1、-. z. PAGE I化學(xué)工程學(xué)院化工機械與設(shè)備課程設(shè)計設(shè)計說明書專業(yè)化學(xué)工程與工藝班級 化工11-4*沈杰*指導(dǎo)教師楊澤慧日期2014年6月10日成績-. z.*工程學(xué)院化工機械與設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書化學(xué)工程學(xué)院2013-20142化工機械與設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計題目：管殼式換熱器的機械設(shè)計二、課程設(shè)計內(nèi)容1管殼式換熱器的構(gòu)造設(shè)計包括：管子數(shù)n，管子排列方式，管間距確實定，殼體尺寸計算，換熱器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管板尺寸確定塔盤構(gòu)造，人孔數(shù)量及位置，儀表接收選擇、工藝接收管徑計算等等。2. 殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核1根據(jù)設(shè)計壓力初定壁厚；2確定管板構(gòu)造、尺寸及拉脫

2、力、溫差應(yīng)力；3計算是否安裝膨脹節(jié)；4確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進展強度和穩(wěn)定性校核。3. 筒體和支座水壓試驗應(yīng)力校核4. 支座構(gòu)造設(shè)計及強度校核包括：裙座體采用裙座、根底環(huán)、地腳螺栓5. 換熱器各主要組成局部選材，參數(shù)確定6. 編寫設(shè)計說明書一份7. Auto CAD繪3號設(shè)備裝配圖一*三、設(shè)計條件1氣體工作壓力管程：半水煤氣0.80+*最后兩位第一個數(shù)字0.02，單位：MPa殼程：變換氣0.75+*最后一位數(shù)字0.01，單位：MPa2殼、管壁溫差50，ttts殼程介質(zhì)溫度為320-450，管程介質(zhì)溫度為280-420。3由工藝計算求得換熱面積為130+*最后一位數(shù)字5，單位：m2

3、。4殼體與封頭材料在低合金高強度剛中間選用，并查出其參數(shù)，接收及其他數(shù)據(jù)查表選用。5殼體與支座對接焊接，塔體焊接接頭系數(shù)=0.96圖紙：尺寸需根據(jù)自己的設(shè)計的尺寸標注。四、進度安排6月9-6月20日五、根本要求1.學(xué)生要按照任務(wù)書要求，獨立完成設(shè)備的機械設(shè)計；2.設(shè)計說明書一律采用電子版，指導(dǎo)教師指導(dǎo)修改后打印，3號圖紙終稿打印；3.圖紙打印后，將圖紙按照統(tǒng)一要求折疊，同設(shè)計說明書統(tǒng)一在6月20日上午9點半前，由各組組長負責(zé)統(tǒng)一提交。5.根據(jù)設(shè)計說明書、圖紙、平時表現(xiàn)綜合評分。六、說明書的內(nèi)容任務(wù)書1.符號說明2.前言1設(shè)計條件；2設(shè)計依據(jù)；3設(shè)備構(gòu)造形式概述。3.材料選擇1選擇材料的原則；2

4、確定各零、部件的材質(zhì)；3確定焊接材料。4.繪制構(gòu)造草圖1換熱器裝配圖；2確定支座、接收、人孔、控制點接口及附件、內(nèi)部主要零部件的軸向及環(huán)向位置，以單線圖表示；3標注形位尺寸；4寫出圖紙上的技術(shù)要求、技術(shù)特性表、接收表、標題明細表等；5.殼體、封頭壁厚設(shè)計1筒體、封頭及支座壁厚設(shè)計；2焊接接頭設(shè)計；3壓力試驗驗算；6.標準化零、部件選擇及補強計算1接收及法蘭選擇：根據(jù)構(gòu)造草圖統(tǒng)一編制表格。內(nèi)容包括：代號，PN,DN,法蘭密封面形式，法蘭標記，用途。補強計算；2人孔選擇：PN,DN,標記或代號。補強計算；3其它標準件選擇。7.完畢語：對自己所做的設(shè)計進展小結(jié)與評價，經(jīng)歷與收獲。8.主要參考資料?！?/p>

