【对二甲苯固定管板式换热器设计（论文）11000字】

[键入文字][键入文字][键入文字]第页共46页对二甲苯固定管板式换热器设计摘要：本次设计的是28t/h对二甲苯固定管板式换热器。管程介质为循环水，壳程介质为对二甲苯。查找对应的物性参数，计算壳管两侧流体的温度差。通过一系列计算，得到关于循环水的流量，传热系数575W/(m2·℃)，由此推算出实际传热面积为24.7m2。此次选择换热管规格Ф25×2.5mm，长度为4500mm，管子有70根，正三角形排列布管，材质是20#。由管束得到壳体内径DN=350mm，确定折流板间距是200mm后，得到折流板有20块，圆缺高度为100mm，换热器面积裕度为22.8%，阻力降分别为管程14.7KPa、壳程19.5KPa等数据。据换热器等标准中的相关规定，对换热器的进行结构方面的设计及强度校核。确定法兰、鞍座、管板等规格；对它们进行对应的计算，符合实际情况。管板有6种工况都得符合。关键词：固定管板式换热器；换热计算；结构设计；强度校核目录摘要ⅠAbstractⅡ1绪论11.1背景介绍11.2固定管板式换热器11.3未来发展方向12工艺计算22.1已知条件22.2查找物性数据22.3初步计算传热面积22.4计算尺寸32.5换热器核算52.6汇总103结构设计计算113.1封头、管箱筒体和壳程筒体113.2管板设计133.3设备法兰与垫片的选取133.4换热管143.5进出口接管的设计143.6折流板173.7设置分程隔板183.8拉杆与定距管设计183.9鞍座选用204强度校核214.1接管开孔补强214.2设计膨胀节234.3管板校核254.4计算总质量415总结43参考文献441绪论1.1背景介绍热交换器是一种换热设备，尤其关键。目前换热器在生产生活中的应用非常多，在制药、机械、食品等领域广泛使用。自上世纪八十年代以来，是热交换器飞速发展的时代，技术的提高促进了能源利用率的提高。同时伴随各种新型高效换热器被人类开并运用,随之而来的是巨大的社会效益和经济效益,市场的前景日益繁荣，在当代制造时代，目前热交换器的应用前景已经很大了，但在未来由于一些能源紧张、生态环境等方面的问题，会继续造成换热器升级改进。减少资源的浪费，维护社会生态的发展是必不可少的[1]。在光能，风能等方面，研究力度在未来几年会被政府、研究机构和企业大幅度增加。1.2固定管板式换热器组成部分：管箱、壳体、2个管板、管束等部件。管板与壳体通过焊接连接，管束与管板连接，管板的延长部分和法兰通过螺栓连接。管束内设置了诸多折流板根据换热管的长度。优点有这几方面：结构简单、成本低、允许在高温度、高压力状态下使用、清管方便。劣势也是比较明显的，不洁净的流体比如水：易结构，就适宜走管程。适用的场合：温差不怎么大，或温差大得多，但壳程压力不是特别高的情况下[2]。它在某些时候会加一个补偿圈，补偿圈发生缓慢的弹性变形来吸收因过大的温差应力导致的热膨胀[3]。1.3未来发展方向从目前的到未来的重点就是对换热器的升级，提高能源的利用率，提高换热器的寿命。能源多、利用率低的情况数不胜数，对能源的过度开发利用造成了对环境的污染损耗，若技术能够提高，将会对能源紧张的局面创造一个缓解时间。例如：不同的折流板对性能的影响。S.ZeyninejadMovassag等人[4]改善了常规壳体和节段折流板的性能，通过用螺旋折流板来代替节段折流板，降低了压降和减少结垢。Wang等人[5]用花形折流板与普通的节段折流板进行了性能比较。随着各种新想法、新思路和新结构的出现，换热器将朝着更加高效、经济、环保的方向发展。2工艺计算2.1已知条件表2.1原始数据介质入口温度℃出口温度℃出口流量入口流量壳程对二甲苯976428000管程循环水2838以t1为28℃，t2为382.2查找物性数据定性温度：流体进出口温度的平均值Tm=tm=28+382=33℃ Tm各流体在定性温度下的物性数据见表2.2表2.2物性数据表物性流体导热系数W比热kJ粘度μpa∙s密度对二甲苯0.12221.8890.00034810.6循环水0.61734.1780.0007523994.732.3初步计算传热面积2.3.1热负荷计算热负荷计算公式：Q=qc(t2−t1) 对二甲苯热负荷：Qo=1745436=485kW2.3.2循环水流量qmi2.3.3求有效平均温度差∆t1=97−38=59℃ ∆t2=64−28=36℃ 以逆流计算：∆t2.3.4估算ss=Q初步选取K值K=500则s'：

