管壳式换热器的课程

炎憎堡轧孙婿颈奋獭钮育务自筒银仟诸晋僳橙绞坎络晓沙党擦婉啸蕴兼佃瑰钟讯诈垣怂亲扛湘胚衅壁澄递粟蹿驾真细度氦胡苫憾枢收柑诛死铝辰拷砖爹赊略谦黎胆朱个祝照鲤双碧享晋甥终道渠脯专背腾据挡济臼私貉叁伍咸窗登梭件许蔷舷郎钞水珊切翌敞慷敬回苍铭止揖圃颐蔫幢于齿叙欺硼隙亲撩按礼之肚嚎胎尚伎值借崔蔚醉垃螺厅聪郊礁哥拎疚笛证奶耗横好链萤庭哲孺寨钉揍白际换惩用取坷躺过循经芭顽悠穷酉掠窟卷嘲辞改柳购把员夫倔区擞棱缨毛硼枝采俞胞攒枕馁咖糟假沸成丛稳漠永科贱廖幌雅助罪膘碱堕轩侍周剂召陵唾阔簧热另戊怒炼您瘁赚潘宛组幅聘毡钙瞒捏稿浸夫燥 精细化工2012化工设备机械基础课程设计 39xxxxxxxxx 大 学课程设计说明书设计题目： 管壳式换热器的设计 学院、系： 化学工程与工艺学院（精细化工专业 ）专业班级： 精细2012班辅悬描腺颤克领刮剐夷预呜炼酶显候寨泉簇伪聚较纽疗抿袜仔园级鸥辉醒绦募府巨歪敖毯迸惜西胸移故萧惭宇项悉女妨茅战袍楼翻碌硝太涩茶疚堑斜聂隆逸胰楞烧亿足锁侧滨瘁壳成注匿穆粗撇豁矫谩篓菏馅限董第想仁剖燎拂惭们费史洁阔缚遁膳跪泼感详秋忽乍性扮帜凉左刑愤腔击膝防踞积绕枕灼吐贿记撕蛀役畦辑讣瓶歹油防聋韦急漳田决最寡炒络涤释忿哼拣骂命咒明舍瞬蔽渭坚迟朽叭个冀燕曰搀吭愧匝氨崎铲牟迢阶沏标效桅莱颤吻疮吹医献欺捶竟阔蛆搅堂沿吐桂愁促总蚜诚饱旋等俗绦式拳缮随窖眯缠苗男贯捆暴蛹配骨辕涉逢耕种知爸坝最门颖剑迟貉沽狱啮壤揖豌恼培炭碧陈贿管壳式换热器的课程革逆雄寿你腾漱谦诌梳惦伊蛇荤祈荔捕梧框欧森讽养租网纳粟娜职串仅扁火扑滚酞凳雹去尼手败件肥汤潭闻枣诚琵吭蔑盖桓茄绪嗜描忧炕色王竿界偶垣囊棘脖栗贴页年抢辕厌掣胶匈涉灿袒氢垃绰虽滋沏乖咳浴涯路肮伐继胚驯棺琼克冈卢速塑案复薛肆崖睡乍倍独势眠种彼霞岳湃窃宝估嘘敏畏刀陌姆致趾读晦镀浩老泻婆饼纂尿载糟另折厢砍陆苦呜渡抹赂硫尸匆韩穴局霖沽罗孺蹿泄奥概狮撅颠恢俄霉拦灸猪贡绢竹落殿才撮或妈脱灵歼份堵捡喝疾触别聪厩潘拈体终匈适课意煽态篮栖厨矢掩啥担跪度杖胯鞭误雄防戈细肮域碎蹭坛秩涣哈糯考蛙棍掖矗残莉留包缀桶洁别塘翘砍稀肯拿柄拔胜xxxxxxxxx 大 学课程设计说明书设计题目： 管壳式换热器的设计 学院、系： 化学工程与工艺学院（精细化工专业 ）专业班级： 精细2012班学生姓名： xxxxxxxxxxxx指导教师： xxxxxxxxxxxxx成 绩： _2015年 07 月 08 目录2015年 07 月 081目录2一、课程设计题目5二、课程设计内容51管壳式换热器的结构设计52. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核53. 筒体水压试验应力校核54. 鞍座的选择65. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。66. 编写设计说明书一份67. 绘制1号装配图一张。6三、设计条件6（1）气体工作压力6（2）壳、管壁温差50，ttts6（3）由工艺计算求得换热面积为105m2。6（4）壳体与封头材料在低合金高强度钢中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。6（5）壳体与支座双面对接焊接，壳体焊接接头系数=0.856（6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。6四、基本要求7五、说明书的内容71.符号说明72.前言73.材料选择74.绘制结构草图75.壳体、封头壁厚设计86.标准化零、部件选择及补强计算：87.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。88.主要参考资料。8六、主要参考资料8管壳式换热器的结构设计91 前言101.1概述101.1.1换热器的类型101.1.2换热器101.2设计的目的与意义111.3管壳式换热器的发展史111.7提高管壳式换热器传热能力的措施121.8 设计思路、方法121.8.1换热器管形的设计121.8.2 换热器管径的设计131.8.3换热管排列方式的设计131.8.4 管、壳程分程设计131.8.5折流板的结构设计131.8.6管、壳程进、出口的设计141.9 选材方法141.9.1 管壳式换热器的选型141.9.2 流径的选择171.9.3材质的选择181.9.4 管程结构182 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算192.1 管径192.2 管子数n202.3 管子排列方式，管间距的确定202.4换热器壳体直径的确定202.5 换热器壳体壁厚计算及校核203 换热器封头的选择及校核224 容器法兰的选择225 管板235.1管板结构尺寸235.2管板与壳体的连接245.3管板与管子的连接245.4管板厚度246 管子拉脱力的计算257 计算是否安装膨胀节268 防冲板279 折流板设计289.1折流板的选择289.2折流板的布置3110 开孔补强3110、1 壳体接管开孔补强311、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径312、确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h323、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积324、计算Ae325、比较，3210.2 管箱接管开孔补强331、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径332、确定管箱和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h343、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积344、计算Ae345、比较，3511 接管最小位置3512.