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1、固定管板式换热器 设计说明书【毕业设计（论文）】-好 摘 要固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构也是目前应用比较广泛的一种换热器这类换热器具有结构简单紧凑可靠性高适应性广的特点并且生产成本低选用的材料范围广换热表面的清洗比较方便固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度因此在高温高压和大型换热器中其占有绝对优势本次设计的题目是乙二醇塔底进料换热器的设计课题预期达到的目标为换热器面积的计算实际换热面积926mm2管程壳程压力降的计算小于等于04MPa工艺结构尺寸的计算管程数1管程换热管的确定内径19mm 数量500根壳体内径600mm壳程数1壳程的计算折流板的选型形式弓形折流板数量13等
2、 换热器的强度计算对筒体管箱厚度的计算和校核对壳体及管箱各处开孔补强对延长部分兼做法兰的计算及强度核算经水压试验压力校核后显示结果全部合格换热器的结构设计折流板法兰甲型平焊法兰换热管支座鞍式支座垫片石棉橡胶板垫片的规格及选型完善设计图纸及设计说明书关键词换热器工艺结构强度AbstractFixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger This type of heat exchanger h
3、as the characteristics of a simple structure compact high reliability and wide adaptability and low cost of the production wide choice of used materials more convenient of cleaning heat exchanger the surface Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature
4、 so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and largeThis design topic is naphtha condenser design the goal which the topic anticipated achievedThe craft design of heat exchangerthe heat transfer area computation actual heat transfer area
5、3222mm2 tube side pressure drop computation 04MPa the craft structure size computationnumber of tube passes 2 tube passes the number of heat exchange tube inside diameter19mmnumber900 the inside diameter of shell 1000mm number of shell passes 1 shell passes the lectotype of baffle board formsegmenta
6、l bafflenumber13 etcThe strength calculation of heat exchangerthe computation and check of cylinder thinckness and channel thincknessthe shell and the reinforcement for opening supplements the intensitythe extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation Exa
7、minatation part carried on the hydraulic pressure test the pressure examination and so on in which all results has been all qualifiedThe structural design of the heat exchangerThe specification and lectotype of baffle plateflange type A manhole weded flange heat exchange tubesuppot saddle support ga
8、sket paronite gasket Consummates the design paper and the design instruction bookletKeywords heat exchanger craftstructure intensity目 录摘 要IAbstractII第1章 引言111 换热器的用途112换热器的分类113 换热器的发展趋势1第2章 固定管板式换热器的工艺计算321 估算换热面积3com 选择换热器的类型3com 流程安排3com 确定物性数据3com 估算传热面积422 工艺结构尺寸5com 管径和管内流速5com 管程数和传热管数5com 传热
