四管程固定管板式換熱器的設(shè)計

四管程固定管板式換熱器的設(shè)計,管程,固定,板式,換熱器,設(shè)計 第1章 工藝設(shè)計2.1設(shè)計概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為冷卻器、加熱器、蒸發(fā)器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，例如動力工業(yè)中鍋爐設(shè)備的過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，電廠熱力系統(tǒng)中的凝氣器、除氧器、給水加熱器、冷水塔；冶金工業(yè)中高爐的熱風(fēng)爐，煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣或煤氣預(yù)熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，都是換熱器的應(yīng)用實例。在化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器也有較多的應(yīng)用。在航天工業(yè)中，為了及時取出發(fā)動機(jī)及其輔助動力裝置在運(yùn)行時所產(chǎn)生的大量熱量，換熱器也是不可缺少的重要部件。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用35%40%。換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。2.2設(shè)計課題設(shè)計一臺用飽和水蒸氣加熱水的固定管板換熱器，水流量為，水溫由加熱到。水蒸氣入口溫度，出口溫度。允許壓強(qiáng)降管程不高于0.8x，殼程不高于1.6x。根據(jù)設(shè)計題目與介質(zhì)，選擇列管式固定管板換熱器，循環(huán)水走管程，水蒸氣走殼程。2.3設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)工藝條件查物性表可得：水蒸氣的定性溫度 密度 汽化潛熱 黏度 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 循環(huán)水的定性溫度 密度 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 黏度 2.4初算換熱器的傳熱面積2.4.1 換熱器的熱流量（忽略熱損失）熱流量 （2-1）由公式（2-1）計算得2.4.2 水蒸氣的消耗量（忽略熱損失）冷卻劑（加熱劑）用量 （2-2）由公式（2-2）計算得水蒸氣的用量為2.4.3平均傳熱溫差根據(jù)工藝條件，選取逆向流向,先按單殼程單管程考慮,計算出平均溫度差。 （2-3）式中，由公式（2-3）算得溫度校正系數(shù)，故平均溫度差2.4.4計算傳熱面積根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)，由值初算所需傳熱面積。傳熱面積 （2-4）由式（2-4）得 2.5主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計算2.5.1換熱管選擇1、換熱管選用的鋼管，管內(nèi)流速取。2、換熱管數(shù)量及長度的確定管數(shù) 管長 根據(jù)GB151，標(biāo)準(zhǔn)傳熱管有1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。根據(jù)計算結(jié)果取傳熱管長。則該換熱器的管程數(shù)為 （即為單管程）所以傳熱管總根數(shù) 3、管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定管子的排列方式采用正三角形排列；管子與管板的連接采用焊接法。2.5.2計算殼體內(nèi)直徑殼體內(nèi)徑 （2-5）式中管中心距 橫過管束中心線的管數(shù) 根管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離所以由式（2-5）得 按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取2.5.3畫出排管圖根據(jù)殼體內(nèi)徑、管中心距、橫過管中心線的管數(shù)及其排列方式，繪出排管圖。由圖可見，中心排有11根管，按三角形排列，可排119根，除去6根拉桿位置，實際排出113根。與上述計算相符。因此實際管數(shù)取N=113根。圖2-1 換熱管排布圖2.5.4計算實際傳熱面積及過程的總傳熱系數(shù)傳熱面積 （2-6）由式（2-6）得 總傳熱系數(shù) （2-7）由式（2-7）得 2.5.5折流板直徑數(shù)量及有關(guān)尺寸的確定選取折流板與殼體間的間隙為3mm,因此折流板直徑 切去弓形高度 折流板數(shù)量 取折流板間距，那么塊取整得 塊實際折流板間距 2.5.6拉桿的直徑和數(shù)量與定居管的選定選用鋼拉桿，數(shù)量6根，定距管采用鋼管。