釜式再沸器设计项目说明指导书.doc

浙江大学 毕业设计题目：釜式换热器设计 学 院： 系 别： 专 业： 过程装备与控制工程学 号： 目 录 1概述32设计计算52.1重要技术参数拟定52.2釜式换热器构造设计52.2.1总体构造设计52.2.2换热器管程设计72.2.3 换热器壳程设计82.3 元件强度设计 92.3.1 筒体 92.3.2 开孔补强设计计算 113原则零部件选用及重要零部件设计 153.1 法兰选用153.1.1容器法兰选用.15 3.1.2管法兰选用 163.2 封头173.3 管板183.4 堰板194鞍座设计194.1 鞍座选用194.2鞍座位置设立194.2.1鞍座位置有关原则规定194.2.2设备总长拟定204.2.3 A值拟定204.3力计算204.3.1重量产生反力204.3.2地震产生力214.3.3风载产生力244.3.4热膨胀产生力264.4总合力计算274.5应力校核294.5.1轴向应力304.5.2切向应力314.5.3周向应力314.6结论325三维实体造型设计325.1 软件简介325.2 重要零部件造型设计325.2.1 管箱封头设计325.2.2 鞍座设计345.2.3 螺母设计355.3 装配体设计355.4 工程图生成38设计总结41注释43参照文献44谢辞45附件46 1 概 述换热器是一种实现物料之间热量传递节能设备,是在化工、石油、石油化工、冶金等领域普遍应用一种工艺设备，在炼油、化工装置中换热器占总设备数量40%左右，占总投资30%45%。近年来随着节能技术发展，应用领域不断扩大，运用换热器进行高温和低温热能回收带来了明显经济效益。当前在换热设备中，使用量最大是管壳式换热器。在近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少传热面积，减少压降，提高装置热强度等方面研究获得了明显成绩。换热器大量使用有效提高了能源运用率，使公司成本减少，效益提高。管壳式换热器虽然在换热效率、设备体积和金属材料耗量等方面不如其她新型换热设备，但她又构造结实、操作弹性大、可靠限度高、合用范畴广等长处，因此在各种工程中得到普遍使用。而本次毕业设计题目就是有相变传热釜式换热器，它也是管壳式换热器一种，广泛应用于石油及化工领域，又称釜式再沸器。换热器作为节能设备之一，在国名经济中起到非常重要作用。换热器构造决定了换热器性能，一种性能能否发挥其作用取决用设计着如何选取合理构造，任何一种场合均有适应于这个特点换热构造。要是传热效率提高、能耗下降、就必要理解换热器机构特点，在这次设计中构造设计也就作为重点之一。设计题目在毕业实习之前就已拟定，任务涵盖了两某些内容，一是设备设计某些；二是在设备设计基本上进行三维实体辅助造型设计。设备设计涉及总体构造设计和各个构成构造设计以及强度设计，重要零部件设计和选型以及校核。三维实体辅助造型设计是运用软件SolidWorks来完毕，涉及各个零部件造型设计、装配体设计和工程图生成。工作任务是比较繁重，在实习过程中，见到最多是固定管板式换热器，却未见到釜式设备，对于釜式换热器局部构造始终无法想象，关于釜式换热器简介资料在图书馆资料库里，找到不多。在通过多次考虑和导师探讨，才对它总体构造拟定了下来，然而解决后新问题又摆在面前，在过去学习中，并未对SolidWorks做进一步学习和应用，当要系统完毕一种完全有自己设计设备建模时遇到了太多问题，每个功能应用和实现过程有时需要摸索诸多次，并且往往会在建模时会发现设计合理性出问题，对前面设计计算进行重复修改，直到最后完毕工程图生成，才完毕了设备所有设计，可以说，每一步都紧密联系在一起，互相制约着。但同步也让我体会到设计者和制造者之间矛盾和联系，设计者有时是无法注意到制造问题，而SolidWorks可以让设计者先对自己设计做一种检查。通过本次设计使我对所学专业知识有了更深刻地结识，并从中学到了诸多课本上无法得到东西，通过自身努力和学习，通过导师细心指引，使我不但在知识水平上和解决实际问题能力上有了很大提高，并且深刻体会到要把所学知识理论变成可实际应用设备时，所面对种种难题，结识到提高运用知识，解决实际问题能力重要性，由于时间仓促和经验局限性，难免存在诸多问题，敬请各位教师指引！