单壳程双管程管壳式换热器设计

课程设t题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）专业：应用化学班级：0703班姓名：肖黎鸿导师签字：2010年7月11日成绩：题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）参数:项目管程壳程工作压力（MPa）1.10.7工作温度（°C）16590设计温度（°C）17095设计压力（MPa）1.20.8物料名称氮气 水换热面积（m2）11焊缝系数0.850.85腐蚀余量（mm）11要求:要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能 力，在设计过程中必须做到：（1） 及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造 性2） 认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量3） 按预定计划循序完成任务日程安排：1.准备阶段（1 天）2. 设计计算阶段（3 天）3. 绘图阶段（4 天） 4.编写设计说明书（2 天）目录1. 绪论 12． 设计计算 22.1 管子数 n 的计算 22.2 管子排列方式，管间距的确定 22.3 壳体直径的确定 22.4 壳体厚度的计算 22.5 壳体液压试验应力校核 32.6 分程隔板的选择 32.7 封头的选择 32.8 法兰,管板的选择 42.9 垫片尺寸的确定 52.10 管子拉脱力的计算 52.11 是否安装膨胀节的计算 62.12 折流板设计 72.13 拉杆设计 82.14 开孔补强 82.15 支座 93． 设计评述 104. 参考文献 11附:设计结果一览表 121.绪论热交换器，通常又称作换热器，是化工、炼油和食品及其他工业部门的通 用设备，在生产中占有重要作用。

化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、 冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛换热器种类很多，但根据冷、热 流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热 式三类换热器中，间壁式换热器应用最多本次设计的管壳式换热器就属于 间壁式换热器的一种立式固定管板式换热器示意图2 •设计计算2.1管子数n的计算选25 X2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m因为F=nd均Ln，所以n =11兀 x 0.0225 x 1.5二 104 根2.2管子排列方式，管间距的确定本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90°C较高，不易结垢可暂不考虑机械清洗水垢的问题，故排列方式采用结构 紧凑、传热系数较高的正三角形排列由《化工设备与仪表自动化》中表6-4得六角形层 数为6,对角线上的管数为13,管子根数为127其中因 安排拉杆需减少6根（参见2.12拉杆设计），实际管数121 根查表6-5，由管子外径25mm,可得管间距a=32mm管子排列方式如右图：2.3壳体直径的确定Di=a（b-1）+2l式中Di一换热器内径，mmb—正六角形对角线上的管子数，查表6-4，取b=13l—最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d.D = 32 x （13 一 1） + 2 x 2 x 25 = 485 mm i查《仪表设备及仪器自动化》P58表2-5，并结合壳体直径的计算，确定D.=500mmi2.4壳体厚度的计算pc—计算压力，取pc=0.8MPa； D.=500mm;焊接系数卩=0.85; 材料选用Q235-B钢:[o]95C=113Mpao计算壁厚为=2.09 mm0.8 x 5002 x 113 x 0.85 - 0.8取c2=lmm,由书中表4-7得C] =0.3mm圆整后实取Sn =4mm。

DN500, 8=4每米钢板质量为50kg2.5 壳体液压试验应力校核试验压力 p 二 1.25p 旦二 1.25 x 0.8 x113 二 1.0MPaT ”Q]t 113斗 p S + S ) 1.0 x(500 + (4 -1.3)) cc故：b 二 t i 一 二 二 93.1MPat 2S 2 x (4 -1.3)eQ235-B 在常温时b 二 235MPa, 0.9g 二 0.9 x 0.85 x 235 二 179.78MPa, ssbT< °.9Qbs,故液压试验应力校核合格2.6 分程隔板的选择分程隔板应采用与封头、管箱短节相同材料，故材料选用Q235-B要求隔 板的密封面与壳体法兰密封面，管板密封面与分程槽面须处于同一基面分程 隔板槽深度为4mm，槽宽12mm其结构相见装配图查《化工单元过程及设备课程设计》表4-1得分程隔板的最小厚度为8mm2.7 封头的选择上下封头均选用EHA椭圆封头，其厚度与壳体厚度相同，材料选用Q235-B 钢上封头的主要尺寸如下表：公称直径DN (mm)曲面咼度h1 (mm)直边高度h2 (mm)碳钢厚度》(mm)500125404下封头的主要尺寸如下表:公称直径DN (mm)曲面高度h1 (mm)直边高度h2 (mm)碳钢厚度》(mm)500125504查《过程设备机械设计》P106标2 JB/T4746-2002得:公称直径总深度内表面积容积质量DN (mm)H (mm)A (m2)V (m3)M (kg)5001500.31030.02139.6如下图所示：2.8法兰，管板的选择容器法兰材料选16MnR。

