固定管板式换热器设计过程设备设计课程设计

1、1.换热器选型和工艺设计3设计条件3换热器选型3工艺设计3传热管根数的确定4传热管排列和分程方法4壳体内径42 换热器结构设计与强度校核42.1 管板设计4管板材料和选型5管板结构尺寸5管板质量计算6法兰与垫片6管箱法兰与管箱垫片72.3 接管8接管的外伸长度92.3.2 接管位置设计92.3.3 接管法兰10管箱设计12管箱结构形式选择12管箱最小长度122.5 换热管132.5.1 布管限定圆132.5.2 换热管与管板的连接132.6 拉杆与定距管142.6.1 拉杆的结构形式142.6.2 拉杆的直径、数量及布置142.6.3 定距管15防冲板15防冲板选型15防冲板尺寸162.8 折

2、流板162.8.1 折流板的型式和尺寸162.8.2 折流板的布置172.8.3 折流板重量计算173.强度计算18壳体和管箱厚度计算183.1.1 壳体、管箱和换热管材料的选择183.1.2 圆筒壳体厚度的计算183.1.3 管箱厚度计算193.2 开孔补强计算203.2.1 壳体上开孔补强计算203.3 水压试验21支座21支反力计算如下：213.4.2 鞍座的型号及尺寸234焊接工艺设计234.1.壳体与焊接234.1 .1壳体焊接顺序234.1.2 壳体的纵环焊缝244.2 换热管与管板的焊接244.2.1 焊接工艺254.2.2 法兰与短节的焊接25管板与壳体、封头的焊接26接管与壳

3、体焊接27总结28参考文献28项目管程壳程工作压力（MPa）工作温度（）4015017090介质净化煤气水蒸气/冷凝水换热管尺寸（mm）25换热面积（m2）90换热管长度（m）自选管程数2结构型式卧式使用寿命10年管程定性温度 t=40+1502=95壳程定性温度T=170+902=130管壳程温差 t=T-t=130-95=3550故初步选择不带膨胀节的固定管板式换热器（双管程）。根据介质特性初步选择换热管材料为20号碳钢，壳体材料为Q245R工艺设计已知换热管外径，内径，换热面积S=90m2,管程数为2。取换热管长l=6m，由S=dolN得换热管数N=Sdol=903.14x0.025x6

4、=191取N=192（根）由于设计要求为双管程换热器，故采用组合排列方法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距(焊接) 则a=1.25x25=31.25 取a=32mm；各程相邻管的管心距a1=2a2+6=44mm横过管束中心线管数（正三角形排列）nc=1.1N=1.1x192=15.216 （根）多管程结构取管板利用率，则壳体内径为=1.05x32x1920.7=556mm取D=600mm由于壳程有水蒸气冷凝，所以选用垂直切口的弓形（圆缺形）折流板。a. 圆缺高度h=25%D=25%x600=150mmb. 折流板间距B=151D，取B=300mmc. 折流板数NB=传

5、热管长度/折流板间距-1=6000/300-1=19 块2 换热器结构设计与强度校核2.1 管板设计.1管板材料和选型管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。管板的设计合理与否直接关系到换热器的制造成本的高低及综合性能的优劣。由于本设计中的流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的Q2454R板材。固定管板式换热器常采用管板兼作法兰，故采用兼作法兰的管板。.2管板结构尺寸由壳程设计压力 ps=1.0MPa, 管程设计压力 ；壳体公称直径DN=600查P155可得管板的结果尺寸如下管板尺寸psMPa

6、ptMPaDNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓b1b规格数量n260076071567659766360027M24243848 图2-1 管板结构2.1.3管板质量计算do换热管外径25；N换热管根数192；Q245R密度，=7850Kg/m3对上图所示的管板结构h取值为0。其它字母含义和数值见上图和管板尺寸表Q=4D2-d22xn2xbf+D42x6+D52x4+D32xh-do2xbxNx=47602-272x24x38+6632x6+6002x4-252x48x192x10-9x7850=121Kg管箱法兰与管箱垫片 （1） 查NB/T 47023-2012压力容器法兰可选管箱法兰为长

