毕业设计（论文）固定管板式换热器设计说明书

湖南化工职业技术学院 湖南化工职业技术学院 第1页 设计条件1.操作压力介质 清洁液体2.操作压力 壳程0.2MPa 管程0.8MPa 3.操作温度（入口/出口）壳程27/50 管程90/524.程数 壳程1 管程15.换热管 外径25mm 总长6000mm 6壳程圆筒内直径800mm 固定管板换热器设计设计者： （湖南化工职业技术学院装备0812班）摘要 主要设计的是固定管板换热器，针对换热器中所需要的材料，标准零件,结构尺寸大小，作了详细的分析，从而使换热器达到工艺要求。对材料，标准零件,结构尺寸的要求,主要从四个方面考虑：安全性能要求 （强度、韧性、刚度、耐蚀性、密封性）；工艺性要求（生产效率、能耗）；使用性要求（结构、安装、维修、制造）；经济性要求，并运用AutoCAD制图，,绘制出固定管板换热器总装配图。关键词 固定换热器 法兰 壳体 管板 换热管 折流板三.设计概述 3.1.热传递的概念及意义1.热量传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。2. 化学工业与热传递的关系化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态变成另一个平衡状态所需的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。3.传热的基本方式根据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：（1）热传导（又称导热） 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。（2）热对流（简称对流） 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中，产生原因有二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移的自然对流；二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动的强制对流。此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。（3）热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量的转移。 3.2.换热器的作用及运用情况在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。3.3.换热器的分类与特点1.管式换热器 根据结构形式的不同，管式换热器可分为四种类型，即：管壳式、蛇管式、套管式、翅片管式。（1） 管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是典型的换热设备，再设计、制造和选用方面，许多国家都有相应的规范和标准。管壳式换热器是通过管子壁面进行传热的换热设备， 换热设备中应用最为广泛。虽然在换热效率、结构紧凑和金属消耗量方面不及其他类型的换热器，但它具有结构坚固，可靠性高，选材范围广，耐压，耐温，操作弹性大等独特的优点。（2） 蛇管式换热器蛇管式换热器是把换热管（金属或非金属）按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形、螺旋形和长蛇形等。奇特点事结构简单、造价低廉、检修清洗方便。对所需传热面积不大的场合比较适用，同时，因管子能承受高压而不易泄漏，常被高压流体的加热或冷却所采用。按使用状态不同，蛇管式换热器又分为沉侵式蛇管换热器和喷淋式蛇管换热器。喷淋式蛇管换热器和沉侵式蛇管换热器相比，具有便于检修、清洗和传热效果较好等优点。其缺点是喷淋不均匀。(3) 套管式换热器 套管式换热器是由两种不同直径的标准管子组装成同心圆的套筒，然后由多段这种套管连接而成。每一段套筒称为一程，每程的内管用U形弯管顺次连接，而外管则以支管与下一程外管相连接。由此组成多段同心圆套管换热器，程数可根据传热要求而增减。它的优点是：1、结构简单2、耐高压3、传热面积可根据需要增减4、适当地选择内管和外管的直径，可使流速大增5、冷、热流体可作严格的逆流，传热效果好。缺点是单位传热面金属消耗量太大，检修、清洗和拆卸都比较麻烦，在可拆连接处容易造成泄露。该类换热设备通常用于高温、高压、小流量流体和所需传热面积不大的场合。