当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

U型管换热器设计


西南科技大学本科生毕业设计

本科毕业设计(论文)
U 型管换热器结构设计与建模

学 院 名 称 专 业 名 称 学 生 姓 名 学 号

制造科学与工程学院 过程装备与控制工程 XX XX XX 讲 师

指 导 教 师

二〇一五年六月

西南

科技大学本科生毕业设计

目录
绪论 第一章 1.1 换热器的发展及研究现状 1.2 换热器的生产需求 第二章 2.1 设计任务 2.1.1 设计题目 2.1.2 设计参数 2.2 方案确定 2.3 确定介质物性参数 2.4 计算总传热系数 2.4.1 热流量 2.4.2 平均传热温差 2.4.3 水蒸气用量 2.4.4 总传热系数 K 2.5 传热面积计算 2.6 工艺结构尺寸 2.6.1 管束数量确定 2.6.2 平均传热温差校正 2.6.3 传热管排列和分程方式 2.6.4 壳体内径 Di 2.6.5 折流挡板

西南科技大学本科生毕业设计

2.6.7 接管尺寸 第三章 3.1 构件材料选择 3.1.1 一般选材原则 3.1.2 压力容器常用钢 3.1.3 构件材料终定 第四章 4.1 筒体计算 4.1.1 厚度计算 4.1.2 校核筒壁压力 4.2 封头尺寸计算 4.2.1 封头厚度计算 4.2.2 校核封头应力 4.3 管箱短节计算 4.3.1 管箱短节圆筒厚度的计算 4.3.2 压力及应力计算 4.3.3 管箱短节长度计算 4.4 管板设计及校核 4.4.1 布管面积 4.4.2 管板布管区的当量直径 4.4.3 管板计算厚度 4.4.4 管板名义厚度

西南科技大学本科生毕业设计

4.4.5 换热管轴向应力计算及校核 4.5 开孔补强计算 4.5.1 等面积法适用范围 4.5.2 壳程接管开孔补强 4.5.3 管程开孔补强 第五章 5.1 设备外部结构 5.1.1 壳体结构 5.1.2 封头结构 5.1.3 管箱结构 5.1.4 接管设计 5.1.5 法兰选用 5.1.6 支座结构 5.2 设备内部件结构 5.2.1 折流板设计 5.2.2 拉杆和定距管设计 5.2.3 分程隔板设计 5.2.4 防冲挡板 5.2.5 管板设计 5.2.6 U 型换热管

5.3 各构件连接形式 5.3.1 压力容器连接形式分类 5.3.2 椭圆封头和壳体的连接

西南科技大学本科生毕业设计

5.3.3 壳程接管和壳体的连接 5.3.4 管程接管与壳体的连接 5.3.5 管束和管板的连接

西南科技大学本科生毕业设计

第一章 绪论
1.1 换热器的发展及研究现状
是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。二十世纪 20 年代 出现板式换热器,并应用于食品工业。以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效 果好,因此陆续发展为多种形式。30 年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器。接着 英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器,用于飞机发动机 的散热。30 年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。在此期 间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60 年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型 的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完 善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。自 60 年代开始,为 了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一 步的发展。70 年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热 管式换热器。 目前对换热器的研究现状,工程上已经大量使用商业的软件进行换热器的计 算。最著名的专业换热器计算软件主要有以下几个:第一是成立于 1962 年的美国 传热研究公司(Heat Transfer Research Inc.,即 HTRI)开发的 Xchange Suit 软件;第 二是成立于 1976 年的英国传热及流体服务中心(Heat Transfer and Fluid Flow Service,即 HTFS)开发的 HTFS 系列软件和 B-JAC 软。因此,换热器计算软件发 展到今天已经可以向很多制造厂商提供设备条件。目前工业上用得较多的管壳式换 热器主要有浮头式、固定管板式和 U 型管式,其中以浮头式换多。本次选择设计 的是 U 型管式换热器,它的管板比固定管板式换热器少,其泄露量也相应减少, 并且 U 型管式换热器具有壳程水压试验后烘干更容易,适用场合广、换热面积 大、管内介质流速大效率高、检修简便、操作弹性较大、结构简单、价格便宜承受 能力强的特点。由于 U 型换热管的两端都同时固定在上同一块管板上,管子可以 自由伸缩,因此,当壳体与 U 形换热管有温差时不会产生热应力。但是,U 型管 换热器的主要缺点就是 U 型管具有一定的弯曲半径,故管板的利用率较差,管内

1

西南科技大学本科生毕业设计

不容易清洗,一旦内层有管束堵塞更换困难,只有将堵塞的换热管两端封住,影响 传热。 所以,U 型管式换热器适用于管与壳壁温差较大或管内走清洁而不易结垢的高 温、高压、腐蚀性大的介质的情形;有时候也用在换热器壳程容易结垢,需要清 洗,但又不适宜用浮头式或固定管板式的场合。U 型管换热器是一种典型的管壳 式换热器, 其管子弯成 U 形,管子的两端固定在同一管板上, 因此每根管子可以 自由伸缩,而与其他管子及壳体无关。U 型管换热器仅有一块管板,且无浮头, 所以结构简单,造价比其他换热器便宜。U 形管束可以从壳体内抽出,所以管子 便于清洗。但管内清洗困难,所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换 热管呈 U 形,管子的更换除外侧一层外,内部管子大部分不能更换。管束中心部 分存在空隙,所以流体易发生短路而影响传热效果。U 形管的弯头部分曲率不 同, 管子长度不一, 因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。

1.2 换热器的生产需求
U 型管换热器在当前市场的生产需求是比较大的,U 型管换热器是在工业过程 生产中实现两种介质间进行热量传递的一种设备,也可以用来保证工艺流程和条件 的同时实现二次能源余热的回收。在化工厂换热器约占总投资 10%-20%;在炼油 厂换热器约占全部工艺设备投资的 35%-40%。由于工艺流程不同,生产中往往进 行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温 度较低的流体,以满足工艺需要。近 20 年来,换热设备在能量储备、转化、回 收,以及新能源利用和污染治理中得到了广泛运用。在工业生产中,换热设备的主 要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体,使流体温度达到工艺过 程规定的指标,以满足工艺过程的需要。除此之外,换热设备也是回收余热、废热 特别是低品位热能的有效装置。所谓低品位热能是指难以利用容易忽略的热能,例 如工业排放的烟道气、高炉炉气等。

2

西南科技大学本科生毕业设计

第二章 换热器工艺计算
2.1 设计任务
2.1.1 设计题目 U 型管换热器结构设计,处理量为 12000Nm/h,使用寿命为 15 年。 2.1.2 设计参数 (1)由 2 管程和 1 壳程组成。 (2)水蒸汽加热空气: 水蒸汽:入口温度 100℃,出口温度 100℃; 空 气:入口温度 30℃,出口温度 40℃。 (3)设计压力为常压 1.1013 MPa ;允许的压降:不大于 105Pa。 2.2 方案确定 考虑到空气和水蒸气均不易结垢,且为了便于强化传热,应使传热系数较小 的流体管程。因此,选择空气走壳程,水蒸气走管程。 2.3 确定介质物性参数 根据定性温度,分别从《化学化工物性数据手册》中查取壳程和管程流体的相 关物性数据如下表 2-1:
表 2-1 相关介质物性参数 介质 温度/℃ 密度 kg/m3 定压比热容 kJ/(kg.℃) 导热系数 W/(m.℃) 黏度 Pa.s 30℃ 空气 35℃(差值法取值) 1.147 1.005 0.02716 0.0000189 40℃ 1.128 1.005 0.02756 0.0000191 水蒸气 100℃ 0.597 1.525 0.024 0.0000123

