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1、西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 IV Φ900固定管板換熱器的設計 摘要：換熱器在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準，形成了系列。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、

2、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器既可是一種單元設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換器的噸位約占整個工藝設備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。因此，設計和選擇得到使用、高效的換熱器對降低設備的造價和操作費用具有十分重要的作用。 關鍵詞：換熱器；應用廣泛；單元設備 過控0701 王海全 Φ900 fixed tube sheet heat exchanger design su

3、mmary：Heat exchanger in oil, chemical industry, light industry, pharmaceuticals, energy, industrial production, often require or fluid cooling high-temperature low temperature fluid heating, steam or liquid turns into steam condensing into a liquid. These processes and heat transfer are closely link

4、ed, which can be done by heat exchangers. With the development of the economy, various types and kinds of heat exchangers is developing rapidly, new structures, new materials for heat exchanger are emerging. In order to meet the needs of development, my country has established a standard of some kin

5、d of heat exchangers, forming a series. Broad application of heat exchanger, heating with in everyday life of heating radiator, condenser of steam turbine plant and the oil cooler on the space rocket, are heat exchangers. It is also widely used in chemical industry, petroleum, power and Atomic Energ

6、y and other industrial sectors. Its main function is to ensure that process on specific temperature required by media, but also one of the main equipment energy efficiency. But a unit of heat exchangers, such as heaters, coolers and condensers; but also a part of the process equipment, such as heat

7、exchangers in ammonia synthesis Tower. Heat exchanger is an important unit of chemical production equipment, according to statistics, the tonnage of about the whole process of heat exchange equipment for 20% and some even as high as 30%, its importance can be well imagined. Therefore the design and

8、choose to use, efficient heat exchanger to reduce equipment costs and operation costs have a very important role. Keywords: heat exchanger; applied widely; unit equipment 目錄 第一章 緒論 1 第二章 固定管板換熱器工藝設計 2 2.1確定物性數(shù)據(jù) 2 2.2固定管板換熱器結(jié)構(gòu) 2 2.3估算傳熱面積及冷卻水用量 3 2.4工藝尺寸 3 2.4.1傳熱管 4 2.4.2平均傳熱溫差校正及殼程 5 2

9、.4.3折流板 5 2.4.4拉桿 5 2.4.5接管 6 2.5換熱器核算 6 2.5.1熱流量核算 6 2.5.2壁溫核算 8 第三章 固定管板換熱器機械設計 10 3.1殼體與封頭的確定 10 3.1.1殼體和封頭的材料選擇 10 3.1.2圓筒殼體的厚度計算 10 3.1.3封頭厚度以及管箱計算 10 3.2管板設計 12 3.3殼體法蘭、管箱法蘭及墊片 12 3.4接管法蘭及墊片 13 3.5開孔補強 14 3.5.1 前端管箱開孔補強 14 3.5.2殼體開孔補強 17 3.6接管的最小位置 19 3.6.1殼程接管位置 19 3.6.2管箱接

10、管位置 20 3.7膨脹節(jié) 20 3.8水壓試驗 21 3.9換熱管 22 3.9.1換熱管的排列方式 22 3.9.2換熱管束的分程 23 3.9.3換熱管與管板的連接 23 3.10防沖板 23 3.11折流板 24 3.11.1折流板的型式和尺寸 24 3.11.2折流板的布置 25 3.12拉桿與定距管 25 3.13管程分程隔板 26 3.14鞍座 26 3.14.1鞍座形式及尺寸 26 3.14.2 鞍座的安裝位置 27 3.15 吊耳 28 3.16軟件校核 28 第四章 制造技術(shù)條件 48 4.1 總則 48 4. 2 材料 48 4.

11、2.1 板材 48 4.2.2 鍛件 48 4. 2.4 螺柱和螺母 49 4. 2.5 焊接材料 49 4. 2.6 其它要求 49 4．3制造、檢驗與驗收 49 4.3.1冷彎加工成形 49 4.3.2 焊接 49 4.3.3 無損檢測 50 4.4水壓試驗和氣密性試驗 50 4.5 銘牌 50 4.6設備涂漆 51 4.7 其他要求 51 結(jié)論 52 致謝 53 參考文獻 54 西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 第一章 緒論 換熱設備(或稱換熱器或稱熱交換器)就是用來實現(xiàn)熱量傳遞。在石油、化學工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高

12、溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量的傳遞有著密切的關系，因而全都可以通過換熱設備來完成。當把換熱設備用于上述不同過程時，通常把它們分別叫做加熱器，冷卻器，汽化器和冷凝器。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設置了若干折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當

