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文档简介
1、1前言 1.1概述 1丄1换热器的类型 1.1.2换热器 1.2设计的目的与意义 1.3管壳式换热器的发展史 1.4管壳式换热器的国内外概况 1.5壳层强化传热 1.6管层强化传热 1.7提高管壳式换热器传热能力的措施 1.8设计思路、方法 181换热器管形的设计 182换热器管径的设计 1.83换热管排列方式的设计 184管、壳程分程设计 1.8.5折流板的结构设计186管.壳程进.出口的设计1.9选材方法1.9.1管壳式换热器的选型 192流径的选择 1.93流速的选择 194材质的选择195管程结构2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算11贞常内26112.1管径112.2管子数n23管子排列
2、方式,管间距的确定11112.4换热器壳体直径的确定2.5换热器壳体壁厚计算及校核113换热器封头的选择及校核144容器法兰的选择155管板165.1管板结构尺寸165.2管板与壳体的连接165.3管板厚度166管了拉脱力的计算187计算是否安装膨胀节208折流板设计229开孔补强2510支座27W4群座的设计2710.2基础环设计29103地角圈的设计30符号说明32参考文献34小结352壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1管径换热器中最常用的管径有4 19mm X 2mm和4 25mm X2.5mm。小直径的管子可 以承受更大的压力,而且管壁较薄;同时,对于相同的壳径,可排列较多的管子,因
3、此单 位体积的传热面积更大,单位传热面积的金属耗量更少。所以,在管程结垢不很严重以及 允许压力降较高的悄况下,采用25X2.5的无缝钢管,材质为20号钢,管长45m。2.2管子数n160= 503(根)2.3管子排列方式,管间距的确定n =兀d均L幷 3.14x0.0225 x4.5其中安排拉杆需减少6根,故实际管数n=503-6=497根采用正三角形排列,山化工设备机械基础表74査得层数为22层,对角线上的 管数为25,査表75取管间距a=32mm.2.4换热器壳体直径的确定D. =a(h-l) + 2/其中/为最外层管了中心到趣边缘的距离 取/ = 2 P D- = 32X(25 1)+
4、2x2x25= 868(nun)査表2-5r圆整后取壳体内径0 =900mm2.5换热器壳体壁厚计算及校核材料选用20R式中:Pc 为计算压力P 取 /?=1.0MPa; D- =900mm;=0.9;0.25 mm,最后取q =0.25 mm该壳体采用20钢7mm疗的钢板制造。液压试验应力校核巧=鴛严)M 0.9如片.=1.15 P展= 1.15x1 = 1.15Mmirun0J6 = 6-C = 7-l2-025=555 (2-6)査化工设备机械基础附表63b=245M/刁=12学弊型= 93.82Mm2x5.5509九=040%245 =19845枷可见刁“9水压试验强度足够。2、强度校
5、核2x5.55设计温度下的计算应力6 =和?严)=1.0x9(X)二5.55) =8方嘶/26刃0 = 92 t,S 亠厶 g rr 丄 ,2tb052x92x0.9x5.55*最大允许丄作压力比=;7= g y =1.02M/m 2+Q900+5.55故强度足够。3换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头,根据JB/T4746-2000标准,封头为DN900X7,査化工设备机械基础表4J5得曲面高度 =150 mm,直边高度/h=4Q nun 材料选用20R钢1.0x900标准椭圆形封头计算片度:=545 mm2x92x0.9-0,5x1.0=2QI=2x92x0.9x5 出=,“
6、K9+0.5Q1x900+0.5x5.55所以,封头的尺寸如下图:图3-1换热器封头尺寸4容器法兰的选择材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN900, PN1.6Mpa的禅槽密封面长 颈对焊法兰。査化工设备机械基础附表14得法兰尺寸如下表:表41法兰尺寸法兰尺寸/mm螺柱公称直径 DN/mm900109627M242806015766635所以,选用的法兰尺寸如下图:管板除了与管子和壳体等连接外,还是换热器中的一个重要的受圧器件。5.1管板结构尺寸査(化丄单元设备设计P25-27)得固定管板式换热器的管板的主要尺寸:表51固世管板式换热器的管板的主要尺寸公称直D径q2bc
