U形管換熱器設(shè)計【含5張CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 目錄 引言 1 一 文獻(xiàn)綜述 2 1.1換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 2 1.2換熱器的分類及其特點 2 1.3 U形管式換熱器 4 1.4管殼式換熱器的研究現(xiàn)狀 5 1.5本文設(shè)計的主要內(nèi)容 6 二 計算說明書 7 1.1 原始數(shù)據(jù) 7 1.2 定性溫度及物性參數(shù) 7 1.3 傳熱量與冷水流量 8 1.4 有效平均溫差 8 1.5 管程換熱系數(shù)計算 9 1.6 殼程換熱系數(shù)計算 10 1.7傳熱系數(shù)計算 11 1.8管壁溫度計算 11 1.9管程壓降計算 12 1.1 殼程壓降計算 13 2.1換熱管材料、規(guī)格的選擇及功能的確定 14 2.2 管子的排列方式 14 2.3 確定殼體直徑 15 2.4 筒體壁厚確定 15 2.5 液壓試驗 16 2.6 殼程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計算 16 2.7 管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計算 18 2.8 法蘭的選擇 19 2.8.1 設(shè)備法蘭的選擇 19 2.8.2 接管法蘭的選擇 19 2.9 管板的設(shè)計 20 2.10 管箱短節(jié)壁厚的確定 22 2.11拉桿和定距管的確定 23 2.12 折流板的選擇 23 2.12.1選型 23 2.12.2折流板尺寸 24 2.12.3換熱管無支撐跨距或折流板間距 24 2.12.4 折流板厚度 24 2.12.5 折流板直徑 24 2.13 接管及開孔補強 24 2.13.1 管箱接管開孔補強的計算 25 2.14 分程隔板厚度選取 26 2.15支座的選擇及應(yīng)力校核 27 2.15.1支座的選擇 27 2.15.2、鞍座的應(yīng)力校核 28 三 英文文獻(xiàn) 32 四 英文翻譯 43 致謝 52 內(nèi)容摘要 換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是在耗能用量十分大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、工況、溫度和壓力的換熱器，其結(jié)構(gòu)和型式也不相同。按傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式及蓄熱式3類，其中間壁式換熱器應(yīng)用最普遍。間壁式換熱器在各工業(yè)部門中的使用極其廣泛，擔(dān)負(fù)著多種換熱任務(wù)，由于它們的使用條件和要求差別很大，如容量、溫度、壓力和工作介質(zhì)的性質(zhì)等，涉及的范圍極廣，因此換熱器的結(jié)構(gòu)型式也多種多樣。間壁式換熱器，從作為換熱面的間壁形式看，主要分為管式和板式兩大類。 U形管式換熱器是管殼式換熱器的一種，由管板、殼體、管束等零部件組成，重量較輕。在同一直徑情況下?lián)Q熱面積最大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在高溫、高壓下金屬耗量最小。U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形管換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。其主要缺點是U形管具有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差，管內(nèi)不易清洗，U形管更換困難。 本設(shè)計主要完成的是水蒸氣—冷凝水的熱量交換，設(shè)計壓力為管1.6MPa，殼程壓力為0.75MPa，管程冷卻水進(jìn)，出口溫度分別為38oC和97oC，殼程水蒸氣氣進(jìn)出口溫度分別為205.1oC和95oC，傳熱面積134㎡，采用25x2.5x3000的無縫鋼管換熱，筒體DN=900。通過設(shè)計計算提高換熱器的熱效率和減少能源消耗，達(dá)到更高效，更節(jié)能的原則。 關(guān)鍵詞：換熱器; U形管; 法蘭; 水蒸氣; 冷凝水 Abstract Heat exchanger which can be seen as a heat transfer equipment .It is very common in industrial applications , especially in the energy field of a very large amount. With the rapid development of energy-saving technologies, types which in heat exchanger are developed more and more . They are applicabling to different media, working conditions, temperature and pressure of the heat exchanger, structure and not the same type. By heat transfer and the realization of the principle of heat exchange methods,Heat exchanger can be divided into partitions-type, mixed type and Regenerative 3 categories,Heat exchanger which partitions the application of the most common.Partitions in the heat exchanger in the use of the industrial sector is extremely broad. Mission charged with a variety of heat exchangers, because of their conditions and requirements are vary greatly,Such as capacity, temperature, pressure and nature of media work, a very wide scope. Thus the structure of heat exchanger is also a variety of patterns. Heat exchanger partitions. From the partitions as a form of heat exchanger surface, the main tube and the plate are divided into two broad categories. U-tube heat exchanger is a shell and tube heat exchanger of a by the governing board, shell, tube and other parts of the Lighter. In the same diameter, it is the largest case of heat transfer, simple