2 设计计算2.1重要工艺参数拟定 壳 程 管 程 介 质 水、水蒸气 再气愤 设计压力 0.4 3.2 设计温度 210 340 换热面积 260接管规格：再气愤进口DN300； 再气愤出口 DN300水 进 口 DN300； 水出口 DN300蒸汽出口 DN4002.2釜式换热器构造设计2.2.1总体构造设计 选取了比较带蒸发空间老式构造形式，由管箱、小端壳体，斜锥壳体，大端壳体、管板、法兰、换热管等零部件构成。如图21所示 图212.2.2换热器管程设计1) 换热管a) 换热管形式 换热管形式有光管、各种翅片管、螺纹管、异形管等。光管是作为管壳式换热器老式形式，当前应用非常普遍，便宜，易于制造、安装、检修、清洗以便。随着节约材料，节约能源强化传热技术研究发展，光管不断受到冲击，但是根据本设计技术参数和考虑制导致本，依然选用光管。b) 管径 采用原则管径换热管。小管径可使单位体积传热面积增大，构造紧凑，金属耗量减少，传热系数提高。将同直径换热器换热管有改为使换热面积可增长40%左右，节约金属20%以上，但小管径流体阻力大，不便清洗，易结垢，堵塞。普通大直径管子用于粘性大或污浊流体，而再气愤成分未定，选用2.5无缝钢管。c) 管长 管子过长清洗安装均不以便。普通取6如下，对于卧式设备，管长与壳径之比应在6-10范畴内，本设计采用原则管长6。d) 管材 选用20号钢。e) 管束拟定 估算单根换热管面积A A 单根换热管面积d 无缝钢管直径 无缝钢管壁厚 所需换热管数n=F 规定工艺换热面积，F=2602.5换热管拉杆至少需要6根，故所需换热管管数至多608根。2) 管板管板是管壳式换热器最重要零部件之一，用来排布换热管、将管程与壳程流体分开，避免冷热流体混合，并同步受管程压力、壳程压力和温度作用。a) 管板材料 在选取管板材料时除考虑力学性能外还应考虑管程和壳程流体腐蚀性，以及管板和换热管之间电位差对腐蚀影响，由于此设计中再气愤重要成分为二氧化碳，选用普通压力容器用钢16MnR。b) 列管形式排布 考虑到管外是水易清洗，采用正六边形排列。换热管中心距要保证管子与管板连接时，相邻两管间净空距离有足够强度和宽度，普通不不大于1.2倍换热管外径，因而换热管中心距选原则S=32。管板上排列管子根数六角形14层，实际可排721根，对角线上管数N=29，不计弓形某些可排管子总数为631根。c) 管板与壳体和管箱连接 管板与壳体连接形式分为两类：一种是可拆式，一种是不可拆式。对于釜式换热器特殊构造形式，考虑维修以便，以及再气愤腐蚀性并不大，气密性规定不高，管板不做法兰设计中采用如图31所示连接形式： 图21加快式连接d) 换热管与管板连接形式 换热管与换热管连接在管壳式换热器设计中是一种比较重要构造某些，它不但给加工工作量大，并且必要使每个连接处在设备运营中，保证无泄漏及能承受介质压力。从制造工况以及经济等方面考虑，我选用了强度焊。3） 管箱 管箱作用是把从管道输送来流体均匀地分布到各换热管内，和把管内流体汇集在一起送出换热器，在多管程换热器中，管箱还起到变化介质流向作用，由于我采用釜式换热器特殊构造形式，我选用封头管箱，并用两程，隔板尺及构造见图33。但是由于采用了2程分程，隔板槽两侧管心距至少取44。 图23 分程隔板2.2.3 换热器壳程设计 课程内重要由壳体、折流板、支撑板、拉杆、定距管、滑板等构造构成。1） 壳体构造见设计图纸。2） 折流板 折流板作用是为了提高壳程流体流速，迫使流体按规定途径多次横向流过管束，增长湍动限度，以提高管间对流传热效率。而对于釜式换热器，折流板即起着流作用又起支撑作用。由于弓形折流板中，流体只通过圆缺某些而垂直流过管束，流动中死区较少，因此较为优越，构造也简朴。弓形折流板圆缺率为25%左右。折流板缺口应尽量接近管排，此采用上下方向排列，可导致流体激烈扰动，以增大传热系数。