一般要求面积裕度15%，s=1.15×s2.4计算尺寸2.4.1管径及流速表2.3换热管规格名称规格尺寸材质换热管∅25×2.5mm20查找换热器常用流速范围，取ui=1.02.4.2传热管根数和管程数的计算单程管数量：ns求出来的长度为：L=SL过长，选择l=4.5米的换热管，管程数为：

N总计：

NT2.4.3壳程数及平均传热温差校正的计算

∆t式中：∆tε温差校正系数：R=T1−T2∆tmε∆t由于ε∆t2.4.4换热管排列形式图2.1排列形式正三角形的长处：传热好、紧凑、布管多，但难处理。正方形的长处：管外侧清洗方便，适用于易结垢的，劣势是传热差。选正三角形。2.4.5管心距管心距：2S=2×a2.4.6壳体内径多管程结构：D=1.05aN/η式中：η——管板利用率。查阅资料，知η的取值范围在0.7-0.85。取η=0.7D=1.05a选D=350mmnc图2.2实际示意图由图2.2知，数量70根。2.4.7折流板由于折流板是水平安装的，为防止造成流体短路，所以取壳体内径的四分之一。h=1取h=100mm。一般换热器最小间距为壳体内径的35%，最大间距不大于2倍，取B=0.6D，则B=0.6D=0.6×350=210mm（2.23）取B=200mm折流板数目：NB取NB=202.5换热器核算2.5.1壳程表面传热系数αodeSouoReoPro粘度校正(α=1120W/(m2.5.2管程表面传热系数αi=0.023λidiRe0.8α2.5.3热阻RRRw在Tm=80.5℃下的碳钢热导率为45W/(R2.5.4传热系数K=1式中：K——传热系数，W/(αRRddαK==575H=KAc=H=A合理。2.5.5壁温TWtWTTtT2.5.6压降[7]表2.4允许范围运行压力（绝压）/×合理压降/×10P=0～1∆P=P/10P=1～1.7∆P=P/2P=1.7～11∆P=0.35PP=11～31∆P=(0.35～1.8)P2.5.6.1管程压降∆pi∆pNNF∆p其中：∆pi∆pr式中：λilduρeλ=0.1∆p∆p∆p管程压降在允许范围内。2.5.6.2壳程压降壳程压降计算：∆pOFN流体流经管束的阻力：∆p1F=0.5fnNu∆p流经折流板缺口的阻力：∆p∆p2∆p合理。2.6汇总表2.5数据汇总表参数壳程管程质量流量/kg/s7.811.6进/出口温度/℃97/6428/38压力/MPa1.100.40物性定性温度/℃3380.5比热/KJ/(kg/℃)4.1781.889密度/kg∙994.73810.60粘度/Pa∙s0.00075230.0003400导热系数/W/0.61730.1222设备结构参数形式固定管板台数1壳体内径/mm350壳程数1尺寸/mmφ25×2.5mm管程数2换热管管长/mm4500管子排列正三角形数目/根70折流板数/块20管心距32折流板间距/mm200传热面积/24.7材质20主要计算结果壳程管程流速0.6400.972表面传热系数/W/(11204591污垢热阻/(0.000300.00017阻力/KPa19.514.7传热温差/℃42.04热流量/W485000传热系数/W/(575安全系数/%22.83结构设计计算压力容器的设计压力通常可取最高工作压力的1.05～1.1倍[8]。Pt=1.1PPsP设计温度通常高于工作温度15～30℃tt属于第Ⅰ类。3.1封头、管箱筒体、壳程筒体的设计3.1.1壳程筒体to=120℃，C1=0.3mm，材质：Q345R，[σ]=189MPa，(厚度3−16mm)[9]，σPδ=Pcδδ结合GB151-2014中表7-1圆筒的最小厚度的规定，取δ有效厚度：δσtσ合理。水压：PT校核：σ合理。