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1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)炭黑水加热器设计Design of Carbon Black Water Heater 学 院：机械工程学院 专业班级：过程装备与控制工程 装备081 学生姓名： 学 号：010828102 指导教师： 2012年6月毕业设计（论文）中文摘要炭黑水加热器设计摘 要：管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。由于管壳式换热器具有结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广等优点，因而在近代层出不穷的新型换热设备中，仍不失其重要地位。本论文选用固定管板式换热器，根据设计任务书的要求，对换热器装置进行结构设计
2、及设计计算。本论文以四年学过的专业知识及国标GB150-1998钢制压力容器和GB151-1989钢制管壳式换热器等相关标准为依据，对炭黑水加热器各部分主要零件进行了结构设计、设计计算及应力校核等。最后进行安装、试车和维护说明，根据计算结果绘制装配图和零件图。关键词：加热器；固定管板式；机械设计毕业设计（论文）外文摘要Design of Carbon Black Water Heater Abstract: Shell and tube heat exchanger is a common process equipment for operationing of heat exchange
3、,and is widely used in various industrial sectors, especially the more widely used in petroleum, chemical production. Shell and tube heat exchanger has many advantages as the simple structure, strong, flexible operation, Applied Materials wide and so on，which in modern times the endless stream of ne
4、w heat transfer equipment, is still missing the important position.The papers selected fixed tube sheet heat exchangers,According to the requirements of the design task book，Structural design and design calculations of the heat exchanger device.Expertise of this paper for four years and GB150-1998 s
5、teel pressure vessel and GB151-1989 steel tube shell heat exchanger and other criteria as the basis，structural designing, designing calculations and stress checking for Some of the major parts of the carbon black water heater. Final installation, commissioning and maintenance instructions，According
6、to the results，drawing the assembly and parts diagrams .Keywords: heat exchanger；Fixed tube sheet；Mechanical Design目 录1 绪论11.1 换热器设备研究意义12 换热器的工艺设计12.1 换热器的工艺条件12.2 估算设备尺寸13 换热器的结构设计及其强度计算23.1 传热管23.2 折流板33.3 导流筒33.4 拉杆33.5 壳体厚度计算43.6 管箱选材及其计算53.7 接管93.8 壳体开孔补强103.9 紧固件123.10 管板厚度计算123.11 支座选择及强度校核2
7、2结 论24致 谢25参 考 文 献26淮海工学院二一二届本科毕业(设计)论文 第 27 页 共 26页 1 绪论1.1换热器设备的研究意义换热器是化工，石油，动力，食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。随着科学技术的不断进步，国际贸易的不断增加，各国对换热器要求也不断提高，换热器性能好坏直接影响到装置运转的经济性和可靠性，因此，正确地设计、选择换热器的结构与型式，最大限度地发挥其传热效能，对提高装置运转的经济性非常重要，对保障装置安全运行也是非常必要的。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩，换
