浮头式换热器课程设计说明书.doc

1.方案确定选择换热器的类型 浮头式换热器：主要特点是可以从壳体中抽出便于清洗管间和管内。管束可以在管内自由伸缩不会产生热应力。1.1 换热面积的确定根据化工设备设计手册选择传热面积为 400m2 1.2 换热管数N的确定我国管壳式换热器常用碳素钢、低合金钢钢管，其规格为19 2、25 2.5、32 3、38 3、57 3.5 等，不锈钢钢管规格为19 2、25 2、32 2、38 2.5、57 2.5。换热管长度规格为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0m等。换热器换热管长度与公称直径之比，一般在 425 之间，常用的为 610。管子的材料选择应根 据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。选用323mm 的无缝钢管，材质为 0Cr18Ni9，管长为 6000mmn=A/d0L 3-5式 3-5：n换热管数A换热面积m2 d0换热管外径mm L换热管长度mm故 根 表1.1 拉杆直径 /mm换热管外径d 10d15 15d25 25d27 拉杆直径 nd10 12 16 表1.2 拉杆数量 换热器公称直径DN/mm400d400d700700d900900d260044810拉杆需 10根。1.3 换热管的排布与连接方式的确定换热管排列形式如图 3.1 所示。换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形 和转正三角形、转三角形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为广泛，但管外不易清洗。为便于管外便于清洗可以采用正方形或转正方形的管 束。换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和宽度。管间需要清洗时 还要留有进行清洗的通道。换热管中心距宜不小于 1.25 倍的换热管的外径。 换热管排列形式如图 1.1 所示： 正三角形转角三角形正方形转角正方形图 1.1 换热管排列形式图 1.2 管子成三角形排列 本换热器采用正三角形排列,由表 1.3,取管间距 a=40mm。表1.3换热管中心距 (mm)换热管外径 d14192532384557换热管中心距 S19253240485772换热器的主要设计参数如下：表1.4设计参数表流程设计参数管程壳程工作压力（MPa）1.01.6设计压力（MPa）1.11.76腐蚀裕度（mm）1.01.0材质Q235-BQ235-B2. 换热器壳体壁厚的设计计算压力容器选材： 本设备为冷凝器，由于设计压力在低范围内，工作温度不高，介质为乙烯，所以选用 Q235-B 材料，且满足其使用要求。一般来说，换热器的壳体和管箱公称直径大 于等于 400mm 时，其筒体使用板材卷制。当换热器的公称直径小于 400mm 时，其筒体使用 管材制。由于本次设计的换热器直径为 1200mm，所以我选用板材卷制的筒体。2.1 壳程壁厚的设计计算1. 名义壁厚计算 4-1查表得t=170MPa取设计压力p =1.11.6=1.76 MPa故 故 按照GB151-89对固定管板式换热器最小壁厚的规定，取12mm。2.有效壁厚计算 3.最小壁厚计算对于合金钢容器，规定最小壁厚不能小于2mm。所以壳程的名义厚度取12mm合格。2.2 管箱壁厚设计计算 换热器的管箱封头一般为椭圆形或平盖形。平盖容易拆卸，维修关程时不必拆卸管道。一般大直径压力高，检修情况允许时，倾向于使用平盖。在压力不高的情况下，换热器直径小于等于900mm时，用椭圆形封头；换热器直径大于900mm，通常使用平盖。因为本换热器直径为 1200mm,所以选用椭圆形封头。1. 名义壁厚计算管箱选材为Q235-A，有参考文献4公式4-2 4-2式4-4：管箱计算壁厚，mm圆筒内径，mm查得t=170MPa焊缝系数，焊缝采用双面焊，局部无损探伤，取= 0.85取设计压力 p=1.76MPa故 查得： 故 按照GB151-89对固定管板式换热器最小壁厚的规定，取12mm。2. 有效壁厚计算 3.