1、 2014 届毕业设计说明书F170 填料函式废热锅炉机械设计院、 部： 机械工程学院 学生姓名： # 指导教师： # 职称 副教授 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： # 完成时间： 2014.5 I摘 要本课题研究的目的主要是针对给定的填料函式换热器设计要求，通过查阅资料、分析设计条件，根据一些基本计算来确定填料函式换热器的结构。通过分析填料函式换热器的设计条件，确定设计步骤。对填料函式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚计算和强度校核。对填料函式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。绘制符合设计要求的填料函式换热器的图纸，给出相关
2、的技术要求.在填料函式换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB150、GB151 等，使设计能够符合相关标准。同时要使设计的结构满足生产的需要，达到安全生产的要求。关键词：换热器；填料函式；设计；强度IIABSTRACTThe purpose of this research project is for a given fixed tube Stuffing box heat exchanger design requirements, through access to information, analysis and design conditions, based
3、on some basic calculations to determine the fixed tube Stuffing box heat exchanger structure.By analyzing the fixed tube sheet Stuffing box heat exchanger design conditions, determine the design steps. On the fixed tube Stuffing box heat exchanger cylinder, head, tube sheet and other components of t
4、he material selection, calculation and strength check of wall thickness. Fixed tube Stuffing box heat exchanger of the front tube box, back-end tube box, heat transfer tube and tube sheet structure of the design, Stuffing box heat exchanger check opening reinforcement. Drawing with the design requir
5、ements of the fixed tube sheet Stuffing box heat exchanger drawings, given the relevant technical requirementsFixed tube sheet Stuffing box heat exchanger in the structural design process, to refer to the relevant standards for the design, such as GB150, GB151, so that the design will satisfy the re
6、levant criteria. At the same time make the design of the structure to meet production needs, to safety requirements.Key words Stuffing box heat exchanger; fixed tube sheet; design; strengthIII目 录摘 要 I符号说明 11.绪论 21.1 概念及其意义 21.2 换热器的特点 21.3 换热器的种类 21.4 填料函式换热器 21.5 设计任务、要求 32.换热器结构设计 42.1 换热器的工艺条件 42