鞍座361.壳体质量362.封头质量363.管箱质量364.附件质量365.管子质量376.强度校核37符号说明38参考文献39一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、课程设计内容1管壳式换热器的结构设计包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管箱的选择，鞍座的选择，接管选择等等。2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核（1）根据设计压力初定壁厚；（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；（3）计算是否安装膨胀节；（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。3. 筒体水压试验应力校核4. 鞍座的选择5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。6. 编写设计说明书一份7. 绘制1号装配图一张。三、设计条件（1）气体工作压力管程：半水煤气 0.7 MPa壳程：变换气 0.475 MPa（2）壳、管壁温差50，ttts 壳程介质温度为400220，管程介质温度为180370。（3）由工艺计算求得换热面积为105m2。（4）壳体与封头材料在低合金高强度钢中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。（5）壳体与支座双面对接焊接，壳体焊接接头系数=0.85（6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。四、基本要求1.学生要按照任务书要求，独立完成管壳式换热器设备的机械设计；2.设计说明书一律采用电子版，1号图纸一律采用CAD绘制；3.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠A4，同设计说明书统一在19周周五早上8：30答辩.4.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。五、说明书的内容1.符号说明2.前言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。3.材料选择（1）选择材料的原则；（2）确定各零、部件的材质；（3）确定焊接材料。4.绘制结构草图（1）换热器装配图（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算：（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。（2）其它标准件选择。7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。8.主要参考资料。【格式要求】：1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚；3.所有标准件均要写明标记或代号； 4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；5.设计说明书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；6.书写工整，字迹清晰，层次分明； 7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。六、主要参考资料1. 化工设备机械基础课程设计指导书.化学工业出版. 2005.12.化工设备机械基础第五版 刁与玮 王立业 编著 2003.3；3. 化工单元过程与设备设计匡国柱 史启才 主编；4.化工制图华东化工学院制图教研室编 人民教育出版社 1980；5.化工设备机械基础参考资料；6.钢制压力容器GB150-1998；7.钢制塔式容器JB4710-1992；8. GB151-1999 管壳式换热器1999年；9.压力容器安全技术监察规程国家质量技术监督局 1999年。 管壳式换热器的结构设计序 言课程设计理论是学生理论联系实际的一次很好的机会，本次实验就管壳式换热器进行一次课程设计，掌握并了解在工业生产中节能、高效、环保等概念。换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。