13、位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應力。固定管板式換熱器的特點是：滲流較?。辉靸r低；無內(nèi)漏；固定管板式換熱器的缺點是：殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，不適用于殼程易結(jié)垢場合。 近年來，國內(nèi)已經(jīng)進行了大量的強化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與

14、國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實際推廣和應用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進行研究，使我國換熱器技術(shù)從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設備使用廠家勇于引進和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻。 第二章 固定管板換熱器工藝設計 2.1確定物性數(shù)據(jù) 循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，液體走殼程。 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進口溫度的平均值。故殼程混合液體的定性溫度為： T==90(℃) 管程流體的定性溫度為：t=

15、=35(℃) 殼體液體在90℃下的有關特性數(shù)據(jù)如下： 密度 825Kg/; 定壓比熱容： Cp0=2.22KJ/KJ℃; 熱導率 =0.140W/m℃; 黏度=0.000715Pas; 循環(huán)冷卻水在35℃下的特性數(shù)據(jù)： 密度 Kg/; 定壓比熱容=4.08KJ/KJ℃; 熱導率=0.626W/m℃; 黏度=0.000725Pas; 2.2固定管板換熱器結(jié)構(gòu) 固定管板換熱器可依據(jù)膨脹節(jié)分為帶膨脹節(jié)（圖2-1）和不帶膨脹節(jié)（圖2-2）兩種形式。帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器主要用在溫差較大的設備中。

16、 圖2-1 帶膨脹節(jié)固定管板換熱器 圖2-2 無膨脹節(jié)的固定管板換熱器 2.3估算傳熱面積及冷卻水用量 1熱流量 取殼程接管內(nèi)徑D1=100mm，管內(nèi)液體流速=1.5m/s則 該液體質(zhì)量流量=9.71 kg/s 依據(jù)式（3-1）有 ==9.71×2.22×(140-40)=2155.62kw 2平均傳熱溫度 先按純逆流計算，依《化工單元過程及設備課程設計》式（3-6）得 3傳熱面積 查《化工單元過程及設備課程設計》表3-1取K=250則估算的傳熱面積為： 4冷卻水用量 依《化工單元過程及設備課程設計》式（3-5）得

17、： 2.4工藝尺寸 2.4.1傳熱管 1管徑和管內(nèi)流速 選用較高級冷傳熱管（碳鋼），取傳熱管管內(nèi)流ui速=0.85m/s。 2傳熱管數(shù) 依據(jù)《化工單元過程及設備課程設計》式（3-9）可得傳熱管內(nèi)徑和流速以及確定單程傳熱管數(shù) 取ns=200根 按單程管計算，所需的傳熱管長度為： 按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設計實際情況，采用非標準設計，現(xiàn)取傳熱管長l=7m,則該換熱器的管程數(shù)為： 傳熱管總根數(shù)。 3傳熱管排列和分程方法 采用組合排列方法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)用矩形排列。見《化工單元過程及設備課程設計》如圖2-1管心

18、距t=1.25d0則 t=1.25×25=31.2532mm 隔板中心到距離其最近的一排管中心距離按《化工單元過程及設備課程設計》式（3-16）計算 ： 各程相鄰的管心距為2×22=44mm; 圖2-1 正三角形排列 每程各有傳熱管200根，其前后管箱中隔板設置和介質(zhì)的流通順序按《化工單元過程及設備課程設計》圖（3-14）選取。殼體內(nèi)徑D=900 mm。 2.4.2平均傳熱溫差校正及殼程 平均傳熱溫差校正系數(shù)按式（3-13a）和式（3-13b）有 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查《化工單元過程及設備課程設計》圖3-9得平均傳熱溫差：

19、 由于平均傳熱差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程液體流量較大，幫取單殼程合適。 2.4.3折流板 采用弓形折流板，折流板切去的圓缺高度取為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為： h=0.25d0=0.25×900=225mm,故可取h=225mm。 折流板間距B=0.3D，則 B=0.3D =0.3×900=270mm,可取B為300mm 折流板圓缺面水平裝配，見《化工單元過程及設備課程設計》圖3-15。 2.4.4拉桿 拉桿數(shù)量與直徑按《化工單元過程及設備課程設計》表4-7和表4-8選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm,其拉桿直徑為16mm，其有6根拉桿。 2.4.5接管

20、 殼程流體進出口接管內(nèi)液體流速為u1=1.5m/s,則接管內(nèi)徑為100mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=3m/s,則接管內(nèi)徑為 圓整取管程接管內(nèi)徑為150mm。 2.5換熱器核算 2.5.1熱流量核算 1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算，見《化工單元過程及設備課程設計》式（3-22） 當量直徑，依《化工單元過程及設備課程設計》式（3-23b）得: 殼程流通截面積，依《化工單元過程及設備課程設計》式（3-25） 殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為: 普朗特數(shù)： 黏度校正 2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按《化工單元過程及設備課

