固定管板式换热器的设计

固定管板式换热器的设计 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 第一章 绪论 1.1 化工设备简介 化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基[1]础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分。然而在化工设备中化工容器占据着举足轻重的地位，由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器一般有筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组成，通常为压力容器，因为压力容器是化工设备的主体，对其化工生产过程极其重要，国家对其每一步都有具的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 对其进行 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，如:中国《压力容器安全技术监察规程》、GB150—1998《钢制压力容器》、GB151—1999《管壳式换热器》等。在其中能根据不通的操作环境选出不同的材料，查出计其允 [2]许的工作压力，工作温度等。 1.2 换热器概述 换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能 [3]的有效装置。 1.2.1 管壳式换热器的分类 根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U型管 [4] 式、填料函式、滑动管板式、双管式等。 1)固定管板式换热器 固定管板式换热器的典型结构如下图所示。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，管子损坏时易于堵塞或更换;缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。这种换热器适用于壳测介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳 [5]测压力不高的场合。 固定管板式换热器结构图 2)浮头式换热器 浮头式换热器的典型结构如下图所示。两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组 1 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而 [6]不会产生热应力。 浮头换热器的特点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力;但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗大，且浮头端小盖在操作中无法检验，制造时对密封要求较高。适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。 浮头式换热器结构图 3)U形管换热器 U形管式换热器的典型结构如下图所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一根管板上管子可自由 [7]伸伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。 U形管换热器结构图 由于弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而且坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。 U形管结构比较简单、价格便宜、承压能力强、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 4)填料函式换热器 填料函式换热器的典型结构如下图所示。这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可自由伸缩，壳壁与管壁不会产生热变形差，从而避免可热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出 [8]你，管内，管间都能清洗，维修方便。 2 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 填料函式换热器结构图 1.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力 [9] 的能力。 (1)管板:管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。 (2)管子与管板的连接:管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。既要满足其密封性能，又要有足够的抗拉强度。其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、[10]胀焊结合等。 (3)管箱:其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内 [11]流体汇集在一起送出换热器。 (4)折流板和支承板:壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组 壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果，以达到一定的传热强度。常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为[12]单弓形、双弓形和三弓形。 (5)拉杆和定距管:折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固 在一起。拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或 [13] 螺纹固定。一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根。 (6)管板与壳体的连接:其连接型式可分为不可拆式和可拆式。 1.3 换热器相关技术研究内容及发展动向 随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断 [14] 。发展 目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。 目前，管壳式换热器强化传热 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 主要有:采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面;用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流;将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能;将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加， 3 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力;改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。 换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面:防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。 随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器 [15]将朝着更高效、经济、环保的方向发展。 1.4 本课题的研究内容及意义 本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算[16]。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。 近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量;也可以是以回收热量为目的，用于余热利用;也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压 [17]力升高造成某些设备被破坏。 4 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 第二章 固定管板式式换热器的结构设计 本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。 一般换热器的设计程序如下: (1)根据生产任务和有关要求确定 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ; (2)确定换热器类型和主要结构; (3)根据换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸; (4)核算换热器的传热能力及流动阻力; (5)确定换热器的工艺结构，形成工艺简图。 2.1 设计参数 换热器的设计参数如表2.1所示。 表2.1 设计参数 Tab. 2.1 Design Parameters T介质 循环水 氯乙烷 工作温度(进出25/ 50 130/55 口)/? 工作压力(绝0.7 1.5 压) 流量(Kg/s) 自己确定，可取(5~30)之间一值 2.2 换热器热工设计 由于氯乙烷是有毒介质，循环水是较为洁净介质，所以选择氯乙烷走管程而循环水走壳程较为合理。 2.2.1 管程流体氯乙烷的定性温度与物性参数 (1)氯乙烷的的定性温度:Tm=(T+T)/2=92.5? 12 选择氯乙烷的质量流量:w=5?/ h (2)定性温度与物性参数的选择与计算 根据《化学化工物性数据手册有机卷》查得: 3 ,氯乙烷在92.5?下，其液体密度=758?/m h ,，氯乙烷在362.5K下，其粘度=1.2610-5 Pa?s (P125) h0氯乙烷在92.5?下，其比热容C=8.006932 KJ/(kg ?C) (P167) ph0氯乙烷在92.5?