2.6換熱器核算2.6.1換熱器內(nèi)流體的壓力降1、管程壓力降計算： （2-8）串聯(lián)殼程數(shù)，管程數(shù)。對于換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為。換熱器為單程管。 由Re=16620，傳熱管絕對粗糙度0.02，查莫狄圖得。則流體流經(jīng)直管段的壓力為 （2-9）由式（2-9）得 故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2、殼程壓力降計算 (2-10)其中流體流經(jīng)管束的壓強(qiáng)降為 (2-11)其中，管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正因子，F(xiàn)=0.5摩擦系數(shù) 故殼程壓力降在允許范圍內(nèi)。2.6.2熱流量核算總傳熱系數(shù) （2-12）管程給熱系數(shù) （2-13）殼程給熱系數(shù) （2-14） 由式（2-13）得，由式（2-14）得由式（2-12）算得即由于 ，在范圍之內(nèi)，所以本設(shè)計合理。 第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1折流擋板安裝折流擋板的目的是為提高管外對流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。對常用的圓缺型擋板，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生“死區(qū)”，太大不利于傳熱，太小又增加流體阻力。擋板的間距對殼程的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外對流傳熱系數(shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.21.0倍。我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7種；浮頭式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8種。3.2 法蘭換熱器設(shè)備常用的法蘭分為設(shè)備法蘭和管法蘭兩類。設(shè)備法蘭標(biāo)準(zhǔn)有：甲型平焊法蘭，選用壓力范圍為 乙形平焊法蘭，選用壓力范圍為 長頸對焊法蘭，選用壓力范圍為本設(shè)計選用甲型平焊法蘭，選用壓力范圍為。甲型平焊法蘭只有法蘭環(huán)。一般采用鋼板制作，必要時也可以采用鍛件軋制，與圓筒體或封頭角焊連接。由于法蘭環(huán)與筒體或封頭連接的整體性差，即該法蘭的連接強(qiáng)度和剛度較小，因此只適用于溫度、壓力較低的場合。在現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，甲型平焊法蘭只有四個壓力等級（），公稱直徑的適用范圍也較小（），所用工作溫度范圍為。3.3換熱管換熱管的規(guī)格包括管徑和管長。換熱管的直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些，但對于不潔凈或亦結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)該取得大些，以免堵塞。目前我國試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用252.5和192.5兩種規(guī)格，對于一般流體是適用的。此外還有382.5，572.5的無縫鋼管。本設(shè)計選用252.5規(guī)格的換熱管。我國生產(chǎn)的鋼管系列標(biāo)準(zhǔn)中管長有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管長合理截取。同時管長又應(yīng)與殼徑相適應(yīng)，一般管長與殼徑之比，即L/D為34.5。本設(shè)計選用3m的管長。管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊管外流體湍流程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對亦結(jié)垢流體更為適用。本設(shè)計選用等邊三角形的排列方式。3.4支座化工壓力容器及設(shè)備都是通過支座固定在工藝流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大類：立式容器支座、臥式容器支座、球式容器支座。