换热器课程设计计算书zz.docx
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换热器课程设计计算书zz
衢州学院
《化工设备设计基础》
课程设计计算说明书
学生姓名：
学号：
所在学院：
化学与材料工程学院
专业：
化学工程与工艺
设计题目：
冰机油冷器（F=40m2）设计
指导教师：
张国亮
2015年1月18日
目录
一、设计任务书2
1、设计题目2
2、设计任务2
二.设计参数与结构简图3
1、设计参数3
2、结构简图3
三．设备的总体及结构设计4
四.设备的机械强度与稳定性设计计算5
1.壳程圆筒。
5
2.管箱圆筒。
6
3.管箱封头。
6
4.水压试验应力校核。
7
5.开孔补强8
6.法兰选型10
五、设计小结11
六、参考资料：
12
一、设计任务书
1、设计题目
设计题目：
冰机油冷器（F=40m2）设计
2、设计任务
设计参数：
管程
壳程
介质
水
F22和油
工作压力MPa
0.5
1.85
设计压力MPa
0.6
2.0
工作温度（进/出）℃
25/40
100/70
设计温度℃
40
100
液压试验压力MPa
0.75
2.5
换热面积m2
40
换热面积（㎡）
管板厚度（mm）
规格
壳体内径×换热管长度（mm）
换热管尺寸
换热管材质
40
36
Dg450×3500
φ19x1.8
T2
接管表
物料进口
物料出口
排气口
排液口
管程
壳程
管程
壳程
Dg80
Dg80
Dg80
Dg80
Dg40
Dg20
φ89×4.5
φ89×6
φ89×4.5
φ89×6
φ45×3.5
φ25×3.5
二.设计参数与结构简图
1、设计参数
本课程设计的设计参数
管程
壳程
介质
水
F22和油
工作压力MPa
0.5
1.85
设计压力MPa
0.6
2.0
工作温度（进/出）℃
25/40
100/70
设计温度℃
40
100
液压试验压力MPa
0.75
2.5
换热面积m2
40
2、结构简图
图1换热器结构简图
三．设备的总体及结构设计
1材料选择。
根据换热器的工作状况及介质特性，壳程选用16MnR，管程选用T2，管板选用16MnR。
②换热管。
选用较高等级换热管，管束为Ⅰ级管束。
③管板。
管板选用兼做法兰结构，管板密封面选用JB/T4701标准中的凸面密封面。
换热管在管板上的排列采用正三角形排列，分程隔板两侧换热管中心距取38mm，实际排列218根换热管。
④无分程隔板与分程隔板槽。
因为换热器程数为1。
⑤换热管与管板的连接。
换热管与管板的连接采用焊接，其中l1=1.5mm，l2=2mm。
⑥支持板。
换热器的壳程介质为F22和油，选用弓形折流板，折流板最小间距一般不应大于圆筒内直径的1/5，且不小于50mm，换热管最大无支撑跨距为1300mm，所以取间距为240mm，因此至少需要11块折流板。
本设计采用11块折流板，弓形缺口，垂直左右布置，缺口高度为25%的筒体内直径。
⑦拉杆与拉杆孔。
选用4根φ12mm拉杆，拉杆与板管采用螺纹连接。
拉杆两端螺纹为M12，拉杆孔深度为18mm。
⑧管箱。
管箱法兰选用容器法兰，规格为SO80（B）-2.5RF。
封头选用标准椭圆形封头。
管箱接管采用径向接管，前端管箱开设冷却水进、出管口，后端管箱开设3/4〞压力表接口，下部开设DN20排液口。
前端管箱筒节长度410mm,后端管箱筒节长度280mm。
⑨支座。
换热器采用鞍式支座，型号为“BⅠ1000JB/T4712.1-2007”，固定式和滑动式支座各一个，固定式支座安装在靠近冷却水进口端，两支座距离为3186mm，支座螺栓孔中心距管板密封面150mm。
⑩接管。
换热器钢管选用无缝钢管。
排污口为对焊连接，压力表口采用螺纹连接，其余为法兰连接，连接法兰标准HG20592，法兰类型为带颈平焊法兰（SO），法兰密封面为凸面（RF），法兰公称压力均为2.5Mpa。
⑪压力容器类型：
压力容器类别的划分按《压力容器安全技术监察规程》，本设计换热器为中压换热设备，介质为易燃介质，故划分为----------Ⅱ类压力容器。
四.设备的机械强度与稳定性设计计算
1.壳程圆筒。
已知条件：
筒体内径Di=450mm，工作压力Pw=1.85Mpa，工作温度（进/出）tw=100/70℃，材料16MnR,筒体长度L=3500mm。
设计参数：
设计压力p=2Mpa，设计温度t=100℃，筒体计算长度L=3500mm，腐蚀裕量C2=2mm，ReL=345Mpa。
圆筒承受外压，故需进行稳定性计算。