1.165 1.005 0.02675 0.0000186

2-1

3

西南科技大学本科生毕业设计

2.4 计算总传热系数
2.4.1 热流量:

Q0 ? m0c p0 ?t0 ? 12000 ? 29?1.012? (40 ? 30) 22.4

(2-1)

? 1.57 ?105 KJ / h ? 43.67W

2.4.2 平均传热温差:
?t 'm ? (100 ? 40) ? (100 ? 30) ? 65℃ 2

(2-2)

2.4.3 水蒸气用量: 常压下 100℃的水蒸气汽化热为 r=2258KJ/Kg,则
wi ? Q0 1.57 ?105 ? ? 69.53kg / h r 2258

(2-3)

2.4.4 总传热系数 K ①管程传热系数:

?i d i ui ?i 0.8 c p i ?i 0.4 ?i ? 0 .023 (0.02? 0 ) .5( ) d ? 0.597 i ui ? i Re ? ? 4854 d? ?i ?i i ?i 0.0000123 0.024 1.525?103 ? 0.0000123 0.4 ? 0.023? ? 48540.8 ? ( ) 0.020 0.024
? 22.2W /(m 2 ? ℃) ②壳程传热系数:

(2-4)

W /(m2 ? ℃) ;污垢热阻 Rsi ? 0.00008598 假设壳程传热系数 ? 0 ? 150 m2 ? ℃/ W ,

Rso ? 0.00034394 m2 ? ℃ / W ;管壁的导热系数 K ? 45W /(m ? ℃) ;则传热系数 K:

4

西南科技大学本科生毕业设计

K?

1 do d 1 ? Rsi o ? Rso ? ? i di kdm ?o

(2-5)

?

1 0.025 0.025 0.0025? 0.025 1 ? 0.00008598 ? ? ? 0.00034394 ? 22.2 ? 0.02 0.02 45? 0.0225 150

? 15.8W /(m 2 ? ℃)

2.5 传热面积计算:
S'? Q 43.67?103 ? ? 42.5m2 K?tm 15.8 ? 65
(2-6) (2-7)

考虑 25%的面积裕度, S ? S '?1.25 ? 1.25? 42.5 ? 53.2m2

2.6 工艺结构尺寸
2.6.1 管束数量确定: 本次 U 型管换热器设计采用单壳程双管程结构,若取传热管长 L=3m,换热器 程数为 2,则

ns ?

S 53.2 ? ?2 2根 6 ?d o L 3.14? 0.0 2 ? 53

(2-7)

每程管束为 226/2=113 根。 管内流速:

ui ?

d i ns 4 2.6.2 平均传热温差校正:

?

V
2

?

69.53/(0.597? 3600 ) ? 0.9 1 m 2 /s 2 0.785? 0.02 ?1 1 3

(2-8)

平均传热温差校正系数: R ?

T1 ? T2 100? 100 ? ? 0, t 2 ? t1 40 ? 30 t ?t 40 ? 30 P? 2 1 ? ? 0.14 T1 ? t1 100? 30

(2-9) (2-10)

按单壳程,双管程结构查温差校正系数表可得 ??t ? 1 。

5

西南科技大学本科生毕业设计

平均传热温差: ?t m ? ??t ?t 'm ? 1? 65 ? 65℃ 。 2.6.3 传热管排列和分程方式: 每程均按正三角形排列,取管心距 t=1.25d,则
t ? 1.25 ? 25 ? 31.25 ? 32 mm

横过管束中心线的管数: nc ? 1.19 N ? 1.19 226 ? 18根。 2.6.4 壳体内径 Di: 采用双管程结构,取管板利用率 ? ? 0.7 ,则壳体内径为:

Di ? 1.05t N /? ? 1.05? 32 226/ 0.7 ? 604m
圆整后可取目前常用管径 Di ? 800mm 。 2.6.5 折流挡板

(2-11)

采用弓形折流挡板,取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的 30%,则切去的圆 缺高度为: h ? 0.30 ? 800 ? 240 mm 。 取折流挡板间距 B ? 0.5D ,则 B ? 0.5 ? 800 ? 400 mm 。(根据 GB151 相关规定, 挡板间距最小间隔为 1/5 倍壳体内径,且不小于 50mm) 折流挡板数为: N B ?
传热管长 3000 ?1 ? ? 1 ? 6.5 ? 7 块 折流挡板间距 400

(2-12)

折流挡板圆缺面水平装配。 2.6.7 接管尺寸: ①壳程流体进出口接管:取接管内空气流速为 u1=40m/s,则接管内径为

d1 ?

4V 4 ?12000? 29 ? ? 0.3 4 m 6 ?u1 22.4 ? 3600?1.147? 3.14? 40

(2-13)

6

西南科技大学本科生毕业设计

圆整后可取壳程接管内径为 350mm。根据 GB3087-82 中标准钢管规格,选用

? 377?10 的 10 号无缝钢管。
②管程流体进出口接管:取接管内水蒸汽流速 u2=2m/s,则接管内径为:

d2 ?

4V 4 ? 69.53 /(3600? 0.597) ? ? 0.144m ?u2 3.14? 2

(2-14)

圆整后取接管内径为 150mm。根据 GB3087-82 中标准钢管规格,选用 ?159? 4.5 的 10 号无缝钢管。

7

西南科技大学本科生毕业设计

第三章 材料选择
3.1 构件材料选择
3.1.1 一般选材原则: (1)所需钢板厚度小于 8mm 时,在碳素钢和低合金钢之间,应尽量采用碳素钢 钢板。 (2)在刚度和结构设计为主的场合,应尽量选用普通碳素钢。在强度设计为主 的场合,根据压力、所需耐酸不锈钢温度、介质等使用限制,选用 Q245R、Q345R 等钢板。 (3)所需耐酸不锈钢厚度大于 12mm 时应尽量采用复合板衬里、堆焊等结构形 式。 (4)耐酸不锈钢应尽量不用做设计温度小于或等于 500℃的耐热钢。 (5)碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压、低压容器,壁厚不大的中压容器,锻 件、承压钢管、非受压元件以及其他由刚性或结构决定壁厚的场合。 (6)低合金钢高强度钢用于介质腐蚀性不强、壁厚较大(≥8mm)的受压容器。 (7)珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀,或设计温度为 350~650℃的压 力容器用耐热钢。 (8)不锈钢用于介质腐蚀性较高、防铁离子污染或设计温度大于 500℃或设计温 度小于-100℃的耐热或低温用钢。 3.1.2 压力容器常用钢 (1)压力容器常用钢分类: 1)钢板 钢板是压力容器最常用的材料,如圆筒一般由钢板卷焊而成,封头一

般由钢板通过冲压或旋压制成。它具有良好的加工工艺性能。

8

西南科技大学本科生毕业设计

2)钢管

压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。根据 GB151-1999 规

定:当压力容器圆筒公称直径 DN≤400mm 时,可用钢管制作。当卷制圆筒的公称 直径以 400mm 为基数,以 100mm 为进级档;必要时,也可采用 50mm 为进级 档。 3)锻件 锻件制造。 (2)钢材类型 1)碳素钢也称碳钢 碳素钢强度较低,塑性和可焊性较好,价格低廉,故常用 高压容器的平盖、端部法兰、中(低)压设备法兰、接管法兰等常用