臥式容器支座又可分為鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最為廣泛。鞍式支座的結(jié)構(gòu)特征：1鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)分輕型（代號A）和重型（代號B）兩種。輕型用于滿足一般臥式容器使用要求；重型用以滿足臥式換熱器、盛裝液體重度大和L/D大的臥式容器使用要求。2根據(jù)安裝形式，鞍式支座分固定式（代號F）和滑動式（代號S）兩種。3鞍式支座適用于臥式容器直徑DN300450（用無縫管件筒體）、3004000（用卷制筒體）的范圍內(nèi)。本設(shè)計選用鞍式支座。3.5壓力容器選材原則1、選用壓力容器材料時，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和介質(zhì)特征；材料的使用性能，如機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經(jīng)濟(jì)合理性能，如材料的價格、制造費(fèi)用和使用壽命。2.剛制壓力容器用鋼材應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)鋼制壓力容器中所列材料選用，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計壓力不大于35MPa，對于超出規(guī)定的，應(yīng)進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行試驗，經(jīng)過研究以后決定。3.鋼材的使用溫度不超過各鋼號許用應(yīng)力中所對應(yīng)的上限溫度。但要注意的是，碳素鋼和碳錳鋼在高于425溫度下長期使用時，應(yīng)考慮鋼中碳化物的石墨化傾向。奧氏體剛的使用溫度高于525時，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04，對于-20的低溫容器材料用鋼，還應(yīng)進(jìn)行夏比“V”型缺口沖擊試驗。4.壓力容器非受壓元件用鋼必須有良好的可焊性。5.在考慮壓力容器受壓元件有足夠強(qiáng)度的情況下，必須考慮他的韌性，以防止外加載荷作用下發(fā)生脆性破壞。3.6墊片設(shè)備墊片標(biāo)準(zhǔn)主要有：JB4704 非金屬軟墊片JB4705 纏繞墊片JB4706 金屬包墊片一般情況下，非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。法蘭密封面形式為光滑密封面或凹凸密封面。纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。非金屬軟墊片厚度一般根據(jù)容器直徑選?。喝萜髦睆紻N450mm時，厚度=2mm；容器直徑DN4500mm時,厚度=3mm。金屬平墊片厚度一般為36mm。墊片的選擇要綜合考慮操作介質(zhì)的性質(zhì)、操作壓力、操作溫度以及需要密封的程度；對墊片本身要考慮墊片性能，壓緊用的次數(shù)。對高溫高壓的情況一般多采用金屬墊片；中溫中壓可采用金屬和非金屬組合式或非金屬墊片；中低壓情況多采用非金屬墊片；高真空或深冷溫度下以采用金屬墊片為宜。第4章 強(qiáng)度計算4.1筒體壁厚計算計算厚度 （4-1）設(shè)計厚度 （4-2）由工藝設(shè)計給定的設(shè)計溫度160，設(shè)計壓力=0.8，選擇卷制.材料在設(shè)計溫度下時的許用應(yīng)力=141Mpa（假設(shè)厚度為時），取焊縫系數(shù)=0.85,腐蝕裕度C2=2mm.則由式（4-1）和式（4-2）得：計算厚度 設(shè)計厚度 對于Q245R，鋼板負(fù)偏差，根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)取名義厚度，。4.2流體進(jìn)、出口接管直徑管徑 （4-3）水蒸氣進(jìn)出口接管：根據(jù)殼程介質(zhì)取=35m/s，那么由式（4-3）得，經(jīng)圓整采用熱軋無縫鋼管(YB231-64)，實際變化進(jìn)出口管內(nèi)流速循環(huán)水進(jìn)、出口接管：根據(jù)管程介質(zhì)取=1.5m/s，那么經(jīng)圓整采用熱軋無縫鋼管，實際冷卻水進(jìn)、出口管內(nèi)流速為根據(jù)計算結(jié)果，殼體進(jìn)出口接管選用熱軋無縫鋼管(YB231-64)，官箱進(jìn)出口接管選用熱軋無縫鋼管。4.3其他結(jié)構(gòu)尺寸具體結(jié)構(gòu)尺寸從有關(guān)手冊所列標(biāo)準(zhǔn)中查取。