7、.2 初选设备尺寸 42.3 换热管与管板的连接 52.4 管板与壳体的连接 52.5 管板与管箱的连接 63. 换热器的材料选择及零部件结构设计 83.1 换热管 83.2 折流板 83.3 拉杆、定距管 103.4 防冲板 113.5 接管 113.6 管箱 123.7 管板结构尺寸 133.8 封头 153.9 法兰 163.10 换热器填料选取 164. 换热器的强度设计与校核 174.1 壳体、管箱的壁厚计算 174.2 管箱法兰的强度校核 184.3 换热器管板厚度计算 214.4 对管子与管板的连接拉脱力的校核计算 26IV4.5 壳体开孔补强的计算 274.6 换热器鞍座的设计
8、校核 284.7 压力试验 325. 换热器的制造、检验、安装、使用和维修 345.1 材料 345.2 焊接 345.3 换热器的清洗 345.4 换热器的维护于检修 345.5 管壳式换热器的防腐保护 355.6 换热器在使用中常见故障及处理 35结 论 36参考文献 37致 谢 381符号说明符 号 意 义 单 位 t 许用应力 MPat计算应力 MPaC 厚度附加量 mmC1 钢材厚度偏差 mmC2 腐蚀裕量 mmDi 圆筒内直径 mmPwt 最大允许工作压力 MPaPc 计算压力 MPaE 材料的弹性模量 Pa 焊缝系数 计算厚度 mm d 设计厚度 mmn 名义厚度 mm e 有效
9、厚度 mmm 垫片系数 mmye 比压力 MPa A 补强截面积 mm2B 补强有效宽度 mmF 压力 NK 椭圆形封头形状系数 M 力矩 N.mm21.绪论1.1 概念及其意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。1.2 换热器的特点（1）传热效率高 （2）使用安全可靠（3）占地小，易维护（4）随机应变（5）有利于低温热源的利用（6）阻力损失少（7）冷却水量小（8）在投资效率低1.3 换
10、热器的种类换热器可分为以下六类：板式换热器、管式换热器、螺旋板式换热器、空气换热器、容积式换热器、管板式换热器。1.4 填料函式换热器1.4.1 填料函式换热器概述填料函式换热器是一种耐高温高压，坚固可靠耐用；制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟的换热器1.4.2 填料函式换热器的特点由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。3由于填料处容易泄露，填料函式换热器一般适用于低压工作条件，且不适用于有毒、易爆、易
11、燃的介质，使用温度也受填料限制。故此现在已经很少采用了。1.5 设计任务、要求对 F170 填料函式废热锅炉的机械设计。需完成的主要内容如下：主体结构设计、材料选择及零部件结构设计、强度计算与校核、加工工艺、装配程序、安全防腐等、绘制装配图及零部件图。设计要求如下：首先需在互联网、图书馆、工厂广泛查阅相关科技资料、进行结构及材料选择论证时，要求资料详实，数据充分、进行强度校核时，要求计算准确，分析详细，公式的字母含义应标明、查阅到 10 篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于 12000 字的设计说明书；写出不少于 400 字的中文摘要；至少翻译一篇本专业外文文献（10000 个以上
12、印刷符号），并附译文、完成不少于 3 张零号图纸的结构设计图、装配图和零件图，其中应包含一张以上用计算机绘制的具有中等难度的 1 号图纸，同时至少有折合 1 号图幅以上的图纸用手工绘制，并要求图面整洁，视图齐全，布局合理，线条、文字及尺寸标注等均应符合有关标准规定。42.换热器结构设计根据任务书选取如下图所示结构：图 1 换热器总体结构2.1 换热器的工艺条件任务书给定工艺条件如下：管程介质： 烟道气 壳程介质：水管程设计压力：1.35Mpa 壳程设计压力：1.25Mpa管程设计温度：320 壳程设计温度：90 腐蚀余量：壳程 3mm、管程 2mm 换热面积：170m 2 工作压力：壳程 1M
13、Pa、管程 1.1MPa 2.2 初选设备尺寸2.2.1 选定结构管 子：d 0=0.025m换热管长：L=4.5m选取单壳程双管程的换热器， 52.2.2 计算传热管数量 TN选取管长 L=4.5m 的换热管，N T为：25 4815.02.170 LdApT符号意义：选定的管外径 ：换热面积。0dPL ：选定管长 ：管总根数 TN根据换热器设计手册表 1-2-7 取 =588T2.2.3 计算壳体大小 D选 t=1.25d0 （t 表示管心距） mt3125.1根据换热器设计手册表 1-6-16 t 距取 32 mm（n c 表示中心排管数）758.1. TcNn根据设计需要单壳程双管程结
