四管程固定管板式換熱器的設(shè)計(jì),管程,固定,板式,換熱器,設(shè)計(jì) 第1章 工藝設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)取出發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助動(dòng)力裝置在運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(jì)課題 設(shè)計(jì)一臺(tái)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算傳熱面積 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)際排出113根。與上述計(jì)算相符。因此實(shí)際管數(shù)取N=113根。 圖2-1 換熱管排布圖 2.5.4計(jì)算實(shí)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(shí)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(jì)算： （2-8） 串聯(lián)殼程數(shù)，管程數(shù)。對(duì)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(duì)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(jì)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(duì)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(jì)合理。 第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外對(duì)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(duì)常用的圓缺型擋板，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會(huì)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(duì)殼程的流動(dòng)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(duì)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0.2～1.0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(duì)焊法蘭，選用壓力范圍為 本設(shè)計(jì)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(shí)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(chǎng)合。在現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，甲型平焊法蘭只有四個(gè)壓力等級(jí)（），公稱直徑的適用范圍也較?。ǎ?，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(duì)于潔凈的流體管徑可取小些，但對(duì)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Φ25×2.5和Φ19×2.5兩種規(guī)格，對(duì)于一般流體是適用的。此外還有Φ38×2.5，Φ57×2.5的無縫鋼管。本設(shè)計(jì)選用Φ25×2.5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(shí)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3～4.5。本設(shè)計(jì)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(duì)亦結(jié)垢流體更為適用。本設(shè)計(jì)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(hào)A）和重型（代號(hào)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(hào)F）和滑動(dòng)式（代號(hào)S）兩種。 3．鞍式支座適用于臥式容器直徑DN300～450（用無縫管件筒體）、300～4000（用卷制筒體）的范圍內(nèi)。 本設(shè)計(jì)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(shí)，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(jià)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(jì)壓力不大于35MPa，對(duì)于超出規(guī)定的，應(yīng)進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過研究以后決定。 3.鋼材的使用溫度不超過各鋼號(hào)許用應(yīng)力中所對(duì)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(shí)，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(shí)，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04％，對(duì)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(yàn)。 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(duì)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(duì)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N≤450mm時(shí)，厚度δ=2mm；容器直徑DN〉4500mm時(shí),厚度δ=3mm。金屬平墊片厚度一般為3～6mm。 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(duì)墊片本身要考慮墊片性能，壓緊用的次數(shù)。對(duì)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(jì)算 4.1筒體壁厚計(jì)算 計(jì)算厚度 （4-1） 設(shè)計(jì)厚度 （4-2） 由工藝設(shè)計(jì)給定的設(shè)計(jì)溫度160，設(shè)計(jì)壓力==0.8，選擇卷制.