表4-1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)封頭名義厚度12mm封頭厚度附加量2mm兩封頭切線間距離6050mm鞍座墊板名義厚度0mm鞍座墊板有效厚度0mm鞍座軸向?qū)挾?0mm鞍座高度200mm鞍座包角120鞍座地腳螺栓個數(shù)2鞍座地腳螺栓公稱直徑20mm鞍座軸線兩側(cè)的螺紋間距330mm鞍座底板中心至封頭距離150mm封頭曲面高度150mm腹板與筋板（小端）組合截面積9500 mm2圓筒平均半徑245mm物料充裝系數(shù)0.854.4支座反力圓筒質(zhì)量（兩曲線間）封頭質(zhì)量（曲面部分） 容器容積（兩切線間） 封頭容積（曲面部分） 附件質(zhì)量 進(jìn)出口接管質(zhì)量 換熱管質(zhì)量 拉桿質(zhì)量 法蘭質(zhì)量 所以附件質(zhì)量 容器總質(zhì)量 容器內(nèi)充液質(zhì)量 支座反力 4.5筒體彎矩4.5.1圓筒中間處截面上的彎矩 （4-4） 由式(4-4)得4.5.2支座處橫截面間彎距 （4-5）由式（4-5）得4.6系數(shù)計算表4-2 系數(shù)計算表4.7筒體軸向應(yīng)力4.7.1軸向應(yīng)力 （4-6） （4-7） （4-8） （4-9）由式（4-6）、（4-7）、（4-8）、（4-9）可得，4.7.2應(yīng)力校核1、許用壓縮應(yīng)力根據(jù)圓筒材料查圖和圖得到 合格 合格 合格2、封頭、圓筒應(yīng)力校核因為 圓筒中 封頭中 封頭 圓筒 封頭 圓筒 合格封頭 合格 4.8鞍座處圓筒周向應(yīng)力圓周的有效寬度 在橫截面最低處在鞍座邊角處 應(yīng)力校核 合格 合格 4.9鞍座應(yīng)力1、水平分力2、腹板水平分力計算高度 鞍座腹板厚度 腹板水平應(yīng)力 應(yīng)力判斷 合格第5章 設(shè)計結(jié)果匯總表5-1 設(shè)計結(jié)果匯總圓筒材料Q245圓筒內(nèi)徑1100mm換熱管規(guī)格25mm2.5mm換熱管長度3m管程數(shù)4根折流擋板個數(shù)19個拉桿規(guī)格12mm封頭材料Q245封頭名義厚度12mm封頭厚度附加量2mm兩封頭切線間距離6050mm鞍座墊板名義厚度0mm鞍座墊板有效厚度0mm鞍座軸向?qū)挾?0mm鞍座高度200mm鞍座包角120鞍座地腳螺栓個數(shù) 2 個鞍座地腳螺栓公稱直徑 20 mm鞍座軸線兩側(cè)的螺紋間距 330 mm鞍座底板中心至封頭距離 150 mm管程設(shè)計溫度 160 管程設(shè)計溫度 260 管程設(shè)計壓力 0.8 （MPa） 殼程設(shè)計壓力 1.6 （MPa）參考文獻(xiàn)1 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計 M .北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010.2 姚玉英.化工原理.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2005.3 T.Kuppan. 換熱器設(shè)計手冊.北京：中國石化出版社，2002.4 GB150-2011，壓力容器 S .5 JB 4731-2005，鋼制臥式容器 S .6 JB4712-2007，容器支座S.7 JB 4715-1992，固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)S.目 錄 第一章 固定管板式換熱器設(shè)計方案的選擇11.1 換熱器類型的選定11.2 本文研究的內(nèi)容21.3 換熱器換熱方式的選擇31.4 流體進(jìn)出口溫度的確定31.5 換熱器材料的選擇3第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計52.1 殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計52.1.1 壁厚的確定52.1.2 管箱殼體壁厚的確定62.1.3 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的設(shè)計72.2 管板與換熱管設(shè)計82.2.1 管板82.3 進(jìn)出口設(shè)計102.3.1 接管的設(shè)計102.3.2 接管外伸長度112.3.3 排氣、排液管112.3.4 接管最小位置122.4 折流板或支持板142.4.1 折流板尺寸142.4.2 折流板和折流板孔徑152.4.3 折流板的布置152.4.4 折流板質(zhì)量計算162.5 防沖擋板172.6 拉桿與定距管182.6.1 拉桿的結(jié)構(gòu)和尺寸182.6.2 拉桿的位置192.6.3 定距管尺寸192.7 鞍座選用及安裝位置確定20第三章強(qiáng)度計算213.1 殼體、管箱殼體和封頭校核213.1.1 殼體體校核213.1.2 管箱殼體校核223.1.3 橢圓封頭校核223.2 接管開孔補(bǔ)強(qiáng)233.2.1 蒸汽進(jìn)出口開孔補(bǔ)強(qiáng)233.2.2 管箱冷卻水接管補(bǔ)強(qiáng)的校核263.3 膨脹節(jié)283.3.1 膨脹節(jié)283.3.2 膨脹節(jié)計算284.4 管板校核314.4.1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)314.4.2 各元件材料及其設(shè)計數(shù)據(jù)324.4.3 管子許用應(yīng)力344.4.