固定管板式换热器设计说明书[1].doc

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1、固定管板式换热器课程设计目录固定管板式换热器课程设计-1 -前言-2 -设计计算31、工艺条件 -3 -2、计算-3 -(1) 管子数n3(2) 管间距的确定3(3) 换热器壳体直径的确定 4(4) 换热器壳体壁厚的计算 4(5) 换热器封头选择4(6) 容器法兰的选择5(7) 液压试验校核5(8) 管板尺寸的确定6(9) 管子拉脱力计算6(10) 计算是否安装膨胀节 7(11) 折流板设计 7(12) 接管法兰的选取 8(13) 开孔补强 9(14) 拉杆和定距管的选取 9(15) 管箱9(16) 选择换热器支座并核算承载能力 9(17) 壳程接管11技术要求13安装制造13参考文献16刖言

2、换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设 备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性 以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。 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。固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖 或封头）和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。 管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆 卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可

3、靠、检 修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产 生，要求在设计时精心考虑各种问题 准确的热力设计和计算，还要进行强 度校核和符合要求的工艺制造水平。计算及说明、换热器管设计计算1、工艺条件组别C名称管程壳程物料名称冷却水甲醇工作压力0.45MPa0.05MPa操40 C70 C温度推存钢材20,16MnR壳体内径1000换热面积135 m 2管长护25mm3m2、计算(1)管子数n选错误!未找到引用源。的无缝钢管，材质20号钢，管长3m 因为所以1350.025 3 3.14=573.25 （根）取整数573采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排

4、列 较多的管子，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，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正 三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，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的场合。由表7-4查得层数为13，因安排拉杆要减少6根，所以实际管数567根。碳素钢20n=567根选正三 角形排 列a=32mmD=10 00 mm0.85管间距的确定由表7-5,取管间距错误!未找到引用源。(3) 换热器壳体直径的确定式中 错误!未找到引用源。一一换热器内径，mm;错误!未找到引用源。一一正六角形对角线上的管子数， 查表 7-4, 取 b=27

5、;错误!未找到引用源。一一最外层管子的中心到壳壁边缘 的距离，取错误!未找到引用源。故- _- - - =32X(27-1)+ 2X2X25=932mm圆整后取壳体内径错误!未找到引用源。(4) 换热器壳体壁厚的计算材料选用16MnR钢，计算壁厚为-式中错误!未找到引用源。一一计算压力，取 错误!未找到引用源。Di 1000mm，0.85。r7O = 133MPa（売璧温度取0.5 x 10002 X 133 X 0.80 一 0.5因为错误!未找到引用源。，所以取错误!未找到引用源。 腐蚀裕量C2 =1.0 mm，查表4-9得G= 0.8mm。圆整后取S =6mm。=6 m m(5) 换热器

6、封头选择左右封头均选用标准椭圆形封头，根据 JB/T 4746-2002标准，封 头为DN1000 X 6，曲面高度 错误！未找到引用源。，直边高度 h=25mm,如图2-1所示，材料选用16MnR钢封头校核选用的为标准椭圆形封头根据加工和制造即K取1椭圆形风头的最大允许工作压力Pw2 eKDi0.5=0.76 P=0.495Mpa即封头满足要求(6) 容器法兰的选择材料选用16MnR。根据JB/T 4701-2000标准，选用错误!未找到引 用源。，PN1.0Mpa的凹凸密封面甲型平焊法兰。法兰尺寸如图 2-2所 示。3 查出相应尺寸法兰外径螺栓孔中心直径凹面密封面外径凹面密封面内径凸面密封

7、面外径法兰盘厚度 短节高短节厚度螺栓孔直径(7) 液压试验校核液压试验时的压力为:P 1.25巳七D=1040mmD 1 =1100 mmD 2=1065mmD3=1055mmD 4=1052mm=62mmH=260mmt =12mma=23mm=1.25 X 0.0525 X 150/150=0.066Mpa圆筒应力校核，由于容器承受的压力P高于设计压力P,为了防止 容器产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒产生的最大应力不超 过圆筒材料在试验温度下屈服点的 90%即PtPl Di e0.9s0.2=(0.066+0)(1000+4.2) /2X4.2=7.89Mpa在试验压力下应满足下列条件

