课程设计-固定管板式换热器

/目录1前言41.1换热器的应用:41.2固定式管板换热器简介:42工艺计算52.1设计任务书52.2设计方案52.3确定物性数据52.4估算传热面积62.5工艺结构尺寸72.6换热器核算102.6.1热流量核算102.6.2壁温核算122.7换热器内流体的流动阻力12管程阻力∆Pt12壳程阻力∆Ps132.8换热器的主要结构尺寸和计算结果143换热器结构设计与强度校核163.1壳体与管箱厚度的确定163.1.1壳体和管箱材料的选择163.1.2圆筒壳体厚度的计算及校核163.1.3管箱厚度计算及校核173.2隔板183.3接管设计193.3.1壳程接管193.3.1管程接管203.3.2排液口、排气口213.4开孔补强213.5法兰与垫片21管箱法兰与封头法兰213.5.2垫片223.6管板设计23管板厚度设计233.6.2换热管与管板连接方式243.6.3换热管与管板连接拉脱力校核243.6.4管板与筒体连接方式253.6.5管板尺寸253.7接管位置确定253.7.1壳程接管位置的最小尺寸253.7.2管程接管位置的最小尺寸263.8管箱和封头长度及与筒体的连接方式263.9折流板273.9.1折流板的形式和尺寸273.9.3折流板的布置273.10拉杆、定距管27拉杆尺寸283.10.2定距管283.11防冲板293.12旁路挡板293.13保温层293.14鞍座293.14.1鞍座安装尺寸293.14.2鞍座尺寸:29总结31参考文献321前言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℃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固定式管板换热器简介:固定管板式换热器：其结构如图1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。2工艺计算2.1设计任务书设计类型:固定管板式换热器设计基本参数:换热器的结构与布局由设计确定工作介质:管程:油壳程:水质量流量:6400油入口温度:230℃出口温度:180℃工作压力:管程≤0.75MPa壳程≤0.7MPa其他参数由设计计算确定要求选用合适的材料、元器件和其他零部件等。2.2设计方案<1>水温选择：本次设计考虑到经济和设备安全问题,选择水的进口温度为常温20℃,出口温度为60℃。<2>流程安排：由于本次设计的热流体油的温度较高,而且水的腐蚀性和结垢性高于油,所以选择油走管程,水走壳程。2.3确定物性数据定性温度：对于一般的轻质油和水等低粘度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程油的定性温度为：T=(110+60)/2=205℃管程水的定性温度为:t=((20+60))∕2=40℃根据定性温度查取有关物性数据,得到油和水的数据分别如下：煤油在205℃下的物性数据为：密度ρ定压比热容热导率λ粘度μ冷却软水在40℃的物性数据为:密度ρ定压比热容C热导率λ粘度λ2.4估算传热面积热侧：进口温度T1=230℃,出口温度为T2=180℃流量为m传热计算〔热负荷计算热负荷：Q=式中：m2,mCP2,Cp1——冷热流体的定压比热,J/<kgt1,tT1,T<1>热流量依据式Q1Q<2>平均传热温度差先按逆流计算,依下式得：Δ<3>传热面积由教材P59页表2-19选取K=160,则估算的传热面积为:A<4>冷水用量m2.5工艺结构尺寸<1>管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔碳钢传热管,取管内流速<2>管程数与传热管数依据下式确定换热管的单程管字数:n式中ns—单程管子数V—管程流体的体积流量,m3/sdi—传热管直径,㎜u—管内流体流速,m/sQΔAmu=0.2m/s则nn按单管管程计算,所需长度L=取管长L=1500mm,则AN<3>平均传热温差校正及壳程数R=P=按单壳程、双管程结构,查得：ε平均传热温差Δ<4>传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。取中心距a=1.25d0,则a=1.25×25=31.25≈32隔板中心到离其最近的管子中心距离为：S=则各相邻管的管心距为t=2S=44㎜,管束的分程方法,一程为40根,另外一程为41根排管图如下所示：〔5壳体内径采用双管程结构,壳体内径可按正方形排列估算。取管板利用率η=0.7L=2.87mL=1500mmANR=1.25P=0.19ϵΔta=32㎜S=22㎜t=44㎜η=0.7D=1.05a按卷制壳体的进级档50~100,取D=400㎜<6>折流板本次设计采用单弓形折流板,却弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的1/4,则h为h=0.25D=0.25×400=100取折流板间距B=0.4D=160㎜则折流板的数目为N=但是根据实际接管的位置及布局,最终根据画图所得取N=7块2.6换热器核算2.6.1热流量核算1壳程表面传热系数a0用克恩法计算：a当量直径,按三角形排列计算:d壳程流通截面积S壳体流速和雷诺数分别为uR普朗特系数查得P粘度校正μμa2>管内表面传热系数αiα管内流体被冷却,n=0.3管程流速和雷诺数分别为uR普朗特系数Pα3>污垢热阻和管壁热阻按书上P65可取管外侧污垢热阻R管内侧污垢热阻R管壁热阻,碳钢在205℃的条件下的热导率为λwR4>传热总系数KC为K算得K5>传热面积裕度传热面积AC为A则该换热器的面积裕度为H=传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。