下，其热导率=0.09079 W/(m? C) (P176) ,h ,根据公式P=C? /得: ,rhphhh ，，普朗特数P=8.0069321.25610-5/0.09079=0.0011 rh (3)物料与热量衡算 ,, 负荷Q=w?C (T-T)(换热效率一般取=0.98) hph12 ，，， =58.006932750.98 =2940? (4)确定换热器流程形式，计算换热器的有效平均温度差?t。管壳式换热m器主要有逆流式、并流式、错流式几种。在逆流式换热器中两种流体以相反方 5 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 向流动从热力学角度考虑这种优于其它任何一种，传热效率较高，因此选择逆 流的方式进行换热。 00逆流时:热流体温度 T 130C?55C 00冷流体温度 t 25C?50C 00 两端温度差 ?t 105C?5C 逆流对数平均温差:?t=(?t-?t)/ ln(?t/?t) mr12120000 =(105C -5C)/ ln(105C /5C) 0 =32.8C 流程形式:1流程—2管程 参数:R=(T-T)/(t-t)=75/25=3 1212 P=(t-t)/(T-T)=25/75=0.33 1212 查《过程装备成套技术设计指南》得:=1 , 0有效平均温度?t=??t=32.8C ,mmr (5)出算传热面积 20根据《过程装备成套技术设计指南》初选传热系数K=300 W/(m? C) 032，，传热面积A=Q/K?t=294010/30032.8=321.44m 00m (6)换热结构设计 选择换热管材料:选择材质为20钢，换热管长为9m,,25×2.5的无缝钢 管，管程压降的结垢修正系数F=1.4,换热管内外径分别为:d=20?,d=25ii ?。 ，， 换热管管数n= A/dL=321.44/3.140.0259=454.7根 ,0 根据《化工设备机械基础》 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中，查表7-3，确定其管束为517根，其正六角 形对角线上的管子数b=25根 根据流体流速范围选定管程数为N=2 t 按接管内流速<3m/s合理选取管程进出口接管尺寸(外径×壁厚): d×s=,100×4 jtjt 换热管排列方式:选择正三角形排列方式 查表7-4得换热管中心距:a=32? ，517管束中心排管束:n=1.1+6=32根 c ， 换热器壳体内径的确定:D=a(b-1)+2L i 式中:L-最外层管子中心到壳壁边缘的距离，取L=2d=2×25=50? 0可得:D=0.032×(25-1)+2×0.05=868? i 取壳体直径D=1000? i 换热器长径比L/ D=9000/1000=9,在卧式换热器长径比6—10范围内，所以选i 择的换热器符合要求。 折流板的形式:选择单弓形折流板 按GB151-1999查得折流板外径D=0.94m b 折流板缺口弦高h=0.20D=0.2m/s i 折流板间距B=(0.2-1) D=0.5m i 折流板数N=L/B-1=9/0.5-1=17 b 2.2.2 壳循环水温度与物性参数 0(1)循环水的定性温度:t=(t+t)/2=37.5C m12 (2)定性温度与物性参数的选择与计算 根据《化学化工物性数据手册无卷》查得: 6 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 03,循环水在37.5C下:其密度=973.7?/m c -2, 其粘度=6.56×10 Pa?s c0 其比热容C=4.178 KJ/(kg ?C) pc0 其热导率=0.623 W/(m? C) ,c ,/ 得: 根据公式P=C,rhpccc -2普朗特数P=4.178×6.56×10/0.623=0.0043 rc 根据公式:Q= wC(t-t) 得: cpc12 w=Q/ C(t-t)=2940/4.178×(50-25)=15.9kg/s cpc12 2.2.3 管程的传热与压降 22,管程流速:u=w/(nd/4)=5/8×517×(0.02)×/4?N=0.08m/s ,,hhhit ,，,管程雷诺数:R=d?u?/=0.02×0.0×8758/1.2610-5=97024 eihhh 0-5,假定换热管壁温t′=70C，在其温度下的粘度=1.12×10Pa?s wn0.8管程流体给热系数a=0.032(/d)RP (流体被加热取n=0.4) ,ihierh0.4 =0.032×(0.09079/0.02) ×97024×0.0011 =662.2 管程进出口流速: ,5hu= ,,0.5m/sNt2,758，0.785，(0.1,0.004)2(d,s),hjtjt4 根据《过程装备成套技术设计指南》图4-3查得管程摩擦因子f=0.005 i 管内摩擦压降: Lu,,NhhT,P,4fN，，，()fitd2,iw 2,59758，0.081.265，10,4，0.005，2，，，() ,50.0221.12，10 ,3692.3Pa 回弯压降: 224Nu,4，2，758，0.08thh,P,,,620.95Pa r22 进出口局部压降: 221.5,Nu1.5，2，758，0.08hth,P,,,232.85Pa Nt22 管程压降: ,P,(,P，,P)F，,P,(3692.5，620.95)，1.4，931.4,6900.045 Pa tfrNti ,,,P 管程最大允许压降:=35000Pa t ,P，,,,P 校核管程压降:因为，所以管程压力合理。 