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)計算344.4.5 法蘭力矩364.4.6 管子加強(qiáng)系數(shù)384.4.7 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)38第五章結(jié)論41參考文獻(xiàn)42沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章固定管板式換熱器設(shè)計方案的選擇第一章 固定管板式換熱器設(shè)計方案的選擇1.1 換熱器類型的選定 換熱器是化工生產(chǎn)中最為常用的一種機(jī)器，它的主要作用是進(jìn)行幾種介質(zhì)之間的熱量傳遞。常見的熱交換器：熱交換器、浮頭換熱器、固定管板換熱器、管式換熱器、管換熱器、雙殼側(cè)換熱器、多管換熱器、換熱器、折管式換熱器、熱管式換熱器、滑管板換熱器1。 圖1.1 為立式殼程冷凝器和水分配器 如上面所示的殼側(cè)立式冷凝器。后殼側(cè)檔板或板,蒸汽流過沖擊板流從上到下,由底水排放冷凝水。降膜管流的形式,因此低壓冷卻水側(cè)要求;一個大由于水的傳熱系數(shù),所以消費(fèi)更少的水,但水不容易均勻的分布，可在管口安裝一水分配器。圖1.2 為臥式殼程冷凝器 這種冷凝器管程是單向或雙向的。管的長度和直徑的大小,和管道的安排取決于管、殼程傳熱需求。使用雙管程冷凝水可以引出管方之間,這樣我們可以減少液相所覆蓋的區(qū)域也可以降低壓降,在同一時間,減少的數(shù)量的方法第二工藝管道保持恒定的質(zhì)量速度。在這種冷凝器,蒸汽和冷凝物接觸不好,所以沸騰范圍廣泛的蒸汽冷凝是完全不合適的。此外,由于冷凝管道局部填補(bǔ),所以過冷度很低。 根據(jù)設(shè)計要求，所選用的換熱器為四管程固定管板式換熱器。它的應(yīng)用十分之廣泛，且結(jié)構(gòu)堅固，穩(wěn)定性高，適應(yīng)性廣，好制造，生產(chǎn)成本低廉2。1.2 本文研究的內(nèi)容 摘要二甲胺容量為1500 kg / h的固定管板式換熱器的設(shè)計。主要內(nèi)容如下: (1) 類型和類型的熱交換器進(jìn)行調(diào)查和總結(jié)。此類設(shè)備的幾種典型結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹,對固定管板式換熱器的設(shè)計。確定本文的研究路線和內(nèi)容。 (2) 確定換熱器的設(shè)計。選擇合適的換熱器材料基于介質(zhì)。冷熱介質(zhì)在管的分布和殼程。 (3) 設(shè)計條件下的固定管板式換熱器的溫度、壓降和傳熱面積計算與檢查。初步確定換熱器管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布。機(jī)械設(shè)計提供了進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。 (4) 基于GB150、 GB151、換熱器的殼,管和管板強(qiáng)度設(shè)計,進(jìn)行檢查。的作用下在殼程和管程壓力驗算,最后分裂洞加固計算。 (5) 配件如換熱器設(shè)計過程的要點隔膜罐,法蘭、隔板、鞍座、吊耳、電極、清洗系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和選擇。1.3 換熱器換熱方式的選擇 由于所選用的換熱器為四管程固定管板式換熱器，而它的換熱方式大致有并流法、錯流法、平流法和逆流法。并流法與逆流法在平時的生產(chǎn)生活中都非常常見3。考慮到本換熱器的介質(zhì)是水和二甲胺，蒸汽量并不大，而且二甲胺是通過汽化潛熱來交換熱量的，對換熱的能力要求比較高，所以可以選擇逆流法進(jìn)行操作。1.4 流體進(jìn)出口溫度的確定 殼程:二甲胺，入口溫度為49.96、0.9MPa冷凝，流量為1500kg/h。 管程：冷卻水，冷卻水溫度從33升到43、壓力為0.6MPa。 因此冷熱流體之間的交換溫度為 冷卻水入口溫度：33; 冷卻水出口溫度：43。 二甲胺入口溫度：49.96，汽相； 二甲胺出口溫度：49.96，液相；1.5 換熱器材料的選擇 二甲胺是一種劇毒物質(zhì)，還能和氧化劑發(fā)生猛烈的反應(yīng)4。因為二甲胺走殼程，所以對于換熱器管板、殼體、換熱管和折疊板可抗腐蝕可采用0Cr18Ni9不銹鋼。