弓形折流板间距普通不应不大于壳体内径20%,且不小50，并相邻两块折流板间距不得不不大于壳体内径。由于换热管总长为6000，去折流板间距为750，可以计算需要7块折流板。折流板安装固定期通过拉杆和定距管来实现，每一根拉杆最后一块折流板是与拉杆焊接。其缺口弦高取0.3倍圆筒内径，h=300。对于卧式换热器，为在停车时排进课程内残留也和在换热过程中随着有气相产生，则在折流板顶和底部需设立缺口，其角度为，高度为1520，共排除换热器内残留也和气体用。折流板厚度是依照换热器直径和换热管无支撑跨距来实现，表35查得折流板最小厚度为10。它名义外径为DN6=。 3） 拉杆 拉杆惯用形式有两种：一种为拉杆和折流板焊接形式，普通用于换热管外径不大于或等于14管束;另一种为拉杆定居管构造形式，用于换热管外径不不大于或等于18管束。拉杆应尽量均匀布置在管束外边沿，对于大直径换热器，再不论区内或接近折流板缺口处应布置恰当数量拉杆，拉杆直径选用。4） 滑板 用来支撑折流板，并在安装时起到导轨和滑轨作用，便于安装和拆卸，并在设备工作时防止由于介质冲击引起震动和浮动，它长度定为5000，有两根构成。材料选用。2.3 元件强度设计换热器是由客体、管箱、封头、官板、法兰、换热管等受力元件构成，各元件都需要进行强度设计计算，以保证在运营时安全可靠。由于官板受力状况复杂，影响管板强度因素诸多，有管内外压力，温度生产应力，法兰力矩和换热管支撑力等影响，故对的地进行管板分析计算是比较复杂，在此由于时间关系，不予校核设计。2.3.1 壳体1) 小端壳体直径计算 予以管板相连接壳体，因而其厚度应依照壳体内径应等于或不不大于管板布管最大圆直径，因此从管板直径计算可以拟定壳体内径。 D 壳体计算内径，； S 管心距，； b 最外层六角形对角线上管数，b=29； e 六角形最外层管中心到壳体内壁距离，普通取。 但依照圆筒内径原则系列，只能取。2) 大端壳体直径拟定 釜式换热器是需要在壳体上部设立恰当蒸发空间，同步兼有蒸汽室作用。页面最低位置应比价热管最上部表面高约50，且大端直径和小段直径之比为1.52倍，锥形过渡段为。因而去大端直径为2倍于小端直径，即为=。则由此可以得到斜锥长度为。3) 壳体壁厚 依照工艺条件可知，本设计釜式换热器属于中低压容器，选用压力容器惯用钢16MnR，壳体计算厚度 计算厚度，； 计算压力，取设计压力0.4； 圆筒内径，； 需用应力，由于200 时=170，250时=156，用试差法计算在210是=176.4； 焊缝系数，=0.85。 =2.816MnR负偏差为=0，取腐蚀余量=2，因而钢板名义厚度可取。但作为大端直径为圆筒最小厚度为=14，小端直径为1000圆筒最小厚度为=10。为制造以便和考虑经济成本小端和大端直径以及斜锥壳都取=14。进行水压实验校核：即 00.9 F 规定工艺换热面积 D 壳体计算内径，； S 管心距，； b 最外层六角形对角线上管数，b=29； e 六角形最外层管中心到壳体内壁距离，普通取 计算厚度，； 计算压力，取设计压力0.4； 圆筒内径，； 需用应力，由 有效厚度，； 屈服应力，=340； =19.81=0.01962 =0.51962 =50.22 0.9=0.90.85340=260.1 1.0时，就取=1.0。=136.4，=92，故取=1.0。 A=32511.79 +211.7912（11）=3831.75b) 有效补强范畴i. 有效宽度B取两者中最大值B=2d B=d+2式中 B补强有效宽度，； 壳体开孔处名义厚度，；接管名义厚度，；B=2325=650B=325+214+214=381 故 B=650。ii. 有效厚度外侧有效高度去式中较小值 接管实际外伸高度=300故 =67。内侧有效高度取式中较小值 =接管实际内伸高度=0故 =0。iii. 有效补强面积壳体多余金属面积 =（650-325）（12-11.79）-0 =68.25接管多余面积接管计算厚度 =267.45（12-5.38）10+0 =893.0补强区焊缝面积焊脚取6.0 =26.06.0=36则 iv. 