固定管板式換熱器設(shè)計

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1、文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . 前言 ........................................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 列管式換熱器機械設(shè)計 ........................................................................................... 錯誤 !未

2、定義書簽。 一、問題重述 ........................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 1.1 設(shè)計題目 ........................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 1.2 已知條件 .....................

3、...................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 二、計算 ................................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.1 管子數(shù) N......................................................

4、...................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.2 管子的排列方式，管間距的確定................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.3 換熱器殼體直徑的確定 ................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.4 換熱器殼體壁厚的計算

5、 ................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.5 換熱器封頭換熱器封頭的選擇....................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.6 封頭法蘭的選擇 ..................................................................................

6、............. 錯誤 !未定義書簽。 2.7 管板尺寸的確定 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.8 管子拉脫力計算 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.9 折流板設(shè)計 .............

7、.......................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2． 10 拉桿、定距管 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 2.11 波形膨脹節(jié)的計算 .......................................................

8、.................................. 錯誤 !未定義書簽。 2.12 接管法蘭的選擇 ............................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 2.13 開孔補強 ......................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。

9、 2.14 封頭法蘭墊片 ................................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 2.15 底座 ................................................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 三、課程設(shè)計小結(jié) ..........................

10、......................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 參考資料 ................................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 前言 換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域應(yīng)用的十分廣泛，在日常生活中也隨處可見， 是不可缺少的工藝設(shè)備之一。 換熱器的研究備受各種研

11、究機構(gòu)的關(guān)注和重視， 其 性能的每一點提高都意味巨大的經(jīng)濟與社會效益。 管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備體積和金屬材料的消耗方面不如 其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、操作彈性大、可靠程度高、使 用范圍廣等，所以在各領(lǐng)域中仍得到廣泛的應(yīng)用。 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . 對于學(xué)習化工機械的大學(xué)生來說， 換熱器設(shè)計是必須要了解和掌握的知識之 一。換熱器設(shè)計是一個復(fù)雜而艱辛的過程， 它不僅僅是確定一個或者多個可行的解決方案，還要求確定最可能的或接近最優(yōu)的設(shè)計方案。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須

12、考慮很多的因素，如壓力、溫度、材料、流體性質(zhì)及檢修清理等，通過各種因素的綜合考慮，來選擇合適的設(shè)計方案。 本次課程設(shè)計通過對固定管板式換熱器的的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整體裝配的設(shè)計， 了解到換熱器大體的設(shè)計過程和裝配過程， 豐富了我們所學(xué)習的知識， 學(xué)以致用，加強了我們對知識的實際應(yīng)用能力， 并且在設(shè)計過程中一些新的知識， 開闊了自己是思維，對我們以后的工作具有很大是指導(dǎo)意義。 本次課程設(shè)計由陳慶和王海波老師指導(dǎo)， 特此表示感謝。 由于設(shè)計者水平有限，不足之處，還望指導(dǎo)。 xxx 2011年 12 月 26 日 列管式換熱器機械設(shè)計 一、

13、問題重述 1.1 設(shè)計題目 年產(chǎn) 3000 噸合成氨廠變換工段換熱器的機械設(shè)計。 1.2 已知條件 （1）氣體平均壓力： 管程：半水煤氣 0.7 MPa ( 絕壓 ) ； 殼程：變換氣 0.6 MPa （絕壓）； （2）半水煤氣進口溫度 180℃，出口溫度 370℃；變換氣進口溫度 400℃，出口溫度 220℃。 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . （3）由工藝計算求得換熱面積為 130 m2 。 二、計算 2.1 管

14、子數(shù) n 換熱管選用Φ 323 的無縫鋼管，材質(zhì)為 20 號鋼，換熱管的長度推薦采用 1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0 ， 12.0 m ，本次設(shè)計選取管長為 3 米。 管子的當量直徑為 : d n 32 3 29mm 0.029m 。 換熱面積 : A 130 n 475.877 根 d n L 0.029 3 考慮到換熱過程中的各種熱量損失，圓整確換熱管數(shù)量 n=476 根。 2.2 管子的排列方式，管間距的確定 換熱管的排列方式采用正

