u型管换热器

u型管换热器 1.引言 随着社会的发展,以及人们对生活质量的不断追求,人们开始享受着冬暖夏 凉的生活方式,夏天的空调是首选,而冬天的首选是暖气。家庭供暖以其安全, 效果好,价格便宜,供暖时间长而备受人们的喜爱。而家庭供暖的核心设备就是 容积式换热器,我就其中的一种容积罐换热器作个简单的介绍,介绍它的大体的 设计过程。 容积罐换热器,顾名思义,有一个容积罐和一个换热器组成,它的工作原理 是换热器的壳程来加热容积罐里面的水,使容积罐的水得到加热,从而把热水送 到千家万户。下面我们就来介绍容积罐的设计过程,分为两部分,第一部分为换 热器的计算: 2. 换热器部分计算 2.1 壳体、管箱壳体和封头的设计: 2.1.1 计算外壳内管径D i ' Dt??n 12?b? ic 由于管中心距td1.25 1.25? 25? 32mm 0 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 ' bd1.5 1.5?0.025? 0.038m 0 所以Dm 0.03218 1? 2? 0.038? 0.620 i 按壳体直径标准系列尺寸圆整,取D500mm L 3000 因为 4.3 D 700 4<4.3<6,?管长径比合适。 2.2 换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定 换热器的主要构件有封头、筒体、折流板(或支承板)、支座等。主要接管 有:流体进、出口接管,排气管,排液管等。 2.2.1 筒体(壳体)壁厚的确定 PD i?c 2?P选取设计压力 P1.6Mpa,壳体材料为 16MnR,查得其相应的许用应力 170Mpa;焊缝系数单面焊),钢板标准 GB/T GB/T GB/T GB/T 3274 3280 4237 4238 钢板厚度 5.5~7.5 7.5~25 25~30 30~34 0.6 0.8 0.9 1.0 负偏差c 1 钢板厚度 34~40 40~50 50~60 60~80 1.1 1.2 1.3 1.8 负偏差c 1 则腐蚀裕度C2所以 1.6 ?5002.96mm3mm 2170 0.8?1.6 根据规定:对于压力较低的容器,按强度公式计算出来的厚度很薄,往往会 给制造、运输和吊装带来困难,为此对壳体元件规定了不包含腐蚀裕量的最小厚 度,对于低合金钢和碳素钢制的容器,不小于3mm。 min min 所以3mm,而3+25mm min n 而GB151-89中规定:碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度如表 公称直径 400~700 800~1000 1100~1500 1600~2000 浮头式,U 型 8 10 12 14 管式 固定管板式 6 8 10 12 为了使换热器的壳程更好的加热容积罐,故采用变径!6mm10mm 1 2 壁厚为6的那段长度为lm896m,另一段长度为lm658m2.2.2 壳程封头(椭圆形)的计算 KPD 1.6 ?500 di?cm? 2.95m? 2.6mm? 5.55mm t 2170 0.8? 0.5?1.6 205P d 壳程的封头的最小厚度为 10mm。 2.2.3 管箱的设计 换热管利用管箱来实现管束分流,管箱位于换热器的两端,它的作用是将流 体均匀地分布到各换热管中或把管内流体汇集后输送出来。根据 GB151-89,选用椭圆封头管箱,材料选用16MnR。 2.2.4 管箱短节的设计 管箱短节按 GB150-89 的有关要求设计。管箱短节的最小厚度不得小于下表 的规定: 公称直径 400~700 800~1000 1100~1500 1600~2000 浮头式、U型 8 10 12 14 管 固定管板式 6 8 10 12 初步选定管箱的公称直径为500mm,所以短节的厚度选10mm多程管箱的内侧深度l应保证两程之间的最小流通面积不小于每程管子流通 面积的1.3倍,当操作允许时也可等于每程管子的流通面积管箱的选用如下: 为了便于制造与安装,初步选用16MnR,焊缝系数? 0.8 t 查GB150-98,在设计温度下的许用应力?170MPa管箱内只受到管程压力PP ?1.1 1.1 2.0? 2.2MPa dt PD 2.2 ?500 di 4.01mm t 2170 0.8? 2.2 2?P d 取厚度负偏差C0,腐蚀裕量Cm2m 1 2? cc? 4.01? 0? 2? 6.01mm n 12 圆整后取8mm。 82?6mm e 查《换热器设计手册》表4-1得知 当公称直径在500mm时,换热器管箱的最小壁厚为8mm。 外径dm 500 16? 516m 0 管箱封头 KPD di 计算所得的厚度小于管箱的厚度但是为了制造的方 t 205P d 便,封头设计为 ?500mm,厚度为8mm。K1 2.2.5 接管外伸长度的选取: 由于管程的接管和壳程的进口接管DN89mm,查表后取伸出的 长度为150mm。 同理壳程的接管伸出的长度取150mm 2.2.6 接管与筒体,管箱壳体的连接 接管与壳体,管箱壳体连接的结构型式,采用焊接结构,且接管不得凸出于 壳体的内表面。 