单壳程双管程管壳式换热器设计

课程设Y题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）专业：应用化学班级：0703班姓名：肖黎鸿成绩： 导师签字：2010年7月11日题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）

参数:项目管程壳程工作压力（项目管程壳程工作压力（MPa）1.10.7工作温度（°c）16590设计温度（°C）17095设计压力（MPa）1.20.8物料名称氮气水换热面积（m2）11焊缝系数0.850.85腐蚀余量（mm）11（1） 及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造性。（2） 认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量。（3） 按预定计划循序完成任务。日程安排：准备阶段（1天）设计计算阶段（3天）绘图阶段（4天）编写设计说明书（2天）IITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"绪论 1\o"CurrentDocument"设计计算 22.1管子数n的计算 2\o"CurrentDocument"2.2管子排列方式，管间距的确定 2\o"CurrentDocument"2.3壳体直径的确定 2\o"CurrentDocument"2.4壳体厚度的计算 22.5壳体液压试验应力校核 32.6分程隔板的选择 32.7封头的选择 32.8法兰，管板的选择 4\o"CurrentDocument"2.9垫片尺寸的确定 52.10管子拉脱力的计算 52.11是否安装膨胀节的计算 62.12折流板设计 72.13拉杆设计 82.14开孔补强 82.15支座 9设计评述 10\o"CurrentDocument"参考文献 11附:设计结果一览表 121.绪论热交换器，通常又称作换热器，是化工、炼油和食品及其他工业部门的通用设备，在生产中占有重要作用。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热式。三类换热器中，间壁式换热器应用最多。本次设计的管壳式换热器就属于间壁式换热器的一种。立式固定管板式换热器示意图22.设计计算2.1管子数n的计算选25x2.5的无缝钢管，因为F选25x2.5的无缝钢管，因为F=nd均Ln，所以材质20号钢，管长1.5m。F11n—ndL兀x0.0225x1.5均=104根2.2管子排列方式，管间距的确定本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90°C较高，不易结垢。可暂不考虑机械清洗水垢的问题，故排列方式采用结构紧凑、传热系数较高的正三角形排列。由《化工设备与仪表自动化》中表6-4得六角形层数为6,对角线上的管数为13,管子根数为127其中因安排拉杆需减少6根(参见2.12拉杆设计)，实际管数121根。查表6-5，由管子外径25mm,可得管间距a=32mm。管子排列方式如右图：2.3壳体直径的确定D.=a(b-1)+2/式中D.—换热器内径，mmb一正六角形对角线上的管子数，查表6-4,取b=13/一最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d.D.—32x(13-1)+2x2x25—485mm查《仪表设备及仪器自动化》P58表2-5,并结合壳体直径的计算，确定D=500mm12.4壳体厚度的计算乙一计算压力，取外=0.8MPa；D.=500mm;焊接系数件0.85;材料选用Q235-B钢：[o]95C=113Mpao计算壁厚为pD4i 22]t©—p—2.09pD4i 22]t©—p—2.09mm2x113x0.85-0.8取c2=1mm，由书中表4-7得c1=0.3mm圆整后实取Sn=4mm。DN500,(=4每米钢板质量为50kg。2.5壳体液压试验应力校核试验压力p=1.25p旦=1.25x0.8x113=1.0MPat”］， 113故。=PtW+'^)=L。匝+(4-侦))"MPat2S 2x(4-1.3)Q235-B在常温时q、=235MPa,0.9中。$=0.9x0.85x235=179.78MPa,^T<0.9甲七，故液压试验应力校核合格。2.6分程隔板的选择分程隔板应采用与封头、管箱短节相同材料，故材料选用Q235-B。要求隔板的密封面与壳体法兰密封面，管板密封面与分程槽面须处于同一基面。分程隔板槽深度为4mm，槽宽12mm。其结构相见装配图。查《化工单元过程及设备课程设计》表4-1得分程隔板的最小厚度为8mm2.7封头的选择上下封头均选用EHA椭圆封头，其厚度与壳体厚度相同，材料选用Q235-B钢。上封头的主要尺寸如下表：公称直径DN(mm)曲面高度h1(mm)直边高度h2(mm)碳钢厚度少(mm)500125404下封头的主要尺寸如下表：公称直径DN(mm)曲面高度h1(mm)直边高度h2(mm)碳钢厚度少(mm)500125504查《过程设备机械设计》P106标2JB/T4746-2002得：公称直径DN(mm)总深度H(mm)内表面积A(m2)容积V(m3)质量M(kg)5001500.31030.02139.6如下图所示:

2.8法兰，管板的选择容器法兰材料选16MnR。根据JB4701—2000标准，选用DN500,PN1.6(MPa)的甲型平密封面法兰。DN25(100)PNV4MPa管法兰的接管伸出长度为150mm。容器法兰的主要尺寸如下表：公称直径DN，mm法兰，mm螺柱DD1D2D3D48d规格数量5006305905555455424423M2028其密封面结构如下图所示:点选用固定式换热器管板，不兼做法兰，换热管与管板的连接采用先焊后一强度胀的连接形式，考虑到胀接结构要求，此次管板的厚度取30mm。实际上，管板的厚度应按GB151-1991进行强度计算，但由于计算复杂，在此不进行具体的校核。2.9垫片尺寸的确定由于与壳体接触的介质仅为冷却水，对密封的要求一般，因此密封垫片选用价格相对较低的石棉橡胶片。根据JB/T4704—1992及所选的DN500，PN1.6(MPa)甲型平焊法兰。垫片尺寸如下表：(单位：mm)公称直径DN垫片内径d.垫片外径D0垫片厚度150050454432.10管子拉脱力的计算计算数据如下表项目-部件_管子壳体材质20号钢Q235-B钢(a/°C)11.8x10-611.8x10-6E(MPa)0.21x1060.21x106尺寸^25x2.5x15009500x4管子数127根管间距32mm管壳壁温差/CT=75管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度L=40mmA.在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qpq-Wp式中f=0.866a2—-d2=0.866x322—lx式中f=0.866a2—-d2=0.866x322—lx252=396(mm)40 4p=1.1(MPa)；/=40mmq=1.1x396=0.14MPap-x25x40B.温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力bt(d2—d2)q= 0 」t 4dlaE(t一t)-T^A^1+——ts=切中xS=-x500+508x4=6330.24mm22冗' 「 冗— -c "一 ， =—(d2—d2)n=-x(252—202)x(127—6)=21371.625mm240i411.8x10-6x0.21x106x75=42.47(MPa)1+21371.6256330.2442.『(252-202)=1.91(Mpa)4x25x50由已知条件可知，qp与为的作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为q=q+q=0.14+1.91=2.05MPaq<[q]=4.0(MPa)因此，拉脱力在许用范围内。2.11是否安装膨胀节的计算管，壳壁所产生的轴向力:11.8x10-6x0.21x106x756330.24+21371.625x6330.24x21371.625=9.08x105(N)st压力作用于壳体上的轴向力:QA

