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1、前言 2列管式换热器机械设计 3一、问题重述 31.1 设计题目 31.2 已知条件 3二、计算 32.1 管子数 N 32.2 管子的排列方式，管间距的确定 42.3 换热器壳体直径的确定 42.4 换热器壳体壁厚的计算 42.5 换热器封头换热器封头的选择 52.6 封头法兰的选择 52.7 管板尺寸的确定 62.8 管子拉脱力计算 82.9 折流板设计 10210 拉杆、定距管 112.11 波形膨胀节的计算 122.12 接管法兰的选择 142.13 开孔补强 142.14 封头法兰垫片 152.15 底座 15三、课程设计小结 16参考资料 17前言换热器在工、农业的各个领域应用的十
2、分广泛，在日常生活中也随处可见， 是不可缺少的工艺设备之一。换热器的研究备受各种研究机构的关注和重视，其 性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。管壳式换热器虽然在换热效率、设备体积和金属材料的消耗方面不如 其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使 用范围广等，所以在各领域中仍得到广泛的应用。对于学习化工机械的大学生来说，换热器设计是必须要了解和掌握的知识之 一。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程， 它不仅仅是确定一个或者多个可 行的解决方案，还要求确定最可能的或接近最优的设计方案。管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多的因素，如压力、温度、材料、流体性质及检修清理等，
3、通过各种因素的综合考虑，来选择合适的设本次课程设计通过对固定管板式换热器的的结构设计以及整体装配的设计，了解到换热器大体的设计过程和装配过程，丰富了我们所学习的知识，学以致用 加强了我们对知识的实际应用能力，并且在设计过程中一些新的知识，开阔了自 己是思维，对我们以后的工作具有很大是指导意义。本次课程设计由陈庆和王海波老师指导，特此表示感谢。由于设计者水平有 限，不足之处，还望指导。xxx2011年12月 26日列管式换热器机械设计一、问题重述1.1 设计题目年产3000 吨合成氨厂变换工段换热器的机械设计。1.2 已知条件（1）气体平均压力：管程：半水煤气0.7 MPa （绝压）；壳程：变换
4、气0.6 MPa （绝压）；（2）半水煤气进口温度180C，出口温度370C；变换气进口温度400C,出口温度220Co（3）由工艺计算求得换热面积为 130m2。二、计算2.1 管子数 n换热管选用32X3的无缝钢管，材质为20号钢，换热管的长度推荐采用 1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0， 12.0m ，本次设计选取管长为3米。管子的当量直径为:d 二 32 一 3 二 29mm 二 0.029m。 n换热面积:An 二兀d Ln130兀 x 0.029 x 3二 475.877 根考虑到换热过程中的各种热量损失，圆整确换热管数量 n=476 根。2.2
5、 管子的排列方式，管间距的确定换热管的排列方式采用正三角形排列，换热管中心距不宜小于 1.25 倍的换 热管外径，由GB151-1999管壳式换热器表中表12可知换热管外径d = 32mm 时，换热管中心距S = 40mm。查表得六角形层数为12层，六角形对角线上的 管子数为 25 个。2.3 换热器壳体直径的确定壳体内径:D 二 S (b -1) + 21iS换热管中心距，S=40 mm ；b正六角形对角线上的管子数，b=25个；1最外层管子的中心到壳体边缘的距离，取1 =2d；D = S(b -1) + 21 = 32 x (25 -1) + 2 x 2 x 32 = 1088mmi选取壳
6、体内径D = 11mm。i2.4 换热器壳体壁厚的计算壳体材料选取A3R，已知壳体承受压力为-68MPa，设计压力应该取大于.68MPa取设计压力P = 1MPa，设计温度取400C,设壁厚在3-16 mm之间， c此时材料的许用应力k t二16MPa ；钢板宽度在2500-4000 mm时，材料的允许负偏差C =-0.8 mm ；对于碳素钢，腐蚀裕量C不小于1 mm，取C=2 mm ；1 2 2焊接接头形式为单面焊对接接头，局部无损检测，焊接接头系数=0.8。此时筒体的计算厚度：PD2Q： - P1x112 x 106 x 0.8 -1=6.524mmc实际所需厚度8=8 + C + C =