于常压或中、低压容器制造,也用作支座、垫板等零部件的材料。如:碳素结构钢 Q235-B 和 Q235-C 钢板;优质碳素结构钢 10、20 钢管,20、35 钢锻件;压力容器 专用钢板 Q245R、20G,Q245R 是在 20 钢基础上发展起来的,主要是对硫、磷等 有害元素的控制更加严格,对刚才的表面质量和内部缺陷控制的要求也较高。 2)低合金钢 低合金钢是在碳素钢基础上加入少量合金元素的合金钢。它具有

高强度、优良的韧性、焊接性能、成型性能和耐腐蚀性能;同时它不仅可以减小容 器的厚度,减轻重量,节约钢材,而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、 安装中因厚度太大所带来的各种困难。 Q345R(16MnR)是屈服强度为 340MPa 级的压力容器专用钢板,也是中国压 力容器行业使用量最大的钢板,它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能,主要 用于制造中低压容器和多层高压容器。 16MnDR、15MnNiDR 和 09MnNiDR 三种钢板是使用温度低于等于-20℃的压力 容器专用钢板。 3)高合金钢 压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温

钢,主要有铬钢、铬镍钢和铬镍钼钢,除了铬钢以外,高合金钢都具有良好的低温 性能。 0Cr13 是常用的铁素体不锈钢,有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工 性能。

9

西南科技大学本科生毕业设计

0Cr18Ni9 是奥氏体不锈钢,具有良好的塑性、韧性和冷加工性,在氧化性酸和 大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳。 3.1.3 构件材料终定 (1)壳体材料 本次 U 型管换热器结构设计中,水蒸气为干净清洁的气体,空气在流速低的情 况下容易结垢,两者均不属于腐蚀介质。考虑到 U 型管换热器壳体内壁不易清洗且 管程流速快,本次设计由空气走管程,水蒸气走壳程。故计算温度壳程为 100℃, 计算压力为常压,属于低压容器。 综合上面所述,本次壳程筒体材料的选择:壳程介质为空气,无毒、无腐蚀性, 由于筒体直径为 φ800mm >400mm,因此我们可以选择 Q245(GB150,4.1.4 规定需 在正火处理后使用)钢板作为壳体的材料。(GB151-1999) (2)封头和管箱短节材料 本次 U 型管换热器结构设计中,与封头接触的介质均为干净、无腐蚀、不易结 垢的气体介质;并且设计压力为常压,在保证强度和成本的基础上考虑到壳体材 料,为了焊接方便,因此壳体封头、管箱封头和管箱短节材料均采用 Q245R 钢 板。 综上:本次 U 型管换热器各构件材料选择汇总如下表 3-1:

表 3-1 换热器各部分零部件材料

管箱短 构件 材料/钢 号 壳体 封头 节 Q245R 接管 法兰 管板

分程隔 板 Q245R

Q245R

Q245R

10

Q235A

Q245R

10

西南科技大学本科生毕业设计

续表 3-1

构件

U 形换 热管

折流板

拉杆

定距管

鞍式支 座

垫片

紧固件

材料/钢 号

20

Q235A

10

10

Q235A

石棉橡 胶板

0Cr18Ni9

注明:由于本次换热器设计流体介质均为干净无腐蚀的流体,并且操作压力和 操作温度都是常温常压,因此对材料的选用要求不高,故通过查阅相关标准选用最 常用,最节约成本的材料。

11

西南科技大学本科生毕业设计

第四章 强度计算
4.1 筒体计算
4.1.1 厚度计算 由于本次设计空气走壳程,空气入口温度为 30℃,出口温度为 40℃,则设计 温度取最高温度 40℃。设计压力为常压为 Pc=0.1013Mpa,选用材料为 Q245R 钢 板卷制。材料在 40℃时的许用应力为 [? ]40℃ ? 147MPa 。焊接接头系数根据 GB1502011 和 GB151-1999 规定取双面焊局部检测 ? ? 0.85,壳体内径 Di=800mm。 计算厚度

??

2 ?? ? ? ? pc
t

pc Di

?

0.101 ?3 8 0 0 ? 0 . 3mm 3 2? 1 4? 7 0 .? 85 0.1013

(4-1)

介质为压缩空气、水蒸气和水的碳素钢或低合金钢制换热器腐蚀裕量不低于 1mm,查《腐蚀数据与材料选择手册》得年腐蚀量为 0.1mm,使用年限为 15 年, 故腐蚀裕量为 C2=15× 0.1=1.5mm,故

设计厚 ? d ? ? ? C2 ? 1.83mm 根据 GB/T 709-2006 中的 B 类要求,Q245R 等钢板的负偏差均为 : C1=-0.30mm,故 名义厚度 ? n ? ? d ? C1 ? 1.53mm

(4-2)

(4-3)

根据 GB151 中 5.3.2 的规定,碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度符合下表 41 要求。U 型管式换热器筒体最小壁厚为 10mm,其中包含 1mm 的厚度附加量, 因此本换热器筒体的名义厚度圆整后为 ? n =10mm。当厚度为 10mm 时 Q245R 钢 板的[ ? ]t 无变化,厚度合适。

12

西南科技大学本科生毕业设计

表 4-1 工称直径 浮头式、 8 U 形管式 固定管板式 6 8 10 12 14 10 12 14 16 400~≤700 >700~≤1000 >1000~≤1500 >1500~≤2000 >2000~2600

注:表中数据包括厚度附加量 C2(按 1mm 考虑)

4.1.2 校核筒壁压力 根据《化工容器及设备简明设计手册》圆筒壳应力校核公式为: (4-4)

?t ?

Pc ( Di ? ? e ) 2? e?

其中 Pc=0.1013Mpa,Di=800, ? e = ? n -C1-C2=8-1.5+0.3=8.8,带入数据得:

? t =5.48Mp<[ ? ]t=147Mpa,满足要求。

4.2 封头尺寸计算
本次封头采用标准椭圆形封头其形状系数 K=1;查《化工容器及设备简明设 计手册(第二版)》P324 中有以内径为公称直径的碳素钢制封头在 DN 为 800mm, 壁厚为 10mm 时封头的直边为 h2=40mm,曲面高度为 h1=200mm 质量为 63.6kg。采 用 Q245R 钢板冲压成型。 4.2.1 封头厚度计算 由于本次设计空气走壳程,空气入口温度为 30℃,出口温度为 40℃,则设 计温度取最高温度 40℃。设计压力为常压为 Pc=0.1013Mpa,选用材料为 Q245R 钢板冲压制成。材料在 40℃时的许用应力为 [? ]40℃ ? 147MPa 。焊接接头系数根据 GB150-2011 和 GB151-1999 规 定 取 双 面 焊 局 部 检 测 ? ? 0.85 , 壳 体 内 径 Di=800mm。封头形状系数 K=1。

13

西南科技大学本科生毕业设计

计算厚度 (4-5)

??

2 ?? ? ? ? 0 . p 5c
t

Kpc Di

?

1? 0 . 1 0 ? 13 800 ? 0 . 3mm 3 2? 1 4? 7 0 .? 8 5 ?0 . 5 0 . 1 0 1 3

介质为压缩空气、水蒸气和水的碳素钢或低合金钢制换热器腐蚀裕量不低于 1mm,查《腐蚀数据与材料选择手册》得年腐蚀量为 0.1mm,使用年限为 15 年, 故腐蚀裕量为 C2=15× 0.1=1.5mm,故 设计厚 ? d ? ? ? C2 ? 1.83mm。 根据 GB/T 709-2006 中的 B 类要求,Q245R 等钢板的负偏差均为 C1=0.30mm,故 名义厚度 ? n ? ? d ? C1 ? 1.53mm。 由于换热器筒体的壁厚为 10mm,封头厚度应与筒体厚度一致,故圆整后封头 名义厚度为 ? n =10mm。当厚度为 10mm 时 Q245R 钢板的[ ? ]t 无变化,厚度合适。 4.2.2 校核封头应力 根据公式:

?t ?