21、程設計》式（3-32）和式（3-33）有 管程流體流通截面積: 管程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為: 普朗特數(shù)： 3污垢熱阻和管壁熱阻 按《化工單元過程及設備課程設計》表3-10，可?。? 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按《化工單元過程及設備課程設計》式(3-34）計算，依據(jù)《化工單元過程及設備課程設計》表3-11，碳鋼在該條件下的熱導率約為46W/(mK)。 由，式中b為傳熱管壁厚，為管壁熱導率，則 4傳熱系數(shù) 依《化工單元過程及設備課程設計》式（3-21） 得, 5傳熱面積裕度 依《化工單元過程及設備課程設計》式(3

22、-35)可得所計算傳熱面積Ac為 實際傳熱面積A： 該換熱器的面積裕度按《化工單元過程及設備課程設計》式3-36）計算為 該傳熱面積裕度在15%到20%之間，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。 2.5.2壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻小，故管壁溫度可按《化工單元過程及設備課程設計》式（3-42）計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽浚⊙h(huán)冷卻水進口溫度為15℃，出口溫度為40℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)圬垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算

23、中，應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，按《化工單元過程及設備課程設計》式（3-42）有 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別按《化工單元過程及設備課程設計》式（3-44）和式（3-45）計算為： 為冷流體進口溫度，為冷流體出口溫度；為熱流體進口溫度，為熱流體出口溫度，℃。 傳熱管平均溫度： 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T==90 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： 該溫差較大，故需設溫度補償裝置。由于該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫差較大，但是工作壓力不高，因此確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器。 第三章 固定

24、管板換熱器機械設計 在確定換熱器面積后，應進行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設計和強度計算，主要包括殼體和封頭的厚度計算，材料的選擇、管板厚度的計算、法蘭的選取，開孔補強計算，還有主要構(gòu)件的設計（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（管板和管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接）等，具體計算如下： 3.1殼體與封頭的確定 根據(jù)給定的流體和進出口溫度，選擇殼程設計溫度為200，設計壓力為1.6Mpa。選擇管程設計溫度為100，設計壓力為1.6Mpa。 3.1.1殼體和封頭的材料選擇 由于所設計的換熱器屬于常規(guī)容器，在生產(chǎn)成本、使用條件等綜合考慮，選擇20R為殼體與封頭的制造材料

25、。 3.1.2圓筒殼體的厚度計算 焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數(shù)為。根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》可知，對20R鋼板7850Kg/，其。 假設材料的許用應力為（厚度為6mm～16mm時），殼體計算厚度按下式計算： = ==5.89mm 設計厚度：圓整為8mm 《GB151-1999_管殼式換熱器》規(guī)定最小厚度9mm取名義厚度：=10mm 圓筒殼體的質(zhì)量：m=[]l=1570kg 其最小厚度為10mm,則此時厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。 3.1.3封頭厚度以及管箱計算 管箱由兩部分組成，短節(jié)與封頭，且由于前端管箱與后端管箱的形

26、式不同，故此時將前端管箱和后端管箱分開計算。 1前端管箱厚度計算 前端管箱為橢圓形管箱，這是因為橢圓形封頭的應力分布比較均勻，且其深度較半球封頭小得多，易于沖壓成型。因此選用標準鋼制橢圓形封頭，故K=1,且同上取，則封頭計算厚度為： ==5.87mm 設計厚度： =+=5.87+2=7.87mm整為8mm 取名義厚度：=10mm。經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。 查JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》，表B.1，B.2可得封頭的型號參數(shù)如表3-1： 表3-1 前端管箱封頭參數(shù) 公稱直徑DN mm 總深度 mm 內(nèi)表面積 容積 封頭質(zhì)量 kg 900 2

27、50 0.9487 0.1113 74.1 短節(jié)部分的厚度同封頭厚度，為10mm。 2后端管箱厚度計算 采用標準橢圓形封頭，故K=1,且同上，則封頭計算厚度為： ==5.87mm 設計厚度： =+=5.87+2=7.87mm整為8mm 取名義厚度：=10mm。經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。 查JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》表B.1，B.2，可得封頭的參數(shù)如表3-2： 表3-2 后端管箱封頭參數(shù) 公稱直徑DN mm 總深度 mm 內(nèi)表面積 容積 封頭質(zhì)量 kg 900 250 0.9487 0.1113 74.1

