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1、 F60填料函式空氣預(yù)熱器機械設(shè)計 摘 要 換熱器是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的重要部件，在飛速發(fā)展的化工行業(yè)以及石化行業(yè)里扮演的角色更為重要。本課題所設(shè)計的換熱器用于空氣預(yù)熱。針對該換熱器的性能，本文根據(jù)理論計算方法和結(jié)構(gòu)分析，對其進行了設(shè)計。 本文首先了解填料函式換熱器的基本原理，性能及其應(yīng)用，在化工生產(chǎn)中的地位及作用。其次對于填料函式換熱器進行熱流量計算，傳熱系數(shù)計算，確定傳熱系數(shù)，殼程阻力和壓力計算。此外還計算殼，管程的設(shè)計壓力并校核螺栓、墊片、管板厚度的計算。 最后編寫換熱器的加工工藝程序，及裝配過程安全性能及防腐措施。根據(jù)種種因素，選擇結(jié)構(gòu)形式最為合理的一種，自

2、行繪制滿足設(shè)計結(jié)構(gòu)要求的工程圖紙。圖紙的技術(shù)要求需要明確的在圖紙上標(biāo)示出來 在本次課程設(shè)計的主要過程中，一定要按照國家制定的相關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，目的是在于保證整個生產(chǎn)過程的安全進行。 關(guān)鍵詞：換熱器；管程設(shè)計壓力；熱流量；結(jié)構(gòu) I ABSTRACT Heat exchanger is one of indispensable important component in modern industry, the rapid development of chemical industry, petrochemical

3、industry, heat exchanger is particularly important. This topic by the design of heat exchanger used in air preheating. For the heat exchanger performance, based on the theoretical calculation method and the structure analysis, on the design. This article first understand the basic principles of

4、 stuffing box type heat exchanger, properties and application, the status and role in the chemical production. Second heat flow calculation for packing heat exchanger, heat transfer coefficient calculation, heat transfer coefficient is determined, the shell side resistance and pressure calculation.

5、Also calculate shell and tube side design pressure and check the bolts, gaskets, the calculation of the thickness of the tube plate. Finally write the processing technology of heat exchanger and assembly process safety performance and the anti-corrosion measures. Comprehensive consideration of

6、various factors, choose the most reasonable structure form. According to the structure of the design drawing at the same time meet the requirements of the stuffing box type heat exchanger of drawings, drawings to include the relevant technical requirements. In the process of the stuffing box ty

7、pe heat exchanger structure design, design should, in accordance with relevant provisions, such as pressure container tube and shell heat exchanger for the final design results meet the regulations. Should also consider the structure of the designed conform to the requirements of the production, in

8、order to realize safe production. Key words heatexchanger;Shellsidedesignpressure;Heatflow;structure II 目錄 符號說明 1 1 緒論 2 1.1選題的背景和意義 2 1.2換熱器的類型 2 1.2.1按作用原理和實現(xiàn)傳熱的方式分類 2 1.2.2按使用目的分類 2 1.2.3按傳熱面的形狀和材料分類 3 1.3填料函式換熱器簡介 3 1.4設(shè)計任務(wù)、思想 3 1.4.1設(shè)計任務(wù) 3 1.4.2設(shè)計思想 3 2 填料函

9、式換熱器的主要部件與結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 2.1填料函式換熱器的工藝條件 4 2.2估算設(shè)備尺寸 4 2.2.1初選結(jié)構(gòu) 4 2.2.2計算傳熱管數(shù) 5 2.2.3計算殼程直徑D 5 2.3管子與管板的連接 5 2.3.1脹接 5 2.3.2焊接 6 2.3.3脹焊結(jié)合 6 2.4管板與殼體的連接 6 2.5管板與管箱的連接 7 2.6雙殼程結(jié)構(gòu) 8 3 填料函式換熱器的材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3.1換熱管 9 3.1.1 換熱管的形式和尺寸 9 III 3.1.2換熱管的材料 10 3.1.3換熱管的排列形式及管心距 10 3.2折流板

10、11 3.2.1折流板的主要幾何參數(shù) 13 3.2.2折流板與殼體間隙 13 3.2.3折流板厚度 13 3.2.4折流板的管孔 13 3.2.5材料的選取 14 3.3拉桿與定距管 14 3.3.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式 14 3.3.2拉桿直徑、數(shù)量和尺寸 14 3.3.3拉桿的布置 15 3.4防沖板 15 3.5進、出口的設(shè)計 16 3.5.1接管外伸長度 16 3.5.2 殼程接管位置最小尺寸 16 3.5.3管箱接管位置最小尺寸 17 3.5.4排氣、排液管 18 3.5.5接管與筒體、管箱殼體的連接 18 3.6管箱 18 3.6.1管箱結(jié)構(gòu)形式 18