最小壁厚计算对于碳素钢容器，规定最小壁厚3mm。 所以管箱的名义厚度取12mm合格。4.管箱水压试验较核:由参考文献4知,内压容器水压试验公式：对于内压容器 式 4-6： 取壳程与管箱中计算压力较大者，即=1.76MPa 设计温度下材料的许用应力，MPa。由于壳程与管箱采用相同的材料，所以t=T 故 所以 因为所以该换热器壳体水压试验合格。2.3封头的选择及计算 容器封头又称端盖,按其形状可分为三类：凸形封头、锥形封头、平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头（或称带折边的球形封头）和球冠封头（或称无折边球形封头）四种。1.球形封头 从受力分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，当直径较小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也大。半球形封头常用在高压容器。如下图所示：2.椭圆形封头 椭圆形封头是由椭圆面和短圆筒组成，直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲径半径突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭圆部分经线曲率变化平滑连续，所以应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形深度封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用最为普遍的封头之一。如下图所示：3.平盖 在理论分析时平板的周边支承被认为固支或简支，但实际上平盖与圆筒连接时，真实的支承既不是固支也不是简支，而是介于固支和简支之间。平盖的集合形状包 括圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等几种，平盖的最大应力既可能出现在中心部位， 也可能在圆筒与平盖的连接部位。比较以上几种封头形式，选用标准椭圆形封头，为了便于焊接封头及经济性要求，Q235-B。容器设计压力 P1.6MPa；使用温度在0 350 ；壳体厚度小于16mm。不得用于 盛装液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质。采用材料为 Q235-B。1.封头名义壁厚计算由参考文献4得 上式中t设计温度下材料的许用应力，MPa查得t =170MPa焊缝系数，焊缝采用双面焊，局部无损探伤，取= 0.85取设计压力 p=pw=1.76MPa故 按照GB151-89对固定管板式换热器最小壁厚的规定，n取12mm。2.有效壁厚计算e3.最小壁厚计算n, min 对于碳素钢容器，规定最小壁厚不能小于3mm。n,min =min=3+2=5mmminn,min所以封头的名义厚度取12mm合格。4.封头的选择查参考文献5，封头DN120012mm，曲面高度 h1 =100mm，直边高度 h2 =25mm。结构尺寸如下表所示：表2.2封头尺寸 （mm）公称直径DN曲面高度h1直边高度h2厚度120012525122.4壳体水压试验校核由参考文献4知,内压容器水压试验公式：对于内压容器 t 设计温度下材料的许用应力，MPa。由于壳程与管箱采用相同的T材料，所以 t =故 pT =1.251.76=2.2MPa所以故 0.9s=0.92350.85=179.115MPa因为 T0.9s所以该换热器壳体水压试验合格。3.密封装置设计及选型3.1 法兰的选型与设计 法兰联接是作为容器的筒体与封头、筒体与筒体、管道间、管道与阀门管件等的可拆性联接。它是由一对法兰、数个螺栓、螺母和一个垫片组成。由于强的密封性能和较好的强度，故应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。 常见的整体法兰形式有两种即平焊法兰和对焊法兰。平焊法兰结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适量减薄，但会在壳体上产生较大应力，适用于（PN4.0MPa） 的低压容器。