課程設(shè)計(jì)化工機(jī)械管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 化工與材料學(xué)院09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要課程設(shè)計(jì)理論是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的一次很好的機(jī)會，本次實(shí)驗(yàn)就管殼式換熱器進(jìn)行一次課程設(shè)計(jì)，掌握并了解在工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能、高效、環(huán)保等概念。 換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差

2、、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器課程設(shè)計(jì) 管殼式換熱器使用范圍 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Structure design of shell-and-tube heat exchangerAbstractStudent in course design theory is a good opportunity of integra

3、ting theory with practice,this experim ent on the course design of shell-and-tube heat exchanger, industrial production, mastering and understanding concepts such as energy conservation, effciency, environmental protection. Heat exchanger in oil refining, petrochemical, and widely used in other indu

4、stries, it is suitable for cooling, heating, evaporation and condensation, heat recovery, and various other aspects.Among them, shell-and-tube heat exchanger in the heat transfer efficiency, size of equipment and metal consumption than other new type of heat-exchange equipment, but it has a strong s

5、tructure, flexibility, high reliability, widely used and so on, so the project is still being widely used.Structure design of shell-and-tube heat exchanger, is to ensure that the heat exchanger and the quality of life, you must consider many factors, such as material, pressure, temperature and wall

6、temperature difference, scaling, fluid properties, as well as maintenance and cleaning, and so on to choose an appropriate structure.With a form of heat exchangers, for a variety of conditions, often used structures are not the same.In engineering design, apart from used as far as possible the train

7、ing series, often designed according to their specific conditions, to meet the needs of technology (supported by most reasonable under suitable conditions the most effective and most economic manufacture of heat exchangers, and so on).Key words：Course design of shell-and-tube heat exchanger Shell-an

8、d-tube heat exchanger use Structure design of shell-and-tube heat exchanger 42 化工與材料學(xué)院09級本科生化工機(jī)械設(shè)備課程設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 ABSTRACT1前言11.1概述11.1.1換熱器的類型11.1.2換熱器11.2設(shè)計(jì)的目的與意義21.3管殼式換熱器的發(fā)展史21.4管殼式換熱器的國內(nèi)外概況31.5殼層強(qiáng)化傳熱31.6管層強(qiáng)化傳熱31.7提高管殼式換熱器傳熱能力的措施41.8設(shè)計(jì)思路、方法51.8.1換熱器管形的設(shè)計(jì)51.8.2換熱器管徑的設(shè)計(jì)51.8.3換熱管排列方式的設(shè)計(jì)51.8.4 管、殼程分程設(shè)計(jì)5

9、1.8.5折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5 1.8.6管、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計(jì)6 1.9 選材方法6 1.9.1 管殼式換熱器的選型6 1.9.2 流徑的選擇8 1.9.3流速的選擇9 1.9.4材質(zhì)的選擇9 1.9.5 管程結(jié)構(gòu)9 2殼體直徑的確定與殼體壁厚的計(jì)算11 2.1 管徑11 2.2管子數(shù)n11 2.3 管子排列方式，管間距的確定11 2.4換熱器殼體直徑的確定11 2.5換熱器殼體壁厚計(jì)算及校核11 3換熱器封頭的選擇及校核14 4容器法蘭的選擇15 5管板16 5.1管板結(jié)構(gòu)尺寸16 5.2管板與殼體的連接16 5.3管板厚度16 6管子拉脫力的計(jì)算18 7計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)20 8折流板設(shè)計(jì)

10、22 9開孔補(bǔ)強(qiáng)25 10支座27 10.1群座的設(shè)計(jì)27 10.2基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)29 10.3地角圈的設(shè)計(jì)30 符號說明32 參考文獻(xiàn)34 謝辭35 1 前言1.1概述1.1.1換熱器的類型 管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的

11、折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍流程度大為增加。 列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。1.1.2換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合

12、式、蓄熱式、間壁式。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，從熱

13、流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟

14、，選材范圍廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。1.2設(shè)計(jì)的目的與意義 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。 在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會存在兩種以上的流體