2.2.7 排气、排液管 为提高传热效率,排除或回收工作残液及凝液,凡不能借助于其他接管排气 或排液的换热器,应在其壳程和管程的最高、最低点,分别设置排气、排液接管。 排气、排液接管的端部必须与壳体内壁平齐。 2.2.8 接管的最小位置 在换热管设计中,为了使传热面积得以充分利用,壳程流体进、出口接管应 尽量靠近两端管板,而管箱进、出口接管应尽量靠近管箱法兰,可缩短管箱壳体 长度,减轻设备重量,为了保证设备的制造、安装,管口距地的距离也不能靠得 太近,它受到最小位置的限制4v s 流体进出口接管的直径计算d? 水蒸气进口接管 d ,取? 20ms / ,已知蒸汽用量为 1 1 3 wk3816g /h 1.06kg /s。0.5Mpa水蒸气的密度为2.6673/kg/m ,所以水蒸气 h 容积流量为 wk ?1.06g /s,h w 1.06 3 h vm0.4 /s,取蒸汽入口流速? 20ms / ,则 汽 汽2.6673 40.4 dm 0.159?159mm 1 3.1420 选用进口接管 ?219 ?6DN 200mm无缝钢管。则法兰采用板式平焊突面,内 径为222mm,外径为340mm,质量为9.69kg,坡口宽度6mm,法兰厚度26mm。出口接管d : 2 因为蒸汽用量wk ?1.06g /s, h 917907 o 152 c时的水密度为915 917?(152 ?150)915,所以冷凝 160 ?1501.06 4v 水容积流量为vd 0.00116, 取,??1m /s, 则 i 水 915? 水 4v 4 ?0.00116 dm0.0384? 38.4mm i? 3.14 1 水 可取排水管 ?45 ?3.5DN 40mm则法兰采用板式平焊突面,质量为 2.12kg 内径为46mm,外径为150mm坡口宽度5mm,法兰的厚度为18mm 油进出口管径的计算 质量流量W 800002 h 容积流量vd,取?1/ms,则管子内直径 油 i 密度3600 812 4 4v 油 dm 0.187?187m i 3.143600 812?1 可选择接管:219 6DN 200则法兰采用板式平焊突面,质量为 9.69kg, 内径为222mm,外径为340mm,坡口宽度8mm,法兰厚度26mm。 接管位置的最小尺寸 壳程接管的布置如下图所示: D HLb 4C 1 2 式中 D ?接管补强圈的外径,mm H b?管板的厚度,mm C?为补强圈边缘到管板内壁间的距离,CS4 S 为壳体的厚度,mm, 但是最小不小于30mm以。 无补强圈的接管: d H Lb4??C 1 2219 Lm 55? 4?115? 280m 1 2 取280 带补强圈的管箱接管D H Lh ?Cmm 2 f 2 式中L ---接管中心到管板密封面的距离,mm 2 h ---法兰厚度,mm f C---取4S(S为管箱壳体厚度,mm)且30mm d H Lh ?C 2 f 2 无补强圈接管219 Lm115? 55? 280m 2 2 2.3 管板和换热管 2.3.1 管板 2.3.1.1 管板的计算厚度应不小于以下三者之和:1 管板的计算厚度或以下规定的最小厚度, 取大者; 2 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度,取大者; 3 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度,取大者。 2.3.1.2 符号说明 2 a?根换热管管壁金属的横截面积,mm D ?垫片压紧作用中心圆直径,mm G d ?换热管外径,mm l?换热管与管板胀接长度或焊接高度, mm P ?管板设计压力,MPa d P ?壳程设计压力,MPa s P?管程设计压力,MPa t q?换热管与管板连接的拉脱力,MPa q ?许用拉脱力,MPa? ?管板计算厚度, mm ?换热管管壁厚度, mm t?管板强度削弱系数,一般取为0.4 ?换热管轴向应力,MPa t t?设计温度下,管板材料的许用应力,MPar t?设计温度下,换热管材料的许用应力,MPat 2.3.1.3设计条件 壳程设计压力PM ?1.6Pa 壳程腐蚀裕量 Cm2m s 2s 管程设计压力PM1.4Pa管程腐蚀裕量 Cm2m t 2t 管板设计温度130?管程程数2 2.3.1.4结构尺寸参数 换热管公称直径DN500mm 管程侧隔板槽深hm4m 2 换热管外径dm25m 壳程侧隔板槽深h0 1 管壁厚度? 2.5换热管与管板为焊接连接 t 根数n ?142 换热管正三角形排列,管间距sm32m。夹持管板的壳程法兰和管箱法兰 采用: JB4702-92法兰A700-2.5即PN2.5DN500的乙型平焊凹形密封面法兰,垫片 为非金属软垫片 ?765/ 715/ ?3. 垫片基本密封宽度b : 按GB150表9-1: 压紧面型式 1c,Nm20m;?18mm 0 bm ? / 2? 18? 3 / 2?10.5m 0 g ?Nm / 4 18? 20 / 4? 9.5m 取bm9.5m 0 管板强度削弱系数? 0.4 2.3.1.5各元件材料及其设计数据 换热管材料:16MnR t 查GB150表4-3,设计温度下许用应力?170MPat 管板材料:16Mn锻件 t 查GB150表4-5,设计温度下的许用应力?170MPar t 许用拉脱力 qM 0.50.5?170? 