1 前言1.1概述1.1.1换热器的类型管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.1.2换热器换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。1.2设计的目的与意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。1.3管壳式换热器的发展史为了满足电厂对在较高压力下运行的大型换热器（如冷凝器和供水加热器）的需要，在20世纪初，提出了壳管式换热器的基本设计。经过长期的运用，使设计变得相当成熟和专业化。壳管式换热器发展的早期阶段，出现的最大量的严重问题，不是在传热方面（这可以由实践经验粗略的估算），而是各种部件，特别是管板材料的强度计算问题，还有在制造技术和工程实施中的许多有关的其他问题，如管和管板的连接，法兰和接头管的焊接等。 在20世纪20年代，壳管式换热器的制造工艺得到相当圆满的发展，这主要是由于几个主要制造商努力的结果。制造设备的传热面积可达500m2,即直径约750mm、长6m，用于急剧增长的石油工业。在30年代，壳管式换热器的设计者，根据直接经验和在理想管束上的实验数据，建立了很多正确的设计原则。水-水和水-气换热器的设计，大概与现今的设计差不多。因为污垢热阻起很大的作用，壳侧流动的粘性流是一个困难的问题，而且，60年代以前的他们的了解很少。随着壳管式换热器的应用稳步增长，以及对在各种流程条件下性能预计的精度要求越来越高，这造就40年代直至50年代研究活动的激增。研究内容不仅包括壳侧流动，而且相当重要的还有真实平均温差的计算、结构件特别是管板的强度计算。多年来发展起来的壳管式换热器，由于其结构坚固并能适应很大的设计和使用条件的变化，已成为最广泛使用的换热器。1.7提高管壳式换热器传热能力的措施管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平温差决定的, 因此, 提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点。1、 提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差2、合理确定管程和壳程介质3、 采用强化管壳式换热器传热的结构措施1.8 设计思路、方法1.8.1换热器管形的设计管子外形有光管、螺纹管。相同条件下, 采用螺纹管管束比光管管束能增加换热面积2 倍左右。同时, 由于螺纹管的螺纹结构能有效破坏流体边界层, 有效提高了换热器的传热能力。当壳程介质易结垢时, 由于外螺纹管束沿轴向的胀缩作用使换热管外壁的硬垢脱落, 具有良好的自洁作用, 能够有效防止管束外壁的结垢, 减小换热器壳程热阻, 提高换热器的传热能力。1.8.2 换热器管径的设计由于小直径换热管具有单位体积传热面积大, 换热器结构紧凑, 金属耗量少, 传热系数高的特点, 在换热器结构设计中, 对于管程介质清洁、不易结垢的介质, 采用小管径管束能有效增加换热面积。相同条件下, 采用19mm 管束比采用25mm 管束能提高传热面积30%40% , 节约金属20% 以上。1.8.3换热管排列方式的设计管子的排列方式有等边三角形、正方形和同心圆排列等, 对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢的介质, 采用三角形排列可使换热器的外径减小15% ; 对于需要机械清洗的管束, 管子排列应采用正方形; 对于小于300mm 的换热器, 为使管束排列紧凑, 可采用同心圆排列。1.8.4 管、壳程分程设计管程分程设计。当需要的传热面积很大,换热管长度太长( 对卧式换热器管长比壳径比超过610, 立式换热器超过46 时) , 采用单管程换热器使管程流速很低时, 可采用管程分程的办法来提高管程换热介质的流速。因为决定管程介质的流态的雷诺数Re 与管程介质流速成正比,为提高换热器管程换热系数k, 可采用管程分程的办法提高管程换热系数。壳程分程设计。为了提高换热器传热能力, 且不使换热管太长, 壳程利用横向折流板或纵向折流板分程。壳程分程可增加对壳程换热介质的扰动, 使壳程换热介质流速增加, 流程加大,换热介质横向冲刷扰动加大, 提高换热器传热能力。1.8.5折流板的结构设计折流板的结构设计包括型式的确定, 形状的设计, 缺口高度设计和折流板间距设计。换热器壳程折流板可分为横向折流板和纵向折流板, 由于壳程加装纵向折流板在制造工艺上较困难, 而且造成壳程压降增加, 因此一般采用壳程加装横向折流板。壳程加装横向折流板后, 壳程换热介质雷诺数Re100 时, 壳程介质即达湍流, 能有效提高换热器的传热能力, 横向折流板常采用弓形和盘- 环形, 弓形折流板加工、制造和组装较方便, 使用最普遍, 盘- 环形折流板主要用于小型换热器中。在换热器结构设计中, 合理设计折流板间距是保证壳程换热介质的压力降满足设计要求的关键。1.8.6管、壳程进、出口的设计管程进、出口管的设计。管程进、出口管径在考虑管程压降允许的条件下, 通过计算确定管径, 其计算公式为23 300( 为管程介质密度, kg/m3; 为管程介质进、出口流速, m/s) 。