105平方冷凝器的選型及工藝計算畢業(yè)設計.doc

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1、 2.105m2冷凝器的選型及工藝設計 2.1冷凝器設計示列 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，數量545根，材料0Cr8Ni9；蒸汽進口管F377mm8mm，冷凝水出口管F57mm，冷卻水進，出口管均為F219mm6mm。 2.2冷凝器結構設

2、計 ①材料選擇。根據換熱器的工作狀況及價質特性，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，用于兩介質之間熱量的交換。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： 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； 等邊三角形：排列緊湊，管外湍流程度高，給熱系數大。 換熱管與管板的連接方式有強度焊、強度脹以及脹焊并用。 強度脹接主要適用于設

3、計壓力小≤4.0Mpa；設計溫度≤300℃；操作中無劇烈振動、無過大的溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。 除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強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；需采用復合管板等的場合。 ③管板。管板選用兼作法蘭結構，管板密封面選用JB!T4701標準中的突面密封面。換熱管在管板上的排列采用正三角形排列，分程隔板兩側換熱管中心距取44mm，實際排列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構，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。本設計采用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 拉桿常用的結構型式有： a. 拉桿定距管結構，見圖4-7-1（a）。此結構適用于換熱管外徑d≥19mm的管束且l2>

5、La（La按表4-5-5規(guī)定） b. 拉桿與折流板點焊結構，見圖4-7-1（b）。此結構適用于換熱管外徑d≤14mm的管束且l1≥d； c. 當管板較薄時，也可采用其他的連接結構。 圖2-1 拉桿結構型式 這里我們選用拉桿定距管結構。 拉桿的尺寸 拉桿的長度L按實際需要確定，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)內或靠近折流板缺口處應布置適當數量的拉桿，任何折流板不應少于3個支承點。 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”。封頭選用標準橢圓形封頭，規(guī)格為“EHA 10008 JB!T4746—2002”。管箱接管采用徑向接管，前端管箱開設冷卻水進，出口管，后端管箱上不開設3!4′′壓力表接口，下部開設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、。當采用耳式支座，公稱直徑DN≤800mm時，應至少安裝2個支座，且對稱布置；工程直徑DN>800mm時，應至少安裝4個支座，均勻布置。當選用鞍式支座時，支座在換熱器上的布置按下列原則確定（其中個參數代號如圖5-15所示） 圖2-3 臥式換熱器鞍座安裝位置 1.當L≤3000mm時，取LB=（0.4~0.6）L； 2.當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，法蘭標準為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。采用補償圈結構進行開孔不強。 3. 強度與穩(wěn)定性計算 3.1殼程圓筒厚度計算 已知條件: 筒體內徑 —— 工作壓力—— 工作溫度—— 筒體長度 ——L

9、=3000mm 材料——0Cr18Ni19 設計參數： 設計壓力—— 設計溫度—— 通體計算長度——L=3000mm 腐蝕裕量—— 3.1.1筒體厚度 圓筒承受外壓，故需進行穩(wěn)定性計算。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： 筒體內徑—— 工作壓力 —— 工作溫度—— 材料——Q235B 設計參數： 設計壓力——P=0.45Mpa 設計溫度—— 腐蝕裕量—— 焊接接頭系數—— 3.1.3管箱厚度 設計厚度 考慮鋼板厚度負偏

11、差，可取筒體名義厚度。 根據表5-1，管箱最小厚度應不小于為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： 封頭內經—— 工作壓力—— 工作溫度—— 材料——Q235B 設計參數： 設計壓力—— 設計溫度—— 腐蝕裕量—— 焊接接頭系數—— 計算壓力—— 封頭計算厚度 3.1.5管箱封頭厚度 設計厚度

12、 （mm) 考慮鋼板厚度負偏差，可取筒體名義厚度。 根據表5-1，管箱最小厚度應不小于為。所以取管箱名義厚度為，有效厚度 滿足最小厚度要求 3.2水壓試驗應力校核 3.2.1 壓力試驗及其強度校核 容器制成以后（或檢修后投入生產前），必須作壓力試驗或增加氣密性試驗，其目的在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現象，即考察容器的密封性，以確保設備的安全運行。 對需要進行焊接后熱處理的容器，應在全部焊接工作完成并經熱處理之后，才能進行壓力實驗和氣密性試驗；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)焊縫進行局部熱

13、處理之后，再進行壓力試驗。 壓力實驗的種類、要求和試驗壓力值應在圖樣上注明。壓力試驗一般采用液壓試驗，對于不適合作液壓試驗的容器，例如容器內不允許有微量殘留液體，或由于結構原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗。 液壓試驗： 液壓試驗一般采用水，需要時也可采用不會導致發(fā)生危險的其他液體。試驗時液體的溫度應低于其閃電或沸點。奧氏體不銹鋼制容器用水壓進行液壓試驗后，應將水漬清除干凈。當無法清除時，應該控制水中氯離子含量不超過25 mg/L。 試驗溫度：對碳鋼、16MnR、15MnNbR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗時，液體溫度不得低于5℃；其他低合金鋼制容器液壓試驗時

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變溫度升高，則需相應提高試驗液體的溫度。 試驗方法：試驗時容器頂部應設排氣扣，充液時應將容器內的空氣排盡，試驗過程中應保持容器觀察表面干燥；試驗時壓力應緩緩上升至設計壓力無泄漏，再緩緩上升，達到規(guī)定的試驗壓力后，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行檢查。如有滲漏，修補后重新試驗，直至合格。對于夾套容器，先進行內筒液壓試驗，合格后再焊夾套，然后進行夾套內的液壓試驗；液壓試驗完畢后，應將液體排盡并用壓縮空氣將內部吹干。本換熱器的設計采用水壓試驗來檢驗