28、 3.2管板設計 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用，由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的0Cr18Ni9整體管板。依據(jù)《化工單元過程及設備課程設計》表4-14 利用差值法得管板的尺寸如表3-3： 表3-3 管板參數(shù) 公稱直徑DN D D1 D2 D3 D4 D5=D6 D7 b1 c d 螺栓孔數(shù)n 900 1060 1015 890 - 953 900 - 44.5 - 27 40 管板厚度：b=60mm。管板質(zhì)量：=

29、 b=264.55kg。 3.3殼體法蘭、管箱法蘭及墊片 1殼體法蘭、管箱法蘭 殼體法蘭、管箱法蘭選用整體長頸對焊法蘭，凸凹密封面，材料為鍛件0Cr18Ni9（圖3-1）, 查JB4703-2000表1，PN=2.5MPa，體尺寸如表3-4所示：（單位為mm） 圖3-1 殼體、管箱法蘭 表3-4 長頸對焊法蘭尺寸 公稱直徑 DN 法蘭 900 1095 1040 998 988 985 62 145 42 表3-4（續(xù)） 長頸對焊法蘭尺寸 公稱直徑DN 法蘭 螺栓

30、 對接筒體最小厚度 900 21 18 20 32 15 30 M27 32 12 2殼體法蘭、管箱法蘭墊片 查JB4706壓力容器法蘭，根據(jù)設計溫度可選擇墊片形式為金屬包墊片，材料為鋁,其尺寸如表3-5所示： 表3-5 筒體法蘭墊片尺寸 公稱壓力PN 公稱直徑DN 外徑D 內(nèi)徑d 墊片厚度 2.5 900 987 947 3 3.4接管法蘭及墊片 1接管法蘭 根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可查《HG20592-20639-2009鋼制管法蘭、緊固件、墊片》，選擇帶頸平焊鋼制管法蘭（SO），其具體尺寸查表

31、8.2.1-1(美洲體系)法蘭結(jié)構(gòu)如圖3-2，法蘭尺寸見標下表3-6（單位為mm）： 圖3-2 帶頸平焊鋼制管法蘭 表3-6 帶頸平焊鋼制管法蘭尺寸 公稱直徑DN 鋼管外徑A 連接尺寸 法蘭厚度C 法蘭內(nèi)徑B 法蘭頸大端N 法蘭高度H 法蘭 外徑D 螺栓孔中心圓直徑K 螺栓孔直徑L 螺栓Th 螺栓孔數(shù)量n 25 33.7 110 79.4 16 M14 4 12.7 34.5 49 16 100 114.3 230 190.5 18 M16 8 22.3 116 135 32 150

32、 168.3 280 241.3 22 M20 8 23.9 170.5 192 38 接管外伸度均為90mm 2接管法蘭墊片 查《HG20592-20639-2009鋼制管法蘭、緊固件、墊片》，根據(jù)設計溫度可選擇全平面型（FF型）墊片形式為金屬包墊片，材料為鋁,其尺寸如表3-7所示： 表3-7 接管法蘭墊片 公稱壓力PN 公稱直徑DN 外徑D1 內(nèi)徑D2 螺栓孔數(shù)量n 螺栓孔直徑L 螺栓孔中心圓直徑K 墊片厚度T 20 25 34 108 4 16 79.4 1.5 20 100 115 229 8 18 190.5

33、 1.5 20 150 169 279 8 22 241.3 1.5 3.5開孔補強 該固定管板換熱器上，殼程流體的進出口在殼體上，管程流體則從前端管進入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開孔，開孔之后，除削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，會給換熱器的安全操作帶來隱患，因此此時應進行開孔補強的計算。由于管程與殼程出入口公稱直徑分別為100mm和150mm，按照《HG20592-20639-2009鋼制管法蘭、緊固件、墊片》，可選接管的規(guī)格為接管的材料選為20R。 3.5.1 前端管箱開孔補強 1

34、補強及補強方法差別 ①補強判別：根據(jù)GB150-1998表8-1，可不另行補強的最大接管外徑是mm,因此需另行考慮其補強。 ②開孔直徑： <=<1000mm 滿足等面積法補強的條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。 2開孔所需補強面積計算 強度削弱系數(shù)： 接管有效厚度：mm 開孔所需補強面積按下式計算： 3有效補強范圍 ①有效寬度B 2d=2×154=308mm B=max{2d,}=308mm ②有效厚度： （a）外側(cè)有效高度：實際外伸長度=90mm =min{實際伸長長度，}=33.18mm (b)內(nèi)側(cè)有效高度：實際內(nèi)伸長度=0mm =min{