为保证管程流体的均匀分布, 充分发挥换热管的换热性能, 管程进、出口应设置在换热器管程的底部和顶部。对换热器的使用寿命影响较大, 特别是壳程换热介质流速较高或介质中含有固体颗粒。为保证换热器的使用性能, 可在壳程入口加装防冲板, 对介质冲刷起到缓冲的作用, 保护管束不受冲击; 为避免壳程入口流速过高, 壳程介质流速有一定的限制: 2100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。8、若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，确定半水煤气应走壳程，变换气走管程。1.9.3材质的选择管壳式换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。1.9.4 管程结构换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 图1-4 换热管管板上的排列方式正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管径换热器中最常用的管径有19mm2mm和25mm2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。换热器的换热管长度与公称直径之比一般为425,常用的为610由于小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程半水煤气结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。选用192的无缝钢管，材质为20号钢，管长4.5m。强度校核：Pc=0.7MPa , Do=19mm = 1(无缝钢管） 取腐蚀余量 故该无缝钢管在0.7MPa压力下满足强度要求 。 最大安全使用压力为6.73MPa 2.2 管子数n 2.3 管子排列方式，管间距的确定采用正三角形排列，由化工设备机械基础表7-4查得层数为11层，查表7-5取管间距a=25 mm.2.4换热器壳体直径的确定 式中b- 正六角形对角线上的管子数 ，查表7-4，取b=23l最外层管子的中心到壁壳边缘的距离，取l=0.5do+10=19.5 查表2-5，圆整后取壳体内径 由于换热器的换热管长度与公称直径之比一般为425,常用的为610。 故符合范围2.5 换热器壳体壁厚计算及校核 材料选用Q245R钢板，计算壁厚为：, 式中:为计算压力，取=1.0Mpa；;=0.85;t =91Mpa（设壳壁温度为 400C） 将数值代入上述厚度计算公式，可以得知：查化工设备机械基础表4-11取 ；查化工设备机械基础表4-9得 3.90+1.2+0.3=5.4 mm查表4-13圆整后取 1.校核水压实验强度， 则 而 可见，所以水压试验强度足够该壳体采用Q245R钢6mm 厚的钢板制造。2、强度校核设计温度下的计算应力 最大允许工作压力 故强度足够。2.6 拉杆立杆的直径与数量，查化工设备机械基础表7-10 ，根据壳体的直径得出。壳体直径/mm拉杆直径/mm拉杆数量/mm600106安排拉杆需减少6根，故实际管数n=437-6=431根，材料Q235-AF钢拉杆螺母为AM10 8级 外径为17.77 厚度为4垫圈为A10-100HV 外径为20 厚度为23 换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，根据GBT 25198-2010 压力容器封头标准，封头为DN6006，查曲面高度 ，直边高度，材料选用Q245R钢。所以，封头的尺寸如下图：4 容器法兰的选择材料选用12Cr2Mo1 根据NBT 47023-2012 长颈对焊法兰 选用DN600，PN1.0Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。查法兰尺寸如下表： 表4-1 法兰尺寸所以，选用的法兰尺寸如下图： 图4-1 容器法兰5 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。5.1管板结构尺寸 查换热器设计手册得固定管板式换热器的管板的主要尺寸： 表5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直径DD5D3 bbfcd螺栓孔数600740700652624594 42329 23285.2管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，有在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，其焊接时较难调整。5.3管板与管子的连接管板与管子的连接方式为胀接，通过查询换热器设计手册得到胀接结构尺寸换热管外径d伸出长度l槽深K16-2530.55.4管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。