9、管排列和分程方法7com 壳体内径8com 折流板8com件9com 接管923 换热器核算10com 热流量核算10com 壁温核算13com 换热器内流体的流动阻力1524 换热器的主要结构尺寸和计算结果17第3章 强度计算1931 筒体壁厚计算1932 管箱短节封头厚度的计算20com 管箱短节厚度的计算20com 封头厚度的计算2033 管箱短节开孔补强的校核2134壳体接管开孔补强校核2235 管板设计及校核23com 管板计算的有关参数的确定23com 计算法兰力矩27com计算的相关参数27com 确定和29com 对于其延长部分兼作法兰的管板计算29com 设计条件不同的组合工
10、况30第4章 结构设计3641折流挡板3642 法兰3643 换热管3744 支座3745 压力容器选材原则3846 垫片39第5章 结论40参 考 文 献41致 谢43第1章 引言11 换热器的用途换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备又称热交换器换热器的应用广泛日常生活中取暖用的暖气散热片汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等都是换热器它还广泛应用于化工石油动力和原子能等工业部门1它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度同时也是提高能源利用率的主要设备之一2换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗另
11、一方面用换热器来回收工业余热可以显著提高设备的热效率312换热器的分类换热器的种类划分方法很多方法也各不相同按其用途可将换热器分为加热器冷却器冷凝器蒸发器再沸器45按其传热方式和作用原理可分为混合式换热器蓄热式换热器间壁式换热器等其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器它按传热面形状可分为管式换热器板面式换热器扩展表面换热器等这其中又以管壳式换热器应用最为广泛它通过换热管的管壁进行传热具有结构简单牢固制造简便使用材料范围广可靠程度高等优点是目前应用最为广泛的一种换热器5管壳式换热器的形式管壳式换热器根据其结构的不同可以分为固定管板式换热器浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器釜式重沸器
12、等6813 换热器的发展趋势二十世纪20年代出现板式换热器并应用于食品工业以板代管制成的换热器结构紧凑传热效果好因此陆续发展为多种形式30年代初瑞典首次制成螺旋板换热器912接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器用于飞机发动机的散热30年代末瑞典又制造出第一台板壳式换热器用于纸浆工厂在此期间为了解决强腐蚀性介质的换热问题人们对新型材料制成的换热器开始注意1360年代左右由于空间技术和尖端科学的迅速发展迫切需要各种高效能紧凑型的换热器再加上冲压钎焊和密封等技术的发展换热器制造工艺得到进一步完善从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用此外自60年代开始为了适应高温和高
13、压条件下的换热和节能的需要典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展70年代中期为了强化传热在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器14当前换热器发展的基本趋势是继续提高设备的传热效率促进设备结构的紧凑性加强生产制造成本的标准系列化并在广泛的范围内继续向大型化发展并CDFComptational Fluid Dynamics模型化技术强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系1516板翅式换热器冷箱主要用于乙烯裂解空气分离和天然气液化等我国杭州制氧机集团有限公司杭氧在引进美国S-W公司技术和关键加工设备大型真空钎焊炉基础上生产制造出的乙烯冷箱设计水平和制造能力已基本达到国际先进水平并在燕
14、山扬子上海天津广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用板翅式换热器流道多达15股单体外形尺寸达6m111154m最高设计压力达512Mpa 管壳式换热器具有结构坚固弹性大和使用范围广等独特优点一直被广泛应用尤其在高温高压和大型化的场合下以及制造工艺上的进一步自动化和机械化管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展17第2章 固定管板式换热器的工艺计算21 估算换热面积com 选择换热器的类型两流体温度变化情况热流体进口温度170出口温度140冷流体进口温度70出口温度90因此初步确定选用固定管板式换热器com 流程安排从两物流的操作压力来看应使温度低的走管程温度高的走壳程com 确定物性数据定性温
