206DN1000一分加热器的结构设计

1DN1000一分加热器的结构设计、摘要：本课题详细介绍了换热器的设计与制造过程,它以流体的物性参数和生产量要求为基础,利用传热过程基本原理、通过计算确定固定管板式换热器的基本型式。依据GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999《管壳式换热器》等标准对换热器各零部件结构与强度进行设计，包括筒体、管箱、封头、折流板及管板等，管板是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自此三部件载荷的主要部件。特别的，对于管板，我们分析了其危险截面应力并加以校核，保证其安全性。在加工制造方面，用简单的流程图将各零部件的加工与装配次序表现得清晰明了，对管子与管板的连接、管孔的加工提出了更详细具体的要求。关键词:固定管板式换热器；管板；折流板；封头Abstract：Thepresentpaperdetailedlyintroducesthedesignandmanufactureprocessoffixedplateheatexchanger.It’smodelisdefinedbasedonthephysicalparametersoffluidandtheamountwhichisrequiredinproduction,makinguseofcalculationoffundamentalsaboutheattransferprocess.Then,designethestructureandstrengthaboutmostofcomponentsinheatexchanger,includingathick-shapedpartofthebody,thecaseoftubepass,head,baffle,tubesheetandsoon,accordingtothestandards,suchasGB150-1998SteelPressurePesselsandGB151-1999TubularHeatExchangers.Tubesheetisthemostimportantpart,whichisusedtoconnectshell,tubebundleandchannelandbearpressure,temperatureloadandotherloads.Especially,abouttubesheet,itiscalculated、integratedandcalibratedaboutstress,inordertosecurity.Inthesectionofmanufacture,thereisasimapleflowchartthatclearlyshowtheorderofmanufactureandinstallationofspareparts.Andtherearesomeconcreterequirementsaboutthejointoftubetotubesheetandmanufacturetechnologyoftubesheet.Keywords:Fixedplateheatexchanger;Tubesheet;Baffle;head第一章引言1.1概述1.1.1换热器在工业中的应用换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，使化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，约占总投资的35%～40%。目前国内使用的换热器多为列管换热器和螺旋板换热器。它的主要特点是管内外换热面积相等。这样当交换系数相差较大的交换介质在管内外进行热量交换时，由于其不平恒性而达不到理想的交换目的，换热效率相对较低。管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。新型换热设备结构及材料研究及过程装备CAD/CAE/CAM技术研究方向以工程流体力学、传热学、应用力学为理论基础，集过程、工艺、结构于一系统之中，进行了优化与综合研究，推出了传统挡板管壳式换热器的换代产品。首次系统地研究和论述了“纵流壳程换热器”的流体力学、传热性能及强化机理，组合结构的设计强度分析，强化换热管及管束制造，结构性能的模糊优化，管束的动力和计算机辅助设计及仿真模拟技术。从理论上为新型“纵流壳程换热器”技术的发展与工程应用奠定坚实基础。第二章换热器的选型2.1选型的基本原则2.1.1换热器类型的选取因为管壳式换热器单位体积具有的传热面积较大以及传热效果较好,特别是固定管板式换热器结构简单、紧奏、能承受较高的压力,造价低,管程清洗方便,管子损坏时易于堵管或更换.所以选取固定管板式换热器。2.1.2介质流向的确定若传热面积不变，采用逆流时可使加热流体的消耗量降低。可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。设计参数中已给定换热面积,因此介质流向确定为逆流.22.1.3介质流程的选择根据固定板式换热器流体流径的选择原则,尿液应走管程,水蒸汽走壳程.2.1.4换热管的结构尺寸易结构的液体宜采用较大的管径,而设计参数中的尿液易结垢,并且有气-液两相流的工艺流体,所以选用GB8163中φ25mm×2.5mm规格的管子.一般取L/D为4--6m,所以管子的长度取4.5m.2.1.5管子的排列和管心距的确定管子按等边三角形排列,管板的强度高,流体走短路的机会少,且管外流动扰动较大,因而对流传热系数较大,相同的壳程内可以排列更多的管子.所以管子按等边三角形排列。管心距t=(1.3~1.5)d。所以t=32mm2.1.6管壳程数及管子数所需管子的数量N=A/Lπd。