流量為100t-h U型管式換熱器的設(shè)計(jì)【過程裝備與控制工程類】【說明書+CAD】
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目： 流量為100t/h U型管式換熱器
專 業(yè)： 過程裝備與控制工程
班 級(jí)： 過控1201
學(xué)生姓名： 尉曉峰
指導(dǎo)教師： 湯方麗
論文提交日期： 2016 年 5 月 23 日
論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
過程裝備與控制工程 專業(yè)
過控1201 班
學(xué)生：尉曉峰
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：流量為 100t/h U型管式換熱器
畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)說明書一份；
繪制施工圖折合 A0#圖紙2張。
畢業(yè)設(shè)計(jì)專題部分： U型管式換熱器
起止時(shí)間：2016年3月1日—2016年5月23日
指導(dǎo)教師： 湯方麗 2016 年 3 月 1 日
摘要
本文介紹了U型管換熱器整體的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。U型管換熱器是將管子彎成U型，管子的兩端均固定在同一個(gè)管板上。出于殼體和管子的分開，管束可以進(jìn)行自由的伸縮，因此沒有熱應(yīng)力，熱的補(bǔ)償功能好；管程采用的是雙管程，流程比較較長(zhǎng)，流速比較高，傳熱性能較好，承壓的能力較強(qiáng)。管束可從殼體抽出，優(yōu)點(diǎn)是方便檢修和清潔，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)便宜。缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難，這就要求管內(nèi)通過的流體必須是清潔不易產(chǎn)生污垢的物料[1]。
它的主要特點(diǎn)是在單位體積內(nèi)傳熱的面積較大而且傳熱效果比較好。除此之外，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作的彈性也大，所以在高溫、高壓的情況下以及在大型裝備的應(yīng)用上更多的使用管殼式換熱器。而U型管式換熱器一般用在高溫高壓狀態(tài)下，尤其是高壓下，這就要求在彎管段要加強(qiáng)壁厚來彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄[1]。
這次設(shè)計(jì)的題目是“流量為100t/h U形管式換熱器”，U型管式換熱器是管殼式換熱器里的一種，它的結(jié)構(gòu)主要包括管板、殼體、管束管箱、封頭、換熱管、支座等零其他部件，重量相對(duì)比較輕。在這次的設(shè)計(jì)中由于設(shè)計(jì)的壓力和溫度都比較高，因此設(shè)計(jì)的要求比較高，在對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)中，主要對(duì)其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及對(duì)零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。換熱器的材料選用恰當(dāng)，主要結(jié)構(gòu)的尺寸也進(jìn)行了合理的選擇，這些均能夠滿足換熱器在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及水壓試驗(yàn)等校核方面的要求。本次U型管式換熱器設(shè)計(jì)的殼程介質(zhì)為油，管程介質(zhì)為水。流量為100t/h，殼程的工作溫度為190℃，管程的工作溫度為70℃，殼程的設(shè)計(jì)溫度為200℃，管程的設(shè)計(jì)溫度為90℃。在其結(jié)構(gòu)上安裝有八塊折流板，以增加流體的湍流速度。設(shè)計(jì)壓力為管程2.0MPa，殼程1.5MPa。依據(jù)給定的條件，查看GB150-2011《鋼制壓力容器》，GB151-1999《管殼式換熱器》以及換熱器手冊(cè)等標(biāo)準(zhǔn)，通過試算法獲得總傳熱系數(shù)，所得傳熱面積為193.3m2.考慮到介質(zhì)特性，采用φ25×2.5×6000的20#的無縫鋼管，本設(shè)計(jì)采用420根換熱管可以滿足換熱量。接管法蘭我選擇了板式平焊法蘭，并采用鞍式支座支撐。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我已經(jīng)完成了文獻(xiàn)綜述，設(shè)計(jì)說明書，一張總裝配圖和四張零件圖的繪制。
換熱器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等許多的領(lǐng)域運(yùn)用十分的廣泛，當(dāng)然在日常的生活中和現(xiàn)實(shí)中傳熱設(shè)備也隨處可以見到，這是不可能缺少的工藝設(shè)備和單元之一。隨著研究的不斷深入，工業(yè)應(yīng)用也取得了顯著的成效。并且在許多化工單元操作的場(chǎng)合也作為一種十分重要的附屬設(shè)備進(jìn)行使用，所以在化工生產(chǎn)中換熱器也占有著非常非常重要的地位。
關(guān)鍵詞： U型管換熱器； 結(jié)構(gòu)； 強(qiáng)度；設(shè)計(jì)計(jì)算
Abstract
This paper describes the U-tube heat exchanger overall structure and strength of the design calculations. U-tube heat exchanger tube is bent into a U-shape, both ends of the tubes are fixed in the same tube plate. Since the housing and separate tubes, tube bundle can freely stretch without heat stress, good compensation performance heat; tube uses a dual tube, process is relatively long, high velocity, good heat transfer performance, pressure the ability. Can be withdrawn from the housing tube bundle, the advantage of easy maintenance and cleaning, and low cost structure is simple. The disadvantage is difficult to clean the inner tube, which requires fluid through the inner tube material must be easy to produce clean dirt[2].