35、實際內(nèi)伸長度，}=0mm 4有效補強面積 ①殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度： 則多余金屬面積為： = ②按管多余金屬面積： 接管計算厚度： == 接管多余金屬面積： =2×33.18×(7.15-0.982×1+0=409.30 ③按管區(qū)焊縫面積（焊腳取6mm）: ④有效補強面積： 465.32 ⑤有效補強面積： 擬采用補強圏補強 根據(jù)接管公稱直徑DN150,參照補強圏標準JB/T4736取補強圏標準選取補強圏的外徑，內(nèi)徑（選用E型坡口如圖3-3，適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)），因為B=308mm>,則補強圏在有效的補強范圍內(nèi)，補強圏的厚度

36、為： 圖3-3 E型坡口 考慮鋼板負偏差并經(jīng)圓整，取殼體和管箱上補強圏的名義厚度為8mm，即。 3.5.2殼體開孔補強 1補強及補強方法判別 ①補強判別：根據(jù)GB150-1998表8-1，不另行補強的最大接管外徑是mm，本開孔外徑為114.3mm,因此需另行考慮其補強。 ②開孔直徑： 滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。 2開孔所需補強面積計算 強度削弱系數(shù)： 接管有效厚度： 開孔所需補強面積按下式計算： 3有效補強范圍 ①有效厚度： max{}=208mm ②有效高度： (a) 外側(cè)有效高度

37、為： ， =min{}=27.27mm (b) 內(nèi)側(cè)有效高度為： min{}=0mm 4有效補強面積 ①殼體多余金屬面積： 則多余的金屬面積： ②接管多余金屬面積： 接管計算厚度： 接管多余金屬面積： ③接管焊縫面積（焊腳取6mm）: ④有效補強面積： 5另需補強面積 6采用補強圈補強 根據(jù)接管公稱直徑DN100參照JB/T4736補強圏補強。選取補強圏的外徑，內(nèi)徑（選用E型坡口，適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)），因為B=208mm>,則補強圏在有效的補強范圍內(nèi)，補強圏的厚度為： 考慮鋼板負偏差并經(jīng)圓整，取殼體和管箱上補強

38、圏的名義厚度為8mm，即。 余下開孔直接均為33.7mm，根據(jù)GB150-1998不需要另行補強。 3.6接管的最小位置 在換熱器設計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進出口接管應盡量接近兩端管板，而管箱進、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設備重，然而，為了保證設備的制造安裝，管口距地的距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。 3.6.1殼程接管位置 依據(jù)《化工單元過程及設備課程設計》可知接管的最小位置如圖3-4，可以按下式計算 （接管帶補強圏） （接管不帶補強圏） 圖3-4 殼體接管位置 式中：殼程接管位置最小尺寸，mm B：補強圈外徑

39、，mm C:補強圏外邊緣至管板與殼體連接焊縫之間的距離，計算中，取C≥4S（S為殼體厚度，mm）,且不小于50~100mm。 :接管外徑，mm b:管板厚度，mm 經(jīng)過實際畫圖后，，滿足最小位置要求。 3.6.2管箱接管位置 管箱接管最小位置如圖3-5。帶補強圏的控管，應按下式計算 圖3-5 管箱接管位置 式中：法蘭高度，為145mm則 經(jīng)過實際畫圖后，L2 =350mm,滿足最小位置的要求。 3.7膨脹節(jié) 膨脹節(jié)是裝在固定管板換熱器殼體上的撓性構(gòu)件，依靠這樣易變形的撓性構(gòu)件對管子與殼體的熱膨脹差進行補償，以此來緩和或降低殼體與管子因溫差而引起的

40、溫差應力。換熱器是否設置膨脹節(jié)，主要取決于管程與殼程的溫差、壓差和殼體及管子的材料。查《GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)》選用ZDW（B）型膨脹節(jié)如圖3-6。膨脹節(jié)尺寸如表3-8： 表3-8 波形膨脹節(jié)尺寸 公稱直徑DN 波根外徑 波高h 圓弧半徑R 膨脹節(jié)長度L 壁厚S 單波最大位移量 單波軸向剛度 單波重量G 900 916 125 35 180 10 3.2 42052.6 72.7 表3-7中=DN+2S=900+2×8=916mm L=4R+5S=4×35+5×10=190mm 圖

41、3-6 波形膨脹節(jié) 3.8水壓試驗 試驗溫度為常溫，則有： 試驗時圓筒的薄膜應力為： （為20R的屈服應力245MPa） 水壓試驗校核合格。 3.9換熱管 換熱管的規(guī)格為,材料選為16Mn熱軋。 3.9.1換熱管的排列方式 換熱器的管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和同心圓排列三種排列方式，各種排列方式都有各自的優(yōu)點：①正三角形排列，排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列易清洗，但給熱效果較差；③同心圓排列，在靠近殼體的地方管子分布較為均勻，在殼體直徑很小的換熱器中可排的換熱管數(shù)比正方形還多。在此，選擇正三角形排列，主要是考慮管外表面的傳熱系數(shù)較大。