15、參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。 換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。 對同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定

16、型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。1.3管殼式換熱器的發(fā)展史為了滿足電廠對在較高壓力下運(yùn)行的大型換熱器（如冷凝器和供水加熱器）的需要，在20世紀(jì)初，提出了殼管式換熱器的基本設(shè)計(jì)。經(jīng)過長期的運(yùn)用，使設(shè)計(jì)變得相當(dāng)成熟和專業(yè)化。 當(dāng)今已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上的殼管式換熱器，在20世紀(jì)初也開始適應(yīng)石油工業(yè)提出的要求。油加熱器和冷卻器、再沸器以及各種原油餾分和有關(guān)的有機(jī)流體的冷凝器這些設(shè)備需要在惡劣的野外條件下運(yùn)行，流體常常不干凈而且又要求高溫和高壓，因此，設(shè)備便于清洗和進(jìn)行現(xiàn)場修理是絕對需要的。殼管式換熱器發(fā)展的早

17、期階段，出現(xiàn)的最大量的嚴(yán)重問題，不是在傳熱方面（這可以由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)粗略的估算），而是各種部件，特別是管板材料的強(qiáng)度計(jì)算問題，還有在制造技術(shù)和工程實(shí)施中的許多有關(guān)的其他問題，如管和管板的連接，法蘭和接頭管的焊接等。 在20世紀(jì)20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當(dāng)圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個(gè)主要制造商努力的結(jié)果。制造設(shè)備的傳熱面積可達(dá)500m2,即直徑約750mm、長6m，用于急劇增長的石油工業(yè)。在30年代，殼管式換熱器的設(shè)計(jì)者，根據(jù)直接經(jīng)驗(yàn)和在理想管束上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計(jì)原則。水-水和水-氣換熱器的設(shè)計(jì)，大概與現(xiàn)今的設(shè)計(jì)差不多。因?yàn)槲酃笩嶙杵鸷艽蟮淖饔茫瑲?cè)流動的粘性流是一個(gè)困難

18、的問題，而且，60年代以前的他們的了解很少。隨著殼管式換熱器的應(yīng)用穩(wěn)步增長，以及對在各種流程條件下性能預(yù)計(jì)的精度要求越來越高，這造就40年代直至50年代研究活動的激增。研究內(nèi)容不僅包括殼側(cè)流動，而且相當(dāng)重要的還有真實(shí)平均溫差的計(jì)算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強(qiáng)度計(jì)算。多年來發(fā)展起來的殼管式換熱器，由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固并能適應(yīng)很大的設(shè)計(jì)和使用條件的變化，已成為最廣泛使用的換熱器。1.4管殼式換熱器的國內(nèi)外概況 隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴(yán)重, 必然帶來更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用, 有時(shí)甚至是決定性的

19、作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá)96% ,換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35%40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢,約70%。其余30 %為各類高效緊湊式換新型熱管和蓄熱器等設(shè)備,其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。隨著工業(yè)裝置的大型化和高效率化, 換熱器也趨于大型化,并向低溫差設(shè)計(jì)和低壓力損失設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。當(dāng)今換熱器的發(fā)展以CFD (Computational Fluid Dynamics) 、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系1。 該換熱器是當(dāng)前應(yīng)用最廣,理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)完善,運(yùn)用可靠性良好的一類換熱器。目前各國為改

20、善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究。強(qiáng)化傳熱主要有3 種途徑提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差,研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程傳熱面方面。1.5殼層強(qiáng)化傳熱 傳統(tǒng)的管殼式換熱器, 流體在殼側(cè)流動存在著轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼側(cè)的給熱系數(shù)。殼側(cè)的傳熱強(qiáng)化研究包括管型與管間支撐物的研究。1.6管層強(qiáng)化傳熱 人們想盡各種辦法實(shí)施強(qiáng)化傳熱, 歸結(jié)起來不外乎2 條途徑, 即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。改變傳熱面形狀的方法有多種, 用于強(qiáng)化管程傳熱的有: 橫紋管、螺旋槽管、螺紋管(低翅管)和縮放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生產(chǎn)) 。我國

