课程设计-固定管板式换热器

西南石油大学本科课程设计目录1前言 41.1换热器的应用: 41.2固定式管板换热器简介: 42工艺计算 52.1设计任务书 52.2设计方案 52.3确定物性数据 52.4估算传热面积 62.5工艺结构尺寸 72.6换热器核算 102.6.1热流量核算 102.6.2壁温核算 122.7换热器内流体的流动阻力 122.7.1管程阻力 122.7.2壳程阻力 132.8换热器的主要结构尺寸和计算结果 143换热器结构设计与强度校核 163.1壳体与管箱厚度的确定 163.1.1壳体和管箱材料的选择 163.1.2圆筒壳体厚度的计算及校核 163.1.3管箱厚度计算及校核 173.2隔板 183.3接管设计 193.3.1壳程接管 193.3.1管程接管 203.3.2排液口、排气口 213.4开孔补强 213.5法兰与垫片 213.5.1管箱法兰与封头法兰 213.5.2垫片 223.6管板设计 233.6.1管板厚度设计 233.6.2换热管与管板连接方式 243.6.3换热管与管板连接拉脱力校核 243.6.4管板与筒体连接方式 253.6.5管板尺寸 253.7接管位置确定 253.7.1壳程接管位置的最小尺寸 253.7.2管程接管位置的最小尺寸 263.8管箱和封头长度及与筒体的连接方式 263.9折流板 273.9.1折流板的形式和尺寸 273.9.3折流板的布置 273.10拉杆、定距管 273.10.1拉杆尺寸 283.10.2定距管 283.11防冲板 293.12旁路挡板 293.13保温层 293.14鞍座 293.14.1鞍座安装尺寸 293.14.2鞍座尺寸: 29 31参考文献 321前言1.1换热器的应用:在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。本此设计正是要利用换热器降低油的温度，从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源，带来了额外的经济价值。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2固定式管板换热器简介:固定管板式换热器：其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。2工艺计算2.1设计任务书设计类型:固定管板式换热器设计基本参数:换热器的结构与布局由设计确定工作介质:管程:油壳程:水质量流量:油入口温度:出口温度:工作压力:管程壳程其他参数由设计计算确定要求选用合适的材料、元器件和其他零部件等。2.2设计方案(1)水温选择：本次设计考虑到经济和设备安全问题，选择水的进口温度为常温，出口温度为。(2)流程安排：由于本次设计的热流体油的温度较高,而且水的腐蚀性和结垢性高于油，所以选择油走管程,水走壳程。2.3确定物性数据定性温度：对于一般的轻质油和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程油的定性温度为：℃管程水的定性温度为:℃根据定性温度查取有关物性数据，得到油和水的数据分别如下：煤油在下的物性数据为：密度定压比热容热导率粘度冷却软水在的物性数据为:密度定压比热容热导率粘度2.4估算传热面积热侧：进口温度，出口温度为流量为；冷侧：进口温度为，出口温度为。传热计算（热负荷计算） 热负荷： 式中：——冷热流体的质量流量，kg/s； ,——冷热流体的定压比热，J/(kg·k)； ——冷流体的进、出口温度，k； ——热流体的进、出口温度k (1)热流量 依据式有 (2)平均传热温度差 先按逆流计算,依下式得： (3)传热面积 由教材P59页表2-19选取K=160,则估算的传热面积为: (4)冷水用量 2.5工艺结构尺寸 (1)管径和管内流速 选用较高级冷拔碳钢传热管,取管内流速 (2)管程数与传热管数 依据下式确定换热管的单程管字数: 式中ns—单程管子数 V—管程流体的体积流量，m3/s di—传热管直径，㎜ u—管内流体流速，m/s 则 按单管管程计算,所需长度 取管长L=1500mm,则 (3)平均传热温差校正及壳程数 按单壳程、双管程结构,查得： 平均传热温差 (4)传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。 取中心距a=1.25d0，则 隔板中心到离其最近的管子中心距离为： 则各相邻管的管心距为,管束的分程方法,一程为40根,另外一程为41根排管图如下所示： （5）壳体内径 采用双管程结构，壳体内径可按正方形排列估算。