8、热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。加之“节能减排环保”的概念日益深入人心，这都为各种加热器的应用提供了广阔的市场。经过多年的长期努力，我国在加热器设备研究方面取得重大技术研制成果。2 换热器的工艺设计2.1 换热器的工艺条件表2-1工艺条件设计条件壳程管程工作介质设计温度 设计压力 MPa换热面积 类型主要受压元件材料容易类别变换气3203.0炭黑水2003.6172V-BEM20 Q345R二类2.2 估算设备尺寸2.2.1 计算传热管数n1)管子数n 选252的20号钢管，管长4.5m。考虑到需安排拉杆6根，实际管数取为504根。2.2.2 计算筒体
9、直径S换热管中心距，根据下表3-7得到S=32mm；b位于管子中心线上的管数，采用正三角形排列，l最外层管子中心到壳壁边缘的距离取筒体内径为900mm。3 换热器的结构设计及其强度计算3.1 换热管3.1.1 换热管的材料和尺寸换热管常用的尺寸主要为192mm，252.5mm和382.5mm的无缝钢管以及252mm和382.5mm的不锈钢管。标准管长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。但是小管径的流体阻力大，不便清洗，易结垢堵塞。一般大直径管子用于黏性大或污浊的流体，小管子用于较清洁的流体，本装置采用
10、252mm的20号钢管规格。3.1.2 换热管排列形式及管心距换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转正三角形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故选用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于清洗，可采用正方形或者转正三角形排列的管束。本换热器流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此采用正三角形排列，如图3-1所示：图3-1换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和宽度。管间需清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距谊不小于1.25倍的换热管外径。常用的换热管中心距见下表3-7。表3-7换热管中心距 (mm)换热管外径1214192532384557换热管中
11、心距1619253240485772本设计选用的是252mm的20钢管规格，所以根据以上表格选用换热管中心距为32。3.1.3 布管限定圆布管限定圆根据GB151表3-8确定。,=9001000，b3b1=5, b2=bn+1.5b3=0.25d =0.2525 =6.25b310,b3=10bn13, b2=153.2 折流板3.2.1 折流板的主要几何参数折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板的最小间距宜不小于壳体内直径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求，间隙过
12、大，泄露严重，对传热不利，还易引起震动；间隙过小，安装困难。弓形折流板圆缺大小用切去弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口弦高h可为圆筒内直径的20%45%,现在通用高度为直径25%，本装置取双弓形，切去圆缺高度h=25%x900=225mm。折流板间距。根据GB151-89表321选取折流板名义外直径D=DN-6=900-6=894mm。折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，根据GB151-89表319规定，其厚度,取10mm。折流板的管孔直径和公差按GB151-89表3-20（a）规定，II级管束换热器折流板管孔直径25.8，及允许偏差 。3.3 导流筒一般有内导流筒和外
13、导流筒，本装置采用内导流筒。 内导流筒 导流筒的表面到壳体圆筒内壁的距离一般应大于接管外径的13，本装置接管外直径为300，所以导流筒的表面到壳体圆筒内壁的距离取150。导流筒端部至管板的距离，应使该处的流通面积不小于导流筒的外侧流通面积。3.4 拉杆3.4.1 拉杆的结构形式 本装置的换热管外径为25mm，换热器直径为900mm，选用拉杆定距管结构。3.4.2 拉杆直径、数量和尺寸拉杆直径和数量：根据GB15189表3-23和表3-24规定，拉杆直径d16mm，拉杆数量为6根。表3-20拉杆直径(mm)换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616 拉杆尺
14、寸：拉杆的链接尺寸按GB151-89表3-25确定。 拉杆的长度L按需要确定。拉杆螺纹公称直径=16，=20，60。表3-25拉杆尺寸(mm)拉杆直径拉杆螺纹公称直径1012161012161315204050603.4.3 拉杆孔拉杆孔直径等于拉杆孔深度。拉杆孔的直径按下面式子确定： mm式中： 拉杆直径，mm； 拉杆孔直径，mm。拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构见图见下图 , 螺纹深度按下式确定：=24mm式中：螺孔深度，mm； 拉杆螺孔公称直径，mm。图3-3-4 螺纹连接的拉杆孔3.5 壳体的壁厚计算 取设计压力3.0MPa，焊缝系数，材料选用Q345R，MPa取钢板厚度负偏差，腐蚀裕