8、则为合格0.9s 0.2查表得 T 0.9 s 0.2 =0.9 X 345X 0.85=263.92Mpa即T 0.9s所以液压试验的应力校核满足要求.(8) 管板尺寸的确定选用固定式换热器管板，并兼作法兰，材料选用16MnR,尺寸如图2-3所示。DN1000, D1140, D1100, D 21065, D 3997, D 4 1052, D 51000 d223,规格 M2Q 数量 40, bf 44，b 54胀接是的最少胀接长度取下列三者最少a. 管板的名义厚度减少3mmb. 50mmc. 两倍的的换热管直径2 25 50 mm.综上所述，胀接长度取50mm管板兼作法兰：此结构对胀接

9、或焊接接口进行检查和修理。以及清洗管子都比较方便。L=50mm(9) 管子拉脱力计算计算数据按表1选取。表1项目_操作压力/MPa材质线膨胀系数心/C) 用源。弹性模量/MPa用源。许用应力/ MPa 尺寸/mm 管子根数管间距/mm管壳壁温差/C管子与管板的连接方式 胀接长度/mm 许用拉脱力/ MPa管子壳体0.450.0520 钢20R错误!未找到引用源。错误!未找到引错误!未找到引用源。错误!未找到引130133错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。56732错误!未找到引用源。普通胀接l=502.0在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力二 Pf其中ITTTf = 0.86

10、6 as= 866 x 322 - - X1 = 39bmm2)错误!未找到引用源。，l=50mm心 -二 YMPa3,14：2 55温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力其中rrE 亿-tr) h =11 +丰 九_ _ _ _ _ _ - )At = -Ctfo-tf?) = -X(25= -202)X 567 = 10014&375(mm=)As=18953.04At=100146.375则llxolx 30 Xia6- 歼二ll.ZMPa1+ 18953.041132 X(2EX25-2DX ID)c A n% 二氓页=a532MPa由已知条件可知，错误!未找到引用源。与错误!未

11、找到引用源。的 作用方向相同，都使管子受压则管子的拉脱力：q=错误!未找到引用源。=0.602MPaq=4.0MPa 因此，拉脱力在许用范围内。(10) 计算是否安装膨胀节管、壳壁温差所产生的轴向力 错误!未找到引用源。：耳=% xXt = Lia x 10fiJV压力作用于壳上的轴向力 错误!未找到引用源。：其中e= (讹:肉+臥 - 2心严略JX (10002-567x25*)x0X5 4-567x(25-2 x25)ax 0.45=，. : N则0.105X189534X1上= im46.375+lSg53.M = T17 X10 N压力作用于管子上的轴向力错误!未找到引用源。：QA 1

12、0500 X 100146.375二幕=O.OSS X 10s7V$ +AS 100146375 + 13953.04则町 + 马 (1.18 + 0.105) X Iff6兀=-=二 67.8AfffJ As18953,0+(L0a8-18)X10610014.37.二=67.8MPa二=-10.9MPa根据GB 151-1999管壳式换热器匹=67.8Pci 20ffJJ = ZZbMPa% = -10.91/F 口 V 2可：=2闘耐Poq 602.0(15) 管箱由于壳层为甲醇，较清洁，可选结构为封头管箱，结构如图2-5所示。(16) 选择换热器支座并核算承载能力固定管板式换热器选用鞍

13、式支座(JB/T4712-1992)按照壳体公 称直径DN=1000选用A型(轻型)带加强垫板的鞍座一对(其中 F 型和S型各一个)，支座高度H=200mm标记为：JB/T4712-1992 鞍座 A1000-FJB/T4712-1992 鞍座 A1000-S壳体总重包括筒体内的料重、水压试验的水重、筒体、封头、 换热管重量和附件的重量。根据化工设备概论课程设计指导书查附录 1,可查得：公称 直径的DN=1000m的筒体每立方米的容积 VT=0.785m3；查附录2,可 查得：公称直径为1000mm勺椭圆形封头的容积Vf=0.163 m3。由上换热器的容积为：V=V+Vf=0.785 X 8.

