换热设备的设计版.docx

《换热设备的设计版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《换热设备的设计版.docx（14页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、换热设备的设计doc版换热设备的设计 doc版第六章换热设备的设计6.1换热设备的分类和总体结构6.1.1换热设备的分类 按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：1.混合式换热器 一一利用冷、热流体直接接触与混合的作用 进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状。2 .蓄热式换热器 一一在这类换热器中，热量传递是通过格 子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的污染这类换热器的结构紧凑，价格便宜、单位体积传热面大，故较适合于气一气热交换的场

2、合。3 .间壁式换热器 一一是工业中最为广泛应用的一类换热器。冷一热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：(1)管式换热器一一如套管式、螺旋管式、管壳式、热管 式等。(2)板面式换热器如板式、螺旋板式、板壳式等（3）扩展表面式换热器如板翅式、管翅式、强化的传热管等。其中以管式换热器应用作为广泛，其特点见表6-1所示。表6-1管壳式换热器的主要类型及特点类型固定管式换热器浮头式换热器 U型管式换热器结构特点换热器的 管端以焊接或胀接的方法固定在两块板上，管板以焊接的方 法与壳体相连换热器中一块管板与壳体固定，另一块管板 能自由移动 换热管被弯成 U形，管的

3、两端固定在同一管板 上 设备性能 当壳体直径相同时便于排更多的管子，管内不易积垢 壳程难以清洗 在壳体与管中产生很大的温差应 力 管束可抽取 管内、外都能清洗 一块管板可自由移动在壳体与管中不会产生温差应力只有一块管板管束可以从壳体中抽由 管外清洗方便 管内清洗困难 在壳体与管中不 会产生温差应力 6.1.2管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构均包括：管箱、管板、壳体、折流板或支承板、定距管、拉杆、分程 隔板、接管、支座等。如图6-1所示。图6-1常见管壳式换热器结构1平盖；2平盖管箱（部件）；3接管法兰；4一管箱法兰；5一固定管板；6- 克体法兰；7防冲板；8-仪表接口； 9补强圈；

4、10壳 体（部件）；11折流板；12一旁路挡板；13一拉杆；14-定距管；15支持板；16双头螺柱；17螺母；18外 头盖垫片；19外头盖侧法兰；20一外头盖法兰；21吊耳；22一放气口； 23一椭圆形封头；24浮头法兰；25浮 头垫片；26 一无折边球形封头；27-浮头管板；28-浮头盖（部件）；29外盖头（部件）；30排液口； 31钩圈； 32一接管；33活动鞍座；34一换热管；35假管；36一 管束（部件）；37固定鞍座；38滑道；39一管箱垫片；40 管箱短节；41一封头管箱；42一分程隔板；43一悬桂式支座； 44一膨胀节（部件）；45中间挡板；46U形换热器；47 内导流筒；48一

5、纵向隔板；49填料；50填料函；51 填 料压盖；52浮动管板；53一部分剪切环；54活套法兰。6.2管壳式换热设备设计的内容和步骤6.2.1管壳式换热设备设计的内容 管壳式换热设备设计的内容包括工艺设计 和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工 艺条件的前提下，对换热设备进行强度、刚度及稳定性计算， 并从制造、安装、检修、使用等方面由发进行结构设计。换热设备设计任务书内容和格式按表6-2所示。6.2.2管壳式换热设备设计的步骤在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行换热设备的机械设计。了解设计条件；选材； 按设计压力计算壳体和管箱壁厚；管子与管板连接结构设计；壳体与管

6、板连接结构设计；管板厚度计算；折流板、支持板等零部件的结构设计；换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算；管子拉脱离和稳定性校核；判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进行有关的计算；接管、接管法兰、支座等的选择及开孔补强设计等。表6-2换热设备设计任务书比例 条件内容修改 设计参数及要求修改标记修改内容签字日期竞程管程工作 压力，MPa 1.43 1.53设计压力，MPa 1.57 1.68工作温度，C 310 420设计温度，C 310 420单位名称 介质 碱洗气 变 换气 工程名称 推荐材料16MnR 20钢 设计项目 管/克程 数1 1条件编号 传热面积，m2 7

7、0设备图号 公称直径， mm 800位号/台数 传热管直径，mm 38提由人 日期 传热 管长度，m 3备注传热管根数，根 205腐蚀情况微弱设 计寿命接管表符号公称尺寸DN连接面形式用途a 400 凹面变换气b 250凹面碱洗气c 250凹面碱洗气d 400 凹面变换气e 1/2”螺纹排水口 表6-3换热设备设计任务 书 简图与说明 设计参数及要求 壳程 管程 工作压力，MPa 1.43 1.53 设计压力，MPa 1.57 1.68 工作温度，C 310 420 设 计温度，C 310 420介质碱洗气变换气管/壳程数1 1传 热面积，m2 70公称直径，mm 800传热管直径，mm 38

