105平方冷凝器的選型及工藝計(jì)算畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

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1、 2.105m2冷凝器的選型及工藝設(shè)計(jì) 2.1冷凝器設(shè)計(jì)示列 已知一臥式固定管板式換熱器的工藝條件如下：換熱器工程直徑為1000mm，換熱管長度3000mm，換熱面積105m2;殼程價質(zhì)為二次蒸汽，輕微腐蝕，操作壓力20Kpa（絕壓），工作溫度60C0，；管程價質(zhì)為冷卻水，操作壓力0.4Mpa，工作度32~38C0，雙管程，換熱管規(guī)格為F25mm2mm,換熱管間距36mm，數(shù)量545根，材料0Cr8Ni9；蒸汽進(jìn)口管F377mm8mm，冷凝水出口管F57mm，冷卻水進(jìn)，出口管均為F219mm6mm。 2.2冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì) ①材料選擇。根據(jù)換熱器的工作狀況及價質(zhì)特性，殼程選用0Cr18Ni9，管程選用Q235B，管板選用0Cr18Ni9。 ②換熱管。換熱管是換熱器的元件之一，置于筒體之內(nèi)，用于兩介質(zhì)之間熱量的交換。選用較高等級換熱管，管束為Ｉ級管束。 換熱管的選擇 排列方式：正三角形、正方形直列和錯列排列。 圖2-1換熱管排列方式 各種排列方式的優(yōu)點(diǎn)： 正方形排列：易清洗，但給熱效果差； 正方形錯列：可提高給熱系數(shù)； 等邊三角形：排列緊湊，管外湍流程度高，給熱系數(shù)大。 換熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并用。 強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)

3、計(jì)壓力小≤4.0Mpa；設(shè)計(jì)溫度≤300℃；操作中無劇烈振動、無過大的溫度波動及無明顯應(yīng)力腐蝕等場合。 除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場合。 脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場合。 ③管板。管板選用兼作法蘭結(jié)構(gòu)，管板密封面選用JB!T4701標(biāo)準(zhǔn)中的突面密封面。換熱管在管板上的排列采用正三角形排列，分程隔板兩側(cè)換熱管中心距取44mm，實(shí)際排列548跟換熱管。 ④分成隔板與分程隔板槽。分成隔板厚度10mm，開設(shè)F6mm淚孔；分成隔板槽寬12mm，深度4mm；墊片材料為石棉橡膠板，厚度

4、為3mm。 ⑤換熱管與管板的連接。換熱管與管板的連接采用焊接結(jié)構(gòu)，其中L1=2mm，L3=2mm。 ⑥支持板。換熱器的殼程為蒸汽冷凝，不需折流板，但考慮到到換熱管的支撐，姑設(shè)置支持板。換熱管無支撐最大跨距為1850mm,因此換熱管至少需要3塊兒支持板。本設(shè)計(jì)采用3塊兒支持板，弓形缺口，垂直左右布置，缺口高度為25%筒體內(nèi)直徑。 ⑦拉桿與拉桿孔。選用8根F16mm拉桿，拉桿與管板采用用螺紋連接。拉桿兩端螺紋為M16拉桿孔深度為24mm． 定距管及拉桿的選擇 拉桿常用的結(jié)構(gòu)型式有： a. 拉桿定距管結(jié)構(gòu)，見圖4-7-1（a）。此結(jié)構(gòu)適用于換熱管外徑d≥19mm的管束且l2>

5、La（La按表4-5-5規(guī)定） b. 拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，見圖4-7-1（b）。此結(jié)構(gòu)適用于換熱管外徑d≤14mm的管束且l1≥d； c. 當(dāng)管板較薄時，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。 圖2-1 拉桿結(jié)構(gòu)型式 這里我們選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。 拉桿的尺寸 拉桿的長度L按實(shí)際需要確定，拉桿的連接尺寸由圖4-7-2和表4-7-1確定。 圖2-2 拉桿連接尺寸 拉桿的位置 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板不應(yīng)少于3個支承點(diǎn)。 定距管尺寸 定距管的尺寸，一般