21、螺紋管的標(biāo)準(zhǔn)翅化率為1.32.9(3),美、英、日、德等國均有商品化低翅管。德國Hde公司的螺旋槽管，管內(nèi)傳熱效率明顯優(yōu)于光管,在2300 Re 105 范圍內(nèi), 提高傳熱效率2.311.1倍, 當(dāng)200 Re 100 時(shí), 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流, 因此,對于流量小或粘度大的介質(zhì)優(yōu)先考慮作為殼程換熱介質(zhì); 由于管程清洗相對于殼程清洗要容易, 因此對于易結(jié)垢、有沉淀及雜物的介質(zhì)宜走管程; 從經(jīng)濟(jì)性考慮, 對于高溫、高壓或腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì), 作為管程換熱介質(zhì)更加合理; 對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器, 若冷、熱介質(zhì)溫差大, 因壁面溫度與換熱系數(shù)大的介質(zhì)溫度接近, 為減小管束與殼體的膨脹差, 換熱系數(shù)大的介質(zhì)走殼程

22、更加合理, 而冷、熱介質(zhì)溫差小, 兩介質(zhì)換熱系數(shù)相差大, 換熱系數(shù)大的介質(zhì)走管程更加合理。3、 采用強(qiáng)化管殼式換熱器傳熱的結(jié)構(gòu)措施 在換熱器設(shè)計(jì)中, 通常采用強(qiáng)化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。強(qiáng)化傳熱的常用措施有: 采用高效能傳熱面、靜電場強(qiáng)化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。1.8 設(shè)計(jì)思路、方法1.8.1換熱器管形的設(shè)計(jì) 管子外形有光管、螺紋管。相同條件下, 采用螺紋管管束比光管管束能增加換熱面積2 倍左右。同時(shí), 由于螺紋管的螺紋結(jié)構(gòu)能有效破壞流體邊界層, 有效提高了換熱器的傳熱能力。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時(shí), 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落, 具有良好的自潔作用, 能夠有效防

23、止管束外壁的結(jié)垢, 減小換熱器殼程熱阻, 提高換熱器的傳熱能力。1.8.2 換熱器管徑的設(shè)計(jì) 由于小直徑換熱管具有單位體積傳熱面積大, 換熱器結(jié)構(gòu)緊湊, 金屬耗量少, 傳熱系數(shù)高的特點(diǎn), 在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 對于管程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢的介質(zhì), 采用小管徑管束能有效增加換熱面積。相同條件下, 采用19mm 管束比采用25mm 管束能提高傳熱面積30%40% , 節(jié)約金屬20% 以上。1.8.3換熱管排列方式的設(shè)計(jì) 管子的排列方式有等邊三角形、正方形和同心圓排列等, 對于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢或可用化學(xué)方法清洗污垢的介質(zhì), 采用三角形排列可使換熱器的外徑減小15% ; 對于需要機(jī)械清洗的管束, 管子排

24、列應(yīng)采用正方形; 對于小于300mm 的換熱器, 為使管束排列緊湊, 可采用同心圓排列。1.8.4 管、殼程分程設(shè)計(jì) 管程分程設(shè)計(jì)。當(dāng)需要的傳熱面積很大,換熱管長度太長( 對臥式換熱器管長比殼徑比超過610, 立式換熱器超過46 時(shí)) , 采用單管程換熱器使管程流速很低時(shí), 可采用管程分程的辦法來提高管程換熱介質(zhì)的流速。因?yàn)闆Q定管程介質(zhì)的流態(tài)的雷諾數(shù)Rei 與管程介質(zhì)流速成正比,為提高換熱器管程換熱系數(shù)hi, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數(shù)。 殼程分程設(shè)計(jì)。為了提高換熱器傳熱能力, 且不使換熱管太長, 殼程利用橫向折流板或縱向折流板分程。殼程分程可增加對殼程換熱介質(zhì)的擾動, 使殼程換熱介