42、查GB151-1999可知換熱器的中心距S=32mm,分程隔板兩側(cè)相鄰管的中心距為44mm,同時，由于換熱器管間距需進行機械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離不宜小于6mm。 1 布管限定圓 布管限定圓（圖3-7）為管束最外層換熱管中心距直徑，其由下式確定： ，b3＝0.25d 一般不小于8mm取b3＝10mm則 圖3-7 布管限定圓 2 排管 排管時須注意，拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處應布置拉桿，其間距小于或等于700mm，拉桿中心到折流板缺邊的距離應盡量控制在換熱管中心的（0.5~1.5）×范圍內(nèi)。多管程換熱器其各程管數(shù)

43、應盡量相等，其相對誤差應控制在10%以內(nèi)，最大不能超過20%。相對誤差： 其中Ncn：各程的平均管數(shù)， Nmin（max）：各程中最小或最大的管數(shù)。 經(jīng)過實際排管后發(fā)現(xiàn)，每個管程的布管數(shù)目分別是198、202，各管程的平均管數(shù)為200，因此可知各管程數(shù)的相對誤差為： 即兩管程數(shù)相對誤差約為0.02%。 3.9.2換熱管束的分程 在這里首先要先提到管箱，管箱是把從管道輸送來的流體均勻地分布到換熱管各把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器，在多管程換熱器中管道還起到改變流體流向的作用。由于所選擇的換熱器是雙管程，故管程選擇為多程板板的安置形式，而對于換熱管束的分程，為了接管方便，采用平均

44、分法較合適，且平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。 3.9.3換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接方式有焊接、強度脹接以及脹焊并用。強度脹接主要適用于設計壓力小于等于4.0Mpa，設計溫度小于等于300，操作無劇烈振動，無過大的溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強度焊接只要材料可焊性好，它可用于其他場合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高，承受振動和疲勞載荷，有縫隙腐蝕，要采用復合管板 等的場合。在此，根據(jù)設計壓力，設計溫度及操作狀況選擇換熱器與管板的連接方式為脹焊并用。采用先脹接后焊接。 3.10防沖板 依據(jù)《化工單元過程及設備課程設》由于殼程流體的

45、因此，在該固定管板換熱器需要設置防沖板。防沖擋板的結(jié)構(gòu)及形式如圖3-8： 圖3-8 防沖擋板 防沖擋板與殼體內(nèi)壁的高度H1=(1/3~1/4)接管外徑。取H1=8mm。 防沖擋板的直徑或邊長W、L應大于接管外徑的50mm，取W=L=220mm。 防沖擋板材料用20R，則其厚度為4.5mm。 3.11折流板 設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加流動速度，并使管程垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結(jié)構(gòu)，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用，常見的折流板形式為弓形和圓盤—圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形、雙

46、弓形三種，但是工程上使用較多的是單形折流板。該換熱器采用單弓形折流板見圖3-9。 圖3-9 折流板 3.11.1折流板的型式和尺寸 此時兩端選用環(huán)形折流板，中間選用單弓形折流板，上下方向排列這樣可造成液體的劇烈擾動，增大傳熱膜系數(shù)。 折流板的材料為20R,由前可知，弓形制缺口高度為225mm，折流板間距為300mm，據(jù)《GB151-1999_管殼式換熱器》表34可知折流板的最小厚度為5mm，故此時可選取其厚度為7mm。 3.11.2折流板的布置 一般應使管束兩端的析流板盡可能靠近殼程進出口管（圖3-9），其余折流板按照等距離布置，靠近管板的折流板與管板間的距離

47、l應按下式計算： =（220+220/2）-(62-4)+28=300mm ：殼程接管位置的最小尺寸，mm b:管板的名義厚度，mm ：為防沖擋板長度 圖3-10 折流板位置 3.12拉桿與定距管 1拉桿的結(jié)構(gòu)形式 常用拉桿的形式有兩種，一：拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束（按GB151-1999表45規(guī)定）；二：拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱器管外徑小于或等于14mm的管束，；三：當管板比較薄時，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。拉桿使用Q235制造。 2拉桿 拉桿數(shù)量及其具體尺寸如表3-9： 表3-9拉桿的參數(shù) 拉桿

48、直徑d 拉桿螺紋公稱直徑 拉桿數(shù) 管板上拉桿孔深 16 16 20 6 〉=60 2.0 20 其中拉桿的長度L按需要確定。拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣，若對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。對于本臺換熱器，拉桿的布置可參照裝配圖。 3.13管程分程隔板 管程分程隔板是用來將管內(nèi)流體分程，根據(jù) 所需的程數(shù)進行組合，裝置在管箱內(nèi)。該固定管板換熱器是雙管程因此需要使用分程隔板（圖3-10）。查GB151-1999可知，分程隔板槽深>=4mm，槽寬為12mm,且分程隔板的最小厚度為10mm。