8、传 热管长度，m 3传热管根数，根 205腐蚀情况 微弱设计 寿命接管表符号公称尺寸 DN连接面形式用途a 400凹面变换气b 250凹面碱洗气c 250凹面碱洗气d 400 凹面 变换气e 1/2”螺纹 排水口 6.3换热设备的设计示例 6.3.1管壳式换热器 莫合成氨厂变换工段中变换热器，系卧 式固定管板式的管壳式换热器，如图6-2所示，其壳程圆筒内径为800mm o换热管规格为 338 X的无缝钢管，共205根，管长3m。工作条件：壳程介质为碱洗液（脱碳后的氮氢混合气），压力为1.43Mpa, 最高温度为310C；管程介质为变换气（含有二氧化碳的氮 氢混合气），压力为1.53Mpa,最高

9、温度为 420 C。有工艺计算得沿长度平均的壳程圆筒金属温度为274 C ,换热管金属温度为350 Co试对该换热器进行材料选择、结构设计及强度计算。结构草图如图6-2所示，下面分别进行壳程圆筒、管箱封头及圆筒、法兰、管板，以及 U形膨胀节设计及计算。图6-2卧式带膨胀节的固定管板换热器1变换气入口接管；2锥形封头；3一设备法兰；4管板；5碱洗气由 接管；6补强圈；7一筒体；8膨胀节；9一换热管； 10一定距管；11折流板；12一碱洗气入口接管；13变 换器由口接管；14一鞍式支座。6.3.1.1壳程圆筒 根据工作条件选择壳程圆筒的材料为16MnR专冈板。在常温时许用应力为 170Mpa,在设

10、计温度310c时的许用应力为142MPa,屈服限为 227Mpa。按GB150-98式（6-1）壳程圆筒计算厚度（6-1）式中计算压力；内直径 材料许用应力 焊缝系数 小=0.85 （采用双面焊、局部无损探伤）以上数值代入式（6-1 ）得 按GB150-98碳素钢或低合金钢容器的最小厚度不小于3mm ,该厚度值不包括厚度附加量C=2mm即。壳程圆筒的液压试验及压力试验时应力校核。试验液体为水，试验压力PT按下式 压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式6.3.1.2管箱 （1）锥形封头如图6-2所示为带折边锥形封头，根据工作条件选择锥形封头材 料为15CrMoR （正火加回火）钢板。在常温时许用应

11、力为 150MPa ,在设计温度420 C时的许用 应力为115.6MPa,屈服限为 229.4MPa。图6-3锥形封头 按GB150-98式（6-10）,式（6-11） 过 渡段厚度 （6-10）与过渡段相接处的锥壳厚度（6-11）式中计算压力 Pc=1.1 X1.53=1.68MPa内直径 Di=800mm 材料 许用应力（yt=115.6MPa焊缝系数 3=0.85 （采用双面焊、局 部无损探伤）系数K=0.682 （采用标准封头r/Di=0.15,a =302） f=0.554 （同上） K、f 值分别由 GB0-98 表 6-4、表 6-5查得。以上数值代入式（6-10）、式（6-1

12、1）得 取，附加厚度c=2mm选取锥形封头的水压试验压力壳程圆筒和封头计算参见GB150-98。（2）管箱法兰 选JB/T4703-2000 长颈对焊法兰PN=2.5MPa, DN800,材料为 15CrMo。法兰密封面型式为凹凸面，连接尺寸（参阅图6-4）如下：Di=800mm6 0=16mmDb=915mrW 1=26mmDf=960mmH=115mm D4=863mm 8 f=52mm （不包括厚度附加 量）垫片采用金属包垫片 865X825JB/T4706-200由GB150-98 表 9-2 查得 m=3.75 , y=52.4MPa 选 32 个材料为 35CrMoA 等 长双头螺

13、栓 M24X 160JB/T4707-2000。螺栓计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷按式 GB150-98 式（9-4）计算：（6-12） 式中垫片有效密封宽度b垫片接触宽度按GB150-98表9-1得垫片基本密封宽度由于b>6.4mm则 垫片压紧力中心直径 垫片比压力 y=52.4MPa （见 GB150-98表 9-2）以上数值代入式（9-2）得 操作状态下需要的最小垫 片压紧力按GB150-98式（9-5）计算：（6-13） 式中由上已知b=8mm , DG=847mm 垫片系数m=3.75管程设计压力p=1.68MPa以上数值代入式（9-5）得 预紧状态下需要的最小螺栓面积按GB