25、質(zhì)流速增加, 流程加大,換熱介質(zhì)橫向沖刷擾動加大, 提高換熱器傳熱能力。1.8.5折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括型式的確定, 形狀的設(shè)計(jì), 缺口高度設(shè)計(jì)和折流板間距設(shè)計(jì)。換熱器殼程折流板可分為橫向折流板和縱向折流板, 由于殼程加裝縱向折流板在制造工藝上較困難, 而且造成殼程壓降增加, 因此一般采用殼程加裝橫向折流板。殼程加裝橫向折流板后, 殼程換熱介質(zhì)雷諾數(shù)Re0100 時(shí), 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流, 能有效提高換熱器的傳熱能力, 橫向折流板常采用弓形和盤- 環(huán)形, 弓形折流板加工、制造和組裝較方便, 使用最普遍, 盤- 環(huán)形折流板主要用于小型換熱器中。在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 合理設(shè)計(jì)折流板間

26、距是保證殼程換熱介質(zhì)的壓力降滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。1.8.6管、殼程進(jìn)、出口的設(shè)計(jì) 管程進(jìn)、出口管的設(shè)計(jì)。管程進(jìn)、出口管徑在考慮管程壓降允許的條件下, 通過計(jì)算確定管徑, 其計(jì)算公式為23 300( 為管程介質(zhì)密度, kg/m3; 為管程介質(zhì)進(jìn)、出口流速, m/s) 。為保證管程流體的均勻分布, 充分發(fā)揮換熱管的換熱性能, 管程進(jìn)、出口應(yīng)設(shè)置在換熱器管程的底部和頂部。 對換熱器的使用壽命影響較大, 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆粒。為保證換熱器的使用性能, 可在殼程入口加裝防沖板, 對介質(zhì)沖刷起到緩沖的作用, 保護(hù)管束不受沖擊; 為避免殼程入口流速過高, 殼程介質(zhì)流速有一定的限制:

27、 2100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。8、若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因?yàn)楸跍亟咏鼈鳠崮は禂?shù)較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定半水煤氣應(yīng)走殼程，變換氣走管程。1.9.3 流速的選擇 表1-1 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215 由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積

28、的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。故擬取變換氣流速為20m/s。1.9.4材質(zhì)的選擇管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。1.9.5 管程結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列（b

29、）正方形錯(cuò)列 (c) 三角形直列 （d）三角形錯(cuò)列 （e）同心圓排列 圖1-4 換熱管管板上的排列方式正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。 2 殼體直徑的確定與殼體壁厚的計(jì)算2.1 管徑 換熱器中最常用的管徑有19mm2mm和25mm2.5mm。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時(shí)，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗

30、量更少。所以，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用19mm2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子。 標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有1500mm，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為425,常用的為610選用252.5的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼，管長4.5m。 2.2 管子數(shù)n (2-1) 其中安排拉桿需減少6根，故實(shí)際管數(shù)n=503-6=497根2.3 管子排列方式，管間距的確定 采用正三角形排列，由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-4查得層數(shù)為12層，對角線上

31、的管數(shù)為25，查表7-5取管間距a=32mm.2.4換熱器殼體直徑的確定 (2-2) 其中 取， 查表2-5，圓整后取殼體內(nèi)徑00mm2.5 換熱器殼體壁厚計(jì)算及校核 材料選用20R 計(jì)算壁厚為：, (2-3) 式中:為計(jì)算壓力，取=1.0Mpa；700mm;=0.9;t =92Mpa（設(shè)殼壁溫度為 350C） 將數(shù)值代入上述厚度計(jì)算公式，可以得知： 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-11取 ；查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-9得 5.47+1.2+0.25=6.92 mm查表4-13圓整后取 復(fù)驗(yàn) ，最后取 該殼體采用20鋼7mm 厚的鋼板制造。1、液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 (2-4) (2-5) (2-6) 查化工