49、 圖3-11 隔板及隔板槽 3.14鞍座 3.14.1鞍座形式及尺寸 根據(jù)JB/T4712.1-2007選擇DN900，120度包角，重型，有墊板的焊接式鞍座。鞍座結(jié)構(gòu)如圖3-11，鞍座尺寸見表3-10： 3-12鞍座結(jié)構(gòu)圖 表3-10 鞍座尺寸 公稱直徑DN 允許載荷Q KN 鞍座高度 h 底板 腹板 筋板 900 225 200 810 150 10 10 450 120 10 表3-10（續(xù)） 鞍座尺寸 墊板 螺栓間距 鞍座質(zhì)量（帶墊板）kg 增加10

50、0mm增加的重量kg 弧長 1060 260 6 65 590 43 8 3.14.2 鞍座的安裝位置 支座在換熱器上的位置如下圖3-12。由《化工單元過程及設備課程設計》可知： 當L≤3000mm時，取 =（0.4~0.6）×L=（0.4~0.6）×7000 。+++C且C≥4S，C≥50mm。 圖3-13 鞍座安裝位置 取=4000mm，=250mm 3.15 吊耳 吊耳查《HGT_21574-2008_化工設備吊耳及工程技術(shù)要求》選用設置在筒體兩側(cè)的HP型吊耳如圖3-13。吊耳尺寸見表3-11。 圖3-14

51、 吊耳 表3-11 吊耳尺寸 單個吊耳重量 S D L R LHP HHP δmin S1 單個吊耳質(zhì)量 吊耳板重 墊板重 1~3.5 16 50 140 50 220 140 8 14 2.7 3.388 吊耳安裝在管箱接管同一截面上。 3.16軟件校核 本次設計使用的校核軟件是SW6-98。SW6-98可單獨計算最為常用的受內(nèi)、外壓的圓筒和各種封頭，以及開孔補強、法蘭等受壓元件，也可對HG20582-1998《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》中的一些較為特殊的受壓元件進行強度計算。十個設備計算程序則幾乎能對該類設備各種結(jié)構(gòu)組合的受壓元

52、件進行逐個計算或整體計算。其界面如圖3-14。 圖3-15 SW6-98軟件輸入界面 該軟件校核過程如下，校核結(jié)果見表3-12。 固定管板換熱器設計計算 計算單位 設 計 計 算 條 件 殼 程 管 程 設計壓力 1.6 MPa 設計壓力 1.6 MPa 設計溫度 200 設計溫度 100 殼程圓筒內(nèi)徑 900 mm 管箱圓筒內(nèi)徑 900 mm 材料名稱 20R 材料名稱 20R 簡

53、 圖 計 算 內(nèi) 容 殼程圓筒校核計算 前端管箱圓筒校核計算 前端管箱封頭(平蓋)校核計算 后端管箱圓筒校核計算 后端管箱封頭(平蓋)校核計算 膨脹節(jié)校核計算 開孔補強設計計算 管板校核計算 前端管箱筒體計算 計算單位 計算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.60 MPa 設計溫度 t 100.00 ° C 內(nèi)徑 Di 900.00 mm 材料 20R ( 板材 ) 試驗溫度許用應力 [s] 133.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 1

54、33.00 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 245.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 2.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 1.00 厚度及重量計算 計算厚度 d = = 5.45 mm 有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00 mm 名義厚度 dn = 10.00 mm 重量 142.50 Kg 壓力試驗時應力校核 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力值 PT = 1.25P = 2.0000 (或由用戶輸入) MPa 壓力試驗允許通過 的應力

55、水平 [s]T [s]T￡ 0.90 ss = 220.50 MPa 試驗壓力下 圓筒的應力 sT = = 113.50 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力及應力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 2.34361 MPa 設計溫度下計算應力 st = = 90.80 MPa [s]tf 133.00 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度9.00mm,合格

56、前端管箱封頭計算 計算單位 計算條件 橢圓封頭簡圖 計算壓力 Pc 1.60 MPa 設計溫度 t 100.00 ° C 內(nèi)徑 Di 900.00 mm 曲面高度 hi 225.00 mm 材料 20R (板材) 試驗溫度許用應力 [s] 133.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 133.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 2.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 1.00 厚度及重量計算 形狀系數(shù) K = = 1.0000