85Pa t 计算AA,,D和 D dt t G 2Anss s?14?3244? 32? 5376mm dnn 为沿隔板槽一侧的排管根数22 2 A1.732ns A?1.732?32?101? 5376?184506mm td 4A 4 ?184506 t D?142 t Db 垫片接触面外径 2? 765? 2?7.8? 749.4mm G 因为: bm9.5m 6.4mm 0 bb2.53 7.8? 6.4mm 0 计算1/2R/D DD / 749.4/1425.27 t t Gt 查表1-8-1得C0.2487 c 确定管板的设计压力 不能保证在任何情况下P 和P都同时作用,且PP 和 均为正压,故: s t s tP P ,P 0.55,1.6? 1.6MPa dst 管板计算厚度和管板名义厚度 n CP 0.2487 ?1.32 cd? 0.82Dm 0.82? 749.4 35.54m G t 0.4 ?170 r 管板名义厚度应不小于下列三部分之和,即, C,h?C,h ns min 1t 2 47.9,12 2,0? 2,4 35.54 2? 441.54 圆整后? 42mm n 2.3.1.6换热管的轴向应力 2 查GB151附录J,换热管金属横截面积am ?176.71m 2 ?d?? PP?P ts t t 4a 按三种工况分别计算:只有壳程设计压力PM ?1.6Pa,管程设计压力P0 s t 2? 25??1.6004.42MPa t 4 ?176.71 P ?1.4MPa 只有管程设计压力 .壳程设计压力P0 t s 2? 25??0 ?1.4 ?1.42.487MPa t 4 ?176.71 壳程设计压力和管程设计压力同时作用 2? 251.6 ?1.4?0.555MPa t 4 ?176.71 以上三种工况的计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力 t?170MPat 换热管与管板连接拉脱力a 2.345 ?176.71 t qM ?1.5Pa〈66Mpa满足要求? dl 25 3.5 式中 lll1.5? 2? 3.5 13 l ?换热管最小伸长长度,查换热器设计手册表1-6-22得,lm1.5m 1 1 l ?最小坡口深度,查换热器设计手册表1-6-22,得lm2m3 3取14.7项计算中三种工况绝对值的 最大数。 t 2.3.1.7管板密封面管板与法兰连接的结构尺寸及制造、检验要求等按 JB1157~1164-82《压 力容器法兰》的规定:选用凹面密封。 2.3.1.8 分程隔板槽槽深一般不小于 4mm.取为 4mm分程隔板槽的宽度为12mm2.4 液压实 验 液体采用水 []?容器元件材料在试验温度下的许用应力 t?容器元件材料在设计温度下的许用应力pD? 2.0 500? 8? Ti e 应力校核 63.5MPa T 22?8 e pD? 2.0 500? 8 Ti e 79.375MPa Tf 2280.8 e,分别为水压实验筒体、封头的壁内应力,查 GB150-1998 表 4-1, T Tf 所用16MnR板材的? 345MPa,63.5MPa0.9,79.375MPa0.9,所以筒 s s s 体和封头的水压实验满足强度的要求。 对管程进行水压试验 pD? 1.7525 2.5 Ti e 9.625MPa? 0.9,所以管程的水压试验 T s 22?2.5 e 满足强度要求。 2.5.换热管的排布 换热管采用16MnR,规格为25×2.5mm,换热管的排列方式为正三角形排列。布管限定圆的直 径为 500-2×6488,再考虑防冲板到壳体内壁的距离为 58,所 以排第一层为8根,第二层11根,第三层12根,第四层13根,第五层14根, 第六层13根共71根,壳程挡板下部分排列方式同上,共142根。 2. 6 换热管中心距 换热管中心距,最小为管子外径的 1.25 倍,多管程的分程隔板处的换热管 的中心距,最小为换热管中心距加槽密封面的宽度。由表查得换热管的中心距为 32,分程隔板槽两侧相邻管中心距离为44,而U形管在外径为25的时候最小弯 曲半径为50,所以取100mm 2.7 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 管板本身不直接与壳体焊接,而通过壳体上的法兰或夹持在两法兰之间固 定。U形管式换热器需要经常清洗,所以要把管板做成可拆式。采用圆缺螺栓紧 固型式。 2.8 管板的连接型式: 主要有(1)胀接(2)焊接(3)胀焊结合。本设计采用焊接。 2.9 开孔补强计算 换热器管箱和封头上的接管处开孔需要补强时,常可按等面积补强方法来补 强。其结构是在开孔外面焊上一块截面积相当的、与容器器壁材料和厚度都相同 的16MnR钢板。 设计温度 许用应力 内径mm 厚度mm 材料 ? MPa 16MnR 管箱 500 8 135 170 接管 80 1.6 16MnR 95 170 A?壳体上超过计算厚度的多余金属截面积,mm 1?壳体的实际壁厚,mm n?壳体的计算厚度,mm C ?腐蚀裕度,mm 2 A ?接管上超过计算厚度的多余金属截面积,mm 2 c hh 、 ?分别为外、内侧有效补强高度,mm 12?