7、d螺栓孔数9100 0601015966963584427245.2管板与壳体的连接在固定管板式换热器中,管板与壳体的连接均采用焊接的方法。山于管板兼作法兰与 不兼作法兰的区别因而结构各异,有在管板上开槽,壳体嵌入后进行焊接,壳体对中容易, 施焊方便,适合于压力不高、物料危害性不高的场合:如果压力较高,设备直径较大,管 板较用时,其焊接时较难调整。53管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重,管板设计与管板上的孔数、孔径、孑L 间距、开孔方式以及管子的连接方式有关,其计算过程较为复杂,而且从不同角度出发计 算出的管板)9度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小,其厚度只要满足密封性即可
8、。 对于胀接的管板,考虑胀接刚度的要求,其最小厚度可按表5-2选用。考虑到腐蚀裕量, 以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起掘动等原因,建议最小片度应大于 20mm。表52管板的最小厚度换热器管子外径rf/mmW25323857管板厚度/mm222532金内26综上,管板的尺寸如下图:511ms-i管板6管子拉脱力的计算贞内26讣算数据按表61选取项目管子表6:L壳体操作压力/Mpa材质线膨胀系数0.8207820钢20R弹性模量11.8x1011.8x100,21x10*021x10许用应力/Mpa10192尺寸025x2.5x45000900x7管子根数497管间距/mm32管壳壁温
9、差厂 CAz =50管子与皆板连接开槽胀接胀接长度/mm/ = 50许用拉脱力/Mpa4.0方式1.在操作压力下,每平方米胀接周边所产生的力作mm/=0.866/-彳盗 =0.866x32, -x25- =396(6-2)P =/ = 50 mm0.82x396P 3.14x25x502、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力G(6-3)贞常内26(6-4)4 =吗爲=3.14 x 907 x 7 = 19935 .9(6-5)A =彳(:-df) =于X(25- -20,) X497 = 877826(6-6)bf =22.93x(25-20) llZ0F.21xg50 = 22.93
10、MM% =4x25x50=1.03 Mpa19935.9山此可知作,作用方向相同,都使管子受压,则管子的拉脱力:Mpa 4.0 Mpaq=q p+%=0.08+1.03=1.11因此拉脱力在许用范用内。7计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为:4+All8xl0rx021xl(/x5019935.9x877826 = 2.01x1019935.9+ 877826=X圧力作用于壳体上的轴向力:e=-盃)/+班血-2Q )2 山= Z(9002-497x252)x078 + 497x(25-2x 2.5)2 xO.824= O434xl0(N)0.434x1059935 .9 =008的N1
11、9935 .9 + 87782 .6压力作用于管子上的轴向力为:19935.9迟=吐=2*二警 xW = j 04 附M Av6 =E伫0曲一2.9嘶877826根据GB 1 5 1 1 9 9 9管壳武换热器 b$=l(M8Wfl2eT;=2x09xl01=181&W/?d q =-2199Mpa 2列 b; = 2x0.9x92 = 165.6側巾q q =40M/m,条件成立,故本换热器不必要设置膨胀节。8折流板设计设置折流板的U的是为了提高流速,增加湍动,改善传热,在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板,弓形折流板乂分为单弓形图8J(a )、双弓形图8
12、-1 ( b )、三重弓形图8-1 ( C )等儿种形式。oooooo ooooooo o ooooooo o ooo ooo OO OOQqOOOOQ 0 00 0*00 OOQ poo OOO Ooo OOQOOP厂o o r oooo oooo pooo oooo I QOO OOP 丿000000000000Cb)图8-1弓形折流板和圆盘圆环形折流板单弓形折流板用得最多,弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%45%,最好是 20%,见图8-2 (a);在卧式冷凝器中,折流板底部开一90的缺口,见图8-2 (b)。高度 为2520mm,供停工排除残液用;在某些冷凝器中需要保留一部分过