5、格式要求】：1.計算單位一律采用國際單位； 2.計算過程及說明應(yīng)清楚；3.所有標準件均要寫明標記或代號； 4.設(shè)計說明書目錄要有序號、內(nèi)容、頁碼；5.設(shè)計說明書中與裝配圖中的數(shù)據(jù)一致。如果裝配圖中有修改，在說明書中要注明變更；6.表達清晰，層次清楚； 7.設(shè)計說明書要有封面和封底，均采用A4紙，裝訂成冊。七、主要參考資料化工設(shè)備機械根底課程設(shè)計指導(dǎo)書.化學(xué)工業(yè)出版. 2009.1化工設(shè)備機械根底第五版刁與瑋王立業(yè)編著 2010.6；化工單元過程與設(shè)備設(shè)計匡國柱史啟才主編；化工制圖華東化工學(xué)院制圖教研室編人民教育 1980；化工設(shè)備機械根底參考資料；鋼制壓力容器GB150-2011；鋼制塔式容器

6、/T 4710-2005；GB151-1999 管殼式換熱器1999年；壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)程國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)視局 1999年。-. z.目錄目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc24402 符號說明 PAGEREF _Toc24402 VI HYPERLINK l _Toc30870 1 前言 PAGEREF _Toc30870 1 HYPERLINK l _Toc17859 1.1 設(shè)計條件 PAGEREF _Toc17859 1 HYPERLINK l _Toc11518 1.2 設(shè)計依據(jù) PAGEREF _Toc11518 1 HYPERLINK l _To

7、c32253 1.3 設(shè)備構(gòu)造形式概述 PAGEREF _Toc32253 1 HYPERLINK l _Toc24095 2 材料選擇 PAGEREF _Toc24095 2 HYPERLINK l _Toc20169 2.1 選擇材料的原則 PAGEREF _Toc20169 2 HYPERLINK l _Toc27211 2.2 換熱器各零、部件的材質(zhì) PAGEREF _Toc27211 2 HYPERLINK l _Toc11576 2.3 焊接材料 PAGEREF _Toc11576 2 HYPERLINK l _Toc19014 3 管殼式換熱器的構(gòu)造設(shè)計 PAGEREF _Toc

8、19014 3 HYPERLINK l _Toc3854 3.1 管子數(shù)n PAGEREF _Toc3854 3 HYPERLINK l _Toc17552 3.2 管子排列方式、管間距 PAGEREF _Toc17552 3 HYPERLINK l _Toc20845 3.3 殼體直徑 PAGEREF _Toc20845 3 HYPERLINK l _Toc14298 3.4 殼體壁厚 PAGEREF _Toc14298 3 HYPERLINK l _Toc24051 3.5 封頭的選擇 PAGEREF _Toc24051 4 HYPERLINK l _Toc7737 3.6 法蘭的選擇 P

9、AGEREF _Toc7737 4 HYPERLINK l _Toc18853 3.7 管板尺寸 PAGEREF _Toc18853 5 HYPERLINK l _Toc14036 3.8 管子拉脫力 PAGEREF _Toc14036 5 HYPERLINK l _Toc17504 3.9 是否安裝膨脹節(jié) PAGEREF _Toc17504 7 HYPERLINK l _Toc29215 3.10 折流板 PAGEREF _Toc29215 8 HYPERLINK l _Toc9385 3.11 開孔補強 PAGEREF _Toc9385 8 HYPERLINK l _Toc23784 3.

10、12 支座 PAGEREF _Toc23784 10 HYPERLINK l _Toc31497 4 管殼式換熱器的強度計算 PAGEREF _Toc31497 13 HYPERLINK l _Toc26808 4.1 筒體 PAGEREF _Toc26808 13 HYPERLINK l _Toc12646 4.2 封頭 PAGEREF _Toc12646 14 HYPERLINK l _Toc9306 5 數(shù)據(jù)表 PAGEREF _Toc9306 15 HYPERLINK l _Toc7664 5.1 構(gòu)造參數(shù) PAGEREF _Toc7664 15 HYPERLINK l _Toc198

11、50 5.2 設(shè)計值 PAGEREF _Toc19850 15 HYPERLINK l _Toc28310 完畢語 PAGEREF _Toc28310 16 HYPERLINK l _Toc11539 參考資料 PAGEREF _Toc11539 17-. z.*工程學(xué)院化工機械與設(shè)備課程設(shè)計符號說明Tt操作狀態(tài)下管壁溫度，F(xiàn)換熱面積，m2；Ts操作狀態(tài)下殼壁溫度，a管間距，mm焊接接頭系數(shù)，無量綱；di殼體內(nèi)徑，mm；B正六邊形對角線上的管子數(shù)，個；do殼體外徑，mm；Ln換熱管長度，mm；Pc計算壓力，MPa;d均管子的平均直徑，mm；Pw工作壓力，MPa;Pw最大允許工作壓力，MPa；P