3.1.2管箱、封头厚度的计算ti=60℃C1=0.3mm，材质：Q345R，[σ]=189MPa，(厚度3−16mm)[9]，σ管箱：δδ结合GB151-2014中规定，取δ有效厚度：δ在60℃下所受的压力：σσ因此满足要求。水压：P所取材料屈服应力：σs水压校核：σ封头：ti=60℃类型：EHA材质：Q345R。图3.1标准椭圆形封头对于标准椭圆形封头，K=1[10]。δ=取δ=3mmδδ结合GB151-2014中相关规定，取δ有效厚度：δ在60℃、0.5MPa下所受的压力：σσ因此合理。水压：Pσs水压校核：σ表3.1封头的数据公称直径厚度直边高度曲面高度总深度内表面积容积质量DN/mmδhhH/mmA/V/m/kg35062587.5112.50.160.0087.63.2管板设计不考虑介质的腐蚀性。材质：16MnⅡ。图3.2固定管板兼做法兰e型连接；管板与壳程筒体通过焊接连为整体，延长的部分兼做法兰，用垫片、螺柱和管箱连接固定。管板尺寸参照设备法兰尺寸，见表3.2表3.2DN350管板尺寸公称直径法兰，mm螺柱DDDDDCd数量规格3504904504154054022816M203.3设备法兰与垫片的选取据Pt=0.5MPa法兰：选NB/T47023-2012，密封面形式：MFM垫片规格：350−1.0XB350，Φ404/Φ360，δ=3mm，HG/T20606-2009，石棉橡胶板垫片管箱法兰一般作为凹面，管板就是凸面。表3.3长颈对焊法兰参数表公称直径DN法兰DDDD350490450415405表3.3长颈对焊法兰参数表（续）法兰螺柱Dδd规格数量4023223M20163.4换热管3.4.1换热管的排列布管限定圆DL：式中：Dib最短距离，图3.3换热管与管板的连接示意图DL3.4.2管孔尺寸外径d=25mm，管孔直径为25.3mm。上、下允许偏差满足±0.10。3.5进出口接管的设计3.5.1接管尺寸1）壳程：取流速为1.0m/s，则内径为：d=4V取标准管径为DN125，∅133×6mm。2）管程：取流速为1.5m/s，则内径为：d=取标准管径为DN100，∅108×4mm。3.5.2接管的外伸长度查HG/T20583-2011，由于不需要设置保温层，因此管程接管外伸长度为150mm，壳程接管外伸长度为150mm。3.5.3排气、排液管为提高传热效率，回收工作残液（气）及凝液，凡是不能借助其他接管排气或排液的换热器，在其壳程或管程的最高点、最低点，分别设置排液、排气接管。排气口和排液口的尺寸一般不小于Φ15mm。选取Φ25×2mm接管，在有管箱处设置管程排液口。图3.4排气、排液接管结构3.5.4接管最小位置的确定3.5.4.1壳程接管的最小距离接管靠近两端管板，见图3.5（a）不带补强圈：L1式中：b——管板厚度，mm；LC焊缝之间的距离：C≥3δ=3×8=24mm，且不小于50−100mm，所以取C=50mm；dDL取L1壳程排液接管和排气接管对齐。图3.5（a）壳程接管位置3.5.4.2管箱接管的最小距离管箱接管靠近管箱法兰。可按下式计算：不带补强圈：L2式中：ℎLdDL2≥d图3.5（b）管箱接管位置3.5.5接管法兰的形式选择WN钢制管法兰[11]，突面形式密封；选自HG/T20592-2009；材质：Q345R。3.5.5.1结构尺寸DN125mm筒体管法兰参数如表3.4；DN100mm管箱管法兰参数如表3.5。表3.4筒体管法兰参数DN/mmD/mmK/mmL/mmT12525021018M16表3.4筒体管法兰参数（续）n/数目C/mmAN/mmH/mm82213315655表3.5管箱管法兰参数DN/mmD/mmK/mmL/mmT10022018018M16表3.5管箱管法兰参数（续）n/数目C/mmAN/mmH/mm822108131523.5.5.2结构形式如图3.6所示图3.6带颈对焊钢制法兰3.6折流板3.6.1折流板尺寸的缺口高度h=100mm3.6.2折流板最小厚度查GB/T151-2014表6-31，取折流板最小厚度为4mm。3.6.3折流板和折流板孔径换热管选用Ⅰ级管束，折流板管孔直径及运行偏差应符合图3.6。