tt 2.2.4 壳程的传热与压降 壳程当量直径: ,,,,,,332222,,,,4，a,d4，，0.032,，0.025,,,,2424,,,,D,,,0.065m e,,d，0.025 7 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 横过管束的流通截面积: B0.52 ，，，，A,DS-d，,1，0.032,0.025，,0.1miSS0.032 壳程流体流速: ,15.9cu,,,0.2m/s c,A973，0.1cS ,Du0.065，0.2，973.7ecR,,,19295.88 壳程雷诺数: e,3,0.656，10 壳程流体给热系数: 0.141,,,,,,0.55c3,,,,a,0.36，RPr 0e,,,,,Dew,,,, 1,5,,0.63121.265，10,,0.553,,,0.36，，19295.88，0.0043，,,,5,, 0.0651.12，10,,,, ,516 折流板圆缺部分的换热管数按圆弧比计入n=20，根据《过程装备成套技术w设计指南》，查得:h/D=0.2/1=0.2时的,值为0.112 i 折流板圆缺部分流通面积: ,,22222 A,D,nd,0.112，1,20，，0.025,0.102m,biw44 折流板圆缺区流体流速: ,15.9cu,,,0.16m/s b,A973.7，102cb 圆缺区平均流速: u,uu,0.2，0.16,0.18m/s mcb 壳程出口流速: ,15.9c u,,,1.33m/sNs,,22，，，，d,2s973.7，，0.1,2，0.004,cjsjs44 根据《过程装备成套技术设计指南》，查4-4图得:壳程摩擦 f=0.14 0 折流板间错流管束压降: 2Du,1937，0.2icc，，，，,P,4fN，1,4，0.14，，，17，1,15099.84PabC0D20.0652e 圆缺部分压降: 2u,973.7，0.18cm,1095.4Pa P,,,b22，0.122c0 进出口局部压降: 221.5uN,1.5，973.7，0.2，17cct,P,,,510 Pa Ns22 ,P,,P，,P，,P,15099.84，1095.4，510,16705.25 壳程压降:Pa scbNs 根据《过程装备成套技术设计指南》，查得:壳程最大允许压 8 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 降:=35000Pa 校核壳程压降:因为，所以管程压力合理。 ,,,,,P,P，,Psss 2.2.5 总传热系数 根据《过程装备成套技术设计指南》表4-5污垢热阻的参数查得:管内污垢-520-520热阻r=17.2×10 W/(m? C)，管内污垢热阻r=17.2×10 m?C/W, dido20查得换热管材料导热系数=51.8 m?C/W ,w 管壁热阻: 0.0250.025dd20,5==? m?C/W ln()(),5.3，10rw,,ww,2，51.822d0.025,2，0.0025 总传热系数: ,,,,,,A11110,,,,,, rrr,，，，，dwd0i,,,,,,a,aAKii,0,,,,, 111，0.025,nL,,,,,,,5,5,5,，17.2，10，5.3，10，，17.2，10,,,,,, 5610.98662.2，0.02,nL,,,,,, ,0.003167 所以可求得总传热系数K=315.66,在(1.1,1.2)K范围之内，初选传热系数K00符合要求。 9 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 第三章 固定管板式式换热器的强度计算 本章节主要对固定管板式换热器进行机械设计的计算，其机械设计内容及步骤如下: (1)壳体直径的确定和壳体厚度计算; (2)换热器封头、管箱的选择，压力容器法兰的选择; 3)管板尺寸的确定; ( (4)折流板的选择与计算; (5)管子拉脱力的计算; 此外，还考虑接管、接管法兰的选择及开孔补强等。 3.1 换热器主要零部件的强度计算 3.1.1 换热器壳体壁厚计算 (1)选择钢材:根据已知条件，管程走有毒介质，壳程走清洁介质，故选定Q235R钢材作为壳体材料。 (2)确定各设计参数:根据《化工设备》表2-5查得，取设计温度 ,-8，Q345R在t=1500C时的许用应力「」t=170MP;按表2-t=1500C;按表2 10，面对接焊采用双，局部无损探伤，焊接接头系数,=0.85;按表2-11,钢板厚度负偏差C1=0.8?(假设其钢板名义厚度为6-10?)，取腐蚀裕量C2=1?，厚度附加量C= C1+ C2=1.8?;由P起=(1.05-1.1)Pw, Pw=1.5MP,可得:P起=1.1×1.5=1.65MP=P=Pc (3)计算壁厚: PDci1.65，1000,t = ,5.74mm,2[,],,Pc2，170，0.85,1.65 ,,,，C，C,5.74，1.8,7.54mm有效厚度 n12 按钢板厚度规格向上圆整后，取壳体名义厚度为8mm,此值在初始假设厚度 ,,8mm范围，故得 n 3.1.2 换热器封头的壁厚计算 由于D/2h=2时，椭圆形封头的应力分布较好，且封头的壁厚与相连的筒ii 体厚度大致相等，便于焊接，经济，合理，所以选择标准椭圆形封头，其形状系数K=1.0。 