材料在設(shè)計(jì)溫度下時(shí)的許用應(yīng)力=141Mpa（假設(shè)厚度為時(shí)），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(jì)算厚度 設(shè)計(jì)厚度 對(duì)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(shí)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(shí)際冷卻水進(jìn)、出口管內(nèi)流速為 根據(jù)計(jì)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(cè)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 12 mm 封頭厚度附加量 2 mm 兩封頭切線間距離 6050 mm 鞍座墊板名義厚度 0 mm 鞍座墊板有效厚度 0 mm 鞍座軸向?qū)挾? 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地腳螺栓個(gè)數(shù) 2 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 封頭曲面高度 150 mm 腹板與筋板（小端）組合截面積 9500 mm2 圓筒平均半徑 245 mm 物料充裝系數(shù) 0.85 4.4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(jì)算 表4-2 系數(shù)計(jì)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?yàn)? 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(jì)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(jì)結(jié)果匯總 表5-1 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 圓筒材料 Q245 圓筒內(nèi)徑 1100 mm 換熱管規(guī)格 Φ25mm×2.5mm 換熱管長度 3 m 管程數(shù) 4 根 折流擋板個(gè)數(shù) 19 個(gè) 拉桿規(guī)格 Φ12mm 封頭材料 Q245 封頭名義厚度 12 mm 封頭厚度附加量 2 mm 兩封頭切線間距離 6050 mm 鞍座墊板名義厚度 0 mm 鞍座墊板有效厚度 0 mm 鞍座軸向?qū)挾? 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地腳螺栓個(gè)數(shù) 2 個(gè) 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(jì)溫度 160 ℃ 管程設(shè)計(jì)溫度 260 ℃ 管程設(shè)計(jì)壓力 0.8 （MPa） 殼程設(shè)計(jì)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(jì) [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(jì)手冊(cè).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(jì)方案的選擇 1 1.1 換熱器類型的選定 1 1.2 本文研究的內(nèi)容 2 1.3 換熱器換熱方式的選擇 3 1.4 流體進(jìn)出口溫度的確定 3 1.5 換熱器材料的選擇 3 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.1 殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計(jì) 5 2.1.1 壁厚的確定 5 2.1.2 管箱殼體壁厚的確定 6 2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的設(shè)計(jì) 7 2.2 管板與換熱管設(shè)計(jì) 8 2.2.1 管板 8 2.3 進(jìn)出口設(shè)計(jì) 10 2.3.1 接管的設(shè)計(jì) 10 2.3.2 接管外伸長度 11 2.3.3 排氣、排液管 11 2.3.4 接管最小位置 12 2.4 折流板或支持板 14 2.4.1 折流板尺寸 14 2.4.2 折流板和折流板孔徑 15 2.4.3 折流板的布置 15 2.4.4 折流板質(zhì)量計(jì)算 16 2.5 防沖擋板 17 2.6 拉桿與定距管 18 2.6.1 拉桿的結(jié)構(gòu)和尺寸 18 2.6.2 拉桿的位置 19 2.6.3 定距管尺寸 19 2.7 鞍座選用及安裝位置確定 20 第三章強(qiáng)度計(jì)算 21 3.1 殼體、管箱殼體和封頭校核 21 3.1.1 殼體體校核 21 3.1.2 管箱殼體校核 22 3.1.3 橢圓封頭校核 22 3.2 接管開孔補(bǔ)強(qiáng) 23 3.2.1 蒸汽進(jìn)出口開孔補(bǔ)強(qiáng) 23 3.2.2 管箱冷卻水接管補(bǔ)強(qiáng)的校核 26 3.3 膨脹節(jié) 28 3.3.1 膨脹節(jié) 28 3.3.2 膨脹節(jié)計(jì)算 28 4.4 管板校核 31 4.4.1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 31 4.4.2 各元件材料及其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 32 4.4.3 管子許用應(yīng)力 34 4.4.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算 34 4.4.5 法蘭力矩 36 4.4.6 管子加強(qiáng)系數(shù) 38 4.4.7 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(jì)方案的選擇 第一章 固定管板式換熱器設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(jì)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(jiān)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(jì)。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(duì)固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)。確定本文的研究路線和內(nèi)容。 (2) 確定換熱器的設(shè)計(jì)。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(jì)條件下的固定管板式換熱器的溫度、壓降和傳熱面積計(jì)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(jì)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(jì),進(jìn)行檢查。的作用下在殼程和管程壓力驗(yàn)算,最后分裂洞加固計(jì)算。 (5) 配件如換熱器設(shè)計(jì)過程的要點(diǎn)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(jì)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(cuò)流法、平流法和逆流法。并流法與逆流法在平時(shí)的生產(chǎn)生活中都非常常見[3]?？