2013年-管殼式熱交換器設計和選用

2013年-管殼式熱交換器設計和選用第一頁，共62頁。題目：管殼式換熱器的設計和選用時間安排：選型3天

結(jié)構(gòu)設計4天

作圖5天劉勇第二頁，共62頁。1、收集資料2、設計方案的確定3、工藝設計計算4、材料

5、結(jié)構(gòu)設計

1).殼體、管箱殼體和封頭

2).膨脹節(jié)

3).接管和開孔補強

4).接管與殼體、管箱殼體的連接

5).接管法蘭的要求

6).殼程接管位置最小尺寸L1,min

劉勇第三頁，共62頁。7).管箱接管位置最小尺寸L2,min8).排氣、排液管

9).折流板的布置和尺寸

10).防沖板

11).拉桿、定距管尺寸

12).管板和設備法蘭

13).墊片

14).管箱

15).支座

16).吊耳和頂絲6、撰寫設計說明書

1)設計方案的確定

2)工藝設計計算部分

3)材料的選用部分

4)結(jié)構(gòu)設計部分

5)換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表

6)換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

7)設計評述

8)參考文獻7、繪圖

1).必須選定的尺寸

2)參考書

3)作圖步驟劉勇第四頁，共62頁。1、收集資料[2]梅慈云.化工原理課程設計[M].廣州：華南理工大學出版社，1990[1]柴誠敬,等.化工原理課程設計[M].天津:天津科學技術(shù)出版社,1994[3]大連理工大學化工原理教研室.化工原理課程設計[M].大連:大連理工大學出版社,1994[4]盧煥章,等.石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1982劉勇第五頁，共62頁。[5]燕山石油化學總公司設計院，等.鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)手冊[M].北京：1984[6]上?；瘜W工業(yè)設計院.化工工藝設計手冊[M].北京：1986[7]鄭曉梅.化工制圖[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002[8]刁玉瑋,王立業(yè).化工設備機械基礎(chǔ)[M].第五版.大連：大連理工大學出版社，2005劉勇第六頁，共62頁。[9]董大勤,等.《壓力容器設計手冊》.北京：化學工業(yè)出版社.2005[10]陳敏恒,叢德滋,方圖南,等.《化工原理》(上)(第二版).北京：化學工業(yè)出版社.1999劉勇第七頁，共62頁。一、設計任務題目：熱交換器設計條件：1、冷流體燒堿溶液，ws1=20000kg/h；溫度T1=30℃;T2=85℃;壓強降≤10kPa2、熱流體水蒸汽，溫度t1=160℃;t2=140℃;壓強降≤10kPa劉勇第八頁，共62頁。2、設計方案的確定1).選擇換熱器的類型

固定管板式

浮頭式換熱器U形管換熱器

填料函式換熱器劉勇第九頁，共62頁。2).流程安排(2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕；(3)壓強高的流體宜選管程，以防止殼體受壓；(1)不清潔或易結(jié)垢的物料應當流過易于清洗的一側(cè)，對于直管管束，一般通過管內(nèi)，直管內(nèi)易于清洗；(4)飽和蒸汽宜走殼程。因為飽和蒸汽比較干凈、冷凝液易于排出，并且對流傳熱系數(shù)與流速無關(guān)；流程安排原則劉勇第十頁，共62頁。(7)粘度大、流量小的流體宜選殼程，因殼程的流道截面和流向都在不斷變化，在Re>100即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。本設計，飽和蒸汽冷凝，主要考慮第4條原則選擇燒堿溶液走管程，水蒸氣走殼程。(6)被冷卻的流體一般走殼程，可利用外殼向外進行散熱；(5)有毒的液體宜走管內(nèi)，使泄露的機會較少；劉勇第十一頁，共62頁。

確定流程查物性數(shù)據(jù)(由定性溫度)確定熱負荷求△tm設K值估算SP求蒸汽量選d、u求管數(shù)和管程數(shù)確定管長△tm校正及殼層數(shù)管排列及分程方法求殼體內(nèi)徑確定折流板拉桿接管傳熱面積核算壁溫核算壓降核算畫圖設計說明書確定溫度補償?shù)谑摚?2頁。3、工藝設計計算

定性溫度

根據(jù)定性溫度，分別查取殼程流體和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。此時，可能要用內(nèi)插法計算定性溫度下的物性數(shù)據(jù)。1).確定物性數(shù)據(jù)劉勇第十三頁，共62頁。例如，50℃下某流體的密度為1000kg/m3,60℃下的密度為980kg/m3,52.5℃下該流體的密度按下式計算已知t1,t2溫度下某流體的某物性分別為α(t1)