structure, compact, high temperature, high pressure Minimum metal consumption. U-tube heat exchanger is only the typical structure of a tube plate, controlling by the multi-U -Tubes, pipes fixed at both ends of the tube in the same board which can telescopic tube freely. When the shell and the U-tube are temperature in heat exchanger . It will not produce thermal stress. It is main drawback is that U-shaped tube has a bend radius,therefore, the utilization of lower tube plate, tube is not easy to clean and U-tube replacement difficult. The main of the design is the steam and condensate water heating exchange. The design includes pressure for pipe 1.6MPa,shell-side pressure of 0.75MPa. The cooling water enter into the tube, outlet temperature of 38 o C and 97 o C. Shell side steam temperature gas imports and exports were 205.1 o C and 95 o C, and heat transfer area are 134 square meters.It is used of the seamless steel pipe 25x2.5x3000 heat exchangers, and shell DN = 900. Calculated through the design of heat exchangers increase the thermal efficiencyRate and reduce energy consumption to achieve more efficient and energy-saving principle Key words: heat exchanger; U-tube; flange; vapor; water 60 沈陽化工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 文獻(xiàn)綜述 U形管換熱器 引言 換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，自從21世紀(jì)以來，各國的換熱器水平都有了長足的發(fā)展，我國的換熱器技術(shù)在我國各方面人才的努力下也有了很大提高，本次設(shè)計就是在已有的計算基礎(chǔ)上進(jìn)行的，此次設(shè)計強調(diào)了節(jié)能與效率這兩大主題。 在查閱了《管殼式換熱器原理與設(shè)計》《傳熱學(xué)》等書的基礎(chǔ)上，結(jié)合換熱器設(shè)計的資料，進(jìn)行了這次設(shè)計。 一 文獻(xiàn)綜述 1.1換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，它是化工，煉油、動力、油田儲運集輸系統(tǒng)和原子能及其許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設(shè)備。在化工廠換熱器約占總投資的10%-20%;在煉油廠換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35%-40%。由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進(jìn)行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需要。 1.2換熱器的分類及其特點 換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是在耗能用量十分大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、工況、溫度和壓力的換熱器，其結(jié)構(gòu)和型式也不相同。按使用目的不同，換熱器可分為加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用條件和工作環(huán)境不同，換熱器又有各種各樣的形式和結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)中有時把換熱器作為一個單獨的化工設(shè)備，有時則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分，按傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式及蓄熱式3類，其中間壁式換熱器應(yīng)用最普遍。 間壁式換熱器在各工業(yè)部門中使用極其廣泛，擔(dān)負(fù)著各種換熱任務(wù)，例如用以加熱、蒸發(fā)、冷凝和廢熱回收等。由于它們的使用條件和要求差別很大，如容量、溫度、壓力和工作介質(zhì)的性質(zhì)等，涉及的范圍極廣，因此換熱器的結(jié)構(gòu)型式也多種多樣。 間壁式換熱器，從作為換熱面的間壁形式看，主要分為管式和板式兩大類。管殼式、套管式換熱器的換熱面由管子構(gòu)成，屬于管式換熱器;板翅式、板式換熱器的換熱面由板片構(gòu)成，屬于板式換熱器。各種間壁式換熱器的特征、工作特性、允許的使用范圍等差別很大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱計算也各有特點。管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，它屬于間壁式換熱器。按照有無溫度補U形管式換熱器的研究與優(yōu)化設(shè)計償及補償方法的不同，管殼式換熱器主要分為下列幾種： (1)固定管板式。固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低;殼程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。缺點是當(dāng)管束與殼體的壁溫差或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢的場合;管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。 (2)浮頭式。浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆聯(lián)接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的特點是管間和管內(nèi)清洗方便;但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。