KPD1.0，1.65，1000ci由公式得: δ,,,5.72mmt2，170，0.85-0.5，1.652[σ[φ,0.5Pc ,,,，C,5.72，1.8,7.52mm有效壁厚: n ,,8mmn按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度 根据JB/T4737-2002标准，标准椭圆形封头为DN1000×8,曲面高度h1=250mm,直边高度h2=25mm,如图1-1所示，材料选用20R钢。 椭圆形封头直边高度h的选用 封头材料 碳素钢、普通低合金钢、复合钢板 不锈钢、耐酸钢 封头厚度4,8 10,18 ?20 3,9 10,18 ?20 ,n 直边高度h 25 40 50 25 40 50 10 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 图1-1 标准椭圆形封头结构 3.1.3 压力试验及其强度校核 根据公式确定水压试验压力: ,P,1.25P,1.25，1.65，1,2.065MP Tt,,, 再根据公式校核壳体强度: ,(P，P)(D，)TLie,,,0.9,(,) Ts0.22,e ,,345钢板在试验压力下的屈服极限MPa s 可计算出: ,P(D，),,，，2.056，1000，8,2Tie,,,,148.5MPa T，，,22，8,2e ，，0.9,,,0.9，0.85，345,236.925MPa s0.2 ,,0.9,由于,所以液压试验时壳体强度满足要求。 TS 3.1.4 换热器压力容器法兰的选择与计算 ,(1)由壳体的设计压力P=1.65MPa,按照设计压力公称压力的原则, 就进确定法兰公称压力为1.7MP,为保证安全，所以就进提高一个公称压力等级，暂定法兰公称压力为2.5MPa。 (2)根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径，可得法兰的公称直径DN=1000mm,同时由设计温度t=1500C和以上的初定的公称压 PN=2.5MPa,根据《化工设备》查4-1表确定选取长颈对焊法兰。 (3)根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为Q345R，并根据t=1500C和PN=2.5MP,根据《过程装备成套技术设计指南》表2-8，查得其最大允许工作压力为2.5MP。 (4)由于2.5MP>1.65MP即法兰最大允许工作压力大于设计压力，所以选择公称直径DN=1000mm，公称压力PN=2.5MP,材料为Q345R的长颈对焊法兰。 (5)由于工作介质有毒，所以选择凹凸密封面，根据《化工设备》 4-9表确定垫片为石棉橡胶板，螺柱材料为40MnB,螺柱材料为45号钢。如图2-2所示: 11 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 图3-2 容器法兰(图面形式) (6)压力容器法兰标记为:法兰-FM1000-2.5 JB/T 4703-2000 3.1.5 选择换热器支座并核算承载能力 卧式换热器选用鞍式支座(JB/T4712-1992)按照壳体公称直径DN=1000选用A型(轻型)带加强垫板的鞍座一对(其中F型和S型各一个)，支座高度H=200mm，标记为: JB/T4712-1992鞍座A1000-F JB/T4712-1992鞍座A1000-S 壳体总重包括筒体内的料重、水压试验的水重、筒体、封头、换热管重量和附件的重量。 根据《化工设备概论课程设计指导书》查附录1,可查得:公称直径的3DN=1000mm的筒体每立方米的容积V=0.785m;查附录2，可查得:公称直径为T31000mm的椭圆形封头的容积V=0.163 m。 f3由上换热器的容积为:V=V+V=0.785×8.578+0.163×2=6.9985 m Tf 水压试验是筒体内的水重W=1000? 1 查附录1，可查得:公称直径DN=1000mm,壁厚=8mm的筒体每立方长的重,n 量为199?;查附录3,可查得:封头的重量为74.1?。可算出壳体重量为:W=199×8.5+74.1×2=1839.7? 2 由附表10，可查得:人孔的重量为210?，估计其他附件的重量为800?，故总计附件的重量为W=1010?。 3 换热器的总重量W=W+W+W=1000+1839.7+1010=3909.7?,其总重Q为总I23 390.97KN。 根据《化工设备机械基础》由表13-4，可查得:鞍座的允许载荷,,Q=307KN>Q/2,所以鞍座的承载能力足够。 综上所诉所选择的鞍座的标记为: ,JB/T 4712-1992,鞍座 BV1000-F,h=200mm,=6mm 4 表3-3 鞍座结构尺寸 公允螺鞍腹鞍底板 筋板 垫板 称许栓座板 座直载间质高l,,bb,径 荷 距 量elb, b 1122443331度lDN Q/K /K 2h N g 100307 20761718 1714188 278 56057 0 0 0 0 2 0 0 0 0 5 0 12 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 图3-3 鞍式支座主视结构 3.1.6 管板的选择与尺寸计算 换热器管板的计算十分复杂，一般均采用计算机计算。