换热器课程设计计算书.doc

1、 化工设备设计基础课程设计计算说明书学生姓名： 学 号： 所在学院： 专 业： 设计题目： 指导教师： 2012 年 月 日1目 录一.设计任务书2二.设计参数与结构简图4三.设备的总体及结构设计5四.强度计算9五.设计小结15六.参考文献152一、设计任务书1、设计题目设计题目：(题号 3)尾气冷却器（F=19m 2）设计 2、设计任务设计参数：管程 壳程介 质 尾气 冷冻盐水工作压力 MPa 0.1 0.43设计压力 MPa 0.1 0.45工作温度 60 10设计温度 70 20换热面积 m2 19题号 换 热 面 积（）管 板 厚 度(mm)规 格 壳体内径换热管长度(mm)换热管尺寸

2、3 19 33 Dg6002000 25x2接 管 表物料进口 物料出口 排液口 排气口管程 壳程 管程 壳程Dg 50 Dg 25 Dg 40 Dg 25 Dg 40 Dg 202.1 设备的总体设计1、按照设备条件设计要求，确定设备型式(卧式、立式)；2、根据换热面积、换热管长度和直径，确定换热管数目；3、 根据设备直径和换热管直径，确定拉杆数目和直径；34、 根据管板直径，确定折流板的形状和尺寸；根据换热管直径，确定折流板间距；5、 根据介质特性，确定筒体、管箱、法兰、管板、换热管等材料。2.2 设备的机械强度设计计算1、筒体的强度计算；2、封头的强度计算；3、开孔补强计算；按等面积补强

3、法进行计算。补强圈或加强管补强也尽可能采用标准件。4、法兰的选型或设计；根据公称直径、公称压力确定标准设备法兰，同样根据公称直径、公称压力选用管道法兰标准（HG） ，确定法兰尺寸。5.水压试验应力校核。2.3 换热器装配图绘制（1）完成换热设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。 （2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。3、参考资料：1 董大勤.化工设备机械基础M. 北京：化学工业出版社，2003. 2 全国化工设备技术中心站.化工设备图样技术要求2000 版S 3 GB150.1150.4-2011.钢制压力容器S4 郑晓梅.化工工程制图 化工制图

4、M北京：化学工业出版社，2002.5 GB151-1999 管壳式换热器S4、文献查阅要求设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。5、设计成果1、提交设计说明书一份。2、提交换热器装配图一张(A1)。4（例题） 二. 设计参数与结构简图1、设计参数本课程设计的设计参数管程 壳程介质 尾气 冷冻盐水工作压力 MPa 0.1 0.43设计压力 MPa 0.1 0.45工作温度 60 10设计温度 70 20换热面积 m2 192、结构简图 （手画）图 1 换热器结构简图5三. 设备的总体设计及结构设计1、换热器的总体设计根据换热器设计条件要求，考虑压差、温差等因素，由于温

5、差不高（50） ，确定换热器设备的型式为固定管板式，程数为单程。（1）根据换热面积、换热管长度和直径，确定换热管数目 。换热面积 ，0FndL式中： -换热管外径；0L-换热管长度（扣除伸入管板内长度） ，对 U 形管，不包括弯管段面积；n-换热管数目 0FndL取 n 为 根（2） 根据设备直径和换热管直径，确定拉杆数目和直径。拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关，根据 GB151 表 拉杆直径 （mm）换热管外径 10 14 19 25 32 38 45 57拉杆直杆 10 12 12 16 16 16 16 16表 拉杆数量公称直径DNmm拉杆直径 mm400 40070070090090

6、0130013001500150018001800200010 4 6 10 12 16 18 2412 4 4 8 10 12 14 1816 4 4 6 6 8 10 12本设计换热器换热管：25x2选取拉杆数量为：4选取拉杆直径为：16 mm（3）根据管板直径，确定折流板的形状和尺寸；根据换热管直径，确定折流板间距。选取折流板为弓形结构。6取缺口方向（卧式换热器）水平上下布置：根据折流板的最小厚度换 热 管 无 支 撑 跨 距300 300600 600900 9001200 12001500 1500公称直径 DN折 流 板 最 小 厚 度400 3 4 5 8 10 10400700

7、 4 5 6 10 10 12700900 5 6 8 10 12 169001500 6 8 10 12 16 1615002000 10 12 16 20 20取折流板管厚度尺寸为 5mm;间距为 400mm。（4）根据介质特性（介质的腐蚀性、设计压力、设计温度） ，确定筒体、管箱、法兰、管板、换热管等材料。由于介质尾气有腐蚀性选取壳程筒体、管板、壳程接管材料 0Cr18Ni9；换热管、管程接管材料为 20；管箱壳体、设备法兰为 20R；、鞍座：Q235-B/0Cr18Ni9。（壳体、接管材料的许用应力按照化工设备机械基础表 8-7 查并列表）（5）设备法兰的型式及尺寸选用，管法兰等零部件