Its main feature is the heat transfer area per unit volume and greater heat transfer effect is better. In addition, its simple structure, flexible operation is also large, so in the case of high temperature, high pressure, and more use of shell and tube heat exchangers in the application of large-scale equipment. The U-tube heat exchanger is generally used at high temperature and pressure conditions, especially under high pressure, which requires strengthening the wall thickness of the elbow segment to make up after the bend wall thinning.
The design is entitled "Flow of 100t / h U-tube type heat exchangers", U-tube heat exchanger is a shell and tube heat exchanger in which one of its main structure comprises a tube plate, shell zero other parts bundle header, head, heat transfer tubes, bearings, etc., are relatively light weight. In this design because of the design pressure and temperature are high, so the design requirements, the design of the heat exchanger structure, strength and design of components selection and process design. The selection of appropriate heat exchanger material, the main dimensions of the structure were also a reasonable choice, are able to meet the heat exchanger in terms of checking the strength, stiffness, stability and hydrostatic test and other requirements. The U-tube heat exchanger design shell medium is oil, tube medium is water. Flow rate of 100t / h, the shell of the operating temperature of 190 ℃, tube operating temperature of 70 ℃, shell design temperature of 200 ℃, the tube design temperature is 90 ℃. In its structure mounted eight baffles to increase the velocity of the fluid turbulence. Tube design pressure of 2.0MPa, shell 1.5MPa. Based on the given conditions, consult GB150-2011 "steel pressure vessel", GB151-1999 "shell and tube heat exchanger," as well as heat exchangers manuals and other standards, to get the total heat transfer coefficient through the test algorithm, and the resulting heat transfer area 193.3m2. Taking into account the characteristics of the medium, the use of φ25 × 20 # seamless steel pipe of 2.5 × 6000, the design uses 420 calories of heat transfer tubes to meet the change. I chose to take over the flange plate welded flange, and the choice of saddle supports support. In this graduation design process I've done a literature review, design specifications, draw a general assembly drawings and four part drawing.
Heat in many areas of use in industry, agriculture and other very widely, of course, in everyday life and the reality of heat transfer equipment also can be seen everywhere, it is the lack of equipment and one unit can not process. With the deepening of research, industrial applications has also made remarkable achievements. And in many chemical unit operation occasions as a very important ancillary equipment may be used, so the heat exchanger in chemical production also occupies a very important position[3].
Keywords: U-tube heat exchanger; structure; strength; design calculati
目 錄
第一章?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)類型與發(fā)展 1