11、 3.6.2管箱材料的選擇 19 3.7管板 19 3.7.1管板結(jié)構(gòu) 19 3.7.2管板最小厚度與尺寸 19 3.7.3管板孔直徑和允許公差 20 3.7.4管板材料 20 3.8封頭、法蘭與墊片的選擇 21 3.8.1封頭的選用 21 3.8.2 煙道氣進、出口處的封頭 21 IV 3.8.3 法蘭結(jié)構(gòu)類型 22 3.8.4 墊片的分類 22 3.9 鞍座的選取 22 4 填料函式換熱器的強度設(shè)計及校核 24 4.1殼體 24 4.1.2管箱 25 4.2法蘭的強度校核 25 4.2.1墊片 25 4.2.2螺栓 26 4.2.3

12、法蘭 27 4.2.4法蘭設(shè)計力矩 28 4.3管板厚度計算 28 4.3.1管板參數(shù)計算 28 4.3.2結(jié)構(gòu)尺寸 28 4.3.3管板應(yīng)力計算 29 4.3.4操作力力矩 30 4.3.5法蘭預(yù)緊力 31 4.3.6計算徑向應(yīng)力 31 4.3.7計算設(shè)計力矩M和管板延長部分的法蘭應(yīng)力 31 4.3.8應(yīng)力校核 32 4.4管子與管板連接拉脫力的校核 33 4.4.1換熱管軸向應(yīng)力 33 4.4.2換熱管與管板連接拉脫力 34 4.5開孔補強的計算 34 4.5.1概述 34 4.5.2殼體開孔補強 34 4.6鞍座的設(shè)計校核 35 4.6.1計算鞍座的支

13、承反力 35 4.6.2計算筒體的軸向彎矩 35 4.6.3圓筒向應(yīng)力 36 V 4.6.4計算圓筒的切向剪應(yīng)力 37 4.6.5計算圓筒周向應(yīng)力 38 4.6.6鞍座的應(yīng)力校核 38 4.7壓力試驗 39 4.7.1管程圓筒 39 4.7.2 殼程圓筒 39 5 填料函式換熱器的制造、安裝、檢驗、清洗和維修 41 5.1概述 41 5.2材料驗收 41 5.3填料函式換熱器的制造 41 5.3.1殼體圓筒 41 5.3.2管箱 41 5.3.3 管板 42 5.3.4 管孔加工 42 5.3.5 管束的組裝 42 5.4 安裝 42

14、5.5 清洗 43 5.6填料函式換熱器的日常維護和故障處理 43 5.7容器的銘牌要求 43 5.8 壓力容器的油漆、包裝、運輸 44 結(jié)論 44 參考文獻 46 致謝 47 VI 符號說明 符 號 意 義 單 位 [σ]t 許用應(yīng)力 MPa 計算應(yīng)力 MPa C 厚度附加量 mm C1 鋼材厚度偏差 mm C2 腐蝕裕量 mm Di 圓筒內(nèi)直徑 mm [Pw]t 最大允許工作壓力 MPa Pc 計算壓力 MPa E 材料的彈性模量 Pa ф

15、焊縫系數(shù) —— δ 計算厚度 mm δd 設(shè)計厚度 mm δn 名義厚度 mm δe 有效厚度 mm m 墊片系數(shù) mm ye 比壓力 MPa A 補強截面積 mm2 B 補強有效寬度 mm F 壓力 N K 橢圓形封頭形狀系數(shù) —— M 力矩 N.mm 49 1 緒論 1.1選題的背景和意義 節(jié)約能源是當(dāng)今世界的一種重要社會意識，是指盡可能的減少能源的消耗，增加能源利用率的一些列行為。適當(dāng)?shù)臏p少沒有必要的損失，降低過多的能量消耗，以及避免沒有意義的浪費和合理有效的利用有限的能源。 換

16、熱器作為我國生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的熱量交換設(shè)備。 填料函式換熱器 這種結(jié)構(gòu)的換熱器結(jié)構(gòu)特點非常明顯，除了在制造加工方面較為簡單以外，優(yōu)點還在于材料的節(jié)省，以及造價相對于其他形式的換熱器來說低廉。 由于該結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生泄露，故只適合在壓力較低的工作環(huán)境下工作。 1.2換熱器的類型 1.2.1按作用原理和實現(xiàn)傳熱的方式分類 換熱器以傳熱方式與工作原理可以分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器以及間壁式換熱器。 1.2.2按使用目的分類 （1）冷卻器 目的：冷卻工藝物料。一般多采用水作為冷卻劑，若冷卻溫度較低，可采用氨或者氟利昂作為冷卻劑 （2）加熱器 目的：加熱工