取管板利用率，则壳体内径为： 按卷制壳体的进级档50~100，取D=400㎜ (6)折流板 本次设计采用单弓形折流板,却弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的1/4,则h为 取折流板间距 则折流板的数目为 但是根据实际接管的位置及布局,最终根据画图所得取 2.6换热器核算 2.6.1热流量核算 1）壳程表面传热系数a0 用克恩法计算： 当量直径,按三角形排列计算: 壳程流通截面积 壳体流速和雷诺数分别为 普朗特系数查得 粘度校正,则: 2)管内表面传热系数(无相变) 管内流体被冷却,n=0.3 管程流速和雷诺数分别为 普朗特系数 3)污垢热阻和管壁热阻按书上P65可取 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻,碳钢在205℃的条件下的热导率为,所以 4)传热总系数KC为 算得 5)传热面积裕度 传热面积AC为 则该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。 2.6.2壁温核算 按最不利的条件计算，即取两侧污垢热阻为零计算，热力学平衡公式为 热流体的换热面积为 热流体的换热面积为 1)传热管壁温T 则热管壁为 2)壳体壁温t 由于壳程水的温度不高,可近似取为流体的平均温度,则 3)壳体壁温与传热管壁温之差为 该温差比较大,需要设置温度补偿设备,所以采用波形膨胀节进行补偿。 2.7换热器内流体的流动阻力 2.7.1管程阻力 取管程结垢校正系数 直管阻力为 局部阻力为 则 2.7.2壳程阻力 其中壳程结垢校正系数 正方形排列，则： 流通面积 ㎡ 管子排列形式对阻力的影响,正三角形取F=0.5 壳程流体摩擦因子为 壳程流体横过管束的最小流速为 则： (3)总阻力为 2.8换热器的主要结构尺寸和计算结果到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，其计算结果如下表2-1所示：表2-1参数 管程（油） 壳程（软水）流率/(kg/h) 6400 5258.5进/出口温度/℃ 230/180 20/60压力/MPa 0.101 0.101物性 定性温度/℃ 205 40 密度/(kg/㎡) 686.82 992.2 定压比热容/(kJ/(kg·K)) 2.7436 4.174 粘度/(Pa·s) 0.682×10-3 0.653×10-3 热导率/[W/(m·K)] 0.135 0.634 普朗特系数 13.86 4.31续表2-1设备机构参数 形式 固定管板式 台数 1 壳体内径/㎜ 400 壳程数 1 管径/㎜ Φ25×2.5 管心距/㎜ 32 管长/㎜ 1500 管子排列 Δ 管数目/根 81 折流板数/个 7 传热面积/㎡ 9.48 折流板间距/㎜ 160 管程数 2 材质 碳钢主要计算结果 管程 壳程流速/(m/s) 0.204 0.105表面传热系数/[(W(㎡·K)] 389.21 1562.8污垢热阻/(㎡·K/W) 0.00105 0.00026阻力/MPa 282.93 85.37热流量/kW 243.87传热温差/K 40.62传热系数/[(W(㎡·K)] 182裕度/﹪ 13.63换热器结构设计与强度校核在第一部分进行工艺计算结束后,应进行下一步:开始换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算。这一过程主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、接管计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆、膨胀节等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下：3.1壳体与管箱厚度的确定根据计算得出的软水进出口温度，选择设计温度为80℃；设计压力为1.0Mpa。3.1.1壳体和管箱材料的选择由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。3.1.2圆筒壳体厚度的计算及校核 焊接方式：选为双面焊对接接头，全部进行无损探伤，故焊接系数；根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定可知对16MnR钢板其：材料在80℃的许用应力（厚度为6～16mm时）壳体计算厚度按下式计算为：设计厚度为：名义厚度查其最小厚度为6mm，则此时厚度不满足要求,取有效厚度为水压试压压力为所选材料的屈服应力为水压试压应力水压试压应力校核即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。 mm3.1.3管箱厚度计算及校核 此时选用椭圆形封头，材料为16MnR,故，且同前面一样，其中，采用双面焊对接接头，部分进行无损探伤的焊接形式，取材料在205℃的许用应力为则封头计算厚度为：设计厚度名义厚度（为向上圆整量）；考虑到和法兰及管板连接的最小厚度取有效厚度水压试压压力水压试压应力为水压试压校核即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。 查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下表3-1：表3-1DN400标准椭圆形封头参数 DN(mm) 总深度H(mm) 直段长度l(mm) 内表面积A(㎡) 容积(m3) 封头质量（㎏） 400 125 100 0.2049 0.0115 9.7封头处的厚度同前管箱短节部分的厚度一样,为6mm。