固定管板式换热器设计说明书[1].doc

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固定管板式换热器课程设计
目录
固定管板式换热器课程设计---———--——————-————-—---———-——---——---———----—-—--——-1
前言—--------—-—--——--—---—---—-———-——------—----————-—--—-—-———-—--—--—---————--—-—--—2
设计计算---—-—-——-——-—---—-—--————----——-——----———-——------———-—-——--—-———--———---—-—3
1、工艺条件--——---————-——--———---—-—--——-———-—-——--—-—-—3
2、计算——---———--——-—-—-—-—---—-—-—-——-—-———-———-—-—--—---—-—-——--———-——-—-—-—-—3
（1)管子数n-——-———-——--—--——-—-—-—-—-—-—-——--—————---————------——---—-—-3
（2）管间距的确定—-—--—-—--—————---—--—---—————---—--—-—--—----—-————-—3
(3）换热器壳体直径的确定---———-——--——--———-—-——-———---——----—--—--4
(4）换热器壳体壁厚的计算-————----------———---————---———-—-—--—-——-4
(5)换热器封头选择—--—-—-——---—---—-—---—---—---—————-—-————--——---——4
(6)容器法兰的选择———--——---———--—-———--——--———-—-————-----—--——-——--5
(7）液压试验校核-——--———-—-——--——-———--—---———---—------—---—-——-———-—5
（8）管板尺寸的确定—--—-—---——————----——---———---—-———--——-——--——---—-6
(9）管子拉脱力计算--—--——--——-—-———-——-—-—---—-———---——---———------——6
(10）计算是否安装膨胀节—-———---—--——-———-—---—-——--——-—-——----—-—-—7
（11）折流板设计——-—---———---—-—————--—-——-——-—-—————--——-——-—-—--—-———-7
（12)接管法兰的选取--——————---—--—-—----—-—————---—-8
（13）开孔补强——-——-——-——--—--——-—-——-———--————-———————-—----——-—--—-——--9
(14）拉杆和定距管的选取——-—------—--——--—--——-—-————--—-—-—-—-—-—--9
（15)管箱--—-—-——-———-—--—-—--———--—-———--—--——-—--——------—-———————-—-—--9
（16）选择换热器支座并核算承载能力-——-—----———--—————9
（17)壳程接管-——-———---——-—-———--—-—---——--———————--———---———————————-—11
技术要求--——--—----——---———---—---—--------——-——-----—--—-——--—--—-—---13
安装制造————---————-—--—--—-—-—-————-——-—-——-——-——--—----—-———--————-——13
参考文献----———--—---——-——--—------————-————-—---————--——————--—-——-—-—16

前言
换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置,性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。
换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同.其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。
固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱(又称顶盖或封头)和后端结构等部件组成.管束安装在壳体内,两端固定在管板上。管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等.一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生,要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。

序
号
计算及说明
结
果

一、换热器管设计计算

1、工艺条件
组别
C
名称
管程
壳程
物料名称
冷却水
甲醇
工作压力
0.45MPa
0.05MPa
操
温度
40 ℃
70 ℃
推荐钢材
20, 16MnR
壳体内径
1000
换热面积
135 m 2
管长φ=25mm
3m

2、计算
(1)管子数n
选的无缝钢管，材质20号钢，管长3m。
因为

所以
=573.25（根） 取整数573
采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑,在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好,但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况,其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错 列,用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合.由表7-4查得层数为13，因安排拉杆要减少6根，所以实际管数567根。
(2)管间距的确定
由表7—5,取管间距.
(3)换热器壳体直径的确定

式中 ——换热器内径，mm；
——正六角形对角线上的管子数，查表7—4，取b=27；
——最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取。
故
=32×（27-1）＋2×2×25=932mm
圆整后取壳体内径
(4）换热器壳体壁厚的计算
材料选用16MnR钢，计算壁厚为

式中 —-计算压力，取
，。

故

因为，所以取。
腐蚀裕量C2 =1。0 mm，查表4-9得C1= 0.8mm。
圆整后取δ=6mm.
(5)换热器封头选择
左右封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T 4746—2002标准，封头为DN1000×6,曲面高度，直边高度h=25mm，如图2-1所示,材料选用16MnR钢
封头校核
选用的为标准椭圆形封头根据加工和制造即K取 1
椭圆形风头的最大允许工作压力

=0。76＞P=0.495Mpa
即封头满足要求
(6)容器法兰的选择
材料选用16MnR。根据JB/T 4701—2000标准，选用，PN1.0Mpa的凹凸密封面甲型平焊法兰。法兰尺寸如图2-2所示.