57、 計算厚度 d = = 5.43 mm 有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00 mm 最小厚度 dmin = 1.35 mm 名義厚度 dn = 10.00 mm 結(jié)論 滿足最小厚度要求 重量 74.06 Kg 壓 力 計 算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 2.35398 MPa 結(jié)論 合格 后端管箱筒體計算 計算單位 計算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.60 MPa 設計溫度 t 100.00 ° C 內(nèi)徑 Di 900.00

58、 mm 材料 20R ( 板材 ) 試驗溫度許用應力 [s] 133.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 133.00 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 245.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 2.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 1.00 厚度及重量計算 計算厚度 d = = 5.45 mm 有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00 mm 名義厚度 dn = 10.00 mm 重量 142.50 Kg 壓力試驗時應力校核

59、 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力值 PT = 1.25P = 2.0000 (或由用戶輸入) MPa 壓力試驗允許通過 的應力水平 [s]T [s]T￡ 0.90 ss = 220.50 MPa 試驗壓力下 圓筒的應力 sT = = 113.50 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力及應力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 2.34361 MPa 設計溫度下計算應力 st = = 90.80 MPa [s]tf

60、 133.00 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度9.00mm,合格 后端管箱封頭計算 計算單位 計算條件 橢圓封頭簡圖 計算壓力 Pc 1.60 MPa 設計溫度 t 100.00 ° C 內(nèi)徑 Di 900.00 mm 曲面高度 hi 225.00 mm 材料 20R (板材) 試驗溫度許用應力 [s] 133.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 133.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00

61、 mm 腐蝕裕量 C2 2.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 1.00 厚度及重量計算 形狀系數(shù) K = = 1.0000 計算厚度 d = = 5.43 mm 有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00 mm 最小厚度 dmin = 1.35 mm 名義厚度 dn = 10.00 mm 結(jié)論 滿足最小厚度要求 重量 74.06 Kg 壓 力 計 算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 2.35398 MPa 結(jié)論 合格 殼程圓筒計算 計算單位 計

62、算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.60 MPa 設計溫度 t 200.00 ° C 內(nèi)徑 Di 900.00 mm 材料 20R ( 板材 ) 試驗溫度許用應力 [s] 133.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 123.00 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 245.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 2.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 1.00 厚度及重量計算 計算厚度 d = = 5.89 mm 有效厚度 d

63、e =dn - C1- C2= 8.00 mm 名義厚度 dn = 10.00 mm 重量 1570.89 Kg 壓力試驗時應力校核 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力值 PT = 1.25P = 2.1626 (或由用戶輸入) MPa 壓力試驗允許通過 的應力水平 [s]T [s]T￡ 0.90 ss = 220.50 MPa 試驗壓力下 圓筒的應力 sT = = 122.73 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力

64、及應力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 2.16740 MPa 設計溫度下計算應力 st = = 90.80 MPa [s]tf 123.00 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度9.00mm,合格 開孔補強計算 計算單位 接 管: A1, φ168.3×9.15 計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔 設 計 條 件 簡 圖 計算壓力 pc 1.6 MPa 設計溫度 10

65、0 ℃ 殼體型式 圓形筒體 殼體材料 名稱及類型 20R 板材 殼體開孔處焊接接頭系數(shù)φ 1 殼體內(nèi)直徑 Di 900 mm 殼體開孔處名義厚度δn 10 mm 殼體厚度負偏差 C1 0 mm 殼體腐蝕裕量 C2 2 mm 殼體材料許用應力[σ]t 133 MPa 接管實際外伸長度 90 mm 接管實際內(nèi)伸長度 0 mm 接管材料 0Cr18Ni9 接管焊接接頭系數(shù) 1 名稱及類型 管材 接管腐蝕裕量 2 mm 補強圈材料名稱 20R 凸形封頭開孔中

66、心至 封頭軸線的距離 mm 補強圈外徑 300 mm 補強圈厚度 8 mm 接管厚度負偏差 C1t 1.188 mm 補強圈厚度負偏差 C1r 0 mm 接管材料許用應力[σ]t 137 MPa 補強圈許用應力[σ]t 133 MPa 開 孔 補 強 計 算 殼體計算厚度δ 5.446 mm 接管計算厚度δt 0.881 mm 補強圈強度削弱系數(shù) frr 1 接管材料強度削弱系數(shù) fr 1 開孔直徑 d 156.4 mm 補強區(qū)有效寬度 B 312.8 mm 接管有效外伸長度 h1 37.83 mm 接管有效內(nèi)伸長度 h2 0 mm 開孔削弱所需的補強面積A 851.7 mm2 殼體多余金屬面積 A1 399.3 mm2 接管多余金屬面積 A2 384.4 mm2 補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A3 36 mm2 A1+A2+A3=819.8 mm2 ，小于A