12、設(shè)計壓力，MPa;PT水壓試驗壓力，MPa;計算壁厚，mm；DN直徑公稱，mm；d設(shè)計壁厚，mm；PN公稱壓力，MPa；n名義壁厚，mm；Pt管子的工作壓力，MPa；e有效壁厚，mm；Ps殼體的工作壓力，MPa；C厚度附加量，mm；t管殼壁溫度，；C1鋼板的負偏差，mm；q許用拉脫力，MPa；C2腐蝕欲量，mm；a線膨脹系數(shù)，1/C；s屈服點，MPa；f每四根管子之間的面積，mm2；h1曲面高度，mm；At換熱管截面面積，mm2；ho短圓筒長度，mm；As殼壁橫截面面積，mm2；h2直邊長度，mm；F1管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力，N；E彈性模量，MPa；F2壓力作用于殼體上的軸向力，N；qt溫

13、差應(yīng)力，MPa；F3壓力作用于管子上的軸向力，N；qp在操作壓力下，每平方米脹接周邊受到的力，MPa；脹接長度，mm ；最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，mm；-. z.1 前言1.1 設(shè)計條件氣體工作壓力管程：半水煤氣 0.82MPa殼程：變換氣 0.82MPa殼、管壁溫差50，ttts殼程介質(zhì)溫度為320-450，管程介質(zhì)溫度為280-420。由工藝計算求得換熱面積為165m2。殼體與支座對接焊接，塔體焊接接頭系數(shù)=0.91.2 設(shè)計依據(jù)換熱器的設(shè)計涉及因素很多，如介質(zhì)的腐蝕性及其他特性、操作溫度與壓力、換熱器的熱負荷、管程與殼程的溫差、檢修與清洗的要求等。具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各方面因素。

14、對每種特定的傳熱工況，通過優(yōu)化選型都會得到一種最適合的設(shè)備型號；如果將這個型號的設(shè)備應(yīng)用到其他工況，則傳熱效果可能會改變很大。因此，針對具體工況選擇換熱器類型，是很重要和復(fù)雜的工作。1.3 設(shè)備構(gòu)造形式概述管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，構(gòu)造穩(wěn)固，可選用的構(gòu)造材料*圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目

15、與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑屢次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不一樣，因此它們的熱膨脹程度也有差異。假設(shè)兩流體溫差較大50以上時，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。2 材料選擇2.1 選擇材料的原則管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等選用。在高溫下一般材料的力學(xué)性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少有的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟

16、乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。 換熱介質(zhì)條件。主要是指操作壓力、溫度和介質(zhì)的腐蝕性。要考慮導(dǎo)熱性、耐磨性等其他物化性能。換熱器的類型。不是每一種材料都能制造各種形式的換熱器。經(jīng)濟合理性。在滿足使用和制造要求的前提下，應(yīng)選用原材料來源廣泛、價格相宜的非金屬材料制造換熱器，盡量節(jié)約本錢及投資。2.2 換熱器各零、部件的材質(zhì)管殼式換熱器各部件的常用材料可參考表2-1。表2-1 管殼式換熱器部件常用材料部件或零件名稱材料牌號碳素鋼不銹鋼殼體、法蘭A3F、A3R、16MnR16Mn+0Cr18Ni9Ti法蘭、法蘭蓋16Mn、A3法蘭蓋1Cr18Ni9Ti管板

17、A41Cr18Ni9Ti膨脹節(jié)A3R、16MnR1Cr18Ni9Ti擋板和支撐板A3F1Cr18Ni9Ti螺栓16Mn、40Mn、40MnB換熱管10號1Cr18Ni9Ti螺母A3、40Mn墊片石棉橡膠板支座A3F2.3 焊接材料見換熱器裝配圖。3 管殼式換熱器的構(gòu)造設(shè)計3.1 管子數(shù)n計算：n=779實際：n=773選的無縫鋼管，材質(zhì)20號鋼，管長3m。因為所以其中，因安排拉桿需減少6根，實際管數(shù)773根(3-1)參考：化工設(shè)備機械根底P2273.2 管子排列方式、管間距采用正三角形排列，由化工設(shè)備機械根底表7-4查得層數(shù)為15。查化工設(shè)備機械根底表7-5，取管間距a=32mm。3.3 殼體