所需另行补强面积 故需另行补强，采用补强圈补强。c) 补强圈设计补强圈外径D应不不不大于有效宽度B=650。取外径D=550，公称直径DN300，内径d=329补强圈。 补强圈厚度 = =2834.5（550-329） =12.8考虑钢板厚度麸皮偏差并经圆整，实取补强圈厚度为14，其质量为16.8。2) 水蒸气出口（DN400） 容许不另补强最大接管外径为，故本开孔需要另行考虑其补强。a) 开孔所需补强面AA= =0.82A=4022.8+22.812（1-0.82）=1125.6+22.176=1147.776b) 有效补强范畴有效宽度B取两者较大值 B=2d=2402=804B= 外侧有效高度取两者较小值 接管实际外伸高度150故 =751。内侧有效高度=0。c) 有效补强面积壳侧多余金属面积 =（804-402）（12-2.8）-2（14-2）（12-2.8）（1-0.67） =3625.5接管多于金属面积接管计算厚度 = =275（12-0.69）0.67+0 =1136.66 由于 ，故计算至此，已经可以得出蒸汽出口开空不再需要另行补强。3) 水进出口开孔补强设计（DN300）由前面水蒸汽开孔补强计算计算得出，由于水进出口公称直径不大于水蒸汽出口公称直径，由此，也不需要另行补强。3 原则零部件选用及重要零部件设计3.1 法兰选用法兰原则分为压力容器法兰原则和管法兰原则，其尺寸和密封面形式拟定是由法兰公称直径和公称压力来拟定。3.1.1 容器法兰选用由于长颈对焊凸凹密封面法兰，安装时易于对中，还能有效防治垫片挤出压紧面，并且利于密封，合用于压力容器。小段管箱与管板及筒体连接选用如图31所示法兰连接。材料选用16。 图31 容器法兰DN =1000,D =1215,=1110，=1097,=100， H =175， h =42， =28,=32， R =15， d =33， 对接筒体最小厚度=14，螺栓选用48个30250，法兰质量为=334.2对于浮动端管板与封头连接选用了带法兰球冠型封头，因而其尺寸暂不与设计，它属于非原则件。3.1.2 管法兰选用 管法兰设计采用1997年由原化学工业部颁发钢质管法兰、垫片、紧固件原则来选用。依照压力不同，选用了不同法兰形式，详细数据见表31。如图32和图33所示，材料选用20号钢。表31原则形式公称直 径钢管外径法兰外径法兰厚度螺孔直径颈直边高度带颈对焊3003255152845018板式平焊300325440243950板式平焊400426540284950 图32管法兰 图33 管法兰3.2 封头 对于封头在前面计算时我已对此作了较粗略阐明，依照在小端和大端都选用了原则椭圆封头。在这里给出具数据，以供下面设计计算作参照。见表32。材料选用16MnR。 表32公称直径直边高度曲面高度容积/壁厚质量/1000402500.16214136405001.17314511 对于浮动端得封头选用了带法兰球冠封头，这样既可以节约材料，也可以减少能量耗损，它体积小，法兰厚度又薄，在我翻阅大量资料当中可以看到，选用带法兰球冠封头是比较成熟，但计算过程比较复杂，这里不再阐述，如图34所示，材料选用45号钢。 图34 带法兰球冠封头 其中 =997， = 950， =910， 螺孔直径为 26，共用32个螺栓来连接。3.3 管板 管板是管壳式换热器最重要零部件之一。用来排布换热管、将管程与壳程流体分开，避免冷热流体混合，并同步受管程压力、壳程压力和温度作用。管板设计与否合理对保证换热器安全运营、节约材料，减少制导致本是至关重要。但是由于计算复杂，直接选用了和借鉴了关于资料中给出原则中给出尺寸。考虑到制造和维修以便，对固定端管板与浮动端管板分别作了如下设计尺寸，见35和36。 图35 固定管板 图36 浮动端管板3.4 堰板 堰板设立在液体出口前，为保证加热管完全浸泡在沸腾水中，因而取其直径为，弦高为1000，厚度为10，材料用。4 鞍座设计4.1 鞍座选用鞍式支座分为轻型（代号A）和重型（代号B）两种，同样公称直径轻型鞍座比重型鞍座承载能力小，自身重量轻，依照GB/T471292,选用了轻型（A型）DN（1000），包角带垫板鞍式支座。