17、藝物料。采用水蒸氣或熱水作為加熱介質(zhì)。 （3）再沸器 目的：用于蒸餾塔底汽化物料。 （4）過熱器 目的：再次加熱升溫對飽和物料。 （5）冷凝器 目的：用于將氣態(tài)物料冷凝成液態(tài)物料。 （6）廢熱鍋爐 目的：用于回收高溫物流或廢棄的熱量從而產(chǎn)生蒸汽。 1.2.3按傳熱面的形狀和材料分類 換熱器按照傳熱面的形狀和材料可分為列管式換熱器、板式換熱器以及熱管式換熱器。其中最為廣泛應(yīng)用的是列管式換熱器，板式換熱器的傳熱效率較高，結(jié)構(gòu)又比較緊湊，耗材料少?？墒窃靸r太高。作為目前最新型的換熱設(shè)備熱管式換熱器也已經(jīng)在各個領(lǐng)域廣泛被適用。 1

18、.3填料函式換熱器簡介 浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)形式可以作為填料函式換熱器的參考，由于該種換熱器的浮頭和殼體連接的滑動接觸面處采取了以填料函式這一種方法作為密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的換熱器結(jié)構(gòu)特點非常明顯，除了在制造加工方面較為簡單以外，優(yōu)點還在于材料的節(jié)省，以及造價相對于其他形式的換熱器來說低廉。 由于該結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生泄露，故只適合在壓力較低的工作環(huán)境下工作。 1.4設(shè)計任務(wù)、思想 1.4.1設(shè)計任務(wù) 現(xiàn)代社會乃至整個世界的經(jīng)濟發(fā)張越來越迅速，工業(yè)領(lǐng)域包括的內(nèi)容不斷擴張，工廠的規(guī)模也日益增大。為了能夠合理的運用每一種有限的資源與能源，我們需要開發(fā)研究新的節(jié)能設(shè)備。本設(shè)計最主要的部分是結(jié)構(gòu)

19、設(shè)計及強度校核。結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理要根據(jù)換熱器各零部件的材料以及加工成本進行校核；強度校核中比較重要的是管壁的厚度計算，封頭的厚度計算，這些都是換熱器的主要零部件。 1.4.2設(shè)計思想 本課程的所有設(shè)計數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)一定要按照我國工業(yè)行業(yè)的標(biāo)準來進行設(shè)計，只有這樣才能保證應(yīng)有的生產(chǎn)質(zhì)量，同時合理的運用資源，材料。 (1) 設(shè)計計算要以國家和行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準GB150-1998《鋼制壓力容器》與GB151-1999《管殼式換熱器》為基礎(chǔ)。 (2) 符合工藝加工要求，保證流速和傳熱效率。 (3) 符合經(jīng)濟成本要求，選用最為合理的材料，既能保證換熱器能夠很有效率的工作又能保證制造過程中的成本

20、降到最低。 2 填料函式換熱器的主要部件與結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)資料可選取圖1所示的總體結(jié)構(gòu) 圖1 填料函式換熱器總體結(jié)構(gòu) 2.1填料函式換熱器的工藝條件 工藝條件參考表1 表1 填料函式換熱器的工藝條件 設(shè) 計 條 件： 殼 程 管 程 工 作 介 質(zhì)： 空氣 苯 設(shè) 計 溫 度： 45℃ 90℃ 設(shè) 計 壓 力： 1.05MPa 1.15MPa 腐 蝕 余 量： 3 2 換 熱 面 積： 60m2 2.2估算設(shè)備尺寸 2.2.1初選結(jié)構(gòu) 管子外徑：=0.025m 最小厚度：δmin=0.

21、02m 管 長：L=3m 2.2.2計算傳熱管數(shù) 擬用傳熱管規(guī)格為φ252.5，管長L=3000mm，傳熱管數(shù)為 =255（根） （1） 式中：— 換熱管外徑; — 所需換熱面積; L — 換熱管長; — 換熱管總數(shù)。 2.2.3計算殼程直徑D 管心距 t==35mm （2） 根據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》表2-1換熱管中心距取32mm

22、橫過管束中心線的管數(shù)： （根） （3） 采用雙管程結(jié)構(gòu)，則殼程內(nèi)徑為 446.5mm （4） 圓整得DN=450mm 2.3管子與管板的連接 兩者連接必須牢固，同時需要滿足密封性能和抗拉脫力強度。根據(jù)管、殼程的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)的腐蝕性、管板的結(jié)構(gòu)等選擇管子與管板的連接方式。 2.3.1脹接 所謂脹接，是通過將脹管器插入管板孔中的管子端頭內(nèi)，對其端壁產(chǎn)生擠壓，變形從而達到兩者能夠很好的牢固連