6、與所在換熱器的換熱管規(guī)格相同。對管程是不銹鋼，殼程是碳鋼或低合金鋼的換熱器，可選用與不銹鋼換熱管外徑相同的碳鋼管作定距管。定距管的長度，按實(shí)際需要確定。 ⑧管箱。管箱法蘭選用容器法蘭，規(guī)格為“RE 1000—0.6 JB!T4701—2000”。封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，規(guī)格為“EHA 10008 JB!T4746—2002”。管箱接管采用徑向接管，前端管箱開設(shè)冷卻水進(jìn)，出口管，后端管箱上不開設(shè)3!4′′壓力表接口，下部開設(shè)DN25排凈口。前端管箱筒節(jié)長度500mm，后端管箱筒節(jié)長度260mm。 ⑨支座。臥式換熱器多采用鞍式支座，立式換熱器可采用耳式支座，大型立式換熱器也可采用裙座支座承

7、。當(dāng)采用耳式支座，公稱直徑DN≤800mm時，應(yīng)至少安裝2個支座，且對稱布置；工程直徑DN>800mm時，應(yīng)至少安裝4個支座，均勻布置。當(dāng)選用鞍式支座時，支座在換熱器上的布置按下列原則確定（其中個參數(shù)代號如圖5-15所示） 圖2-3 臥式換熱器鞍座安裝位置 1.當(dāng)L≤3000mm時，取LB=（0.4~0.6）L； 2.當(dāng)L>3000mm時，取LB=（0.5~0.7） 3.盡量使LC和L′相近。 換熱器采用鞍式支座，型號為“BI 1000JB!T 4712.1—2007”，固定式和滑動式支

8、： 座各一個，固定式支座安裝在靠近冷卻水進(jìn)口端，兩支座距離為1700mm，支座螺栓孔中心矩管板密封面650mm。 ⑩接管。換熱器接管選用無縫鋼板。蒸汽進(jìn)口焊接連接，壓力表口采用螺紋連接，其余為法蘭連接，法蘭標(biāo)準(zhǔn)為HG!T 20592—2009，法蘭類型為板式平焊（PL），法蘭密封面為頭面（RF），法蘭公稱壓力均為16bar。采用補(bǔ)償圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔不強(qiáng)。 3. 強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算 3.1殼程圓筒厚度計(jì)算 已知條件: 筒體內(nèi)徑 —— 工作壓力—— 工作溫度—— 筒體長度 ——L

9、=3000mm 材料——0Cr18Ni19 設(shè)計(jì)參數(shù)： 設(shè)計(jì)壓力—— 設(shè)計(jì)溫度—— 通體計(jì)算長度——L=3000mm 腐蝕裕量—— 3.1.1筒體厚度 圓筒承受外壓，故需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。圓筒名義厚度取值為表5-2規(guī)定的最小厚度6mm，取鋼板厚度負(fù)偏差,則筒體有效厚度為 筒體外直徑 由GB150表6-2查得，A=0.00017。查GB150圖6-7，得E=1.91105Mpa,A直落在曲線的

10、直線段上，所以 圓筒穩(wěn)定性滿足要求。 3.1.2管箱圓筒 已知條件： 筒體內(nèi)徑—— 工作壓力 —— 工作溫度—— 材料——Q235B 設(shè)計(jì)參數(shù)： 設(shè)計(jì)壓力——P=0.45Mpa 設(shè)計(jì)溫度—— 腐蝕裕量—— 焊接接頭系數(shù)—— 3.1.3管箱厚度 設(shè)計(jì)厚度 考慮鋼板厚度負(fù)偏

11、差，可取筒體名義厚度。 根據(jù)表5-1，管箱最小厚度應(yīng)不小于為8mm。所以去管箱名義厚度為，有效厚度 3.1.4管箱封頭 已知條件： 封頭內(nèi)經(jīng)—— 工作壓力—— 工作溫度—— 材料——Q235B 設(shè)計(jì)參數(shù)： 設(shè)計(jì)壓力—— 設(shè)計(jì)溫度—— 腐蝕裕量—— 焊接接頭系數(shù)—— 計(jì)算壓力—— 封頭計(jì)算厚度 3.1.5管箱封頭厚度 設(shè)計(jì)厚度

