換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)

1、第六章 換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)6.1 換熱設(shè)備的分類和總體結(jié)構(gòu)6.1.1 換熱設(shè)備的分類按照傳熱方式的不同，換熱設(shè)備可分為三類：1.混合式換熱器利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進(jìn)行熱量的交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，常做成塔狀。2.蓄熱式換熱器在這類換熱器中，熱量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過，把熱量蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉(zhuǎn)換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，造成流體的“污染”。這類換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格便宜、單位體積傳熱面大，故較適合于氣氣熱交換的場(chǎng)合。3.間壁式換熱器是工業(yè)中最為廣泛應(yīng)用的一類換熱器。冷

2、熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進(jìn)行傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)它又可分為：（1）管式換熱器如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等。（2）板面式換熱器如板式、螺旋板式、板殼式等。（3）擴(kuò)展表面式換熱器如板翅式、管翅式、強(qiáng)化的傳熱管等。其中以管式換熱器應(yīng)用作為廣泛，其特點(diǎn)見表6-1所示。表6-1管殼式換熱器的主要類型及特點(diǎn)類型固定管式換熱器浮頭式換熱器U型管式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊板上，管板以焊接的方法與殼體相連換熱器中一塊管板與殼體固定，另一塊管板能自由移動(dòng)換熱管被彎成U形，管的兩端固定在同一管板上設(shè)備性能當(dāng)殼體直徑相同時(shí)便于排更多的管子，管內(nèi)不易積垢殼程難以

3、清洗在殼體與管中產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力管束可抽取管內(nèi)、外都能清洗一塊管板可自由移動(dòng)在殼體與管中不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力只有一塊管板管束可以從殼體中抽出管外清洗方便管內(nèi)清洗困難在殼體與管中不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力6.1.2 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)均包括：管箱、管板、殼體、折流板或支承板、定距管、拉桿、分程隔板、接管、支座等。如圖6-1所示。圖6-1 常見管殼式換熱器結(jié)構(gòu)1平蓋；2平蓋管箱（部件）；3接管法蘭；4管箱法蘭；5固定管板；6殼體法蘭；7防沖板；8儀表接口；9補(bǔ)強(qiáng)圈；10殼體（部件）；11折流板；12旁路擋板；13拉桿；14定距管；15支持板；16雙頭螺柱；17螺母；18外頭蓋墊片；1

4、9外頭蓋側(cè)法蘭；20外頭蓋法蘭；21吊耳；22放氣口；23橢圓形封頭；24浮頭法蘭；25浮頭墊片；26無折邊球形封頭；27浮頭管板；28浮頭蓋（部件）；29外蓋頭（部件）；30排液口；31鉤圈；32接管；33活動(dòng)鞍座；34換熱管；35假管；36管束（部件）；37固定鞍座；38滑道；39管箱墊片；40管箱短節(jié)；41封頭管箱；42分程隔板；43懸掛式支座；44膨脹節(jié)（部件）；45中間擋板；46U形換熱器；47內(nèi)導(dǎo)流筒；48縱向隔板；49填料；50填料函；51填料壓蓋；52浮動(dòng)管板；53部分剪切環(huán)；54活套法蘭。6.2管殼式換熱設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟6.2.1 管殼式換熱設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)容管殼式換熱設(shè)備設(shè)

5、計(jì)的內(nèi)容包括工藝設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩方面。本課程設(shè)計(jì)是把工藝參數(shù)、尺寸作為已知條件，在滿足工藝條件的前提下，對(duì)換熱設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計(jì)算，并從制造、安裝、檢修、使用等方面出發(fā)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。換熱設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書內(nèi)容和格式按表6-2所示。6.2.2 管殼式換熱設(shè)備設(shè)計(jì)的步驟在閱讀了設(shè)計(jì)任務(wù)書后，按以下步驟進(jìn)行換熱設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)。了解設(shè)計(jì)條件；選材；按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算殼體和管箱壁厚；管子與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；殼體與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；管板厚度計(jì)算；折流板、支持板等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；換熱管與殼體在溫差和流體壓力聯(lián)合作用下的應(yīng)力計(jì)算；管子拉脫離和穩(wěn)定性校核；判斷是否需要膨脹節(jié)，如需要，則選擇膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)型式并進(jìn)