23、接的一種機械連接方法。 脹接管板開孔尺寸見表2 表2 管板開孔尺寸 （mm） 管子外徑d 管孔名義直徑d’ 最小脹接長度l 管子外伸長度l1 槽深度K 19 19.4 δ≤50 δ＞50 3+2 0.5 25 25.4 32 32.4 δ-3

24、 4+2 0.6 38 38.5 δ-3 50 三者中最小值 45 45.5 2d 5+2 0.8 57 57.7 脹接的適用環(huán)境為設(shè)計的工作壓力小于4MPa，設(shè)計溫度低于300℃。 因此脹接適合本課題所要求的設(shè)計。 2.3.2焊接 當(dāng)溫度高于300℃或者壓力大小高于4.0MPa時，一般采取焊接的方式。其特點在與比脹接具有更大的優(yōu)越性，密封性能良好，所承受的壓力高

25、；連接強度高，抗拉托能力強。 2.3.3脹焊結(jié)合 為了解決高溫高壓，苛刻的組合工況下產(chǎn)生的破壞，目前廣泛采用脹焊并用法。不僅能夠很好的消除腐蝕，而且還能提高設(shè)備的使用壽命。 2.4管板與殼體的連接 固定管板式換熱器的管板與殼體的連接采用焊接這種方式，管板的延長部分可以用作法蘭，也可以不兼做法蘭。焊接的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)管板與殼體的相對厚度和操作條件合理的選擇和設(shè)計。圖2給出了五種常用管板兼作法蘭的焊接結(jié)構(gòu)。圖2（a）和圖2（b）所示的結(jié)構(gòu)相對簡單，但其焊接結(jié)構(gòu)不理想；圖2（a）適用于δ≥10mm、p≤1MPa的場合；圖2（b）適用于δ＜10mm、p≤1MPa的場合。圖2（c

26、）和圖2（d）兩種結(jié)構(gòu)都是角接接頭，但能保證焊透；圖2（c）適用于1≤p≤4MPa，殼程介質(zhì)有間隙腐蝕的場合；圖2（d）由于有墊板，適用于1≤p≤4MPa、殼程介質(zhì)無間隙腐蝕的場合；圖2（e）是對接接頭，焊接的質(zhì)量可以利用射線探傷得到較好的保證；適用于4MPa＜p≤10MPa、殼程介質(zhì)有間隙腐蝕的場合。 圖2 常用管板兼作法蘭的焊接結(jié)構(gòu) 由于本課程設(shè)計的要求介質(zhì)是空氣，基本對設(shè)備沒有間接的腐蝕作用，所以選擇圖2（d）這種結(jié)構(gòu)形式。 2.5管板與管箱的連接 兩者一般采用法蘭連接，此時殼程側(cè)的法蘭可以是管板的延伸。設(shè)計過程中操作的溫度，壓力和介質(zhì)的性能選擇法蘭和密封面的

27、型式。圖3為管板可拆式連接。固定端管板處于殼體法蘭和管箱法蘭之間，方便進行清洗和維修。 圖3 管板與管箱的連接結(jié)構(gòu) 2.6雙殼程結(jié)構(gòu) 用一塊縱向的分隔板將殼程一分為二，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙殼程結(jié)構(gòu)，如圖4所示。折流板缺口處的面積要比縱向隔板回流處的換向通道面積小。 圖4 雙殼程結(jié)構(gòu) 3 填料函式換熱器的材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1換熱管 3.1.1 換熱管的形式和尺寸 由于管束組成了換熱器的傳熱面積，故管子的形狀規(guī)格對換熱器的傳熱效果影響很大。為了有效的避免結(jié)垢和清洗，本課題所設(shè)計的換熱器選用小直徑

28、的管子。流體在管內(nèi)的流速：液體0.3~2m/s，氣體8~25m/s。 根據(jù)我國的材料標(biāo)準，換熱管的規(guī)格和偏差，常用規(guī)格見表3。 為了滿足降壓要求，一般推薦選用直徑19mm以上的管子；對于易結(jié)垢的物料，為了方便清洗，宜采用直徑25mm以上的管子；對于氣液兩相流的工藝物料，一般選用大直徑，如直徑為32mm的管子； 管長推薦的長度有以下幾種：1.0m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。換熱器的換熱管長度與殼體公稱直徑之比一般為6~10。 表3 常用換熱管的規(guī)格和尺寸偏差