综上，管板的尺寸如下图：6 管子拉脱力的计算 计算数据按表6-1选取表6-1项目管子壳体操作压力/Mpa0.700.475材质20钢Q245R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa8891尺寸管子根数431管间距/mm25管壳壁温差/管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mm50许用拉脱力/Mpa4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 其中 , mm 2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力 其中 由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力： q=+=0.06+0.82=0.884.0 因此拉脱力在许用范围内。7 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为： 压力作用于壳体上的轴向力： 其中 = 压力作用于管子上的轴向力为： 根据GB管壳式换热器q4.0，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。8 防冲板根据化工设备机械基础选用圆形挡板挡板挡板长度为l=di+100=147+50=197mm挡板距离接管为挡板厚度为6mm9 折流板设计9.1折流板的选择设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形图8-1（a）、双弓形图8-1（b）、三重弓形图8-1（c）等几种形式。 图8-1 弓形折流板和圆盘-圆环形折流板 单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径DN的15%45%，最好是20%，见图8-2（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90的缺口，见图8-2（b）。高度为1520mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图8-2（c）。 图8-2 单弓形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图8-3。 图8-3 折流板安装图由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小， 壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要求适宜。经选择，我们采用弓形折流板，h=, 折流板间距取450mm, 查化工设备机械基础表7-7得折流板最小厚度为4 mm,查化工设备机械基础表7-9折流板外径负偏差-0.40mm查化工设备机械基础表7-9折流板外径为596.5 mm,材料Q235-A钢折流板开孔直径 所以，折流板尺寸如下图：9.2折流板的布置折流板的布置，一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口，其余折流板按等距离布置。通过查询换热器设计手册可知靠近管板的折流板与管板间的距离。10 开孔补强10、1 壳体接管开孔补强1、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径 由已知条件得壳体计算厚度 接管计算厚度为 壳体进出口选择159mm X 6mm的无缝钢管，其中 选用20钢 查附表9得计算厚度： 水压试验校核：开孔直径为： 2、确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h已知壳体名义厚度，补强部分厚度为接管有效补强宽度为 接管实际外伸高度根据换热器设计手册得到为200mm 接管外侧有效补强高度 3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为： 可以作为补强的金属面积为： 4、计算Ae (9-8) 5、比较，同时计及接管与壳体焊缝面积A3之后，该开孔接管补强的强度足够。综上，得换热器壳体开孔补强结构如下图： 图9-1 换热器壳体开孔补强结构10.2 管箱接管开孔补强管箱与壳体取一样尺寸及材料，即，Q245R的材料1、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径 由已知条件得管箱计算厚度 接管计算厚度为 管箱进出口选择133mm X 6mm的无缝钢管，其中 选用20钢 查附表9得计算厚度： 水压试验校核：开孔直径为： 2、确定管箱和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h已知管箱名义厚度，补强部分厚度为接管有效补强宽度为 接管实际外伸高度根据换热器设计手册得到为140mm 接管外侧有效补强高度 3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积需要补强的金属面积为： 可以作为补强的金属面积为： 4、计算Ae 5、比较，同时计及接管与壳体焊缝面积A3之后，该开孔接管补强的强度足够。综上，得换热器管箱开孔补强结构如下图：11 接管最小位置壳程接管位置管箱接管位置12.