参考换热器设计说明书

1机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分。参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。1.1结构设计1.1.1设计条件1.1.1.1设计压力设计压力根据最高工作压力确定。设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.05～1.10倍。本设计取1.1倍。壳程设计压力1.11.1(0.40.1)0.33dwPPMPaMPa，液柱压力0.95993.259.80.60.95ghPa=5548.29455%dPaP则可忽略液柱压力，计算压力cdPP，取高于其一个等级的公称等级1.0MPa。管程设计压力1.11.1(1.40.1)1.43dwPPMPaMPa，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为2.5MPa。1.1.1.2设计温度设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。[8，124]管程设计温度的确定，由于气氨最高操作温度为124℃，故取设计温度为130℃。壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为42℃，故取设计温度为50℃。1.1.2筒体壁厚1.1.2.1筒体选材由于筒体设计温度为50℃，设计压力为0.4MPa，参考GB150-1998，故选20R。1.1.2.2筒体壁厚的计算2[]citcPDP2式中—计算厚度，mm；cP—计算压力，MPa；—焊接接头系数。0.46000.9042[]21331.00.4citcPDmmmmP由表可知min6mm，故令=6mm。2(62)8dCmmmm1(80)8dnCmmmm(取2C=2mm在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢，不小于1mm)[GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取1C=0][8，125]由钢材标准规格，取n8mme=n-(1C+2C)(C=1C+2C)=8-(0+2)=6mm1.1.2.3筒体的强度校核()0.4(6006)2[]226ttcieePDMPa[8，122]式中e—有效厚度，e=n-C，mm；n—名义厚度，mm；t—设计温度下圆筒的计算应力，MPa；C—厚度附加量，mm。[]t=1331.0=133MPat[]t3故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力[wp]为2[]261331.02.6346006tewiepMPaD1.1.3管箱设计1.1.3.1管箱选材管程设计压力为1.43MPa，温度为130℃，参考GB150-1998，故选20R。1.1.3.2管箱筒体厚度计算2[]citcPDP1.436003.27843792[]21331.01.43citcPDmmmmP由表可知min6mm，故令=6mm。2(62)8dCmmmm1(80)8dnCmmmm[GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取1C=0][8，125]由钢材标准规格，取n8mme=n-(1C+2C)(C=1C+2C)=8-(0+2)=6mm1.1.3.3管箱选择本次设计选择D型管箱，其结构型式见管箱零件图。[10，168]41.1.3.4筒体的强度校核()1.43(6006)72.215[]226ttcieePDMPa[8，122]式中e—有效厚度,e=n-C，mm；n—名义厚度，mm；t—设计温度下圆筒的计算应力，MPa；C—厚度附加量，mm。[]t=1331.0=133MPat[]t故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力[wp]为2[]261331.02.6346006tewiepMPaD1.1.4管箱法兰1.1.4.1材料选择管程设计压力为1.43MPa，温度为130℃，参考GB150-1998，故选20R。[13，6]1.1.4.2法兰尺寸法兰材料及其质量列表如下：JB/T4703-2000公称直径DN，mm法兰，mm螺柱D1D2D3D4DHta1ad规格数量6007607156766666635020042211827M2424表4-1乙型平焊法兰[13，39]公称直径DN，mm法兰质量，kg平面凸面凹面榫面槽面PN=2.5MPa560099．3102.299.8101.297.3表4-2乙型平焊法兰质量[13，40]1.1.4.3法兰型式根据公称压力等级以及介质性质选择法兰型式为SO型。1.1.5管箱法兰垫片选择非金属垫片：垫片600-2.50，石棉橡胶板GB/T3985。[13，63]垫片结构图见装配图。[13，63]JB/T4704-2000公称压力PN，mm2.5公称直径DN，mm3D2Dt6006656153表4-3垫片尺寸[13，64]1.1.6管箱法兰螺柱螺母对于PN2.5MPa的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。JB/T4707-2000本次选用等长双头螺柱。[13，6-7]图4-1等长双头螺柱结构图[13，81]JB/T4707-2000d,mm1620242730360L,mm405060657080C,mm22.53445r,mm5666662d,mmA162024273036BL,mm极限偏差单件质量,kg公称尺寸1001.30.1330.2081101.50.1470.2291200.1600.2501300.1730.2700.3901400.1870.2910.4201500.2000.3120.4501600.2130.3330.4801700.2270.3450.5101800.2400.3740.5400.6950.8531900.2530.3950.5700.7330.9012000.4160.6000.7720.9483000.6250.9001.1601.422表4-4等长双头螺柱的型式与尺寸[13，82]1.1.7封头的设计由于管程设计压力为1.43MPa，温度为130℃，故封头材料选为20R。