13、冷凝液使凝液泵具 有正的吸入压头,这时可采用带堰的折流板,见图82 (c)o图&2单弓形折流板co在大直径的换热器中,如折流板的间距较大,流体绕到折流板背后接近壳体处, 会有一部分液体停滞起来,形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病,宜采用双弓 形折流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑,有些换热器(如冷凝器)不需要设置折流板。但为了增加换热器 的刚度,防止管子振动,实际仍然需要设置一定数量的支承板,其形状与尺寸均按折流板 一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离, 其结构形式可参见图8-3。rflO1|d折流板一 拉杆也p定距忆图831管扳拉杆点焊ft折
14、流板安装图曲于换热器是功用不同,以及壳程介质的流量、粘度等不同, 系列为:100mm 150mm 200mm 300mm 450mm 600mm折流板间距也不同,其800mm, 1000mm。允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm,取其中较大值。允许的最大折流 板间距与管径和壳体直径有关,当换热器内流体无相变时,其最大折流板间距不得大于壳 体内径,否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子,从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小,壳程流体介质山此泄漏的量越少,即减少了流 体的短路,使传热系数提高,但间隙过小,给制造安装带来困难,增加设备成本,故此间 隙要求适宜。折流板用
15、度与壳体直径和折流板间距有关,见表8-1所列数表8-1折流板厚度/ mm壳体相邻两折流板间距/mm公称内径W300300450600750/mm4506007502003561010250400561010127007006810121610006101216161000支承板用度一般不应小于表84(左)中所列数据。 支承板允许不支承的最大间距可参考表81 (右)所列数据。表82支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距壳体 直径/mm009004008001200管子外 径/mm57支承板厚度/mm10最大间距/mm5008005003400经选择,我们采用弓形折流板,h= ), = x900
16、 = 675mnb折流板间距取600mm,查 44化工设备机械基础表7-7得折流板最小疗度为4 mg折流板外径负偏差060査化工设备机械基础表79折流板外径为896 mm,材料Q235-A钢査化工设备机械基础表710拉杆012,共10根,材料Q235AF钢折流板开孔直径025.60也觇所以,折流板尺寸如下图:9开孔补强1. 确定壳体和接管的讣算庁度及开孔直径山已知条件得壳体讣算疗度J = 5.47 mm其中Q()=258mm选用20钢 查附表9得刃=92Mpa6= E 细=*2x92x0.9 + 1-0开 孔 直 径d =(j, + 2C = (258 2x4)+ 2x1 = 252mm(9-
17、2)2、确定壳体和接管实际疗度,开孔有效补强面积及外侧有效补强I岳度h已知壳体名义庁度2 =7mrn,补强部分疗度为戈/ = 4inm有效补强宽度为B=2d=2 X 252 = 504mm(9-3)接管外侧有效补强高度 h = 7 = 750 = 44.8mm(9-4)3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为:A = d5 = 502 x 4 = 2008(mmF(9-5)可以作为补强的金属面积为:4 = (B-cg-5) = (504-252)(5.55-4) = 390.6(mm)-(9-6)=2x44.8x(2.75 1.55)x1 = 107.52(nBn
18、)4=-x2x4x4 = l 6(mm)24 =+4+4=39a6+10752+16 = 51412(mm)2(9-8)5、比较Ag与A, A(=54A2mnr)A(=2mmnr).所以壳程接管需要补强,而管程 接管的公称直径较大,也需要补强。常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和疗度都相同即7mm疗的钢板。综上,得换热器开孔补强结构如下图:接管10支座10.1裙座设计采用圆筒形裙式支座,裙座与塔体的连接采用焊接,山于对接焊缝的焊缝受压,可承贞内26受较大的轴向力,故采用对接形式。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的片度与封 头的厚度相同,即裙座尺寸为900X7mm.o裙座材料选用Q2