7、 9.324mmc12所以材料的名义厚度可以圆整取8 = 10mm。2.5 换热器封头换热器封头的选择上下封头均选择标准椭圆形封头，封头材料选A3R,根据JB/T4746-2002标准，以内径为基准,封头公称直径DN = D = 1100mm，封头厚度也取8 = 10mm, i1曲面高度h = D = 275mm，查表可知封头总高度H = 3Omm。封头结构如 4i下图：2.6 封头法兰的选择材料选择 16Mn,根据 JB/T 4703-2000,选用 DN = 1100mm,PN = 1.6MPa 的榫槽密封面长颈对焊法兰，其规格尺寸如下图：2.7 管板尺寸的确定选用固定式换热器管板e型，管
8、板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做法 兰，与管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用16Mn。单管程（延长部分兼作法兰 固定管板换热器管板，管板周边布管区较窄（管板周边布管区无量纲宽度 k 2.389n 6 (d - 6 ) ED 2tt tL_E Lp(1 - P )4t10)由已知条件计算得：p = 1.05 S 1 = 1.05 x 40 x= 0.833tD1100i设计温度为400C时，管子材料为20钢，弹性模量E = 187 GPa，管板 i材料为16Mn,弹性模量E = 185 GPap6 2 .389(1 - P )4tnO(do)ED21ttiE Lp476 x 3 x (32
9、- 3) x 187 x 1100 2 x (1 - 0.833)4=2.389 3 11 V185 x 3000=23 .587 mm所以管板的最小有效厚度为23.587mm 取管板的有效厚度6 = 40mm，并且将管板延长部分作为法兰和封头法兰配合形成榫槽面密封结构，则其他尺寸如下图所示：2.8 管子拉脱力计算管子和管板采用开槽胀接的方式连接，管板厚度大于25 mm时，需要开二个槽。开槽，换热管外径为e 32时，查表可知开槽深度K=0.6 mm，管子伸出段 长度为4+2mm，具体结构如下图所示：拉脱力计算：材质a管子20 号钢11.8x106壳体A3R11.8x106E210GPa210G
10、Pa尺寸 e32x3x3000e 1100 x 10管字数：476 根；管间距：S = 40mm ；9管壳壁温差：At = 50C ；管子与管板连接结构： 开槽胀接； 胀接长度：1 = 44mm。（1）在操作压力下，胀接周边所产生的应力qpPAq 二p “ dl式中：兀d兀A = 0.866S 2 一 = 0.866x （40x10一3）2 _x （32x10一3） = 5.818x10-4 m244P = 0.7 MPa0.7 x 5.818 x 10 -4l = 0.044 mPAqp =顽二兀 x (32 x 10 -3)x 0.044 = 0.0945 MPa(2)在温差应力作用下，胀
11、接周边所产生的应力qTb (d 2 d 2)ri4 dla E (T - T )s式中：-t-r 1 + A AA 兀D 6兀 xl.llx0.01 3.485x 10-2m2 sn人兀(d - d2)兀 x (0.0322 -0.0262)x 476 A 2/ n 丿0.130m2t 4aE(T -T ) 11.8x10-6x210 x109 x50b # s 26.190 MPar 1 + A A1 + (0.130 0.03485 )tsb (d2 - d2) 26.19x106 x (0.0322 - 0.0262)4 x 0.032x 0.044q 一 i 1.656MPat 4dl
12、q与q的作用方向相同，贝yPTq q + q 0.0945 + 1.656 1.751 MPaPT查表知碳素钢在开槽胀接时许用拉脱应力q4MPa由于q q 4MPa，拉脱力在许用范围内。2.9 折流板设计折流板为弓形，查表可知折流板的名义外径：D DN - 6 1100- 6 1094mm折流板高度 h DN - (0.2 - 0.45) DN (0.55 - 0.8) DN 605 - 880mm范围内，取h 850mm。查表知公称直径为1100 mm时，折流板的厚度5二8mm。折流板的间距一般不小于圆筒内径的五分之一，换热管外径为 32时，钢管的最大无支撑跨距为2200mm，在此范围内取折流板间距1二600mm，则折流板数量为 4 个。查表知，在间距1 = 600mm 900mm时，折流板管孔直径取d + .7 +oa 0折流板结构如下图：210 拉杆、定距管常用拉杆形式有两种：（1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19 mm的管束，1L ；2a（2