12、 （mm) 考慮鋼板厚度負(fù)偏差，可取筒體名義厚度。 根據(jù)表5-1，管箱最小厚度應(yīng)不小于為。所以取管箱名義厚度為，有效厚度 滿足最小厚度要求 3.2水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 3.2.1 壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校核 容器制成以后（或檢修后投入生產(chǎn)前），必須作壓力試驗(yàn)或增加氣密性試驗(yàn)，其目的在于檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。 對需要進(jìn)行焊接后熱處理的容器，應(yīng)在全部焊接工作完成并經(jīng)熱處理之后，才能進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)；對于分段交貨的壓力容器，可分段熱處理，在安裝工地組裝焊接，并對焊接的環(huán)焊縫進(jìn)行局部熱

13、處理之后，再進(jìn)行壓力試驗(yàn)。 壓力實(shí)驗(yàn)的種類、要求和試驗(yàn)壓力值應(yīng)在圖樣上注明。壓力試驗(yàn)一般采用液壓試驗(yàn)，對于不適合作液壓試驗(yàn)的容器，例如容器內(nèi)不允許有微量殘留液體，或由于結(jié)構(gòu)原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗(yàn)。 液壓試驗(yàn)： 液壓試驗(yàn)一般采用水，需要時也可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險的其他液體。試驗(yàn)時液體的溫度應(yīng)低于其閃電或沸點(diǎn)。奧氏體不銹鋼制容器用水壓進(jìn)行液壓試驗(yàn)后，應(yīng)將水漬清除干凈。當(dāng)無法清除時，應(yīng)該控制水中氯離子含量不超過25 mg/L。 試驗(yàn)溫度：對碳鋼、16MnR、15MnNbR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗(yàn)時，液體溫度不得低于5℃；其他低合金鋼制容器液壓試驗(yàn)時

14、，液體溫度不得低于15℃。如果由于板厚等因素造成材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度升高，則需相應(yīng)提高試驗(yàn)液體的溫度。 試驗(yàn)方法：試驗(yàn)時容器頂部應(yīng)設(shè)排氣扣，充液時應(yīng)將容器內(nèi)的空氣排盡，試驗(yàn)過程中應(yīng)保持容器觀察表面干燥；試驗(yàn)時壓力應(yīng)緩緩上升至設(shè)計(jì)壓力無泄漏，再緩緩上升，達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)壓力后，保壓時間一般不少于30 min。然后將壓力降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%，并保持足夠長的時間以對所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查。如有滲漏，修補(bǔ)后重新試驗(yàn)，直至合格。對于夾套容器，先進(jìn)行內(nèi)筒液壓試驗(yàn)，合格后再焊夾套，然后進(jìn)行夾套內(nèi)的液壓試驗(yàn)；液壓試驗(yàn)完畢后，應(yīng)將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。本換熱器的設(shè)計(jì)采用水壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)

15、強(qiáng)度應(yīng)力的校核。 3.2.2管程水壓試驗(yàn)壓力 取。由于殼程試驗(yàn)壓力小于管程試驗(yàn)壓力，故去殼程試驗(yàn)壓力等于管程試驗(yàn)壓力。 3.2.3管程試驗(yàn)壓時圓筒應(yīng)力 < 試驗(yàn)應(yīng)力滿足要求。 3.2.4殼程試驗(yàn)時圓筒應(yīng)力 < 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力滿足要求。 3.3開孔補(bǔ)強(qiáng) 3.3.1殼程筒體開孔補(bǔ)強(qiáng) 已知條件： 殼體材料——0Cr18Ni9, 許用應(yīng)力—— 內(nèi)徑——

16、 名義厚度—— 厚度負(fù)偏差—— 腐蝕裕量—— 有效厚度—— 接管材料——0Cr18Ni9 許用應(yīng)力—— 外徑—— 名義厚度—— 厚度負(fù)偏差—— 腐蝕裕量—— 有效厚度—— 強(qiáng)度削弱—— 開孔直徑 有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 外側(cè)有效高度 內(nèi)側(cè)有效高度 根據(jù)外壓圓筒穩(wěn)定性計(jì)算方法，試算得到圓筒和接管的計(jì)算厚度分別為和。

