《过程设备设计》课程设计指导书讲解1

TOC\o"1-5"\h\z概论1过程设备设计课程设计的目的和内容1过程设备设计课程设计的步骤1管壳式换热器的机械设计2概述2管壳式换热器结构设计及材料选用4管壳式换热器的受力分析和强度计算10管壳式换热器标准及基本参数12管壳式换热器的机械设计举例13参考资料15概论过程设备设计课程设计的目的和内容过程设备设计课程设计是具体应用巩固本课程及有关先修课的理论知识和生产知识，熟悉和了解过程设备设计一般方法和步骤，培养学生工程设计能力、分析和解决实际问题能力的一个重要教学环节。在课程设计中要求学生注意培养积极思考、深入钻研的学习精神，认真负责、踏实细致的工作作风和保质保量按时完成任务的习惯。（1综）合运用装控专业基础课及先修课程所学到的知识，理论联系实际，进而得到巩固、加深和发展，提高分析实际问题和解决实际问题的能力。（2培）养学生工程设计能力，通过全面考虑设计内容及过程参与，使学生初步掌握过程设备设计的一般方法和步骤，为今后的工作实践打下基础。（3使）学生能够熟悉和运用设计资料，如有关国家或行业标准、手册、图册、规范等，完成作为工程技术人员在设计技能方面的基本训练和独立工作能力培养。过程设备设计包括工艺设计和机械设计两部分。工艺设计是根据生产任务提供的工艺条件（包括工作压力、温度、产量、物料性能等），确定设备的结构形式、接管方位以及设备的主要尺寸等。机械设计是在工艺设计的基础上进行强度、刚度和稳定性设计或校核计算，对设备的内容、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件施工图。本课程设计，要求在规定的时间内每人完成一种典型设备的机械设计，完成设备总装配图一张（1号图纸）、零部件图一张（由教师根据情况安排指定）、设计计算说明书一份。过程设备设计课程设计的步骤（1准）备阶段在准备阶段应认真结合设计任务、要求和内容，熟悉了解有关典型设备的结构、现场参观或读懂几张典型设备图；准备好设计资料、手册和绘图用具。（2设）计阶段设计阶段包括选材、零部件设计计算和选用、绘制图样及编制设计计算说明书等，具体可按下面步骤进行：1）通常先按压力因素来选材当温度高于200℃或低于—40℃时，温度就是选材的重要因素；当物料具有腐蚀或对污染有特定要求时，还需考虑腐蚀因素。2）载荷计算强度，有时还要考虑刚度、稳定性计算或校核，以确定合理的结构尺寸。）设3计及绘制装配图装配图是表达设备总体结构关系的图样，也是制造、装配设备及拆绘零部件图的依据。应注意综合考虑，以满足使用寿命、经济合理等要求，并作适当调整后，使零件配置合理，以期得到工作性能好、便于制造、成本低廉的设备。为此，必须先作装配草图设计，包括计算、结构设计、布图、制图等，计算与制图常需交叉进行。）提4出技术要求对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求，以文字形式标注在装配图上。）编5制设计计算说明书计算说明书主要在于说明计算的正确性，因此只须写出计算公式，代入有关数据，直接写出最后结果和结论（不必写出全部运算和修改过程）；并列出参考资料及文献，重要数据均应注明出处，对关键零部件的选用依据作必要的说明（注明参考资料的统一编排代号及页数、图号、公式等），有时还需附有与计算有关的必要简图，（如受力分析、弯矩、扭矩及结构图）。本课程设计要求编写20页左右的计算说明书一份，其内容一般可由如下组成：目录、设计任务书、方案拟定说明、设计参数计算、零部件设计计算、零部件选用说明，此外作为课程设计，还可附设计小结（简要说明作课程设计的体会、设计中的优缺点及改进意见等）。考（核3或）答辩阶段课程设计的图样及说明书全部完成后须经指导教师审阅，得到认可后，方能参加考核或答辩。课程设计的成绩要根据图样、说明书和考核答辩所反映出的设计质量和能力，以及设计过程中的学习态度综合评定。2管壳式换热器的机械设计概述换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门。由于使用条件不同，它们可以有各种各样的型式和结构，但设计或选型时应满足的基本要求是相同的，即传热效率高，流体阻力小，强度刚度足够，结构性能可靠，材料及制造费用低，安装和检修方便等。在诸多形式的换热器中，工业中最常用的是管壳式换热器。管壳式换热器虽然在传热效率、紧凑性及金属消耗量等方面不及其他新型高效换热器，但它具有处理量大，适应性强，操作弹性大，易于制造，结构可靠，材料范围广，生产成本低等特点，特别是它能在高温高压条件下应用。