接管的实际厚度,mm nt?接管的计算厚度,mm t2 A ?补强区内焊缝金属的截面积,mm 3 Bd2 ,d 2 2nnt接管直径d dd 2c? 80? 2?1.6? 83.2mm i 2dm 2 83.2?166.4m d22 83.2? 2?8? 2?6111.2 nnt 所以B166.4mm允许开孔的范围: 1 对于在圆筒上开孔,当其内径Dm1500m时,开孔的最大直径 dD i i 2 显然上述条件符合规定因开孔而削弱的面积 筒体计算壁厚: PD 1.6 ?500 di? 2.96mm t 2170 0.8?1.6 2?P d 削弱的金属面积: 先计算强度削弱系数 f r t 170 n f?1 r r 170Ad? 2 ?C1?f nt r 83.2 2.96? 2?86? 21?1 2246.272mm 接管的计算壁厚 PD 1.6 ?83.2 ci 0.49mm t t 2170 0.8?1.6 2?P c 筒体多余的金属截面积A 1 ABd?C? f? 1 ntr 166.4 83.28? 2? 0.49 2458.432mm 外侧有效高度 hd? 83.2?6? 22.34mm 1 nt 接管多余的截面积A 2 Ah2C? f 21 nt t r 2 22.346? 20.49 ?1? 2156.83mm 焊缝金属的截面积A 焊脚取8mm 3 1 2 A88?2?64mm 3 2 2 A??AA? 458.432?156.83? 64? 679.262mm 12 3 所需另行补强面积:AAA?A?A246.272? 679.262??432.99? 04123 所以不要补强。 同理计算壳体上的开孔补强: 设计温度 许用应力 内径mm 厚度mm 材料 ? MPa 筒体 500 8 16MnR 95 170 接管 61.8 1.6 16MnR 130 170 接管直径d : dd 2c? 61.8? 2?1.6? 65mm i 2dm 2 65? 130m d2265?2?8?2?693 nnt 所以B130mm 允许开孔的范围: 对于在圆筒上开孔,当其内径Dm1500m时,开孔的最大直径i 1 dD i 2 显然上述条件符合规定因开孔而削弱的面积 筒体计算壁厚 PD 1.6 ?500 di 2.96mm t 2170 0.8?1.6 2?P d削弱的金属面积: 先计算强度削弱系数 f r t 170 n f? 1 r r 170Ad? 2 ?C1?f nt r 65 2.96? 2?86? 21?1 2192.4mm 接管的计算壁厚 PD 1.6 ?65 ci 0.38mm t t 2170 0.8?1.6 2?P c 筒体多余的金属截面积A 1 ABd?C? f? 1 ntr 130 658? 2? 0.38 2365.3mm 外侧有效高度 hd? 65? 6? 19.75mm 1 nt 接管多余的截面积A 2 Ah2C? f 21 nt t r 2 19.756? 20.38 ?1? 2142.99mm 焊缝金属的截面积A 焊脚取8mm 3 1 2 A88?2?64mm 3 2 2 A??AA? 365.3?142.99? 64? 572.3mm 12 3 所需另行补强面积:AAA?A?A192.4? 572.3??379.9? 04123 所以不要补强。 同理,法兰n的直径小于89,不用补强。 2.10 各部件结构 2.10.1 折流板的布置 为了增加壳程流体的流速,提高壳程的传热膜系数,从而达到提高总传热系 数的目的,需要设置折流板。当换热管过长,而管子承受的压应力过大时,在满 足换热器壳程允许压降的情况下,增加折流板的数量,减少折流板的间距,对缓 解换热管的受力状况和防止流体流动诱发振动有一定的作用。而且,设置折流板 也有利于换热管的安装。 折流板的型式有弓型折流板、圆盘-圆环型折流板和矩形折流板。本设计采 用最常用的弓型折流板中单弓型折流板。 2.10.1 折流板常用的折流板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种,弓形又有单弓形、双弓形 和三弓形三种,这里选择单弓形,其结构如图2.8: 转角 水平 竖直图2.8 折流板的结构形式 弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口的 大小用切去的弓形弦高占院筒内直径的百分比来确定,缺口弦高 h 值,一般取 0.20 0.45倍的圆筒内直径。取hD0.20 0.45 0.3 500?150mm。 i 查GB151-89表3-19,取折流板的厚度为6mm,折流板的管孔直径换热管外 ?0.40 径 d+0.425+0.425.4mm,其允许偏差为 25.4 。 0 折流板一般应按等间距布置,管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接 管。折流板的最小间距应不小于圆筒内直径的五分之一 11 (hD?500? 100mm,数目:Nl/h1 6100 / 2401 2) ,且不小于 i b 55 50mm。最大间距应不大于圆筒内直径(500mm) ,且应满足GB151-89表3-22的要 求。 