15、強度應力的校核。 3.2.2管程水壓試驗壓力 取。由于殼程試驗壓力小于管程試驗壓力，故去殼程試驗壓力等于管程試驗壓力。 3.2.3管程試驗壓時圓筒應力 < 試驗應力滿足要求。 3.2.4殼程試驗時圓筒應力 < 實驗應力滿足要求。 3.3開孔補強 3.3.1殼程筒體開孔補強 已知條件： 殼體材料——0Cr18Ni9, 許用應力—— 內徑——

16、 名義厚度—— 厚度負偏差—— 腐蝕裕量—— 有效厚度—— 接管材料——0Cr18Ni9 許用應力—— 外徑—— 名義厚度—— 厚度負偏差—— 腐蝕裕量—— 有效厚度—— 強度削弱—— 開孔直徑 有效補強寬度 外側有效高度 內側有效高度 根據外壓圓筒穩(wěn)定性計算方法，試算得到圓筒和接管的計算厚度分別為和。

17、3.3.2開孔削弱所需的補強面積 （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) 有效補強面積 （mm2) 需要另加補強面積 （mm2) 采用補強圈補強，選用標準補強圈，外徑620m

18、m，則補強圈計算厚度為 取補強圈名義厚度為6mm。 管箱筒體開孔補強 通過計算不需另加補強（此出計算略)。 3.4管板計算 3.4.1殼程圓筒 設計壓力—— 設計溫度—— 平均金屬溫度—— 裝配溫度—— 材料名稱——0Cr18Ni9 設計溫度下的的許用應力 —— 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—— 殼程圓筒內經—— 殼程圓筒名義厚度—— 殼程圓筒有效厚度—— 殼體法蘭在設計溫度下的彈性模量 殼程圓筒內直徑橫

19、截面積 殼程圓筒金屬橫截面積 3.4.2管箱圓筒 設計壓力—— 設計溫度—— 材料——Q235B 設計溫度下彈性模量 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 管箱法蘭設計溫度下彈性模量 3.4.3換熱管 材料名稱——0Cr18Ni9 管子平均溫度—— 設計溫度下管子材料許用應力 設計溫度下管子材料屈服應力 設計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 管子外徑 —— 管子壁厚 —— 管子根數——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（兩管板內測間距，假設管板厚度為31mm） L=2938mm 管束模量 管子回轉半徑 管子受壓失穩(wěn)當量長度 —— 系數—— 比值—— 管子穩(wěn)定許用壓應力 3.4.4管板 材料名稱——0Cr18Ni9 設計溫度—— 設計溫度下許用應力 設計溫度下

21、彈性模量 管板腐蝕裕量 —— 假設管板厚度——31mm 管板計算厚度—— 隔板糟面積（包括拉桿和假管區(qū)面積）——mm2 管板強度削弱系數—— 管板剛度削弱系數—— 管子加強系數 ，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 (法蘭力矩的計算GB150第9章進行） 法蘭寬度 比值

22、 系數（按，，查GB151—1999圖25） 系數（按，，查GB151—1999圖26） 旋轉剛度 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（按，查GB151—1999圖25） 系數（按，查表GB151—1999圖26） 旋轉剛度 法蘭外徑與內經之比 旋轉剛度量綱一參數 3.5.3系數計算 管板第一 彎矩系數（按K，查GB151—1999圖27） 系數—— 系數（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[按K，Q或查GB151—1999圖28（a）或（b)] 系數 系數（K，Q查圖30） 法蘭力矩折減系數 管板邊緣力矩變化系數 法蘭力矩變化系數 3.5.4管板參數 管板開孔后面積 管板布管區(qū)面積 管板布管區(qū)當量直徑 系數 系數 系數 系數 管板布管區(qū)當量直徑與殼體內徑之比 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（） 不計溫差應力 計溫差應力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 0.0 -0.0004178 當量壓力組合 -0.1 -0.1 有效壓力組合 -0.557 -13 基本法蘭力矩系數 -0.04628 -0.001985 管板邊緣力矩數 -0.04496 -0.0006627 管板邊緣剪切力系數 -3.089 -0.04553 管

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

26、 -0.0007334 計算機 許用計 計算機 許用應力 管板徑向應力 55.11 101.2 管板布管區(qū)周邊處徑向應力 34.15 68.22 管板布管區(qū)周邊處徑向應力 1.52 -16.19 殼體法蘭應力 42.14 107.4 換熱管軸向應力 6.269 49.14 殼程圓筒軸向應力 3.264 -34.77 換熱管與管板連接拉脫應力 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（） 不計溫差應力 計溫差應力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 0.0 -0.0004178 當量壓力組合 -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 -0.007726 -0.001813 管板邊緣力矩系數 -o.007726 -

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

29、 0.01085 0.02025 殼體法蘭力矩系數 -0.001686 -0.0008885 計算機 許用計 計算機 許用應力 管板徑向應力 91.65 172.8 管板布管區(qū)周邊處徑向應力 54.1 109 管板布管區(qū)周邊處徑向應力 -2.336 -18.57 殼體法蘭應力 72.5 162.8 換熱管軸向應力 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力 8.65 32.86 參考文獻 [1]刁玉瑋，王立業(yè)，《化工設備機械基礎》（第四版），大連理工大學出版社[M] [2]賈紹義，柴誠敬，《化工原理課程設計（化工傳遞與單元操作課程設計）》，天津大學出版社[M] [3]姚玉英，《化工原理》上（第三版），天津大學出版社[M] [4]婁愛娟，吳志泉，吳敘美，《化工設計》，華東理工大學出版社[M] [5]《中華人民共和國行業(yè)標準固定管板式換熱器型式與參數JB/T4715-92

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