6、行有關(guān)的計(jì)算；接管、接管法蘭、支座等的選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)等。表6-2換熱設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書比例條件內(nèi)容修改設(shè)計(jì)參數(shù)及要求修改標(biāo)記修改內(nèi)容簽字日期殼程管程工作壓力，MPa1.431.53設(shè)計(jì)壓力，MPa1.571.68工作溫度，310420設(shè)計(jì)溫度，310420單位名稱介質(zhì)堿洗氣變換氣工程名稱推薦材料16MnR20鋼設(shè)計(jì)項(xiàng)目管/殼程數(shù)11條件編號(hào)傳熱面積，m270設(shè)備圖號(hào)公稱直徑，mm800位號(hào)/臺(tái)數(shù)傳熱管直徑，mm38提出人日期傳熱管長度，m3備注傳熱管根數(shù)，根205腐蝕情況微弱設(shè)計(jì)壽命接管表符號(hào)公稱尺寸DN連接面形式用途a400凹面變換氣b250凹面堿洗氣c250凹面堿洗氣d400凹面變換氣e1

7、/2”螺紋排水口表6-3換熱設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書簡(jiǎn)圖與說明設(shè)計(jì)參數(shù)及要求殼程管程工作壓力，MPa1.431.53設(shè)計(jì)壓力，MPa1.571.68工作溫度，310420設(shè)計(jì)溫度，310420介質(zhì)堿洗氣變換氣管/殼程數(shù)11傳熱面積，m270公稱直徑，mm800傳熱管直徑，mm38傳熱管長度，m3傳熱管根數(shù)，根205腐蝕情況微弱設(shè)計(jì)壽命接管表符號(hào)公稱尺寸DN連接面形式用途a400凹面變換氣b250凹面堿洗氣c250凹面堿洗氣d400凹面變換氣e1/2”螺紋排水口6.3 換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)示例6.3.1 管殼式換熱器某合成氨廠變換工段中變換熱器，系臥式固定管板式的管殼式換熱器，如圖6-2所示，其殼程圓筒內(nèi)徑為8

8、00mm。換熱管規(guī)格為38×3的無縫鋼管，共205根，管長3m。工作條件：殼程介質(zhì)為堿洗液（脫碳后的氮?dú)浠旌蠚猓?，壓力?.43Mpa，最高溫度為310；管程介質(zhì)為變換氣（含有二氧化碳的氮?dú)浠旌蠚猓瑝毫?.53Mpa，最高溫度為420。有工藝計(jì)算得沿長度平均的殼程圓筒金屬溫度為274，換熱管金屬溫度為350。試對(duì)該換熱器進(jìn)行材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)構(gòu)草圖如圖6-2所示，下面分別進(jìn)行殼程圓筒、管箱封頭及圓筒、法蘭、管板，以及U形膨脹節(jié)設(shè)計(jì)及計(jì)算。圖6-2 臥式帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器1變換氣入口接管；2錐形封頭；3設(shè)備法蘭；4管板；5堿洗氣出口接管；6補(bǔ)強(qiáng)圈；7筒體；8膨脹

9、節(jié)；9換熱管；10定距管；11折流板；12堿洗氣入口接管； 13變換器出口接管；14鞍式支座。6.3.1.1 殼程圓筒根據(jù)工作條件選擇殼程圓筒的材料為16MnR鋼板。在常溫時(shí)許用應(yīng)力為170Mpa，在設(shè)計(jì)溫度310時(shí)的許用應(yīng)力為142MPa，屈服限為227Mpa。按GB150-98式（6-1）殼程圓筒計(jì)算厚度（6-1）式中計(jì)算壓力；內(nèi)直徑材料許用應(yīng)力焊縫系數(shù)=0.85（采用雙面焊、局部無損探傷）以上數(shù)值代入式（6-1）得按GB150-98碳素鋼或低合金鋼容器的最小厚度不小于3mm，該厚度值不包括厚度附加量C=2mm即。殼程圓筒的液壓試驗(yàn)及壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核。試驗(yàn)液體為水，試驗(yàn)壓力PT按下式壓力

10、試驗(yàn)時(shí)，圓筒的總體薄膜應(yīng)力按下式6.3.1.2 管箱（1）錐形封頭如圖6-2所示為帶折邊錐形封頭，根據(jù)工作條件選擇錐形封頭材料為15CrMoR（正火加回火）鋼板。在常溫時(shí)許用應(yīng)力為150MPa，在設(shè)計(jì)溫度420時(shí)的許用應(yīng)力為115.6MPa，屈服限為229.4MPa。圖6-3 錐形封頭按GB150-98式（6-10），式（6-11）過渡段厚度（6-10）與過渡段相接處的錐殼厚度（6-11）式中計(jì)算壓力Pc=1.1×1.53=1.68MPa內(nèi)直徑Di=800mm材料許用應(yīng)力t=115.6MPa焊縫系數(shù)=0.85（采用雙面焊、局部無損探傷）系數(shù)K=0.682（采用標(biāo)準(zhǔn)封頭r/Di=0.1