15、度对于一般气体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流体的定性温度为管程流体的定性温度为根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据在155下的有关物性数据如下密度 138kg定压比热容 1038kJkg热导率 00545Wm粘度 23PasN2在80下的物性数据密度 114kg定压比热容 1038kJkg热导率 0051Wm粘度 21Pascom 估算传热面积1热流量 2-12平均传热温差 2-23传热面积由于壳程的压力较高故可以选取较大的K值假设K 20WK则估算的面积为 2-3 22 工艺结构尺寸com 管径和管内流速换热管的规格包括管径和管长换热管直径越小换热器
16、单位体积的换热面积越大因此对于洁净的流体管径可取小些但对于不洁净或易结垢的流体管径应取得大些以免堵塞本设计选用252较高级冷拔传热管碳钢取管内流速 108mscom 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数19 2-4按单程管计算所需的传热管长度为 2-5 按单程管设计传热管过长宜采用多管程结构我国生产的钢管系列标准中管长有15m2m3m45m6m和9m根据选定的管径和流速现取传热管长则该换热器的管程数为 2-6 传热管总根数 平均温差校正系数按单壳程两管程结构查得平均传热温差 2-7由于平均温差校正系数大于08同时壳程流体流量较大故取单壳程合适com 传热管排列和分程方法管子的排
17、列方式有等边三角形正方形转角正方形三种与正方形相比等边三角形排列比较仅凑管外流体湍动程度高表面传热系数大正方形排列虽然比较松散传热效果也较差但管外清洗比较方便对易结垢流体更为适用若将正方形排列的管束斜转45安装可在一定程度上提高对流传热系数12图2-1 换热管排列方式综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法取管心距 焊接时则 2-8隔板中心到力气最近一排管中心距离 2-9com 壳体内径采用多管程结构取管板利用率则壳体内径为 2-10按卷制壳体的进级档可取mmcom 折流板安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数为取得良好效果挡板的形状和间距必须适当本设计采用弓形折流板弓形缺口太大
18、或太小都会产生死区太大不利于传热太小又增加流体阻力12取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25则切去的圆缺高度为mm则mm 2-11com件根据本换热器壳体的内径故按标准取拉杆直径为拉杆数量4根壳程入口处应设防冲挡板19如下表所得表2-1 拉杆直径表换热管外径d 拉杆直径dn10d14 1014d25 1225d57 16com 接管壳程流体进出口接管取接管内流速为则接管内径为 2-12圆整后可取内径为360mm管程流体进出口接管取接管内液体流速则接管内径为 2-13圆整后取管内径为410mm23 换热器核算com 热流量核算1壳程表面传热系数1819用克恩法计算 2-14当量直径 2-15壳程流
19、通截面积 2-16壳体流体流速及雷诺数分别为 2-17 2-18普朗特数 2-19粘度校正则 2 管内表面传热系数 2-20管程流体流通截面积 2-21管程流体流速普朗特数 2-223污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 碳钢在该条件下的热导率为管壁热阻为 4 传热系数 2-235传热面积裕度计算的传热面积为 2-24该换热器的实际传热面积为 2-25该换热器的面积裕度为 2-26传热面积裕度合适该换热器能够完成生产任务com 壁温核算由于换热管内侧污垢热阻较大会使传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温升高减低了传热管和壳体的壁温之差但在操作初期污垢热阻较小壳体和传热管间壁温差可能较
20、大计算中应按最不利的操作条件考虑因此取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温19 2-27式中液体的平均温度和为 2-28 2-29传热管平均壁温壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度即壳体壁温和传热管壁温之差为由于换热器壳程流体的温差不大壳程压力不高因此选用固定管板式换热器较为适宜com 换热器内流体的流动阻力1管程流体阻力 2-30 2-31传热管对粗糙度查图得流速 Pa Pa 2-32 Pa 管程流体阻力在允许范围之内192壳程阻力 2-33 2-34 2-35 ms Pa 流体流过折流板缺口的阻力 2-36m mPa总阻力Pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高所以壳程流体的阻力也比较适宜24 换