根据试差法，取名义厚度δn=15mm，取钢板厚度负偏差C1=15×15%=2.25mm，则筒体有效厚度为
δe=15-2-2.25=10.75mm
筒体外直径D0=450+2×15=480mm
=
=44.65
由《化工设备机械基础》P132图5-5查得A=0.00066。
查P138图5-13，E=1.98×105Mpa，B=100Mpa
[P]=
＞P=2Mpa圆筒稳定性满足要求。
2.管箱圆筒。
已知条件：
筒体内径Di=450mm,工作压力Pw=0.5Mpa,工作温度（进/出）tw=25/40℃，材料T2
设计参数：
设计压力P=0.6Mpa,设计温度t=40℃，腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=0.85，计算压力Pc=0.6Mpa，[σ]t=109Mpa[σ]=109Mpa,ReL=200Mpa
圆筒计算厚度δ=
设计厚度δd=δ+C2=1.5+2=3.5mm
考虑钢板厚度负偏差，可取筒体名义厚度δn=4mm
根据《化工设备课程设计指导》表5-1管箱最小厚度应不小于8mm。
所以取管箱名义厚度δn=8mm，有效厚度δe=8-1.2-2=4.8mm。
3.管箱封头。
已知条件：
筒体内径Di=450mm,工作压力Pw=0.5Mpa,工作温度（进/出）tw=25/40℃，材料T2
设计参数：
设计压力P=0.6Mpa,设计温度t=40℃，腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=0.85，计算压力Pc=0.6Mpa，[σ]t=109Mpa[σ]=109Mpa,ReL=200Mpa
圆筒计算厚度δ=
设计厚度δd=δ+C2=1.5+2=3.5mm
考虑钢板厚度负偏差，可取筒体名义厚度δn=4mm
根据《化工设备课程设计指导》表5-1管箱最小厚度应不小于8mm。
所以取管箱名义厚度δn=8mm，有效厚度δe=8-1.2-2=4.8mm>0.15%Di=0.15%×450=0.675mm
满足最小厚度要求。
4.水压试验应力校核。
1.管程水压试验压力
PT=1.25P
=1.25×0.6×1=0.75Mpa
管程试验时圆筒应力
σT=
=
<0.9ReLφ=0.9×200×0.85=153Mpa
所以试验应力满足要求。
2.壳程水压试验压力
PT=1.25P
=1.25×2×1=2.5Mpa
壳程试验时圆筒应力
σT=
=
<0.9ReLφ=0.9×345×0.85=263.9Mpa
所以试验应力满足要求。
5.开孔补强
a.壳程筒体开孔补强。
已知条件：
壳体材料16MnR,许用应力[σ]t=181Mpa,内径Di=450mm，名义厚度δn=15mm，厚度负偏差C1=2.25mm，腐蚀裕量C2=2mm，有效厚度δe=10.75mm；
接管材料20，许用应力[σ]tt=152Mpa,外径d0=89mm，名义厚度δnt=6mm，厚度负偏差C1t=0.9mm，腐蚀裕量C2t=2mm，Ct=C1t+C2t=2.9mm，有效厚度δet=3.1mm；
强度削弱系数fr=1.0
开孔直径d=d0-2δnt+2Ct=89-2×6+2×2.9=82.8mm
有效补强宽度B=2d=2×82.8=165.6mm
外侧有效高度h1=
内侧有效高度h2=0
根据外压圆筒稳定性计算方法，试算得到圆筒和接管的计算厚度分别为δ=3mm，
开孔削弱所需的补强面积：
A=0.5[dδ+2δδet（1-fr）]=0.5×82.8×3=202.86mm2
壳体多余金属面积：
A1=（B-d）（δe-δ）-2δet（δe-δ）（1-fr）=（165.6-82.8）×（10.75-3）=641.7mm2
接管多余金属面积：
A2=2h1（δet-δt）fr+2h2（δet-C2）fr=2×22.3×（3.1-0.056）=135.76mm2
焊缝金属面积：
A3=15×15=225mm2
有效补强面积：
Ae=A1+A2+A3=641.7+135.76+225=1002.46mm2
b.管箱筒体开孔补强
已知条件：
管箱筒体材料T2,许用应力[σ]t=109Mpa,内径Di=450mm，名义厚度δn=8mm，厚度负偏差C1=1.2mm，腐蚀裕量C2=2mm，有效厚度δe=4.8mm；
接管材料20，许用应力[σ]t=152Mpa,外径d0=89mm，名义厚度δnt=6mm，厚度负偏差C1t=0.9mm，腐蚀裕量C2t=2mm，Ct=C1t+C2t=2.9mm，有效厚度δet=3.1mm；
强度削弱系数fr=1.0