2.10.2 尾部支撑 在U型管换热器中,靠近弯管段起支撑作用的折流板,结构尺寸A+B+C之和 应不大于下表中最大无支撑跨距,超过表中数值时,应在弯管部分加特殊支撑。 换热管外径dmm 10 14 19 25 32 38 45 最大无支撑跨距mm 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 A+B+C〈1900所以不需要加特殊的支撑。 根据GB151-89,表3-21,公称直径DN 500 900mm时折流板的名义外直径 为 DN4.5 495.5mm,允许偏差为 ?0.8mm。 2.10.3 折流板外直径: 公称直 〈400 400~500 500~900 900 ~ 1300 ~ 1700 ~ 径DN 1300 1700 2000 折流板 DN-2.5 DN-3.5 DN-4.5 DN-6 DN-8 DN-10 名义外 直径 折流板 -0.5 -0.5 -0.8 -0.8 -1.2 -1.2 外直径 允许偏 差 则外直径为500-4.5495.5mm 根据 GB151-99,表 3-20b,换热管外径dm25m时,折流板管孔直径为 25.4mm,起允许偏差为 ?0.40mm。 换热器 10 14 19 25 32 38 45 57 外径d 折流板 10.5 14.6 19.6 25.4 32.8 38.8 45.8 58 管孔径 管孔直 +0.4 +0.4 +0.4 +0.4 +0.45 +0.45 +0.5 +0.5 径允许 偏差 换热器无支 公称直径 撑跨距 〈300 〉300〈600 〉600〈900 〉1200〈1500 〉1500 折流板最小 厚度 〈400 3 4 5 8 10 400~700 4 5 6 10 12 〉700〈900 5 6 8 10 16 〉900〈1500 6 8 10 12 16 〉1500〈2000 - 10 12 16 20 2.11 管程设置防冲板的条件 当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3/ms时,应设置防冲板, 以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。本设计换热管内的流体流速为 1.3/ms ?3/ms,所以在管程不用设置防冲板。 壳程设置防冲板的条件 对有腐蚀或有磨蚀的气体,蒸汽及气液混合物,应设防冲板。本案的介质为 水,没有腐蚀性,所以不用设置防冲板。 2.12 拉杆和定距管 2.12.1 采用拉杆定距管结构 根据GB151-89,表3-23,3-24,拉杆的尺寸与数量如下 换热管 10 14 19 25 32 38 45 57 的外径 拉杆直 10 12 12 16 16 16 16 16 径 2.12.2 拉杆数量 公称直径 〈400 〉400 〉 700 〉 900 〉 1300 〉 1500 〉 1800 拉杆直径 〈700 〈900 〈1300 〈1500 〈1800 〈2000 10 4 6 10 12 16 18 18 12 4 4 8 10 12 14 18 16 4 4 6 6 8 10 12 所以取拉杆直径为16mm,拉杆数量为4根 2.12.3 拉杆结构布置 拉杆是一根两端皆带螺纹的长杆,一段穿过管板,折流板就穿在拉杆上,各板之间则以套在拉 杆上的定距管来保证管间的距离。最后一块折流板可用螺母拧 在拉杆紧固。 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘,对于大直径的换热器,在布管区内或 靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。 2.12.4 拉杆材料 采用Q235-A钢 2.121.5 拉杆尺寸(GB151,表3-25) La Lb 拉杆直径 拉杆螺纹公称直 前端罗纹 后端螺纹 径 10 10 1340 12 12 1550 60 16 16 20 2.12.6 定距管尺寸 定距管的尺寸和换热管的尺寸相同 2.12.7 拉杆孔深ld1.5 1.5?16? 24mm 2 n式中 l ---螺孔深度,mm 2d ---拉杆螺孔公称直径,mm n 2.13 防短路结构 在换热器壳程,由于管束边缘部分都不能排满换热管,所以在这些部位形成 旁路。为防止壳程从这些旁路大量短路,降低换热效率,可在管束边缘的适当位 置安装旁路挡板来增大旁路的阻力,以迫使壳程介质通过管束与换热管内流体进 行换热。 本设计为卧式的缺边折流板换热器,壳程从旁路短路的可能性较大,需采用 旁路档板。旁路档板与折流板焊接连接,因为 500mm ?DN ?1000mm,根据 GB151-99,表 3-19,取其厚度为 5mm根据换热器设计手册规定:公称直径 DN 〈500mm时,一对挡板;500mm〈DN〈1000mm时,两对挡板;DN〉1000mm时,不 少于三挡板。本设计用两对旁路档板,其厚度和折流板厚度一样为5mm。 由于本设计为U形管换热器,所以要设置滑道,而滑道兼做旁路挡板,所以 本设计只设计滑道,不需要另外安装挡板。 2.13.1 滑道 滑道的结构一般有滑板、滚轮和滑条等形式。 滑板焊在折流板或支持板的槽内,在直径方向高出折流板 0.5~1mm,并与管束成一整体。