1.1.7.1封头的壁厚计算2[]0.5citcPDP式中—计算厚度,mm;cP—计算压力,MPa;—焊接接头系数。[8，140]1.436003.2342574972[]0.521331.00.51.43citcPDmmmmP由表可知min6mm,故令=6mm.72(62)dCmm(取2C=2mm在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢,不小于1mm)1(80)8dnCmmmm(GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm,因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时如和等,可取1C=0)由钢材标准规格,取n=8mme=n-(1C+2C)(C=1C+2C)=8-(0+2)=8mm1.1.7.2封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下：JB4746-2002表4-5EHA椭圆形封头内表面积，容积表4-6EHA椭圆形封头质量kgJB4746-2002公称直径总深度内表面积容积DNHAVmmmm2m3m6001750.43740.0353公称直径封头名义厚度n，mmDN34568101214161820mm60010.113.517.020.427.534.641.849.256.764.271.98图4-2EHA椭圆型封头结构[12，36-37-38]1.1.7.3封头的强度校核对于标准椭圆形封头，K=1.0椭圆形封头的最大工作压力[wp]为2[]261331.02.6470.56000.56tewiepMPaKD[8，140]1.1.8液压试验压力试验除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力安全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。本次设备压力试验采用水压试验。[8，192]由于管程壳程压力不等，且管程压力大于壳程，故水压试验时先将壳程压力升高到与管程相等，再进行水压试验。（1）水压试验对于内压容器[]1.25[]TtPP[8，193]在小于20℃,100℃时的应力都为133MPa.[8，399]1.25TPP=1.25cP=1.251.43MPa=1.7875MPa(2)应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态,在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力TT=()2TieePD=1.7875(6006)26MPa=90.183MPa90.9s=0.91.0245=220.5MPaT0.9s[8，399]1.1.9拉杆设计1.1.9.1拉杆选材选择拉杆和定距管材料为10。1.1.9.2拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择：mm换热管外径d1425d拉杆直径nd12表4-7拉杆选用表公称直径DN，mm拉杆直径nd，mm400~700124表4-8拉杆数量选用表[6，75-76]拉杆尺寸与结构如下：mm拉杆直径nd拉杆螺纹公称直径ndaLbLb121215502.0表4-9拉杆尺寸表[6，76]Lab×45°LbLdndn‘图4-3拉杆结构图[6，75]1.1.9.3拉杆的布置拉杆应尽量布置在管束的边缘，本次用四根拉杆。101.1.10管板设计1.1.10.1材料选择选择管板材料为20R。1.1.10.2管板结构选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法与管箱用螺柱连接。mm表4-10管板尺寸参数[10，146]通过校核后确定管板厚度为49.5mm。结构如下：图4-4管板结构[10，127]1.1.10.3管板布管见管板零件图。公称压力2/kgfcmDgD1D2D3D4D5DC2d螺柱fbbtPsP规格数量2.51.060076071567659766360012.527M24243848111.1.10.3.1中心距的求取本次设计采用正三角形排列，换热管尺寸为192mm，因此取换热器中心距为25mm。1.1.10.3.2布管限定圆对固定管板式换热器,布管限定圆的直径LD为32LiDDbiD圆筒内径,mm3b固定管板式换热器管束最外层管束外表面至壳体内表面的最短距离,30.25obd,一般不小于8mm，od为换热管外径。[6，23]本次设计取3b=10mm，则LD=600-2×10=580mm。表4-11I级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表1.1.10.3.3拉杆孔的设计拉杆孔直径11.0(121.0)13ddmmmm,d为拉杆直径。[6，25]拉杆与管板采用螺纹连接。螺纹深度21.5nld,nd为拉杆螺纹孔公称直径,mm.21.5nld=1.51218mmmm[6，25]1.1.10.3.4实际布管实际布管数为451根，其中换热管447根，拉杆4根。换热管外径d或无支撑跨l32d或900l900l且32d管孔直径0.7d0.4d允许偏差+0.300121.1.11换热管设计在标准中选取换热管为192mmmm，材料为16Mn，长度为6000mm。换热管与管板的连接采用强度焊，其尺寸如下：mm表4-12换热管与管板的连接采用强度焊图4-5换热管安装尺寸图[6，69]1.1.12接管设计1.1.1