（4） 翅片管式换热器 翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器结构基本相同，只是用翅片管代替了光管。由于传热加强、结构紧凑，故可称作紧凑式换热器。它的主要优点是：传热能力强，与光管相比，传热面积可增大2-10倍，传热系数可提高1-2倍。结构紧凑，由于单位体积传热面大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅片管换热管子少。壳体直径或高度可减少，因而结构紧凑且便于设置，可以更有效合理地利用材料。缺点是造价高和流阻大。3.4.管壳式换热器介绍 管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1）工作原理：管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。2）主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围大。换热器设计要求序号特别要求1对事故工况的校核2对管箱隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和U形管束固定管板外径延伸，使管板兼作试压法兰时的强度校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形时，终压温度的检测12壳体直线度的检测13氢工况的判别及材料要求 湖南化工职业技术学院 第5页序号计算及说明依据结果 一、换热器管设计计算1、换热器管材料选择及论证 论证：从换热管需要承受压力或其他载荷、钢管应该有足够的强度，考虑材料的焊接和冷热加工性能，换热器的使用功能和制造工艺，材料的来源与价格等综合原因根据工作介质清洁流体和操作条件选用:碳素钢10（GB8163-87） 2、钢管的设计压力P=(1.051.1)PW =(1.051.1)x0.8 =(0.840.88)MP=0.840.88Mpa取Pd=0.85Mpa3、钢管设计温度 90 + 20 =1100C 4、腐蚀裕量钢管材料为碳素钢10查表得 C2 =1 mm 5、钢管厚度负偏差C1 = 0.15mm 6、钢管许用应力 t = 108Mpa 钢管的焊缝系数，因为采用无缝钢管 =1.07、换热管的厚度计算：只有壳程设计压力Ps,管程设计压力Pt=0 只有管程设计压力Pt,壳程设计压力Ps=0壳程设计压力Ps和管程设计压力Pt同时作用，计算结果应满足 管程 壳程 取其大者比较，作为其厚度，管道外压 管道内压： = =0.10mm =+ =0.10+1=1.10mm+=1.10+0.15=1.25mm 综合上式比较，这些基本受外压的有效厚压管计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度但实际厚度应查：GB8163常用换热器的规格和尺寸偏差 GB8163-87 (外径偏差) (壁厚偏差) 则换热管厚度为2.5mm二、换热器筒体设计计算 1、换热管排列方式确定由于介质为清洁的液体，不需要进行机械清洗。 因此选正三角形排列2、换热器换热面积与管板布管区当量计算换热面积采用多管程结构，利用图画法估算出管子根数及管子分布。 因为管子与管板采用焊接结构管子中心距取：管子最外层管子中心距距壳体内表面距离不小于 所以管数最多的一排管数为： ，则取管数去24+1=25除去拉杆管子 利用图算法计算管子排数 400-192=208排 算出管子数目为 换热管正三角形排列中心距为32mm,换热管换热面积及管板分管区当量直径计算 对于单管程换热器 管板布管区面积,三角形排列: =199526.4 管板布管区当量直径: 3.根据圆筒的公行直径数据: 取 4.换热器筒体材料及设计参数的选择根据 a.换热器设备使用和操作条件 b.考虑材料的焊接和冷热加工性能 c.设备的使用功能和制造工艺 d.考虑材料的来源与价格以上的各种情况来看,取GB-6654 16MnR结构钢板作为筒体的材料 设计参数的选择 筒体的设计压力:1）、 P=(1.051.1)PW =(1.051.1)x0.2 =(0.210.22)MP=0.210.22Mpa取Pd=0.21Mpa2）、筒体的设计温度 50 + 20 =700C 3）、腐蚀裕量筒体材料为16mnR查表得 C2 =1.5 mm 4）、钢管厚度负偏差C1 = 0.8mm 5）、筒体的许用应力 t =150Mpa6）、筒体的焊缝系数，因为采用2面焊局部检测 =0.85 5.