固定管板式换热器课设.docx
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固定管板式换热器课设
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:
1222091０４119
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、设计目得:
1.实用国家最新压力容器标准、规范进行设计,掌握典型得过程装备设计得全过程、
2.掌握查阅与综合分析文献资料得能力,进行设计方法与设计方案得可行性研究与论证。
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与专业软件得实用。
4.掌握图纸得计算机绘图。
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
0.45Ｍｐa
0、0５Mpa
操作温度
４0℃
70℃
推荐钢材
10,Q235-A,1６MｎＲ
换热面积
6０㎡
推荐管长Φ=25
32—39㎡
40-75㎡
７６—135㎡
2m
2.5
3ｍ
管口表
符号
公称直径
用途
a
200
冷却水金口
b
200
甲醇蒸汽进口
c
20
放气口
d
70
甲醇物料出口
e
2０
排净物
f
２00
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、
８。
E.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。
前言
换热设备就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得同一种流体间热量（或焓）传递得装置。
换热器就是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一,其正确得设置,性能得改善关系各部门有关工艺得合理性、经济性以及能源得有效利用与节约,对国民经济有着十分重要得影响。
在炼油、化工装置中换热器占总设备数量得４0％左右,占总投资得３0%-45%、随着节能技术得发展,应用领域不断扩大,利用换热器进行高温与低温热能回收带来了显著得经济效益。
在工业生产中,换热设备得主要作用就是使热量由温度较高得流体传递给温度较低得流体,使流体温度达到工艺过程规定得指标,以满足工艺过程上得需要。
此外,换热设备也就是回收余热、废热特别就是低品位热能得有效装置。
换热器得型式繁多,不同得使用场合使用目得不同。
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。
根据管壳式换热器得结构特点,可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式与釜式重沸器五类。
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得介质不宜采用。
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
得热应力、
固定管板式换热器得特点就是:
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％。
固定管板式换热器得缺点就是:
1、壳体与管壁得温差较大,壳体与管子壁温差ｔ≤5０℃,当t≥50℃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。
固定管板式换热器得机械设计除了最关键得换热板片以外,还有两块墙板,我们称为框架板与压力板,框架板为外侧不可活动得墙板,
压力板为换热板片另一侧得可用拉杆螺栓调整位置得墙板;数根拉杆螺栓,用来加紧框架板与压力板;立柱;上下导杆,连接在框架板与
立柱之间,用来支撑并给压力板与换热、半片导向;框架板与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,温度计与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。
其优点就是结构简单紧凑,能承受较高得压力,造价低,管程清洗方便,管子损坏时易于堵管或更换;缺点就是当管束与壳体得壁温或材料得线膨胀系数相差较大时,壳体与管束中将产生较大得热应力。
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得场合。
主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）与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、管箱与后端结构分别与壳体两端得法兰用螺栓相连,检修或清洗时便于拆卸。
换热器设计得优劣最终要瞧就是否适用、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、安全可靠得换热器得产生,要求在设计时精心考虑各种问题、准确得热力设计与计算,强度与
工艺条件。
ﻩ
一、设计计算
1.工艺条件………………………………………………、１１
2.计算
（1）管子数n……………………………………、、、.、、。
。
、。
１1
（2）管间距得确定…………………………………….。
１２
（3）换热器壳体直径得确定…………………………。
、12
（4）换热器壳体壁厚得计算………………………….。
12
（5）换热器封头选择…………………………………。
.13
（6）容器法兰选择……………………………………。
.13
