管壳式换热器设计课程设计.doc
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一、课程设计题目
管壳式换热器的设计
二、课程设计内容
1．管壳式换热器的结构设计
包括：
管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。
2.壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核
（1）根据设计压力初定壁厚；
（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；
（3）计算是否安装膨胀节；
（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。
3.筒体和支座水压试验应力校核
4.支座结构设计及强度校核
包括：
裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓
5.换热器各主要组成部分选材，参数确定。
6.编写设计说明书一份
7.绘制2号装配图一张，AutoCAD绘3号图一张（塔设备的）。
三、设计条件
气体工作压力
管程：
半水煤气0.75MPa
壳程：
变换气0.68MPa
壳、管壁温差55℃，tt＞ts
壳程介质温度为220-400℃，管程介质温度为180-370℃。
由工艺计算求得换热面积为140m2，每组增加10m2。
四、基本要求
1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；
2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；
3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；
4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：
30前，由班长负责统一交到HF508。
5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。
五、设计安排
内容
化工设备设计的基本知识
管壳式换热器的设计计算
管壳式换热器结构设计
管壳式换热器设计制图
设计说明书的撰写
设计人
李海鹏
吴彦晨
王宜高
六、说明书的内容
1.符号说明
2.前言
（1）设计条件；
（2）设计依据；
（3）设备结构形式概述。
3.材料选择
（1）选择材料的原则；
（2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图
（1）换热器装配图
（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；
（3）标注形位尺寸。
（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等
5.壳体、封头壁厚设计
（1）筒体、封头及支座壁厚设计；
（2）焊接接头设计；
（3）压力试验验算；
6.标准化零、部件选择及补强计算：
（1）接管及法兰选择：
根据结构草图统一编制表格。
内容包括：
代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。
补强计算。
（2）人孔选择：
PN,DN,标记或代号。
补强计算。
（3）其它标准件选择。
7.结束语：
对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。
8.主要参考资料。
【格式要求】：
1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；
3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；
5.设计说明书中与装配图中的数据一致。
如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；
6.书写工整，字迹清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。
目录
1前言 1
1.1概述 1
1.1.1换热器的类型 1
1.1.2换热器 1
1.2设计的目的与意义 2
1.3管壳式换热器的发展史 2
1.4管壳式换热器的国内外概况 3
1.5设计思路、方法 5
2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算
2.1管径 11
2.2管子数n 11
2.3管子排列方式，管间距的确定 11
2.4换热器壳体直径的确定 11
2.5换热器壳体壁厚计算及校核 11
3换热器封头的选择及校核 14
4容器法兰的选择 15
5管板 16
5.1管板结构尺寸 16
5.2管板与壳体的连接 16
5.3管板厚度 16
6管子拉脱力的计算 18
7计算是否安装膨胀节 20
8折流板设计 22
9开孔补强 25
10支座 27
10.1群座的设计 27
10.2基础环设计 29
10.3地角圈的设计 30
符号说明 32
前言
1.1概述
1.1.1换热器的类型
管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。
一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。
列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。
1.1.2换热器
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。
按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：
混合式、蓄热式、间壁式。
间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。
在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。
该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。
间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。
将在后面做重点介绍。
直接接触式换热器又称混合式换热器。