换热器筒体厚度计算 内压薄壁圆筒体的计算厚度为: 设计厚度 名义厚度 圆整，取 有效厚度 6、液压试验校核液压试验时的压力为： =1.250.21150150=0.26 Mpa圆筒应力校核，由于容器承受的压力高于设计压力,为了防止容器产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒产生的最大应力不超过圆筒材料在试验温度下屈服点的90%，即 =(0.26+0)（800+3.7）23.7 =28.24Mpa 在试验压力下应满足下列条件则为合格查表得Mpa即所以液压试验的应力校核满足要求. 三、换热器封头设计封头材料选择与论证封头材料与筒体材料一致 GB-6654 16MnR论证：因各种工作条件、环境和筒体的一样，并且材料一致时，可以减少应力集中，以及它的局限性，故选择与筒体相同的材料。1、封头结构形式的选择封头是压力容器的重要组成部分。按其结构可分为凸行封头、锥行封头和平盖封头三类。采用什么封头需要根据工艺条件要求、制造难以程度及材料的消耗等情况来确定。根据经验，以及各种封头的程度和经济合理性进行比较，选择标准椭圆形封头来进行设计最为合理。2、封头厚度计算 椭圆形封头由半个椭封面和高为h的短圆筒，又称直边所组成，直边段的作用是避免筒体与封头间的环向连接焊缝处出现边缘应力叠加，以改善焊缝的受力情况，圆封头为冲压成型，则取1.0根据第一强度理论，并考虑焊接接头系数等因数，可得出标准椭圆形封头的厚度计算公式为：= 封头设计温度： 许用应力： P为0.85Pma与管道内的压力一致则 = =2.01mm设计厚度 =3.51mm 名义厚度 向上圆整去6mm有效厚度 根据数据，封头材料、厚度和直边的对应关系查表得高度h为25mm 。3、 封头校核选用的为标准椭圆形封头根据加工和制造即K取 1椭圆形风头的最大允许工作压力 即封头满足要求四、容器法兰的设计与选取1、根据DN=800, PN=0.85Mpa 设计温度为筒体及法兰材料为16MnR GB6654-1996 查1表1-28初选长颈对焊法兰2、 选定法兰公称压力 根据法兰材料、容器设计压力及操作温度公称压力为0.85Mpa 。 法兰材料16MnR的长颈对焊法兰在操作温度为110时是最大允许工作压力为1Mpa，适合该换热管使用。1 验证初步选取的法兰的使用性根据以上选定的法兰公称压力和设备内径（即法兰的公称直径），再查表1-29可知初步选取的长颈对焊法兰满足要求。 2选择密封面形式选择凹凸型密封面，它由一个凸面和一个凹面所组成，在凹面上放置垫片压紧时，由于凸面的外侧有挡台，垫片不会挤出来，可用于压力稍高外。 选用凹凸型密封面3查出相应尺寸法兰外径 D=1040mm螺栓孔中心直径 mm凹面密封面外径 D=965mm凹面密封面内径 D=955mm凸面密封面外径 D=952mm法兰盘厚度 =54mm短节高 H=110mm短节厚度 =14mm 螺栓孔直径 a=23mm螺栓数量 36个 螺纹 M20 写出法兰标记 法兰-MFM 800 1.0 JB/T4703-2000 =82837.125+58718=141555.125N1壁与圆筒壁温差所产生的轴向力F 筒体的横截面积 N根管子的横截面积 所以 =101919.69N =39635.435N管束内的拉应力壳体内的拉应力因为管体与管束的E值相等，而且壳体与管束的轴向弹性拉升应变值也是一样的，所以壳体与管束的轴向应力相同是理所当然的。2壳体和管束温度引起的轴向力 壳体和管束相互约束的内力Q 即 管子 壳体 代入式中得： =2.78mm = =1011762.513N将上述由静压与温度引起的轴向力综合起来在壳体上的应力应满足 =73.34Mpa 因为 满足条件。 在管子上的应满足 =28.66Mpa 所以 满足条件。 1 换热管与管板连接处的拉脱力当换热管与管板采用管子开槽胀接法连接时 管子与管板接处的拉力校验L取胀接长度L=50mm,则拉脱力 =1.29Mpa 所以 满足条件。 综合上述，各条件都满足条件，则不必设置膨胀 节。五、管板强度计算管板是管壳式换热器主要零部件之一，正确地分析管板的受力状况、合理地确定管板的厚度，对保证换热器的安全运转、约材料、降低成本起着相当重要的作用。延长部分兼作法兰的管板厚度表 使用说明：按管板设计压力，壳体直径 查表，管板厚度设计值为50mm，材料为16Mn (锻件) 按设计温度为定许用应力 换热管与管板的连接采用胀接，在管板中开环行糟。 