44第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計2.1.1 壁厚的確定 表3-1 碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度公稱直徑400700800100011001500160020020002600浮頭式810121416U型管式810121416固定管板式68101214 表2-2 殼體或管箱殼體厚度DN,mm材料殼程或管程公稱壓力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C1010121616MnR10101012160Cr18Ni966(7)8(9)1420由工藝條件給定的殼程設(shè)計溫度49.96、設(shè)計壓力為0.9MPa，因為在殼程中的是二甲胺蒸氣，壓力不高，腐蝕性大，所以殼程筒體材料可選0Cr18Ni9。筒體用鋼板卷制，取鋼板的厚度負(fù)偏差=0.8mm，腐蝕裕量=1.5mm，筒體采用雙面對接焊接，局部探傷，則焊縫系數(shù)=0.85。在設(shè)計溫度下，0Cr18Ni9的許用應(yīng)力為=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服強(qiáng)度為s=205MPa5。因為，筒體計算厚度可參照GB150-1998用式（2-1）計算 （2-1）式中：Pc計算壓力，MPa； Di圓筒公程直徑，mm； 焊縫系數(shù)； 筒體的計算厚度。 設(shè)計壁厚 由于二甲胺蒸氣的腐蝕強(qiáng)度高，取腐蝕裕量=1.5mm。則 此時負(fù)偏差為C1=0.8mm，則。 名義壁厚 ，可取名義壁厚為10mm。 筒體的有效厚度為 而由表2-1、表2-2知可取殼體和管箱殼體壁厚為10mm。2.1.2 管箱殼體壁厚的確定 管箱法蘭和墊片確定：根據(jù)工藝設(shè)計壓力為0.6MPa，過程的公稱直徑，檢查JBt4703-2000可選長焊頸法蘭lwn1000-1.0fm。材料采用16Mn。同時，根據(jù)管的性質(zhì)和選擇的模型可以選擇JBt4701-2000法蘭石棉橡膠墊片。 箱殼體壁厚的確定： 管程的設(shè)計壓力為0.6MPa設(shè)計溫度為70查GB150-1998知，筒節(jié)材料都采用16MnR，設(shè)計壓力，用式（3-1）計算 設(shè)計厚度： 名義壁厚: ，名義壁厚可以取10mm6。 筒體的有效厚度為 而由表2-1和表2-2知可取管箱殼體壁厚為10mm。2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的設(shè)計 標(biāo)準(zhǔn)封頭的厚度確定： 橢圓形封頭是由長短半軸分別由a，b的半橢圓和高度為ho的短圓筒（通稱為直邊）兩部分構(gòu)成的7。直邊的功能主要是為了確保封頭的生產(chǎn)質(zhì)量以及免除筒體和封頭之間的環(huán)向焊縫處產(chǎn)生邊緣應(yīng)力的作用。 表2-3 封頭厚度DN,mm材料殼程或管程公稱壓力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C1010121416MnR10101012160Cr18Ni966101218 表2-4 標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形封頭直邊高度ho(mm)封頭材料碳素鋼、普低鋼、復(fù)合鋼板不銹鋼封頭壁厚4810182039101820直邊高度254050254050 而對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.00，故 設(shè)計厚度： 名義壁厚：，可取名義壁厚為10mm。 有效厚度： 由表2-3、表2-4殼體和管箱殼體的尺寸結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇的封頭為DN=1000mm，材料為Q235-A，封頭厚度10mm，直邊高度為40mm。查標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭JB/T4737-95得曲邊高度為250mm，內(nèi)表面積，容積，質(zhì)量。2.2 管板與換熱管設(shè)計2.2.1 管板 管板結(jié)構(gòu)：下面圖中是固定式管板式換熱器同時也是法蘭的管板，管板和法蘭之間相連的密封面是凸面，分程的隔板槽的拐角之處，倒角是1045。圖2-1 堆焊管板結(jié)構(gòu)圖2-1是堆焊不銹鋼管板，堆焊管板應(yīng)該首先進(jìn)行堆焊，之后在鉆管孔。 管板尺寸：管板尺寸如圖2-2。根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器中的規(guī)則，碳鋼、低合金鋼固定管板式換熱器的管板（16Mn鍛件）在PN1MPa、DN=1000的管板尺寸見表2-59。