1.1 換熱器的概述 1
1.2 換熱器的分類 1
1.2.1 換熱器按傳熱方式分類 1
1.2.2 換熱器按用途分類 2
1.2.3 換熱器按其結(jié)構(gòu)分類 2
1.3 換熱器的結(jié)構(gòu)介紹 3
1.4 換熱器的主要組合部件 4
1.5 換熱器的設(shè)計(jì) 5
1.5.1 估算傳熱面積初選換熱器型號(hào) 5
1.5.2 計(jì)算管程和殼程壓強(qiáng)降 5
1.5.3 核算總傳熱系數(shù)和傳熱面積 5
1.6 換熱器的發(fā)展 5
第二章U型管換熱器傳熱工藝計(jì)算 7
2.1 原始數(shù)據(jù) 7
2.2 確定定性溫度及物性數(shù)據(jù) 7
2.2.1 管程冷水的定性溫度 7
2.2.2殼程煤油的定性溫度 7
2.3 煤油的傳熱量與冷水流量的計(jì)算 8
2.4 管程換熱系數(shù)的計(jì)算 9
2.5 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì) 9
2.6 殼程換熱系數(shù)計(jì)算 10
2.7 傳熱系數(shù)計(jì)算 11
2.8 管壁溫度計(jì)算 11
2.9 管程壓力降計(jì)算 11
2.10 殼程壓力降計(jì)算 13
第三章?lián)Q熱器強(qiáng)度計(jì)算與應(yīng)力校核 14
3.1 換熱管材料及規(guī)格選擇和根數(shù)的確定 14
3.2 管子的排列方式 14
3.3 筒體內(nèi)徑的確定 14
3.4 筒體厚壁的確定 15
3.5 筒體的液壓試驗(yàn) 16
3.6 殼程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算 16
3.7 管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算 17
3.8 容器法蘭的選擇 18
3.8.1 設(shè)備法蘭的選擇 18
3.8.2 接管法蘭的選擇 18
3.9 管板的設(shè)計(jì) 21
3.10 管相短節(jié)壁厚的計(jì)算 22
3.11 拉桿和定距管的確定 23
3.11.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式 23
3.11.2 拉桿的尺寸 24
3.11.3 定距管尺寸 24
3.12 折流板的選擇 25
3.12.1 選型 25
3.12.2 折流板尺寸 25
3.12.3 換熱管無支撐跨距或折流板間距 25
3.12.4 折流板厚度 25
3.12.5 折流板直徑 25
3.12.6 折流板管孔直徑 25
3.13 防沖板尺寸的確定 26
3.14 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 26
3.15 分程隔板厚度選取 29
3.16 支座的選擇及應(yīng)力校核 29
3.16.1 支座的選擇 29
3.16.2 鞍座的應(yīng)力校核 30
參考文獻(xiàn) 34
致謝 35
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 換熱器的結(jié)構(gòu)類型與發(fā)展
第一章 換熱器的結(jié)構(gòu)類型與發(fā)展
使熱能從熱流體傳送到冷流體的設(shè)備簡(jiǎn)稱為換熱設(shè)備。它是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、能源、制藥、機(jī)械及其他的許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備之一。
1.1 換熱器的概述
換熱器肩負(fù)著將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中熱能交換和熱能傳遞的必備機(jī)械設(shè)備。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等等，應(yīng)用更為廣泛。換熱器種類也很多，根據(jù)冷流體、熱流體熱能交換的工作原理和方式上基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在這三類換熱器中，間壁式換熱器的應(yīng)用最為廣泛。
在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是將熱能由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體的溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，來滿足工藝過程上的需要。除此之外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱，特別是低品位熱量的有效裝置。
1.2 換熱器的分類
換熱器出于用途、工作條件和物料的特性的差別，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備，換熱器作為傳熱設(shè)備被廣泛用于耗能用量大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類愈來愈多。適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下：
1.2.1 換熱器按傳熱方式分類[4]
⑴ 間壁式換熱器
間壁式換熱器它是由溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式的換熱器有管殼式、套管式和其他型式換熱器。
⑵ 蓄熱式換熱器
蓄熱式換熱器它是由固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體與熱流體、冷流體交替接觸，把熱能從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式的換熱器還有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等等。
⑶ 流體連接間接式換熱器
流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱能，在低溫流體換熱器把熱能釋放給低溫流體。
⑷ 直接接觸式換熱器
直接接觸式換熱器它是利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱的換熱器，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。
1.2.2 換熱器按用途分類
⑴ 加熱器
加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但是加熱流體沒有發(fā)生相的變化。
