1、一、課程設(shè)計(jì)題目管殼式換熱器的設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1 .管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：管子數(shù)n,管子排列方式，管間距的確定，殼體尺寸計(jì)算，換熱器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管板尺寸確定塔盤結(jié)構(gòu)，人孔數(shù)量及位置，儀表接管選擇、工藝接管管徑計(jì)算等等。2 .殼體及封頭壁厚計(jì)算及其強(qiáng)度、穩(wěn)定性校核(1)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力初定壁厚；(2)確定管板結(jié)構(gòu)、尺寸及拉脫力、溫差應(yīng)力；(3)計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)；(4)確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。3 .筒體和支座水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核4 .支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核包括：裙座體(采用裙座)、基礎(chǔ)環(huán)、地腳螺栓5 .換熱器各主要組成部分選材，參數(shù)確定。6 .編

2、寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份7 .繪制2號(hào)裝配圖一張，AutoCAD繪3號(hào)圖一張(塔設(shè)備的)。三、設(shè)計(jì)條件氣體工作壓力管程：半水煤氣0.75MPa殼程：變換氣0.68MPa殼、管壁溫差55C,tt>ts殼程介質(zhì)溫度為220-400C,管程介質(zhì)溫度為180-370C。由工藝計(jì)算求得換熱面積為140吊，每組增加10m2。四、基本要求1 .學(xué)生要按照任務(wù)書要求，獨(dú)立完成塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)；2 .設(shè)計(jì)說(shuō)明書一律采用電子版，2號(hào)圖紙一律采用徒手繪制；3 .各班長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織借用繪圖儀器、圖板、丁字尺；學(xué)生自備圖紙、橡皮與鉛4 .畫圖結(jié)束后，將圖紙按照統(tǒng)一要求折疊，同設(shè)計(jì)說(shuō)明書統(tǒng)一在答辯那一天早上8:30前，由班長(zhǎng)負(fù)

3、責(zé)統(tǒng)一交到HF5085 .根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書、圖紙、平時(shí)表現(xiàn)及答辯綜合評(píng)分。五、設(shè)計(jì)安排內(nèi)容化工設(shè)備設(shè)計(jì)的基本知識(shí)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管殼式換熱器設(shè)計(jì)制圖設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫設(shè)計(jì)人李海鵬吳彥晨王宜高六、說(shuō)明書的內(nèi)容1 .符號(hào)說(shuō)明2 .前言(1)設(shè)計(jì)條件；(2)設(shè)計(jì)依據(jù)；(3)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式概述。3 .材料選擇(1)選擇材料的原則；(2)確定各零、部件的材質(zhì)；(3)確定焊接材料。4 .繪制結(jié)構(gòu)草圖(1)換熱器裝配圖(2)確定支座、接管、人孔、控制點(diǎn)接口及附件、內(nèi)部主要零部件的軸向及環(huán)向位置，以單線圖表示；(3)標(biāo)注形位尺寸。(4)寫出圖紙上的技術(shù)要求、技術(shù)特性表、接管表、標(biāo)題明細(xì)表等

4、5 .殼體、封頭壁厚設(shè)計(jì)(1)筒體、封頭及支座壁厚設(shè)計(jì)；(2)焊接接頭設(shè)計(jì)；(3)壓力試驗(yàn)驗(yàn)算；6 .標(biāo)準(zhǔn)化零、部件選擇及補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：(1)接管及法蘭選擇：根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖統(tǒng)一編制表格。內(nèi)容包括：代號(hào)，PN,DN,法蘭密封面形式，法蘭標(biāo)記，用途)。補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。(2)人孔選擇：PN,DN標(biāo)記或代號(hào)。補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。(3)其它標(biāo)準(zhǔn)件選擇。7 .結(jié)束語(yǔ)：對(duì)自己所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行小結(jié)與評(píng)價(jià)，經(jīng)驗(yàn)與收獲。8 .主要參考資料?！靖袷揭蟆浚?.計(jì)算單位一律采用國(guó)際單位；2.計(jì)算過(guò)程及說(shuō)明應(yīng)清楚；3.所有標(biāo)準(zhǔn)件均要寫明標(biāo)記或代號(hào)；4.設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄要有序號(hào)、內(nèi)容、頁(yè)碼；5 .設(shè)計(jì)說(shuō)明書中與裝配圖中的數(shù)據(jù)一致。如果裝配圖中有修

5、改，在說(shuō)明書中要注明變更；6 .書寫工整，字跡清晰，層次分明；7.設(shè)計(jì)說(shuō)明書要有封面和封底，均采用A4紙，裝訂成冊(cè)。1前言11.1 概述11.1.1 換熱器白類型11.1.2 換熱器11.2 設(shè)計(jì)的目的與意義21.3 管殼式換熱器的發(fā)展史21.4 管殼式換熱器的國(guó)內(nèi)外概況31.5 設(shè)計(jì)思路、方法52殼體直徑的確定與殼體壁厚的計(jì)算2.1 管徑112.2 管子數(shù)n112.3 管子排列方式，管間距的確定112.4 換熱器殼體直徑的確定112.5換熱器殼體壁厚計(jì)算及校核113換熱器封頭的選擇及校核144容器法蘭的選擇155管板165.1 管板結(jié)構(gòu)尺寸165.2 管板與殼體的連接165.3管板厚度166

