固定管板换热器设计

1.换热器壳体壁厚计算(1)选择钢材：壳程介质为煤油，选Q235-B钢材作为壳体材料。 (2)确定各设计参数：根据GB151-1999 管壳式换热器3.12.1的规定选取设计温度t=110；查GB150.2-2011压力容器第二部分材料表D.1并进行差值计算得Q235-B的许用应力t=112MP；按表2-10，面对接焊采用双面局部无损探伤，焊接接头系数f=0.85；, 根据GB151-1999 管壳式换热器查钢板厚度负偏差=0.8（假设其钢板名义厚度为825），腐蚀裕量=2，厚度附加量C= + =2.6；取Pc =1.1Pw, Pw=0.1P,可得：Pc =1.10.1=0.11MPa (3)计算壁厚： =5.78mm有效厚度按钢板厚度规格向上圆整后，取壳体名义厚度为10mm,此值在初始假设厚度范围，故得2.换热器封头的壁厚计算由于Di/2hi=2时，椭圆形封头的应力分布较好，且封头的壁厚与相连的筒体厚度大致相等，便于焊接，经济，合理，适用于低压容器，所以选择标准椭圆形封头，其形状系数K=1.0。由公式得： 有效壁厚: 按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度根据JB/T25198-2010标准，标准椭圆形封头为DN100010,曲面高度 =275mm,直边高度 =40mm,如图所示，材料选用Q235-B。椭圆形封头直边高度h的选用封头材料碳素钢、普通低合金钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢封头厚度4810182039101820直边高度h2540502540503压力试验及其强度校核根据公式确定水压试验压力：再根据公式校核壳体强度： 钢板在试验压力下的屈服极限MPa可计算出：由于,所以液压试验时壳体强度满足要求。4.换热器压力容器法兰的选择与计算(1)由壳体的设计压力=0.11MPa,按照设计压力公称压力的原则, 就进确定法兰公称压力为0.25MP,为保证安全，所以就进提高一个公称压力等级，暂定法兰公称压力为0.6MPa。(2)根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径，可得法兰的公称直径DN=1000mm,同时由设计温度t=110和以上的初定的公称压力PN=0.6MPa,根据JB/T4700-2000压力容器法兰分类与技术条件表1初步选取甲型平焊法兰。(3)根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为Q235-B，并根据t=110和PN=0.6MP,根据NB/T47020-2012压力容器法兰分类与技术条件表6，查得其最大允许工作压力为0.4MP。(4)由于0.4MP0.11MP即法兰最大允许工作压力大于设计压力，所以选择公称直径DN=1000mm，公称压力PN=0.6MP,材料为Q235-B的甲型平焊法兰。(5)由于工作介质为煤油，根据过程设备设计表4-11选择突面密封面，确定垫片为耐油橡胶石棉板。根据NB/T 47020-2012压力容器法兰分类与技术条件表2选取螺栓材料为20号钢,螺柱材料为35号钢。查JB/T4701-2000表1查得法兰的结构尺寸如表所示：公称直径DN公称压力 PN法兰，mm螺柱Dd规格数量100006113010901055104510424823M2036图3-2 容器法兰（图面形式） (6)压力容器法兰标记为：法兰-FM1000-0.6 JB/T 4703-20005 管板的选择与尺寸计算管程工作压力为0.1,可算管程的设计压力Pt=1.1Pw=0.11MPa(取管板的公称压力为0.6MPa)的管板，材料为16Mn。根据换热器设计手册表1-6-9，可查得：在公称直径DN=1000mm,壳程公称压力Ps=1.0MPa=Pt下的管板尺寸如下表所示： 表3-2 管板尺寸PsMPaPtMPaDNDD1D2D3D4D5d2规格数量bfb备注0.60.610001130109010559971042100023M203642526 分程隔板的选择 根据化工单元过程及设备课程设计表4-1查得1200DN600时，隔板最小厚度为10mm。材料为Q235-B。根据GB151-1999中5.6.6.2确定分程隔板槽深5mm，宽12mm。拐角处倒成圆角4mm45。7 膨胀节的选用与计算固定管板式换热器在换热过程中，管束与壳体有一定的温差存在，而管板、管束与壳体是刚性连接在一起，当温差达到某一个温度直时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲，需设置补偿装置，如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、形膨胀节等。而在生产实践中，应用最多的，最普遍的是波形膨胀节。根据GB151-1999附录F的计算方法进行换热管壁温的计算，从设备的具体操作情况，可以假定K、q和a保持不变，进行简化计算：热流体的平均温度为：冷流体的平均温度为：则： 即换热管壁温为50 。