圖2-2 管板尺寸圖（用于殼程PN1.0MPa) 表2-5 DN=1000管板尺寸表PsMPaPtMPaDD1D2 D3D4D5RhCD2螺柱（栓）hfb規(guī)格數(shù)量0.61.01140110010659971052100014.523M20484656管板與換熱管只能采用焊接的形式連接。 換熱管的排列：換熱管的排列型式：三角形換熱管中心距：對于換熱管外徑為25mm的管子，換熱管中心距取32mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距為44mm。布管限定圓DL：布管限定圓其實就是管束的最外層換熱管的中心圓直徑，固定管板式的布管限定圓應(yīng)該按DL=Di-2b3確定。而這里面的Di是換熱管筒體的內(nèi)直徑；b3是固定管板換熱器管束最外層換熱管從外表面到殼體內(nèi)壁的最小距離，b3=0.25d并且要大于等于8mm；DL是布管的限定圓直徑。 圖2-2 布管示意圖 由之前的條件知b3=0.25d=0.2525=6.25mm取8mm 則DL=Di-2b3=1000-28=984mm。2.3 進(jìn)出口設(shè)計2.3.1 接管的設(shè)計 殼程流體進(jìn)口接管：取接管內(nèi)氣體流速為，則接管內(nèi)徑為 約等之后取接管的內(nèi)徑為400mm。 管程流體的進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)的液體流速是，接管內(nèi)徑就是 圓整后可取接管內(nèi)徑為350mm。2.3.2 接管外伸長度 接管外伸長度可由表2-6的數(shù)據(jù)選取 表2-6 PN3006006009009001200120015001500折流板最小厚度10005681012162.4.2 折流板和折流板孔徑換熱管級管束（適用于碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱器）折流板或支持板管孔直徑及允許偏差應(yīng)符合表2-8。 表3-8 折流板或支持板管孔直徑及允許偏差換熱管外徑或無支撐跨距d32或l900l900且d32管孔直徑d+0.8d+0.4允許偏差+0.40 折流板直徑及允許偏差： 表2-9 折流板直徑及允許偏差公稱直徑DN4004005005009009001300130017001700200020002300kg/(ms2)者；（2）其他液體，包括沸點下的液體，u2740kg/(ms2)者；2.6 拉桿與定距管2.6.1 拉桿的結(jié)構(gòu)和尺寸 拉桿的結(jié)構(gòu)型式： 選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。 拉桿的尺寸：圖2-8 拉桿連接尺寸 拉桿的長度L按實際需要確定，拉桿的連接尺寸由圖2-8和表2-10確定。 表2-10 拉桿的尺寸拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑dnLaLbb101013401.5121215502.0161620602.0 拉桿的直徑和數(shù)量：拉桿直徑和數(shù)量按表2-11和表2-12選用。 表2-11 拉桿直徑選用表換熱管外徑d10d1414d2525d57拉桿直徑dn101216 表2-12 拉桿數(shù)量選用表拉桿直徑dn，mm殼體公稱直徑d，mm40040070070090090013001300150015001800180020002000230023006.4mm，所以 DG=墊片接觸面外徑-2b=1044-210=1024mm 面積： 管板布管區(qū)三角排列面積 殼程圓筒內(nèi)徑面積 殼程圓筒金屬橫截面積 查GB151附錄J得：一根換熱管金屬橫截面積 則 管板開孔后的面積 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑： 系數(shù)計算： 按GB150-1998第9章,則查表9-5得殼體法蘭應(yīng)力系數(shù) Y=14.863.4.5 法蘭力矩 基本法蘭力矩： 管程壓力操作工況下法蘭力矩Mp： 換熱管與殼體圓筒的熱膨脹應(yīng)變形差： 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： 法蘭寬度 查GB151-1999中的圖26得=0.0004 3.4.6 管子加強(qiáng)系數(shù) 管子厚度： 已知管板名義厚度 管殼兩側(cè)腐蝕裕度為1.5mm，焊接結(jié)構(gòu)槽深為3mm 則管板有效厚度=56-3-1.5=51.5mm 換熱管有效長度 管子加強(qiáng)系數(shù)： 管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度： 3.4.7 