甲型平焊法兰与乙型平焊法兰的区别在于乙型平焊法兰有一个壁厚不小于16mm 的圆筒形短节，因而乙型平焊法兰的刚性比甲型平焊法兰好，甲型法兰在（PN0.6MPa）时，适用的容器直径范围为（DN=3001200），乙型法兰性能更优。由于本次设计 的换热器压力低，属于一类容器DN=1200mm，所以选用甲型平焊法兰。3.2.法兰压紧面的选择凹凸面（如图 5-2）安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于 pN6.4MPa 的容器法兰和管法兰。 综上所述，选用凹凸面压紧面。如图 3.1：图 3.1 法兰（1）法兰材料选用Q235-A，许用应力为:f= 170MPa， t=170MPa。其中：f常温下法兰的许用应力，MPa；f t 设计温度下法兰的许用应力，MPa。（2） 法兰力矩由前面法兰尺寸可知:操作时法兰力矩：MP=P1l1+P2l2+P3l3=31086040+4283035+3373930=14945620.Nmm预紧时法兰力矩：则法兰设计力矩： 取MP14945620 Nmm与Ma=5038800 Nmm中最大值，则取M=Ma=5038800Nmm式中：P1内压作用在内径截面上的轴相力，N；P2内压作用在法兰端面上的轴相力，N； P3垫片支反力，N；Db螺栓中心圆直径，mm；MP操作时法兰力矩，Nmm；W预紧状态螺栓的设计载荷，N；Ma预紧时法兰力矩，Nmm；M 法兰设计力矩，Nmm。（3）形状系数法兰外径 D0=1280mm则系数： 根据 K 查得： Y=7.5式中Y形状系数（4）法兰厚度 所选法兰标准法兰厚度=30mm，则 tA，所以不用另行补强。6.鞍式支座的设计计算及校核6.1. 鞍式支座的设计1.鞍座的结构：是由护板、横向腹板和底板组成。2.鞍座数目的选择：放在鞍座上的圆筒形设备，其情况和梁相似。从受力分析来看， 承受同样载荷且具有同样几何尺寸的梁采用多支座比采用两个支座梁内产生的应力小。但实际上应看情况而定，对于大型容器，因制造误差所造成的支座标高不一致，或因地基沉 降不均匀，所以造成的支承点水平高度不一致，都使支承反力不均匀，在设备内造成较大 附加应力。同时为了避免温度应力，多支座的情况，也不便于采取措施。所以一般采取双支座。为了避免产生温差应力，有一个支座的地脚螺栓孔做成长圆形，安装时不拧死螺母， 以便使其能有自由滑动的可能。最好的办法是一端采用滚动式支座。3.支座位置的确定：采用双鞍座时，支座位置的确定，是以下为依据，即：是在使支承反力对筒体形成的弯距相等的原则下，使其充分利用封头对筒体邻近部分的加强作用。 在中国现行标准 JB 4731钢制卧式容器规定取 A0.2L，A 的最大值不得超过 0.25L。 否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。其中 A 为封头切线至支座中心线之距离，L 为两封头切线之间的距离，此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度， 故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体在支 座处圆筒截面的加强作用。因此 JB 4731 还规定当满足 A0.2L 时，最好使 A0.5 Rm（ Rm为圆筒的平均半径。为了分析方便，以下用圆筒内半径代替平均半径。所以本设计的 A=0.2L=0.22238=447.6mm，为了便于安装选 445mm。4.鞍座宽度 b 的确定：支座 b 的大小一方面决定设备所给支座的载荷的大小，另一方面要考虑支座处筒壁环向应力不超过许用值。钢制鞍座的宽度不应小于 10S（S是筒体计 算壁厚）所以本设计取b=100mm。6. 鞍座的选择：一般可按标准（JB1167-81）进行。鞍座的公称直径即为设备的公称直径。按照公称直径的不同分为四个标准系列（Dg159500mm 、Dg6001200mm 、Dg13002000mm、Dg21004000mm）。同一公称直径的鞍座又分为 A 型（轻型）和 B型（重型）。每一种形式又分为固定式（型）和移动式（型）两种。