Pc ( KDi ? 0.5? e ) 2? e?

(4-6)

必须满足 ? t ? [? ]t 。 其中 Pc=0.1013Mpa,Di=800, ? e = ? n -C1-C2=8-1.5+0.3=8.8,带入数据得:

14

西南科技大学本科生毕业设计

?t ?
?

Pc ( KDi ? 0.5? e ) 2? e?

0.1013? (1? 800? 0.5 ? 8.8) 2 ? 8.8 ? 0.85

(4-7)

? 5.44MPa ? [? ]t ? 147M P a

满足许用要求。

4.3 管箱短节计算
4.3.1 管箱短节圆筒厚度的计算 管程最高操作温度 100℃,故取设计温度 100℃,管程操作压力 0.1MPa ,选用 Q245R 钢板,负偏差为-0.3mm 材料许用应力 ?? ? ? 147MPa ,取焊缝系数 ? ? 0.85 ,
t

腐蚀余量 C2 ? 0.1?15=1.5mm 。 计算厚度

??

2 ?? ? ? ? pc
t

pc Di

?

0.101 ?3 8 0 0 ? 0 . 3mm 3 2? 1 4? 7 0 .? 85 0.1013

(4-8)

设计厚度 名义厚度

? d ? ? ? C2 ? 0 . 3 ? 3 1? .5

1 m .m 83

(4-9) (4-10)

? n ? ? d ? C1 ? 1.83 ? 0.3=1.53mm

综合考虑结构,补强,焊接的需要,由 GB151-1999 表 8 有 ? n ? 10mm 有效厚度

?e ? ? n ? C1 ? C2 ? 10 ? 0.3 ?1.5 ? 8.8mm

则短节圆筒名义厚度 ? n ? 10mm 4.3.2 压力及应力计算 根据《化工容器及设备简明设计手册》圆筒壳应力校核公式为:

?t ?

Pc ( Di ? ? e ) 2? e?

(4-11)

其中 Pc=0.1013Mpa,Di=800, ? e = ? n -C1-C2=8-1.5+0.3=8.8,带入数据得:

? t =5.48Mp<[ ? ]t=147Mpa,满足要求。

15

西南科技大学本科生毕业设计

4.3.3 管箱短节长度计算 管箱最小长度 Lmin 计算;按流通面积计算:

Lmin ?

? h1 ? h2 ? S 4E 3.14? 202 ? 226 ? ? 200? 40 ? 6 4 ? 800

?d i2 N cp

(4-12)

? 334 .7 ? 335 mm

h1 —封头曲面高度 200mm;
h2 —封头直角边高度 40 mm;

N cp —换热管数 226 根;

d i —换热管内径 20mm;
S —封头厚度 10 mm ;

在壳体设计时,已知管箱和壳体在 DN800 时,圆筒最小厚度要取 10mm,根据 GB150 规定,短节长度 L≥300 mm ,考虑到管程开孔直径 d ? 150mm ,计算所得最 小长度为 335mm,故取管箱短节的尺寸为 DN ? 800, ? n ? 10mm, L ? 400mm 。

4.4 管板设计及校核
管板与法兰采用 a 型连接,换热管与管板采用强度焊接连接。管板材料为 Q245R,设计温度下管板弹性模量 E ? 2.0 ?1011 Pa ,设计温度下许用应力为
147 MPa ,考虑到管板与分程隔板的连接,壳、管程侧开槽深度为

h1 ? 0mm, h2 ? 4mm 。腐蚀余量 Cs ? Ct ? 1.5mm 。

4.4.1 布管面积 布管区域内,未能被支撑的面积 Ad
Ad ? n' S (Sn ? 0.866S) ? 18 ? 32 ? (44 ? 0.866 ? 32)

? 9381.888mm2

(4-13)

16

西南科技大学本科生毕业设计

管板布管区面积 At ? 1.732nS 2 ? Ad

(4-14)

? 1.732 ? 226 ? 32 ? 9381.888
2

? 410208.256mm2
管板开孔后面积

A1 ? At ?

?
4

nd 2
3.14 ? 25 4
2

(4-15)

? 410208.256 ? 226 ? ? 299327.006mm 2

4.4.2 管板布管区的当量直径
Dt ? 4 At ? 4? 4 1 0 2 0 8 . 2 5 6 ? 723mm 3.14

?

(4-16)

管板参数:根据 JB/T4700-4703,壳体内径为 800mm 时,管板与管箱、壳体连 接采用 a 型,此时管板外径为 840mm,垫片压紧作用中心圆直径 DG=820mm。钢 板边缘旋转刚度参数 K f ? 0 。 系数 ? t : ?t ? Dt DG ? 723 ? 820 ? 0.882

1/ ?t ? 1/ 0.882 ? 1.134
查询 GB151-1999 表 19,得 Cc ? 0.256 在 a 型连接中,由 GB150-2011 表 7-1,压紧面形状选择为 1a,垫片外径为 840mm,内径为 800mm。
N 850-800 ? ? 25 ? 6mm 2 2 垫片有效密封宽度: b ? 2.53 bo ? 12.65mm

垫片基本密封宽度: bo ?

(4-17) (4-18)

4.4.3 管板计算厚度 由管板厚度计算公式:

17

西南科技大学本科生毕业设计

? ? 0 . 8D 2G

? ?? ?r
t

C c pd

(4-19)

式中, ? —管板强度削弱系数,0.4

?? ?r —设计温度下管板材料的许用应力,147 MPa
t

Pd 为 0.1013Mpa 管板计算厚度为:

? ? 0 . 8D 2G

? ?? ?r
t

Cc pd

0 . 2 5?6 0 . 1 0 1 3 = 0 . 8?2 8?2 5 0.4 ? 147 =14.21mm
4.4.4 管板名义厚度 根据GB151-1999 管板的名义厚度不小于下列三者之和: (1)管板的计算厚度或最小厚度,取大者; (2)壳程腐蚀裕量或结构开槽深度,取大者; (3)管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度,取大者; 所以,管板名义厚度应不小于下列三部分之和即:

(4-20)

? n ? MAX ?? , ? min ? ? MAX ? Cs , h1 ? ? MAX ? Ct , h2 ?
? MAX ?14.21,12 ? ? MAX ?1.5, 0 ? ? MAX (1.5, 4) ? 14.21+1.5+4 ? 19.71mm
考虑到拉杆固定,取管板名义厚度 ? n ? 30mm 4.4.5 换热管轴向应力计算及校核 换热管材料为 20(GB9948),其设计温度下材料许用应力 ?? ?t ? 147MPa ,许
t

(4-21)

用拉脱力 ? q ? ? 0.5 ?? ?t ? 73.5MPa 。
t

18

西南科技大学本科生毕业设计

一根换热管管壁金属的横截面积 ? a ? ? ? d o2 ? d i2 ? 4 ? ? ? ? 252 ? 202 ? ? 176.6mm 2 4 换热管轴向应力校核:

(4-22)

? t ? ?? P s ?P?t

?d2
4a

?P t

(4-23)

分别以三种不同工况进行计算:

① 只有壳程设计压力 Ps ? 0.1013MPa ,管程设计压力为0;

? t ? ? ? 0.1013 ? 0 ? ?

? ? 252
4 ?176.6

? 0 ? -0.282MPa

② 只有管程设计压力 P t ? 0.1013MPa ,壳程设计压力为0;

? t ? ? ? 0 ? 0.1013? ?