为了计算方便，也可由工具书查得选用管板尺寸。由壳程工作压力为0.7,可算管程的设计压力Ps=1.1Pw=1.65MPa(取管板的公称压力为2.5MPa)的碳钢管板。 根据《固定管板式换热器的结构设计》表1-6-9，可查得:在公称直径DN=1000mm,壳程公称压力Ps=1.0MPa=Pt下的管板尺寸如下表所示: 表3-4 管板尺寸 Ps Pt 规数备DN D D D D D D db b 123452 fMPa MPa 格 量 注 2.5 2.5 1000 1195 1140 1098 1000 1085 1000 30 M27 36 56 70 图3-4 固定管板结构简图 3.1.7 膨胀节的选用与计算 固定管板式换热器在换热过程中，管束与壳体有一定的温差存在，而管板、管束与壳体是刚性连接在一起，当温差达到某一个温度直时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲，需设置补偿装置，如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。 膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、形膨胀节等。而, 在生产实践中，应用最多的，最普遍的是波形膨胀节。 由于管束与壳体温差大于50?，产生的温差应力过大应设置膨胀节，消除 13 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 温差应力。 表3-7 ZX形波形膨胀节尺寸 公称压力PN=2.5Mpa 单层厚度单波最大位移单波轴向刚层数m 单波重量G/Kg S/mm 量e/mm 度K/(N/mm) 11 1 4.5 2.1 75998.6 12.5 公圆直 称波弧边 直波根外径高半长膨胀节长度平均截面积材料 2径D/mm h/m径度 L/mm A/cm0 DN/m R/mL/4 mm m mm D，h20100DN+2mS=114.n(4R+2mS)+)=00Gr19Ni0.785(60 30 100 009 25 4L=73 14Mo2 48970.7 图3-5 波形膨胀节结构图 3.1.8 折流板的设计与计算 折流板设计为弓形，h=3/4×1000=750mm,折流板间距取400mm;根据《化工设备机械设计基础》表7-6查得:折流板最小厚度为6mm;由表7-8查得:折流板外径为995.5mm,折流板开口直径根据《钢制换热器设计规定》可查得25.8mm,最大正偏差为0.4mm,负偏差为0，材料为Q235A,如图3-5所示: 14 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 图3-5 折流板 根据《化工设备机械设计基础》查表16-15得:折流板的最小厚度为8mm 3.1.9 接管的选择与计算 (1)管程接管的选择与计算:根据其设计压力为1.65MPa,材料为20 号钢，设计温度为150?下的许用应力为130 MPa， 可计算得: p1.65S.,1000，,1000，,12.6chx ,,,130 根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.20系列的管子由于接管内流速<3m/s，可选用公称直径DN100,壁厚为4mm的管子。 根据《固定管板式换热器的结构设计》表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm (2)壳程接管的选择与计算:根据其设计压力为0.77 MPa，材料为20号钢, 设计温度为70?下的许用应力为130 MPa，则可计算得: 0.77pS.,1000，,1000，,5.9chx ,,,130 根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列的管子，由于接管内流速<3m/s，可选用公称直径DN125,壁厚为4.5mm的管子。 根据《固定管板式换热器的结构设计》表1-6-6查得管子的外伸长度为200mm。 3.1.10 接管法兰的选择与计算 1、管程接管法兰的选择与计算:,100×4接管法兰 (1)根据管法兰的公称直径就是与管法兰相连的接管公称尺寸确定,100×4 15 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 接管法兰的公称直径DN= 100mm。 (2)根据介质特性，设计温度t=150?和接管材料，选定接管法兰材料为20 钢。 (3)根据管法兰的材质和t=150?，按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则，根据《化工设备机械基础》查表10-29(D)最高无冲击工作压力得:管法兰的公称压力为2.5MPa。 (4)根据PN=2.5 MPa和DN=100mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为带颈平焊突面密封面;查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片，由表4-15和表4-16，螺栓为A2-50、螺母为I型六角螺母。 (5)PN=1.0 MPa和DN=120mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。管法兰标记:HG20593-1997 法兰 PL120-1.0 RF 20 2、壳程接管法兰的选择与计算:,125×4.5接管法兰 (1)根据管法兰的公称直径就是与管法兰相连接的接管公称尺寸确定,125×4.5接管法兰的公称直径DN=120mm。 (2)根据介质特性，设计温度t=70?和接管材料，选定接管法兰材料为20钢。 (3)根据管法兰的材质和t=70?，按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则，根据《化工设备机械基础》查表10-29(C)最高无冲击工作压力得:管法兰的公称压力为1.0MPa。 (4)根据PN=1.0MPa和DN=120mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板式平焊突面密封面;查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片，由表4-15和表4-16，螺栓为A2-50、螺母为I型六角螺母。 (5)PN=1.0 MPa和DN=120mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。管法兰标记:HG20593-1997 法兰 PL120-1.0 RF 20 管箱的选择与计算 3.1.11 1、管箱接管位置的最小尺寸: D100h (C?4S,S为壳体壁厚) L,，h，C,，70，32,152mm2f22 图3-6 管程接管位置 2、壳程接管位置的最小尺寸: d100hL,，h，C,，50，32,132mm (C?4S,S为壳体壁厚)1f22 16 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 图3-7 壳程接管位置 3、根据管程接管到管板的位置最小尺寸为152mm,可确定管箱的长度450mm。 3.1.12 拉杆和定距管的选用 拉杆的结构形式有两种，换热管大于或等于19mm的管束，采用图3-5(a)所示的拉杆定距杆结构，换热器外径小于等于14mm的管束，采用图3-5(b)所示的点焊结构，当管板较薄时，也可采用其他的结构形式。 图3-5(a) 拉杆定距管结构 图3-5(b) 电焊结构 折流杆换热器结构较紧凑，折流外圈，内径差值小，在选用GB 151-1999 《管壳式换热器》所给定的拉杆总截面积的前提下，改变拉杆直径和数量，通常的做法是采用较多的拉杆数量和较小的直径，但直径不得小于10mm，数量不得小于4根。 根据《化工设备机械设计基础》查表16-17得:拉杆的数量为6根。 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对大直径的换热器，在布管区或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3各支承点。 根据折流板的间距为600mm,壳体长度为8.578m,从而可初步确定折流板的块数为14个，可计算处拉杆长度为7800mm。 17 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 拉杆的连接尺寸按图3-9和表3-8确定，拉杆长度按需要而定。 图3-9 拉杆连接尺寸结构 表3-8 拉杆的连接尺寸 拉杆直径d 拉杆螺纹公称直径d L L b nab 16 16 20 ?60 2.0 3.2 换热器各部件的连接方式 3.2.1 管板与壳体的连接 壳体与管板的连接采用焊接形式，随壳体直径、承受的压力及流体的物性变化，所选用的焊接方法也有所不同。延长部分兼作法兰连接时，由于壳体壁,,8厚mm,12mm，壳程设计压力P=0.77MPa,1 MPa且壳程介质为非易燃、非n 易爆、非挥发性、无毒性，其连接形式如3-7图所示: 图3-10 管板与壳体的连接 3.2.2 管子与管板的连接 管子与管板的连接，在工程生产中主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等几种形式。强度焊接目前是换热管与管板连接应用较为广泛的一种形式。焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分由泄露时，可补焊，如需要更换换热管，可采用专用刀具拆卸，比胀接方便。其一般焊接结构如3-8图所示: 18 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 图3-11 强度焊结构形式和尺寸 表3-9 换热管外伸长度 换热器规格(外径d×壁厚) 25×2.5 , l换热管最小伸长度/ 1.5 1 最小坡口深度/ l2 3 3.2.3 管板与容器法兰的连接 固定管板式换热器的管板兼作法兰，与管箱法兰连接型式比较简单，除了满足工艺上的要求，选择一定密封面型式，按压力、温度来选用法兰的结构型式。