在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。
该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。
常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。
蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。
此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。
当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。
此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。
其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。
工业上最常见的换热器是间壁式换热器。
根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。
紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。
1.2设计的目的与意义
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。
换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。
换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。
其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。
管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。
对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。
在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。
1.3管壳式换热器的发展史
为了满足电厂对在较高压力下运行的大型换热器（如冷凝器和供水加热器）的需要，在20世纪初，提出了壳管式换热器的基本设计。
经过长期的运用，使设计变得相当成熟和专业化。
当今已广泛地应用于工业上的壳管式换热器，在20世纪初也开始适应石油工业提出的要求。
油加热器和冷却器、再沸器以及各种原油馏分和有关的有机流体的冷凝
器这些设备需要在恶劣的野外条件下运行，流体常常不干净而且又要求高温和高压，因此，设备便于清洗和进行现场修理是绝对需要的。
壳管式换热器发展的早期阶段，出现的最大量的严重问题，不是在传热方面（这可以由实践经验粗略的估算），而是各种部件，特别是管板材料的强度计算问题，还有在制造技术和工程实施中的许多有关的其他问题，如管和管板的连接，法兰和接头管的焊接等。
在20世纪20年代，壳管式换热器的制造工艺得到相当圆满的发展，这主要是由于几个主要制造商努力的结果。
制造设备的传热面积可达500m2,即直径约750mm、长6m，用于急剧增长的石油工业。
在30年代，壳管式换热器的设计者，根据直接经验和在理想管束上的实验数据，建立了很多正确的设计原则。
水-水和水-气换热器的设计，大概与现今的设计差不多。
因为污垢热阻起很大的作用，壳侧流动的粘性流是一个困难的问题，而且，60年代以前的他们的了解很少。
随着壳管式换热器的应用稳步增长，以及对在各种流程条件下性能预计的精度要求越来越高，这造就40年代直至50年代研究活动的激增。
研究内容不仅包括壳侧流动，而且相当重要的还有真实平均温差的计算、结构件特别是管板的强度计算。
多年来发展起来的壳管式换热器，由于其结构坚固并能适应很大的设计和使用条件的变化，已成为最广泛使用的换热器。
1.4管壳式换热器的国内外概况
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重,必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。
换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用,有时甚至是决定性的作用。
目前在发达的工业国家热回收率已达96%,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35%～40%。
其中管壳式换热器仍然占绝对的优势,约70%。
其余30%为各类高效紧凑式换新型热管和蓄热器等设备,其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。
随着工业装置的大型化和高效率化,换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。
当今换热器的发展以CFD（ComputationalFluidDynamics）、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[1]。
该换热器是当前应用最广,理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热
器。
目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。
强化传热主要有3种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差,研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。
2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算
2.1管子数n
选用Φ32×3的无缝钢管，材质为20号钢，管长3m。
其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=517根
2.2管子排列方式，管间距的确定
采用正三角形排列，由《化工设备机械基础》表7-4查得层数为12层，查表7-5取管间距a=40mm.
2.3换热器壳体直径的确定
其中
其中b为正六角形对角线上的管子数b=25mm，查表7-5，取管间距a=32mm。
取，
查表2-5，圆整后取壳体内径1100mm。
2.4换热器壳体壁厚计算及校核
材料选用Q245R钢板
