四管程固定管板式换热器的设计

四管程固定管板式换热器的设计,管程,固定,板式,换热器,设计 目 录 第一章 固定管板式换热器设计方案的选择 1 1.1 换热器类型的选定 1 1.2 本文研究的内容 2 1.3 换热器换热方式的选择 3 1.4 流体进出口温度的确定 3 1.5 换热器材料的选择 3 第三章 结构设计 5 2.1 壳体、管箱壳体和封头的设计 5 2.1.1 壁厚的确定 5 2.1.2 管箱壳体壁厚的确定 6 2.1.3 标准椭圆封头的设计 7 2.2 管板与换热管设计 8 2.2.1 管板 8 2.3 进出口设计 10 2.3.1 接管的设计 10 2.3.2 接管外伸长度 11 2.3.3 排气、排液管 11 2.3.4 接管最小位置 12 2.4 折流板或支持板 14 2.4.1 折流板尺寸 14 2.4.2 折流板和折流板孔径 15 2.4.3 折流板的布置 15 2.4.4 折流板质量计算 16 2.5 防冲挡板 17 2.6 拉杆与定距管 18 2.6.1 拉杆的结构和尺寸 18 2.6.2 拉杆的位置 19 2.6.3 定距管尺寸 19 2.7 鞍座选用及安装位置确定 20 第三章强度计算 21 3.1 壳体、管箱壳体和封头校核 21 3.1.1 壳体体校核 21 3.1.2 管箱壳体校核 22 3.1.3 椭圆封头校核 22 3.2 接管开孔补强 23 3.2.1 蒸汽进出口开孔补强 23 3.2.2 管箱冷却水接管补强的校核 26 3.3 膨胀节 28 3.3.1 膨胀节 28 3.3.2 膨胀节计算 28 4.4 管板校核 31 4.4.1 结构尺寸参数 31 4.4.2 各元件材料及其设计数据 32 4.4.3 管子许用应力 34 4.4.4 结构参数计算 34 4.4.5 法兰力矩 36 4.4.6 管子加强系数 38 4.4.7 旋转刚度无量纲参数 38 第五章结论 41 参考文献 42 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章固定管板式换热器设计方案的选择 第一章 固定管板式换热器设计方案的选择 1.1 换热器类型的选定 换热器是化工生产中最为常用的一种机器，它的主要作用是进行几种介质之间的热量传递。常见的热交换器：热交换器、浮头换热器、固定管板换热器、管式换热器、管换热器、双壳侧换热器、多管换热器、换热器、折管式换热器、热管式换热器、滑管板换热器[1]。 图1.1 为立式壳程冷凝器和水分配器 如上面所示的壳侧立式冷凝器。后壳侧档板或板,蒸汽流过冲击板流从上到下,由底水排放冷凝水。降膜管流的形式,因此低压冷却水侧要求;一个大由于水的传热系数,所以消费更少的水,但水不容易均匀的分布，可在管口安装一水分配器。 图1.2 为卧式壳程冷凝器 这种冷凝器管程是单向或双向的。管的长度和直径的大小,和管道的安排取决于管、壳程传热需求。使用双管程冷凝水可以引出管方之间,这样我们可以减少液相所覆盖的区域也可以降低压降,在同一时间,减少的数量的方法第二工艺管道保持恒定的质量速度。在这种冷凝器,蒸汽和冷凝物接触不好,所以沸腾范围广泛的蒸汽冷凝是完全不合适的。此外,由于冷凝管道局部填补,所以过冷度很低。 根据设计要求，所选用的换热器为四管程固定管板式换热器。它的应用十分之广泛，且结构坚固，稳定性高，适应性广，好制造，生产成本低廉[2]。 1.2 本文研究的内容 摘要二甲胺容量为1500 kg / h的固定管板式换热器的设计。主要内容如下: (1) 类型和类型的热交换器进行调查和总结。此类设备的几种典型结构详细介绍,对固定管板式换热器的设计。确定本文的研究路线和内容。 (2) 确定换热器的设计。选择合适的换热器材料基于介质。冷热介质在管的分布和壳程。 (3) 设计条件下的固定管板式换热器的温度、压降和传热面积计算与检查。初步确定换热器管的结构参数和布。机械设计提供了进一步研究的基础。 (4) 基于GB150、 GB151、换热器的壳,管和管板强度设计,进行检查。的作用下在壳程和管程压力验算,最后分裂洞加固计算。 (5) 配件如换热器设计过程的要点隔膜罐,法兰、隔板、鞍座、吊耳、电极、清洗系统和保护系统的设计和选择。 1.3 换热器换热方式的选择 由于所选用的换热器为四管程固定管板式换热器，而它的换热方式大致有并流法、错流法、平流法和逆流法。并流法与逆流法在平时的生产生活中都非常常见[3]。考虑到本换热器的介质是水和二甲胺，蒸汽量并不大，而且二甲胺是通过汽化潜热来交换热量的，对换热的能力要求比较高，所以可以选择逆流法进行操作。 1.4 流体进出口温度的确定 壳程:二甲胺，入口温度为49.96℃、0.9MPa冷凝，流量为1500kg/h。 管程：冷却水，冷却水温度从33℃升到43℃、压力为0.6MPa。 因此冷热流体之间的交换温度为 冷却水入口温度：33℃; 冷却水出口温度：43℃。 二甲胺入口温度：49.96℃，汽相； 二甲胺出口温度：49.96℃，液相； 1.5 换热器材料的选择 二甲胺是一种剧毒物质，还能和氧化剂发生猛烈的反应[4]。因为二甲胺走壳程，所以对于换热器管板、壳体、换热管和折叠板可抗腐蚀可采用0Cr18Ni9不锈钢。 44 第三章 结构设计 2.1 壳体、管箱壳体和封头的设计 2.1.1 壁厚的确定 表3-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 公称直径 400~≤700 >800~≤1000 >1100~≤1500 >1600~≤200 >2000~≤2600 浮头式 8 10 12 14 16 U型管式 8 10 12 14 16 固定管板式 6 8 10 12 14 表2-2 壳体或管箱壳体厚度 DN,mm 材料 壳程或管程公称压力PN，MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 厚度，mm 1000 Q235-A/B/C 10 10 12 16 —— —— 16MnR 10 10 10 12 16 —— 0Cr18Ni9 6 6(7) 8(9) 14 20 —— 由工艺条件给定的壳程设计温度49.96℃、设计压力为0.9MPa，因为在壳程中的是二甲胺蒸气，压力不高，腐蚀性大，所以壳程筒体材料可选0Cr18Ni9。筒体用钢板卷制，取钢板的厚度负偏差=0.8mm，腐蚀裕量=1.5mm，筒体采用双面对接焊接，局部探伤，则焊缝系数φ=0.85。在设计温度下，0Cr18Ni9的许用应力为[σ]=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服强度为σs=205MPa[5]。 因为，筒体计算厚度可参照GB150-1998用式（2-1）计算 （2-1） 式中：Pc——计算压力，MPa； Di——圆筒公程直径，mm； φ——焊缝系数； δ——筒体的计算厚度。 设计壁厚 由于二甲胺蒸气的腐蚀强度高，取腐蚀裕量=1.5mm。则 此时负偏差为C1=0.8mm，则。 名义壁厚 ，可取名义壁厚为10mm。 筒体的有效厚度为 而由表2-1、表2-2知可取壳体和管箱壳体壁厚为10mm。 2.1.2 管箱壳体壁厚的确定 管箱法兰和垫片确定： 根据工艺设计压力为0.6MPa，过程的公称直径，检查JB／t4703-2000可选长焊颈法兰lwn1000-1.0fm。材料采用16Mn。同时，根据管的性质和选择的模型可以选择JB／t4701-2000法兰石棉橡胶垫片。 箱壳体壁厚的确定： 管程的设计压力为0.6MPa设计温度为70℃查GB150-1998知，筒节材料都采用16MnR，设计压力，用式（3-1）计算 设计厚度： 名义壁厚: ，名义壁厚可以取10mm[6]。 筒体的有效厚度为 而由表2-1和表2-2知可取管箱壳体壁厚为10mm。 2.1.3 标准椭圆封头的设计 标准封头的厚度确定： 椭圆形封头是由长短半轴分别由a，b的半椭圆和高度为ho的短圆筒（通称为直边）两部分构成的[7]。直边的功能主要是为了确保封头的生产质量以及免除筒体和封头之间的环向焊缝处产生边缘应力的作用。 