2.1管.壳1式换热器的结构型式及特点管壳式热换器（又称列管式换热器）可卧置也可立置，按管板和壳体及其配合部分的形式主要有以下几种形式。固定管板式换热器，其结构比较简单，紧凑，排管最多，造价较低；每根管都能单独清洗和更换；管程可以分成任何程数；两管板由管子互相支撑，因而在各种管壳式换热器中其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不高的场合。浮头式换热器，其一端管板是固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管与壳间不产生温差应力；管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属消耗量较大，造价高；浮头处如发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。浮头式换热器适用于管与壳间温差较大，以及介质易结垢的场合。釜式重沸器：其特点是作为废热锅炉是最简单的结构；管束能够做成固定管板型，型管型和浮头型。釜式重沸器对于不洁净的介质和压力高的情况均能适用。型管式换热器，它只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。型管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。填料函式换热器，其管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现。但壳程介质有外漏的可能，壳程中不易处理易挥发、易燃、易爆，有毒的介质。管.壳2式换热器机械设计的内容和步骤管壳式换热器的机械设计是在工艺计算的基础上进行的。根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数，然后进行机械设计。管壳式换热器机械设计犬体按以下内容和步骤进行。根（据1使）用、制造、安装和维修的要求，进行总体结构型式和各部分零部件结构设计和选用。根（据2制）造和使用的要求，经济合理地选用零部件的材料。根（据3强）度、刚度和稳定性的要求，计算确定各零部件的尺寸。换热器强度计算除按受压容器对壳体、封头、法兰等进行计算选择外，尚有其特有的强度计算，包括管板强度计算，简体轴向应力校核，温差应力计算和管子拉脱力校核等，当采用膨胀节时，还需进行膨胀节的强度计算。绘（出4总）装配图与零部件图。标准零部件有标准图纸的要查出标准施工图号，不必另绘。提（出5制）造、装配、检验等方面的要求。应用标准技术条件的可标注文件号。（6提）供设计计算说明书。管壳式换热器结构设计及材料选用.管1子选用及其与管板的连接换（热1管）首先应根据流体的腐蚀性、操作温度和压力选择合适的材料。常用的材料有1号0钢无缝管、18—8不锈钢、铝、铜及非金属管等。换热管的长度推荐采用：1.01,.52,.02,.53,.04,.56,.07,.59,.01,2.。换热器的换热管长度与公称直径之比，常用的范围是3—10，立式换热器，其比值多为4—6。换热管的规格和尺寸偏差按一《输送流体用无缝钢管》和一0不锈钢无缝钢管》的规定，常用规格见表2-。1表2-1常用换热器的规格和尺寸偏差材料钢管标准外径义厚度-（）级换热器外径偏差壁厚偏差II级换热器外径偏差壁厚偏差碳义土土

钢4*++*52*土土*7土土土,0土土4*土土不5—土锈一*钢8土土57土土管子的排列常用的排列有三角形、正方形、组合排列法等。其中以等边三角形排列法用得最普遍，在相同的管板面积上可以排列的管数最多，且划线、钻孔方便，但管外清洗较困难。而正方形排列的优点是管外机械清洗方便。在多程换热器各程内采用三角形排列，而在各层间采用正方形排列，这就是所谓的组合排列。管间距过小，将给制造带来麻烦。对应于不同管径的最小管间距可由表2-查2得。表管板孔、折流板孔及最小管间距（）管子外径管板孔折流板孔最小管间距对于多程管壳式换热器，管程分程隔板两侧第一排管子中心距可根据表2-查3取。表分程隔板槽两侧管子之间的距离（m管子外径管子间距无论何种排列，最外圈管子的管外壁与壳体内壁的间距不得小于。当管子总数超过12根7（相当于层数大于6）时，等边三角形排列的最外层管子和壳体之间的弓形部分应配置附加换热管，从而增大传热面积，消除管外空间这部分不