⑵ 預(yù)熱器
預(yù)熱器是優(yōu)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)化的工藝參數(shù)。
⑶ 過熱器
過熱器是用于把流體(工藝氣或蒸汽)加熱到過熱狀態(tài)。
⑷ 蒸發(fā)器
蒸發(fā)器是用于加熱流體，高于沸點(diǎn)以上溫度，使其流體發(fā)生蒸發(fā)，一般有相的變化。
1.2.3 換熱器按其結(jié)構(gòu)分類
浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U 形管式換熱器、板式換熱器等。
1.3 換熱器的結(jié)構(gòu)介紹[4]
U型管式換熱器主要是管箱、殼體以及管束等這些主要零部件部件組成，結(jié)構(gòu)如圖所示，在結(jié)構(gòu)上，U型管式換熱器比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)比其它換熱器便宜，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗，但是管程不易清洗，所以只適用于清潔而不易結(jié)垢的流體。
U型管式換熱器，用在高溫高壓的情況下，因此在彎管段的壁厚要加厚，來彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄增加強(qiáng)度。
殼程內(nèi)可按實(shí)際要求安裝折流板、縱向隔板等，折流板由拉桿固定，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果?？v向隔板是一矩形平板，安裝在平行于傳熱管方向（縱向隔板按工藝要求決定）來增加殼側(cè)介質(zhì)流速。
下圖1.1為U型管換熱器整體外形，圖1.2為剖面圖
圖1.1 U型管換熱器整體外形圖
圖1.2 U型管換熱器剖面圖
1.4 換熱器的主要組合部件
換熱器的主要組合部分有前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)。詳細(xì)分類見下表1-1[5]。
表1-1 換熱器組合分類
1.5 換熱器的設(shè)計(jì)
在進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)工作時(shí)，經(jīng)過了多年的實(shí)際工作中總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套實(shí)用的設(shè)計(jì)步驟：
1.5.1 估算傳熱面積初選換熱器型號(hào)
⑴根據(jù)傳熱的要求，計(jì)算傳熱量；
⑵確定流體在換熱器兩端的溫度，計(jì)算定性溫度并確定流體物性；
⑶計(jì)算傳熱溫度差，根據(jù)溫差校正系數(shù)Δt≥0.8的原則，決定殼程數(shù)；
⑷選擇兩流體流動(dòng)通道，根據(jù)兩流體溫差，選擇換熱器型式；
⑸依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范圍，初選總傳熱系數(shù)K值；
⑹由總傳熱速率方程計(jì)算傳熱面積，由S確定換熱器具體型號(hào)(若為設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定換熱器基本尺寸)。
1.5.2 計(jì)算管程和殼程壓強(qiáng)降
依據(jù)選定型號(hào)的換熱器，分別計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降，看其是否合乎工藝要求。若不合乎要求時(shí)，再調(diào)整管程數(shù)或折流擋板間距，或著重新選擇其它型號(hào)換熱器，并計(jì)算壓強(qiáng)降，直到滿足要求為止。
1.5.3 核算總傳熱系數(shù)和傳熱面積
按照對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，計(jì)算管內(nèi)、外對(duì)流傳熱系數(shù)，選定污垢熱阻，核算總傳熱系數(shù)值。根據(jù)該計(jì)算K值校核實(shí)際需傳熱面積，若選用換熱器提供的傳熱面積比所需傳熱面積大10～20%時(shí)，所選換熱器合適。否則需另選K值，重復(fù)以上方法，直到切合實(shí)際為止。
1.6 換熱器的發(fā)展
近些年與換熱器相關(guān)的技術(shù)不斷的發(fā)展，主要有防腐技術(shù)的應(yīng)用，大型化與微小化并重，強(qiáng)化技術(shù)、抗震技術(shù)、防結(jié)垢技術(shù)和先進(jìn)的制造技術(shù)。
換熱器采取的有效防腐蝕措施如下：
⑴ 防腐涂層
在換熱器與腐蝕介質(zhì)接觸表面，覆蓋一層耐腐蝕的涂料保護(hù)層，涂層要有較好的耐蝕性、防滲性和較好的附著力和柔韌性。對(duì)水冷系統(tǒng)，管內(nèi)清洗干凈后進(jìn)行預(yù)膜處理。
⑵ 金屬保護(hù)層
常用方法有襯里、復(fù)合板(管)、金屬噴涂、金屬堆焊等。
⑶ 電化學(xué)保護(hù)
由于陰極保護(hù)因費(fèi)用太高，一般不用。陽(yáng)極保護(hù)是接以外用電源的陽(yáng)極保護(hù)換熱器，金屬表面生成鈍化膜而得到保護(hù)。
⑷ 防應(yīng)力腐蝕措施[6]
① 脹接結(jié)構(gòu)，其脹管率越大，殘余應(yīng)力越大，那么在腐蝕介質(zhì)中它的電極電位越高，腐蝕傾向越大。在同樣的腐蝕介質(zhì)中，與焊接結(jié)構(gòu)相對(duì)比，脹接結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)脹接時(shí)脹管率較大時(shí)，更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，因此在保證脹接強(qiáng)度及密封性的條件下，脹接壓力不宜過高來控制脹接后殘余應(yīng)力的大小，因此減小產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性。必要時(shí)可改變換熱管與管板的連接形式，如果用強(qiáng)度焊加輕微貼脹的結(jié)構(gòu)代替原先的脹接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既可減小結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，又能防止只焊接而產(chǎn)生縫隙腐蝕的可能，通過改變換熱管與管板的連接形式來減小結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，這種方法對(duì)預(yù)防換熱器的應(yīng)力腐蝕破裂是有效、可行的；