、α(t2)。則t溫度下該物性的計算通式：劉勇第十四頁，共62頁。查表、計算得到定性溫度下的物性數(shù)據(jù)為：流體密度(kg/m3)比熱容(kJ/kg.℃)導熱系數(shù)(W/m.℃)粘度(Pa.S)甲苯841.21.79080.1434.2810-4自來水997.24.17940.6069.2310-4劉勇第十五頁，共62頁。2).初選換熱器的尺寸規(guī)格（1）計算換熱器熱負荷和冷卻水流量劉勇第十六頁，共62頁。(2)初步選定換熱器冷熱流體的流動方式，即并流或逆流(3)計算兩流體的平均溫差。暫按單殼程多管程計算。由冷熱流體的進、出口溫度計算溫差修正系數(shù)t劉勇第十七頁，共62頁。查t圖或者對應的公式，得t本設計擬按單殼程雙管程設計，t按下面公式計算劉勇第十八頁，共62頁。根據(jù)流體的性質(zhì)，查化工原理教材附錄，假設K估=300W/(m2℃），計算傳熱面積

So,估（4）初選換熱器的規(guī)格根據(jù)S估的數(shù)值，在系列標準中(列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊)選擇適當?shù)膿Q熱器型號G450II-0.6-43.1。填寫下表劉勇第十九頁，共62頁。殼徑450mm公稱壓強0.6MPa公稱面積43.1m2管子尺寸252.5管子數(shù)124管長4.5m管中心距管程數(shù)Np

管子排列方法正三角形管程流通面積計算此款換熱器的實際傳熱面積計算如果選擇此款換熱器后，該換熱器必須達到總傳熱系數(shù)劉勇第二十頁，共62頁。(5)核算壓強降管程壓強降計算流體在管程內(nèi)的流速，Re劉勇第二十一頁，共62頁。設管壁粗糙度=0.1mm，/di=0.1/20=0.005,由-Re關(guān)系圖查得=0.034，所以所以，管程壓降滿足設計要求。劉勇第二十二頁，共62頁。殼程壓強降劉勇第二十三頁，共62頁。取折流板間距h=0.15m。注意h不能＞換熱器殼徑，例如本設計換熱器的殼徑為0.45m,則h不能＞0.45m。劉勇第二十四頁，共62頁。所以，殼程壓降滿足設計要求。劉勇第二十五頁，共62頁。(6)核算總傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù)劉勇第二十六頁，共62頁。殼程對流傳熱系數(shù)本設計換熱管為252.5，取換熱管中心距t=32mm流體通過管間最大截面積為：劉勇第二十七頁，共62頁。劉勇第二十八頁，共62頁。污垢熱阻參考附錄，管內(nèi)外側(cè)污垢熱阻分別取為Rsi=0.0002m2/W℃，Rso=0.00017m2/W℃總傳熱系數(shù)Ko管壁熱阻忽略時，總傳熱系數(shù)為劉勇第二十九頁，共62頁。計算面積富裕度劉勇第三十頁，共62頁。4、材料

根據(jù)公稱Dg，以及設計壓力Pg（也稱公稱壓力PN

表示），流體的化學性質(zhì)，查《鋼制…….》第27頁表3-2，表3-3。5、結(jié)構(gòu)設計注意：每選好一個部件，在設計說明書中要畫出該部件有尺寸的、按比例的示意圖。劉勇第三十一頁，共62頁。參考資料：《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》《化工設備機械基礎(chǔ)》《化工制圖》《壓力容器設計手冊》等。劉勇第三十二頁，共62頁。確定換熱器的布局，即立式還是臥式換熱器?！朵撝啤返?頁。劉勇第三十三頁，共62頁。單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—擋板雙程列管式換熱器1—殼體2—管束3—擋板4—隔板劉勇第三十四頁，共62頁。說明：1.粗牙普通螺紋不標螺距

2.右旋螺紋不標旋向，左旋螺紋的旋向標注LH3.旋合長度代號分為S(短）、N（中長）和L（長）三種，如是N（中長）則可省略⑴普通螺紋的標注特征代號公稱直徑×螺距旋向——中徑、頂徑

公差帶代號旋合長度代號例如：M30×2LH—5g6g—S第三十五頁，共62頁。1.螺栓連接

螺栓連接用于兩被連接件允許鉆成通孔情況。所用的緊固件有：螺栓、墊圈和螺母。如：螺栓GB5782—86M12×80

墊圈GB97.1—8512

螺母GB6170—86M12說明：M—普通螺紋代號12—螺紋大徑80—螺栓桿長繪圖時，應按規(guī)定對螺紋緊固件作出標記。（點擊圖形演示動畫）第三十六頁，共62頁。