圆筒壁温的计算：应外部有良好的保温，故壳体壁温可取壳层流体的平均温度：管壳层温差：由于管束与壳体温差小于50，所以不需要设置膨胀节。 8 折流板的设计与计算在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。圆缺形折流挡板在流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，所以采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：，故可取。取折流板间距B=0.3D，则 B，可取B为。折流板数目根据GB151-1999表34查得：折流板最小厚度为16mm;由表41查得：折流板名义外径为DN-6=964mm,材料为Q235-B. 折流板圆缺面水平装配，见图9 接管的选择 (1)管程接管的选择与计算： Shc x=1000x =1000x =7.53所以根据过程装备成套技术设计指南表9-8应选用Shc.10系列的管子，其设计压力为0.11MPa,材料为20号钢，其公称直径DN150,查表得外径为168.3mm，壁厚为5mm。根据换热器设计手册表1-6-6查得管子的外伸长度为200mm。 (2)壳程接管的选择与计算：Shc x=1000x =1000x =7.53 根据过程装备成套技术设计指南表9-8应选用Shc.10系列，公称直径DN100,外径为114.3mm，壁厚为4.5 mm的管子。根据换热器设计手册表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm。10 接管法兰的选择与计算管程接管法兰的选择与计算：(1)接管法兰的公称直径DN= 150mm。(2)根据介质特性，设计温度t=150和接管材料，选定接管法兰材料为Q235-A。 (3)根据管法兰的材质和温度t=150，按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则，根据化工设备机械基础查表10-29（D）最高无冲击工作压力得：管法兰的公称压力为2.5MPa。(4)根据PN=2.5 MPa和DN=150mm查化工设备表4-6确定法兰类型为板式平焊法兰；查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片，由表4-15和表4-16，螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。(5)PN=2.5 MPa和DN=150mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得：DN=150mm接管外径A=159mm 法兰外径D=285mm 螺孔中心圆直径K=240mm螺孔直径L=22mm 螺孔数量n=8螺纹Th=M20mm 法兰内径B=161mm 法兰厚度C=24mm 法兰质量 7.61Kg。管法兰标记：HG20593-1997 法兰 PL150-2.5 RF Q235-A壳程接管法兰的选择与计算：(1)接管法兰的公称直径DN=200mm。(2)根据介质特性，设计温度t=150和接管材料，选定接管法兰材料为Q235-A。(3)根据管法兰的材质和t=150，按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则，根据化工设备机械基础查表10-29（D）最高无冲击工作压力得：管法兰的公称压力为2.5MPa。(4)根据PN=2.5MPa和DN=200mm查化工设备表4-6确定法兰类型为板式平焊法兰；查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片，由表4-15和表4-16，螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。(5)PN=2.5 MPa和DN=200mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得：DN=200mm接管外径A=219mm 法兰外径D=320mm 螺孔中心圆直径K=280mm螺孔直径L=18mm 螺孔数量n=8螺纹Th=M16mm 法兰内径B=222mm 法兰厚度C=22mm 法兰质量 4.57Kg。管法兰标记：HG20593-1997 法兰 PL200-2.5 RF Q235-A11 接管开孔补强的计算开孔补强的有关计算参数如下：（1）计算开孔所需补强的面积A 式中：A 由于开孔所削弱的金属截面积，。 d 开孔直径，圆形孔，d=+2C=200+2x（0.1x5+2）=205，为管内径mm。 圆筒或球壳开孔处的计算厚度，mm。 接管有效厚度，mm。 强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当时，取=1.0。=1，故取1.0。