压缩瓦斯后部冷却器的机械设计

I摘 要本设计说明书是关于压缩瓦斯后冷却器的设计，实现热能的再利用。考虑到工艺需求和造价，我们选用了浮头式换热器。浮头式换热器主要由管箱、管板、壳体、换热管、折流板、拉杆、定距管、钩圈、浮头盖等零部件组成。其优点为热应力较小，便于检查和清洗，缺点是浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，结果壳体直径增大，在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，部分流体将由此旁通而不参加热交换过程。设计内容主体是换热器的换热器的结构和强度设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。关键词： 浮头式换热器、机械设计、强度校核第一章 换热器概述1目录摘 要 .I第一章 换热器概述 .31.1 换热器的应用 .31.2 换热器的主要分类 .31.2.1 换热器的分类及特点 .31.2.2 管壳式换热器的分类及特点 .4第二章 设计主要参数与材料选择 .72.1 设计条件 .72.2 材料选择 .72.2.1 钢板 .72.2.2 钢管 .72.2.3 螺柱和螺母 .82.2.4 法兰 .82.2.5 容器法兰垫片 .82.2.6 拉杆、定距管 .82.2.7 鞍座 .8第三章 换热器结构选择 .93.1 前端管箱 .93.2 管束分程和分程隔板的布置 .93.2.1 管束分程 .93.2.2 分程隔板的布置 .103.3 换热管 .103.3.1 换热管的长度 .103.3.2 规格及尺寸偏差 .103.3.3 布管 .113.3.4 布管限定圆 .123.4 管子与管板的连接 .133.5 管板与壳体的连接 .143.6 折流板和支持板 .143.7 拉杆和定距管 .153.8 防冲与导流 .173.9 法兰选择 .17广东石油化工学院专科毕业设计：压缩瓦斯后部冷却器的机械设计23.9.1 密封面型式 .173.9.2 管箱法兰、壳体法兰、外头盖侧法兰和外头盖法兰 .173.9.3 接管法兰 .173.9.4 垫片 .183.10 支座的选择 .19第四章 设计计算与强度校核 .204.1 壳体、管箱圆筒和外头盖圆筒的壁厚计算与校核 .204.1.1 符号 .204.1.2 壳体壁厚计算和校验 .204.1.3 管箱圆筒壁厚计算和校验 .214.2 浮头盖封头和管箱封头厚度计算 .224.2.1 管箱封头厚度计算 .244.3 管板计算与校核 .254.3.1 管板的厚度计算 .254.3.3 管子与管板连接拉脱力的计算与校核 .264.4 支座计算与校核 .274.5 接管开孔补强计算 .274.6 压力实验 .294.6.1 壳体水压试验 .294.6.2 管程水压试验压力 .30第五章 制造、检验和验收 .315.1 总则 .315.2 浮头式换热器的制造 .315.2.1 封头和管箱 .315.2.2 折流板 .315.2.3 管束的组装 .325.2.4 换热器的组装 .325.3 浮头式换热器的检验与验收 .32结论 .34参考文献 .35第一章 换热器概述3第一章 换热器概述1.1 换热器的应用在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约 1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 换热器的主要分类在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。1.2.1 换热器的分类及特点按照传热方式的不同，换热器可分为三类：1）直接接触式换热器又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 ）蓄热式换热器在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染” 。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气- 气热交换的场合。）间壁式换热器这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，广东石油化工学院专科毕业设计：压缩瓦斯后部冷却器的机械设计4通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：a）管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；b）板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；c）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。1.2.2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图 1.1 所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。1-封头；2-隔板；3-管板；4- 挡板；5-管子； 6-外壳图 1.1 管壳式换热器示意图流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：1）固定管板式换热器：其结构如图 1.2 所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便第一章 换热器概述5于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。1-防冲板；2-拉杆；3-单弓形折流板；4-分流隔板；5-旁路挡板；6-管板；7-传热管图 1.2 固定管板式换热器）浮头式换热器：管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。 3）U 型管式换热器：一束管子被弯制成不同曲率半径的 U 型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故 U 型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。4）双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构如图 1.3 所示。管程流体（B 流体）从管箱进口管流入，通过内插管到广东石油化工学院专科毕业设计：压缩瓦斯后部冷却器的机械设计6达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。）填料函式换热器：图 1.4 为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。1-盘环形折流板环板；2-盘环形折流板盘板；3-纵向隔板；4-换热管；5-管箱；6-分程隔板；7-定距管；8-拉杆图 1.3 双壳程 U 型管壳式换热器图 1.4 填料函式换热器第二章 设计主要参数与材料选择7第二章 设计主要参数与材料选择2.1 设计条件 表2.1 换热器初始条件壳程 管程程数 4 1介质 瓦斯气、凝缩油 循环水工作压力 MPa 1.4 0.5设计压力 MPa =1.581cP=1.272cP设计温度 C0117 63入口温度 =971t =332t出口温度 0 =50 =43焊缝系数 1 0.85换热面积 2m =2100F2.2 材料选择压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计、组织结构的改变和零件表面改性。2.2.1 钢板Q345R 是普通低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板 Q345 钢，除抗拉强度、延伸率要求比 Q345R 钢有所提高外，还要求保证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。可用于容器壳体材料中。本设计中选用 Q345R 作为壳体、管箱、管板的材料。Q235B 有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。主要用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。本设计选用 Q235B 作为分程隔板、挡板、折流板的材料。2.2.2 钢管 10 号钢塑性、韧性很好，易冷热加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，此钢的可焊性非常好，可以用任何方法进行焊接，焊前和焊后不必进行热广东石油化工学院专科毕业设计：压缩瓦斯后部冷却器的机械设计8处理，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差。但此钢用不宜用于要求高强度的环境，只适用于要求受力不大、韧性高的零件中，可用作冷轧、冷冲、冷镦、冷弯、热轧等工艺成形，也可用作心部强度不高的渗碳件、碳氮共渗件等。本设计选用 10 号钢作为换热管的材料。2.2.3 螺柱和螺母30CrMoA 钢是一种 Cr-Mo 系列合金结构钢，在淬火及低温回火后或淬火及高温回火后都具有很好的综合力学性能，只有回火温度高于 530时强度才明显降低。30CrMoA 钢调质后，在高温（低于 550）条件下也有较高的强度，钢的低温韧性良好。35CrMoA 也是中淬透性钢的一种，常用于代替 40CrNi 制大截面齿轮与轴，汽轮发电机转子，480以下工件的紧固件。本次设计螺柱与螺母选择的材料是：30CrMoA，35CrMoA2.2.4 法兰高压容器的平盖、端部法兰、中（低）压设备的法兰及接管法兰等常用锻件制成。根据锻件检测项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准将锻件分为、四个级别。锻件通常所用的钢材有 Q235R、Q235F、16Mn、20 等。法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致。通常所用的钢材有Q235、Q235F 、16Mn 、15MnV、20 等。因法兰是在主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故选择低合金钢16Mn 锻件，它的特点是：高的强度和屈服比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一定的腐蚀性能。2.2.5 容器法兰垫片垫片可用材料有橡胶垫片、石棉橡胶板垫片、聚四氟乙烯垫片、柔性石墨复合垫、缠绕垫、金属