力系数σ´壳体法兰力矩系数管板径向应力σσ管板布管区周边处径向应力σ´σ´管板布管区周边剪切应力ττ壳体法兰应力σσ壳程圆筒轴向应力σσ换热管轴向应力σσ换热管与管板连接的拉脱力q=q≤0.5合格4、考虑壳程设计压力Ps=1.15MPa,管程设计压力pt=1.35MPa,不考虑膨胀变形差Ps=1.15MPaPt=1.35MPaγ=0βγEt=0P有效压力组合PMM´=M管板边缘剪切系数υ=ψM´=18.02管板总弯矩系数m=系数fre=-0.57系数fri,查GB151-2014[2]系数f管板布管区周边剪切应力系数ττ管板径向应力系数σ管板布管区周边处径向应力系数σ´壳体法兰力矩系数管板径向应力σσ合格管板布管区周边处径向应力σ´σ´管板布管区周边剪切应力ττ壳体法兰应力σσ壳程圆筒轴向应力σσ换热管轴向应力σσ换热管与管板的焊接高度按GB151-2014[2]中的5.8.3.2的规定，l=换热管与管板连接的拉脱力q=q≤0.53.5接管尺寸3.5.1壳程接管尺寸表4壳程接管及法兰尺寸参数名称公称直径DN管子外径A法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰内径B壳程接管及法兰10148060144121418②壳程接管外伸高度查表1.66壳程接管外伸高度，当DN=10，δ=0～50，l3=150mm3.5.2接管位置L式中C——C≥4S(S为壳体厚度)，且≥30；图5壳程接管位置3.5.3管程接管尺寸查表1.66管程接管外伸高度，当DN=10，δ=0～50，l4=150mm1)管程接管位置如下图，管程接管位置的最小尺寸可由下列公式计算：L式中C——C≥4S(S为壳体厚度)，且≥30；图6管程接管位置3.6设计管箱3.6.1管箱尺寸计算厚度：δ=设计厚度：δ名义厚度：δ综合考虑，厚度取10mm有效厚度：δ3.6.2封头尺寸δδδ综合取整为10mm有效厚度：δ图7椭圆形封头EHA表5封头参数公称直径为(mm)H(mm)h(mm)δn(mm)110030025103.6.3前端管箱短节长度LLL3.6.4封头的强度校验根据式（3）得：P根据式（4）得：σσ根据上列所算得出：σ所以封头的强度校验合格3.6.5封头水压试验椭圆形封头计算厚度为：δ=形状系数为：K=水压试验压力：P最大工作压力为：P压力试验：σ136.79<0.9×φ×Rel,故水压试验满足要求3.7折流板在这里选用上下缺口排列，材料选用Q235R图8折流板开口方式3.7.1选型缺口高度为：ℎ=圆心角：θ=3.7.2厚度折流板厚度，查GB151-2014[2]表6-21，t=16mm；3.7.3间距暂取折流板间距为0.33m。3.7.4数量N综合考虑个数取为：16块折流板上管孔直径，由GB151-2014[2]，查得25.5mm；，Db据相关规定，得Db=1094mm,直径允许偏差（0--0.8）mm；3.8拉杆3.8.1结构形式此设计选用螺纹连接，示意图如下：图9拉杆定距管结构3.8.2拉杆的位置选取6根直径为Φ16材料为Q235R的拉杆，一边用螺纹连接，另一边用用螺母固，详细情况见下图。图10拉杆的连接尺寸表6拉杆参数拉杆直径拉杆螺纹公称直径LaLhb1616226023.9选择支座选用d=1100mm材料为Q235A的鞍式支座。图11鞍式支座示意图两者之间的距离LB=（0.5～0.7）×L=4200mm表7鞍式支座参数公称直径DN允许载荷Q鞍座高度h底板l1b1δ1腹板δ2筋板l3b2δ3垫板弧长b4,δ4el211003102008201701210185140812903508706603.9.1相关零件质量L´=L①管板质量：左管板质量为：m管板质量为：m②管箱法兰质量mm③圆筒质量：m④封头质量：mmm⑥换热管质量：m⑦其他附件（如保温层、支座、法兰、接管、浮头盖）支座质量：mm圆筒体积：V封头体积：VVV总体积为：V充液重量：m总重量：m水压试验时单位长度载荷：Q=3.9.2支座校核①筒体轴向应力验算筒体长为：L´=L鞍座截面处的弯矩：M圆筒跨中截面处的弯矩：M②筒体轴向应力由上可知，所以可以不考虑鞍座处的“偏塌”现象，因此只计算跨中截面的轴向应力即可。跨中截面最高点的最大压应力：σ操作状态下，筒体最低点处有最大拉应力为σ操作状态下，筒体最低点处有最大拉应力：查表6-3-2，K1=0.102,K2=0.163故：σ装满液体来加压时，筒体鞍座截面最低点处最大压应力为：σ材料的轴向许用压缩应力为：A=故σ3<[σ]t120,σ4<[σ]cr=235,筒体轴向弯曲应力满足强度条件稳定性条件。③鞍座处筒体切向剪应力计算与校核筒体未被端盖加强（A>0.5Ri）,查表6-3-3得K3=0.88故最大剪应力计算τ校核：6.03<0.8[σ]^t=0.8×120所以满足强度要求。④鞍座处筒体周向应力验算1)筒体最低点的轴向应力：查得K5=0.76，则筒体有效宽度：bσσ查得K6=0.053，则σσ查得K7=0.034，则σ´σ´所以：筒体周向应力满足强度及稳定性要求符合设计要求。已上校核均满足要求，所选鞍座合理

4应力的计算4.1管子拉脱力①在一定温度下，管子周边所受到的力： qp=pfπdol f=0.866×a2q②由温差应力引起的管子每平米胀接周边上所受到的力：qt=σt σtAA式中：n——换热管根数；σq由现有情况可知：q=4.2是否安装膨胀节轴向力F1：F轴向力F2：F其中：Q=则：F轴向力F3：F壳体轴向合成力：σσσ因校核不符合要求，需设置膨胀节。

5膨胀节5.1膨胀节的设计设计温度：t=50℃直边段外径Do´=1220mm波纹管波高h=150mm波纹管一个波的波长W=NaNmm波纹管一层材料的名义厚度S=10mm一个波的轴向位移e1=3mm波纹管长度L=230mm波纹管波的长度l=n×W=1×230=230.00mmC1=0.25mmC2=1mmC3=S×0.1=10×0.1=1.00mmC=C1+C2+C3=0.25+1+1=2.25许用应力[σ]^t=375MPa设计温度下的弹性模数Ebt195000室温下的弹性模数Eb=195000