3．查出相应尺寸
法兰外径 D=1040mm
螺栓孔中心直径 D1 =1100 mm
凹面密封面外径 D=1065mm
凹面密封面内径 D=1055mm
凸面密封面外径 D=1052mm
法兰盘厚度 =62mm
短节高 H=260mm
短节厚度 =12mm
螺栓孔直径 a=23mm

（7）液压试验校核
液压试验时的压力为：

=1。25×0。0525×150／150
=0.066Mpa
圆筒应力校核,由于容器承受的压力高于设计压力,为了防止容器产生过大的应力,要求在试验压力下圆筒产生的最大应力不超过圆筒材料在试验温度下屈服点的90%，即

=（0。066+0）（1000+4。2）／2×4.2
=7.89Mpa
在试验压力下应满足下列条件则为合格

查表得=0.9×345×0.85=263.92Mpa
即所以液压试验的应力校核满足要求。
（8)管板尺寸的确定
选用固定式换热器管板，并兼作法兰，材料选用16MnR，尺寸如图2—3所示。
DN1000, D1140, D11100, D21065, D3997, D41052, D51000
d223， 规格M20, 数量40，bf 44,b 54
胀接是的最少胀接长度取下列三者最少
a. 管板的名义厚度减少3mm
b. 50mm
c. 两倍的的换热管直径mm.
综上所述，胀接长度取50mm
管板兼作法兰：此结构对胀接或焊接接口进行检查和修理.以及清洗管子都比较方便。
(9)管子拉脱力计算
计算数据按表1选取。
表1
项目 管子 壳体
操作压力/MPa 0.45 0。05
材质 20钢 20R
线膨胀系数/(1/℃）
弹性模量/MPa
许用应力/ MPa 130 133
尺寸/mm
管子根数 567
管间距/mm 32
管壳壁温差/℃
管子与管板的连接方式 普通胀接
胀接长度/mm l=50
许用拉脱力/ MPa 2.0

j在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力

其中

,l=50mm
MPa
k温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力

其中
)

则

由已知条件可知，与的作用方向相同，都使管子受压则管子的拉脱力：
q==0.602MPa〈[q]=4.0［MPa］
因此，拉脱力在许用范围内。
（10)计算是否安装膨胀节
管、壳壁温差所产生的轴向力:

压力作用于壳上的轴向力:

其中

=N
则

压力作用于管子上的轴向力:

则

根据GB 151—1999《管壳式换热器》

q〈[q］=4。0［MPa]
条件成立，故本换热器不必安装膨胀节。
（11)折流板设计
折流板为弓形,

折流板间距取600mm;由表7—7查得折流板最小厚度为6mm，由表7—9查得折流板外径为995.5mm，折流板开孔直径25。4，折流板数目为N=（3000/600）-1=4材料为16MnR，如图2-4所示。
拉杆选用，共6根,材料为16MnR。
（12）接管法兰的选取
根据工艺要求对换热器开两个进口,两个出口和一个排污口，大小型号一致,接管材料为20R,接管的外径为 mm

1． 确定管法兰的公称直径
因管子的外径为159mm,查表［3］1—34 得公称直径为150mm

2. 确定管法兰的公称压力
根据管道的设计压力不得高于设计温度下管法兰的最大允许工作压力的原则，选择法兰材料为20R

3. 选择管法兰及密封的形式
根据法兰的公称直径和公称压力可知合适的法兰为带颈平焊法兰、合适的密封面形式为凹凸面.

4．查取相关尺寸
法兰的连接尺寸与特征尺寸如下

法兰外径 D=285mm
螺栓孔中心圆直径 K=240mm
螺栓孔直径 L=22mm
螺纹公称直径
螺栓孔数量 n=8

5. 法兰标记
HG20594-1997 法兰 SO150-4 MFM150—4

1． 垫片选用非金属MFM型垫片
标记为
HG20606-1997 MFM150-4
垫片内径
垫片外径
垫片厚度
（13)开孔补强
换热器壳体和封头上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壁材料和厚度都相同，即6.0mm厚的16MnR钢板。其补强结构如图2—5所示。
（14）拉杆和定距管的选取
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20号钢.外径为ø25。
拉杆的连接尺寸
拉杆直径d
拉杆螺纹公称直径dn
La
Lb
b
16
16
20
≥60
2.0
(15）管箱
由于壳层为甲醇，较清洁，可选结构为封头管箱，结构如图2-5所示。
（16)选择换热器支座并核算承载能力
固定管板式换热器选用鞍式支座(JB/T4712-1992）按照壳体公称直径DN=1000选用A型（轻型)带加强垫板的鞍座一对（其中F型和S型各一个），支座高度H=200mm，标记为:
JB/T4712—1992鞍座A1000—F
JB/T4712-1992鞍座A1000—S
壳体总重包括筒体内的料重、水压试验的水重、筒体、封头、换热管重量和附件的重量。
根据《化工设备概论课程设计指导书》查附录1，可查得:公称直径的DN=1000mm的筒体每立方米的容积VT=0.785m3；查附录2，可查得：公称直径为1000mm的椭圆形封头的容积Vf=0。163 m3.
由上换热器的容积为:V=VT+Vf=0.785×8。578+0.163×2=6。9985 m3
水压试验是筒体内的水重W1=1000㎏
查附录1，可查得:公称直径DN=1000mm,壁厚=6mm的筒体每立方长的重量为199㎏；查附录3，可查得：封头的重量为74。1㎏。可算出壳体重量为：W2=199×8.5+74。1×2=1839.7㎏
由附表10,可查得:人孔的重量为210㎏，估计其他附件的重量为800㎏，故总计附件的重量为W3=1010㎏。
换热器的总重量W总=WI+W2+W3=1000+1839。7+1010=3909。7㎏，其总重Q为390.97KN。
根据《化工设备机械基础》由表13—4，可查得:鞍座的允许载荷=307KN〉Q/2,所以鞍座的承载能力足够。
综上所诉所选择的鞍座的标记为：
JB/T 4712—1992，鞍座 BV1000—F,h=200mm，=8mm.
鞍座结构尺寸
表3-3 鞍座结构尺寸
公称直径 DN
允许载荷Q/KN
鞍座高度h
底板
腹板
筋板
垫板
螺栓间距