由管板厚度大于25mm，开两个槽伸出长度2mm，槽深0.5mm。 胀接是的最少胀接长度取下列三者最少a. 管板的名义厚度减少3mmb. 50mmc. 两倍的的换热管直径 综上所述，胀接长度取50mm 管板兼作法兰：此结构对胀接或焊接接口进行检查和修理。以及清洗管子都比较方便。六、折流板的计算 1 选择材料折流板的材料同筒体材料一样 16MnR2 确定类型折流板作用是增加管间流速，以提高传热效果因选单弓形折流板。3 设计尺寸缺口高度h一般取 取折流板间距 B=600mm折流板厚度取 8mm折流板外直径为 折流板管孔直径为 折流板数目 拉杆直径取， 定为6根拉杆， 材料为16MnR4 折流板用拉杆和定距管固定拉杆的一端可用螺纹连接、管板、折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆端螺纹固定。 5 拉杆两端的螺纹直径及长度 七、接管法兰的选取根据工艺要求对换热器开两个进口，两个出口和一个排污口，大小型号一致，接管材料为20R，接管的外径为 mm1 确定管法兰的公称直径因管子的外径为159mm，查表31-34 得公称直径为150mm2. 确定管法兰的公称压力 根据管道的设计压力不得高于设计温度下管法兰的最大允许工作压力的原则，选择法兰材料为20R3. 选择管法兰及密封的形式 根据法兰的公称直径和公称压力可知合适的法兰为带颈平焊法兰、合适的密封面形式为凹凸面。4查取相关尺寸 法兰的连接尺寸与特征尺寸如下 法兰外径 D=285mm 螺栓孔中心圆直径 K=240mm 螺栓孔直径 L=22mm 螺纹公称直径 螺栓孔数量 n=85. 法兰标记 HG20594-1997 法兰 SO150-4 MFM150-46 垫片选用非金属MFM型垫片标记为 HG20606-1997 MFM150-4垫片内径 垫片外径 垫片厚度 八、开孔补强接管的公称直径为150mm,取接管伸出长L=200mm开孔避免与焊缝相交材料为10号钢，腐蚀裕取1.51 补强辨别GB150规定，如果壳体开孔同时满足下列三个条件时可以不另行补强a.设计压力不大于2.5Mpab.相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的2倍c.管公称外径小于或等于89mm 2 补强计算计算开孔后被削弱的金属横截面积A，查表13-10确定钢板的厚度负偏差为得壁厚附加量为 3. 孔直径 满足允许开孔的范围条件故可采用等面积法进行开孔补强计算 所以，取 筒体开孔处的计算厚度 接管有效厚度 开孔削弱所需要的面积 确定补强有效宽度范围 故取大值，则 外侧有效高度 取 其中，筒体开孔有效厚度 3 壳体多余截面 接管多余截面 所以 焊缝金属截面积，取焊角高度为8mm 故焊缝截面积 用来补强的金属面积 由于A 故不需要另行补强 1 表1-31表1-121表1-181表1-171表1-151表1-161P591P452表101表1-181表1-171表1-141 表1-161式1-161表1-1411-191 表1-293 表3-63表3-103 表1-343 表1-33碳素钢10Pd= 0.85MPatw = 1100CC2 =1 mmC1 = 0.15mmt = 108Mpa =1.0=0.10 选正三角形排列管子数目225S=105.985=0（液压静力不计取0）标准统一封头K值均去1。h=25mm=15185.04mm=38857.5mm=101919.69N=39635.435N=2.62Mpa=2.61MP=2.78mmQ=1011762.513N=73.34Mpa壳体上的应 力满足条件=28.66Mpa 壳体上的应 力满足条件满足条件管板厚度50mm材料为16Mn材料16MnR选单弓形折流板L=600mm厚度8mm=794mm管孔直径为25.7mm直径拉杆为6根公称直径为150mmC=2.3mmd=154.6mmA=114.4mmB=309.2mm=457.62mm 致谢语 在这最后一个学习环节里，毕业设计使我在掌握基本理论，基本知识，使我在设计运用上有了心了进一步的提高，并培养了我继续学习的动力。形成能观察周围的事物积累经脸，善于思考，为以后走向工作岗位打好良好的基础，在设计过程中，得到了李琴老师以及各位同学的大力帮助，使我能够圆满的完成这次毕业设计在此表示衷心的感谢。篇者:邓人玮2010年11月30号 参考文献1向寓华主编 化工容器与设备 高等教育出版社2GB1511999 管壳式换热器3王明辉主编化工单元过程课程设计化学工业出版社 - 31 -