? ? 252
4 ?176.6

? 0.1013 ? 0.181MPa

③ 壳程设计压力和管程设计压力同时作用;

?t ? 0 . 1 0 1 M3P a
以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力:

?? ?t ? 147MPa 。
t

换热管与管板连接拉脱力:
q?

?ta ? dl

(4-24)

其中 ? t 取以上计算中三种工况的绝对值最大者 ? t ? -0.282MPa ,查GB151-1999 表33有:

l ? l1 ? l3
取换热管最小伸出长度 l1 ? 2mm ,最小坡口深度 l3 ? 2mm ,则有
l ?2 ?2 ?4 mm

(4-25)

19

西南科技大学本科生毕业设计

由此得: q ?

-0.228 ?176.6 ? 0.128MPa < ? q ? = 73.5MPa ? ? 25 ? 4

综上,强度满足要求,各尺寸适合。

4.5 开孔补强计算
4.5.1 等面积法适用范围 等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当 在壳体上开椭圆形或长圆形孔时,孔的长径与短径之比应不大于 2.0。本方法的适 用范围: 1)当圆筒内径 Di≤150mm 时,开孔最大直径 d op ≤Di/2,且 d op ≤52Omm; 2)当圆筒内径 Di>1 500 mm 时,开孔最大直径 d op ≤Di/3,且 d op ≤1 000 mm; 3)凸形封头或球壳开孔的最大允许直径 d op ≤Di/2;锥形封头开孔的最大直径
d op ≤Di/3,Di 为开孔中心处的锥壳内直径。

注:开孔最大直径 d op 对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸。 由以上规定可知,本次接管外径为 ? 377和?159均大于不另行补强的最大接管外 径 ?89 ,故开孔需另行考虑其补强。其中 10 号钢管许用应力 [? ]n 腐蚀裕度 C=15× 0.1=1.5mm。 4.5.2 壳程接管开孔补强 开孔直径: d ? di ? 2c ? 357? 2 ?1.5 ? 360mm ? Di / 2 ? 400mm,满足等面积法开 孔补强计算使用条件。 开孔材料强度削弱系数 fr:
fr ? [? ]n 121 ? ? 0.823 [? ]t 147
t

50℃

? 121 Mpa ,取

(4-26)

接管计算厚度:

20

西南科技大学本科生毕业设计

?t ?

pc di 0.1013? 357 ? ? 0.18m m t 2[? ]n ? ? p c 2 ?121? 0.85 ? 0.1013

(4-27)

接管有效厚度:

? et ? ? nt ? c ? 10 ?1.5 ? 8.5mm

(4-28)

开孔所需补强面积:
A ? d? ? 2?? et (1 ? f r ) ? 360? 0.33 ? 2 ? 0.33? 8.5 ? (1 ? 0.823) ? 119.8m m2

(4-28)

有效补强范围: ①有效宽度: B ? 2d ? 2 ? 360 ? 720 mm ; ②有效高度:外侧有效高度 h1 ? d? nt ? 360?10 ? 60.0mm; 内侧有效高度 h2 ? 0 。 壳体多余金属面积:
A1 ? ( B ? d )(? e ? ? ) ? 2? e (? e ? ? )(1 ? f r ) ? (720? 360) ? (8.8 ? 0.33) ? 2 ? 8.5 ? (8.8 ? 0.33) ? (1 ? 0.823) ? 3023.7 m m2

(4-29)

接管多余金属面积:
A2 ? 2h1 (? et ? ? t ) f r ? 2h2 (? et ? C2 ) f r ? 2 ? 60? (8.5 ? 0.18) ? 0.823? 0 ? 821.7 m m2

(4-30)

接管区焊缝面积: A3 ? 2 ? 0.5 ? 6 ? 6 ? 36mm2 综上,有效补强面积为: Ae ? A1 ? A2 ? A3 ? 3023 .7 ? 821.7 ? 36 ? 3881 .4mm2 ,由 于 Ae ? A ? 119.8mm2 ,所以本次开孔满足补强要求,不需要另行补强。 4.5.3 管程开孔补强

21

西南科技大学本科生毕业设计

开孔直径: d ? di ? 2c ? 159? 2 ?1.5 ? 162mm ? Di / 2 ? 400mm,满足等面积 法开孔补强计算使用条件。 开孔材料强度削弱系数 fr:
fr ? [? ]n 121 ? ? 0.823 [? ]t 147
t

(4-31)

接管计算厚度:

?t ?

pc di 0.1013?159 ? ? 0.08m m t 2[? ]n ? ? p c 2 ?121? 0.85 ? 0.1013

(4-32)

接管有效厚度:

? et ? ? nt ? c ? 10 ?1.5 ? 8.5mm

(4-33)

开孔所需补强面积:
A ? d? ? 2?? et (1 ? f r ) ? 360? 0.33 ? 2 ? 0.33? 8.5 ? (1 ? 0.823) ? 119.8m m2

(4-34)

有效补强范围: ①有效宽度: B ? 2d ? 2 ? 360 ? 720 mm ; ②有效高度:外侧有效高度 h1 ? d? nt ? 360?10 ? 60.0mm; 内侧有效高度 h2 ? 0 。 壳体多余金属面积:
A1 ? ( B ? d )(? e ? ? ) ? 2? e (? e ? ? )(1 ? f r ) ? (720? 360) ? (8.8 ? 0.33) ? 2 ? 8.5 ? (8.8 ? 0.33) ? (1 ? 0.823) ? 3023.7 m m2

(4-35)

接管多余金属面积:
A2 ? 2h1 (? et ? ? t ) f r ? 2h2 (? et ? C2 ) f r ? 2 ? 60? (8.5 ? 0.18) ? 0.823? 0 ? 821.7 m m2
22

(4-36)

西南科技大学本科生毕业设计

接管区焊缝面积: A3 ? 2 ? 0.5 ? 6 ? 6 ? 36mm2 综上,有效补强面积为: Ae ? A1 ? A2 ? A3 ? 3023 .7 ? 821.7 ? 36 ? 3881 .4mm2 ,由 于 Ae ? A ? 119.8mm2 ,所以本次开孔满足补强要求,不需要另行补强。结论是采用 10 号 ?159? 4.5 无缝钢管满足补强要求,不需要另行补强。

23

西南科技大学本科生毕业设计

第五章 结构设计
5.1 设备外部结构
5.1.1 壳体结构 筒体按结构可分为单层式和组合式两大类: (1)单层式筒体 单层筒体按制造方式又可分为单层卷焊式、整体锻造式、锻

焊式等几种。其中单层卷焊是目前用得最多的一种筒体形式,它的主要优点就是结 构简单,制造方便。 (2)整体锻焊式筒体的材料金相组织紧密,强度高,因而质量较好,特别适合 于焊接性能较差的高强度钢所制造的超高压容器。 (3)组合式筒体又包含多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式和绕带 式。 (4)多层包扎式是目前世界上使用最为广泛、制造和使用经验最为丰富的组合 式圆筒结构,制造工艺简单,可靠性强。但是,制造工序多,周期长,效率低,钢 板材料利用率低的缺点。 (5)热套式圆筒除了具有多层包扎式的优点外还具有工序少和周期短等优点, 但需要有较准确的过盈量,对卷筒的精度要求很高,且套合时需选配套合。 (6)绕板式和整体多层包扎式具有的特点与多层包扎式和热套式类似。 综上所述:本次筒体结构形式采用单层卷焊式。 5.1.2 封头结构 根据几何形状的不同,封头可分为球形、椭圆形、碟形、球冠行、锥壳、变径 段、紧口和平盖等几种,其中球形、椭圆形、碟形和球冠形封头又统称为突形封 头。 受内压的半球形封头 在均匀内压作用下,薄壁球形容器的薄膜应力为相同直