紤]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(duì)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?yàn)槎装纷邭こ?，所以?duì)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(jì) 2.1 殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計(jì) 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 400~≤700 >800~≤1000 >1100~≤1500 >1600~≤200 >2000~≤2600 浮頭式 8 10 12 14 16 U型管式 8 10 12 14 16 固定管板式 6 8 10 12 14 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，MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 厚度，mm 1000 Q235-A/B/C 10 10 12 16 —— —— 16MnR 10 10 10 12 16 —— 0Cr18Ni9 6 6(7) 8(9) 14 20 —— 由工藝條件給定的殼程設(shè)計(jì)溫度49.96℃、設(shè)計(jì)壓力為0.9MPa，因?yàn)樵跉こ讨械氖嵌装氛魵猓瑝毫Σ桓?，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(duì)接焊接，局部探傷，則焊縫系數(shù)φ=0.85。在設(shè)計(jì)溫度下，0Cr18Ni9的許用應(yīng)力為[σ]=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服強(qiáng)度為σs=205MPa[5]。 因?yàn)椋搀w計(jì)算厚度可參照GB150-1998用式（2-1）計(jì)算 （2-1） 式中：Pc——計(jì)算壓力，MPa； Di——圓筒公程直徑，mm； φ——焊縫系數(shù)； δ——筒體的計(jì)算厚度。 設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)壓力為0.6MPa，過程的公稱直徑，檢查JB／t4703-2000可選長焊頸法蘭lwn1000-1.0fm。材料采用16Mn。同時(shí)，根據(jù)管的性質(zhì)和選擇的模型可以選擇JB／t4701-2000法蘭石棉橡膠墊片。 箱殼體壁厚的確定： 管程的設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa設(shè)計(jì)溫度為70℃查GB150-1998知，筒節(jié)材料都采用16MnR，設(shè)計(jì)壓力，用式（3-1）計(jì)算 設(shè)計(jì)厚度： 名義壁厚: ，名義壁厚可以取10mm[6]。 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(jì) 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，MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 厚度，mm 1000 Q235-A/B/C 10 10 12 14 —— —— 16MnR 10 10 10 12 16 —— 0Cr18Ni9 6 6 10 12 18 —— 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 4~8 10~18 ≥20 3~9 10~18 ≥20 直邊高度 25 40 50 25 40 50 而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.00，故 設(shè)計(jì)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(jì) 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(shí)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10×45°。 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PN≤1MPa、DN=1000的管板尺寸見表2-5[9]。 圖2-2 管板尺寸圖（用于殼程PN<1.0MPa) 表2-5 DN=1000管板尺寸表 Ps MPa Pt MPa D D1 D2 D3 D4 D5 R h C D2 螺柱（栓） hf b 規(guī)格 數(shù)量 0.6 1.0 1140 1100 1065 997 1052 1000 14.5 23 M20 48 46 56 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(duì)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(shí)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=0.25×25=6.25mm取8mm 則DL=Di-2b3=1000-2×8=984mm。 2.3 進(jìn)出口設(shè)計(jì) 2.3.1 接管的設(shè)計(jì) 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 PN<4.0MPa的接管外伸長度 Δ DN 0~50 51~75 76~100 101~125 126~150 151~175 176~200 350 250 250 250 250 250 300 300 400 250 250 250 250 300 300 300 由于是冷凝器，不需要設(shè)置保溫層故δ=0mm。因此殼程接管外伸長度為250mm，管程接管外伸長度為250mm。 2.3.3 排氣、排液管 想要讓傳熱的效率更高，排掉的或是收回的工作殘液（氣）及凝液，只要是不能借助別的接管排氣或排液的換熱設(shè)備，都必須要在它的殼程和管程的最高、最低點(diǎn)，同時(shí)安置排氣、排液接管。排氣、排液接管的盡頭部位也必須和殼體或管箱殼體內(nèi)壁一平，它的結(jié)構(gòu)就是下圖現(xiàn)實(shí)的樣子。排氣口和排液口的尺寸一般情況下大于或者等于φ15mm。換熱器管里面是蒸汽，所以排氣、排液孔可采用（a）的結(jié)構(gòu)[10]。 圖2-3 換熱器排液、排氣接管結(jié)構(gòu) 2.3.4 接管最小位置 殼程接管位置的最小距離： 圖2-4 殼程接管位置 殼程接管位置的最小尺寸，見圖2-4，可按式（2-2a）、（2-2b）進(jìn)行計(jì)算： 帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm （2-2a） 不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm （2-2b） 式中： b，hf——管板厚度，mm； L1——?dú)こ探庸芪恢米钚〕叽?，mm； C——補(bǔ)強(qiáng)圈外緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，為管外壁）到管板（或法蘭）和殼體的連接焊縫之間的距離；取C≥4S（S為管箱殼體厚度，mm），且≥30mm。 