11、5, =30）f=0.554（同上）K、f值分別由GB0-98表6-4、表6-5查得。以上數(shù)值代入式（6-10）、式（6-11）得取，附加厚度c=2mm選取錐形封頭的水壓試驗(yàn)壓力殼程圓筒和封頭計(jì)算參見GB150-98。（2）管箱法蘭選JB/T4703-2000長頸對(duì)焊法蘭PN=2.5MPa，DN800，材料為15CrMo。法蘭密封面型式為凹凸面，連接尺寸（參閱圖6-4）如下：Di=800mm0=16mmDb=915mm1=26mmDf=960mmH=115mmD4=863mm f=52mm（不包括厚度附加量）墊片采用金屬包墊片865×825JB/T4706-200由GB150-98表

12、9-2查得m=3.75，y=52.4MPa選32個(gè)材料為35CrMoA等長雙頭螺栓M24×160JB/T4707-2000。螺栓計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按式GB150-98式（9-4）計(jì)算：（6-12）式中墊片有效密封寬度b墊片接觸寬度按GB150-98表9-1得墊片基本密封寬度由于b>6.4mm則墊片壓緊力中心直徑墊片比壓力y=52.4MPa（見GB150-98表9-2）以上數(shù)值代入式（9-2）得操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按GB150-98式（9-5）計(jì)算：（6-13）式中由上已知b=8mm，DG=847mm墊片系數(shù)m=3.75管程設(shè)計(jì)壓力p=1.68MPa以上數(shù)

13、值代入式（9-5）得預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按GB150-98式（9-6）計(jì)算：（6-14）操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按GB150-98式（9-7）計(jì)算：（6-15）式中常溫下螺栓材料許用應(yīng)力b=228MPa在設(shè)計(jì)溫度420下螺栓材料許用應(yīng)力代入式（9-6）、式（9-7）得需要的螺栓面積實(shí)際螺栓面積所需螺栓面積足夠。螺栓最小間距由GB150-98表9-3確定當(dāng)時(shí)，推薦的螺栓最大間距（6-16）式中螺栓公稱直徑法蘭厚度墊片系數(shù)以上數(shù)值代入式（9-3）得實(shí)際間距螺栓布置符合要求法蘭計(jì)算法蘭預(yù)緊力矩按GB150-98式（9-10）計(jì)算：（6-17）式中預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷按GB150-98式（

14、9-8）計(jì)算：力臂以上數(shù)值代入式（9-10）法蘭操作力矩按GB150-98式（9-11）計(jì)算：（6-18）式中作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力圖6-5 法蘭受力圖（見GB150-98圖9-1續(xù)）（a）流體靜壓總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上流體靜壓軸向力之差窄面法蘭墊片壓緊力力臂力臂力臂以上數(shù)值代入式（9-11）得法蘭設(shè)計(jì)力矩 取其中之大值（6-19）式中法蘭材料為15CrMo鍛件，其常溫下許用應(yīng)力為147MPa，在設(shè)計(jì)溫度420下許用應(yīng)力為107.6MPa。代入上式得則 法蘭應(yīng)力（1）軸向應(yīng)力按GB150-98式（9-13）計(jì)算：（6-20）（2）周向應(yīng)力按GB150-98式（9-15）計(jì)

15、算：（6-21）（3）徑向應(yīng)力按GB150-98式（9-14）計(jì)算：（6-22）式（9-13）式（9-14）中整體法蘭系數(shù)頸部應(yīng)力校正系數(shù)f按 由圖9-7查得f=1.4；參數(shù) 按，由圖9-3及圖9-4查得，按，由圖9-8查得，。將、代入?yún)?shù)，式中得，將以上數(shù)據(jù)代入式（9-13），式（9-15）應(yīng)力校核軸向應(yīng)力 周向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 組合應(yīng)力 計(jì)算結(jié)果：該法蘭強(qiáng)度條件滿足，所選法蘭尺寸是合適的。其中法蘭厚度加上附加厚度4mm為56mm。6.3.1.3 管板計(jì)算（1）初始數(shù)據(jù)殼程圓筒內(nèi)徑；圖6-6 延長部分兼作法蘭的管板厚度（圖樣采用10mm）管箱（封頭）厚度；（圖樣采用12mm）換熱管外徑；壁厚；