表2-3 封头厚度 DN,mm 材料 壳程或管程公称压力PN，MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 厚度，mm 1000 Q235-A/B/C 10 10 12 14 —— —— 16MnR 10 10 10 12 16 —— 0Cr18Ni9 6 6 10 12 18 —— 表2-4 标准的椭圆形封头直边高度ho(mm) 封头材料 碳素钢、普低钢、复合钢板 不锈钢 封头壁厚 4~8 10~18 ≥20 3~9 10~18 ≥20 直边高度 25 40 50 25 40 50 而对于标准椭圆形封头，K=1.00，故 设计厚度： 名义壁厚：，可取名义壁厚为10mm。 有效厚度： 由表2-3、表2-4壳体和管箱壳体的尺寸结构应选择的封头为DN=1000mm，材料为Q235-A，封头厚度10mm，直边高度为40mm。 查标准椭圆封头JB/T4737-95得曲边高度为250mm，内表面积，容积，质量。 2.2 管板与换热管设计 2.2.1 管板 管板结构： 下面图中是固定式管板式换热器同时也是法兰的管板，管板和法兰之间相连的密封面是凸面，分程的隔板槽的拐角之处，倒角是10×45°。 图2-1 堆焊管板结构 图2-1是堆焊不锈钢管板，堆焊管板应该首先进行堆焊，之后在钻管孔。 管板尺寸： 管板尺寸如图2-2。根据GB151-1999《管壳式换热器》中的规则，碳钢、低合金钢固定管板式换热器的管板（16Mn锻件）在PN≤1MPa、DN=1000的管板尺寸见表2-5[9]。 图2-2 管板尺寸图（用于壳程PN<1.0MPa) 表2-5 DN=1000管板尺寸表 Ps MPa Pt MPa D D1 D2 D3 D4 D5 R h C D2 螺柱（栓） hf b 规格 数量 0.6 1.0 1140 1100 1065 997 1052 1000 14.5 23 M20 48 46 56 管板与换热管只能采用焊接的形式连接。 换热管的排列： 换热管的排列型式：三角形 换热管中心距：对于换热管外径为25mm的管子，换热管中心距取32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距为44mm。 布管限定圆DL：布管限定圆其实就是管束的最外层换热管的中心圆直径，固定管板式的布管限定圆应该按DL=Di-2b3确定。而这里面的Di是换热管筒体的内直径；b3是固定管板换热器管束最外层换热管从外表面到壳体内壁的最小距离，b3=0.25d并且要大于等于8mm；DL是布管的限定圆直径。 图2-2 布管示意图 由之前的条件知b3=0.25d=0.25×25=6.25mm取8mm 则DL=Di-2b3=1000-2×8=984mm。 2.3 进出口设计 2.3.1 接管的设计 壳程流体进口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为 约等之后取接管的内径为400mm。 管程流体的进出口接管：取接管内的液体流速是，接管内径就是 圆整后可取接管内径为350mm。 2.3.2 接管外伸长度 接管外伸长度可由表2-6的数据选取 表2-6 PN<4.0MPa的接管外伸长度 Δ DN 0~50 51~75 76~100 101~125 126~150 151~175 176~200 350 250 250 250 250 250 300 300 400 250 250 250 250 300 300 300 由于是冷凝器，不需要设置保温层故δ=0mm。因此壳程接管外伸长度为250mm，管程接管外伸长度为250mm。 2.3.3 排气、排液管 想要让传热的效率更高，排掉的或是收回的工作残液（气）及凝液，只要是不能借助别的接管排气或排液的换热设备，都必须要在它的壳程和管程的最高、最低点，同时安置排气、排液接管。排气、排液接管的尽头部位也必须和壳体或管箱壳体内壁一平，它的结构就是下图现实的样子。排气口和排液口的尺寸一般情况下大于或者等于φ15mm。换热器管里面是蒸汽，所以排气、排液孔可采用（a）的结构[10]。 