A 型和 B 型的区别是轴向腹板的数量和尺寸及底板的宽度不同，而型和型的区别仅仅在于底板上地脚螺栓孔的形状不同，型为长圆孔，安装地脚螺栓时采用双螺母，第一个螺母拧紧后倒退一圈，再用第二个螺母锁紧，使鞍座能在基础上自由滑动。、型的尺寸除螺栓孔不同，其余均 相同。在同一台卧式容器上，、型要配对使用。在标准系列中，鞍座的高度H有200、300、400、500mm 四种规格，但可根据要求改 变。必要时，要对根据标准选好的鞍座进行支座宽度 b 和基础支承面进行强度校核，对支 座处筒体的局部应力也要校核。6.2 鞍式支座的计算及校核卧式容器的载荷有：（1） 压力，可以是内压或外压（真空）（2） 容器的重量，包括圆筒、封头及其它附件等的重量（3） 物料的重量（4） 其它载荷假设容器的总重为2F，椭圆形封头折算成直径等于容器直径，长度的圆筒（H为封头的曲面深度）。所以该容器总重作用的长度为： 4-49式 4-49：L该容器总作用下的长度，mmH为封头的曲面深度，mm所以 该容器总重沿长度方向均匀分布，则作用在总长度上的单位长度均布载荷为： 4-50式 4-50：q作用在总长度上的单位长度均布载荷，N/mF设备总重，N容器内介质的密度为 1049 kg/m3，壳体和封头材质的密度为 7860 kg / m3 ：则 4-51 式 4-51： Ri 圆筒内径，mm所以 所以 工程上将双鞍式支座卧式容器化为长度为 L，受均布载荷 q 作用的外伸简支梁。 封头本身的重量和封头中物料的重量为：此重力作用下在封头（含物料）的重心上。对于椭圆形封头，它的重心位置 e0.375H=47mm。按力平衡原理，此重力可作用在梁端点的剪力Fp=0.667Hq=156N和力偶m1=0.25qH2=7.34.69N/m代替。此外，当封头中充满液体时，液体的静压力对封头作用一水平方向的外推力，因为液体的压力沿筒体高度按线性规律分布，顶部压力为零底部压力为P0=2gRi=210499.80.2=4112N，所以水平推力向下偏移，偏离容器的轴线。水平推力和偏心距离为：s = qRi 4-52式 4-52：s水平推力，N.m所以s=18760.25 =469N.m式中： yc 偏心距离，m所以当为椭圆形封头时m2=0.25qRi(1-H2/Ri)，为简化计算常略去一些差异，取m2=0.25qRi=117.25 N.m，所以梁端点的力偶M为：鞍座内力的分析： a.圆筒在支座中截面处的弯距 M 1查参考文献4得： 4-54式4-54 故 M 1= 2256(0.24223810 30.445)=204.9N.mM 1 为正值时，表示上半部分圆筒受压缩，下半部分圆筒受拉伸。b.圆筒在支座中截面处的弯距 M 2 4-55式4-55 故 M 2 一般为负值，表示圆筒的上半部分受拉伸，下半部分受压缩。这里只讨论支座截面处 的剪力，因为对于承受均匀载荷的外伸简支梁，其跨距处截面的剪力等于零，所以不用讨 论。当支座距离封头切线距离 A 0.5 Ri 时，分重量的影响，在支座处截面上的剪力为： 4-56式 4-56：V支座处截面上的剪力，N所以 7.其他附件的设计7.1 折流板的设计1. 折流板材质的选择 根据本设计的要求，综合考虑材料的性能及经济性要求选用的材料为 0Cr18Ni9。2. 折流板的类型折流板的类型有弓形、圆形、矩形、环形、圆盘-圆环形等等。大多数折流板都采用 弓形折流板，对于卧式换热器，壳程为单乡清洁液体时，折流板缺口应水平上下放置。若 气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口。综合考虑我选用弓形折流板。3. 折流板的尺寸规格 设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流 板还起到支承管束的作用。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。如 单弓形折流板,缺口弦高宜取 0.200.45 倍的壳体内直径，最常用的0.25倍壳体内直径。折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进出口接管。折流板的最小间距宜不小于壳体内直径的 1/5，且不小于 50mm；最大间距应不大于壳体内直径。