7、颈对焊法兰，凹凸密封面，材料为锻件Q245R，其具体尺寸如下：（单位为mm）图2-2 凹凸面法兰结构DN600长颈对焊法兰尺寸DN法兰螺柱对接筒体最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量6007607156766666634211035211816261227M242410（2）此时查NB/T4702-2012压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为非金属包垫片，材料为石棉橡胶板，其尺寸为：图2-3 垫片结构管箱垫片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外径D(mm)内径d(mm)垫片厚度60066561532.3 接管（1）选材本次设计压力在低压范围内、工作温度不高、介质腐蚀性弱、接管与壳

8、体焊接连接，为了减少焊接应力集中选择接管材料选用20号钢。（2）接管尺寸规格本次设计共有8个接管，由管口公称直径，查得接管的外径和厚度如下符号公称尺寸用途外径 mm厚度mm(sch20)A80气体进口89B80气体出口89C80蒸气进口89D50冷凝水出口60E25排污口34F25排污口34G25排气口34H25排气口34根据接管公称直径和厚度查换热器设计手册P142表1-6-6可得，接管A、B、C、D、E、F、G、H伸出长度都可以取150mm。2.3.2 接管位置设计在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应尽量接近两端管板，而管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短

9、管箱、壳体长度，减轻设备重量。然而，为了保证设备的制造安装，管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。（1） 壳程接管位置的最小尺寸壳程接管位置最小尺寸即接管中心线到管板密封面的距离如图2-3所示.图2-4壳体接管的位置对接管C(蒸汽进口),由于是无补强圈结构,可以按照下面的公式计算取L1=120mm。由于壳体接管F,H外径都小于89,其相应的L1小于118.5mm,故取接管C、接管F、接管H的L1=120dh=89mm，为接管外径；b为管板厚度；C管外壁至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，计算中 取C4S（S为壳体厚度，mm），且；(2)管箱接管位置的最小尺寸管层接管位置是指

10、接管中心到法兰密封面的距离如图3-4所示图2-5管箱接位置无补强圈按下面公式计算 ；取L2=185mm；同理，对管程接管、E、G，取L2=185mmhf为法兰高度,由前可知hf=H=110mm2.3.3 接管法兰（1）接管法兰的材料为取材方便，选接管法兰材料为Q245R（2） 法兰类型和密封面形式由HG/T2059220653-2009钢制管法兰、垫片和紧固件可知，可以选用板式平焊法兰（PL ）、密封面形式选用全平面（FF）如图2-6图2-6 全平面管法兰（3） 法兰结构尺寸法兰结构图如图2-7所示 图2-7 板式平焊管制法兰A1为接管外径查得法兰的尺寸如下表公称尺寸DN连接尺寸法兰厚度C法兰

11、内径B1（B）法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓Th螺栓孔数量N（个）251007511M10414335014011014M12416598019015018M1641891管箱结构形式选择B型封头管箱型,用于单程或多程管箱,结构简单,便与制造,适于高压清洁的介质,可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，椭圆型封头受力情况比平端盖好得多。故选用此结构管箱。管箱结构尺寸确定管箱最小长度前端管箱由于换热器为二管程，其最小管箱长度可按相邻焊缝间距计算Lg minL2+L3+L4=185+100+183=468mmL2 在管箱接管最小位置一节已算出为185mm；L3为接管轴线到壳体与封头

12、焊缝间距离，这里取L3=100mm；L4为封头高度，根据DN=600，查GB/T25198-2010 压力容器封头可得=h1+h2175mm考虑封头厚度L4=h1+h2+Sp=150+25+8=183mmh1为封头曲面高度，h2为封头直边高度，Sp为封头厚度（第三节强度计算中得出）取管箱长度为470mm；（后端管箱长度同前端管箱，见装配图）则L3取102mm；管箱短节长度ld=L2+L3=185+102=287mm。由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查GB151-2014可知：分程隔板槽槽深，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为10mm2.5 换热管 换热管的规格为，材料选为20号

13、碳钢。.1 布管限定圆布管限定圆DL为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定：DL=Di-2b3查GB151-2014可知，,且b38mm取b3=10mm,则 DL=600-2x10=580mm 。.2 换热管与管板的连接 换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。 强度胀接主要适用于设计压力小2.5Mpa；设计温度200；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。 除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。在此，根据设计压力、设计温度及