29、 （mm） 材料 鋼管標(biāo)準 外徑X壁厚 外徑偏差 壁厚偏差 19 X 2 0.20 25 X 2.5 0.20 +12% 碳鋼 GB/T8163 32 X 3 0.30

30、 -10% 38 X 3 0.30 45 X 3 0.30 57 X 3.5 0.8% 10% 材料 鋼管標(biāo)準 外徑X壁厚 外徑偏差

31、 壁厚偏差 19 X 2 0.20 25 X 2 0.20 不銹鋼 GB/T2270 32 X 2 0.30 +12% 38 X 2.5 0.30 -10%

32、 45 X 2.5 0.30 57 X 2.5 0.8% 3.1.2換熱管的材料 換熱管一般采用碳素鋼，低合金鋼，高合金鋼。在特殊的工作環(huán)境下也可采用強化過的傳熱管如螺紋管或波紋管。根據(jù)本課程的設(shè)計要求，初步?jīng)Q定使用20鋼作為換熱管的材料。20鋼屬于碳素鋼管。 3.1.3換熱管的排列形式及管心距 圖5為換熱管標(biāo)準的排列形式。 正三角形排列是目前在換熱器管子排列形式中最為普通平凡的一種。該方式有利于殼程物流的湍流，并且在管間

33、距相等時，排列最多的管數(shù)。但管間不宜清洗。當(dāng)殼程需要機械清理時，只能選用正方形排列而不能使用三角形排列。 總之，無論采用哪種排列方法，都必須在管束周圍的弓形空間盡可能多地布置換熱管，這樣不僅可以增大換熱面積，而且可以防止殼程流體避過管束而從旁邊弓形區(qū)短路而過，影響傳熱。 圖5 管子的排列方式 所以正三角形排列這種排列方式符合本次課程所需的要求。 但這種結(jié)構(gòu)管子中心距受結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效果、管板強度和清洗難易等因素影響，為了保證換熱管與換熱管之間的小橋在進行工藝焊接時有足夠的強度。不同管徑換熱管中心距見表4。

34、 表4 換熱管中心距 （mm） 換熱管外徑 換熱管中心距 分程隔板槽兩側(cè)管子中心距 19 25 38 25 32 44 32 40

35、 52 38 48 60 45 57 68 57 72 80 本課程設(shè)計的換熱管中心距為32mm。 3.2折流板 常用的折流板有弓形和圓盤形兩種。單弓形、雙弓形和三弓形同屬于弓形折流板。工

36、程上取缺口高度約為殼體內(nèi)徑D的0.2至0.45倍。 折流板或支撐板與管束成垂直安裝，在臥式換熱器中，弓形缺口分上下布置和左右布置兩種。 折流板的板間距離大于等于50mm或殼體內(nèi)徑的20%，小于殼體內(nèi)徑，否則流體將平行于管子流動，降低傳熱效果。常采用的折流板板間距離為100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、800mm、1000mm。折流板應(yīng)當(dāng)在管子有效長度上按等距離布置，由于結(jié)構(gòu)上的原因無法實現(xiàn)時，管束兩端的折流板應(yīng)盡可能靠近殼程進、出口接管，其余的折流板則按照等間距來布置。 折流板的厚度是為了保證防止振動和拆換管子時的扭拉作用，折流

37、板的厚度主要取決于它所支撐的重量，減少折流板的厚度可以節(jié)省和減輕換熱器的重量，但折流板的承載截面減少，難以維持結(jié)構(gòu)的剛性，尤其在水平安裝的換熱器中，管束的重量很大，在安裝運輸時，可能使折流板過載，故不能太薄。板厚增加則有利于防止管子受振動而破壞。一般情況下，折流板的最小厚度按表5選取。 表5 折流板或支撐板的最小厚度 （mm） 工程直徑DN l≤300 300＜l≤600 600＜l≤900 900＜l≤1200 1200＜l≤1500 l＞1500 DN≤400 3

38、 4 5 8 10 10 400＜DN≤700 4 5 6 10 10 12 700＜DN≤900 5 6 8 10 12 16 900＜DN≤1500 6 8 10 12 16 16 1500＜DN≤2000 - 10

39、 12 16 20 20 2000＜DN≤2600 - 12 14 18 20 22 注 l為換熱管無支承跨距 由于折流板管孔的大小直接影響到換熱器傳熱、機械性能以及加工制造過程，因此，要把管子和管孔間隙的大小控制在一個適當(dāng)?shù)闹怠Ｕ哿靼骞芸字睆胶驮试S偏差見表6。折流板的名義外徑和下偏差應(yīng)符合表7的規(guī)定。折流板開孔后，每個孔的兩面應(yīng)有0.5~1mm的倒角或把銳角倒鈍，以免安裝和運行的過程中損傷管壁，影響使用壽命