18、直徑Di=1m式中Di換熱器內(nèi)徑，mm；b正六角形對角線上的管子數(shù)，查化工設(shè)備機械根底表7-4，取b=31；l最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取l=2d。故圓整后取殼體內(nèi)徑。(3-2)參考：化工原理上冊P2893.4 殼體壁厚材料選用Q245R鋼板，計算壁厚為式中 Pc計算壓力，取Pc=1.0MPa；(設(shè)殼壁溫度為400)；故 取 C2=1.2mm，則C1=0.3mm。圓整后取。(3-3)參考：化工設(shè)備機械根底P2883.5 封頭的選擇上下封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù)GB/T25198壓力容器封頭，封頭為DN10008，曲面高度h1=250mm，直邊高度h2=40mm，如圖3-1所示，材料

19、選用Q245R。下封頭與裙座焊接，直邊高度取40mm。圖3-1 橢圓形封頭3.6 法蘭的選擇材料選用Q345R。根據(jù)NB/T470232012標準，選用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面長勁對焊法蘭。法蘭尺寸圖如圖3-2所示。圖3-2 容器法蘭3.7 管板尺寸選用固定板式換熱器管板，并兼做法蘭，查相關(guān)標準得Pt=Ps=1.6MPa(取管板的公稱壓力為1.6MPa)的碳鋼管板尺寸，如圖3-3所示。圖3-3 管板3.8 管子拉脫力計算數(shù)據(jù)按表3-1選取。表3-1 數(shù)據(jù)表工程管子殼體操作壓力/MPa0.820.82材質(zhì)20鋼Q245R線膨脹系數(shù)/(1/)12.910-612.910-6彈性模

20、量/MPa0.1831060.183106許用應(yīng)力/MPa9191尺寸/mm252.5300010008管子根數(shù)773管間距/mm32管殼壁溫差/t=50管子與管板的連接方式開槽膨接脹接長度/mmL=50許用拉脫力/MPa4.0在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力qp=0.083(MPa)其中， (3-4)(3-5)參考：化工設(shè)備機械根底P220溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力qt=0.83(MPa)q=0.913(MPa)其中則由條件可知，qp與qt的作用方向一樣，都使管子受壓則管子的拉脫力：因此，拉脫力在許用*圍內(nèi)。(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)(3-10)

21、參考：化工設(shè)備機械根底P2213.9 是否安裝膨脹節(jié)不必安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力F1：壓力作用于殼體上的軸向力F2：其中則壓力作用于管子上的軸向力F3：則根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器條件成立，故本換熱器不必安裝膨脹節(jié)。(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)(3-15)(3-16)(3-17)參考：化工設(shè)備機械根底P2243.10 折流板折流板為弓形，折流板間距取600mm，由化工設(shè)備機械根底表7-7查的折流板最小厚度為6mm，由化工設(shè)備機械根底表7-9查的折流板外徑為995.5mm，材料為Q235-A鋼，如圖3-4所示。圖3-4 折流板拉桿選用12，共6根，材料為2

22、0鋼。3.11 開孔補強換熱器殼體和封頭上的接收處開孔需要補強，常用的構(gòu)造是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都一樣，即8mm厚的Q245R鋼板。接收厚度及開孔直徑(mm)d=252(mm)由條件得殼體計算厚度接收計算厚度為其中Do=258mm，選用20鋼，查表得t=92MPa開孔直徑為：(3-18)(3-19)參考：化工設(shè)備機械根底P88化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P139接收寬度、高度B=504(mm)h=44.8(mm)殼體名義厚度，補強局部厚度為接收有效補強寬度為接收外側(cè)有效補強高度(3-20)(3-21)參考：化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P139補強面積A=2008(mm2)Sk=6.