15、三角形排列，換熱管中心距不宜小于 熱管外徑，由 GB151-1999《管殼式換熱器表》 中表 12 可知換熱管外徑  1.25 倍的換 d 32mm 時，換熱管中心距 S 40mm。查表得六角形層數(shù)為 12 層，六角形對角線上的管子數(shù)為 25 個。 2.3 換熱器殼體直徑的確定 殼體內(nèi)徑 : S——換熱管中心距， S=40mm； b——正六角形對角線上的管子數(shù)， b=25 個； l 最外層管子的中心到殼體邊緣的距離，取 l =2d；選取殼體內(nèi)徑 Di 1100mm。 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .w

16、ord 版本可編輯 .歡迎下載支持 . 2.4 換熱器殼體壁厚的計算 殼體材料選取 A3R，已知殼體承受壓力為 0.68MPa ，設(shè)計壓力應(yīng)該取大于 0.68MPa 取設(shè)計壓力 Pc 1MPa 400 3-16 mm 之間， ，設(shè)計溫度取℃，設(shè)壁厚在 此時材料的許用應(yīng)力 [ ]t 106MPa ；鋼板寬度在 2500-4000 mm 時，材料的允 許負偏差 C1=-0.8 mm ；對于碳素鋼，腐蝕裕量 C2 不小于 1 mm ，取 C2=2 mm ；焊接接頭形式為單面焊對接接頭， 局部無損檢測， 焊接接頭系數(shù)Φ =0.

17、8 。此時筒體的計算厚度： 實際所需厚度 所以材料的名義厚度可以圓整取 10mm。 2.5 換熱器封頭換熱器封頭的選擇 上下封頭均選擇標準橢圓形封頭，封頭材料選  A3R，根據(jù)  JB/T4746-2002  標 準，以內(nèi)徑為基準，封頭公稱直徑  DN  D i  1100mm  ，封頭厚度也取  10mm, 曲面高度  h  1 D i  275 mm 

18、, 查表可知封頭總高度  H  300mm。封頭結(jié)構(gòu)如 4 下圖： 2.6 封頭法蘭的選擇 材料選擇 16Mn，根據(jù) JB/T 4703-2000，選用 DN 1100mm, PN 1.6MPa 的 榫槽密封面長頸對焊法蘭，其規(guī)格尺寸如下圖： 2.7 管板尺寸的確定 選用固定式換熱器管板 e型，管板與殼程圓筒連為整體，期延長部分兼做法 蘭，與管箱用螺柱、墊片連接；管板材料選用 16Mn。單管程 ( 延長部分兼作法蘭 固定管板換熱器管板，管板周邊布管區(qū)較窄

19、( 管板周邊布管區(qū)無量綱寬度 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . k 1.0 ) ，假定管板厚度為 10mm，管子加強系數(shù)為 K ，則 K 2 1.318 DiEt na Ep L 式中： D i ——殼程圓筒內(nèi)徑， mm； —— 管板計算厚度， mm； n —— 管子根數(shù)； a —— 一根換熱管管壁金屬的橫截面積， mm2 ； —— 管板剛度削弱系數(shù)，取 =0.4 ； L —— 管子有效長度， m ； E i —

20、—管子設(shè)計溫度下的彈性模量， GPa ； E p ——管板設(shè)計溫度下的彈性模量； GPa 。  （1） Dt  4 At  （2） 式中： Dt —— 管板布管區(qū)當量直徑， mm； At —— 管板布管區(qū)面積， mm2 。 t  D t D i  （3） 式中： t —— 管板布管區(qū)的當量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比。 對單管程換熱器，三角形排列時： At 0 .8

21、66 nS 2 n a n t ( d t ) 式中： S —— 管間距， mm；  （4） （5） 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . t —— 管子壁厚， mm； d —— 管子外徑， mm 。 （4）式代入（ 2）式中得： Dt 4 At 1.05S n （6） （60）式代入（ 3）式化簡

22、得： t 1.05 S n （7） D i 在實際設(shè)計工作中， k K (1 t ) (8) 且知： k 1.0 得：K (1 t ) 1.0, ，即 (1 1 .0 所以，由 (8) t ) (9) K 由(9) 代入 (1) 中，經(jīng)化簡得： 2 .389 3 n t