螺栓、墊圈和螺母的畫法：通常采用比例畫法繪制各螺紋緊固件，即各部分尺寸均與螺紋大徑成一定的比例關(guān)系而近似畫出。第三十七頁，共62頁。

螺栓連接的畫法：⑴當剖切平面通過螺紋緊固件軸線時應按不剖繪制⑵兩零件的接觸表面只畫一條輪廓線⑶兩相鄰零件的剖面線方向應相反⑷L值的計算

L≈δ1+δ2+h+m+a再查標準取接近值第三十八頁，共62頁。

螺柱連接的畫法：螺柱公稱長度L的計算：L≈δ+h+m+（0.2~0.3）d

再查標準取接近值第三十九頁，共62頁。管法蘭用于管道間以及設備上的接管與管道的連接。管法蘭按其與管子的連接方式分為平焊法蘭、對焊法蘭、整體法蘭、承插焊法蘭、螺紋法蘭、環(huán)松套法蘭、法蘭蓋、襯里法蘭蓋等?；ぴO備的標準化通用零部件返回第四十頁，共62頁。主要有突面（代號為RF）、凹（FM）凸（M）面、榫（T）槽（G）面、全平面（FF）和環(huán)連接面（RJ）等?；ぴO備的標準化通用零部件返回第四十一頁，共62頁。劉勇第四十二頁，共62頁。劉勇第四十三頁，共62頁。圖幅：841×594邊框：(841-25-10)×(594-10-10)劉勇第四十四頁，共62頁。1).殼體、管箱殼體和封頭厚度：根據(jù)公稱Dg（現(xiàn)用DN表示），選用的材料以及設計壓力（也稱公稱壓力PN

表示），查手冊或者根據(jù)強度計算公式計算然后再圓整為標準系列，見《鋼制…》第29頁表4-2。尺寸：根據(jù)公稱Dg，選用的材料以及設計壓力（也稱公稱壓力PN表示），查《化工制圖》第95頁附表1。劉勇第四十五頁，共62頁。2).膨脹節(jié)

根據(jù)Tm-tm是否大于50℃確定是否需要膨脹節(jié)。如果需要，則其尺寸根據(jù)公稱Dg，選用的材料以及設計壓力（也稱公稱壓力PN

表示），查見《鋼制…》第181頁附錄2。劉勇第四十六頁，共62頁。3).接管和開孔補強接管的直徑：步驟：選流速計算管徑參考《化工設備機械基礎(chǔ)》第306頁附錄7，以及化工工藝設計手冊園整為標準管校核流速。流速u的經(jīng)驗值可取，液體u=1.5~2m/s(詳見教材p289)

參考《化工設備機械基礎(chǔ)》第160頁表6-9找出所選接管公稱直徑劉勇第四十七頁，共62頁。接管的伸出長度：根據(jù)公稱Dg，選用的材料以及設計壓力（也稱公稱壓力PN表示），查《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第33頁表4-5。開孔補強的計算：參見《化工設備機械基礎(chǔ)》第177~181頁，第160頁表6-9。如需補強，補強圈的尺寸查《化工制圖》第102頁附表8劉勇第四十八頁，共62頁。5).接管法蘭的要求

根據(jù)公稱DN，選用的材料以及設計壓力，流體的性質(zhì)（是否有毒、是否易燃、易爆選取密封面的形式后，查《化工設備機械基礎(chǔ)》第333頁附錄14結(jié)構(gòu)形式：采用插入式焊接結(jié)構(gòu)，4).接管與殼體、管箱殼體的連接劉勇第四十九頁，共62頁。6).殼程接管位置最小尺寸L1,min

根據(jù)《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第35頁，提供的公式計算出L1,min。

特別注意，這個尺寸不是接管定位尺寸，是一個控制尺寸。7).管箱接管位置最小尺寸L2,min

根據(jù)《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第35~36頁的公式計算。劉勇第五十頁，共62頁。8).排氣、排液管

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第34~35頁9).折流板的布置和尺寸

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第38~39頁

可參考如下步驟劉勇第五十一頁，共62頁。1、取2、根據(jù)式4-11計算L1,即3、將L1與式4-7得到的L1,min比較，如L1L1,min則該布置方案可行4、第一塊折流板(中心線)距管板密封面(定位基準)的尺寸,即折流板的定位尺寸，為劉勇第五十二頁，共62頁。10).防沖板

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第47~48頁11).拉桿、定距管尺寸

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第49~50頁、以及第52~119頁的排管圖。劉勇第五十三頁，共62頁。12).管板和設備法蘭

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第120~129頁，《化工設備機械基礎(chǔ)》第335頁附圖1，從第333頁表32獲得尺寸（設備法蘭選凹面）13).墊片

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第159~160頁劉勇第五十四頁，共62頁。14).管箱

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第163~169頁15).支座

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第173頁，《化工設備機械基礎(chǔ)》第352頁附錄16劉勇第五十五頁，共62頁。16).吊耳和頂絲

見《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設計手冊》第175頁劉勇第五十六頁，共62頁。6、撰寫設計說明書換熱器類型選擇的說明即說明選擇固定管板式換熱器的理由流程安排說明即說明某某流體要走管程而某某液體要走殼程的理由2)工藝設計計算部分1)設計方案的確定3)材料的選用部分劉勇第五十七頁，共62頁。4)結(jié)構(gòu)設計部分注意：寫出各個部件選擇的依據(jù)，并且畫出該部件有尺寸的、按比例的示意圖。5)換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表[1]柴誠敬,等.化工原理課程設計[M].天津:天津科學技術(shù)出版社,1994[2]大連理工大學化工原理教研室.化工原理課程設計