32、設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)附表9-1，可見故水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。2、強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)溫度下的計(jì)算應(yīng)力 最大允許工作壓力 (2-7) 故強(qiáng)度足夠。3 換熱器封頭的選擇及校核 上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4746-2000標(biāo)準(zhǔn)，封頭為DN9007，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-15得曲面高度 ，直邊高度 ，材料選用20R鋼標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算厚度： (3-1) (3-2) 所以，封頭的尺寸如下圖： 圖3-1 換熱器封頭尺寸4 容器法蘭的選擇 材料選用16MnR 根據(jù)JB/T4703-2000 選用DN900，PN1.6Mpa的榫槽密封面長頸對焊法蘭。 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)附表14得 法蘭尺寸如下表： 表4-1 法

33、蘭尺寸 公稱直徑DN/mm 法蘭尺寸/mm 螺柱d規(guī)格數(shù)量900106010159769669635527M2428 所以，選用的法蘭尺寸如下圖： 圖4-1 容器法蘭5 管板管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個(gè)重要的受壓器件。5.1管板結(jié)構(gòu)尺寸 查（化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)P25-27）得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸： 表5-1 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸公稱直徑Dbcd螺栓孔數(shù)90010601015966963584427245.2管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異，有在管板上開槽，殼體嵌入后進(jìn)

34、行焊接，殼體對中容易，施焊方便，適合于壓力不高、物料危害性不高的場合；如果壓力較高，設(shè)備直徑較大，管板較厚時(shí)，其焊接時(shí)較難調(diào)整。5.3管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計(jì)與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計(jì)算過程較為復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)計(jì)算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按表5-2選用?？紤]到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動等原因，建議最小厚度應(yīng)大于20mm。表5-2 管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm25323857管

35、板厚度/mm3/4222532綜上，管板的尺寸如下圖：圖5-1 管板6 管子拉脫力的計(jì)算 計(jì)算數(shù)據(jù)按表6-1選取表6-1項(xiàng)目管子殼體操作壓力/Mpa0.820.78材質(zhì)20鋼20R線膨脹系數(shù)彈性模量許用應(yīng)力/Mpa10192尺寸管子根數(shù)497管間距/mm32管殼壁溫差/管子與管板連接方式開槽脹接脹接長度/mm50許用拉脫力/Mpa4.01、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 (6-1) 其中 (6-2) , mm 2、溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力 (6-3) 其中 (6-4) (6-5) (6-6) 由此可知，作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力： q=+=0.08

36、+1.03=1.114.0 (6-7) 因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。7 計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為： （N） (7-1) 壓力作用于殼體上的軸向力： (7-2) 其中 (7-3) = 壓力作用于管子上的軸向力為： 則 (7-4) 根據(jù)GB管殼式換熱器q4.0，條件成立，故本換熱器不必要設(shè)置膨脹節(jié)。8 折流板設(shè)計(jì)設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形圖8-1（a）、雙弓形圖8-1（b）、三重弓形圖8-1（c）等幾種形式。 圖8-1 弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板 單弓形折流

37、板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%45%，最好是20%，見圖8-2（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90的缺口，見圖8-2（b）。高度為1520mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時(shí)可采用帶堰的折流板，見圖8-2（c）。 圖8-2 單弓形折流板 在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點(diǎn)考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動，實(shí)際仍然需

38、要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖8-3。 圖8-3 折流板安裝圖由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當(dāng)換熱器內(nèi)流體無相變時(shí)，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體

39、之間的間隙越小， 殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設(shè)備成本，故此間隙要求適宜。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表8-1所列數(shù)據(jù)。表8-1 折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表8-1(左)中所列數(shù)據(jù)。支承板允許不支承的最大間距可參考表8-1（右）所列數(shù)據(jù)。殼體直徑/mm4004008009001200管子外徑/mm19

40、253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400表8-2 支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，h=, 折流板間距取600mm, 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-7得折流板最小厚度為4 mm,折流板外徑負(fù)偏差-0.60查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-9折流板外徑為896 mm,材料Q235-A鋼查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-10拉桿12，共10根，材料Q235-AF鋼折流板開孔直徑 所以，折流板尺寸如下圖： 圖8-4 折流板9 開孔補(bǔ)強(qiáng)1、確定殼體和接管的計(jì)算厚度及開孔直徑 由已知條件得殼體計(jì)算厚度 接管計(jì)算厚度為 (9-1) 其中 選用20鋼 查附表