计算壁厚为：
式中:
为计算压力，取=1.0Mpa；1100mm;=0.85;[]t=108Mpa（设壳壁温度为300°C）
将数值代入上述厚度计算公式，可以得知
查《化工设备机械基础》表4-11取；
查《化工设备机械基础》表4-9得C1=0.3mm。
查表4-13圆整后取δn=9mm。
3换热器封头的选择及校核
上下封头均选用标准椭圆形封头，根据GB/T25198标准，封头为DN1100×8，查《化工设备机械基础》表7-47得曲面高度h1=275，直边高度，材料选用Q245R。
下封头与裙座焊接，
4容器法兰的选择
材料选用Q345R根据NB/T4703-2012选用DN1100，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。
所以，选用的法兰尺寸如下图7-48所示：
5管板
5.1管板尺寸的确定
选用固定换热器管板，并兼作法兰，查相关标准得p=p=1.6MPa（取管板的公称压力为1.6MPa）的碳钢板尺寸，如图7-49所示：
6管子拉脱力的计算
计算数据按表7-13选取
项目
管子
壳体
操作压力/Mpa
0.75
0.7
材质
20钢
20R
线膨胀系数
弹性模量
许用应力/Mpa
101
92
尺寸
管子根数
511
管间距/mm
40
管壳壁温差/℃
管子与管板连接方式
开槽胀接
胀接长度/mm
50
许用拉脱力/Mpa
4.0
1、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力
（6-1）
其中（6-2）
mm
2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力
其中
由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：
q=+=1.297﹤4.0
因此拉脱力在许用范围内。
7计算是否安装膨胀节
管壳壁温差所产生的轴向力为：
（N）
压力作用于壳体上的轴向力
其中
=
压力作用于管子上的轴向力为：
则
根据GB１５１——１９９９《管壳式换热器》
q﹤［ｑ］＝4.0，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。
8折流板设计
我们采用弓形折流板h=折流板间距取600mm由表7-9查得折流板外径为1095.5，材料为Q235-A钢如图7-50所示。
拉杆选用12，共6根，材料为20钢。
9开孔补强
换热器壳体和封头上的等面积的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器材料和厚度都相同，即9mm厚的Q245R钢板。
其补强结构如图7-51所示。
10支座
采用裙座，详细计算参见第八章“塔设备的机械设计”。
这里选裙座厚度为9mm，基础环厚度为14mm。
设计结果为如图7-52所示的换热器装置图。
表7-14
技术特性表
序号名称
指标
管程壳程
1工作压力/0.70.68
2工作温度/℃180~370400~220
3物料名称半水煤气变换气
4传热面积/㎡130
表7-15
接管表
序号接管法兰标准密封面形式用途
1PN16DN250HG/T20592平面变换气进口
2PN10DN250HG/T20592平面半水煤气进口
3PN10DN250HG/T20592平面变换气进口
4PN16DN250HG/T20592平面半水煤气进口
符号说明
tt——操作状态下管壁温度，°C;F——换热面积，㎡；
ts——操作状态下壳壁温度，°C；a——管间距，mm；
Ф——焊接接头系数，无量纲；di——壳体内径，mm；
b——正六边形对角线上的管子数，个；do——壳体外径，mm；
Lｎ——换热管长度，ｍｍ；Pc——计算压力，MPa;
d均——管子的平均直径，mm；Pw——工作压力，MPa;
［Pｗ］——最大允许工作压力，MPa；P——设计压力，MPa;
PT——水压试验压力，MPa;δ——计算壁厚，mm；
DN——直径（公称），ｍｍ；δd——设计壁厚，mm；
ＰＮ——公称压力，MPa；δn——名义壁厚，mm；
Ｐｔ——管子的工作压力，MPa；δe——有效壁厚，mm；
Ｐｓ——壳体的工作压力，MPa；C——厚度附加量，mm；
△ｔ——管壳壁温度，°Ｃ;C1——钢板的负偏差，mm；
［ｑ］——许用拉脱力，MPa;C2——腐蚀欲量，mm；
ａ——线膨胀系数，１／°C;σs——屈服点，MPa；
ｆ——每四根管子之间的面积，mm２；h1——曲面高度，mm；
Aｔ——换热管截面面积，mm２；ho——短圆筒长度，mm；
Aｓ——壳壁横截面面积，mm２；h2——直边长度，mm；
F１——管、壳壁温差所产生的轴向力，N；E——弹性模量，ＭＰａ；
F2——压力作用于壳体上的轴向力，N；ｑｔ——温差应力，ＭＰａ；
F3——压力作用于管子上的轴向力，N；
——①胀接长度，mm；
②最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；
ｑｐ——在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，ＭＰａ；
谢辞
通过这次课程设计，让我对《化工设备机械基础》这门课有了进一步的认识。
这次课程设计设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。
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，包括管子直径、壳体厚度，管板选择等。
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，我查阅了相关书籍及文献，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。
在设计的最后附管试换热器的图，在绘图的整个过程中，我对化工制图更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，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。
在此感谢我们的唐小勇老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
因为我的知识有限，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。
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