径圆筒的一半,故从受力分析上看,球形封头是理想的结构形式。但是缺点是深度 大,直径小时,整体冲压困难,大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形 封头常用在高压容器上。

24

西南科技大学本科生毕业设计

椭圆形封头

是由半个椭球面和短圆筒组成。由于封头废热椭球部分经线曲率

变化平滑连续,故应力分布比较均匀,且椭球形封头深度较半球形封头小得多,易 于冲压成型,是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。 碟形封头 是一个不连续曲面,在经线曲率半径突变的两个曲面连接处,由于

曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加,使 该部位的应力远远高于其他部位,故受力状况不佳。 球冠形封头 碟形封头当 r=0 时,即成为球冠形封头,它是部分球面与圆筒直

接连接,因而结构简单、制造方便,常用作容器中两独立受压室的中间封头,也可 用作端盖。 锥壳 由于结构不连续,锥壳的应力分布并不理想,但其特殊的结构形式有利

于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放,可作为不同直径圆筒的中间过渡段,在中、 低压容器中使用较为普遍。 综上所述:本次封头采用标准椭圆形封头其形状系数 K=1;查《化工容器及 设备简明设计手册(第二版)》P324 中有以内径为公称直径的碳素钢制封头在 DN 为 800mm,壁厚为 10mm 时封头的直边为 40mm,质量为 63.6kg。 5.1.3 管箱结构 管箱位于管壳式换热器的两端,管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀的分 布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中,管箱还起 改变流体流向的作用。 管箱的结构形式主要是根据换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来 确定的,本次设计的换热器中,两流体分别为空气和水蒸气,从介质来讲属于比较 清洁的介质,对于管子的清洗要求不是很高,从各方面的条件考虑选用封头管箱结 构,管箱封头也采用标准椭圆形封头。 5.1.4 接管设计 接管设计一般由以下几个要求: (1)接管宜与壳体内表面平齐;

25

西南科技大学本科生毕业设计

(2)接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置; (3)设计温度高于或等于 300℃时,应采用对焊法兰; (4)对于不能利用接管进行放气和排液的换热器,应在管程和壳程的最高点设 置排气口,或在最低点设置排液口,其最小公称直径为 20mm。 由于壳体内空气可由接管排出,故不设置排气孔;接管与法兰采用板式平焊法 兰。根据《化工容器及设备设计手册(第二版)》表 23-5-1 规定,当接管公称直 径 70mm-500 时 mm,接管外伸长度为 150mm。 5.1.5 法兰选用 (1)法兰形式选择 法兰类型包括:板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰、整体法兰、承 插焊法兰、螺纹法兰、对焊环松套法兰、平焊环松套法兰、法兰盖和衬里法兰盖。 由于本次设计温度为常压,对法兰要求不是很高,且为了方便铸造,降低成 本,故采用接管法兰采用板式平焊法兰;设备法兰选用甲型平焊法兰。根据 JB/T4700-2000 表 6 规定,综合考虑后材料选用 Q235A 板材。 (2)接管法兰尺寸 查 HG20592-2009 法兰标准表 8.2 规定: PN0.6Mp,钢管外径 A1=377mm 时,法兰外径 D=490mm,螺栓孔中心圆直径 K=445mm,螺栓孔直径 L=22mm,螺栓孔数量 n=12 个,螺纹 M20,法兰厚度 C=26mm,密封面 d=415mm,f1=4mm,f2=5.5,法兰内径 B1=381mm,法兰理论重量 11.9kg。 PN0.6Mp,钢管外径 A1=159mm 时,法兰外径 D=265mm,螺栓孔中心圆直径 K=225mm,螺栓孔直径 L=18mm,螺栓孔数量 n=8 个,螺纹 M16,法兰厚度 C=20mm,密封面 d=202mm,f1=3mm,f2=5,法兰内径 B1=161mm,法兰理论重量 5.14kg。

26

西南科技大学本科生毕业设计

具体尺寸位置如下图 5-1:

图 5-1

(3)壳体法兰尺寸 查 JB/T4700~4703-200 压力容器法兰标准表一规定: PN=0.25Mp,DN=800 时,D=915,D1=880,D2=850,D3=840,D4=837,厚度 ? =36mm, 螺栓孔直径 d=18mm,螺栓孔数量 n=32 个,螺纹 M16。 螺栓孔位分布如下图 5-2:

图 5-2

5.1.6 支座结构 采用换热器常用支座-鞍式支座,查《化工容器及设备设计简明手册(第二 版)》表 22-1 规定,符合壳体公称直径 800mm 的鞍式支座为:重型、B1 型,120 度包角,焊制,双筋,带垫板;支座具体尺寸见下表 5-1。

27

西南科技大学本科生毕业设计

工 称 直 径 DN

底板 允 许 载 荷 鞍 座 高 度 h l1 b1

腹 板

筋板

垫板

鞍座质 螺 栓 间 量 不 带 垫 板 21 27 30

?1

?2

l3

b3

?3

弧长

b4

?4

带 垫 板

e

距 l2

700 800 900

170 220 225 200

640 720 810 150 10

8 1 0

350 400 450
表 5-1

8 120 10

830 940 1060 200 6 36

460 530 590

28 35 40

鞍座材料一般为 Q235-A.F,如需更换其他材料则选择与壳体材料相同。鞍座置 应尽可能靠近封头,即 A 应小于或等于 D0/4,且不宜大于 0.2L,当需要时最大不 得大于 0.25L。考虑到管箱长度,本次鞍座位置 A 取 872mm<0.25× 3542=885.5mm,满足要求。

5.2 设备内部件结构
5.2.1 折流板设计 (1) 折流板数量 采用弓形折流挡板,取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的 35%,则切去的圆 缺高度为: h ? 0.35 ? 800 ? 280 mm 。 取折流挡板间距 B ? 0.5D ,则 B ? 0.5 ? 800 ? 400 mm

28

西南科技大学本科生毕业设计

折流挡板数为: N B ?

传热管长 3000 ?1 ? ? 1 ? 6.5 ? 7 块 折流挡板间距 400

(5-1)

折流挡板圆缺面水平装配,如下图:

图 5-3

(2)折流板厚度及外径 根据 GB151 规定有: 当折流挡板无支承间距为 600mm-900mm,挡板 DN 为 700mm-900mm 时挡板 最小厚度为 8mm。其中挡板公称直径为:当壳体公称直径为 500mm-900mm 时, 挡板公称直径为 DN=800-4.5=795.5mm,允许的偏差为-0.8。 (3)折流板管孔设计 根据 GB151 规定,换热管外径小于 32mm 时,折流板管孔为: d+0.4=25+0.4=25.4mm,下偏差为 0,上偏差偏差为+0.3。 5.2.2 拉杆和定距管设计 本次拉定距管均采用碳素钢作为材料。 根据 GB151 相关规定可得: 换热管外径为 25mm 时,定距管直径与换热管规格相同,为 ? 25? 2.5 ,长度自 定(见装配图);DN 为 700mm-900mm 时,拉杆直径为 16mm,拉杆数量为 6 根,且当换热管外径大于等于 19mm 时,应该采用拉杆定距环结构,如下图 5-4:

29

西南科技大学本科生毕业设计

图 5-4

拉杆与管板为螺纹连接,如下图 5-5:

图 5-5

其中螺纹深度 l2 由公式 l2 ? 1.5d n 确定, d n 为拉杆螺孔公称直径,由下表 5-2 确 定:
表 5-2 换热管外径 管孔直径 允许偏差 14 14.25 16 16.25 19 19.25 25 25.25 32 32.35 38 38.40 +0.20 0 45 45.40 57 57.55 +0.25 0

+0.15 0

拉杆结构尺寸如下图 5-6 和表 5-3 所示:

30

西南科技大学本科生毕业设计

表 5-3

拉杆直径 d 10 12 16

拉杆螺纹工称 直径 dn 10 12 16

La 13 15 20

Lb ≥40 ≥50 ≥60

b 1.5 2.0 2.0

图 5-6

5.2.3 分程隔板设计 (1)分程隔板尺寸 分程隔板材料为 Q245R 板材,许用应力 ?? ? 时,最小厚度 ? min ? 10mm ,取 ? n ? 10mm 。
表 5-4 分程隔板最小厚度 钢板最小厚度 公称直径 DN 碳素钢及低合金钢 ≤600 >600~≤1200 >1200 8 10 14 高合金钢 6 8 10
100? C

? 147MPa 。根据 GB151-1999

中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定如下表 5-4:当 DN ? 600mm ? 1200mm

(2)分程隔板板槽 板槽设计应符合以下规定:

31

西南科技大学本科生毕业设计

1)槽深不宜小于 4mm;2)宽度为:碳钢 12mm;3)板槽拐角处的倒角一般为 45 度,倒角宽度 b 近似等于分程垫片的圆角半径 R,如下图 5-6:

图 5-6

5.2.4 防冲挡板 根据 GB151 规定: 当管程采用轴向入口接管或介质流速超过 3m/s 时应设置防虫冲挡板,本次管程 流速为 2m/s,故可以不设置防冲挡板。 当壳程进口管非腐蚀单相流体的 ?v 2 ? 2230kg /(m ? s 2 ) 时应在壳程进口处设置防 冲挡板,本次壳程为空气, ?v 2 ? 1.147? 402 ? 1835 .2kg /(m ? s 2 ) ,故不需要设置防 冲挡板。 5.2.5 管板设计 管板与壳体、管箱的连接方式 采用 a 型连接(管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接),如下图 5-7:

图 5-7

32

西南科技大学本科生毕业设计

5.2.6

U 型换热管

(1)U 型换热管规格 管子材料选择 20 号无缝碳钢管 ? 25? 2.5 , ? 级管束,根据 GB151 表 11 可得: U形管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径,常用换热管的最小弯曲 半径取 R min =50mm,如下图5-8。

图 5-8

(2)U型管弯曲段弯曲前最小壁厚 最小壁厚按下式计算:
? ? d ? ? 4R ?

? 0 ? ?1 ? 1 ?
2)

( 5-

其中,d = 25mm,R = R min = 50mm, ? 1 = 2.5mm,带入上式得:

? 0 ? 2.5 ? ?1 ?
符号规定: d ---- 换热管外径,mm; δ ---- 换热管厚度,mm; R ---- 弯管段弯曲半径,mm;

? ?

25 ? ? ? 2.81mm ,圆整取为3.0mm。 4 ? 50 ?

? 0 ---- 弯曲前换热管的最小壁厚,mm;
? 1 ---- 直管段的计算厚度,mm;

33

西南科技大学本科生毕业设计

(3)管子的排列型式 换热管的排列主要有以下图5-9四种方式:

图5-9

正三角形排列用得最普遍,因为管子间距都相等,所以在同一管板面积上可排 列最多的管子数,而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗,TEMA标准规 定,壳程需用机械清洗时,不得采用三角形排列型式。 在壳程需要机械清洗时,一般采用正方形排列,管间通道沿整个管束应该是连 续的,且要保证6mm的清洗通道。 图中a和d两种排列方式,在折流板间距相同的情况下,其流通截面要比b、c两 种的小,有利于提高流速,故更合理些。 本次设计壳程为空气,不易结垢,故采用正三角形排列。 (4)换热管中心距 换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径,根据GB151-1999表12,取换热 管中心距为S = 32mm,取分程隔板槽两侧相邻管中心距 S n = 44mm。 (5)布管限定圆 根据GB151规定,各尺寸由以下确定: 符号:

34

西南科技大学本科生毕业设计

b ---- 见下图5-10,其值按表5-5选取,4mm;

b1 ----见下图5-10,其值按表5-6选取,5mm;

b2 ----见下表5-7, b2 ? bn ? 1.5 =14.5mm;
b3 ---- 固定管板式换热器或U型管式换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁
的最短距离,见下图5-10, b3 = 0.25d = 0.25× 25= 6.25mm,一般不小于 8mm,取 b3 = 10mm;

bn ---- 垫片宽度,其值按表5-6选取,13mm;
D L ---- 布管限定圆直径, DL ? Di ? 2b3 ? 800? 2 ?10 ? 780mm;

Di ---- 圆筒内直径,800mm;

d ---- 换热管外径,25mm;

图 5-10 表 5-5 Di <1000 1000~2600 b >3 >4

35

西南科技大学本科生毕业设计

表 5-6

Di ≤700 >700

bn ≥10 ≥13
表 5-7

b1 3 5

换热器型式 布管限定圆直径 D1

固定管板式、U 型管式 D1-2b3

浮头式 D1-2(b1+b2+b)

(5)换热管的排列原则 ①换热管的排列应使整个管束完全对称; ②在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板间的距离规定的范围内,应全部布 满换热管; ③拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆, 其间距小于或等于700mm,拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中 心距地(0.5~1.5) 3 范围内; ④多管程的各管程数应尽量相等,其相对误差应控制在10%以内,最大不得超 过20%。

5.3 各构件连接形式
5.3.1 压力容器连接形式分类 压力容器的焊接接头形式分为 A、B、C、D 四类,如下图 5-11。

36

西南科技大学本科生毕业设计

圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸型封头中的所 有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头,均属于 A 类焊接接头。 壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接 的接头,均属于 B 类焊接接头。 平盖、管板与圆筒非对接连接接头,法兰与壳体、接管连接的接头,内封头与 圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头,均属于 C 类焊接接头。 接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头,均属于 D 类焊接接头。

图 5-11

5.3.2 椭圆封头和壳体的连接 此焊接接头接头属于 B 类焊接接头,壳体和封头的厚度均为 ? ? 10 mm ,根据相 关原则必须采用对接接头,双面全熔透,局部无损检测。根据 GB150-2011 附录 D 规定如下图 5-12:

37

西南科技大学本科生毕业设计

图 5-12

5.3.3 壳程接管和壳体的连接 此类焊接接头形式为 D 类焊接接头形式,由于本次设计换热器属于低压容器, 且所用接管无需另行补强,故可以采用用的最多的插入式接管焊接全熔透结构形 式,接管插入处与壳体的间隙小于 3mm。 根据 GB150-2011 附录 D 规定如下图 5-13:

图 5-13

38

西南科技大学本科生毕业设计

5.3.4 管程接管与壳体的连接 此类焊接接头形式为 D 类焊接接头形式,由于本次设计换热器属于低压容器, 接管规格为 ?159? 4.5 ,管径小于 600mm,厚度小于 6mm,且盛装的介质为无腐 蚀,常压的水蒸气,故可以采用插入式接管单面焊焊接结构形式,根据 GB1502011 附录 D 规定如下图 5-14。