折流板的弓形高度：h=0.75Di=0.75397=298.5，有参考文献9 查得，折流板间距取530mm，折流板最小厚度为 8mm。有参考文献9查得折流板外径为 994mm，折流板开孔直径有参考文献9查得32.80.45，见图 7.1：图 7.1 折流板7.2 拉杆的设计1.拉杆材质的选择：根据本设计的要求，综合考虑材料的性能及经济性要求选用的材料为 0Cr18Ni9。2.拉杆的尺寸规格表7.1拉杆直径 （mm）换热管外径d10d1415d2425d27拉杆直径dn101216表7.2拉杆数量换热器公称直径DN/mm400400d700700d900900d2600448103.拉杆的结构由参考文献9拉杆选用 12，共10根材料为0Cr18Ni9，拉杆的尺寸如图 7.2：图7.2 拉杆8.焊接接头的选择和设计8.1 焊接接头的设计化工容器常用的焊接接头有：对接接头、角接接头、T 字型接头和塔接接头四种。对接接头的焊缝在焊接中受热均匀、受力对称、焊缝质量较容易保证；角接接头是将两块板互成直角或某一角度，而在两块板接触边缘上焊接的接头，这种形式受 热不均匀，焊缝性能没有对接焊缝好。本次焊缝采用对接接头和角接接头两种形式。为了 保证焊接效果需开坡口，坡口形式为 V 字型。如图 8.1、8.2：8.2 焊接接头选择图 8.1 8.2 焊接形式焊接方法主要有气焊、电弧焊、气体保护焊、等离子弧焊接。手工电弧焊的优点是设备简单，可以焊接各种位置的焊缝以及可以进行高空作业。其缺点是焊缝质量不易保证， 生产效率低。本次设计主要采用埋弧自动焊。焊接辅助采用手工电弧焊。设计体会大学的最后一次课程设计经过三周的努力，在廖老师的指导下完成了。课程设计给我最深刻的体会就是它的那种理论与实践相结合的特点，在平时的学习中我们经常接受课本上的理论知识很难了解到所学在实际中的应用，课程设计为我们提供了一次理论与实际向结合的机会。 这次课程设计的第一周我们主要进行计算和校核，我计算了壳体的厚度并进行了校核，计算了封头厚度并进行了校核和水压试验，计算并选取了合适的法兰，计算了螺栓直径并进行了校核最终选取了合适的螺栓并确定了螺栓的长度，计算了管子数目、换热面积，选取了管子长度、管径、管程数和管子的排列方式。第二周里，在廖老师的指导下我们使用绘图软件设计图纸，我使用的是CAXA2011因为这个软件我比较熟悉，使用起来得心应手。在绘图过程中有很多要注意的事情，比方说法兰的选取要符合国家标准，主左视图要高平齐等。在绘图过程中出现了很多问题，有一个问题给我的记忆最深刻，就是我画了几条线怎么都删不掉，试了好多种方法，最后在同学帮我指出了问题的关键所在，原来我把图层给锁定了，解锁后就可以删掉了，其实这个是我在绘图过程中不小心点了那个图层的锁了。第三周我又用了两三天的时间画图，终于在老师规定的时间里把图画完了，廖老师来检查我们的图，给指出了很多错误。我的左视图里面的管子排列没有按照要求来，很明显误，主视图里面也有很多多线少线的情况，标题栏和明细栏也不完善。老师指出错误后我又用了两天多是时间才把图弄完，有很多错误犯的好低级，该画粗线用细线，该画虚线用的居然是实线。廖老师还告诉我们画完图后把图框放大合适的倍数，把放大后的图框粘贴到图中的方法，这样图中的标注尺寸不会发生变化，而我一直想的是把画的一比一的图缩小合适倍数，然后画图框，当时我一直纠结与尺寸标注会变化，廖老师一个简单的提醒让我顷刻解围。经过三周的努力，我终于完成了课程设计，这次课程设计我较大限度了使用了图书馆和网络的资源，在图书馆借了两本有关管壳式换热器的书，不过里面的内容不完善，我画图所需的尺寸计算里面没有，我只好在网上下载了压力容器设计国家标准。开始画图的时候，我连A0图纸图框都不会画，在网上查了A0图纸图框的尺寸是1189841，然后画了出来。课程设计是一项需要耐心和认真仔细的任务，画一个法兰就要查很多资料来确定法兰的最后尺寸，螺栓要计算校核直径，只要拿出耐性和认真的精神，最终是可以很好的完成任务的。在此，向廖老师表示感谢，感谢他在课程设计过程中为我们提供指导，感谢他在我们没耐性不想坚持的时候一次次要求我们必须坚持。感谢在课程设计过程中使用的参考书的作者，是你们的努力使得我们课程设计