21、热器的主要结构尺寸和计算结果表2-2 物性参数表 参数 管程 壳程流率Kgh 148971 347600进出温度 7090 170140压力MPa 0045 0009 定性温度 80 155密度Kgm 138 114定压比热容KJ KgK 1038 1038粘度cp 0211 023热导率W m 0051 0054普朗特数 442 4设备结构参数壳体内径mm800 壳程数1 管径mm252 材质碳钢管心距mm 25 管数目根449折流板数个2 传热面积176折流板间距mm 2000管程数1 表2-3 计算结果表主要计算结果 管程 壳程流速ms 108 20表面传热系数W 7637 1565污垢
22、热阻hKcal 00002 0000176阻力MPa 00288 0025传热温差K 623面积裕度 179第3章 强度计算31 筒体壁厚计算由工艺设计给定的设计温度155设计压力 11 110099 00099选低合金结构钢板16MnR卷制材料170时的许用应力 170Mpa假设厚度为616mm时12取焊缝系数 085腐蚀裕度C2 2mm则计算厚度 3-1 设计厚度 3-2对于16MnR钢板负偏差因而可取名义厚度有效厚度 3-3水压试验压力 3-4所选材料的屈服应力 水压试验应力校核 3-5水压强度满足要求气密试验压力 32 管箱短节封头厚度的计算com 管箱短节厚度的计算由工艺设计给定设计
23、参数为设计温度60设计压力 11 1104 044选用16MnR钢板材料许用应力 170Mpa屈服强度取焊缝系数12计算厚度 3-6设计厚度 3-7名义厚度 3-8综合考虑结构补强焊接的需要取有效厚度 3-9com 封头厚度的计算壳体封头选用标准椭圆封头计算厚度 3-10名义厚度 3-11为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同有效厚度 压力试验应力校核水压试验压力 3-12 3-1333 管箱短节开孔补强的校核开孔补强采用等面积补强法由工艺设计给定的接管尺寸为考虑实际情况选20号热轧碳素钢管 腐蚀裕度 3-14接管计算壁厚 3-15接管有效壁厚 3-16开孔直径 3-17接管有效补强宽度 3
24、-18接管外侧有效补强高度 3-19需要补强面积 3-20可以作为补强的面积为 3-21 3-22 3-23该接管补强的强度足够不需另设补强结构34壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强选取20号热轧碳素钢管钢管的许用应力接管计算壁厚 3-24接管有效壁厚 3-25开孔直径 3-26接管有效补强宽度 3-27接管外侧有效补强高度 3-28需要补强面积 3-29可以作为补强的面积为 3-30 3-31 3-32无需另设补强结构35 管板设计及校核com 管板计算的有关参数的确定计算壳程圆筒内直径横截面积 3-33 圆筒壳壁金属的横截面积 3-34一根换热管管壁金属的横截面积 3-35 3-3
25、6 两管板间换热管有效长度 估计管板厚度为 3-37 管束模数根据查得 换热管材料为 3-38 管子回转半径 3-39 管子受压失稳当量长度由确定 3-40 取 3-41管子稳定许用压应力根据查得4 3-42 由公式得为 3-43 管板开孔后面积 3-44 管板布管区面积 3-45 管板布管区的当量直径 3-36 系数为 3-37 壳体不带波形膨胀节时换热管束与圆筒刚度比 3-38 系数 3-39 3-40 3-41 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 3-42com 计算法兰力矩根据壳程直径选用甲型平焊法兰直径螺柱选用数量材料为20预紧状态下需要的最小螺栓面积 垫片选用石棉橡胶板垫片公称
26、直径公称压力P 10Mpa垫片型号1400-10JBT4701-2000D 1155mmd 20mm根据表查得系数比压力21com计算的相关参数确定假定管板的计算厚度则换热管的加强系数为 3-43 刚度参数计算及某些系数的确定确定根据 3-44 3-45 3-46 com 确定和由和根据查得 3-47 com 对于其延长部分兼作法兰的管板计算计算 3-48 由和根据查得计算 3-49 3-50 3-51 com 设计条件不同的组合工况壳程压力作用下的危险组合壳程压力 管程压力 不计膨胀 由和根据查得 则取与中较大的值 3-52551管板应力 3-56 3-57 3-58 2壳体法兰应力 3-5
27、9 按 3-60 3管子应力 3-61 4壳程圆筒轴向应力 3-62 5拉脱应力连接形式选用焊接 3-63管程压力作用下的危险组合壳程压力 管程压 不计膨胀差 3-6467由和根据查得 则 3-6871 1管板应力 3-72 3-73 3-74 3-75 2壳体法兰应力 3-76 按 3-77 3管子应力 3-78 4壳程圆筒轴向应力 3-79 5拉脱应力连接形式选用焊接 3-80计算结果表明进行的管板设计合格第4章 结构设计 41折流挡板安装折流挡板的目的是为提高管外对流传热系数为取得良好效果挡板的形状和间距必须适当对常用的圆缺型挡板弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响弓形缺口太大或