14、578+0.163 X 2=6.99853m水压试验是筒体内的水重 W=1000 kg查附录1,可查得：公称直径DN=1000mn壁厚n=6mm勺筒体每立方长的重量为199 kg;查附录3,可查得：封头的重量为74.1 kg。 可算出壳体重量为： W=199X 8.5+74.1 X 2=1839.7 kg由附表10,可查得：人孔的重量为210 kg,估计其他附件的重 量为800 kg,故总计附件的重量为 W=1010 kg。换热器的总重量 W总=W+W+V3=1000+1839.7+1010=3909.7 kg,其 总重 Q为 390.97KN。根据化工设备机械基础由表 13-4，可查得：鞍座

15、的允许载 荷Q =307KNQ/2所以鞍座的承载能力足够。综上所诉所选择的鞍座的标记为：JB/T 4712-1992,鞍座 BV1000-F,h=200mm, 4=8mm.鞍座结构尺寸表3-3 鞍座结构尺寸公 称 直 径DN允 许 载 荷Q/KN鞍 座 高 度h底板腹 板筋板垫板螺 栓 间 距2hb11213b2b33b44e10003072007601701281701401808270840600(17)壳程接管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。图2-1换热器封头8图2-5封头管箱结构1图2-6鞍式支座主视结构技术要求本设备按GB151-199

16、9管壳式换热器进行制造，检验和验收， 并接受压力容器安全技术监察规程的监督。受压元件材料必须具备保证书，主要受压元件材料按“容规” 要求复检。焊接采用电弧焊，按JB/4709-2000标准的规定进行，焊接材料： 手工焊选用焊条E5015,埋弧焊选用焊丝H10Mn2,焊剂350。A、B类对接焊缝采用双面焊，焊接接头型式和尺寸出土中注 明外，按GB985-986-88中的规定，角焊缝腰高安较薄板的厚度，法 兰的焊接按相应法兰的标准，接管端部打磨圆，圆角半径R35,支 座、垫板四角制成R25的圆角。壳体对接焊缝进行100%X射线检测，符合JB4703-94标准U级 合，接管及其他构件与壳体内外表面焊

17、接的角焊缝，打磨后进行磁 粉探伤检查，1级为合格。对于换热管：标准长度为1.5m，其壁厚为2伽。当换热管壁厚 小于或等于2.5伽时，与换热管的直径急壁厚相差应补超过 15%; 当换热管壁厚大于2.5伽时，评定用管壁厚应大于2.5伽；钢管管端应除锈。钛管管端应清楚附着物急氧化层，清理长度 应比试板厚度大5 mm，且不小于25伽。管板密封面与壳体轴线垂直，其公差为 1 m。设备制成后，进行整体消应力热处理。液压试验，因管层与壳层的压力相同，所以管层与壳层分别以 0.55MPde压力进行水压试验，合格以后以空气进行气密性试验。无 泄漏为合格。管口及支座方位按图。安装制造5.1换热器制造筒体换热器筒体

18、的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合 适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。 切割好的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。封头和管箱封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长 均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和 封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。 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

19、两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用 胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝， 直管不得超过一条；U型管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；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土 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。折流板由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将 下料或圆整的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，必须是折流板的管孔

20、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和管板孔距一致的定位孔，然后取下 管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。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。拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按 JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于川级，或超声检测中的I级为合格。换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的 换热管和管板孔表面，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的焊瘤均应清除。管板与换热管焊接时，

21、管孔表面粗糙度Ra值w 25 pm。5.2换热器安装1. 安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够 的空间来满足拆装、维修的需要。2. 基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。3. 地脚螺栓和垫铁(1) 活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应 留有13mm的间隙。(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，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。(3)垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。参考文献1 向寓华主编 化工容器与设备高等教育出版社2 GB1511999管壳式换热器3 王明辉主编化工单元过程课程设计化学工业出版社4 刁玉玮 王立业主编化工设备机械基础大连理工大学 出版社朱有庭化工设备设计手册M.化学工业出版社，2005.6 王菲，林英.过程设备用钢M.北京：化学工业出版社。7 田锡唐焊接结构机械工业出版社8 中国机械工程学会焊接学会编焊接手册。第二版.20019 丁伯民，蔡仁良压力容器设计一原理及工程应用中国 石化出版社.199210 吴英华，俞家梁容器设计中国轻工业出版社.1995-17 -