② 脹管深度應(yīng)達(dá)管板底部，以消除全部縫隙；
③ 在強(qiáng)應(yīng)力腐蝕介質(zhì)下的換熱器，應(yīng)對(duì)管板進(jìn)行消除應(yīng)力處理；
④ 消除氯離子的濃縮條件，如采用內(nèi)孔焊接，消除管頭縫隙；
隨著工業(yè)中經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)中環(huán)境保護(hù)的要求，制造水平的提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效，經(jīng)濟(jì)，環(huán)保的方向發(fā)展。目前，世界各國(guó)在換熱器的理論研究、新技術(shù)和新產(chǎn)品的開發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)入了高層次的探索階段，涉及的領(lǐng)域很廣。換熱器的新技術(shù)得到了實(shí)用化，并進(jìn)一步擴(kuò)大器適用的范圍，具有高效、低耗、性能優(yōu)越的換熱器將推廣使用，我們應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)外的先進(jìn)換熱器技術(shù)，努力趕上國(guó)外的先進(jìn)水平。
41
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 U型管換熱器傳熱工藝計(jì)算
第二章 U型管換熱器傳熱工藝計(jì)算
2.1 原始數(shù)據(jù)
管程冷水的進(jìn)口溫度:
管程冷水的出口溫度:
管程冷水的工作壓力:
殼程熱油的進(jìn)口溫度：
殼程熱油的出口溫度：
殼程熱油的工作壓力:
殼程熱油的流量:
2.2 確定定性溫度及物性數(shù)據(jù)
定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值
2.2.1 管程冷水的定性溫度
（2-1）
根據(jù)定性溫度可查取管程冷水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)[7]。
冷水在47.5℃下的物性數(shù)據(jù)如下：
密度
定壓比熱容
導(dǎo)熱系數(shù)
粘度
普朗特準(zhǔn)數(shù)
2.2.2 殼程煤油的定性溫度
（2-2）
根據(jù)定性溫度可查取殼程煤油的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。
煤油在140℃下的物性數(shù)據(jù)如下：
密度
定壓比熱容
導(dǎo)熱系數(shù)
粘度
普朗特準(zhǔn)數(shù)
2.3 煤油的傳熱量與冷水流量的計(jì)算
取定換熱效率為
則設(shè)計(jì)的煤油傳熱量：
（2-3）
=100000×2.58×（190－90）×0.98×1000/3600
=7023333W
則管程冷水流量為：
（2-4）
（2-5）
參數(shù)P：
（2-6）
參數(shù)R：
（2-7）
查看《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖1-3-6(a)，將換熱器按單殼程、雙管程設(shè)計(jì)，可知:
溫差校正系數(shù)：
有效平均溫差:
2.4 管程換熱系數(shù)的計(jì)算
選K值，估算傳熱面積。參照《化工原理》表4-8[8]，
初選傳熱系數(shù)
則初選傳熱面積為： （2-8）
選用Ф25×2.5×6000的無縫鋼管做換熱管
則: 管子外徑
管子內(nèi)徑
管子長(zhǎng)度
則需要換熱管根數(shù):==根 （2-9）
可取換熱管根數(shù)為420根
管程流通面積: （2-10）
管程流速: （2-11）
管程雷諾數(shù): = （2-12）
因?yàn)樗患訜幔?
則管程傳熱系數(shù):
2.5 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)
查參照材料GB151-1999《管殼式換熱器》，可知管間距不宜小于1.25倍的換熱管外徑，查表12可知
換熱管管間距:
管束中心排的管數(shù)為:根，取24根
則殼的體內(nèi)徑為:（2-13）
圓整后:
則長(zhǎng)徑比:，在4-6之間，合理。
所以折流板選擇弓形折流板，那么:
折流板的弓高:
折流板的間距:
折流板的數(shù)量:塊 取16塊
2.6 殼程換熱系數(shù)計(jì)算
殼程流通面積: （2-14）
殼程流速: （2-15）
殼程質(zhì)量流速: （2-16）
殼程當(dāng)量直徑: （2-17）
殼程雷諾數(shù): （2-18）
根據(jù)，切去弓形面積所占的比例，可查得為0.145
通過《管殼式換熱器原理與設(shè)計(jì)》[9]圖2-12查得殼程傳熱因子：
管外壁溫度假定值為100℃，壁溫下煤油的粘度：
粘度修正系數(shù): （2-19）
殼程換熱系數(shù):（2-20）
2.7 傳熱系數(shù)計(jì)算
查GB151-1999《管殼式換熱器》第140頁(yè)可以得知
油側(cè)污垢熱阻為:
水側(cè)污垢熱阻:
由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻γ可以忽略不計(jì)，可得總傳熱系數(shù)為：
（2-21）
所以傳熱系數(shù)比值為: （合理）
2.8 管壁溫度計(jì)算
管外壁熱流密度計(jì)算:
（2-22）
管外壁溫度:
（2-23）
誤差校核:℃，誤差不大，合理。
2.9 管程壓力降計(jì)算
查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P76可知，管程壓力降可按照公式1-3-47計(jì)算：
（2-24）
式中：—流體流過直管因摩擦阻力引起的壓降,單位Pa;
—流體流過彎管因摩擦阻力引起的壓降，單位Pa；
—流體流過管箱進(jìn)出口的壓降，單位Pa；
—結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，；
—串聯(lián)的殼程數(shù)，；
—管程數(shù)，；
查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P76，可知公式
（2-25）
（2-26）
（2-27）
式中：—管內(nèi)流速，;
—管內(nèi)徑，;
—管長(zhǎng)，;
—摩擦系數(shù)
—管內(nèi)流體密度，
其中
即
，符合壓強(qiáng)條件。
2.10 殼程壓力降計(jì)算
查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P81可知，管程壓力降可按照公式1-3-75計(jì)算：
（2-28）
式中： —?dú)こ虊航的Σ烈蜃?