利于传热的地方。表2-4按正三角形排列六角形的层数对角线上的管数不计弓形部分时管子的根数弓形部分管教换热器内管子的总根数在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第二排在弓形部分内总管数（3管）子与管板的连接换热管与管板的连接方法有三种：胀接，焊接，胀焊结合。连接处必须保证充分的密封性能和足够的紧固强度。各种连接方法的结构和使用范围见一9（4管）板与壳体的连接管壳式换热器管板与壳体的连接结构与其形式有关，可分为可拆式和不可拆式两大类，固定管板式的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、形管式和填函式换热器的管板与壳体间需采用可拆连接。（5法）兰管壳式换热器的容器法兰密封面型式有平面、凹凸面、榫槽面。管法兰的密封面形式则根据工艺要求来确定。2.2.管2壳式换热器其它零部件的结构以常用的固定管板式换热器为例，除筒体、封头、支座、管板、管束以外，还有管箱、壳程接管、折流板、旁路挡板、隔板等零部件，现分别简述如下：（1管）箱分程隔板与壳程接管管箱位于管壳式换热器的两端，它的作用是把从管道送来的流体均匀分布到各传热管或把管内流体汇集一起送出去。其结构主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。当换热器所需的换热面较大，而管子又不能做得太长，又希望保证管内流体有一定的流速，以提高传热效果时，可以将管束分程，在管箱内布置分程隔板就可以达到这个目的。分程隔板的布置方法常用的有平行布置法和字形布置法，各程的管数应基本相同。平行布置法可避免具有最大温差的两程管子紧邻，改善管板的受力情况，同时便于排尽残液，字布置法则可在管板上排列较多的管子，提供较大的传热面。表分程隔板最小厚度（)壳体直径隔板最小厚度碳素钢及低合金高合金钢<60086>600—<108>12001410壳程接管的结构设计直接影响换热器的传热效率与使用寿命。当蒸汽或高速流体进入壳程时，入口处的管子将受到很大的冲击。为了保护管束，常在入口处设立挡板，通常采用方形挡板和圆形挡板或采用导流筒。导流筒除起防冲刷作用外，还可使流体从靠近管板处进入接触管束以充分利用传热面积。折（流2板）、支承板、旁路挡板的作用与结构折流板的作用是增大壳程流体的流速以提高传热效率，还起到支承管束的作用。折流板主要有弓形和环盘形两种形式，常用的是弓形折流板。卧式换热器中，弓形折流板可以将缺口按上下排列，也可以将缺口按左右排列。若缺口按上下排列，能使壳体流体剧烈搅动，改善传热，壳程为气相或液相均能采用；若缺口按左右排列，多半用于冷凝器、再沸器及气、液相混合的场合。为了使壳程流体在停工检修时便于排尽，卧式换热器折流板的最下端应考虑三角形缺口。立式换热器就不需要开缺口了。折流板的间距应从减少壳程阻力和提高传热效率的角度来确定，除靠近管板的第一块折流板应尽量靠近壳程接管外，其余一般是按管子的有效长度作等距离布置，尽量使弓形缺口的有效流通断面与相邻两折流板间流通断面相近，折流板间距最小不应小于为壳体内径）且不小于，最大不超过内径。我国管壳式换热器系iii列标准中采用的板间距有等几种。折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的情况就越少，即减少流体短路，使传热效率提高。但间隙又不能太小，太小给制造带来一定的困难，故间隙要适当。折流板一般由定距管（不锈钢管点焊）固定在换热器拉杆上，其拉杆又固定在管板上。对于不同直径的壳体，拉杆的直径及数量选择根据表2-，6在保证拉杆总截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但不能少于4根。拉杆一般应尽量均匀布置在管束的外边缘，但对大直径的折流板，在靠近缺边处也应布置适当数量的拉杆。表不同直径的壳体，其拉杆直径大小及数量壳体直径，()拉杆直径，()拉杆数量三在工艺上不要求设折流板（如冷凝）的情况下，若管束较长也需要设置一定数量的支承板。支承板的结构与折流板大体相同，只是支承板只起支承作用，可放宽制造要求，使安装方便。对于浮头式换热器，壳体与管束之间存在着较大的环隙，为了避免流体短路，迫使大部分壳程流体通过管束进行热交换，可在管束上增设旁路挡板以阻止流体短路。挡板可用厚的钢板或扁钢制成，材质与折流板相同。挡板加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。旁路挡板成对对称布置，推荐用两对（不得多于四对）。2.2.