滑板的尺寸可根据换热器的直径、长度和管束重量确定。 2.14.2 中间档板设计 在U型管换热器中,由于受U型管最小弯管半径的限制,U型管最中间两排 管的管间距过大,从而形成无阻力的流体通道。为了减少这种短路,使壳程介质 能有效地换热,可在U型管束的中间通道设置中间挡板。中间挡板可以与折流板 点焊固定。 中间挡板的数量推荐:公称直径DN ?500mm时,一块挡板;500mm〈DN〈1000mm 时,两块挡板;DN ?1000mm 时,不少于三块挡板。 2.15 法兰及其附件的选用 2.15.1 法兰的选用 2.15.1.1 确定法兰类型根据DN500mm,PM1.6Pa,按《化工容器与化工设备实用手册》表 3-1-1可知应选用板式平焊钢制管法兰。 2.15.1.2 确定法兰材料选用16MnR,定PL1.6MPa时,135?的PM ?1.6Pa,能满足PM1.6Pa? 的需要,所以法兰的PL应为1.6MPa能满足求。 2.15.1.3 确定法兰的结构尺寸 根据确定的DN500mm,PN1.6MPa的法兰尺寸如下表所示: D D D D DH 1 2 3 4 860 815 776 766 763 46 115 螺柱规 螺柱数 a a d h 1 t 格 量 21 18 16 27 M 24 24 35 法兰的质量为37.2kg 2.15.2 密封垫片 压力容器法兰用密封垫片有3种,分别为1非金属软垫片 2缠绕式垫片 3金属包垫片 因考虑到已选用了板式平焊钢制管法兰,以及操作温度135?,因此选用非 金属软垫片。 其中 Dm645m, D 530mm 2m iax 垫片的宽度 DD645530 2m iax 垫片实际宽度N? 57.5mm 22 57.5 垫片基本密封宽度b28.75 0 2 垫片有效密封宽度bm 2.53 28.75 13.57?14m 垫片压紧力作用中心圆直径Dc Dc垫片接触面外径 2b? 645? 2?14? 617mm 螺栓预紧状态下的最小载荷: wN 3.14 617?14?11? 298356.52 a 操作下需要的最小载荷: 2? 617 1.6 wD 2?b?m?p? 478145.384? 230625.7125? 708771.0992N pc 4螺栓面积: 298356.52 2 预紧时 A2550.1mm a 117 798771.0992 2 操作时A7460.7mm p 95 2 需要的螺栓面积A 7460.7mm m 螺栓总截面积 2 24? 28.75 Am15572.4m b 4 螺栓设计载荷: AA7460.7 ?15572.4 mb 预紧状态 wN117? 1347436? b 22 操作状态 ww708771.0992N p 2.15.3 法兰设计(1) 法兰材料及许用应力法兰材料选用16MnR,许用应力为170MPa (2) 法兰的力矩? 2pDp?1.631847N 1 i 44222 p?DD?p0.785530 ?1.6 ?169717N2 Gi 4 pD? 2b?m?p? 6.28?645?14? 2?1.6?181466N 3 G DD645530 bi lm57.5m 1 22 ll1457.5 13 lm46m 2 22 DD645600 bG lm22.5m 3 22 操作时法兰力矩: Mpl pl?pl? 13721169N /mm p 11 2 2 3 3 预紧时法兰力矩: M wl708771.0992? 22.5?15947347N /mm a 3 所以法兰的设计力矩为:M 15947347N/mm p 剪应力较核: 剪切面积: AD?l? 3.14?500?6? 9420i剪应力: w 298356.52 a 预紧状态下的剪应力: 31.7Mpa a A 9420w 708771.0992 p 操作状态下的剪应力:? 75.2Mpa p A 9420 剪应力较核? 31.7Mpa? 0.8?130.4Mpa? a ft 75.2MPa? 0.8? 0.8?158?126.4Mpa p f 法兰刚度要求: 3.14 ?645 为满足法兰刚度,螺栓最大间隙sm 85m 24 金属包垫片用01CN 8i9板包层。其标记为: r 垫片 G?500?1.6 JB4706?92 2.15.4 压力容器法兰用螺柱及螺母型式与尺寸 压力容器法兰用的双头螺柱有A型与B型两种,为了减小热应力,螺柱中段 无螺纹部分的直径均车细,A 型螺柱车细至等于螺纹的中径,B 型螺柱车细至等 于螺纹的内径。 2.15.5管子的排布 因为采用了双管程,可采用正三角型排列, ,第一排排8根,第二层11根, 第三层12根,第四层13根,第五层14根,第六层13根共71根,排6排共71 根,壳程挡板以下排列如上,共142根。合理性分析 2.16 计算质量 2.16.1 圆筒质量 2.16.1.1 2 29mD21 ?D?L??0? 1 ii 4? 22 292? 500 2?10? 500?658?7850?10? 500? 2? 6? 500? 449 896 7850?10156.6kg 一个封头的质量m19.6kg 2.16.1.2 管箱短节的质量m 32 2' ?9 mD21 ?D?L?03 ii 42 295002 8500285?7850?1028.5kg? 4 ' ' L-短节的长度 L285 2.16.3 管板的质量m 4 1 22 ?9m1?Dnd04 i 4 1 22 ?9500142? 