—?dú)んw內(nèi)流體的流速，單位;
—?dú)んw內(nèi)徑，單位;
—管子長(zhǎng)度，單位；
—管外流體定性溫度下的密度，單位；
—管外流體定性溫度下的粘度，單位;
—管外流體壁溫下的粘度，單位;
—折流板間距，單位;
—?dú)こ坍?dāng)量直徑，單位;
管外流體壁溫89℃下粘度
由，可查圖1—3—24得殼程壓強(qiáng)摩擦因子
則殼程壓強(qiáng)
，符合壓強(qiáng)計(jì)算。
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 換熱器強(qiáng)度計(jì)算與應(yīng)力校核
第三章 換熱器強(qiáng)度計(jì)算與應(yīng)力校核
3.1 換熱管材料及規(guī)格選擇和根數(shù)的確定
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式
數(shù)值
1
換熱管材料
20#
2
換熱管的外徑
GB151-1999《管殼式換熱器》
25
3
換熱管管長(zhǎng)
GB151-1999《管殼式換熱器》
6000
4
傳熱面積
193.3
5
換熱管根數(shù)
個(gè)
420
6
拉桿直徑
GB151---1999《管殼式換熱器》表43
16
7
拉桿數(shù)量
根
GB151---1999《管殼式換熱器》表44
6
3.2 管子的排列方式
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式
數(shù)值
1
正三角形
GB151-1999圖11
2
換熱管中心距
GB151-1999表12
32
3
隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距
GB151-1999表12
100
3.3 筒體內(nèi)徑的確定
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式
數(shù)值
1
換熱管中心距
GB151-1999表12
32
2
換熱管根數(shù)
根
420
3
分程隔板厚
10
4
到殼體內(nèi)壁最短距離
且不小于8
8
5
管束中心排管根數(shù)
根
24
6
筒體內(nèi)徑
836
7
布管限定圓直徑
820
8
實(shí)取筒體公稱直徑
JB/T4737-1995
1000
3.4 筒體厚壁的確定
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式
數(shù)值
1
殼程工作壓力
設(shè)計(jì)任務(wù)書
1.5
2
筒體材料
GB150-1998《鋼制壓力容器》[10]
20R
3
設(shè)計(jì)溫度下筒體材料的許用應(yīng)力
GB150-1998《鋼制壓力容器》
123
4
焊接接頭系數(shù)
《過程裝備設(shè)計(jì)》
0.85
5
殼程設(shè)計(jì)壓力
1.65
6
筒體計(jì)算厚度
7.95
7
設(shè)計(jì)厚度
9.95
8
名義厚度
GB151-1999項(xiàng)目5.3.2
12
9
負(fù)偏差
《過程裝備設(shè)計(jì)》
0
10
腐蝕裕量
《過程裝備設(shè)計(jì)》
2
11
有效厚度
10
12
設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力
83.325
13
校核
合格
14
設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大許用工作壓力
2.07
3.5 筒體的液壓試驗(yàn)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
根據(jù)來源及計(jì)算公式
數(shù)值
1
實(shí)驗(yàn)壓力
2.23
2
圓筒薄膜應(yīng)力
112.62
3
校核
合格
3.6 殼程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
封頭內(nèi)徑
1000
2
設(shè)計(jì)壓力
1.65
3
封頭材料
GB150-1998《鋼制壓力容器》
16MnR
4
設(shè)計(jì)溫度下許用壓力
GB150-1998《鋼制壓力容器》
170
5
焊接接頭系數(shù)
《過程裝備設(shè)計(jì)》
0.85
6
標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計(jì)算厚度
5.73
7
設(shè)計(jì)厚度
7.73
8
名義厚度
GB151-1999《管殼式
換熱器》
12
9
有效厚度
10
10
設(shè)計(jì)厚度下封頭的計(jì)算應(yīng)力
83.325
11
校核
合格
12
設(shè)計(jì)溫度下封頭的最大許用工作壓力
2.88
13
合格
根據(jù)JB/T4737-95得：公稱直徑為
曲面高度為
直邊高度為
3.7 管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
設(shè)計(jì)壓力
2.20
2
材料
GB150-2011《鋼制壓力容器》
16MnR
3
設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力
GB150-2011《鋼制壓力容器》[11]
170
4
焊接接頭系數(shù)
《過程裝備設(shè)計(jì)》
0.85
5
封頭計(jì)算厚度
7.64
6
設(shè)計(jì)厚度
9.64
7
名義厚度
GB151-1999項(xiàng)目5.3.2
12
8
有效厚度
10
9
設(shè)計(jì)厚度下封頭的最大許用工作壓力
111.1
10
校核
合格
11
設(shè)計(jì)溫度下封頭的最大許用工作壓力
2.88
12
合格
根據(jù)JB/T4737-95得[12]：公稱直徑為
曲面高度為
直邊高度為
3.8 容器法蘭的選擇
3.8.1 設(shè)備法蘭的選擇
按其條件設(shè)計(jì)溫度140℃ 設(shè)計(jì)壓力2.0MPa由《壓力容器法蘭》選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，相關(guān)參數(shù)如下[13]：
符號(hào)
單位
數(shù)值
1195
1140
1098
1088
1085
68
155
42
21
18
20
32
15
30
螺栓規(guī)格
M27
螺栓數(shù)量
個(gè)
36
最小厚度
14
根據(jù)《壓力容器法蘭》選取相應(yīng)墊片：根據(jù)JB/T4704—2000選取非金屬軟墊片，其相應(yīng)尺寸為：,. 厚度.