计算筒体的壁厚： 补强面积： （2）有效补强范围 有效宽度： 或 两者取最大值 B=410mm有效高度：外侧高度： 或=接管实际外伸高度=200mm两者取较小值 内侧高度： 或两者取较小值0mm（3）有效补强面积计算筒体有效厚度：选择与筒体相同的材料（Q235-B）进行补偿，故=1，所以 接管多余金属的截面积A2：接管计算厚度：接管多余金属面积 接管区内焊缝截面积A3：（接管与壳体采用插入式焊接，焊脚取0.7=3.5mm）有效补强面积A：因为，所以需要补强所需另行补强截面积A4:（4）补强圈厚度（补强圈内径，外径）考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度6mm，补强材料与壳体材料相同为Q235B。12 管箱的选择与计算（1）管程接管位置的最小尺寸： （C4S,S为壳体壁厚）所以：取150mm管程接管位置（2）壳程接管位置的最小尺寸： （C4S,S为壳体壁厚）所以：取200mm（3）根据管程接管到管板的位置最小尺寸为137mm,可确定管箱的长度300mm。13 拉杆和定距管的选用拉杆的结构形式有两种，换热管大于或等于19mm的管束，采用图（a）所示的拉杆定距杆结构，换热器外径小于等于14mm的管束，采用图（b）所示的点焊结构，当管板较薄时，也可采用其他的结构形式。图（a） 拉杆定距管结构图 (b) 点焊结构定距管的作用是将折流板之间的距离固定下来，并保持它与换热管垂直。当换热管外径大于等于19mm时，定距管外径与换热管相同，根据换热器设计手册，定距管的尺寸同换热管的尺寸相同，材料选用碳钢Q235-B。外径为19mm2mm。折流杆换热器结构较紧凑，折流外圈，内径差值小，在选用GB 151-1999 管壳式换热器所给定的拉杆总截面积的前提下，改变拉杆直径和数量，通常的做法是采用较多的拉杆数量和较小的直径，但直径不得小于10mm，数量不得小于4根。根据换热器设计手册查表1-6-37与表1-6-38得：拉杆的直径为12mm，拉杆的数量为10根。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对大直径的换热器，在布管区或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。根据折流板的间距为300mm,初步确定折流板的块数为29个，可计算出拉杆长度为8400mm。 根据换热器设计手册查表1-6-36得拉杆的连接尺寸按下表确定，定距管长度按需要而定。拉杆的连接尺寸拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb121215502.014 选择换热器支座并核算承载能力卧式换热器选用鞍式支座（JB/T4712-1992）按照壳体公称直径DN=1000选用重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B450-FJB/T4712-1992鞍座B450-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=0.785 m3；查附录2，可查得：公称直径为1000mm的椭圆形封头的容积Vf=0.1505 m3。 由上换热器的容积约为：V=VT+Vf=0.78510+0.15052=8.151 m3 水压试验是筒体内的水重W1=7987.98查附录1，可查得：公称直径DN=1000mm,壁厚=8mm的筒体每立方长的重量为197.192；查附录3,可查得：封头的重量为72.1。可算出壳体重量为：W2=197.19210+72.12=2166.12估计其他附件的重量为200。换热器的总重量W总=WI+W2+W3=7987.98+2166.12+300=10454.1,其总重Q为1045.41KN。根据化工设备机械基础由表13-4，可查得：重型带加强垫板的鞍座允许载荷=555KN，故选择一对满足强度要求。综上所诉所选择的鞍座结构如下表：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/Kg100055520094017014102001035087060086 15.管板与壳体的连接壳体与管板的连接采用焊接形式，随壳体直径、承受的压力及流体的物性变化，所选用的焊接方法也有所不同。延长部分兼作法兰连接时，由于壳体壁厚mm12mm，壳程设计压力P=0.11MPa1 MPa其连接形式如3-10图所示：图3-10 管板与壳体的连接管子与管板的连接管子与管板的连接，在工程生产中主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等几种形式。强度焊接目前是换热管与管板连接应用较为广泛的一种形式。焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分由泄露时，可补焊，如需要更换换热管，可采用专用刀具拆卸，比胀接方便。其一般焊接结构如3-11图所示 图3-11 换热管强度焊结构形式和尺寸表3-5 换热管外伸长度换热器规格（外径d壁厚）192换热管最小伸长度/1.5最小坡口深度/2管板与容器法兰的连接固定管板式换热器的管板兼作法兰，与管箱法兰连接型式比较简单，除了满足工艺上的要求，选择一定密封面型式，按压力、温度来选用法兰的结构型式。其连接结构简图如3-12所示：图3-12 管板与法兰连接pdd=-=-=