8、选型。a.工艺接管物料进口 物料出口管程 壳程 管程 壳程排液口 排气口Dg 50 Dg 25 Dg 40 Dg 25 Dg 40 Dg 20b.压力容器法兰和接管法兰压力容器法兰的选取按照化工设备机械基础选 JB/T47004707-2000标准。 （按照化工设备机械基础 （p263）写出选取过程）容器法兰选取结果如下表：设备法兰 MFM 600-0.25 JB/T4703-2000 材料 20R管法兰选取结果汇总：管程进料管法兰 HG20594 法兰 SO 50-0.6 RF 材料 20II 7管程出料管法兰 HG20594 法兰 SO 40-0.6 RF 材料 20II壳程进料管法兰 H

9、G20594 法兰 SO 25-0.6 RF 材料 0Cr18Ni9II壳程出料管法兰 HG20594 法兰 SO 25-0.6 RF 材料 0Cr18Ni9II排液口管法兰 HG20594 法兰 SO 40-0.6 RF 材料 0Cr18Ni9II排气口管法兰 HG20594 法兰 SO 25-0.6 RF 材料 20II接管 a ：管程进料口，公称压力 PN=0.6MPa,材质为 20,在工作温度为 70时，接管尺寸 (化工设备机械基础表 6-5)，公称直径 DN 为C0573.80mm，连接面为突面连接。查阅“HG20594 法兰（化工设备机械基础表10-23）”法兰连接尺寸表得接管法兰

10、的相关参数，DN=50mm，D=140mm, D1=110mm, n=4， M12 法兰厚度 16 mm，法兰质量 1.73Kg（D - 法兰外径 mm ；n - 螺栓孔个数；D 1 - 法兰螺栓孔中心圆直径 mm；M12- 螺纹直径 mm)接管 b：管程出料口，公称压力 PN=0.6MPa,材质为 20,在工作温度为 70 时，C0接管尺寸 (化工设备机械基础表 6-5)，公称直径 DN 为 40mm，连接453.面为突面连接。查阅“HG20594 法兰（化工设备机械基础表 10-23）”法兰连接尺寸表得接管法兰的相关参数，DN=40mm，D=130mm, D 1=100mm, n=4， M

11、12 法兰厚度 16 mm，法兰质量 1.55Kg（D - 法兰外径 mm ；n - 螺栓孔个数；D1 - 法兰螺栓孔中心圆直径 mm；M12- 螺纹直径 mm)接管 c.d：壳程进出料口，公称压力 PN=0.6MPa,材质为 0Cr18Ni9,在工作温度为 10 时，接管尺寸 (化工设备机械基础 表 6-5)，公称直径 DNC032.5为 25mm，连接面为突面连接。查阅“HG20594 法兰（化工设备机械基础表10-23）”法兰连接尺寸表得接管法兰的相关参数，DN=25mm，D=100mm, D1=75mm, n=4， M10 法兰厚度 14mm，法兰质量 0.81Kg（D - 法兰外径

12、mm ；n - 螺栓孔个数；D 1 - 法兰螺栓孔中心圆直径 mm；M10- 螺纹直径 mm)接管 e.f：- 8c.法兰密封垫片的选取法兰密封垫片的选取参照化工设备机械基础表 10-30（6） 鞍座选取鞍座的选取根据参照化工设备机械基础确定鞍座各尺寸。（7）焊接接头形式和和焊接材料的选取焊接接头形式的选取参照化工设备机械基础第十四章第二节（p367-377） ，标准为 HG20583-2011，A、B 类焊接接头按照 HG20583-2011 中DU4，D 类焊接接头按照 HG20583-2011 中 G2，带补强圈 D 类焊接接头按照JB/T4736-2002 中 C，焊接材料的选取参照第

13、十四章化工设备机械基础第四节（p379-382） ，标准 GB/T5117-95、GB/T5118-95 GB/T983-95焊接接头的检验化工设备机械基础第十四章第三节(p378)（8）压力容器类别的划分压力容器类别的划分按压力容器安全技术监察规程 ，本设计换热器为低压换热设备，介质中毒危害介质，故划分为一类压力容器。9四、强度计算1、换热器壳程筒体壁厚计算圆筒体壁厚计算按照 GB150-1998钢制压力容器 式 5-1计算壁厚： （4-1）2citpD式中 ：筒体的理论计算壁厚，mmpc：筒体的计算压力，MPaDi：筒体内径，mm：钢板在设计温度下的许用应力，MPat：焊接接头系数；名义厚

14、度： ； （4-2）nC；12；en式中 ：名义厚度；nC1：腐蚀裕量；C2：钢板负偏差；：圆整量；：有效厚度；e查表化工设备机械基础表 8-7 0Cr18Ni9 的许用应力 =137MPatpc：取筒体的设计压力，0.45 MPa焊缝为双面焊，局部射线检测， =0.85代入数据到式（4-1）得： = = mm2citpD0.45621378.C1 =0 mm10C2 =0 mm代入数据到式（4-2）得：名义厚度： = mmnC按换热器最小厚度 min 要求 取 = 6 mm2、换热器管程筒体壁厚计算管程圆筒体壁厚计算按照 GB150-1998钢制压力容器 式 5-1计算壁厚： （4-1）2c