23、14(mm)需要補強的金屬面積為：可以作為補強的金屬面積為：尚需要另加的補強面積為：補強圈厚度實際取補強圈與筒體等厚Sk=8mm，則另行補強面積：(3-22)(3-23)(3-24)(3-25)(3-26)(3-27)(3-28)參考：化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P139同時計及焊縫面積A3之后，該開孔補強的強度足夠。其補強構(gòu)造如圖3-5所示。圖3-5 換熱器開孔補強構(gòu)造3.12 支座裙座設(shè)計采用圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對接焊縫的焊縫受壓，可承受較大的軸向力，故采用對接形式見圖3-6。取裙座外徑與封頭外徑相等。并且取裙座的厚度與封頭的厚度一樣。即裙座尺寸為10008mm。裙

24、座材料選用Q235A。圖3-6 裙座殼與殼體的對接型式無保溫層的裙座上部應(yīng)均勻設(shè)置排氣孔，其規(guī)格和數(shù)量參照下表3-2。表3-2 排氣孔規(guī)格和數(shù)量容器內(nèi)直徑Di6001200140024002400排氣孔尺寸8080100排氣孔數(shù)量，個244排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離140180220因此設(shè)置兩個排氣孔，排氣孔尺寸為80，排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離為140，裙座上排氣孔的設(shè)置見圖3-7。圖3-7 裙座上部排氣孔的設(shè)置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座殼外，引出孔尺寸見下表3-3。表3-3 引出孔尺寸引出管直徑d20、2532、4050、7080、100引出孔的加強管無縫鋼管13341594

25、.521962738卷焊管-200250引出孔的加強管選用Q235-A的無縫鋼管，引出管直徑選用20，引出孔構(gòu)造示意圖見圖3-8。圖3-8 引出孔構(gòu)造示意圖根底環(huán)設(shè)計根底環(huán)尺寸確實定根底環(huán)的構(gòu)造根底環(huán)選用有筋板的根底環(huán)示意圖見圖3-9。圖3-9 有筋板根底環(huán)有筋板根底環(huán)厚度的設(shè)計操作時或水壓試驗時，設(shè)備重力和彎矩在混凝土根底環(huán)根底環(huán)底面上所產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為根底環(huán)上的最大壓應(yīng)力可以認為是作用作用在根底環(huán)底上的均勻載荷。表3-4 混凝土根底的許用應(yīng)力Ra混凝土標號 Ra/MPa混凝土標號 Ra/MPa混凝土標號 Ra/MPa75 3.5100 5.0 150 7.5200 10.0250 13

26、.0同樣，根據(jù)工藝要求和前人的經(jīng)歷，可確定根底環(huán)的厚度為20mm，材料選用為Q235-A。地腳栓設(shè)計為了使塔設(shè)備在刮風(fēng)或地震時不至翻倒，必須安裝足夠數(shù)量和一定直徑的地腳螺栓，把設(shè)備固定在根底環(huán)上。地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力為如果，則設(shè)備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設(shè)備的位置，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓。如果，則設(shè)備必須安裝地腳螺栓，并進展計算。計算時可先按4的倍數(shù)假設(shè)地腳螺栓的數(shù)量為n，此時地腳螺栓的螺紋小徑mm：螺紋小徑與公稱直徑見下表3-5。表3-5 螺紋小徑與公稱直徑對照表螺栓公稱直徑 螺紋小徑/mm螺栓公稱直徑 螺紋小徑/mmM24 20.752M27 23.752M30 26.211M36

27、 31.670M42 37.129M48 42.588M56 50.046選用Q235-A，計算后，選取地腳螺栓為，n=8,相應(yīng)螺母M30，8個，則其尺寸查表，得表3-6 M30螺母的尺寸螺栓M30364228123001201704 管殼式換熱器的強度計算4.1 筒體液壓實驗應(yīng)力校核T=96.78(MPa)式中，PT=1.25P=1.251.0=1.25(MPa)，Rel=245(MPa)化工設(shè)備機械根底(附表6-1)則而可見，所以水壓試驗強度足夠。(3-29)(3-30)(3-31)參考：化工設(shè)備機械根底P97強度校核T=77.42(MPa)Pw=1.06(MPa)設(shè)計溫度下的計算應(yīng)力：最大允許工作壓力：故強度足夠。(3-31)(3-32)(3-33)參考：化工設(shè)備機械根底P88、974.2 封頭=6.12(mm)Pw=1.06(MPa)T=63(MPa)標準橢圓形封頭計算厚度：最大工作壓力：壓力實驗：壓力實驗滿足要求。(3-34)(3-35)(3-36)參考：化工設(shè)