14、150-98式（9-6）计算：（6-14）操作状态下需要的最小螺栓面积按GB150-98式（9-7）计算：（6-15） 式中常温下螺栓材料许用应力 a b=28MPa在设 计温度420 c下螺栓材料许用应力 代入式（9-6）、式（9-7） 得 需要的螺栓面积 实际螺栓面积 所需螺栓面积足够。螺栓最小间距由 GB150-98表9-3确定 当时， 推荐的螺 栓最大间距 （6-16）式中螺栓公称直径 法兰厚度 垫片系 数 以上数值代入式（9-3）得 实际间距 螺栓布置符合要求 法兰计算 法兰预紧力矩按 GB150-98式（9-10）计算：（6-17）式中预紧状态螺栓设计载荷按GB150-98式（9-

15、8）计算：力臂 以上数值代入式（9-10）法兰操作力矩按 GB150-98 式（9-11）计算：（6-18）式中作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力图6-5法兰受力图（见GB150-98图9-1续）（a）流体静压总轴向力与作用于法兰内径截面上流体静压轴向力之差窄面法兰垫片压紧力力臂 力臂 力臂 以上数值代入式（9-11）得 法兰设计力矩 取其中之大值（6-19）式中法兰材料为 15CrMo锻件，具常温下许用应力为147MPa,在设计温度420 C下许用应力为 107.6MPa。代入上式得 则 法兰应力（1）轴向应力按GB150-98式（9-13）计算：（6-20）（2）周向应力按 GB150-

16、98式（9-15）计算：（6-21）（3）径向应力按 GB150-98式（9-14）计算：（6-22） 式（9-13） 式（9-14）中 整体法兰系数颈部应 力校正系数f按 由图9-7查得f=1.4;参数 按 由图9-3 及图9-4查得，按，由图9-8查得，将 代入参数，式中得，将以上数据代入式（9-13）, 式（9-15）应力校核 轴向应力 周向应力 径向应力 组合应 力计算结果：该法兰强度条件满足，所选法兰尺寸是合适的。其中法兰厚度加上附加厚度 4mm为56mmo6.3.1.3管板计算 （1）初始数据 壳程圆筒内径； 图6-6 延长部分兼作法兰的管板 厚度（图样采用10mm）管箱（封 头）

17、厚度；（图样采用12mm）换热管外径； 壁厚；根数； 间距；有效长度； 管箱法兰外径； 宽度；厚度。假定管板厚度（图样采用 65mm）法兰部分厚度（即壳程 圆筒法兰）延长部分兼作法兰的管板，如图 6-6所示。各零件材料在设计温度时的物理、机械性能数据如下：壳体材料：16MnR , 弹性模量：线膨胀系数：（壳体壁温）换热管材料：20号钢，弹性模量：线膨胀系数：（换热管壁温）换热管材料屈服限封头法兰材料：15CrMo （锻件）弹性模量： 管板材料：15RrMo （锻件） 法兰材料：15CrMo （锻件）许用应力：壳程圆筒：换热管：管箱封头法兰：管板：换热管与管板采用先胀后焊，胀接长度l=50mm管

18、孔开槽，许用拉脱应力q=4MPa。几何物理系数计算 壳程圆筒内径面积 管板开孔后面积 壳程圆筒金属横截面积 换热管金属截面积 管板布管区面 积（三角形排列） 管板布管区当量直径 管板布管区的当量 直径与壳程圆筒内径之比 系数 管束模数 管子加强系数（n管板刚度消弱系数，一般可取以值，以=0.4 管板周边不布管区无量纲宽度 （3）强度影响系数计算旋转刚度， 由图7-7查得 壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数 管 箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数旋转刚度无量纲参数法兰力矩基本法兰力矩管程压力作用时的法兰力矩 按查图7-8得，查图7-9得 按，查图7-9得查图6-10得 系 数系数系数管板边

19、缘力矩变化系数法兰力矩变化系数危险组合壳程压力作用下壳程设计压力 Ps=Pc=1.57MPa管程设计压力Pt=0管程压力作用下壳程设计压力Ps=0管程设计压力 Pt=1.68MPa Pc=-Pt (1 + B) =-1.68 ( 1+0.25) =-2.1MPa不计膨胀差计入膨胀差不计膨胀差计入 膨胀差 1.14 M0-3 1.14 >10-3 49.2 4.92 7.8 57.0 -12.3 36.9 0.034 0.00467 -0.02 0.00673 0.0368 0.0075 -0.020 0.00673 0.5365 0.1111 -0.292 0.0981 1.09 0.4