19、35-A。图10-1裙座壳与壳体的对接型式。无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔,表10-1排气孔规格和数量容器内直径D60(M200140024002400排气孔尺寸0)80800100排气孔数量,个2454排气孔中心线至裙 座壳顶端的距离140180220因此设置两个排气孔,排气孔尺寸为80,排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140贞常内26塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外,表102引出孔尺寸引出管直径d20、2532、4050、7080、 100引 出孔的 加强管无缝 钢管ei33X40159X4.50219X60273X8卷焊 管-02000 250引出孔的加强管选用Q235-A的无缝
20、钢管,引出管直径选用20m 10-3引出孔结构示意图10.2基础环设计1.基础环尺寸的确定Dib = Di, 300 = 900 300 = 600(nin)Dc=几 + 300 =900 + 300 = 1200(15)(10-2)2、基础环的结构,基础环选用有筋板的基础环3、有筋板基础环庁度的设计(10-3)操作时或水压试验时,设备重力和弯矩在混凝土基础环(基础环底面上)所产生的 最大组合应力为= muxsM豐,叫%抑 .Z”49 乙勺Jmax,M,. 基础环上的最大压应力碍m般可以认为是作用作用在基础环底上的均匀载荷。表4-3混凝上基础的许用应力Ra75100混凝土标号Ra/MPa混凝土
21、标号Ra/MPa1507.520010.03.550混凝土标号Ra/MPa25013.0贞常内26同样,根据工艺要求和前人的经验,可确定基础环的厚度为20mm.材料选用为Q235.A。43地脚栓的设计为了使塔设备在刮风或地震时不至翻倒,必须安装足够数量和一定直径的地脚螺 栓,把设备固定在基础环上。地脚螺栓承受的最大拉应力为bb = maxM严+M, Fg話My+025MT叫&一尸畀1附加A乙4 J如果5,0,则设备自身足够稳定,但为了固定塔设备的位置,应设置一定数量的地脚螺栓。如果碍0,则设备必须安装地脚螺栓,并进行计算。计算时可先按4的倍数假设地脚螺栓的数量为n,此时地脚螺栓的螺纹小径(mm
22、):螺纹小径与公称直径见下表。表104螺纹小径与公称直径对照表螺栓公称直径螺纹小径螺栓公称宜径螺纹小径/mmM24M27/mm20.75223.752M42M4837.12942.588M3026.211M5650.046M3631.670选用Q235A,计算后,选取地脚螺栓为M30x90028,相应螺母M30, 8个,则英尺寸査表, 得表105M30螺母的尺寸螺栓d“26s1M3036422812300120170符号说明tt操作状态下管壁温度, C;F换热面积,nV;操作状态下壳壁温度,。C;a管间距,mm;一焊接接头系数,无量纲;di壳体内径,mm;b-正六边形对角线上的管子数,do壳体
23、外径,mm;Ln换热管长度,mm;Pc计算压力,MPa;d旬一一管子的平均直径,mm;Pw工作压力,MP3;Pw最大允许工作压力,MPa;P设计压力,MP3;Pt水压试验压力,MPa;计算壁厚,mm;DN直径(公称),mm;5 d设计壁厚,mm;PN公称压力,MPa;S n 名义壁厚,mm;P t管子的工作压力,MPPs壳体的工作压力,MPa; t管壳壁温度C;q 许用拉脱力,MPa;a线膨胀系数,1/C;f每四根管子之间的而积,mmAt换热管截而面积mmSA s壳壁横截而而积,mm ;管、壳壁温差所产生的轴向力,N;F2压力作用于壳体上的轴向力,N;Fs一一压力作用于管子上的轴向力,N;S
24、e有效壁厚,mm;C厚度附加量,mm;C1钢板的负偏差,mm;C2腐蚀欲S, mm;Os屈服点,MP3;hl曲面高度,mm;ho短圆筒长度,mm;h2直边长度,mm;E弹性模量,MPa;q t温差应力,MP贞常内26胀接长度,mm ;最外层管子的中心到壳壁边缘的距离,mm;在操作压力下,每平方米胀接周边受到的力,MPa;史启才:化工单元过程与设备设计:叶文邦等:换热器M,化学工业出版社,2003年版; 窦梅、周明华等:化工原理(第三版)上、下册M,化学工业参考文献1 匡国柱2 秦叔经、3 谭天恩、出版社,2006年版;4 化工过程及设备设计M华南工学院化工原理教研室,1987:5 贾绍义等:化工原理课程设计M,天津大学出版社,2003年版;6 刁玉玮、王立业、喻健a等:化工设备机械基础M,大理理工大学出版 社,2
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