2.6.2壁温核算按最不利的条件计算,即取两侧污垢热阻为零计算,热力学平衡公式为Q=热流体的换热面积为A热流体的换热面积为A1>传热管壁温TTt则热管壁为T=2>壳体壁温t由于壳程水的温度不高,可近似取为流体的平均温度,则t=3>壳体壁温与传热管壁温之差为∆T=T-t=84.62-40=40.62该温差比较大,需要设置温度补偿设备,所以采用波形膨胀节进行补偿。2.7换热器内流体的流动阻力管程阻力∆Pt∆取管程结垢校正系数F直管阻力∆Pi∆P局部阻力∆Pr∆P则∆壳程阻力∆Ps∆其中壳程结垢校正系数F正方形排列,则：N流通面积S0管子排列形式对阻力的影响,正三角形取F=0.5壳程流体摩擦因子f0f壳程流体横过管束的最小流速为uu∆PΔP则：∆P<3>总阻力为∆P=∆D=400㎜h=100B=160N=7dSuRPμan=0.3uRPαRRRKAH=13.6AATtT=84.62t=40℃∆T=40.62F∆P∆P∆FNSF=0.5fu∆PΔP∆P∆P=368.30Pa2.8换热器的主要结构尺寸和计算结果到此换热器的工艺计算告一段落,其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积,选出相应的换热器型式,其计算结果如下表2-1所示：表2-1参数管程〔油壳程〔软水流率/<kg/h>64005258.5进/出口温度/℃230/18020/60压力/MPa0.1010.101物性定性温度/℃20540密度/<kg/㎡>686.82992.2定压比热容/<kJ/<kg·K>>2.74364.174粘度/<Pa·s>0.682×10-30.653×10-3热导率/[W/<m·K>]0.1350.634普朗特系数13.864.31续表2-1设备机构参数形式固定管板式台数1壳体内径/㎜400壳程数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管长/㎜1500管子排列Δ管数目/根81折流板数/个7传热面积/㎡9.48折流板间距/㎜160管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/<m/s>0.2040.105表面传热系数/[<W<㎡·K>]389.211562.8污垢热阻/<㎡·K/W>0.001050.00026阻力/MPa282.9385.37热流量/kW243.87传热温差/K40.62传热系数/[<W<㎡·K>]182裕度/﹪13.63换热器结构设计与强度校核在第一部分进行工艺计算结束后,应进行下一步:开始换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算。这一过程主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、接管计算、开孔补强计算,还有主要构件的设计〔如管箱、壳体、折流板、拉杆、膨胀节等和主要连接〔包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等,具体计算如下：3.1壳体与管箱厚度的确定根据计算得出的软水进出口温度,选择设计温度为80℃；设计压力为1.0Mpa。壳体和管箱材料的选择由于所设计的换热器属于常规容器,并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造,故在此综合成本、使用条件等的考虑,选择16MnR为壳体与管箱的材料。16MnR是低碳低合金钢,具有优良的综合力学性能和制造工艺性能,其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢,同时采用低合金钢可以减少容器的厚度,减轻重量,节约钢材。圆筒壳体厚度的计算及校核焊接方式：选为双面焊对接接头,全部进行无损探伤,故焊接系数∅=1.0；根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定可知对16MnR钢板其：C材料在80℃的许用应力σTδ=设计厚度为：δ名义厚度δ查其最小厚度为6mm,则此时厚度不满足要求,取δ有效厚度为δ水压试压压力为P所选材料的屈服应力为σ水压试压应力σ水压试压应力校核σ即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。∅=1.0CCσδ=1.18mmδδδPσσ管箱厚度计算及校核此时选用标准椭圆形封头,材料为16MnR,故K=1,且同前面一样,其中C1=0.6mm;材料在205℃的许用应力为σ则封头计算厚度为：δ设计厚度名义厚度δnh=δ考虑到和法兰及管板连接的最小厚度取δ有效厚度δ水压试压压力P水压试压应力为σ水压试压校核σ即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。K=1CC∅=0.85σδδδδPσσ查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下表3-1：表3-1DN400标准椭圆形封头参数DN<mm>总深度H<mm>直段长度l<mm>内表面积A<㎡>容积<m3>封头质量〔㎏4001251000.20490.01159.7封头处的厚度同前管箱短节部分的厚度一样,为6mm。3.2隔板隔板与管箱采用角接焊,与管板进行开槽密封连接。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深,槽宽为12mm,且分程隔板的最小厚度为8mm。