单壳程双管程管壳式换热器设计.docx

本 科 生 通 用 题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式） 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（MPa）1.10.7工作温度（）16590设计温度（）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要求:要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能力，在设计过程中必须做到：（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：1.准备阶段（1天）2.设计计算阶段（3天）3.绘图阶段（4天）4.编写设计说明书（2天） 目 录1.绪论12 设计计算22.1管子数n的计算22.2管子排列方式，管间距的确定22.3壳体直径的确定22.4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42.9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93 设计评述104.参考文献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2 设计计算2.1管子数n的计算选25 2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m。因为F=d均Ln ，所以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=32mm。管子排列方式如右图：2.3壳体直径的确定 Di=a(b-1)+2l式中 Di换热器内径，mm b正六角形对角线上的管子数，查表6-4，取b=13 l最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d.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Di=500mm2.4壳体厚度的计算pc计算压力，取pc=0.8MPa；Di=500mm; 焊接系数=0.85;材料选用Q235-B钢，95=113Mpa。计算壁厚为取 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 故：Q235-B在常温时, 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(mm)500125 404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(mm)500125 504查过程设备机械设计P106标2 JB/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JB47012000标准，选用DN500，PN1.6(MPa)的甲型平密封面法兰。DN25(100)PN4MPa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DD1D2D3D4d规格数量5006305905555455424423M2028其密封面结构如下图所示：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/T47041992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di垫片外径D0垫片厚度t50050454432.10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(/)11.810-611.810-6E(MPa)0.211060.21106尺寸252.5 15005004管子数127根管间距32mm管壳壁温差/T=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qp 式中p=1.1(MPa)； l=40mmB.温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力 式中 则 由已知条件可知，qp与qt的作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为 qq=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：压力作用于壳体上的轴向力：其中 则压力作用于管子上的轴向力：根据钢制管壳式换热器设计规定： qq=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 实际应用中，单弓形折流板间距B=(0.2-1.0)Di ，以0.40.5最优。取B=0.5Di =250mm。折流板数折流板最小厚度与壳体直径、换管无支承板有关，由书中表66查得为3mm。由表68查得折流板外径496.5mm,材料为Q235B钢。按GB151规定，I级换热器由于d900mm,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10，共6根，材料为Q235B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 /mm/mm1061013401.5选用定距管规格为252.5(碳钢20)，共6根。 拉杆孔见上图：dn=10mm, L2=1.5dn=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Q235B钢板。开孔补强如下图。2.15支座采用裙座，裙座厚度取Sc=8mm,基础环厚度取10mm。设计结果，见所绘的换热器装配图。3 设计评述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/Di）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0.5Di。 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1.机械设计基础. 刘泽深. 中国建筑工业出版社2.化工设备机械基础. 赵军. 化学工业出版社3.机械设计基础课程设计. 刘泽深. 中国建筑工业出版社4.简明机械零件设计手册. 朱龙根. 机械工业出版社5.机械设计课程设计手册. 龚桂义. 高等教育出版社6.化工制图. 熊洁羽. 化学工业出版社7.化工设备与仪表自动化. 唐洪波，马冰洁.沈阳工业大学8.化工原理课程设计. 贾绍义，柴诚敬. 天津大学出版社9.过程设备机械设计. 潘红良，郝俊文. 华东理工大学出版社10.换热器设计手册. T.Kuppan. 化学工业出版社11.化工装置实用工艺设计. E.E. 路德维德. 化学工业出版社12.化工单元过程及设备课程设计.匡国柱，史启才.化学工业出版社 附:设计结果一览表换热管数121管子规格252.5 1500排列方式正三角形管间距/mm32壳体直径/mm500壳体壁厚/mm4.0分程隔板厚度/mm8分程槽宽/mm12封头规格DN5004，PN1.6曲面高度125 mm上封头直边高度/mm40下封头直边高度/mm50容器法兰：甲型平焊平密封面DN500，PN1.6法兰内径/mm510法兰外径/mm630螺栓孔中心圆直径/mm590螺栓孔直径/mm23法兰厚度/mm44密封面厚度/mm3法兰质量/kg36.8螺柱规格M20螺柱数量28接管伸出长度/mm150管板不兼做法兰管板厚度/mm30石棉橡胶垫片垫片公称直径/mm500垫片内径/mm504垫片外径/mm544垫片厚度/mm3温差应力管壳壁轴向力/N9.06105管子轴向力/N1.065105壳体轴向力/N0.315105拉脱力/Mpa2.05单弓形折流板切缺率/%20折流板间距/mm250折流板外径/mm496.5管孔孔直径/mm25.4折流板最小厚度/mm3折流板形式上下拉杆：拉杆定距管结构拉杆数6螺纹公称直径/mm10拉杆孔L2/mm15拉杆直径/mm10定距管数6定距管规格252.5M10螺母厚度/mm17.77M10最大直径/mm8.4裙座厚度/mm8裙座基础环厚/mm10