15、量，设计壁厚为：查GB1511998表32，并且考虑到法兰对壁厚的要求，取名义壁厚。 由标准椭圆形封头计算公式可知标准椭圆形封头的厚度与筒体厚度基本相同，现取二者等厚。根据JBll5473标准，取上、下封头均为，直边高度40，=225，材料选用Q345R。压力试验及应力校核 气压试验压力：，为方便压力表读数，取a。分别为气压试验时筒体和封头的壁内应力。所用Q345R板材在常温345MPa， a可见气压试验时筒体、封头壁内应力都小于，气压试验安全。3.6 管箱选材及其计算3.6.1 管箱结构形式A型（平盖管箱）如图3.6.1(a)装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整
16、个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN900mm的浮头式换热器中。B型封头管箱型 如图3.6.1（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱，很不方便。C型、D型管箱 如图3.6.1（c）（d）这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，减少了泄漏的可能性。但管箱不能单独拆下，检修、清理不方便，所以在实际中很少采用。图3-6-13.6.2 管箱短节管箱短节及其开孔应按GB150-98的有关要求
17、设计，管箱的短节的最小厚度不得小于表3-2的规定。表3-2 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度(mm)公称直径400-700800-10001100-15001600-2000固定管板式6810123.6.3 管箱壁厚的计算材料采用Q345R，根据GB150-99,在设计压力3.0MPa和设计温度320下的许用应力t=143Mpa 焊接接头系数0.85，公称直径Di=900mm,腐蚀余量C21.5mm, 钢板厚度负偏差C10.8mm。计算厚度：设计厚度：名义厚度：将设计厚度圆整至12。根据压力容器与化工设备实用手册（上）表1-2-2，管箱采用壁厚为14mm的Q345R。有效厚度：设计温度下圆筒计算
18、应力：设计温度下圆筒最大允许工作应力：因此厚度满足要求。3.6.4 管箱法兰 根据JBll60一82标准，选用的榫槽密封面长颈对焊法兰。本换热器因采用管板兼作法兰，故选用两个榫面法兰(管板兼作槽面法兰)，法兰材料选用16Mn，垫片采用石棉橡胶板，为非金属软垫片，垫片外径为999，垫片内径为939.螺柱材料40MnVB,螺柱规格M30，数量为40，对接筒体最小厚度为16，螺母材料40Mn，法兰质量（Kg）：榫面：253.9，槽面：255.1；衬环质量（Kg）：榫环：11.1，槽环：11.8 。垫片查阅压力容器法兰标准，此处选长颈对焊法兰（PN4.0,DN900）,榫槽密封面。查GB150 P93
19、得到垫片系数m=2，比压力y=11，查JB4704得到垫片外径999，内径939.由表91 取垫片基本密封宽度=(999-939)/2=35因为 所以垫片有效密封宽度由于,所以。螺栓预紧状态下需要的最小螺栓载荷;操作状态下需要的最小螺栓载荷;预紧状态下需要的最小螺栓面积;操作状态下需要的最小螺栓面积;需要的螺栓面积;实际螺栓面积;螺栓截面积; n螺栓数。螺栓的布置根据GB150-1999的表9-3，选取法兰径向尺寸=12mm,16mm，16mm，螺栓最小间距 ： 螺栓载荷a预紧状态下需要的最小螺栓载荷:Nb操作状态下需要的最小螺栓载荷:螺栓面积螺栓材料取为，查GB1501998表47 MPa
20、MPaa预紧状态下需要的最小螺栓面积：b操作状态下需要的最小螺栓面积：c需要的螺栓面积 取Aa和AP的最大值：=17572.8mm2d 实际用40个M30螺柱，其螺柱总面积：AbAm ,符合要求螺栓设计载荷a预紧状态下螺栓设计载荷：b操作状态下螺栓设计载荷：法兰的结构、类型及尺寸选用长颈对焊法兰： 法兰力矩 -螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离查表JB4703-92得到： （螺柱中心圆直径,查法兰标准长颈对焊法兰) 预紧状态下的法兰力矩操作状态下的法兰力矩法兰设计力矩法兰材料16Mn在设计温度320下的许用应力MPa常温下法兰材料的许用应力185。由于 ,所以 法兰设计力矩取为。3.7
21、 接管3.7.1 接管外伸长度接管外伸长度也叫接管伸出长度。是指接管法兰面到壳体外壁的长度。可按下式计算：式中 l接管外伸长度，mm h接管法兰厚度，mm h1 接管法兰的螺母厚度，mm 保温层厚度，mm除按上式计算外，接管外伸长度也可按相关标准的数据选择。3.7.2 接管的要求 接管应与壳体内表面平齐。设计温度在300以上时，必须采用整体法兰。接管应尽管沿径向或轴向布置，以方便配管与检修。对利用接管（或接口）仍不能放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设计排液口，其最小公称尺寸为20mm。必要是可设置温度计接口、压力表及液面计接口。接管与外部管线可采用焊接连接 3.7.