20、0 -1.026 0.37 G1 由 K=4.2 , m=查图 7-6 得 0.24 0.20 G1 由 K=4.2 , m=查图 7-6 得0.72 0.20管板径向应力系数0.0152 0.00916管板径向应力系数 0.021 0.00905管板布管区径向应力系数0.04930.013管板布管区径向应力系数-0.0214 0.012管板布管区剪切应力系数0.0633 0.046管板布管区剪切应力系数 0.0292 0.045 (4)校核管板、壳体法兰、换热管、壳程圆筒 以及拉脱应力。壳程压力作用下壳程设计压力Ps=Pc=1.57MPa管程设计压力Pt=0管程压力作用下壳程设计压力Ps=0

21、管程设计 压力 Pt=1.68MPa Pc=-Pt (1 + B) =-1.68 (1+0.25) =-2.1MPa 不 计膨胀差计入膨胀差不计膨胀差计入膨胀差管板 径向应力 MPa管板径向应力 MPa管板布管区周边处径向 应力MPa管板布管区周边处径向应力MPa管板布管区周边剪切应力 MPa管板布管区周边剪切应力MPa壳体法兰应力MPa壳体法兰应力 MPa换热管轴向应力MPa换热管轴向应力 MPa壳程圆筒轴向应力 MPa壳程圆筒轴向应力MPa拉脱应力 拉脱应力 （5）换热管稳定性计算管子回转半径 从图7-1可知，管子受压失稳当量长度参见附图 7-13确定系数当则管子稳定许用应力从应力计算得计

22、入膨胀差的管子应力，且。则 表明管子稳定性不够，需采取措施。本设计采用设置膨胀节，减少管子的压应力，从而增加其 稳定性。6.3.1.4 U形膨胀节计算 （1）要否设置膨胀节的判定通过管板计算，按四种危险工况对管子、壳程圆筒以及拉脱应 力的校核得如下结论：;但，且；（除只考虑壳程压力，且不计膨胀差外）由 于，（），则需要设置膨胀节。（2）应力计算 选择U形膨胀节，材料为16MnR （与壳 程圆筒相同）结构参见插图及 GB/T12777-91 ,具体几何尺寸 如下初始数据：设计压力设计温度直边段外径波高波长层数波数 当量圆筒外径 成型前有效厚度 成型后有效厚度 轴向位移 图6-13换垫管换稳的当量

23、长度 lcr膨胀节材料在设计温度 下弹性模量（常温时屈服点许用应力系数计算按横坐标：纵坐标：由 GB12777-91 图 A2、图 A3、图 A4 查得:刚度计算 (取腐蚀余量)应力计算 内压引起的应力：周向薄膜应力经向薄膜应力 经向弯曲应力 位移引起的应力：经向薄膜应力 经向弯曲应力 组合应力 应力校核 膨胀各 节项应力 满足要求，强度足够，不必进行疲劳寿命校核。设置膨胀节后，再校核管子应力、拉脱应力以及管子稳 定性。管子压力设置膨胀节后，上式中换热管束与桥呈圆筒刚 度比将改为有效压力组合Pa中不必再计入膨胀差，则管子 应力及拉脱应力重新计算如下：壳程压力作用下壳程设计压力 Ps=Pc=1.

24、57MPa管程设计压力Pt=0管程压力作用下 壳程设计压力Ps=0管程设计压 力 Pt=1.68MPa Pc=-Pt (1 + B) =-1.68 (1+0.25) =-2.1MPa 计 算结果管子应力，且，说明不仅强度足够且没有管子失稳问 题，管子与管板的拉脱应力，连接强度也足够。该换热器施工图，参见插页，主要零部件规格、材料及 数量见表6-4 o表6-4变换器主要零部件规格及材料 序名称规格材 料 数量 备注1克程圆筒 j800X1016MnR 1 2锥形封头 3 800 X 12 =30 15CrMo 2 3 换热管 小 38X 3X 3000 205 4 管板 小80 8 =65 15CrMo 锻彳2 5封头法兰 PN25 DN800 15CrMo 锻件 1 6 U 形膨胀节 h=125 w=180 16MnR 1JB/T4703-20007 双头螺柱M24X160 35CrMoAJB/T4703-2000 109