23、( d t ) E t D i 2 (1 t ) 4 （ 10） E p L 由已知條件計算得： 設(shè)計溫度為 400℃時，管子材料為 20 鋼，彈性模量 E i 187 GPa ，管板 材料為 ，彈性模量 E 185 GPa 16Mn p 所以管板的最小有效厚度為 23.587 mm . 取管板的有效厚度 40mm，并 且將管板延長部分作為法蘭和封頭法蘭配合形成榫槽面密封結(jié)構(gòu)， 則其他尺寸如 下圖所

24、示： 2.8 管子拉脫力計算 管子和管板采用開槽脹接的方式連接，管板厚度大于 25 mm時，需要開二 個槽。開槽，換熱管外徑為 32 時，查表可知開槽深度 K=0.6 mm ，管子伸出段 +2 長度為 4 mm，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示： 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . 管子 殼體 材質(zhì) 20 號鋼 A3R 尺寸 32 3 3000 1100 10 管字數(shù)： 476 根； 管間距： S 40mm ； 管殼壁溫差： t 50 C ； 管子與管板連接結(jié)構(gòu)： 開

25、槽脹接； 脹接長度： l 44mm 。 (1) 在操作壓力下，脹接周邊所產(chǎn)生的應(yīng)力 qP 式中： (2) 在溫差應(yīng)力作用下，脹接周邊所產(chǎn)生的應(yīng)力 qT 式中： qP 與 qT 的作用方向相同，則 查表知碳素鋼在開槽脹接時許用拉脫應(yīng)力 [ q] 4MPa 由于 q [q] 4MPa ，拉脫力在許用范圍內(nèi)。 2.9 折流板設(shè)計 折流板為弓形，查表可知折流板的名義外徑： 折流板高度 h DN (0.2 0.45)DN (0.55 0.8)DN 605 880mm 范圍內(nèi)，取 h 850m

26、m。 查表知公稱直徑為 1100 mm時，折流板的厚度 8mm。 折流板的間距一般不小于圓筒內(nèi)徑的五分之一， 換熱管外徑為 32 時，鋼管 的最大無支撐跨距為 2200 mm ，在此范圍內(nèi)取折流板間距 l 600mm，則折流 板數(shù)量為 4 個。 查表知，在間距 l 600mm 900mm 時，折流板管孔直徑取 d 0.700.30 折流板結(jié)構(gòu)如下圖： 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . 2．10 拉桿、定距管 常用拉桿形式有兩種： （1）拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于

27、換熱管外徑大于或等于 19 mm的管束， l 2 L a ； （2）拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)， 適用于換熱管外徑小于或等于 14 mm的管束。 由于本次設(shè)計所用換熱管外徑為 32 mm ，故采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。 換熱管外徑為 32 時，查表得對應(yīng)的拉桿直徑 dn 16mm；圓筒公稱直徑 DN為 1100mm ，查得拉桿數(shù)量為 6 根， L a 20mm， Lb 60mm， b 2mm， 拉桿長度根據(jù)結(jié)構(gòu)所需來確定，拉桿結(jié)構(gòu)如下： 拉桿定距管結(jié)構(gòu)以及和管板的連接方式如下圖所示 l2 L a : 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束外緣， 在布管區(qū)內(nèi)或靠近折

28、流板缺口處應(yīng)布置適當數(shù)量的拉桿， 任何折流板應(yīng)不少于 3 個支撐點。 合理布置完拉桿后， 根據(jù)結(jié)構(gòu)得出定距管數(shù)量為 18 根。 2.11 波形膨脹節(jié)的計算 根據(jù) GB16749-1999標準，選用一個 ZDL型（立式）波形膨脹節(jié)，材料 Q235， 其壁厚按下列兩式計算，選用二者中較大值。 （1） ex Di 0.7 ，由表查得ex 0.990, ex 0.103 Dex （2） 取波形膨脹節(jié)的厚度與殼體厚度一樣， 即 ex 為 10 mm，按下式進行應(yīng)力校 核： 故膨脹節(jié)厚度符合要求