22、3接管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件标准规定了8种不同类型的管法兰和两种法兰盖，法兰的名称，代号及其所属标准。标准中规定了10类法兰（盖），可以划分为两大类：一类是板式的，另一类是带颈的。板式的包括：板式平焊法兰和松套法兰；法兰盖也是平板，可归入板式的一类。带颈的包括：带颈对焊法兰、承插焊法兰、螺纹法兰、带颈对焊法兰和整体法兰。前边三种是短颈，后边两种是长劲。本装置由于温度较高，所以采用整体法兰，密封型式为突面密封。3.7.3 密封垫片密封垫片作为法兰连接的主要元件，对防止法兰连接的泄露起着重要的作用。本装置选用以石棉橡胶板为材料的非金属垫片。因为这种材料比橡胶有较高的耐热性，并保持了适宜的弹性
23、和良好的耐蚀性，制造方便，价格便宜，应用较广泛。下表为本次设计垫片尺寸。表3-8密封尺寸(mm)公称通径DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T包边宽度b4010030049115325921684171.51.51.53333.8 壳体开孔补强适用的开孔范围圆筒当其内径D11500mm时，开孔最大直径d1/3D1，且d1000mm。在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。壳体开孔满足下列全部要求时，可不用补强，据文献GB150-98知：设计压力小于或等于2.5Mpa.两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应小于两孔直径之和的两倍。接管公称外径小于或等于89mm接管
24、最小壁厚满足GB150-1998表8-1表8-1壳体开孔补强的最小壁厚(mm)接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0本装置的数据如表4-4：表4-4接管尺寸(mm)内径 DKLnThCRsNH3001004032510845515235150450190110332281684M30M20M164224181065106.3436213464181241156545 先对公称尺寸为300的进行补强：圆筒或球壳开孔所需补强面积：式中=1，接管厚度负偏差: 开孔直径:A=329.611.2=3691.52有效补强范围：B=2d=659.2 =329.6+2
25、16+215=391.6取较大值：B=659.2，补强面积：焊缝金属面积：所以需要补强，补强面积为2334。在考虑公称尺寸为100的补强：同上可以算出：所以需要补偿，补偿面积为358.12。最后考虑公称尺寸为40的补强：同理可以算出,所以不需要补强。3.9紧固件管法兰连接采用的紧固件有商品级和专用级两类。专用级紧固件采用的是双头螺柱或全螺纹螺柱，其质量有A级和B级两个等级，用机械性能等级代号标定。专用级紧固件采用的是双头螺柱或是全螺纹螺柱，配用的也是六角螺母。本装置采用的是商品级紧固件，采用六角头螺栓和六角螺母。3.10 管板厚度计算符号说明：壳程圆筒内直径横截面积，； A= 在布管区范围内，
26、因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，对正三角形排列，；隔板槽一侧的排管根数；换热管中心距；隔板槽两侧邻管的中心距；管板布管区面积，； 对于单管程换热器 三角形排列 正方形排列 对多管程正方形排列换热器，；管板开孔后的面积，；圆筒壳壁金属横截面积，； 根换热管管壁金属的横截面积，；壳体法兰或管箱法兰的宽度，mm； 固定管板垫片压紧力作用中心圆直径，mm 法兰螺栓中心圆直径，mm系数，按和查图3-14；系数，按和查图3-14；系数，壳体法兰和管箱法兰外径.mm壳程圆筒和管箱圆筒的内直径，mm；管板布管区当量直径，mm，；换热管外径，；换热管内径；壳体法兰材料的弹性模量，Mp；管