换3热器零部件材料的选用由于换热器各零部件所处的工作条件及加工方法不同，选用材料要有所不同。壳体和封头的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。小直径的换热器壳体，可选用无缝钢管，57l一无缝钢管外径）这样可避免OO因直径小而造成卷板困难。管板常用热轧厚钢板，材料有、、等。当管板必须采用锻件时厚度超过钢板最大厚度时可选择、以及、等钢材，这些锻件的使用范围与容器钢板基本一样。从焊接角度看，管板材料必须可焊性好，当管子采用胀接时，要求管板的硬度比管子高一些；另一方面又要保证管板和壳体的焊缝质量。如选用2、号钢管，则可选用2号5钢板作管板，但对低合金钢或不锈钢，不一定非如此不可。法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致，有时法兰对强度的要求比较高，可以选用与壳体不一样的钢材。通常所用的钢材有、、、、等。换热管除要求具有足够的强度外，如果采用胀管法固定，还要求管子有良好的塑性，避免因胀接而产生裂缝；焊接固定时，要求管子可焊性好。一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用1、号钢或2、号钢无缝钢管；对于有腐蚀性的流体可采用不锈钢、铜、铝等无缝钢管；对强腐蚀性流体，可用石墨管、聚四氟乙烯管等。对多程换热器，其隔板材料和封头材料相同换热器各零部件的材料可参考表2-选7取。

表2-7换热器构件材料选用表构件名称碳钢、低合金钢不锈钢壳体、封头、管箱壳体50N、设备法兰、M、（锻件）、i衬层（衬层）（衬层）折流板、防冲板、分程隔板、管板5AM基锻件锻件堆焊堆焊3堆焊管箱盖5AM锻件、锻件基体衬层Q235-20*16Mn]'0C18Ni9Ti（衬层）r0C17Ni13Mo2Ti（衬层）r0C17Ni13Mo3Ti（衬层）kr膨胀节、M、换热管、定距管0、、拉杆、螺母、顶丝5、螺柱（栓）、、M螺母（设备法兰用）5、热片橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、号黑铁皮包石棉板、包石棉板支座按相应支座标准选用吊耳、注：（）管板、管箱盖材料应采用板材。但当其厚度大于或等于时，可采用锻件。管板用板材应保证无分层。（）表中的“（衬层）”一类的材料，“”号前面的是基本材料，“”号后面的是衬层或堆焊层材料。2.3管壳式换热器的受力分析和强度计算换热器的受力情况与容器有所不同，如固定管板式换热器，壳体和管壁除受壳程和管程的流体压力产生的轴向应力和周向应力外，还受到管、壳壁温造成的轴向温差应力。因此，尽管换热器的壳体、管子、封头、法兰、开孔等按一般受压容器计算的强度得到满足，但在操作时仍然可能遇到一些特有的破坏情况，如管板产生过大的翘曲变形，使结构及管、壳程之间的密封失效；壳壁和管壁中产生过大的轴向应力，使壳体或管子遭到破坏；管子受到过大的轴向力，在管板的胀接处被拉脱等。由此，换热器机械设计应包括两部分内容，第一部分是作为受压容器，计算筒体、封头、开孔、支座等，这与一般容器设计相同；第二部分是换热器特有的强度计算，包括管板厚度计算，筒体、换热管轴向应力校核，温差应力计算和管子拉脱力校核等，如果采用膨胀节，还需进行膨胀节的计算。2.3.换1热器的壳体和管箱换热器的外壳就是教材中作为重点讨论过的容器，这里需要补充提及的是：壳体的壁厚仍可按教材所介绍的内压或外压圆筒的计算方法确定，但是要验算筒体的轴向总应力，壳体和管箱最小壁厚应满足表2-或8表2-的9厚度。表碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度（）公称直径一&-O-W-W浮头式、型管式固定管板式注：表中数据包括厚度附加量（按考虑）。表高合金钢圆筒的最小厚度（）公称直径一-W-W-W最小厚度管2板的强度计算管板可以看作是圆平板，其受力情况很复杂，影响管板强度的因素很多，其中有以下几个主要因素：管（束1对）管板的弹性支承作用。管（孔2对）管板的削弱作用。管（板3周）边的支承形式对强度有直接的影响。当周边为固支时，管板上的应力和挠度较小；周边为简支时，管板上的应力和挠度较大；周边半固支时，介于两者之间。由（温4度）差而产生的温差应力，不仅使管子和壳体的应力增加许多；同时也使管板应力增加许多，其数值可能远大于由压力引起的应力。当（管5板）兼作法兰时，管板对法兰有加强作用，法兰力矩反过来对管板应力也有影响，从而影响管板尺寸的确定。这样，要精确计算管板厚度是很困难的。