图 5-14

5.3.5 管束和管板的连接 对于换热管与管板的连接结构形式,主要有以下三种:①胀接;②焊接;③胀 焊并用,但也可采用其他可靠的连接形式。 (1)强度胀接 用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况下,胀接结构简 单,管子修不容易。由于胀接管端处在胀接时产生塑性变形,存在着残余应力,随 着温度的上升,残余应力逐渐消失,这样使管端处降低密封和结合力的作用。 一般适用设计压力≤4MPa;设计温度≤300℃;操作中无剧烈的振动,无过大的 温度变化及明显的应力腐蚀场合。一般要求: ①换热管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值; ②有应力腐蚀时,不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。 (2)强度焊 是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。管子 与管板的焊接,目前应用较为广泛,由于管孔不需开槽,而且管孔的粗糙度要求不 高,管子端部不需退火和磨光,因此制造加工简单。焊接结构强度高,抗拉脱力

39

西南科技大学本科生毕业设计

强,当焊接部分渗漏时,可以补焊,如须调换管子,可采甩专用刀具拆卸焊接破漏 管子,反而比拆卸胀管方便。不适用于有较大振动和有间隙腐蚀的场合。 本次设计,换热管材料为 20 钢,管板材料为 Q245R,两种材料在设计温度下 的许用应力几乎相等为 147MPa;壳程流体为干净的介质,不易结垢、堵塞和产生 腐蚀,综上所述:管板和换热管之间采用强度焊,结构形式及尺寸如下图 5-15:

图 5-15

40

西南科技大学本科生毕业设计





U 形管换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型工艺设备。其可靠性高、适 用性广等优点,使之在各工业领域中得到最为广泛的应用。换热器的合理设计与开 发,直接关系到能源的合理应用与可持续发展道路。 本次设计任务是设计一台年处理量为 12000Nm3,水蒸汽加热空气的 U 形管式 换热器,根据介质特性以及工艺计算,选择流程为:空气走壳程,水蒸汽走管程。 选择换热管材为新标准规定的 20 无缝钢管(GB9948),单管长为 3m。选择壳体 材料为 Q245R,壳径 0.8m,依据计算采用卧式 U 形管换热器。通过强度校核,充 分理解到强度设计计算是保证设备安全运行的基本条件。 本次毕业设计是完全在 GB150.1~150.4-2011、GB151-1999、TSG R0004-2009 以及相关法律法规的指导下完成的。本次设计内容主要是:工艺计算,包括确定出 换热面积、换热器筒体的内径等;结构设计,包括封头、管板支座等部件的设计选 择;强度校核计算,包括壳体厚度、耐压试验、开孔补强等;设备制造、检测与验 收条款的编写。其中以强度校核计算为设计的重点和难点。

41

西南科技大学本科生毕业设计





本次毕业设计共用时三个月,包括毕业实习和毕业设计两个部分。在毕业实习 过程中,通过到西南科技大学校内实训基地、四川科新机电股份有限公司和绵阳卷 烟厂的实地考察,了解参观了一系列的换热设备,着重对 U 形管式换热器进行了深 入了解。结合在校内的资料查阅,历经三个月,在指导教师的悉心指导下,通过个 人的不懈努力,顺利完成了本次毕业设计任务。 在毕业设计过程中,杨玉民老师对我的毕业实习、设计内容、设计说明书规范 以及设计图纸给予很大帮助与指导,王建高级顾问对我的毕业实习、设计标准、图 纸材料等基础规范给予了很多指导与支持。在过程中,两位老师给予的不仅仅是教 学上的指导,更重要的是学习思想、做人理念的传授。在这里特向高级工程师杨玉 民副教授、高级工程师王建教授两位指导教师表示感谢。 本次毕业设计使我学到了很多知识,理论与实际的结合,让我们在即将走向工 作岗位时,对于如何做好一个课题提供了良好的锻炼机会。在这一个完整的设计过 程中,有很多我们需要学习的知识,有很多需要我们从生活中来积累,需要时刻保 持一颗谦虚、谨慎的态度。但是,由于时间和自己掌握的知识有限,在设计的过程 中难免有错误,衷心希望老师指正。

42

西南科技大学本科生毕业设计

参考文献
[1] 贾绍义,柴诚敬. 化工单元操作课程设计[M]. 天津: 天津大学出版社,2011. [2] 刘舜尧, 管文华.管壳式换热器纽带强化传热实验研究[J].广东化工, 2009, 36(10): 175-177. [3] 李云花. U 型管式换热器的研究与优化设计[D]. 青岛科技大学, 2006. [4] Ramesh K.Shah(沙拉), Dusan P.Sekulic(塞库利克). Fundamentals of Heat Exchanger Design( 换 热器设计技术) [M]北京:机械工业出版社,2010. [5] 中华人民共和国国家技术监督局.GB150-2011. 压力容器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011. [6] James R.Farr, Maan H.Jawad. ISBN 7-5025-4353-8/TH·108. 压力容器设计指南[M]. 北京:化学工业出版社,2002. [7] 郑津洋, 董其伍, 桑芝富. 过程设备设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010. [8] 钱颂德. 换热器设计手册[M]..北京:化学工业出版,2002.8 [9] GB 150-2011 《钢制压力容器》 [10] GB 151-1999 《钢制管壳式换热器》 [11] HG 20592~20635-97 .钢制管法兰、垫片、紧固件 [12]JB/T 4709-92 《钢制压力容器焊接规程》

43


相关文章:
U型管式换热器设计
U型管式换热器设计_电子/电路_工程科技_专业资料。U 型管式换热器设计 摘要 本文介绍了 U 型管换热器的整体结构设计计算。U 型管换热器仅有一个管板,管子 两端...
U型管式换热器设计
U型管式换热器设计_能源/化工_工程科技_专业资料。U 型管式换热器设计 摘要 本文介绍了 U 型管换热器的整体结构设计计算。U 型管换热器仅有一个管板,管子 两端...
U型管换热器设计
U型管换热器设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。西南科技大学本科生毕业设计 本科毕业设计(论文) U 型管换热器结构设计与建模 学院名称专业名称学生姓名学号 制造科学...
U型管换热器设计说明书
吉林化工学院 《过程设备设计》课程设计 过程设备设计》型管式换热器 U 型管换热器 专业: 专业:过程装备与控制工程 姓名: 姓名: 学号: 学号: 指导教师: 指导...
U型管式换热器设计
U型管式换热器设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。U 型管式换热器设计 摘要 本文介绍了 U 型管换热器的整体结构设计计算。U 型管换热器仅有一个管板,管子 两端...
U型管换热器设计
本文以实际工作中 遇到的一个钛制换热器为例,谈谈 u 形管换热器设计。 关键词:u 形管换热器;材料;公称直径;设计压力;名义厚度 1 基本资料概述 本换...
U型管换热器设计说明书
U型管换热器设计说明书_电力/水利_工程科技_专业资料 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档U型管换热器设计说明书_电力/水利_工程科技_专业资料。流体 煤油 水一....
U型管换热器的设计
U型管换热器设计_工程科技_专业资料。U 型管换热器设计 摘要:U 型管换热器由于具有结构简单,造价低,壳程可清洗,一个管板, 管子可自由伸缩,无温差应力等特点...
U型管换热器 毕业设计
过程设备强度计算书 U形管换热器设备计算 2.10 壳程设计温度 120.00 壳程设计压力 筒体公称直径 筒 换热器筒体最小壁厚 筒体名义厚度 体 校核 筒体法兰厚度 ...
更多相关标签:
u型管式换热器设计 | u型管换热器 | u型管换热器课程设计 | u型管换热器的设计 | u型管式换热器 | u型管换热器cad图纸 | u型管换热器布管设计 | u型管换热器工艺计算 |