28、太小都会产生死区太大不利于传热太小又增加流体阻力挡板的间距对壳程的流动亦有重要的影响间距太大不能保证流体垂直流过管束使管外对流传热系数下降间距太小不便于制造和检修不便于制造和检修阻力损失亦大一般取挡板间距为壳体内径的0210倍我国系列标准中采用的挡板间距为固定管板式有 100mm150mm200mm300mm450mm600mm700mm7种浮头式有100mm150mm250mm300mm350mm450mm 或480mm 600mm 8种1842 法兰换热器设备常用的法兰分为设备法兰和管法兰两类设备法兰标准有JB 4710甲型平焊法兰 选用压力范围为02516 Mpa JB 4702 乙形平
29、焊法兰 选用压力范围为02540 Mpa JB 4703 长颈对焊法兰 选用压力范围为 0664 Mpa本设计选用JB 4701甲型平焊法兰 选用压力范围为02516 Mpa甲型平焊法兰只有法兰环一般采用钢板制作必要时也可以采用锻件轧制与圆筒体或封头角焊连接由于法兰环与筒体或封头连接的整体性差即该法兰的连接强度和刚度较小因此只适用于温度压力较低的场合在现行的行业标准中甲型平焊法兰只有四个压力等级PN025061016MPa公称直径的适用范围也较小DN3002000mm所用工作温度范围为-203002243 换热管换热管的规格包括管径和管长换热管的直径越小换热器单位体积的传热面积越大因此对于洁净
30、的流体管径可取小些但对于不洁净或亦结垢的流体管径应该取得大些以免堵塞目前我国试行的系列标准规定采用252和192两种规格对于一般流体是适用的此外还有38255725的无缝钢管本设计选用252规格的换热管我国生产的钢管系列标准中管长有15m2m3m45m6m9m按选定的管径和流速确定管子数目再根据所需传热面积求得管长合理截取同时管长又应与壳径相适应一般管长与壳径之比即LD为345本设计选用3m的管长管子的排列方式有等边三角形和正方形两种与正方形相比等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高表面传热系数大正方形排列虽比较松散传热效果也较差但管外清洗方便对亦结垢流体更为适用本设计选用等边三角形的排列方
31、式1844 支座化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的支座的形式主要分三大类立式容器支座卧式容器支座球式容器支座卧式容器支座又可分为鞍式支座圈式支座和支腿式支座尤以鞍式支座使用最为广泛鞍式支座的结构特征1鞍式支座标准分轻型代号A和重型代号B两种轻型用于满足一般卧式容器使用要求重型用以满足卧式换热器盛装液体重度大和LD大的卧式容器使用要求2根据安装形式鞍式支座分固定式代号F和滑动式代号S两种3鞍式支座适用于卧式容器直径DN159426用无缝管件筒体3004000用卷制筒体的范围内22本设计选用鞍式支座23 图4-1 鞍式支座45 压力容器选材原则1选用压力容器材料时必须考虑
32、容器的工作条件如温度压力和介质特征材料的使用性能如机械性能物理性能和化学性能加工性能如材料的焊接性能和冷热加工性能经济合理性能如材料的价格制造费用和使用寿命2刚制压力容器用钢材应按照国家标准钢制压力容器中所列材料选用标准中规定设计压力不大于35Mpa对于超出规定的应进行具体分析并进行试验经过研究以后决定3钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度但要注意的是碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用时应考虑钢中碳化物的石墨化倾向奥氏体刚的使用温度高于525时钢中的含碳量不应小于004对于-20的低温容器材料用钢还应进行夏比V型缺口冲击试验4压力容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性5在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下必须考虑他的韧性以防止外加载荷作用下发生脆性破坏2246 垫片设备垫片标准主要有JB4704 非金属软垫片JB4705 缠绕垫片JB4706 金属包垫片一般情况下非金属软垫片适用于甲型平焊法兰乙型平焊法兰长颈对焊法兰法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面缠绕垫片适用于乙型平焊法兰长颈对焊法兰非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取容器直径DN450mm时厚度 2mm容器直径DN4500mm时厚度 3mm金属平垫片厚度一般为36mm垫片的选择要综合考虑操作介质的性质操作压力操作温度以及需要密封的程度对垫片本