根据JB4701—2000标准，选用DN500,PN1.6(MPa)的甲型平密封面法兰DN25(100)PNV4MPa管法兰的接管伸出长度为150mm 容器法兰的主要尺寸如下表：公称直径DN， mm法兰，mm螺柱DD1D2D3D48d规格数量5006305905555455424423M2028其密封面结构如下图所示:DaUN选用固定式换热器管板，不兼做法兰，换热管与管板的连接采用先焊后— 强度胀的连接形式，考虑到胀接结构要求，此次管板的厚度取30mm实际上, 管板的厚度应按 GB151-1991 进行强度计算，但由于计算复杂，在此不进行具 体的校核2.9 垫片尺寸的确定由于与壳体接触的介质仅为冷却水，对密封的要求一般，因此密封垫片选 用价格相对较低的石棉橡胶片根据JB/T4704—1992及所选的DN500, PN1.6(MPa)甲型平焊法兰 垫片尺寸如下表：(单位：mm)公称直径DN垫片内径di垫片外径D0垫片厚度t50050454432.10 管子拉脱力的计算计算数据如下表~~项 目-部件管子壳体材质20号钢Q235-B 钢(a/°C)11.8x10-611.8x10-6E(MPa)0.21x1060.21x106尺寸申25x2.5x 1500申500x4管子数127根管间距32mm管壳壁温差/CT=75管子与管板连接方 式开槽胀接胀接长度L=40mmA.在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qp式中兀 兀f = 0.866a2 - d2 = 0.866 x 322 - x 252 = 396(mm)4 0 4p=1.1(MPa)； l=40mmq = 1.1 x 396 = 0.14MPa p n x 25 x 40B.温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力b t(d2 - d2) q = 0 i—t 4d 10 aE(t - t )= 11 A 1 +——ts■s=kD x S中=k x 500 + 508 x 4 = 6330.24mm22兀 兀=(d2 -d2)n = x (252 -202)x (127 -6) = 21371.625mm24 0 i 4-11-8 X10一6 X 021X106 X 75 = 42.47(MPa)i+211716256330.24q 二松47 X 呼二叫二 1.91(MPa) t4x 25x50由已知条件可知，qp与q』勺作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为 q = q + q = 0.14 +1.91 = 2.05 MPaptq<[q]=4.0(MPa)因此，拉脱力在许用范围内。

2.11 是否安装膨胀节的计算管，壳壁所产生的轴向力：aE(t - t ) 11.8 x10 -6 x 0.21x106 x 75F = 1 s - A - A = x 6330.24 x 21371.625 = 9.08 x 105(N)1 A + A st 6330.24 + 21371.625st压力作用于壳体上勺轴向力：F =*2 A + A其中Q = 一 [(D2 -nd2) - p + n(d -2S )2 - p ]4 i 0 s 0 t t l兀Q = — [(5002 -121 x 252)x 0.7 +121 x (25 - 2 x 2.5)2 x 1.1] = 1.38 x 105(N)4= 0.315x105 N1.38 x 105 x 6330.246330.24 + 21371.625压力作用于管子上的轴向力：F=3 1——A + A1.38 x 105 x 21371.6256330.24 + 21371.625= 1.065 x105 NstF +F—1 2A9.08 x 105 + 0.315 x 1056330.24=148.41(Mpa)s-F +Fc = 1 3t At= -37.50(MPa)-9.08 x 105 +1.065 x 10521371.625根据《钢制管壳式换热器设计规定》：c = 148.41MPa〈 2 机 c]t = 180( MPa) c = 37.50MPa〈 2[c ]i = 206( Mpa) s s t tqv[q]=4.0(MPa )条件成立，故本换热器不必设置膨胀节。

2.12 折流板设计折流板为单弓形，切缺率(切掉圆弧的高度与壳体内径百分比)为20%~49%，通常为 20%~25%，最佳大小一般为 20%，此时单位压降下的传热 膜系数最高切掉圆弧的高度 h = D x 20 % = 500 x 0 . 2 = 100 mmi实际应用中，单弓形折流板间距B=(0.2-1.0)Di ,以0.4〜0.5最优取B=0.5Di =250m m折流板数=传热管长_ 1 = 1500 -1 = 5 =折流板间距-1 =预-1 =折流板最小厚度与壳体直径、换管无支承板有关，由书中表 6—6 查得为3mm由表6一8查得折流板外径496.5mm,材料为Q235一B钢按GB151规定，I级换热器由。