25 ?55?7850?1051kg? 4 ' 2.16.4充液质量 m 4 2.16.5 充满水的质量:'' 2 ?9 m2DLv10 4i 429= 500 1554? 2?0.0603?0.8?997?10? 243.25kg? 4 2.16.6 换热管的质量? 22 ?9 mn ?D?d ?L?10 、 5i 44 22 ?9 14225 20 ?1545.5?7850?10 ?179.6 kg? 44 2.16.7 折流板质量m 6 2 35??0??d 2 mn ?D? 60i 16 4 2 35??0??20 2 8??50010?7850? 1.8kg? 16 4 2.16.8 所有法兰的质量: 4.1+1.75+0.346.19kg 2.16.9 接管的质量: 31.5 ?0.2 ?3+3.11 ?0.15+1.13 ?2 ?0.119+0.46+0.22620kg 2.16.10 螺栓质量: 0.333 ?248kg2.16.11 定距管的质量: 22 ?9 6 25 20 7850? 2920?10? 24.3kg? 4 2.16.12 拉杆的质量 296 16 ?7850? 2920?1027kg 4 2.16.13 其它附件质量m 8 m 500 8 得总质量为4000kg 3 容积罐部分计算 3.1 筒体壁厚的计算 已知内直径Dm1200m,高度L1300mm i t 2 e 壁厚[] P D i 式中?计算厚度P ?计算压力 c?1?焊接系数 PD 28.4 170?0.85 ci? 2.023mm? 2MPa t 1200 2?P c 名义厚度? CC10mm n 12 有效厚度? CC?10?1.6? 8.4mm en 12 强度校核 t 2 2 ?8.4170 0.85 e 内压圆筒的许用压力[] P2.023mm 2MPa D 1200 i 故水压试验安全强度符合要求 3.2封头的计算 封头材料选用16MnR ?1 3.2.1 封头内直径的选择:Dm1200m,焊接系数取 i PD 1.6 ?1200 ci 3.2.2 封头厚度的计算 5.66mmt 2170 0.5?1.6 205P c CC10mm n 12 CC?10?1.6? 8.4mm en 12 1.25PD ? 1.25 ?1.6 ?1208.4 ci e 强度校核143.86 T 22?8.4 e 0.9 0.9 1?345? 310.5?143.86 s 即满足强度校核条件 经查表,材料为16MnR,Dm ?1200m的标准椭圆封头的许用压力为2.83MPa〉 i 2MPa(水压试验压力)即,水压试验安全。 取直边高度h25mm 3.3.补强计算 3.3.1接管所用材料为20钢,最高so工作压力为1.6MPa,为中低压容器 A?壳体上超过计算厚度的多余金属截面积,mm 1?壳体的实际壁厚,mm n?壳体的计算厚度,mm C ?腐蚀裕度,mm 2 A ?接管上超过计算厚度的多余金属截面积,mm 2 c hh 、 ?分别为外、内侧有效补强高度,mm 12?接管的实际厚度,mm nt?接管的计算厚度,mm t 2 A ?补强区内焊缝金属的截面积,mm 3 Bd2 ,d 2 2 nnt 接管直径d dm50m 2dm 2 50? 100m d22100 2?10? 2?6132mm nnt 所以B100mm ? 允许开孔的范围: 1 对于在圆筒上开孔,当其内径Dm1500m时,开孔的最大直径 dD i i 2 显然上述条件符合规定 ? 因开孔而削弱的面积 筒体计算壁厚: PD 1.6 ?1200 di? 6.68mm t 2170 0.85?1.6 2?P d 削弱的金属面积: 先计算强度削弱系数 f r t 130 n f? 0.765 r r 170??Ad? 2 ?C1?f nt r 50.2 5.66? 2?5.66?3.4?1? 0.765 2294mm 接管的计算壁厚 PD 1.647 ci 0.29mm t t 2130 1?1.6 2?P c 筒体多余的金属截面积A 1 ABd?C? f? 1 ntr 2133mm 外侧有效高度 hd? 50.2?5?15.84mm 1 nt 接管多余的截面积A 2 Ah2C? f 21 nt t r 2 15.843.4? 0.29 ?0.765? 274.7mm 焊缝金属的截面积A 焊脚取 6mm 3 1 2 A 66 2?36mm 3 2 2 A??AA?133? 74.7? 36? 243.7mm 12 3 2 所需另行补强面积:AAA?A?A294? 243.7? 50.3mm4123 3.2 用补强圈补强 补强圈设计 根据接管的公称直径 DN47 选补强圈,参照补强圈,取补强圈外径 ' ' ' Dm ?130m ,内径dm60m,因为B80.2mmD , 补强圈厚度 A 294 ' 44.2 '' Dd70 考虑到钢板负偏差并经圆整,取补强圈名义厚度为6mm。但为便于制造时准 ' 备材料,补强圈名义厚度也可取为封头的厚度,即?10mm。 3.4 支座的选择: 根据 JB/T4712-92 选择标准腿式座,又 DN500,所以选用 B2 型,材料为 16MnR,采用焊接,双筋,带垫板。 