（7）管板尺寸得确定…………………………………。
。
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）就是否安装膨胀节………………………………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…………………………………………………２１
１.换热管与管板得连接……………………………….。
。
、21
2。
管板与壳体,管箱得连接……………………………2１
3.管法兰与接管得连接…………………………………２2
三、设备总装………………………………………………….2３
四、个人总结…………………………………………………。
26ﻬ
一、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
0。
４5ＭPa
0.05MＰa
操作温度
４0℃
７0 ℃
推荐钢材
10, Ｑ２3５—A,１6ＭnR
换热面积
60m2
管长
2。
５m
管径
φ＝25mm*２.５mm
2、计算
（1）管子数n
选得无缝钢管,材质20号钢,管长3m。
因为
所
采用正三角形排列,正三角形排列比较紧凑,在一定得壳径内可排列较多得管子,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,适用于壳程中得流体易结垢得情况,其传热效果较正三角形差些。
以上排列方式中最常用得就是正三角形错列,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得场合、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）管间距得确定
由于换热管外径为25mm,《化工原理》上册附录28得管间距。
（3）换热器壳体直径得确定
式中——换热器内径,mm;
—-正六角形对角线上得管子数,中心排管数
——最外层管子得中心到壳壁边缘得距离,取ｍm。
故mm
圆整后取壳体内径
（4）换热器壳体壁厚得计算
材料选用Q３４5R,计算壁厚
式中 --计算压力,取
ﻫ
故
因为,所以取。
查HG/T2０５80-205８1—２01１《化工设备手册》腐蚀裕量,对Ｑ345Ｒ钢板负偏差。
圆整后取。
（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/T４746-2002标准,封头为,曲面高度,直边高度,材料选用Ｑ3４5R。
（6）容器法兰得选择
材料选用２0号钢。
根据ＪB/T4７01－2000标准,选用DN800,得平封面甲型平焊法兰。
DN=800mm;Ｄ＝93０mｍ;
（7）管板尺寸得确定
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,厚度管板
尺寸查GB151-1999,则管板管孔直径为25。
25mｍ、
（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
折流板间距取500mm;查GＢ151-19９9《管壳式换热器》5.9表34得折流板最小厚度为６ｍm,折流板外径为DN-４、5即795。
５mｍ,查５、9表３９管孔直径为2５.8mm,材料为Q235—Ａ钢、
拉杆查ＧＢ151-1999《管壳式换热器》表43与4４选用直径,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DＮ BI8０0－S,选用120度包角,Ｌ＝２５０0mm,LB=0、6L=1500ｍｍ
Ａ＝0。
2L=５00mm。
鞍座材料选用Q2３5-A,垫板材料选用1６MｎR。
查JB/T４７１2.1-20０７,鞍座得各部分尺寸为:
鞍式支座得结构参数（ＪB/T4712.1-2007）
公称直径/
ＤN
鞍座高度h
底板
腹板
筋板
垫板
螺栓间距
Ｌ3
ｂ3
δ3
弧长
8
９４０
２6０
6
6５
5３0
（11）开孔补强
根据GB15１—1999《管壳式换热器》换热器壳体与封头上得接管处开孔需要补强,常用得结构就是在开孔外面焊上一块与容器壁材料与厚度都相同,即6ｍｍ厚得１6ＭnR钢板。
其补强结构如图所示、
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。
表1
项目 管子壳体
操作压力/ＭＰa 0.４5 ０.05
材质 ２0钢 16MnR
线膨胀系数/（1/℃）
弹性模量／ＭＰa
许用应力/MPa 130 １89
尺寸/mm
管子根数 ４57
管间距／mｍ ３２
管壳壁温差/℃
管子与管板得连接方式 强度胀接
胀接长度/mｍ
在操作压力下,管子每平方米胀接周边上所受到得力
其中
,
温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到得力
其中
由上述计算有
由于管子与管板得连接采用强度胀接,管子得许用拉脱力远小于０、5倍材料得许用应力。
因此,拉脱力在许用范围内、
（13）计算就是否安装膨胀节
管、壳壁温差所产生得轴向力:
压力作用于壳上得轴向力:
其中
ﻫ ﻫ =７7６65、9（N）
则
压力作用于管子上得轴向力:
则
根据ＧB１5１-19９9《管壳式换热器》得设计规定,在考虑热应力得情况下管子与壳体上得应力均小于3倍得许用应力,实际所求得应力均较小,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0。
6ＭPa、材料为20号钢、
对于DN200选取mm接管,对于DN70选取ｍｍ接管,对于ＤN20选取ｍm接管、
接管高度
公称直径/mm
DN200
ＤN８0
DN20
接管高度/ｍm
２0０
150
150