41、9得 開孔直徑為： (9-2) 2、確定殼體和接管實(shí)際厚度，開孔有效補(bǔ)強(qiáng)面積及外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度h 已知?dú)んw名義厚度，補(bǔ)強(qiáng)部分厚度為 接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為 B=2d= (9-3) 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 (9-4) 3、計(jì)算需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積和可以作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積為： (9-5) 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積為： (9-6) (9-7) 4、 (9-8) 5、比較，所以殼程接管需要補(bǔ)強(qiáng)，而管程接管的公稱直徑較大，也需要補(bǔ)強(qiáng)。常用的結(jié)構(gòu)是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同即7mm厚的鋼板。綜上，得換熱器開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如下圖：圖9-1 換熱器開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)10 支座10.1裙座設(shè)計(jì)采用

42、圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對接焊縫的焊縫受壓，可承受較大的軸向力，故采用對接形式。取裙座外徑與封頭外徑相等。并且取裙座的厚度與封頭的厚度相同，即裙座尺寸為9007mm.。裙座材料選用Q235-A。圖10-1 裙座殼與殼體的對接型式。無保溫層的裙座上部應(yīng)均勻設(shè)置排氣孔，表10-1 排氣孔規(guī)格和數(shù)量容器內(nèi)直徑Di6001200140024002400排氣孔尺寸8080100排氣孔數(shù)量，個(gè)244排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離140180220因此設(shè)置兩個(gè)排氣孔，排氣孔尺寸為80，排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離為140圖10-2 裙座上部排氣孔的設(shè)置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座

43、殼外，表10-2 引出孔尺寸引出管直徑d20、2532、4050、7080、100引出孔的加強(qiáng)管無縫鋼管13341594.521962738卷焊管-200250引出孔的加強(qiáng)管選用Q235-A的無縫鋼管，引出管直徑選用20圖10-3 引出孔結(jié)構(gòu)示意圖10.2基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)1、基礎(chǔ)環(huán)尺寸的確定 （10-1） （10-2）2、基礎(chǔ)環(huán)的結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)環(huán)選用有筋板的基礎(chǔ)環(huán)圖10-4 有筋板基礎(chǔ)環(huán)3、有筋板基礎(chǔ)環(huán)厚度的設(shè)計(jì) （10-3） 操作時(shí)或水壓試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備重力和彎矩在混凝土基礎(chǔ)環(huán)（基礎(chǔ)環(huán)底面上）所產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為 基礎(chǔ)環(huán)上的最大壓應(yīng)力可以認(rèn)為是作用作用在基礎(chǔ)環(huán)底上的均勻載荷。表4-3 混凝土基礎(chǔ)的許用應(yīng)

44、力Ra混凝土標(biāo)號 Ra/MPa混凝土標(biāo)號 Ra/MPa混凝土標(biāo)號 Ra/MPa75 3.5100 5.0 150 7.5200 10.0250 13.0同樣，根據(jù)工藝要求和前人的經(jīng)驗(yàn)，可確定基礎(chǔ)環(huán)的厚度為20mm，材料選用為Q235-A。4.3地腳栓的設(shè)計(jì) 為了使塔設(shè)備在刮風(fēng)或地震時(shí)不至翻倒，必須安裝足夠數(shù)量和一定直徑的地腳螺栓，把設(shè)備固定在基礎(chǔ)環(huán)上。 地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力為 如果，則設(shè)備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設(shè)備的位置，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓。 如果，則設(shè)備必須安裝地腳螺栓，并進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)可先按4的倍數(shù)假設(shè)地腳螺栓的數(shù)量為n，此時(shí)地腳螺栓的螺紋小徑（mm）:螺紋小徑與公稱直徑見下表。表10-4 螺紋小徑與公稱直徑對照表螺栓公稱直徑 螺紋小徑/mm