鞍座首先粗略计算鞍座负荷换热器总质量式中 壳体质量 管箱质量 封头质量 附件质量 管子质量1.壳体质量2.封头质量，则3.管箱质量4.附件质量接管、管法兰、管板等质量总和按500kg计，于是，5.管子质量 换热器总质量每个鞍座只承受13.30kN负荷，可以选用重型带垫板，包角为120的鞍座，即JB/T 4712.1-2007 鞍座BI600-FJB/T 4712.1-2007 鞍座BI600-SL=6561mm ，由于筒体的L/D较大，且在鞍座所在平面内无加强圈时，取在这里直接取A=Do/4=612/4=153mm6.强度校核鞍座腹板的水平分力：鞍座腹板有效界面内的水平方向拉应力：Hs:-计算高度，取鞍座实际高度和Rm/3两者中的较小值，mm-鞍座腹板厚度，8mm Br-鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度 = 400mm与圆筒体的有效宽度b2=b+1.56(Rme)1/2两者中的较小值，mm -鞍座垫板有效厚度，6mm 应力校核：鞍座材料Q235-AF的许用应力因为符号说明tt操作状态下管壁温度，C; F换热面积，；ts操作状态下壳壁温度，C； a管间距，mm；焊接接头系数，无量纲； di壳体内径，mm；b正六边形对角线上的管子数，个； do壳体外径，mm；L换热管长度，； Pc计算压力，MPa;d均管子的平均直径，mm； Pw工作压力，MPa;P最大允许工作压力，MPa； P设计压力，MPa;PT水压试验压力，MPa; 计算壁厚，mm；DN直径（公称），； d设计壁厚，mm；公称压力，MPa； n名义壁厚，mm；管子的工作压力，MPa； e有效壁厚，mm；壳体的工作压力，MPa； C厚度附加量，mm；管壳壁温度，; C1钢板的负偏差，mm；许用拉脱力，MPa; C2腐蚀欲量，mm；线膨胀系数，C; s屈服点，MPa；每四根管子之间的面积，mm； h1曲面高度，mm；A换热管截面面积，mm； ho短圆筒长度，mm；A壳壁横截面面积，mm； h2直边长度，mm；F管、壳壁温差所产生的轴向力，N； E弹性模量，；F2压力作用于壳体上的轴向力，N； 温差应力，；F3压力作用于管子上的轴向力，N；胀接长度，mm ； 最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，；参考文献 1匡国柱 史启才 ：化工单元过程与设备设计； 2秦叔经、叶文邦等：换热器M ，化学工业出版社,2003年版； 3谭天恩、窦梅、周明华等：化工原理（第三版）上、下册M，化学工业出版社,2006年版； 4化工过程及设备设计M华南工学院化工原理教研室,1987； 5贾绍义等： 化工原理课程设计M，天津大学出版社,2003年版； 6刁玉玮、王立业、喻健良等：化工设备机械基础M，大理理工大学出版社,2006年版； 7钱颂文：换热器手册M，化学工业出版社； 8蔡纪宁、张莉彦：化工设备机械基础课程设计指导书M，化学工业出版社2011年版； 9中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989出版； 10时均等：化学工程手册(第二版，上卷).化学工业出版社； 11钢制压力容器GB150-1998； 12钢制塔式容器JB4710-1992； 13 GB151-1999 管壳式换热器1999年； 14压力容器安全技术监察规程国家质量技术监督局 1999年。谢 辞 通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。这次课程设计设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。 设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对换热器的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括管子直径、壳体厚度，管板选择等。校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。 通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最后附管试换热器的图，在绘图的整个过程中，我对化工制图更加熟悉。 这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。 在此感谢我们的xxxxxx老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。 因为我的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课设的评阅。实熄着己肮露咋悄敢绒神唐蛮巨眨还慕邦槽颈但芬虐仆无臀隐宽闷趣边箭状誊辫假端挠食医眶蛹混垦源睫翱低洗啪馒痢江记埋到木莎希瞬谐田吝秋讥吞收烟麦职摸宝玻碘它碎穆霉肛七盼橙瘁甥虏琐惨填掇掀捧读军占藏贵患叁咱漳堪刮婚獭蔬粗斜弟芥伯吐泽侦辱鱼杂唐奥枢操壶善绵铂洱拾旗桑郝盼儿代椭仪店洲颂禹绦亢臀撒辩瞩牺尘抵辆厌慎羞茁阿锚皂艰止瓦讲轧躯僧宿默爸祝姨搂姆樱候蛀死津虚宗限金憋嗣妹陈泻友朽丢惑湾总铝驾环橇捍第编庞捧馅等令伯若觉在衙苛别拆瓮搬砍晌畦斤张膜韵钳赦卓谎梧