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) 殼體法蘭與圓筒旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： 已知殼體法蘭（管板延長部分）厚度 查GB151-1999中的圖26得=0.0004 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)： 確定系數(shù)： 由K=4.9， 查圖GB151-1999圖27管板第一彎矩系數(shù)=0.07；圖29得=4.7 查圖GB151-1999圖28管板第一彎矩系數(shù)=4.7；圖30得=0.15 則確定的各系數(shù)如下： 第五章結(jié)論 換熱器固定管板的設(shè)計，可以充分滿足主體材料、技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)的要求，在正常工作條件下保證給定工作介質(zhì)，并具有一定的余量。 經(jīng)工藝計算、強(qiáng)度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并考慮了上述標(biāo)準(zhǔn)中推薦的各管件、標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格，最終確定各主要零部件的規(guī)格尺寸如下： 換熱管規(guī)格為252.5、單根管長3m，換熱管總計724根；殼體和管箱的內(nèi)徑和壁厚均相同，分別為1100mm和10mm；管板厚度為56mm；采用了EHA 1000的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，圓缺高度為200 mm的弓形折流板； 選用了BI型鞍形支座；冷、熱流體進(jìn)出口接管直徑分別為37010mm和4206mm。 總體結(jié)構(gòu)匯總與裝配圖上，某些細(xì)部尺寸標(biāo)識于相應(yīng)零部件圖中。 由于接管選用的厚度較大，避免了開孔補(bǔ)強(qiáng)。但鑒于給定的工作介質(zhì)屬易燃易爆物質(zhì)，故建議在水壓試驗合格的基礎(chǔ)上，尚需通過氣密性試驗。 固定管板換熱器系統(tǒng)的工作條件是由給定的主材料、工作介質(zhì)和相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)所限制的，特別應(yīng)注意其管內(nèi)清洗比較困難的特點。 為了保證所設(shè)計的換熱器的安全、正常運(yùn)行，必須嚴(yán)格按照殼管換熱器的生產(chǎn)、檢查、安裝和維修的具體要求，進(jìn)行合理的設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 朱聘冠. 換熱器原理及計算M. 北京：清華大學(xué)出版社，1987:49.2 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司. 化工工藝設(shè)計手冊上冊M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版 社，2003:135.3 史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計M. 北京：東南大學(xué)出版社，1996:16.4 莊俊，徐通明，石壽椿. 熱管與熱管換熱器M. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1987:27.5 董大勤. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990:94.6 朱有庭，曲文海，于浦義. 化工設(shè)備設(shè)計手冊 M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:152.7 鄭津洋，董其伍，桑芝富. 過程設(shè)備設(shè)計（2版）M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版,2005:276.8 譚天恩，麥本熙，丁惠華. 化工原理（三版）M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006:7.9 匡國柱，史啟才. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002:12.10 Brownell,L.E,YoungE.H.Process Equipment Design-Vessel DesignM.New York: John Wiley &Sons,1959:157.11 Jacobs P. 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