鞍座质量/Kg

1000
307
200
760
170
12
8
170
140
180
8
270
8
40
600
57

（17）壳程接管
壳层接管在入口处加以扩大,做成喇叭形,起缓冲效果，或者在换热器进口处设置挡板.
图2—1 换热器封头
图2-2容器法兰

图2-3管板

图2—4折流板
图2-5封头管箱结构

图2—6 鞍式支座主视结构

技术要求
本设备按GB151—1999《管壳式换热器》进行制造，检验和验收，并接受《压力容器安全技术监察规程》的监督.
受压元件材料必须具备保证书，主要受压元件材料按“容规”要求复检。
焊接采用电弧焊，按JB/4709-2000标准的规定进行，焊接材料：手工焊选用焊条E5015，埋弧焊选用焊丝H10Mn2,焊剂350。
A、B类对接焊缝采用双面焊，焊接接头型式和尺寸出土中注明外,按GB985—986—88中的规定，角焊缝腰高安较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰的标准,接管端部打磨圆，圆角半径R3～5，支座、垫板四角制成R25的圆角。
壳体对接焊缝进行100％X射线检测，符合JB4703—94标准Ⅱ级合，接管及其他构件与壳体内外表面焊接的角焊缝，打磨后进行磁粉探伤检查，Ⅰ级为合格。
对于换热管:标准长度为1。5m，其壁厚为2㎜。当换热管壁厚小于或等于2。5㎜时,与换热管的直径急壁厚相差应补超过15%；当换热管壁厚大于2.5㎜时，评定用管壁厚应大于2。5㎜；
钢管管端应除锈.钛管管端应清楚附着物急氧化层,清理长度应比试板厚度大5㎜，且不小于25㎜.
管板密封面与壳体轴线垂直,其公差为1㎜。
设备制成后,进行整体消应力热处理。
液压试验，因管层与壳层的压力相同，所以管层与壳层分别以0。55MPde压力进行水压试验，合格以后以空气进行气密性试验。无泄漏为合格。
管口及支座方位按图.
安装制造
5.1 换热器制造
5。1。1 筒体
换热器筒体的圆度要求较高，必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙.如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制,其外周长允许上偏差10mm；下偏差为0。
5.1.2 封头和管箱
封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工.
5。1.3 换热管
直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度.当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度.同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条;U型管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。
换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为±2mm；管子与管板应垂直;拉感应牢靠固定;定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。
5.1。4 折流板
由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。
为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头。
5.1。5 管板
管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。
拼接管板的对接接头应进行100％射线或超声检测，按JB4730—94进行表面检测，检测结果不低于Ⅲ级，或超声检测中的Ⅰ级为合格。
换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除.
管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值≤25µm.
5。2 换热器安装
1。安装位置：根据该换热器的结构形式,在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。
2.基础:必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。
3。地脚螺栓和垫铁
（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1～3mm的间隙。
（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。
（3)垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。

碳素钢20

n=567根
选正三角形排列

a=32mm

D=1000mm

.

δ=6mm

L=50mm

As=18953。04

At=100146。375

=67。8MPa
=—10。9MPa

h=750mm
δ=6mm

DN=150mm

参考文献
［1］向寓华主编 《化工容器与设备》 高等教育出版社
[2]GB151-1999 《管壳式换热器》
［3］王明辉主编《化工单元过程课程设计》化学工业出版社
［4]刁玉玮 王立业主编《化工设备机械基础》大连理工大学
出版社
[5］朱有庭.化工设备设计手册[M］。化学工业出版社，2005.6
[6］王菲， 林英.过程设备用钢［M］。 北京： 化学工业出版社。
［7］田锡唐．焊接结构．机械工业出版社
[8]中国机械工程学会焊接学会编．焊接手册.第二版．2001
[9]丁伯民，蔡仁良．压力容器设计－原理及工程应用．中国
石化出版社．1992
［10]吴英华，俞家梁．容器设计．中国轻工业出版社．1995