现在使用的各种管板强度计算公式，大多是为了简化计算而在某种假定条件下推导出来的近似公式。根据不同的设计依据，管板厚度的设计方法主要有以下几类：将（管1板）当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据；加入适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。这种设计方法对管板作了很大简化，因而是一种半经验公式。但由于公式计算简便，同时又有长期使用经验，结果比较安全，因而不少国家的管板厚度设计公式仍以此作为基础。将（管2束）当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而计算比较精确。但计算公式较多，计算过程也较繁杂。在大力发展电脑计算技术的今天，是一种有效的设计方法。我国管壳式换热器中采用上述第种方法，计算时可参考。表许用拉脱力（）换热管与管板胀接结构型式管端不卷边，管板孔不开槽胀接管端卷边或管板孔开槽胀接有色金属管、管孔开槽焊接（钢管）6]12.4管壳式换热器标准及基本参数对于管式换热器，我国已制定了若干标准，如一9管壳式换热器》，——0列管式固定板换热器，浮头式换热器，立式虹吸式重沸器》标准与基本参数，一《钢制固定式薄管板列管换热器》等。管壳式固定管板换热器的基本参数为公称压力、公称直径、设计压力、设计温度、公称换热面积、换热管规格等。其中换热面积计算值：n—式中一一计算换热面积，；一一换热管外径，m——换热管长度，m一—换热管数。公称直径管壳式固定管板式换热器壳体卷制的直径：以为进级档，必要N时以为进级档，为，，，，等。的壳体，采用无缝N钢管制造。公称压力当操作温度不大于0时公称压力分为、、、，当温度升高时材料强度要降低，使用时按升高温度降压使用，可查标准按规定确定。换热管外径若材料选用碳钢（号钢）为①X.材料选用不锈钢（N用（9X2管子的间距和排列管子间距一般为管子外径的1.倍25。管子外表面与壳体内表面的距离应不小于管子外径的倍。一般中的管子间距为，m管间距为。固定管板式换热器按等边三角形排列，对于浮头式换热器按正方形转°排列。2.5管壳式换热器的机械设计举例欲设计一台固定管板式换热器，已知条件如下：工艺条件名称管程壳程物料名称软水变换气工作压力工作温度号℃换热面积推荐材质管口符号管程壳程变换气进口软水出口变换气出口软水进口排净口现作机械计算及整体结构设计如下：管子数的确定选m的的钢无缝钢管，管长由换热面积n（可得F135n=r\=r\=593根兀do(L—0.U兀X0.025x(3—0力查表一，取根，其中因安排拉杆需减6根实际管数根。2.的.管2子排列方式、管间距的确定采用正三角形排列，由表2—4查得层数为1层3。查表2—3，取管间距

换热器筒体直径的确定筒体内径可由下式计算：D=t(b-1)+2li式中一换热器管间距，由上知b一正六角形对角线上的管子数，查表2—4,取b=27；1—最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d；oD=32x(27-)1+念念25932mmi取筒体内径D=1000mmi换热器筒体及封头壁厚计算取设计压力P=0.95MPa,焊接系数①=0.85,材料选用16MnR,[o]=170MPa,取钢板厚度负偏差C1=0.8mm,腐蚀裕量c『2mm,c=C1+c2=2.8mm,设计壁厚6d为:,pD0.95x100085i+c=+2.055.3mmd2口中-p22x170x0.85-0.95取名义壁摩d=8mm由标准椭圆形封头计算公式8二PD+cd2岛1①-0.5p2可知标准椭圆形封头的厚度与筒体厚度基本相同，现取二者等厚(最好是按公式计算一遍)。根据JB/T4737—2000《椭圆形封头》标准，取上、下封头均为DN1000X8,直边高度h2=40mm。材料选用16MnR。考虑到管箱应有足够的空间来均匀输送流体，现取管箱筒节长l=875mm。换热器水压试验及其壳体应力校核水压试验压力由Pt=P+0.1=1.05MPWPt=1.25P=1.19MP中取一大值，取PT=1.2MPaP「D+(8-c)]1.2「1000+(8-2.8)一TL/n^2=——Ly-=136.5MPa28-c).28-2.8)0.85PKD+oTf0.5(PKD+oTf0.5(8-c力1.2「0.9x100+0,5(8-2.8)一n-'——J,、n2(8-c).2(8-2.8)0.85=122.5MPaoToTf：分别