图3.7Ⅰ级管束及允许偏差3.6.4折流板直径及允许偏差表3.6折流板或支持板外径及允许偏差公称直径＜400400～＜500名义直径DN−2.5DN−3.5外直径允许偏差0−0.5表3.6折流板或支持板外径及允许偏差（续）公称直径500～＜900900～＜1300名义直径DN−4.5DN−6外直径允许偏差0−0.83.6.4折流板的布置靠近管板的折流板与管板间的距离可按下式计算：l=L1式中：取折流板与管板间距离210mm，当壳程介质为液体时，折流板应水平布置，并在折流板最低处开通液口，还可在折流板最高处开通气口。3.7设置分程隔板[12]根据GB151-2014表7-3确定分程隔板厚度为10mm，分程隔板如图3.8。图3.8分程隔板分程隔板的材料选择低合金钢Q345R，为了排出分程隔板上面管箱的残液，需要在隔板上开个Φ6mm的排液孔。3.8拉杆与定距管设计由于换热管外径≥19mm，选用拉杆定距管结构。材质：拉杆：Q345R；定距管：20。图3.9拉杆定距管结构3.8.1拉杆的尺寸根据GB151-2014选取合理的拉杆尺寸。图3.9拉杆连接尺寸表3.7拉杆的尺寸拉杆直径d拉杆螺纹管程直径L101013121215161620表3.7拉杆的尺寸（续）拉杆直径dLb10≥401.512≥502.016≥602.03.8.2拉杆的直径和数量拉杆的直径和数量按下面表3.8和表3.9选用。表3.8拉杆直径选用表换热管外径d10≤d≤1414＜d＜25拉杆直径1012表3.8拉杆直径选用表（续）换热管外径d25≤d≤57拉杆直径16表3.9拉杆数量选用表公称直径DNmm拉杆直径d＜400≥400～＜700104612441644表3.9拉杆数量选用表（续）公称直径DNmm拉杆直径d≥700～＜900≥900～＜1300101012128101666拉杆规格：Ф16mm，4根，均匀布置在换热管束的外边缘。3.8.3确定定距管尺寸Ф25×2.5mm；其长度，则按实际需要确定。3.9鞍座选用[13]根据JB/T4712.1-2007容器支座，选取BI350−SF，Q235−B表3.10鞍座尺寸参数公称直径/DN允许载荷Q/kN鞍座高度h底板腹板lbδδ3505520033012088表3.10鞍座尺寸参数（续）筋板垫板螺栓间距bδ弧长bδel968420200648230安装尺寸如图所示：图3.10鞍座尺寸LB=0.6L=0.6×4500=2700mm，则4强度校核4.1接管开孔补强4.1.1壳程开孔补强规格：∅133×6mm，材质：Q235B，材料许用应力[σ]=113MPa，C2δ=PδA=δd+2δδd=dfd=123.6mm＜0.5满足等面积补强法。A=δd+2δA.有效补强范围宽度B=2d=2×123.6=247.2mm（4.4）B=d+2δ取其中较大者，故取B=247.2mm。B.有效补强范围高度外侧有效高度：ℎ1=dℎ取其中较小者，故可取ℎ内侧有效高度：ℎℎ取其中较小者，故可取ℎ2Ae=式中：AA3A1==522.5A2=2×27.23=132A3=2×1因为Ae4.1.2管箱接管的校核规格：∅108×4mm，材质：Q235B，材料许用应力[σ]=113MPa，C2δ=δd=d=98.6mm＜0.5满足条件。A=δd+2δA.有效补强范围宽度B=2d=2×98.6=197.2mmB=d+2取其中较大者，故取B=197.2mm。B.有效补强范围高度外侧有效高度：ℎℎ取其中较小者；故可取h内侧有效高度：ℎ2ℎ故可取h2A==413.5=2×24.3×=131因为Ae4.2设计膨胀节4.2.1膨胀节类型类型较多，Ω形膨胀节、波形、平板。在实际生产中，应用的最多也最普遍的是波形膨胀节。4.2.2膨胀节计算4.2.2.1管子拉脱力拉脱力是管子在受胀接时平均每平方米周边所受到的力，本次采用的是焊接的方法，有相关的数据实验指出，拉脱力不能引起接头被破坏，所以拉脱力不需要计算。4.2.2.2膨胀节设置条件σs=F1满足四个条件之一，则要设置膨胀节：σsσtσs管子拉脱力q>qF1是由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，NF1=F2是由于管程和壳程压力作用于壳体上的轴向力，N；