焊接方式如下图3-1所示:图3-13.3接管设计3.3.1壳程接管<1>壳程接管公称直径DN壳程进出口接管:取接管内软水的流速为u则直径为:d按照钢管厚度系列,取公称直径DN=32mm可选接管的规格为Φ32×3,接管的材料选为20uDN=32mm<2>接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径,公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件,选择板式平焊钢制管法兰,其具体尺寸如下表3-2所示：表3-2法兰参数公称直径DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓TH323812090144M121619具体形式如图3-2所示：图3-2<3>接管高度<伸出长度>L=h+圆整,取L=70mmL=70mm3.3.1管程接管<1>管程接管公称直径DN壳程进出口接管:取接管内软水的流速为u则直径为:d按照钢管厚度系列,取公称直径DN=40mm可选接管的规格为Φ40×2.5,接管的材料选为20uDN=40mm<2>接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径,公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件,选择板式平焊钢制管法兰,其具体尺寸如下表3-3所示：表3-3法兰参数公称直径DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓TH4045130100144M121646<3>接管高度<伸出长度>L=h+圆整,取L=70mm3.3.2排液口、排气口排液口和排气口的公称直径大小一般不小于Φ15mm,本次采用的公称直径为ΦL=70mm3.4开孔补强根据GB150-2011,允许不另行补强的最大接管外径是Φ=89mm,本次设计的壳程接管、管程接管、排液口和排气口均小于Φ3.5法兰与垫片3.5.1管箱法兰与封头法兰管箱与法兰、封头与法兰均采用对接焊,查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰,平面密封面,材料为锻件20MnMoⅡ,其结构如图3-3,其具体尺寸如下表3-4：〔单位为mm图3-3表3-4DN400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400540500465455452349525171412221223M202063.5.2垫片查JB4700-2000压力容器法兰,根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片,材料为0Cr18Ni9,结构如图3-4所示,其尺寸如表3-5：图3-4表3-5管箱垫片尺寸PN<Mpa>DN<mm>外径D<mm>内径d<mm>垫片厚度反包厚度Ｌ1.0400454422343.6管板设计3.6.1管板厚度设计采用BS法〔1假设管板厚度为δ〔2计算K值:K则K=3.98<3>管板边缘支承的形式为简支形式,则:G<4>计算σrσσ<5>校核σr查GB150-2011得,16MnR钢材的[σ]rσσ符合要求,说明假设厚度合适。〔6管板厚度δδK=3.98GGσσσ[δ3.6.2换热管与管板连接方式根据GB151-1999的规定,换热管与管板连接采用胀接方式连接,K=0.5mm,伸出长度lt=3mm其连接方式如下图图3-53.6.3换热管与管板连接拉脱力校核q=其中：lt—管子与管板胀接的长度,mm,查GB151-1999可知许用拉脱力q明显地,q<[q],说明连接方式是合适的q=1.6Mlqq3.6.4管板与筒体连接方式采用管板兼作法兰的形式,其连接方式如下图3-6所示:图3-63.6.5管板尺寸根据法兰尺寸并作实际图确定,其尺寸如下表3-6所示:表3-6管板尺寸<mm>公称直径DN外径D1厚度b内径D2螺栓孔直径d螺栓孔内圆直径D1螺栓螺栓个数4005403039118500M20203.7接管位置确定3.7.1壳程接管位置的最小尺寸采用无补强圈的形式<其中b为管板厚度>,如下图3-7所示：图3-7L取L3.7.2管程接管位置的最小尺寸采用无补强圈的形式<其中b为管板厚度>,如下图3-8所示：图3-8L取LLL3.8管箱和封头长度及与筒体的连接方式管箱的长度380mm,封头的长度为220mm,采用法兰连接,如下图3-9所示:图3-93.9折流板3.9.1折流板的形式和尺寸根据前面计算可知,本次设计采用单弓形,上下方向排列。圆缺高度为H=100mm,厚度为δ=4mm,间距为B=160mm,数量为N=7块3.9.2折流板的排列本次课程设计折流板的排列如下图3-10所示图3-103.9.3折流板的布置根据实际画图得与前管板的距离为L1=250mm,与后管板的距离为3.10拉杆、定距管根据GB151-1999,由于换热管规格为ø25㎜×2.5㎜图3-113.10.1拉杆尺寸拉杆形式及各部分尺寸如下图3-12所示：图3-12拉杆的具体尺寸如下表3-7表3-7拉杆的参数<mm>拉杆直径d拉杆螺纹公称直径DNLLb拉杆数量161617≥6024 其中L根据实际作图得到L=1280mm的2根,L=1120mm的2根。3.10.2定距管根据换热器设计手册,定距管的尺寸同换热管的尺寸相同,材料选用碳钢Q235-B。外径为ø25mm×3.11防冲板由于壳程流体的ρv2=992.2×0.1053.12旁路挡板根据GB151-199规定,旁路挡板采用与折流板厚度一致,而本次设计的公称直径DN=400<5003.13保温层根据设计温度选保温层材料为脲甲醛泡沫塑料,其物性参数如下表3-8：表3-8保温层物性参数密度Kg/m3导热kcal/mh℃吸水率抗压强度kg/m３适用温度℃厚度mm13～200.0119～0.02612%0.25～0.5-190～+500103.14鞍座3.14.1鞍座安装尺寸根据GB151-1999,LB=(0.4~0.6)L,取LB图3-133.14.2鞍座尺寸:根据JB/T4712-92选择鞍座的型号为：DN600、120°包角重型带垫板鞍式支座。结构如下图3-14所示：图3-14具体尺寸如