17、3.3.2開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積 （mm2) 殼體多余金屬面積 =(726-363)(5.4-5.15)=91(mm2) 接管多余金屬面積 =253.9（7-0.92）1.0=655（mm2) 焊縫金屬面積 （mm2) 有效補(bǔ)強(qiáng)面積 （mm2) 需要另加補(bǔ)強(qiáng)面積 （mm2) 采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，選用標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)強(qiáng)圈，外徑620m

18、m，則補(bǔ)強(qiáng)圈計(jì)算厚度為 取補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度為6mm。 管箱筒體開孔補(bǔ)強(qiáng) 通過計(jì)算不需另加補(bǔ)強(qiáng)（此出計(jì)算略)。 3.4管板計(jì)算 3.4.1殼程圓筒 設(shè)計(jì)壓力—— 設(shè)計(jì)溫度—— 平均金屬溫度—— 裝配溫度—— 材料名稱——0Cr18Ni9 設(shè)計(jì)溫度下的的許用應(yīng)力 —— 平均金屬溫度下的彈性模量—— 平均金屬溫度下的熱膨脹系數(shù)—— 殼程圓筒內(nèi)經(jīng)—— 殼程圓筒名義厚度—— 殼程圓筒有效厚度—— 殼體法蘭在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量 殼程圓筒內(nèi)直徑橫

19、截面積 殼程圓筒金屬橫截面積 3.4.2管箱圓筒 設(shè)計(jì)壓力—— 設(shè)計(jì)溫度—— 材料——Q235B 設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 管箱圓筒名義厚度（管箱為高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均值） 管箱圓筒有效厚度 管箱法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 3.4.3換熱管 材料名稱——0Cr18Ni9 管子平均溫度—— 設(shè)計(jì)溫度下管子材料許用應(yīng)力 設(shè)計(jì)溫度下管子材料屈服應(yīng)力 設(shè)計(jì)溫度下管子材料彈性模量 平均金屬溫度下管子材料彈性模量 平均金屬溫度下管子材料

20、熱膨脹系數(shù) 管子外徑 —— 管子壁厚 —— 管子根數(shù)——n=548 換熱管中心距 ——S=36mm 一根管子金屬橫截面積 換熱管長度 —— 管子有效長度（兩管板內(nèi)測間距，假設(shè)管板厚度為31mm） L=2938mm 管束模量 管子回轉(zhuǎn)半徑 管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度 —— 系數(shù)—— 比值—— 管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 3.4.4管板 材料名稱——0Cr18Ni9 設(shè)計(jì)溫度—— 設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 設(shè)計(jì)溫度下

21、彈性模量 管板腐蝕裕量 —— 假設(shè)管板厚度——31mm 管板計(jì)算厚度—— 隔板糟面積（包括拉桿和假管區(qū)面積）——mm2 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)—— 管板剛度削弱系數(shù)—— 管子加強(qiáng)系數(shù) ，K=9.05 管板和管子連接形式和尺寸焊接，焊接高度 焊接許用拉脫應(yīng)力 3.5 法蘭 3.5.1管箱法蘭 材料名稱——Q245R（正火） 管箱法蘭厚度 —— 法蘭外徑—— 基本法蘭力矩 管程壓力操作工況下法蘭力矩 (法蘭力矩的計(jì)算GB150第9章進(jìn)行） 法蘭寬度 比值

22、 系數(shù)（按，，查GB151—1999圖25） 系數(shù)（按，，查GB151—1999圖26） 旋轉(zhuǎn)剛度 3.5.2殼體法蘭 材料名稱——0Cr18Ni9 殼體法蘭—— 法蘭外徑—— 法蘭寬度 比值 ， 系數(shù)（按，查GB151—1999圖25） 系數(shù)（按，查表GB151—1999圖26） 旋轉(zhuǎn)剛度 法蘭外徑與內(nèi)經(jīng)之比 旋轉(zhuǎn)剛度量綱一參數(shù) 3.5.3系數(shù)計(jì)算 管板第一 彎矩系數(shù)（按K，查GB151—1999圖27） 系數(shù)—— 系數(shù)（按K，Q或查GB