其中Q=πF3是由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，NF3α=12.05×10−6℃−1换热管物性常数如下：α=11.53×10−6℃−1AtAsFQ===0.9×10Fσσσst=189MPa，2∅2不必设置膨胀节。4.3管板强度校核4.3.1受压元件材料和数据查阅资料，管板：σr壳程圆筒：σct=189MPa，管箱圆筒：E换热管设计温度取50℃σtt=147MPa（δ≤16mm）；屈服强度EEtm=199500螺柱：35钢，室温和设计温度下的许用应力分别为σb=2284.3.2校核管板A）已知a=32mm，B）求值a、A、求截面积关于一根换热管：a=πδt壳体横截面积：A=π中径横截面积：As在管板挖孔后剩余的面积：A1已知管板的厚度是28mm，超出管板的厚度约3mm两管板间距离：L=L管束模数：Ktλ=A壳体不带膨胀节，换热管束与圆筒刚度比：Q=Eβ=na∑s∑t=0.4×=4.122换热管受压失稳当量长度按GB/T151-2014图7-2确定取：lcr系数：Cr换热管回转半径：i=0.25=8.004系数：lC换热管稳定许用应力：σcr沿隔板槽一侧的管根数n'S管板分程处面积：A=9×3×44×32−管板布管区当量直径：Dt式中：A管板计算半径：R=管板布管区当量直径与壳程圆筒内径之比：ρtC）垫片计算对于其延长部分兼做法兰的管板，计算Mm，按GB150.3-2011第7章确定Mp，取垫片接触面宽度：N=404−360垫片基本密封宽度：bobob=2.53b按GB150.3-2011中7.5.1.3b规定，垫片压紧力作用中心圆直径：DG按GB150.3-2011中表7-4：垫片压紧力臂：LG按GB150.3-2011中表7-2，垫片系数m=2，比压力y=11MPa不同状态最小螺柱载荷：预紧：Wa操作：W=0.785×=78541.8N不同状态最小螺柱面积：预紧：Aa=操作：ApAm基本法兰力矩：Mm内压引起的轴向力：FD求径向距离从螺柱中心部分至FDLD法兰垫片压紧力：FG内压引起的总轴向力F与FD只差FFT求径向距离从螺柱中心部分至FTLT在管程压力下的法兰力矩：Mp==2.95×系数Y按GB150.3-2011，K=DfD）先估算一个管板厚度δ，计算δ假设管板名义厚度δ壳程侧管板结构开槽深度3mm管程分程隔板槽深度4mm有效厚度：δ=管板名义厚度−管程分程隔板槽深度−壳程侧管板结构开槽深度=28−4−3=21mm法兰宽度：b管板延长部分兼做法兰厚度：δ管板刚度削弱系数：η=0.4换热管加强系数：K==1.138×35022管板周边不布管区无量钢宽度：k=K1−k＜1.0，且壳程圆筒壳常数：k管箱法兰采用长颈对焊法兰时，取δℎ颈部大小端厚度平均值δ管箱圆筒壳常数：kw'=4.4=4.4×0.04×350×=14.1×=4.4×0.024×350×=17.5×壳体法兰与壳程圆筒的旋转刚度参数：Kf'==管箱圆筒与管箱法兰的旋转刚度参数：K=旋转刚度参数：K旋转刚度无量纲参数：KfE）按K和Kf查管板系数查GB/T151-2014图7-12得m查GB/T151-2014图7-13得Gψ=m1F）查m按K和Qex查GB/T151-2014图7-14a得G）计算M对于其延长部分兼做法兰的管板，由GB/T151-2014图7-15按K和Qex查GM1=按GB/T151-2014图7-15a得G3法兰力矩折减系数：ξ=K管板边缘力矩变化系数：∆M法兰力矩变化系数：∆MH）计算换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差γ和系数c假设换热器的设计温度tγ=αt=11.53×=−6.4×由于2<K<4，即c=0.0834ccI）按6种工况计算：单独作用，不计入膨胀变形差只有Ps，而γ=0，γβEtm当量组合压力：Pc有效组合压力：Pa基本法兰力矩系数：Mm管板边缘力矩系数：M=管板边缘剪切系数：ν=ψM管板周边总弯矩系数：m=m管板边缘弯矩折减系数：ξb=0.6734管板布管