材料选用（鞍座专用钢材），垫板材料与筒体材料相似。对于同一型号鞍式支座又有固定鞍座（F型）和滑动鞍座（S型）两种。但普通都是成对选用，即选一种F型和一种S型，以适应温度变化引起伸缩，以减少温差应力。4.2 鞍座位置设立4.2.1 鞍座位置有关原则规定 对于双支座上受均布载荷简支梁，若梁全长为L，则当外伸端长度A=0.207L时，双支座跨距中间截面最大弯矩和制作截面处弯矩和支座截面处弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座处圆筒截面处除弯矩以外其她载荷，并且支座截面处应力比较复杂，故常取支座处圆筒弯矩略不大于跨中间圆筒弯矩，普通取尺寸A不超过0.2L值，为此中华人民共和国现行原则JB钢制卧式容器规定去A0.2L，A值最大不超过0.25L。否则由于容器外伸端作用将使支座截面处应力过大。其中A为封头切线至支座中心线之距离，L为封头切线之距离，此外，由于封头抗弯刚度具备局部加强作用。若支座接近封头，则可充分运用罐体封头对支座处圆筒截面加强作用。因而JB4731还规定了当满足A0.5（为圆筒平均半径，为圆筒名义厚度，为了分析以便，设计中用圆筒内半径代替）.4.2.2 设备总长拟定一方面考虑换热管长为=60000，而大端封头长度为=540，水出口直径为325，并考虑到设立堰板恰当距离，取从浮动端管板到封头距离=650，管箱封头总长考虑到再生器进出口开孔布强圈直径，以及容器法兰厚度取=740，与此取设备总长+=6000+540+650+740+=8720.4.2.3 A值拟定釜式换热器手里重要集中在管板与换热管一侧，封头管箱内只有气体，其对壳体作用力在计算时为以便暂时可以不计，故可以近似以为鞍座是受均布载荷作用，根据4.2.1阐明，取A=1200。4.3 力计算4.3.1 重量产生反力1) 设备自身质量 =3767.08 其他附件质量就取为5%，即设备总质量为 =（1+0.05）13767.08 =144552) 物料质量 由于物料自身占到了设备截面弦高1000 处，别的空间均被气体布满，故只要估算水质量就可以了。 =110273) 设备重量设备操作时总质量 m =14455+11027 =25482 =254829.81 =249978.42N4) 支座支反力 F= = =124989.21N 4.3.2 地震产生力1) 地震引起固定端鞍座横向推力 G 换热器总质量， 地震系数，。 =124989.21N2) 地震引起滑动鞍座横向推力 3) 地震引起固定鞍座反力 H 鞍座地班子换热管中心线距离， 两鞍座间距离，。 =36761.54) 地震引起滑动鞍座反力 =36761.5N5) 地震引起固定鞍座测向推力 重量引起固定鞍座反力，N； =62494.6N6) 地震引起滑动鞍座测向推力 重量引起滑动鞍座反力，N； =62494.6N7) 地震引起固定鞍座处弯矩 重量引起固定鞍座处壳体轴向弯矩，N = =N8) 地震引起滑动鞍座处弯矩 质量引起滑动鞍座处壳体轴向弯矩，N， 9) 地震引起两鞍座间弯矩 重量引起在两支座中间最大轴向弯矩，N = =N10) 地震引起固定鞍座处测向弯矩 = =N11) 地震引起滑动鞍座处测向弯矩 = =N4.3.3风载产生力1) 横向有效风载荷 筒体有效宽度，=2028； 筒体有效高度，=2250； 本地有效风压，=500。 =2265.75N2) 侧向有效风载荷 设备有效长度，=8500 =7481.25N3) 风载引起固定鞍座出反力 固定鞍座处横向风载力，= =559.76N4) 风载引起滑动鞍座处反力 滑动鞍座处横向风载力，= =599.76N5) 风载引起固定鞍座处侧向推力 6) 风载引起滑动鞍座处侧向推力 B 滑动d鞍座至有效长度间距 ，近似取B=A 7) 风载引起固定鞍座处侧向弯矩 8) 风载引起滑动鞍座处侧向弯矩 4.3.4 热膨胀产生力1) 热膨胀引起固定鞍座处横向推力 基本和活动鞍座底板之间摩擦系