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 目 錄 第一章 固定管板式換熱器設(shè)計方案的選擇 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 5 2.1 殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計 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 7 2.2 管板與換熱管設(shè)計 8 2.2.1 管板 8 2.3 進出口設(shè)計 10 2.3.1 接管的設(shè)計 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 第三章強度計算 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 接管開孔補強 23 3.2.1 蒸汽進出口開孔補強 23 3.2.2 管箱冷卻水接管補強的校核 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)計算 34 4.4.5 法蘭力矩 36 4.4.6 管子加強系數(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器，它的主要作用是進行幾種介質(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,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。機械設(shè)計提供了進一步研究的基礎(chǔ)。 (4) 基于GB150、 GB151、換熱器的殼,管和管板強度設(shè)計,進行檢查。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]?？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，對換熱的能力要求比較高，所以可以選擇逆流法進行操作。 1.4 流體進出口溫度的確定 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 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)φ=0.85。在設(shè)計溫度下，0Cr18Ni9的許用應(yīng)力為[σ]=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服強度為σs=205MPa[5]。 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； φ——焊縫系數(shù)； δ——筒體的計算厚度。 設(shè)計壁厚 由于二甲胺蒸氣的腐蝕強度高，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JB／t4703-2000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 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=0.25×25=6.25mm取8mm 則DL=Di-2b3=1000-2×8=984mm。 2.3 進出口設(shè)計 2.3.1 接管的設(shè)計 殼程流體進口接管：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，同時安置排氣、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）進行計算： 帶補強圈接管 mm （2-2a） 不帶補強圈接管 mm （2-2b） 式中： b，hf——管板厚度，mm； L1——殼程接管位置最小尺寸，mm； C——補強圈外緣（無補強圈時，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——補強圈外圓直徑，mm； dH——接管外徑，mm。 取C=80mm。 殼程接管不帶補強圈，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，可以用公式計算（2-3a），（2-3）： 帶補強圈接管 mm （2-3a） 不帶補強圈接管 mm （2-3b）式中： b，hf——管板厚度，mm； L2——殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C——補強圈外緣（無補強圈時，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——補強圈外圓直徑，mm； dH——接管外徑，mm。 取C=80mm。 管箱接管不帶補強圈，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候，折流板的缺口應(yīng)當(dāng)是左右垂直的進行布置，而且要在折流板的最低處預(yù)留一個通液口。 2.4.4 折流板質(zhì)量計算 折流板質(zhì)量按下式進行計算： （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口的流體交換熱管直接的進行表面沖刷,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; 對于液體物料，當(dāng)殼程進口處流體的ρu2（ρ為流體密度，kg/m3；u為流體流速，m/s）為下列數(shù)值時，應(yīng)在殼程進口處設(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Φ25×2.5、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，避免了開孔補強。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. 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