14、操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。2.6 拉杆与定距管2.6.1 拉杆的结构形式常用拉杆的形式有三种：1) 拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束， （按 GB151-2014规定）；2) 拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，；3) 当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。由于此时换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。此结构拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的距离用定居管固定，最后一块折流板用两个螺母拧紧固定。2.6.2

15、拉杆的直径、数量及布置其具体尺寸如下所示：表2-1 拉杆的参数拉杆的直径d拉杆螺纹公称直径dn abb拉杆的数量1616206024其中拉杆的长度L按需要确定。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。2.6.3 定距管定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。2.7防冲板由于壳程进入介质为水蒸气，会对入口出的换热器表面进行冲击，故应在流体入口处装置防冲板。2.7.1防冲板选型防冲板采用下图（d）所示结构这种形式常用于壳体内

16、径大于325mm时的折流板左、右缺口和壳体内径小于600mm时的折流板上、下缺口的换热器。本次设计壳体内径为600mm,缺口为左右缺口，故选择此结构。.2防冲板尺寸防冲板摄于蒸汽进口接管处，即接管C处。对接管C，DN=80；查的外径Do=89mm则H1=1413Do=（22.2529.67）mm ,取H1=25mm。防冲板边长W、L（上图（f）应大于接管外径50mm,即为139mm。取W=160mm,L=140mm。防冲板最小厚度Do3000mm时，取两支座距离LB=（0.50.7）L这里取LB=23L=4000mm4焊接工艺设计与焊接4.1 .1壳体焊接顺序焊接壳体时，应先焊筒节纵缝，焊好后

17、校圆，再组装焊接环缝。要注意的是必须先焊纵缝后焊环缝，因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的限制，其结果会引起过大的应力，甚至产生裂纹。每条焊缝的焊接次序是先焊筒体里面，焊完后从外面用碳弧气刨清理焊根，将容易产生裂纹和气孔的第一层焊缝基本刨掉，经磁粉或着色探伤确信没有缺陷存在后再焊外侧。 图4-1 壳体的纵环焊缝壳体的材料为Q245R，其可焊性较好。焊前不需要进行预热，采用埋弧自动焊，开V型坡口，采用H08Mn2焊丝和HJ431焊剂，焊完后需将其加热到600650，要进行焊后热处理，以消除残余应力，而且也可软化淬硬部位，提高韧性。4.2 换热管与管板的焊接4.2.1 焊接工

18、艺换热管与管板的焊接一般采用手工电弧焊，也广泛采用惰性气体保护焊，在此选择其焊接方式为手工电弧焊。管子的材料为20号钢，而管板的材料为锻件Q245R，两者的焊接性能都较好，由于管板厚度较大，此时应进行焊前预热，预热温度为100200，选用焊条J506，焊后热处理温度为600650，以消除残余应力。焊缝图如下 图4-24法兰与短节的焊接法兰与筒体的焊接属于C类接头。法兰的材料为锻件Q245R，筒体的材料为Q245R，其具有良好的综合机械性能和焊接性能，此时可以采用埋弧自动焊，焊丝为H10MnSiA，焊剂为HJ250，焊后需要进行消除应力热处理，需要将热处理温度控制在550650。图4-3管板与壳体、封头的焊接管板、壳体、封头三者材料全是Q245R，三者的焊接性能都较好而且焊接应力不大，在此选择其焊接方式为埋弧自动焊。但由于管板厚度较大，此时应进行焊前预热，预热温度为100200，选择焊丝为HO8A，焊剂为HJ431，焊后热处理温度为600640，以消除残余应力。其焊接结构如下所示： 图4-4接管与壳体焊接接管材料为20号钢，,壳体的材料为Q245R，二者可焊性较好。焊前不需要进行预热，采用埋弧自动焊，开V型坡口，采用H08A焊丝和HJ431焊剂，接管和壳体厚度都只有10mm,所以焊完后不需要进行焊后热处理。接管采用插入式焊接如下：图4-5总结通过本次课程设计