DH——補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm； dH——接管外徑，mm。 取C=80mm。 殼程接管不帶補(bǔ)強(qiáng)圈，故殼程接管位置的最小尺寸為 ，取L1=340mm。 管箱接管尺寸的最小位置： 圖2-5 管箱接管位置 在管箱噴嘴位置的最小尺寸，見圖3-5，可以用公式計(jì)算（2-3a），（2-3）： 帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm （2-3a） 不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm （2-3b）式中： b，hf——管板厚度，mm； L2——?dú)こ?管箱接管位置最小尺寸，mm； C——補(bǔ)強(qiáng)圈外緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm；取C≥4S（S為管箱殼體厚度，mm），且≥30mm。 DH——補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm； dH——接管外徑，mm。 取C=80mm。 管箱接管不帶補(bǔ)強(qiáng)圈，故管箱接管位置的最小尺寸為： 取 =380mm。 2.4 折流板或支持板 2.4.1 折流板尺寸 弓形折流板的缺口高度： h=200mm 折流板最小厚度： 表2-7 折流板最小厚度 公稱直徑DN 換熱管無支撐跨距l(xiāng) ≤300 >300~600 >600~900 >900~1200 >1200~1500 1500 折流板最小厚度 1000 5 6 8 10 12 16 2.4.2 折流板和折流板孔徑 換熱管Ⅰ級(jí)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 d>32或l≤900 l>900且d≤32 管孔直徑 d+0.8 d+0.4 允許偏差 +0.4 0 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 DN <400 400~ <500 500~ <900 900~< 1300 1300~ <1700 1700~ <2000 2000~ <2300 2300~ ≤2600 折流板 名義直徑 DN-2.5 DN-3.5 DN-4.5 DN-6 DN-8 DN-10 DN-12 DN-14 折流板外直徑允許偏差 0 -0.5 0 -0.8 0 -1.2 0 -1.4 0 -1.6 2.4.3 折流板的布置 一般應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)出口接管，其余折流板按等距離布置，靠近管板的折流板與管板間的距離如圖2-6， 圖2-6 流板與管板間距 其尺寸可按式（2-4）計(jì)算： （2-4） 式中： L1為殼程接管位置的最小尺寸； B2是防沖板的長度，如果沒有設(shè)置防沖板，可以取B2=di。當(dāng)器、臥式換熱器和重沸器的殼程的介質(zhì)是氣、液相共存或者是液體中含有固體物料的時(shí)候，折流板的缺口應(yīng)當(dāng)是左右垂直的進(jìn)行布置，而且要在折流板的最低處預(yù)留一個(gè)通液口。 2.4.4 折流板質(zhì)量計(jì)算 折流板質(zhì)量按下式進(jìn)行計(jì)算： （2-5） 式中：Q——折流板質(zhì)量，kg； Da——折流板外圓直徑，mm； Af——折流板或支持板切去部分的弓形面積，Af=Da2×C，mm； C[1]——系數(shù)，由ha/Da可查表。 ha——折流板或支持板切去的弓形高度，mm； d1——管孔直徑，mm； d2——拉桿孔直徑，mm； n1——管孔數(shù)量； n2——拉桿空數(shù)量； δ——折流板或支持板厚度，mm。 ——折流板或支持板密度，kg/。 由（2-5）式得Q=16kg。 2.5 防沖擋板 材料為了防止殼程進(jìn)口的流體交換熱管直接的進(jìn)行表面沖刷,應(yīng)該在殼程入口管安置防沖板。在垂直熱交換器,為了快速和液體培養(yǎng)基更流入管,以防止流體入口沖洗,并減少死區(qū)遠(yuǎn)離接管,提高傳熱效果,也可考慮在殼程的進(jìn)口設(shè)置導(dǎo)流管。設(shè)置沖擊板和導(dǎo)流管的條件: 腐蝕或磨蝕、氣體、蒸汽和天然氣液體混合物應(yīng)該與影響; 對(duì)于液體物料，當(dāng)殼程進(jìn)口處流體的ρu2（ρ為流體密度，kg/m3；u為流體流速，m/s）為下列數(shù)值時(shí)，應(yīng)在殼程進(jìn)口處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍病? （1）非腐蝕性、非磨蝕性的單相液體，ρu2>2300kg/(m·s2)者； （2）其他液體，包括沸點(diǎn)下的液體，ρu2>740kg/(m·s2)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(shí)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dn La Lb b 10 10 13 ≥40 1.5 12 12 15 ≥50 2.0 16 16 20 ≥60 2.0 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d 10≤d≤14 146.4mm，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(jì)算： 按GB150-1998第9章,則查表9-5得殼體法蘭應(yīng)力系數(shù) Y=14.86 3.4.5 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δ=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?dú)んw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(jì)，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(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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Φ25×2.5、單根管長3m，換熱管總計(jì)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Φ370×10mm和Φ420×6mm。 總體結(jié)構(gòu)匯總與裝配圖上，某些細(xì)部尺寸標(biāo)識(shí)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(yàn)合格的基礎(chǔ)上，尚需通過氣密性試驗(yàn)。 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(diǎn)。 為了保證所設(shè)計(jì)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(jì)。 參考文獻(xiàn) [1] 朱聘冠. 換熱器原理及計(jì)算[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1987:49. 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