40、。 表6 折流板管孔直徑和允許偏差（Ⅰ級換熱管） （mm） 換熱管外徑d或無支承跨距l(xiāng) 管孔直徑 允許偏差 d＞32或l≤900 d+0.7 +0.3 0 l＞900且d≤32 d+0.4

41、 +0.3 0 表6 折流板管孔直徑和允許偏差（Ⅱ級換熱管） （mm） 換熱管外徑d 管孔直徑 允許偏差 14 14.6 16

42、 16.6 19 19.6 +0.4 25 25.8 0 32 32.8 +0.45 38 38.8 0

43、 45 45.8 +0.5 57 58.0 0 表7 折流板管孔直徑和允許偏差 （mm） 公稱直徑DN 折流板名義外直徑 折流板名義外直徑允許偏差 DN≤400 DN-2.

44、5 0 400＜DN≤500 DN-3.5 -0.5 500＜DN≤900 DN-4.5 0 900＜DN≤1300 DN-6 -0.8 1300＜DN≤1700 DN-8

45、 0 1700＜DN≤2000 DN-10 -1.2 2000＜DN≤2300 DN-12 0 -1.4 2300＜DN≤2600 DN-14

46、 0 -1.6 本課程所用弓形折流板中的單弓形折流板的目的在于防止流體在進入下一板間發(fā)生流動方向的改變。 3.2.1折流板的主要幾何參數(shù) 確定弓形折流板缺口的高度有以下幾種，流體通過折流板的缺口的速度要在數(shù)值上與橫過管束時的流速近似。為了減少流體的阻力，同時還要考慮到介質(zhì)的流動情況和總傳熱的系數(shù)。在工程上，缺口的高度大約為殼體內(nèi)徑的20%至45%。 mm

47、 （5） 折流板數(shù)： -1=6 （6） 3.2.2折流板與殼體間隙 在設(shè)計折流板與殼體間隙時，一定要考慮換熱管中的流體介質(zhì)是否會發(fā)生泄漏，因為這樣會導(dǎo)致傳熱效率的降低。故設(shè)計的間隙越小越好。 折流板的名義外直徑為 mm （7） 3.2.3折流板厚度 根據(jù)表5選取折流板的厚度為4mm。 3.2.4折流板的管孔 （1）根據(jù)表6（Ⅱ級換熱管）折流板管孔直徑和允許偏差，可

48、得管孔直徑為25.8。 （2）管孔中心距t=32mm。 （3）在折流上管孔加工之后兩端必須要倒角。 3.2.5材料的選取 根據(jù)本課程的設(shè)計要求，初步?jīng)Q定選用以Q235-B為材料的鋼板。 3.3拉桿與定距管 3.3.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式 在目前的工業(yè)設(shè)計生產(chǎn)中拉桿與定距管的組合同管板固定在一起是最為普遍的折流板的安裝方式之一。拉桿與管板的連接一端可用焊接，也可用螺紋使兩者固定如圖6所示。 圖6 拉桿的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)前面設(shè)計換熱管直徑選擇25mm，殼體公稱直徑選擇450mm，故拉桿定距管結(jié)構(gòu)形式適合本裝置。 3.3.2拉桿直徑、數(shù)量和尺

49、寸 一般碳鋼采用拉桿和定距管形式、定距管的直徑可與換熱管相同。拉桿數(shù)量及直徑見表8和表9。 表8 拉桿數(shù)量 （mm） 拉桿直徑 拉桿數(shù)量 DN＜400 400≤DN＜700 700≤DN＜900 900≤DN＜1300 1300≤DN＜1500 1500≤DN＜1800 1800≤DN＜2000 10 4

50、 6 10 12 16 18 24 12 4 4 8 10 12 14 18 16 4 4 6 6 8 10 12 表9 拉桿的直徑

51、 （mm） 換熱管外徑 拉桿直徑 10 10 14 12 19 12 25 16 32 16 38

52、 16 45 16 57 16 根據(jù)表8，表9可得拉桿直徑為16mm，拉桿數(shù)量為4根。 3.3.3拉桿的布置 拉桿的布置需要滿足一些要求，首先管束周圍的拉桿需要均勻的布置，倘若設(shè)計的換熱器直徑較大，我們也可以在布管區(qū)的中心處和折流板缺口周圍布置拉桿。 3.4防沖板 防沖板的作用在于不讓流體以較大的速度沖刷管子，導(dǎo)致?lián)Q熱管引起振動從而失穩(wěn)或產(chǎn)生腐蝕效果。在