s—

A+A其中兀 — ,Q=—[(D2-nd2)-p+n(d-2S)2-p]4i0s 0ttl兀Q=-[(5002-121x252)x0.7+121x(25-2x2.5)2x1.1]=1.38x105(N)4则「=技8x105x6330.24=0.315x105n26330.24+21371.625压力作用于管子上的轴向力:厂QA1.38x105x21371.625F3=E=6330.24+21371.625刑5乂NstF+F 9.08x105+0.315x1056330.24a=——2= =148.41(Mpa)6330.24A 6330.24一土3=-9.08x105+L065x105=-37.50(MPa)tA 21371.625根据《钢制管壳式换热器设计规定》：b=148.41MPa〈2巾[。]t=180(MPa)a=37.50MPa〈2Q]i=206(Mpa)g<[0]=4.0(MPa)条件成立，故本换热器不必设置膨胀节。2.12折流板设计折流板为单弓形，切缺率(切掉圆弧的高度与壳体内径百分比)为20%〜49%，通常为20%〜25%，最佳大小一般为20%，此时单位压降下的传热膜系数最高。切掉圆弧的高度h=D.x20%=500x0.2=100mm实际应用中，单弓形折流板间距B=(0.2-1.0)D.，以0.4〜0.5最优。取B=0.5D.=250mm。折流板数N=，传热管长-1=觑-1=5b折流板间距250折流板最小厚度与壳体直径、换管无支承板有关，由书中表6—6查得为3mm。由表6—8查得折流板外径496.5mm，材料为Q235—B钢。按GB151规定，I级换热器由于d<32mm,l=1500>900mm,故折流板管孔直径与允许偏差分别为25.4mm和0.3mm。弓形缺口为上下布置，以造成流体剧烈扰动，增大传热系数。

2.13拉杆设计 一由于换热管外径大于19mm，故拉杆采用拉杆定距管的形式。根据《过程设备机械设计》中表5-6，拉杆选用①10，共6根，材料为Q235—B钢，如图所示：由GB151-1999表45查得，拉杆的主要尺寸如下表:拉杆螺纹公称直径dn/mm数量基本尺寸拉杆直径d/mmLa/mmLb/mmb/mm1061013N401.5选用定距管规格为巾25x2.5（碳钢20），共6根。dn-n［对拉杆孔见上图：dn=10mm,L2=1.5Xdn=15mm2.14开孔补强换热器壳体和封头的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器的材料和厚度相同，即4mm厚的Q235—B钢板。开孔补强如下图。

2.15支座采用裙座，设计结果，do裙座厚度取Sc=8mm，基础环厚度取2.15支座采用裙座，设计结果，do见所绘的换热器装配图。本次设计的单壳程双管程管壳式换热器，其两端与壳体连为一体，管子则固定于管板上，其结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑。考虑到清洗和整体结构的要求，由于壳程介质清洁，故采用结构紧凑，传热系数较高的正三角形排列。在壳体设计时增加了液压试验应力校核，以确保在运行中的安全。但并未对封头、法兰、管板、换热管等受力元件进行强度计算。封头，容器法兰、管板，垫片，拉杆的选择均参照国家标准GB151-1999，但封头直边高度的选择并未依据其厚度而选择。由于压力不高、气密性要求较高，故封头与壳体的连接结构采用平垫密封结构。管板不兼做法兰，采用焊接的方式与壳体连接。管子与管板的连接形式采用胀焊、焊接和胀接并用，兼顾胀接的密封性好和焊接强度高的特点。以上结构均详见装配图。管壳式换热器的特点是壳层清洗困难，管壳程间有温差应力存在，当热冷流体温差较大时，需在壳体设置膨胀节。经计算，本次设计的换热器不需设计膨胀节。在折流板设计时，选用弓形折流板。由于物料为无相变流体，兼顾传热与压降两个因素，切缺率（h/D.）选为0.2,此时单位压降下的传热膜系数最高；单弓形折流板间距B取为0.5D.O由于计算复杂，本次设计并未对开孔补强及群座进行设计计算。4.参考文献《机械设计基础》.刘泽深.中国建筑工业出版社《化工设备机械基础》.赵军.化学工业出版社《机械设计基础课程设计》.刘泽深.中国建筑工业出版社《简明机械零件设计手册》.朱龙根.机械工业出版社《机械设计课程设计手册》.龚桂义.高等教育出版社《化工制图》.熊洁羽.化学工业出版社《化工设备与仪表自动化》.唐洪波，马冰洁.沈阳工业大学《化工原理课程设计》.贾绍义，柴诚敬.天津大学出版社《过程设备机械设计》.潘红良，郝俊文.华东理工大学出版社《换热器设计手册》.T.Kuppan.化学工业出版社《化工装置实用