3.8.2 接管法蘭的選擇
⑴、接管a、b選擇相同型號(hào)的法蘭，設(shè)水的流速，則
（3-1）
取，設(shè)計(jì)壓力為
由HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》選取板式平焊法蘭(PL)，公稱壓力為，相關(guān)數(shù)據(jù)如下[14]：
a、b進(jìn)出水口接管法蘭的選擇：
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
接管公稱直徑
HG/T20592-2009表8.2.1-5
250
2
接管外徑
HG/T20592-2009表8.2.1-5
273
3
法蘭外徑
HG/T20593-2009表8.2.1-5
425
4
螺栓中心圓直徑
HG/T20593-2009表8.2.1-5
370
5
螺栓孔直徑
HG/T20593-2009表8.2.1-5
30
6
螺栓孔數(shù)量
個(gè)
HG/T20593-2009表8.2.1-5
12
7
螺紋
HG/T20593-2009表8.2.1-5
M27
8
法蘭厚度
HG/T20593-2009表8.2.1-5
35
9
法蘭內(nèi)徑
HG/T20593-2009表8.2.1-5
276.5
10
坡口寬度
HG/T20593-2009表8.2.1-5
10
11
法蘭理論重量
HG/T20593-2009表D-5
20
12
法蘭密封面形式
HG/T20593-2009表3.2.1
RF
13
法蘭密封面尺寸
HG/T20593-2009表3.2.5-1
335
⑵、接管c , d 選擇相同型號(hào)的法蘭，設(shè)進(jìn)口流速為,則
（3-2）
取，設(shè)計(jì)壓力為
由HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》選擇板式平焊法蘭(PL)，公稱壓力為，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
接管公稱直徑
HG/T20592-2009表8.2.1-4
200
2
接管外徑
HG/T20592-2009表8.2.1-4
219.1
3
法蘭外徑
HG/T20593-2009表8.2.1-4
340
4
螺栓中心圓直徑
HG/T20593-2009表8.2.1-4
295
5
螺栓孔直徑
HG/T20593-2009表8.2.1-4
22
6
螺栓孔數(shù)量
個(gè)
HG/T20593-2009表8.2.1-4
12
7
螺紋
HG/T20593-2009表8.2.1-4
M20
8
法蘭厚度
HG/T20593-2009表8.2.1-4
26
9
法蘭內(nèi)徑
HG/T20593-2009表8.2.1-4
221.5
10
坡口寬度
HG/T20593-2009表8.2.1-4
8
11
法蘭理論重量
HG/T20593-2009表D-5
9.5
12
法蘭密封面形式
HG/T20593-2009表3.2.1
RF
13
法蘭密封面尺寸
HG/T20593-2009表3.2.5-1
268
3.9 管板的設(shè)計(jì)
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
沿隔板槽一側(cè)的排管數(shù)
個(gè)
24
2
換熱管中心距
GB151-1999《管殼式換熱器》
32
3
隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距
GB151-1999《管殼式換熱器》
44
4
布管區(qū)內(nèi)未能被管支撐的面積
12509.184
5
管板布管區(qū)面積
384958.46
6
管板布管區(qū)當(dāng)量直徑
700.28
7
墊片接觸外徑
JB/T4700-4707-2000
1087
8
墊片基本密封寬度
12.5
9
有效密封寬度
8.95
10
墊片壓緊力作用中心圓直徑
1069.1
11
半徑
534.55
12
布管區(qū)當(dāng)量直徑與直徑之比
0.655
13
系數(shù)
GB151-1999《管殼式換熱器》
0.2517
14
管板削弱系數(shù)
GB151-1999《管殼式換熱器》P41
0.4
15
材料
GB150-2011《鋼制壓力容器》
16MnR
16
殼程設(shè)計(jì)壓力
已知
1.5
17
管程設(shè)計(jì)壓力
已知
2.0
18
管板設(shè)計(jì)壓力
中大者
2.0
19
管板設(shè)計(jì)厚度
75.43
20
設(shè)計(jì)溫度下管板材料的許用應(yīng)力
GB150-2011《鋼制壓力容器》
170
21
管程腐蝕余量
《過程裝備設(shè)計(jì)》
2
22
殼程腐蝕余量
《過程裝備設(shè)計(jì)》
2
23
實(shí)取名義厚度
GB151-1999《管殼式換熱器》
100
24
換熱管金屬的橫截面積
176.7
25
換熱管軸向應(yīng)力
-4.17
3.56
-0.62
26
換熱管最大軸向應(yīng)力
已知
3.56
27
換熱管與管板脹接長(zhǎng)度或焊角高度
GB151-1999《管殼式換熱器》
5
28
換熱管與管板拉脫力
GB151-1999《管殼
式換熱器》
1.877
29
許用拉脫力
GB151-1999《管殼式換熱器》
90
30
校核
合格
3.10 管相短節(jié)壁厚的計(jì)算
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
設(shè)計(jì)壓力
2.2
2
選材
GB150-2011 《鋼制壓力容器》
16MnR