3.2隔板隔板与管箱采用角接焊,与管板进行开槽密封连接。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为8mm。焊接方式如下图3-1所示:图3-13.3接管设计 3.3.1壳程接管(1)壳程接管公称直径壳程进出口接管:取接管内软水的流速为则直径为:按照钢管厚度系列，取公称直径可选接管的规格为，接管的材料选为20号钢。 (2)接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径，公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件，选择板式平焊钢制管法兰，其具体尺寸如下表3-2所示：表3-2法兰参数 公称直径DN 钢管外径A1 连接尺寸 法兰厚度C 法兰内径B1 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量n 螺栓TH 32 38 120 90 14 4 M12 16 19具体形式如图3-2所示：图3-2(3)接管高度(伸出长度) 圆整,取 3.3.1管程接管(1)管程接管公称直径壳程进出口接管:取接管内软水的流速为则直径为:按照钢管厚度系列，取公称直径可选接管的规格为，接管的材料选为20号钢。 (2)接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径，公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件，选择板式平焊钢制管法兰，其具体尺寸如下表3-3所示：表3-3法兰参数 公称直径DN 钢管外径A1 连接尺寸 法兰厚度C 法兰内径B1 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量n 螺栓TH 40 45 130 100 14 4 M12 16 46(3)接管高度(伸出长度) 圆整,取3.3.2排液口、排气口排液口和排气口的公称直径大小一般不小于,本次采用的公称直径为。 3.4开孔补强根据GB150-2011，允许不另行补强的最大接管外径是，本次设计的壳程接管、管程接管、排液口和排气口均小于，因此不需要另行考虑开孔补强问题。3.5法兰与垫片3.5.1管箱法兰与封头法兰管箱与法兰、封头与法兰均采用对接焊，查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，平面密封面，材料为锻件20MnMoⅡ，其结构如图3-3，其具体尺寸如下表3-4：（单位为mm）图3-3表3-4DN400长颈对焊法兰尺寸 DN 法兰 螺柱 对接筒体最小厚度 D D1 D2 D3 D4 H h a a1 R d 规格 数量 400 540 500 465 455 452 34 95 25 17 14 12 22 12 23 M20 20 63.5.2垫片查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，结构如图3-4所示，其尺寸如表3-5：图3-4表3-5管箱垫片尺寸 PN(Mpa) DN(mm) 外径D(mm) 内径d(mm) 垫片厚度 反包厚度Ｌ 1.0 400 454 422 3 43.6管板设计3.6.1管板厚度设计 采用BS法（1）假设管板厚度为（2）计算K值:则(3)管板边缘支承的形式为简支形式,则:(4)计算:(5)校核:查GB150-2011得,16MnR钢材的,。则：符合要求，说明假设厚度合适。（6）管板厚度 3.6.2换热管与管板连接方式根据GB151-1999的规定,换热管与管板连接采用胀接方式连接，K=0.5mm,伸出长度其连接方式如下图3-5所示图3-53.6.3换热管与管板连接拉脱力校核 其中：—管子与管板胀接的长度，mm,查GB151-1999可知许用拉脱力明显地，,说明连接方式是合适的。 3.6.4管板与筒体连接方式采用管板兼作法兰的形式,其连接方式如下图3-6所示:图3-63.6.5管板尺寸根据法兰尺寸并作实际图确定,其尺寸如下表3-6所示:表3-6管板尺寸(mm) 公称直径DN 外径D1 厚度b 内径D2 螺栓孔直径d 螺栓孔内圆直径D1 螺栓 螺栓个数 400 540 30 391 18 500 M20 203.7接管位置确定3.7.1壳程接管位置的最小尺寸 采用无补强圈的形式(其中b为管板厚度)，如下图3-7所示：图3-7取3.7.2管程接管位置的最小尺寸采用无补强圈的形式(其中b为管板厚度)，如下图3-8所示：图3-8取 3.8管箱和封头长度及与筒体的连接方式管箱的长度380mm,封头的长度为220mm,采用法兰连接,如下图3-9所示:图3-93.9折流板3.9.1折流板的形式和尺寸根据前面计算可知,本次设计采用单弓形,上下方向排列。圆缺高度为，厚度为，间距为,数量为。