开孔直径d=d0-2δnt+2Ct=89-2×6+2×5=82.8mm
有效补强宽度B=2d=2×82.8=165.6mm
外侧有效高度h1=
=22.3mm
内侧有效高度h2=0
根据外压圆筒稳定性计算方法，试算得到圆筒和接管的计算厚度分别为δ=3mm，
δt=0.056mm
开孔削弱所需的补强面积：
A=0.5[dδ+2δδet（1-fr）]=0.5×82.8×3=124.2mm2
壳体多余金属面积：
A1=（B-d）（δe-δ）-2δet（δe-δ）（1-fr）=（165.6-82.8）×（4.8-3）=149.04mm2
接管多余金属面积：
A2=2h1（δet-δt）fr+2h2（δet-C2）fr=2×22.3×（3.1-0.056）=135.76mm2
焊缝金属面积：
A3=8×8=64mm2
有效补强面积：
Ae=A1+A2+A3=149.04+135.76+64=348.8mm2
6.法兰选型
符号
公称规格
连接法兰标准
密封面
用途或名称
管子尺寸
伸出
长度
材料
设计压力
壳程
管程
b
PN2.5
DN80
HG20529（SO）
RF
物料
进口
φ89×6
150
20
2.0
0.6
c
PN2.5
DN80
HG20529（SO）
RF
物料
出口
φ89×6
150
20
2.0
0.6
壳程法兰：
根据《化工设备机械基础》P160-161表6-4可知，如果法兰按公称压力2.5Mpa，材料用20，其最高工作压力为1.86Mpa,小于设计压力2.0Mpa,故按公称压力4.0Mpa査取法兰尺寸。
由《化工设备机械基础》P330附表8-6得乙型平焊法兰尺寸（mm）：
DN=450,D=610,D1=565，D2=526，D3=516，D4=513，δ=61，H=205,δt=16,a=21,a1=18,d=27,螺柱规格M24，螺柱数量20.
管程法兰：
根据《化工设备机械基础》P160-161表6-4可知，如果法兰按公称压力2.5Mpa，材料用20，其最高工作压力为1.86Mpa,大于设计压力0.6Mpa,故按公称压力2.5Mpa査取法兰尺寸。
由《化工设备机械基础》P330附表8-6得乙型平焊法兰尺寸（mm）：
DN=450,D=590,D1=550，D2=515，D3=505，D4=502，δ=43，H=90,δt=12,a=17,a1=14,d=23,螺柱规格M20，螺柱数量20.
五、设计小结
这次的课程设计对于我来说有着深刻的意义。
这种意义不光是自己能够独立完成了设计任务，更重要的是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作的那份艰难。
而这份艰难不仅仅体现在设计内容与过程中为了精益求精所付出的艰辛，更重要的是背负恶劣的天气所付出的决心与毅力!
从设计开始就落在大家的后面。
不过还好，很快就将基本的数据设计与整理出来，不至于远离大家的进度。
由于考试已经结束，我可以有充分的时间搞设计。
可惜，图书馆闭馆，不能参考一些资料，以至在有些结构设计上还是不太明白为什么要那样设计。
看来自己学的东西太少了！
天气情况很糟糕！
我只能这样评价这段时间内的艰辛。
虽然穿地挺厚实的，但是整天的坐着，不运动，会感觉冷。
为了画图一做就是一天。
手除了麻木，还是麻木！
对于课程设计，我只能说我已经尽了我最大的努力。
这就是我最好，最出色的设计。
过程我只能用不堪回首来形容，但是结果确实意义重大的。
我付出了远比设计内容更多的毅力与决心。
而我也应该保留这份精神，继续奋斗。
感觉设计对我们这些刚刚入门（或者在某种意义上来说还是门外汉）就是按照条条款款依葫芦画瓢的过程，有的时候感觉挺没有劲的。
反正按照步骤一定可以完成设计任务，其实不然。
设计过程中有许多内容必须靠我们自己去理解，去分析，去取舍。
通过这次的设计，感慨颇多，收获颇多。
更多的是从中学到很多东西，包括书本知识以及个人素质与品格方面。
感谢老师的辛勤指导，也希望老师对于我的设计提出意见。
六、参考资料：
[1]喻健良王立业刁玉玮.化工设备机械基础[M].大连：
大连理工大学出版社，2013.
[2]方书起.化工设备课程设计指导[M].北京：
化学工业出版社，2010
[3]GB150.1~150.4-2011.钢制压力容器[S]．
[4]郑晓梅.化工工程制图化工制图[M]．北京：
化学工业出版社，2002.
[5]GB151-1999《管壳式换热器》[S]．
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