14、构则;(D：壳程内径)dtDc 80725312320 取整得 DN800mm2.3 换热管与管板的连接按连接方式可以把其以下三种形式：（1） 强度胀接：是指为了达到结构的密封性及强度要求所进行的胀接。（2） 强度焊：为了达到设计所需的密封性及强度要求的焊接。（3） 胀焊并用：顾名思义就是强度胀加密封焊或者是强度焊加贴胀。以上三种方式主要区别在于管口是否开槽、管子的伸出长度及焊接部分。2.4 管板与壳体的连接管板与壳体的连接取决于换热器的形式。固定管板换热器其连接方式可采用焊接连接，至于填料函式、U 形管式和浮头式换热器都采用可拆连接。(1) 不可拆连接方式（如图 2）固定管板换热器管板直接焊
15、接在壳体上面，并做法兰用。因为其结构不易焊透，因此适用于设计压力不高的场合。焊接形式由角焊缝改为单面对焊，有利于提高焊缝的强度，但是此结构焊接时不容易调整。其使用压力为 14MPa。6(2) 可拆连接方式填料函式、U 形管式和浮头式换热器的有一块管板是刚性固定的，为了清洗管束的方便，所以将一块管板作成可拆式的。也就是管板夹于法兰和壳体之间。只要拆下管箱就可以把管板和管束从壳体中拿出来。图 2 兼作法兰的管板与壳体的连接结构本设计采用有垫板的结构。2.5 管板与管箱的连接管板与管箱德 连接方式多种多样，当外界的条件改变时（如：温度、压力、耐腐情况）其连接形式也随着改变。法兰的的形式也会跟着改变，
16、所以要慎重认真的选择它们的连接结构。本设计（填料函式换热器）它们连接形式相对简单，在保证密封的前提下可以按压力、温度来选择法兰。本设计选下图所示结构7图 3 管板与管箱的连接83. 换热器的材料选择及零部件结构设计3.1 换热管3.1.1 换热管的型式和尺寸换热管有的采用光管，有的采用波纹管，有的采用螺纹管，还有翅片管的。如果没有特殊要求并考虑到加工及价格方面，首选光管。本设计同样采用光管。在国内现今使用的列管式换热器中仅仅只有 252mm 及 192mm 两种可选的管子。在兼顾考虑了本设计的管程介质、介质流速及结垢的难易程度。选取252mm 尺寸的管子作为本设计的选型换热管。3.1.2 换热
17、管的材料 换热管的材料选取范围很广，主要有碳素钢、低合金钢、高合金钢、奥氏体不锈钢、铝管及其合金等；本设计选用 0Cr18Ni9。3.1.3 换热管排列形式及管心距图 4 管子的排列方式管子在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如上图。正三角形排列对壳程介质的流速有很大的加快作用并且排管也多。在壳程的清洗方面正方形排列有它独特的优势。而对于同心圆排列差不多只用于小直径换热器中本设计需要较高的传热系数采用正三角形排列。根据换热器设计手册表 1-2-14 选取管中心距 Sn=32mm。3.2 折流板折流、折流，也就是起到改变流体的流动方向的板子。它不但能改变流体的方向提高传热系数还
18、可以起到支承管子的作用。93.2.1 折流板的主要几何参数本设计选取单弓形折流板，折流板缺口高度可用占圆筒直径百分二十五来算。故缺口高度 。按经验我们布置的折流板间距最小尺寸大于或者mh2085.0等于圆筒直径的五分之一。在有特殊要求或者说明的情况下也可取较小的间距。折流板的最大间距尺寸应该保证换热器在无支撑长度的尺寸小于或者等于换热器设计手册表 1-6-34 中的规定，而且不能大于换热器的壳体直径。由上可以取折流板间距为 750mm计算本设计所需的折流板数量： NB= 1= 1=5折 流 板 间 距换 热 管 长 75043.2.2 折流板与壳体间隙从理论上来说我们希望折流板与壳体的间隙越小
19、越好，这样不但可以减少壳程流体介质在间隙处泄漏量，还间接的提高了传热效率。但是考虑到实际的加工精度以及安装的难易程度我们一般留 6mm 的间隙。对折流板外直径计算：-mDN79463.2.3 折流板厚度根据换热器设计手册可知公称直径和换热管无支承跨距 L 对折流板厚度起到主要的影响，所以根据表可以选取 8mm。3.2.4 折流板的管孔从工艺方面考虑。最外排的管孔距折流板外边缘的距离一般不小于 5mm。(1)折流板(支持板)应平整，平面度公差为 3mm。(2)相邻两孔中心距离极限偏差为0.3mm，允许有4%相邻两孔中心距极限偏为0.5mm，任意两管孔中心距极限偏差为1mm。(3)钻孔后应除去管孔用边的毛刺。注:本条适用于管子外径38mm。当管子外径为 57mm 时上述的公差数值相应改为 0.50、0.70、1.20mm。3.2.5 材料的选取10根据任务书中本换热器的壳程设计压力 P1.25MPa 和壳程设计温度 90,以及GB150-1998 选 Q235-B 钢板作为折流板的材料。Q235B 有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。3.3 拉杆、定距管3.3.1