27、箱法兰材料的弹性模量，Mp；管箱圆筒材料弹性模量，当管箱法兰采用长颈对焊法兰时，取管箱法兰的材料弹性模量；当管箱法兰采用乙型平焊法兰时，取法兰短节材料的弹性模量，Mp；管板材料的弹性模量，Mpa；壳程圆筒材料弹性模量，Mp；设计温度时，换热管材料的弹性模量，Mpa；系数，当m0时，取和两者中的较大值；当m0时， 系数，当m0时，按k和m查图3-20（a）实线； 当m2d=50，所以取=50mm，且管孔开槽，所以由GB151表26查的=4。各组合情况下应力校核如下表所示： 壳程压力作用下的危险组合壳程设计压力 管程压力 不计膨胀差 计入膨胀差 0 Mpa 0 -48.9 Mpa 8.34 -40
28、.56 0.028 -0.0041 0.0398 0.0159 0.1353 0.0541 0.6164 0.2984（按GB151-1989查图得） 0.35 0.62 0.033 0.054 0.076 0.0342 0.095 0.088 -0.0032 -0.006 Mpa 9.841.5 16.13 Mpa 1391.5 1643 Mpa 2.80.5 2.61.5 Mpa 4.81.5 8.953 Mpa -3.750， Mpa 27.46 49.623 Mpa 0.04 3.1 管程压力作用下的危险组合壳程压力 =0管程设计压力 ， 0 Mpa 0 -48.9 Mpa -13.6
29、8 -61.87 -0.068 -0.015 -0.068 -0.015 -0.23 -0.051 -0.813 -0.056（按GB151-1989查图得） 1.48 0.9 0.095 0.07 -0.07 -0.006 0.064 0.079 -0.016 -0.0098 Mpa 129.21.5 330.53 Mpa 23.31.5 22.73 Mpa 8.760.5 48.91.5 Mpa 28.081.5 48.070, -11.050， Mpa 1.05 11.343 Mpa 0.17 3.03综上：由上表可得管板符合应力要求。3.11 支座选择及强度校核本装置采用B型的耳式支座
30、，根据压力容器与化工设备实用手册（上）表3-3-10，先设定选择4个B3型耳式支座。支座相关尺寸如下：支座允许载荷Q=30KN ; H=200 ;l1=160mm;b1=105mm;1=10mm;s1=50mm; l2=205mm ;=125mm ;2=8mm;l3=250mm ;b3=200mm;3=8mm;e=30 ; d=30 ;螺纹M24;质量=8.3Kg。支座校核：符号意义：m0设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量，Kg）g重力加速度，去g=9.81m/s2；Ge偏心载荷，N；k不均匀系数，安装三个支座时，k=1，安装三个以上支座时，k=0.83；n支座数量；h水平力
31、作用点至支座底板之间的距离，mm；Se偏心距，mm；螺栓分布圆直径，根据压力容器与化工设备实用手册图3-3-19，可导出：P水平力，去水平地震力Pe和水平风载荷Pw二者中的大值，Pe与Pw分别按下二式计算根据GB151规定，估算设备总质量约为8000Kg，水压试验充满水时重量约为120Kg。水平力取Pe，Pw中较大者。地震设防烈度为8级，地震载荷：风载荷：即，安装尺寸：查压力容器与化工设备实用手册表3-3-10支座B3的Q=30kN QQB1支座可满足允许载荷要求。支座约束反力矩:按内插法从表3-3-12查询B3支座作用给器壁的最大允许力矩M。当时，M=15.49KNm因为MM，所以B3支座可以使用。结 论伴随着毕业日子的临近，历时近半年时间的毕业设计基本完成了。回想这段难忘的岁月，从最初的茫然，到后来的入手，渐渐的找到方向，一步一步的在各种问题中摸索前进。好在有辅导老师的指导与讲解，毕业设计经过一次次的修改，基本完成了毕业设计的任务。在这次毕业设计中，我和同学的关系也得到了很大的提高，同学之间互相帮助，有什么不懂的地方一起讨