6、管子拉脫力的計(jì)算187計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)208折流板設(shè)計(jì)229開孔補(bǔ)強(qiáng)2510支座2710.1 群座的設(shè)計(jì)2710.2 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)2910.3 地角圈的設(shè)計(jì)30符號(hào)說(shuō)明32前言1.1 概述1.1.1 換熱器的類型管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一

7、定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50c以上）時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。1.1.2換熱器換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式

8、可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過(guò)壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場(chǎng)合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場(chǎng)合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流

9、體接觸時(shí)，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。1.2 設(shè)計(jì)的目的與意義換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體

10、溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來(lái)選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)同一種

11、形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。1.3 管殼式換熱器的發(fā)展史為了滿足電廠對(duì)在較高壓力下運(yùn)行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀(jì)初，提出了殼管式換熱器的基本設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)用，使設(shè)計(jì)變得相當(dāng)成熟和專業(yè)化。當(dāng)今已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀(jì)初也開始適應(yīng)石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油儲(chǔ)分和有關(guān)的有機(jī)流體的冷凝器這些設(shè)備需要在惡劣的野外條件下運(yùn)行，流體常常不干凈而且又

12、要求高溫和高壓，因此，設(shè)備便于清洗和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修理是絕對(duì)需要的。殼管式換熱器發(fā)展的早期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴(yán)重問(wèn)題，不是在傳熱方面（這可以由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題，還有在制造技術(shù)和工程實(shí)施中的許多有關(guān)的其他問(wèn)題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。在20世紀(jì)20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當(dāng)圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個(gè)主要制造商努力的結(jié)果。制造設(shè)備的傳熱面積可達(dá)500m2,即直徑約750mm長(zhǎng)6ml用于急劇增長(zhǎng)白石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設(shè)計(jì)者，根據(jù)直接經(jīng)驗(yàn)和在理想管束上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計(jì)原則。水-水和水-氣換熱器的設(shè)計(jì)

13、，大概與現(xiàn)今的設(shè)計(jì)差不多。因?yàn)槲酃笩嶙杵鸷艽蟮淖饔?，殼?cè)流動(dòng)的粘性流是一個(gè)困難的問(wèn)題，而且，60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應(yīng)用穩(wěn)步增長(zhǎng)，以及對(duì)在各種流程條件下性能預(yù)計(jì)的精度要求越來(lái)越高，這造就40年代直至50年代研究活動(dòng)的激增。研究?jī)?nèi)容不僅包括殼側(cè)流動(dòng)，而且相當(dāng)重要的還有真實(shí)平均溫差的計(jì)算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強(qiáng)度計(jì)算。多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的殼管式換熱器，由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固并能適應(yīng)很大的設(shè)計(jì)和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。1.4 管殼式換熱器的國(guó)內(nèi)外概況隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重，必然帶來(lái)更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品

14、質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已達(dá)96%,換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35%-40%其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，約70%其余30%為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。當(dāng)今換熱器的發(fā)展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系10該換熱器是當(dāng)前應(yīng)用最廣，理論研究

15、和設(shè)計(jì)技術(shù)完善，運(yùn)用可靠性良好的一類換熱器。目前各國(guó)為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強(qiáng)化傳熱主要有3種途徑提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差，研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程傳熱面方面。2殼體直徑的確定與殼體壁厚的計(jì)算2.1 管子數(shù)n選用32X3的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為20號(hào)鋼，管長(zhǎng)3m丁F=nd均Ln140d均Ln3.140.0293其中安排拉桿需減少6根，故實(shí)際管數(shù)n=517根2.2 管子排列方式，管間距的確定采用正三角形排列，由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-4查得層數(shù)為12層，查表7-5取管間距a=40mm.2.3 換熱器殼體直徑的確定Di=a(b-1)2l其中l(wèi)為最外層管子中心到殼壁邊緣

16、的距離其中b為正六角形對(duì)角線上的管子數(shù)b=25mm查表7-5,取管間距a=32mm取l=2d,Di=40x(251)+2x2x32=1088(mm)查表2-5,圓整后取殼體內(nèi)徑Di=1100mm2.4 換熱器殼體壁厚計(jì)算及校核材料選用Q245R1岡板計(jì)算壁厚為:PcDi2-t-Pc式中：pc為計(jì)算壓力，取pc=1.0Mpa；Di=1100mm9=0.85;仃t=108Mpa(設(shè)殼壁溫度為3000C)將數(shù)值代入上述厚度計(jì)算公式，可以得知=6.03mm1.011000=2920.85-1.0查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-11MC2=1.2mm;查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-9得C1=0.3mm查表4-13圓整