图2-3 换热器排液、排气接管结构 2.3.4 接管最小位置 壳程接管位置的最小距离： 图2-4 壳程接管位置 壳程接管位置的最小尺寸，见图2-4，可按式（2-2a）、（2-2b）进行计算： 带补强圈接管 mm （2-2a） 不带补强圈接管 mm （2-2b） 式中： b，hf——管板厚度，mm； L1——壳程接管位置最小尺寸，mm； C——补强圈外缘（无补强圈时，为管外壁）到管板（或法兰）和壳体的连接焊缝之间的距离；取C≥4S（S为管箱壳体厚度，mm），且≥30mm。 DH——补强圈外圆直径，mm； dH——接管外径，mm。 取C=80mm。 壳程接管不带补强圈，故壳程接管位置的最小尺寸为 ，取L1=340mm。 管箱接管尺寸的最小位置： 图2-5 管箱接管位置 在管箱喷嘴位置的最小尺寸，见图3-5，可以用公式计算（2-3a），（2-3）： 带补强圈接管 mm （2-3a） 不带补强圈接管 mm （2-3b）式中： b，hf——管板厚度，mm； L2——壳程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C——补强圈外缘（无补强圈时，为管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mm；取C≥4S（S为管箱壳体厚度，mm），且≥30mm。 DH——补强圈外圆直径，mm； dH——接管外径，mm。 取C=80mm。 管箱接管不带补强圈，故管箱接管位置的最小尺寸为： 取 =380mm。 2.4 折流板或支持板 2.4.1 折流板尺寸 弓形折流板的缺口高度： h=200mm 折流板最小厚度： 表2-7 折流板最小厚度 公称直径DN 换热管无支撑跨距l ≤300 >300~600 >600~900 >900~1200 >1200~1500 1500 折流板最小厚度 1000 5 6 8 10 12 16 2.4.2 折流板和折流板孔径 换热管Ⅰ级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表2-8。 表3-8 折流板或支持板管孔直径及允许偏差 换热管外径或无支撑跨距 d>32或l≤900 l>900且d≤32 管孔直径 d+0.8 d+0.4 允许偏差 +0.4 0 折流板直径及允许偏差： 表2-9 折流板直径及允许偏差 公称直径 DN <400 400~ <500 500~ <900 900~< 1300 1300~ <1700 1700~ <2000 2000~ <2300 2300~ ≤2600 折流板 名义直径 DN-2.5 DN-3.5 DN-4.5 DN-6 DN-8 DN-10 DN-12 DN-14 折流板外直径允许偏差 0 -0.5 0 -0.8 0 -1.2 0 -1.4 0 -1.6 2.4.3 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接管，其余折流板按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离如图2-6， 图2-6 流板与管板间距 其尺寸可按式（2-4）计算： （2-4） 式中： L1为壳程接管位置的最小尺寸； B2是防冲板的长度，如果没有设置防冲板，可以取B2=di。当器、卧式换热器和重沸器的壳程的介质是气、液相共存或者是液体中含有固体物料的时候，折流板的缺口应当是左右垂直的进行布置，而且要在折流板的最低处预留一个通液口。 2.4.4 折流板质量计算 折流板质量按下式进行计算： （2-5） 式中：Q——折流板质量，kg； Da——折流板外圆直径，mm； Af——折流板或支持板切去部分的弓形面积，Af=Da2×C，mm； C[1]——系数，由ha/Da可查表。 ha——折流板或支持板切去的弓形高度，mm； d1——管孔直径，mm； d2——拉杆孔直径，mm； n1——管孔数量； n2——拉杆空数量； δ——折流板或支持板厚度，mm。 ——折流板或支持板密度，kg/。 由（2-5）式得Q=16kg。 2.5 防冲挡板 材料为了防止壳程进口的流体交换热管直接的进行表面冲刷,应该在壳程入口管安置防冲板。