区周边的径向弯矩系数：frb=查GB/T151-2014图17-6b，f当0.3≤m＜0.9时，管板径向弯矩系数f得到f管板最大径向应力系数：G1=壳体法兰力矩系数：M=0.39×0.045−0.2142×0.0097=0.015（4.73）管板径向压力系数：σr管板布管区周边剪切应力系数：τp=管板最大径向应力：σ=86.31MPa（4.76）σr<1.5管板布管区周边剪切应力：τp=τp<0.5壳程圆筒轴向压力：σ==12.88MPa（4.78）σc<ϕ壳体法兰应力：σ==86.19MPa（4.79）σf'换热管轴向应力：σ==−0.04MPa（4.80）|σt|=0.04MPa<连接形式：强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力q：q=σtq≤q只有Pt，Pγ=0，γβEtmPcPMMν=ψm=查GB/T151，f由于−3≤m≤0.3，GMστσσr<1.5ττp<0.5σσc<ϕσσf'σ==12.4MPa|σt|<连接形式：强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力：q=q≤q单独作用，计入膨胀变形差只有Ps，PPPP=2.958×1.25−0−6.4×=−21.9MMν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.36f查GB/T151，f当0.3≤m＜0.9时，f由此知fG=−0.39×0.0076−0.2142×0.0097=−0.005στ=157.2MPaσr<3τ=−40.36MPaτp<1.5σσc<3ϕσσf'σ|σt|<3强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力q：q=q≤q只有Pt，PPcP=0−0.5×4.122−6.4×=−27.5MMν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.398f查GB/T151，f当0.3≤m＜0.9时，管板径向弯矩系数f由此知f管板最大径向应力系数：GMστσσr<3ττp<1.5σσc<3ϕσσf'σ|σt|<3强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力q：q=q≤q二者共同作用Pt、Pγ=0，γβPcPMMfr取绝对值大的，ν取该结果中的值；MⅠ）：壳程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.76f当m≥0.9时，fMⅡ）：管程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.72f当m≥0.9时，fM因此frfν=0.595MGστσσr<1.5ττp<0.5σσc<ϕσσf'σ|σt|<强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力q：q=q≤qPt、PPcPMMⅠ）：壳程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.365f查GB/T151，f当0.3≤m＜0.9时，fMⅡ）：管程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=−0.26f查GB/T151，当−3≤m＜0.3时，fM因此知frfν=−0.028MGστσσr<3ττp<1.5σσc<3ϕσ=185MPaσf'σ|σt|<3强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力q：q=q≤q4.4计算总重量4.4.1容器自重容器总重量主要由封头、管箱筒体、壳程筒体、管板、设备法兰、折流板、换热管定距管、拉杆、接管法兰等部分组成封头的质量m管箱筒体质量：

m=31.6kg壳程筒体质量：m管板挖孔后的质量：m折流板质量m查询得知，设备法兰的质量：m=2