17、后取6n=9mm3換熱器封頭的選擇及校核上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)GB/T25198標(biāo)準(zhǔn)，圭頭為DN110CX8,查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-47得曲面高度h1=275mm,直邊高度h2=40mm材料選用Q245R下封頭與裙座焊接，4容器法蘭的選擇材料選用Q345R根據(jù)NB/T4703-2012選用DN110QPN1.6Mpa的樺槽密封面長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。所以，選用的法蘭尺寸如下圖7-48所示：5管板5.1管板尺寸的確定選用固定換熱器管板，并兼作法蘭，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得p=p=1.6MPa（取管板的公稱壓力為1.6MPa）的碳鋼板尺寸，如圖7-49所示：6管子拉脫力的計(jì)算計(jì)算數(shù)據(jù)按表7-13選取管子

18、操作壓力/Mpa0.750.7材質(zhì)20鋼20R線膨脹系數(shù)11.810-611.810-6彈性模量0.211060.21106許用應(yīng)力/Mpa10192尺寸323300011009管子根數(shù)511管間距/mm40管殼壁溫差/C.：t=55管子與管板連接方開槽脹接式脹接長(zhǎng)度/mml=50許用拉脫力/Mpa4.01、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qppqppf二dol(6-1)其中f=0.866a2-"d2=0.866M40244322=522mm(6-2)p=0.75Mpa,l=50mm0.75396qD=0.087Mpap3.1432502、溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生

19、的拉脫力22"d。-di)qt4dol:E(tt7)AsAs=nD中5n=3.14父1009父9=28515(mm231A=4(do-di2)n=3114(322-262)511=139595mm2411.810，0.2110655d135951-28515=22.1Mpa_2_222.93(25-20)qt1.03Mpa42550由此可知qp,qt作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力:q=qp+qt=1.297Mpa<4.0Mpa因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。7計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為:F：E(tt-ts)AAF1AsAtAsAt11,810-60.211

20、0655285151359562851513595=3.071010(N)壓力作用于殼體上的軸向力QAsAsAtIT其中Q=(D：-nd；)psn(d。-2-)2川4=(11002-511322)0,7511(32-23)20,7546=0.58110N0.5811062851528515139595=0.099106N壓力作用于管子上的軸向力為:F3二QAtAsAt0.581106285152851513595=0.482106NF1F2As3.071060.09910628515=111.1Mpa-F1At-3.07106048210613595=-185.5Mpa根據(jù)GB1511999管

21、殼式換熱器仃s=111.1Mpa<2©叼;=180Mpa0t=-18.5Mpa<2®仃；=216Mpaq<q=4.0Mpa條件成立故本換熱器不必要設(shè)置膨脹節(jié)。8折流板設(shè)計(jì)33我們米用弓形折流板h=Di=x1100=825mm折流板間距取600mmi表7-944查得折流板外徑為1095.5,材料為Q235-A鋼如圖7-50所示。拉桿選用*12,共6根，材料為20鋼。9開孔補(bǔ)強(qiáng)換熱器殼體和封頭上的等面積的接管處開孔需要補(bǔ)強(qiáng)，常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面焊上一塊與容器材料和厚度都相同，即9mmB白Q245R鋼板。具補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖7-51所示。10支座采用裙座，詳細(xì)計(jì)算參

22、見第八章“塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)”。這里選裙座厚度為9mm基礎(chǔ)環(huán)厚度為14mm設(shè)計(jì)結(jié)果為如圖7-52所示的換熱器裝置圖。表7-14技術(shù)特性表名稱指標(biāo)管程殼程1工作壓力/Mpa0.70.682工作溫度/c1803704002203物料名稱半水煤氣變換氣4傳熱回積/m2130表7-15接管表序號(hào)接管法蘭標(biāo)準(zhǔn)密封間形式用途1PN16DN250HG/T20592平向變換氣進(jìn)口2PN10DN250HG/T20592平向半水煤氣進(jìn)口3PN10DN250HG/T20592平向變換氣進(jìn)口4PN16DN250HG/T20592平向半水煤氣進(jìn)口符號(hào)說(shuō)明11-操作狀態(tài)卜管壁溫度，。C;F換熱回積，n；ts-操作狀態(tài)下殼壁溫度，。C;a管間距，mm-焊接接頭系數(shù)，無(wú)量綱；di冗體內(nèi)徑，mmb正六邊形對(duì)角線上的管子數(shù)，個(gè)；do冗體外徑，mmLn換熱管長(zhǎng)度，mm;Pc計(jì)算壓力，MPa;d均管子的平均直徑，mrpPw-一工作壓力，MPa;Pw最大允許工作壓力，MPaP-設(shè)計(jì)壓力，MPa;Pl-水壓試驗(yàn)壓力，MPa;-一計(jì)算壁厚，mmDN直徑（公稱），mm;6d-一設(shè)計(jì)壁厚，mmWN-公稱壓力，MPaon名義壁厚,mmWt一管子的工作壓力，MPa6e-后效壁諄,mm厚度附加量，mmi鋼板的負(fù)偏差，mm2腐蝕欲量，mm(7s屈服點(diǎn)，MPai曲面局度，mm短圓筒長(zhǎng)度，mm2直邊長(zhǎng)度，mmE彈性模量，MPa;qt