根据化工设备机械基础,由于换热器得压力不高,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
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
ＰＮ0。
6MPa
20
２５
90
６５
11
4
M10
14
26
8
4
M16
18
9１
2
18
8
M1６
22
2２2
（1５）连接紧固件
因为介质仅为水与甲醇,因此密封性要求一般,因为选择垫片采用价格相对较低得石棉橡胶板,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
本课程设计得壳程流体为甲醇蒸汽,其,故不需防冲板。
（17）.水压试验
水压试验压力
所选材料得屈服应力
水压试验应力校核
所以,水压试验满足强度要求。
二、结构连接
1。
换热管与管板得连接
选用强度焊接连接。
制造加工方便,保证换热管与管板连接得密封性与抗拉脱强度得焊接,目前采用较广泛、
查GＢ151,,可知其相接各部分得尺寸如下:
换热管外伸长度
换热管规格
外径×壁厚
ф25×2。
5
换热管最小伸出长度／
K/mm
０。
5
2.管板与壳体及管箱得连接
管板与壳体及管箱得连接
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。
当管子与管板得连接采用胀接工艺时,管端硬度应低于管板硬度、同一根换热管得对接焊缝,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±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
换热器筒体得圆度要求较高,必须保证壳体与折流板之间有合适得间隙。
如太大就要影响换热效果,太小就要增加装配得难度。
切割好得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、封头与管箱
封头与管箱得厚度一般不小于壳体得厚度。
分程隔板两侧全长均应焊接,并应具有全焊透得焊缝、由于焊接应力较大,故管箱与封头法兰等焊接后,须进行消除应力得热处理,最后进行机械加工。
4。
折流板
由于折流板很薄,钻孔时钻头得推力使管板中心变形,故可将下料或圆整得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,必须就是折流板得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与管板孔距一致得定位孔,然后取下管板,将折流板压紧,并换上合适得钻头、
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。
拼接管板得对接接头应进行1０0%射线或超声检测,按ＪＢ４７30-94进行表面检测,检测结果不低于Ⅲ级,或超声检测中得Ⅰ级为合格。
换热管与管板得连接:
二者采用焊接得形式连接,连接部位得换热管与管板孔表面,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得焊瘤均应清除。
管板与换热管焊接时,管孔表面粗糙度Rａ值≤２5µm。
6。
换热器安装
1。
安装位置:
根据该换热器得结构形式,在换热器得两端留有足够得空间来满足拆装、维修得需要。
2.基础:
必须使换热器不发生下沉。
在活动支座得一端应予埋滑板。
3、地脚螺栓与垫铁
（1）活动支座得地脚螺栓应装有两个紧锁得螺母,螺母与底板间应留有１～3mm得间隙。
（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,但不得与下面得平垫铁或滑板焊死、
（３）垫铁得安装不应妨碍换热器得热膨胀、
四、个人总结
为期两个星期得课程设计就要结束,这次设计得就是固定管板式换热器得机械设计。
虽然为期不长,但收获颇多、
首先,这次课程设计就是我们接触得一个专业课程设计,所要用到得知识很多,包括机械设计基础、化工制图、化工原理、过程装备设计与换热器原理与设计等方面得知识。
这些知识不就是机械得相加,而就是需要全面得考虑与整体布局,不止一次因为考虑不全而要重新来过,有时会不耐烦,可想想不耐烦对我没有任何益处,便及时得调整过来、这次设计巩固我以前所学习得知识,让我专业知识有了更深得认识与理解。
其次,这次课程设计还培养了我细心认真得做事态度,以及严谨得工作态度、平与得心态。
这次设计工作量大,用到得知识多,需要查得资料有很多,在查标准得过程中,会有很多细节得问题,很繁琐,只有静下心来,有条理,有顺序得进行,才不会出错、有时为了一个数据查找了好几本书,还就是找不到结果得时候,就是挺纳闷得,很容易让人想放弃。
但有目标在,逼自己一下,继续寻找,努力终会结果,这结果就就是对努力得奖励,感觉自己又离成功更近了一步。
特别想说得就是,第一次做好交给老师,因为没有用心,基本得问题都没搞清楚,得到了老师得细心指导与教育,受益匪浅,所以说,做任何事情都要全力以赴,坚持到底,付出总会有回报。
此外,在CAD画图得过程中,也遇到很多问题,包括图纸得美观,图形得清晰分明,字体得大小,画图得规范等等,这些细节都在不断得失败与摸索中得到学习,画图得技巧也得到提高、对很多设计规范都有了初步得认识。
因此,特别感谢这次学习得机会,让我们把所学得知识得以运用,不仅在专业上有所提高,在处理问题,面对问题上,都有了很大提高,在心态上面也变得平与冷静。
同时,让我明白什么就是严谨得科学态度,怎样才可以做好设计得工作,也感谢老师对我们得帮助与指导、
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