则允许载荷为170Kg,鞍座的高度为296,底板Bd ?160, 24,20 bb 总质量为1650kg 3.3.1 支座的校核 mg 1650 ?9.8 支座反力 FN8085 22 3.3.1.1 跨中截面弯矩 22 2RHm 12 FL 4A L M1 4H 4L 13L D? 5008 i 其中 R? 254mm m 22 Hhh296mm 12 22 2 354215? 12 196003953 4 885 3953 所以M 938996.8N 1 4215 43953 13 ?3953 3.3.1.2 支座处弯距M 2 22 A RHm 1LA 2L MFA 12 4H 13L 22 885 354215 13953 2885 3953?19600?885? 14215 13 ?3953?4617513N 3.3.1.3轴向应力计算: (1) 由于介质压力引起的轴向应力 介质压力 p 在圆筒中的截面上的轴向应力 spR 0.55 ?354 sm16.225MPa 22?6 e (2) 弯距引起的轴向应力 在圆筒中间处M 在截面上引起的弯曲应力: 1 M 938996.8 1 0.4MPa 22 R3.14 354?6 me 在支座处因Am400m 11 R354?177mm m 22 1 AR m 2 因此,圆筒未设封头加强,由《化工容器设计》表3-2查得: k0.107;k0.192 1 2 所以在靠近中心线处M 引起的轴向应力: 2 M ?4617513 218.3MPa 22 kR? 0.107 3.14?354?6 1 me (3)总的轴向应力计算: ? 在圆筒中间处截面的最高点,总轴向应力 pR M 0.55 ?354 938996.8 sm 1?16.225? 0.4?15.825MPa 1 22 2? R 2 6 3.14?354?6 eme 在最低点的总轴向应力 pR M sm 116.225? 0.4?16.625MPa 2 2 2?R eme ? 支座处截面 靠近轴中心a点 pR M 0.55354 4617513 sm 2?16.225?18.3? 34.525MPa 3 22 2kR 26 0.107 354?7 em 1 e 最低点b点 pR M 0.55 ?354 ?4617513 sm 2?16.225?18.3??2.075Mpa 4 22 2kR2 6 0.192?3.14?354?7 em 2 e ? 轴向应力校核--圆筒材料的轴向许用压应力170 MPaac 由于??,,? 为拉应力,必须满足 12 3 ac,,? 170Mpa12 3 ac 而为压应力,必须满足? 4 i ac?170Mpa4 ac 3.3.1.4 切向剪应力的计算和校核 2 R m 因A,查《化工容器设计》 ,表3-3 2 k ?1.171 3kF LA2 1.171 19600 3953? 2?885 3 故切向应力5.56MPa44 R354 ?6 me? LH3953? 215 33? 圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下圆筒材料许用应力的0.8倍 t 即? 0.8? 0.8?170 ?136Mpa 所以切向剪应力满足强度要求 3.3.1.5 鞍座处周向应力的计算与校核 鞍座处的圆筒的有效壁厚: bD 30 30?700?145 ibb1.56? 354?6? 217?b 2 故垫板不起加强板的作用 周向应力计算: 横截面最低点 k 5 由化工容器设计查得 0.7603kF ?0.7603 ?19600 511.44Mpa sb 6217 e 2 鞍座边角处 A 885 因 2.5 R 354 m所以查得 k0.0132 6 L 2945 因11.17 8 R 354 m 故 F F 19600 30.0132 ?196003.76?10.78?14.54Mpa 62 42 b 46217 26e 23.3.1.6 周向应力的校核 t 对于即170Mpas s t 对于不应超过设计温度下圆筒材料的许用应力的1.25倍, 即??1.25? 6 614.54〈170×1.25212.5Mpa 6 故周向应力满足强度要求同理右边的鞍座到右封头切线的距离为500时也满足要求。参考文献 [1] 刘国钧,陈绍业,王凤翥.图书馆目录.第 1版.北京:高等教育出版社,1957[2] 傅承义,陈运泰,祁贵中.地球物理学基础.北京:科学出版社,1985,447[3] 华罗庚,王元.论一致分布与近似分析.中国科学,1973 ?:339~357[4] 张筑生.微分半动力系统的不变集研究:[学位论文],北京:数学系统学研究 所,1983[5] Borko H, Bernier C L.Indexing concepts and methods .New York:Academic Pr,1978 结论 经过了几个月的毕业设计,今天终于完成了大学期间的最后一次作业------ 毕业设计!经过了这几个月的学习研究,对我在大学四年中所学的知识进行了一 次系统的整理和复习,让我对以前的学习的理解有了进一步的加深.在这几个月 的设计过程中,我对压力容器和换热器的设计过程有了个初步的