16、根數(shù)；間距；有效長度；管箱法蘭外徑；寬度；厚度。假定管板厚度（圖樣采用65mm）法蘭部分厚度（即殼程圓筒法蘭）延長部分兼作法蘭的管板，如圖6-6所示。各零件材料在設(shè)計(jì)溫度時(shí)的物理、機(jī)械性能數(shù)據(jù)如下：殼體材料：16MnR，彈性模量：線膨脹系數(shù)：（殼體壁溫）換熱管材料：20號(hào)鋼，彈性模量：線膨脹系數(shù)：（換熱管壁溫）換熱管材料屈服限封頭法蘭材料：15CrMo（鍛件）彈性模量：管板材料：15RrMo（鍛件）法蘭材料：15CrMo（鍛件）許用應(yīng)力：殼程圓筒：換熱管：管箱封頭法蘭：管板： 換熱管與管板采用先脹后焊，脹接長度l=50mm管孔開槽，許用拉脫應(yīng)力q=4MPa。幾何物理系數(shù)計(jì)算殼程圓筒內(nèi)徑面積管板

17、開孔后面積殼程圓筒金屬橫截面積換熱管金屬截面積管板布管區(qū)面積（三角形排列）管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比系數(shù)管束模數(shù)管子加強(qiáng)系數(shù)（管板剛度消弱系數(shù)，一般可取值，=0.4）管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度（3）強(qiáng)度影響系數(shù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)剛度，由圖7-7查得殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)法蘭力矩基本法蘭力矩管程壓力作用時(shí)的法蘭力矩按查圖7-8得，查圖7-9得按，查圖7-9得查圖6-10得系數(shù) 系數(shù) 系數(shù) 管板邊緣力矩變化系數(shù)法蘭力矩變化系數(shù)危險(xiǎn)組合殼程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力Ps=Pc=1.57MPa管程設(shè)計(jì)壓力Pt=0

18、管程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力Ps=0管程設(shè)計(jì)壓力Pt=1.68MPaPc=-Pt（1+）=-1.68（1+0.25）=-2.1MPa不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差1.14×10-31.14×10-349.24.927.857.0-12.336.90.0340.00467-0.020.006730.03680.0075-0.0200.006730.53650.1111-0.2920.09811.090.40-1.0260.37G1 由K=4.2，m=查圖7-6得0.240.20G1 由K=4.2，m=查圖7-6得0.720.20管板徑向應(yīng)力系數(shù)0.01520.0091

19、6管板徑向應(yīng)力系數(shù)0.0210.00905管板布管區(qū)徑向應(yīng)力系數(shù)0.04930.013管板布管區(qū)徑向應(yīng)力系數(shù)-0.02140.012管板布管區(qū)剪切應(yīng)力系數(shù)0.06330.046管板布管區(qū)剪切應(yīng)力系數(shù)0.02920.045（4）校核管板、殼體法蘭、換熱管、殼程圓筒以及拉脫應(yīng)力。殼程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力Ps=Pc=1.57MPa管程設(shè)計(jì)壓力Pt=0管程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力Ps=0管程設(shè)計(jì)壓力Pt=1.68MPaPc=-Pt（1+）=-1.68（1+0.25）=-2.1MPa不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差管板徑向應(yīng)力MPa管板徑向應(yīng)力MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力MPa管板布管區(qū)周邊處

20、徑向應(yīng)力MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力MPa殼體法蘭應(yīng)力MPa殼體法蘭應(yīng)力MPa換熱管軸向應(yīng)力MPa換熱管軸向應(yīng)力MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力MPa拉脫應(yīng)力拉脫應(yīng)力（5）換熱管穩(wěn)定性計(jì)算管子回轉(zhuǎn)半徑從圖7-1可知，管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度參見附圖7-13確定系數(shù)當(dāng) 則管子穩(wěn)定許用應(yīng)力從應(yīng)力計(jì)算得計(jì)入膨脹差的管子應(yīng)力，且。則 表明管子穩(wěn)定性不夠，需采取措施。本設(shè)計(jì)采用設(shè)置膨脹節(jié)，減少管子的壓應(yīng)力，從而增加其穩(wěn)定性。6.3.1.4 U形膨脹節(jié)計(jì)算（1）要否設(shè)置膨脹節(jié)的判定通過管板計(jì)算，按四種危險(xiǎn)工況對(duì)管子、殼程圓筒以及拉脫應(yīng)力的校核得如下結(jié)論：；但，且；（除只考慮殼程壓力，且不計(jì)膨脹差外）由于，（），則需要設(shè)置膨脹節(jié)。（2）應(yīng)力計(jì)算選擇U形膨脹節(jié)，材料為16MnR（與殼程圓筒相同）結(jié)構(gòu)參見插圖及GB/T12777-91，具體幾何尺寸如下初始數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度直邊段外徑波高波長層數(shù)波數(shù)當(dāng)量圓筒外徑成型前有效厚度成型后有效厚度軸向位移