3
設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力
GB150-2011《鋼制壓力容器》
170
4
計(jì)算厚度
7.67
5
設(shè)計(jì)厚度
9.67
6
名義厚度
12
7
實(shí)取名義厚度
12
8
有效厚度
10
9
設(shè)計(jì)厚度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力
111.1
10
校核
，合理。
11
設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大許用工作壓力
2.86
3.11 拉桿和定距管的確定
3.11.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式
常用拉桿的形式有兩種，見圖3.1,
⑴拉桿定距管的結(jié)構(gòu)，適合換熱管外徑大于或等于的管束，>,
⑵拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于的管束，>d；
⑶當(dāng)管板較薄時(shí)，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。
本次設(shè)計(jì)采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。
圖3.1 拉桿形式圖
3.11.2 拉桿的尺寸
拉桿的長(zhǎng)度按實(shí)際需要確定，拉桿的連接尺寸按圖3.2
圖3.2 拉桿尺寸圖
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
拉桿直徑
GB151-1999《管殼式換熱器》表43
16
2
拉桿數(shù)量
GB151-1999《管殼式換熱器》表44
8
3
定距管規(guī)格
GB151-1999《管殼式換熱器》
25
4
拉桿在管板端螺紋長(zhǎng)度
GB151-1999《管殼式換熱器》表45
60
5
拉桿在折流板
端螺紋長(zhǎng)度
GB151-1999《管殼式換熱器》表45
20
6
拉桿上倒角高
GB151-1999《管殼式換熱器》表45
2
3.11.3 定距管尺寸
定距管的大小，一般與所在換熱器的換熱管規(guī)格一樣。對(duì)管程是不銹鋼，殼程是碳鋼或低合金鋼的換熱器，可選擇與不銹鋼換熱管外徑相同的碳鋼管做定距管。定距管的長(zhǎng)度，按實(shí)際需要決定。本次設(shè)計(jì)選用Ф25mm的碳鋼管做定距管。
3.12 折流板的選擇
3.12.1 選型
根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》圖37選取單弓行水平安置的折流板，且由于換熱介質(zhì)為液液共存，折流板缺口應(yīng)水平布置。
3.12.2 折流板尺寸
缺口弦高h(yuǎn) 值，一般取倍的圓筒內(nèi)直徑，取
（3-3）
3.12.3 換熱管無支撐跨距或折流板間距
當(dāng)換熱管的外徑為φ25×2.5 的鋼管時(shí)，根據(jù)GB151-1999表42可知，換熱管的最大無支撐跨距為，而且折流板最小間距一般情況下不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于,由傳熱計(jì)算可以得到.
3.12.4 折流板厚度
由GB151-1999表34，，,可查折流板最小的厚度為,實(shí)取折流板的厚度為
管孔直徑由GB151-1999表36查得為，允許偏差為
3.12.5 折流板直徑
折流板的名義外直徑根據(jù)GB151-1999表41查得為，允許偏差為
3.12.6 折流板管孔直徑
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
折流板的厚度
GB151-1999項(xiàng)目
5.9.2.2表34
16
2
折流板的直徑
GB151-1999表41
994
3
折流板直徑的允許偏差
GB151-1999表41
4
折流板的材料
Q235-B
5
折流板的缺口高度
GB151-1999
20
6
折流板的弦高
GB151-1999
250
根據(jù)GB151-1999表36,查得管孔直徑為25.4允許偏差
3.13 防沖板尺寸的確定
根據(jù)GB151-1999,管程設(shè)置防沖板.
防沖板最小厚度為：,故取.防沖板的材料為OCr18Ni9.
3.14 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算
⑴a、b孔DN=250mm
序號(hào)
項(xiàng)目
符號(hào)
單位
數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式
數(shù)值
1
接管壁厚
10
2
接管外徑
273
3
接管內(nèi)徑
253
4
開孔直徑
255
5
殼體開孔處的計(jì)算厚度
2.01
6
接管名義厚度
10
7
接管有效厚度
9
8
設(shè)計(jì)溫度下接管材料的許用應(yīng)力
GB150-1998
170
9
設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力
GB150-1998
123
10
強(qiáng)度削弱系數(shù)
1.38
11
圓筒開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積
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