15、itpD式中 ：筒体的理论计算壁厚，mmpc：筒体的计算压力，MPaDi：筒体内径，mm：钢板在设计温度下的许用应力，MPat：焊接接头系数；名义厚度： ； （4-2）nC；12；en式中 ：名义厚度；nC1：腐蚀裕量；C2：钢板负偏差；：圆整量；：有效厚度；e换热器管箱筒体材料取 20R，管程设计压力 0.1MPa查表化工设备机械基础表 8-6 20R 的许用应力 =133MPatpc：取管程的设计压力，0.1MPa焊缝为双面焊，局部射线检测， =0.85代入数据到式（4-1）得： = = mm2citpD0.162385.C1 =0 mm11C2 =0 mm代入数据到式（4-2）得：名义厚

16、度： = mmnC按换热器最小厚度 min 要求 取 = 6 mm3、换热器管程封头的强度计算（封头的设计参照第八章第二节 p175-185） 。封头壁厚计算按照 GB150-1998钢制压力容器 式 7-1计算壁厚： （4-3）20.5citcpD式中 ：封头的理论计算壁厚，mmpc：封头的计算压力，MPaDi：封头内径，mm：钢板在设计温度下的许用应力，MPat：焊接接头系数；名义厚度： ； nC；12；en式中 ：名义厚度；nC1：腐蚀裕量；C2：钢板负偏差；：圆整量；：有效厚度；e换热器管箱封头材料取 20R，管程设计压力 0.1MPa查表化工设备机械基础表 8-6 20R 的许用应力

17、 =133MPatpc：取封头的设计压力，0.1MPa焊缝为双面焊，100%射线检测，取 =112代入数据到式（4-3）得： 20.5citcpD= = mm163.C1 =1 mmC2 =0 mm代入数据到式（4-2）得：名义厚度： = 2 mmnC按标准椭圆封头最小厚度 min 0.15%D i 要求 取 = 6 mmn查化工设备机械基础(p196)选标准椭圆形封头 JB/T4746-2002 封头直边高度 h0 取 25mm封头高度 h 取 150 mm3)开孔补强计算开孔补强结构选用 JB/T4736-2002 补强圈结构，补强圈尺寸按照 化工设备机械基础p327（列出所选尺寸） ，焊

18、接坡口尺寸选化工设备机械基础第十四章第二节 p375 C 型。开孔补强计算采用等面积补强法，其公式参照第十二章第一节（p326-p335） 。例：a 开孔补强计算：公称压力 0.6MPa，公称直径 50 mm，标准号为 HG20594-95 接管57 3.5(p302) 材料：20a. 开孔所需补强面积 ；A=d +2 et(1- ) （4-4）rf式中 ：强度削弱系数rfd ：开孔直径 mm：塔体的计算壁厚 mmet：接管的有效厚度 mmd=di+2Ct=(57-7)+2(1+0)=52 mmet= nt- Ct=3.5-1=2.5 mm筒体材料：20R =137MPa t13接管材料：20

19、 t=137 MPat= =1trf137代入式（4-4） A= +2 et(1- )drf=52 0.69= mm2b. 有效补强范围内的补强面积：有效补强范围有效宽度： B=2d=2 52=104 mm外伸高度：h 1= = = mmntd523.内伸高度：h 2= 0 mm壳体多余截面积A1=(B-d)( - )-2 et( - )(1- ) （4-5）eerf代入式（4-5） A1= mm2接管多余截面积A2=2h1( et- t) +2h2( et-C2) （4-6）rfrf接管计算厚度 t= = = mmcitpd0.15237.式中 di：接管内直径 mm di=57-7=50

20、mm代入式（4-6） A2=2h 1( et- t) +2h2( et-C2) rfrf= mm2焊缝金属截面积A3=6 6=36 mm2A1+A2+A3A 满足不另行补强条件，所以不需补强。其它开孔直径比人孔直径要小，故不需再进行开孔计算（如计算结果需要补强，还需对其他接管进行补强计算）147) 水压试验应力校核水压试验压力 PT（3-7） 1.25Tt式中 P：设计压力水压试验压力下的应力校核： （3-8）2TieD0.9S式中 ： 焊接接头系数 ： 筒体有效厚度e： 筒体材料的屈服极限 S： 水压试验压力TP： 圆筒水压试验压力下的应力 ：常温下材料的许用应力：设计温度下材料的许用应力

21、tDi： 圆筒内直径代入数据到式（3-7）壳程水压试验压力 =1.250.45= MPa1.25TtP管程水压试验压力 =1.250.1= MPa.Ttt代入数据到式（3-8）进行水压试验压力下的应力校核壳程 = 2TiePD0.9S管程 = Ttiet.St满足水压试验压力下的应力校核条件。15五. 设计小结（约 300 字）六. 参考文献1 董大勤.化工设备机械基础M. 北京：化学工业出版社，2003. 2 全国化工设备技术中心站.化工设备图样技术要求2000 版S 3 GB150.1150.4-2011.钢制压力容器S4 郑晓梅.化工工程制图 化工制图M北京：化学工业出版社，2002.5 GB151-1999 管壳式换热器S6蔡纪宁等化工设备机械设计基础课程设计指导书2000.