=230/4.5×3.14×0.025=650管板利用率η=2)05.1(tDiN=2)3205.11000(6500.73管板利用率在0.7～0.85的范围内,管数适合.管子选用10钢。取管程数为2,则每程的管子数为325因为温度差校正系数φ△t﹥0.8,壳程数取为1。2.1.7折流板排列与间距单壳程的换热器仅需设置横向折流板,横向折流板同时兼有支撑传热管,防止产生振动的作用.此处选择弓形折流板,其结构简单,性能优良.具有横向折流板的换热器不需另设支撑板.弓形流板的排列采用水平装配,这样可造成流体的强烈扰动,传热效果好。取弓形流板切去圆缺的高度为壳体内径的20℅即弓形折留板的高度为800mm折流板间距取壳体内径的30℅即折流板间距为300mm。第三章结构设计3.1筒体的计算计算厚度S=PcDi/(2[σ]tφ-Pc)=1.43×1000/(2×170×0.85-1.43)=4.97(mm)设计厚度Sd=S+C2=6.97(mm)名义厚度Sn=Sd+C1+圆整=12(mm)有效厚度Se=Sn-C1-C2=9.75(mm)水压实验压力Pt=1.25Pc[σ]/[σ]t=1.25×1.43×1=1.79(Mp)设计温度下圆筒的计算应力σt=ecDip2)(e=75.92)75.91000(43.1=74.05MPaσt值应小于或等于[σ]t=170×0.85=144.5MPa满足要求设计温度下圆筒的最大允许工作压力[PW]=)(][2eiteD=75.9100085.017075.92=2.79MPa水压实验应力校核σT=Pt(Di+Se)/2Se=1.79(1000+9)/2×9.75=92.3(Mp)92.3Mp﹤0.9σφs=0.9×325×1=292.5(MP)3.2管板的计算与应力校核管板是管壳式换热器的主要部件。管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料、降低制造成本是至关重要的。此次设计的固定管板式换热器的管板是依据GB151-1999中计算与校核的。表1固定管板式换热器管板尺寸DD1D2D3D4D5bfd2螺柱数量1195114010981000108510005230M27363假定管板的有效厚度为57mm,管板的腐蚀欲量C2=2mm,管程分程隔板槽深H1=4mm,壳程结构槽深H2=4mm则管板的公称厚度Tn=57+2+4=63mm用管板的公称厚度和管板的设计温度确定管板的许用应力[σ]tp,管板的设计温度Tp=200℃管板采用16Mn锻件[σ]tp=135Mpa3.2.1法兰力矩（a）垫片查垫片标准JB/T4704—2000,石棉橡胶板垫片垫片外径Dgo=1087mm垫片内径Dgi=1037mm垫片系数m=2.5垫片比压力y=20Mp垫片基本密封宽度bo=(Dgo-Dgi)/4=(1087-1037)/4=12.5mm因bo＞6.4mm垫片有效密封宽度b=2.53bo=8.94mm垫片压紧力`作用中心圆直径DG=Dgo-2b=1087-2×8.94=1069mm(b)螺栓载荷螺栓材料选用40MnB根据GB150—1998表4-7螺栓材料在常温下的许用应力[σ]b=212MPak螺栓材料200℃的许用应力[σ]tb=165MPa预紧状态下需要的最小螺栓载荷W=3.14DGby=3.14×1069×8.94×20=600170N操作状态下需要的最小螺栓载荷W=0.785×10692×2.5+6.28×1069×8.94×2.5×2.5=2617774N(c)螺栓面积预紧状态下所需螺栓面积Aa=bWa][=600170/212=2831mm2Ap=Wp/[σ]tb=2617774/165=15865mm2所需螺栓面积Am取Aa和Ap的最大值Am=15865mm2M27螺栓强度计算直径d=26.1mm实际螺栓面积Ab=0.785×26.12×36=19251mm2(d)螺栓设计载荷预紧状态下螺栓设计载荷W=[σ]b×（Am+Ab）/2=212×（15865+19251）/2=3722296N操作状态下螺栓的设计载荷W=Wp=2617774N(e)法兰力矩管程压力操作工况下法兰力矩Mp=FD×LD+Ft×Lt+FG×LGFD=0.785Di2Pt=0.785×10002×1.98=1554300NFt=0.785(DG2-Di2)Pt=0.785×(10692-10002)×1.98=221893NFG=6.28DGbmPt=6.28×1069×8.94×2.5×1.98=297083NLD=(Db-Di-δ1)/2=(1140-1000-32)/2=54mmLt=Db/2-(Di+DG)/4=1140/2-(1000+1069)/4=52.75mmLG=(Db-DG)/2=(1140-1069)/2=35.5mmMp=1554300×54+221893×52.75+297083×35.5=10618350mmN基本法兰力矩Mm=AmLG[σ]b=15865×35.5×212=119399990mmN壳体法兰应力系数Y=10.76（按K=1195/1000=1.195查图9-57）43.2.2换热管稳定许用应力换热管回转半径i=22)2(41tdodo=3.75mm换热管受压失稳当量长度Lcr=300mm换热管材料在设计温度下的屈服点[σ2.0]tt=165MPa换热管材料在换热管平均金属温度下的弹性模量Ett=186000MPa系数Cr=πttE][22.0=π1651860002=149Lcr/i=300/3.75=80＜Cr换热管稳定许用应力[σ]cr=)2/1(2]2.0[CriLcrt=)1492801(2165=60.4MPa3.2.3参数和系数计算壳体圆筒内径面积A=4×10002=785000mm2壳体圆筒金属横截面积As=πδs(Di+δs)=3.14×12×(1000+12)=38132