53、以下情況下殼程需要設(shè)置防沖板： （1）流體介質(zhì)有腐蝕性。 （2）對于非腐蝕和非磨蝕性的單向流體ρu2>2300 kg/(ms2) （3）對于其他液體包括ρu2>740 kg/(ms2)的沸點下的流體。 （4）有腐蝕或磨蝕性的氣體，蒸汽或者氣液混合物 碳鋼、低碳合金鋼防沖板的最小厚度為4.5mm，不銹鋼防沖板的最小厚度為3mm。 下列公式為計算防沖板的表面到圓筒內(nèi)壁之間的距離。 H=h/2+di/4 （8） 式中：H——防沖板在殼體內(nèi)的位置尺寸，mm

54、 h——殼程進口接管內(nèi)徑與殼體內(nèi)徑相交的弓形高度，mm di——接管內(nèi)徑，mm 注該計算得出的值該大于接管外徑地四分之一。 另外確定防沖板的布置位置是否合理一個重要的因素為測量該防沖板的外表面到圓筒內(nèi)壁的距離是否符合標(biāo)準。 3.5進、出口的設(shè)計 進，出口的設(shè)計需要考慮流體分布的均勻性，并且盡量減少死角。接管的最大直徑不得超過1/3~1/4殼體直徑。允許的降壓和進出口處的流體動壓都應(yīng)是選擇接管通徑的考慮要求。 3.5.1接管外伸長度 接管中心線與筒體外表面相交的點到法蘭密封面為接管外伸長度，接管其長度根據(jù)以下式子進行計算。

55、(mm) (9) 式中：h――接管法蘭厚度，mm； h1――接管法蘭的螺母厚度，mm； δ――保溫層厚度，mm； ――接管外伸長度，mm。 3.5.2 殼程接管位置最小尺寸 殼程接管位置最小尺寸見圖7，按下式估算： 圖7殼程接管位置 帶補強圈： L1≥DH/2+(b-4)+C mm (10) 無補強圈： L1≥dH/2+(b-4)+C m

56、m (11) 式中： b――管板厚度，mm； L1/L2――殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C――補強圈外邊緣至管板與殼體連接焊縫之間的距離，mm； DH――補強圈外圓直徑，mm。 dH――接管外徑，mm。 根據(jù)計算可得：空氣進、出口接管高度=150mm, 苯進、口接管高度=150mm。 管箱壓力表接管高度=100mm,管箱排污口接管高度=100mm，殼程排氣口接管高度=100m

57、m。 3.5.3管箱接管位置最小尺寸 管箱接管位置最小尺寸見圖8，按下式估算： 圖8 管箱接管位置 帶補強圈： L2≥DH/2+ hf+C mm （12） 無補強圈： L2≥DH/2+ hf+C mm （13） 式中： b――管板厚度，mm； L1/L2――殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C――補強圈外邊緣至管板與殼體連接焊縫之間的距離，mm；

58、 DH――補強圈外圓直徑，mm。 dH――接管外徑，mm。 由于存在焊縫原因，一般要求C≥30mm。 3.5.4排氣、排液管 換熱器設(shè)置排液口是為了把殘液或氣體帶進的冷凝液排出。排氣口是為了把惰性氣體或液體夾帶的氣體排出，充分利用傳熱面積。 臥式換熱器的排氣口、排液口分別開在殼體和封頭的頂部或底部。 3.5.5接管與筒體、管箱殼體的連接 一般采用插入式焊接法，目的在于保證管箱殼體內(nèi)壁保持整齊。在GB150-1998《鋼制壓力容器》中有開孔的標(biāo)準尺寸規(guī)定。 3.6管箱 管箱是位于管殼式換熱器兩端的重要部件。 3.6

59、.1管箱結(jié)構(gòu)形式 其常見的幾種結(jié)構(gòu)如圖9所示。 圖9管箱結(jié)構(gòu)形式 圖9（a）結(jié)構(gòu)適用于較為清潔介質(zhì)的情況，因為該結(jié)構(gòu)在清洗時需要將連接的管道一起拆下，很不方便；圖9（b）在管箱上裝有平蓋，在平蓋拆除后，不僅容易清洗，而且檢查時也較為方便。圖9（c）的管箱與管板焊成一體，從結(jié)構(gòu)上看完全避免了在管板密封處的泄露，但該結(jié)構(gòu)的缺陷是管板不能夠單獨拆下進行檢修和清洗；圖9（d）為多管程隔板的一種安裝形式。 為了保證流體的均勻分布，管箱內(nèi)側(cè)深度應(yīng)該滿足如下要求：軸向開孔的單程管箱開孔中心處的最小深度不得小于接管內(nèi)直徑的1/3倍；在操作壓力允許的情況下也等于每程管子的