29、，查表知膨脹節(jié)尺寸如下圖所示： 2.12 接管法蘭的選擇 變換氣進口選 356 10 的接管，根據(jù)法蘭標準 JB/T4703-2000 ，PN=1.6 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 . MPa ， DN=350 325 10 的接管， PN=1.6 mm的對焊接管法蘭，半水煤氣選 MPa ， DN=300mm的對焊接管法蘭，材料為 20 鋼。結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示： 2.13 開孔補強 容器開口需要補強，常用的結(jié)構(gòu)是在開口外面焊上一塊與容

30、器器壁材料和厚度都相同，即 10 mm的 A3R鋼板，查表可知補強結(jié)構(gòu)尺寸，見下圖： 2.14 封頭法蘭墊片 由于封頭法蘭所選的是長頸對焊法蘭， 采用榫槽密封面密封， 故墊片選用適用于長頸對焊法蘭的纏繞墊片中的基本型墊片， 根據(jù) JB/T4075-2000 標準，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖所示： 2.15 底座 本次設(shè)計的換熱器圓筒公稱直徑在 800～4000 mm范圍內(nèi)，圓筒長度 L 與公稱直徑 DN之比小于 5，容器總高度小于 10 m ，故采用結(jié)構(gòu)簡單的支承式支座中 的 B 型支座即可，根據(jù) JB/T4712.4-2007

31、 支承式支座標準， 其結(jié)構(gòu)尺寸具體見裝配圖。 三、課程設(shè)計小結(jié) 三周的機械設(shè)計使我們認識到了作為一名工程技術(shù)人員需具備的素質(zhì)， 扎實的專業(yè)知識和較寬的知識面， 我們設(shè)計者之間團隊的重要性， 三周的時間里的能夠讓我們學(xué)到很多很多的實際性的知識， 怎樣才能在這三周里更好的運用學(xué)的知識來完成設(shè)計任務(wù)呢？這無疑讓我們有時間做一個理性的思考。 把所學(xué)的知識在這次設(shè)計中和自己的想法結(jié)合起來并在自己 的設(shè)計中形象而生動的表現(xiàn)出來，我認為此次課程設(shè)計是我們走向工作的前奏也算是對個人的一個實踐性的訓(xùn)練。 文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載

32、支持 . 課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練， 著是我們邁向社會， 從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。 ”千里之行始于足下 ”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。 我今天認真的進行課程設(shè)計， 學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。 通過這次換熱器設(shè)計， 本人在很方面都有所提高。 綜合運用本專業(yè)所學(xué)課程 的理論和生產(chǎn)實際知識， 行一次設(shè)計工作的實際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工 作能力，鞏固與擴充了課程所學(xué)的內(nèi)容， 掌握換熱器設(shè)計的方法和步驟， 掌握換 熱器的基本技能，提高了計算能力，繪圖能力，熟

33、悉了規(guī)范和標準，同時各科相 關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習，獨立思考的能力也有了提高。 在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計機械的能力以及綜合運用知識的能 力，體會了學(xué)以致用、 突出自己勞動成果的喜悅心情， 從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習的 不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。在這段時間里我們通過彼此之間的相互合作， 交流學(xué)習，了解了許多新知識， 尤其對化工機械設(shè)計有了系統(tǒng)的掌握。 但由于時 間有限，學(xué)習心得不夠深刻， 還不能對所學(xué)的知識達到熟練的運用， 這就需要我 們在今后的工作中有待學(xué)習和提高。 由于本人的設(shè)計能力有限，在設(shè)計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教 ,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。 參考資料 1. 《過程設(shè)備設(shè)計》  主編鄭津洋 董其伍 桑芝富 化學(xué)工業(yè)出版社 2010.6 2. 《過程設(shè)備工程設(shè)計概論》 主編 陳慶 邵澤波 化學(xué)工業(yè)出版社 2008.1 3. 《換熱器》 秦叔經(jīng) 葉文邦 2002.12 化學(xué)工業(yè)出版社 4. 《冷換設(shè)備》 主編 劉巍 中國石化出版社 2003 5. 《壓力容器設(shè)計標準匯編》