在垂直热交换器,为了快速和液体培养基更流入管,以防止流体入口冲洗,并减少死区远离接管,提高传热效果,也可考虑在壳程的进口设置导流管。设置冲击板和导流管的条件: 腐蚀或磨蚀、气体、蒸汽和天然气液体混合物应该与影响; 对于液体物料，当壳程进口处流体的ρu2（ρ为流体密度，kg/m3；u为流体流速，m/s）为下列数值时，应在壳程进口处设置防冲板或导流筒。 （1）非腐蚀性、非磨蚀性的单相液体，ρu2>2300kg/(m·s2)者； （2）其他液体，包括沸点下的液体，ρu2>740kg/(m·s2)者； 2.6 拉杆与定距管 2.6.1 拉杆的结构和尺寸 拉杆的结构型式： 选用拉杆定距管结构。 拉杆的尺寸： 图2-8 拉杆连接尺寸 拉杆的长度L按实际需要确定，拉杆的连接尺寸由图2-8和表2-10确定。 表2-10 拉杆的尺寸 拉杆直径d 拉杆螺纹公称直径dn La Lb b 10 10 13 ≥40 1.5 12 12 15 ≥50 2.0 16 16 20 ≥60 2.0 拉杆的直径和数量： 拉杆直径和数量按表2-11和表2-12选用。 表2-11 拉杆直径选用表 换热管外径d 10≤d≤14 146.4mm，所以 DG=垫片接触面外径-2b=1044-210=1024mm 面积： 管板布管区三角排列面积 壳程圆筒内径面积 壳程圆筒金属横截面积 查GB151附录J得：一根换热管金属横截面积 则 管板开孔后的面积 管板布管区当量直径： 系数计算： 按GB150-1998第9章,则查表9-5得壳体法兰应力系数 Y=14.86 3.4.5 法兰力矩 基本法兰力矩： 管程压力操作工况下法兰力矩Mp： 换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差： 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数： 法兰宽度 查GB151-1999中的图26得=0.0004 3.4.6 管子加强系数 管子厚度： 已知管板名义厚度 管壳两侧腐蚀裕度为1.5mm，焊接结构槽深为3mm 则管板有效厚度δ=56-3-1.5=51.5mm 换热管有效长度 管子加强系数： 管板周边不布管区无量纲宽度： 3.4.7 旋转刚度无量纲参数 壳体法兰与圆筒旋转刚度参数： 已知壳体法兰（管板延长部分）厚度 查GB151-1999中的图26得=0.0004 旋转刚度无量纲参数： 确定系数： 由K=4.9， 查图GB151-1999图27管板第一弯矩系数=0.07；图29得=4.7 查图GB151-1999图28管板第一弯矩系数=4.7；图30得=0.15 则确定的各系数如下： 第五章结论 换热器固定管板的设计，可以充分满足主体材料、技术参数和指标的要求，在正常工作条件下保证给定工作介质，并具有一定的余量。 经工艺计算、强度计算和结构设计，并考虑了上述标准中推荐的各管件、标准件规格，最终确定各主要零部件的规格尺寸如下： 换热管规格为Φ25×2.5、单根管长3m，换热管总计724根；壳体和管箱的内径和壁厚均相同，分别为1100mm和10mm；管板厚度为56mm；采用了EHA 1000的标准椭圆封头，圆缺高度为200 mm的弓形折流板； 选用了BI型鞍形支座；冷、热流体进出口接管直径分别为Φ370×10mm和Φ420×6mm。 总体结构汇总与装配图上，某些细部尺寸标识于相应零部件图中。 由于接管选用的厚度较大，避免了开孔补强。但鉴于给定的工作介质属易燃易爆物质，故建议在水压试验合格的基础上，尚需通过气密性试验。 固定管板换热器系统的工作条件是由给定的主材料、工作介质和相应的技术参数和指标所限制的，特别应注意其管内清洗比较困难的特点。 为了保证所设计的换热器的安全、正常运行，必须严格按照壳管换热器的生产、检查、安装和维修的具体要求，进行合理的设计。 参考文献 [1] 朱聘冠. 换热器原理及计算[M]. 北京：清华大学出版社，1987:49. 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