60、流通面積。 分程隔板的最小厚度與管箱直徑有關(guān)，管箱直徑越大，要求的隔板厚度越厚，以保證其剛性和密封性必要的寬度。分程隔板的最小厚度見表10。 表10 分程隔板的最小厚度 （mm） 公稱直徑DN 碳素鋼及低合金鋼 高合金鋼 DN≤600 8 8 600＜DN≤1200

61、 10 8 DN＞1200 14 10 根據(jù)本課程，選擇圖9（b）的結(jié)構(gòu)形式。 3.6.2管箱材料的選擇 設(shè)計溫度90℃和設(shè)計壓力1.15MPa。根據(jù)GB150-1998，管箱材質(zhì)選用Q235-B。 3.7管板 管板是換熱器的重要元件，碳素鋼，低合金鋼這類的材料用于換熱介質(zhì)無明顯腐蝕或輕微腐蝕。用鋼板制的管板一般適用于中、低壓換熱器，鍛造鋼板一般適

62、用于高壓換熱器。本課題所設(shè)計的填料函式換熱器屬于低壓換熱器，管程介質(zhì)為苯，對于金屬基本沒有腐蝕性。 3.7.1管板結(jié)構(gòu) 本設(shè)計采用固定式管板。密封面設(shè)置在管板和法蘭連接的地方，制造分程隔板槽在拐角位置，倒角為。 3.7.2管板最小厚度與尺寸 管板的最小厚度是為了滿足管子與管板連接的制造工藝。管板與換熱管采用脹接連接時最小厚度δmin（不包括腐蝕裕量）見表11。 表11 管板與換熱管脹接時的最小厚度 （mm） 換熱管外徑d 用于無害

63、介質(zhì)的一般場合 δmin 19 15 25 20 32 24 38 26 45 32 57 36 本課程所設(shè)計的換熱管外徑選擇25mm，則管板與換熱管采用脹接連接時最小厚度δmin為20mm） 管板尺寸如圖10所示： 圖10固定端管板 查《換熱器設(shè)計手冊》表

64、1-6-11（A）得： A1=590mm B1=447mm C1=450mm b1=42mm 3.7.3管板孔直徑和允許公差 根據(jù)表3可得管孔直徑 （14） 3.7.4管板材料 根據(jù)本設(shè)計的設(shè)計溫度和設(shè)計壓力，以及管程、殼程工作介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，參考GB150-1998《鋼制壓力容器》表4-1選擇管板材料Q235-B。 3.8封頭、法蘭與墊片的選擇 3.8.1封頭的選用 在化工設(shè)備生產(chǎn)制造的過程中，我們有許多封頭的種類可以選擇。最為常用的是凸形封頭。根據(jù)工作環(huán)境，加工要求，

65、材料的性能來決定使用哪種型號的封頭。一般市場上有以下幾種封頭： (1) 半球形封頭：屬于球形封頭的一種，一般用于高壓容器上。在直徑和承受的壓力相同的條件下，用料最省。 (2) 橢圓形封頭：最為廣泛使用的一種封頭形式，一般用于中低壓容器上。由旋轉(zhuǎn)橢圓球面和圓筒形直段兩部分組成。力學(xué)性能優(yōu)于碟形封頭，制造難度一般，綜合性能較好。 (3) 碟形封頭：又稱折邊形封頭，與橢圓形封頭比較，應(yīng)力分布不如其均勻，但加工工藝較為簡單，不怎么在工程中使用。 在計算時需要考慮強度和穩(wěn)定性，最后選取最為合理的厚度值。 計算厚度： （

66、15） 設(shè)計厚度： （16） 名義厚度： （17） （根據(jù)GB151-1999表8規(guī)定碳素鋼的最小厚度為10mm） 有效厚度： （18） 3.8.2 煙道氣進、出口處的封頭 根據(jù)設(shè)計溫度90℃，設(shè)計壓力P＝1.05MPa，選用Q235B,材料的許用應(yīng)力[σ]t=113MPa 取焊縫系數(shù)ф＝1。腐蝕裕度＝3mm,鋼板厚度偏差=0.8mm?？墒褂脵E圓形封頭GB150-1998規(guī)定標(biāo)準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)大于等于封頭內(nèi)直徑的 0.15％，設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作應(yīng)力,查表系數(shù)K取值為1 （19） 根據(jù)JB/T 4737-95 選取橢圓形封頭為 ，直邊高度=25mm,曲面高度=112mm