23、151—1999圖29（a)或（b） 換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 管板第二彎矩系數(shù)[按K，Q或查GB151—1999圖28（a）或（b)] 系數(shù) 系數(shù)（K，Q查圖30） 法蘭力矩折減系數(shù) 管板邊緣力矩變化系數(shù) 法蘭力矩變化系數(shù) 3.5.4管板參數(shù) 管板開孔后面積 管板布管區(qū)面積 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 系數(shù) 系數(shù) 系數(shù) 系數(shù) 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比 區(qū)量綱一寬度 3.6壓力作用下的危險組合

24、工況 3.6.1僅有殼程壓力作用下的危險組合工況 表3-1 僅有殼程壓力作用下的危險組合工況（） 不計(jì)溫差應(yīng)力 計(jì)溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 0.0 -0.0004178 當(dāng)量壓力組合 -0.1 -0.1 有效壓力組合 -0.557 -13 基本法蘭力矩系數(shù) -0.04628 -0.001985 管板邊緣力矩數(shù) -0.04496 -0.0006627 管板邊緣剪切力系數(shù) -3.089 -0.04553 管

25、板總彎矩系數(shù) 3.582 0.01448 系數(shù) 僅用于時 0.475 0.00192 系數(shù) 當(dāng)時，按K和m查圖31（b） 當(dāng)時，按K和m查圖31（a）實(shí)線 0.841 0.1557 系數(shù) 0.841 0.145 管板徑向應(yīng)力系數(shù) -0.04064 0.003201 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù) -0.05737 0.000106 管板布管區(qū)周邊處切應(yīng)力系數(shù) -0.04832 0.02208 殼體法蘭力矩系數(shù) -0.006706

26、 -0.0007334 計(jì)算機(jī) 許用計(jì) 計(jì)算機(jī) 許用應(yīng)力 管板徑向應(yīng)力 55.11 101.2 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力 34.15 68.22 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力 1.52 -16.19 殼體法蘭應(yīng)力 42.14 107.4 換熱管軸向應(yīng)力 6.269 49.14 殼程圓筒軸向應(yīng)力 3.264 -34.77 換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力 3.296

27、 25.83 3.6.2僅有管程壓力作用下的危險組合工況 表3-2 僅有管程壓力作用下的危險組合工況（） 不計(jì)溫差應(yīng)力 計(jì)溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 0.0 -0.0004178 當(dāng)量壓力組合 -0.519 -0.519 有效壓力組合 -3.817 -16.26 操作情況下法蘭力矩系數(shù) -0.007726 -0.001813 管板邊緣力矩系數(shù) -o.007726 -

28、0.001813 管板邊緣剪切力系數(shù) -0.5308 -0.1246 管板總數(shù)彎矩系數(shù) -2.518 -0.2066 系數(shù) 僅用于時 0.3339 0.0274 系數(shù) 當(dāng)時，按K和m查圖31（b） 當(dāng)時，按K和m查圖31（a）實(shí)線 0.9099 0.2158 系數(shù) 0.9099 0.2158 管板徑向應(yīng)力系數(shù) 0.009875 0.00437 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù) -0.00906 -0.001387 管板布管區(qū)周邊處切應(yīng)力系數(shù)

29、 0.01085 0.02025 殼體法蘭力矩系數(shù) -0.001686 -0.0008885 計(jì)算機(jī) 許用計(jì) 計(jì)算機(jī) 許用應(yīng)力 管板徑向應(yīng)力 91.65 172.8 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力 54.1 109 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力 -2.336 -18.57 殼體法蘭應(yīng)力 72.5 162.8 換熱管軸向應(yīng)力 16.45 62.51 殼程圓筒軸向力 15.7

30、 -19.16 換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力 8.65 32.86 參考文獻(xiàn) [1]刁玉瑋，王立業(yè)，《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（第四版），大連理工大學(xué)出版社[M] [2]賈紹義，柴誠敬，《化工原理課程設(shè)計(jì)（化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)）》，天津大學(xué)出版社[M] [3]姚玉英，《化工原理》上（第三版），天津大學(xué)出版社[M] [4]婁愛娟，吳志泉，吳敘美，《化工設(shè)計(jì)》，華東理工大學(xué)出版社[M] [5]《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)固定管板式換熱器型式與參數(shù)JB/T4715-92

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