3.9.2折流板的排列本次课程设计折流板的排列如下图3-10所示图3-103.9.3折流板的布置根据实际画图得与前管板的距离为，与后管板的距离为。3.10拉杆、定距管根据GB151-1999,由于换热管规格为，采用拉杆定距管形式如图3-7所示，拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。材料选用Q235-A，同时拉杆应尽量均匀布置在管束外边缘。拉杆的一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。如下图3-11所示：图3-113.10.1拉杆尺寸拉杆形式及各部分尺寸如下图3-12所示：图3-12拉杆的具体尺寸如下表3-7表3-7拉杆的参数(mm) 拉杆直径d 拉杆螺纹公称直径DN b 拉杆数量 16 16 17 ≥60 2 4 其中L根据实际作图得到的2根,的2根。3.10.2定距管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。其长度根据折流板间距确定为16mm。3.11防冲板由于壳程流体的(查GB151-1999)管程换热管流体的流速，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲板。3.12旁路挡板根据GB151-199规定,旁路挡板采用与折流板厚度一致,而本次设计的公称直径,选用一对挡板。3.13保温层根据设计温度选保温层材料为脲甲醛泡沫塑料，其物性参数如下表3-8：表3-8保温层物性参数 密度Kg/m3 导热kcal/mh℃ 吸水率 抗压强度kg/m３ 适用温度℃ 厚度mm 13～20 0.0119～0.026 12% 0.25～0.5 -190～+500 103.14鞍座3.14.1鞍座安装尺寸根据GB151-1999,,取，鞍座安装方式如下图3-13所示图3-133.14.2鞍座尺寸:根据JB/T4712-92选择鞍座的型号为：DN600、120°包角重型带垫板鞍式支座。结构如下图3-14所示：图3-14具体尺寸如下表3-9所示：表3-9鞍座尺寸 公称直径DN 鞍座高度 允许载荷Q(KN) 底板 腹板 筋板 垫板 螺栓间距l2 鞍座质量（kg） 增加100mm高度增加的质量（kg） l1 b1 l3 b3 弧长 b4 e 400 200 60 380 120 8 8 300 96 8 480 160 6 28 260 14 3总结在老师辛勤的指导下，本次我们顺利地完成了是固定管板式换热器的设计。通过这次课程设计，让我们对换热器的结构和设计有了一个新的认识，让我对石油化工过程装备设计这门课有了进一步的认识。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，对固定管板式换热器的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。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，我们查阅了许多有关书籍及文献，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。在写设计说明书中，采用了CAD等绘图软件，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加熟悉。这次课设的书写中对的要求也很严格，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。因为的知识有限，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。参考文献[1].GB150-1999钢制压力容器；[2].GB151-1999管壳式换热器；[3].JB／T4700～4707-2000，压力容器法兰；[4].JB／T4718－92，管壳式换热器用金属包垫片；[5].JB／T4721－92，外头盖侧法兰；[6].JB／T4712－92，鞍式支座；[7].HG20592～20635－97，钢制管法兰、垫片、紧固件；[8].JB／T4746－2002，钢制压力容器用封头；[9].HG20580－～HG20581-1998，钢制化工容器设计基础规定等；[10].JB4726－94，压力容器用碳素钢和低合金钢锻件。[11].杨启明、饶霁阳主编，石油化工过程设备设计，西南石油大学出版社，2012；[12].初志会、金鹤等编，换热器技术问答，化学工业出版社，2009；[13].余建祖编，换热器原理与设计，北京航空航天大学出版，2006；[14].秦叔经、叶文邦等编，换热器，化学工业出版社，2002；[15].丁伯民、黄正林等编，化工容器，化学工业出版社，2002；[16].诸林、刘瑾、王兵、王治红等编，化工原理，石油工业出版社，2007；[17].中国石化集团洛阳石油化工公司编，石油化工设备设计便查手册，中国石化出版社，2007；[18].张学学主编，热工基础，高等教育出版社，2006。