其连接结构简图如3-9所示: 图3-12 管板夹持结构 19 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 总 结 换热设备是实现物料之间热量传递的节能设备，也是回收余热、废热，特别是低位热能的有效装置。换热器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(heat exchanger)。在化工生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。本文主要研究的是固定管板式换热器，它是换热设备的一类。通过对换热器的发展、分类、材料和运用等相关理论进行阐述，进而对换热器进行热工设计，结构设计以及强度设计。固定管板式换热器的设计，让我对换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。无论换热设备的设计计算或是校核计算，一般均应考虑下。 (1)首先必须满足工艺要求。 (2)换热设备中换热介质参数(流速、允许压降、温度等)的合理选取。在换热设备中，介质流速高，传热系数大，在热负荷一定的情况下，可使传热面积减小，设备结构紧凑，不仅节省投资，而且有利于减缓或抑制污垢的形成，但同时，介质流速高，压降增大，而且介质对传热面积的冲蚀加剧，并容易产生流体诱导振动破坏等。因此介质速度的选取应考虑压降的合理性，尽可能在允许压降范围内，提高流速，以加大传热系数。 (3)合理安排流程，以便获得较大的传热系数，并使热、冷流体的流向尽可能接近逆流。 (4)换热设备结构参数的合理选择主要包括结构形式、尺寸和材质等方面。 (5)设计计算时，应注意定性尺寸的计算。在弩塞尔特数、雷诺数等的定义式中均有定性尺寸，通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。 (6)在达到所需工艺要求的前提下，应使设备费、操作费和维护费之和最低。 (7)考虑采用各种强化传热措施。 由传热基本方程,,,,?t可见，增大总传热系数、传热面积和有效平均温差均可提高传热效率，强化传热。增大传热面积，不是单纯的增大换热设备的尺寸，而要增大单位体积内的传热面积，是设备紧凑、结构合理，如采用小直径管子，翅片管等。 根据以上结论，通过分析固定管板式换热器各部分性能影响，合理选择设计固定管板式换热器的结构参数，以获得具有较高抗拉强度、耐腐蚀性、耐介质性等综合性能良好的换热器设备，从而使其能更好的应用到石化、化工行业中。 20 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 参考文献 [1] 陈裕清.化工原理[M].上海:上海交通大学出版社,2008 [2] 聂清德.化工设备设计[M].北京:化学工业出版,1991. [3] 李志勇,喻健良,刘志军.过程机械[M].北京:化学工业出版社,2008.1. [4] 冷士良,宋志轩.化工单元操作设备[M].北京:化学工业出版社,2007.7. [5] 匡照忠.化工机器与设备[M].北京:化学工业出版社,2006.4. [6] 卓震.化工容器及设备[M].北京:中国石化出版社,2008. [7] 喻健良.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2009.7. [8] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京:化学工业出版,2002.12. [9] 潘继红.管壳式换热器的的分析与计算[M].北京:科技出版社,1996. 高安全,崔金海.化工设备机械[M].北京:化学工业出版社,2007.12. [10] [11] 毛希澜.换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社,1988. [12] 马秉骞.化工设备[M].北京:化学工业出版社,2009.7. [13] 刁玉伟,王立业.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2000. [14] 董其伍.换热器[M].北京:化学工业出版社,2008.12. [15] 孙继瀛.化工设备[M].北京:化学工业出版社,2000. [16] 王菲, 林英.过程设备用钢[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004, 431. [17] 高莉萍, 高效换热器发展动态及其应用[J]. 石油化工设备技术, 1995. 21 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文) 致 谢 为期五周的毕业设计结束了，这次固定管板式换热器毕业设计课题是由王敏老师和周波老师的共同悉心指导下完成的。 在指导毕业设计过程中，周波老师严谨的教学态度给我们留下了深刻的印象，能够为每一位同学细心的点拨与讲解，我们受益颇多，是我们的榜样。 在这几周里我们不仅学到了许多的知识也学到了许多的做学问的细节态度，并且从中我们感受到了学习的乐趣和团体协作及进取精神。这将影响我的今后发展的道路，在此真诚的感谢老师～ 最后，感谢在本次毕业设计中给予我帮助的同学们，感谢老师对我的真心指导。周老师您辛苦了～ 感谢我的朋友给予的鼓励和支持～ 2010 年 11 月 28日 22