它適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。 (3) U形管式。U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。其主要缺點是U形管具有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差，管內(nèi)不易清洗，U形管更換困難。U形管換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜，承受能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合，特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 (4)填料函式。換熱器兩管板中一塊與法蘭通過螺栓固定連接，另一塊類似于浮頭，與殼體間隙處通過填料密封，可做一定量的移動。此結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)較簡單，加工、制造、檢修、清洗較方便，但填料密封處易產(chǎn)生泄漏。填料函式換熱器適用于壓力和溫度都不高、非易燃、難揮發(fā)的介質(zhì)傳熱。 在近代的許多化工過程中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫高壓下進(jìn)行，有的壓力高達(dá)250MPx，溫度高達(dá)7500C，在這樣的條件下，尤其還存在腐蝕的情況下，實現(xiàn)換熱更困難。一方面，伴隨著現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)規(guī)模的日益增大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動力消耗和金屬消耗;另一方面，隨著精細(xì)化工的迅速崛起，換熱設(shè)備也有向小而精方向發(fā)展的趨勢，管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器能滿足這樣的要求。 1 .3U形管式換熱器 U形管式換熱器是管殼式換熱器的一種，由管板、殼體、管束等零部件組成，重量較輕。在同一直徑情況下?lián)Q熱面積最大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在高溫、高壓下金屬耗量最小。其優(yōu)點是: (1)管束可抽出來機械清洗; (2)殼體與管壁不受溫差限制; (3)可在高溫、高壓下工作，一般適用于溫度小于等于500 oC，壓力小于等于10MPa; (4)可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合; (5)可用于管程易腐蝕場合。 U形管式換熱器殼程內(nèi)一般可按工藝要求設(shè)置折流板和縱向隔板，以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。為了進(jìn)一步開展設(shè)計，還必須選擇冷熱流體的流動通道，在U形管式換熱器中可根據(jù)以下原則選擇: (1)因為U形管內(nèi)清洗不方便，所以不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在殼程; (2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕; (3)壓力高的流體宜在管程，以免殼體承受壓力; (4)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較潔凈，一般給熱系數(shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出; (5)被冷卻的流體宜走殼程，以便于散熱; (6)若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，使給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減少熱應(yīng)力; (7)流量小而粘度大的流體一般通入殼程為宜。 1 .4管殼式換熱器的研究現(xiàn)狀 管殼式換熱器是石油、化工裝置中應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)堅固，且能選用多種材料制造，故適應(yīng)性極強，尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普遍應(yīng)用。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了波紋板換熱器、板殼式換熱器、螺旋板換熱器、傘板換熱器等結(jié)構(gòu)緊湊、高效的換熱設(shè)備，但管殼式換熱器仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。因為許多工藝過程都具有高溫、高壓、高真空、有腐蝕性等特點，而管殼式換熱器具有選材范圍廣(可為碳鋼、低合金鋼、鋁材、銅材、欽材等)，換熱表面清洗方便，適應(yīng)性強，處理能力大，特別是能承受高溫和高壓等特點，所以管殼式換熱器廣泛應(yīng)用，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定著換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板(或折流桿)。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運行的安全可靠性。管殼式換熱器中換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩種不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，實現(xiàn)了兩流體換熱的工藝目的。一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性: (1)耐高溫高壓，堅固、可靠、耐用; (2)制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作、維修、檢驗技術(shù)成熟; (3)選材廣泛，適用范圍大。 從間壁式換熱器的發(fā)展史來看，管殼式換熱器的技術(shù)提高受到下列因素的限制: (1)流體熱附面層熱阻的限制。即使是湍流流動，在流體與固體壁之間也要生一層附面層(又稱邊界層)，而其中接觸固體壁的一層稱為層流底層，其流動性質(zhì)為層流流動，它是靠分子擴散進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱的，傳熱速率很小。這一厚度僅為3-5mm的薄層，其熱阻幾乎占了整個附面層熱阻的80%。進(jìn)一步減薄、破碎、離和清除這個薄層，都可以逐步提高換熱器的傳熱量，它是提高換熱器技術(shù)的關(guān)鍵之一。 (2)流體壓力損失的限制。通過提高流體速度，可以減薄附面層的厚度，從而提高傳輸?shù)臒崃?。但是，提高流體速度卻引起一個矛盾的后果，流體的壓力損失增加，其增加的速率巨大，所以不得不降低流速來接受較低的傳熱系數(shù)。 (3)擴大傳熱面積的限制。擴大傳熱面積是提高預(yù)熱溫度和增加熱回收率的簡單而有效的辦法，但卻受到換熱器成本和價格提高、換熱器尺寸擴大與安裝重量加大、換熱器體積龐大與運輸車輛超重等等的限制。 1. 5本文設(shè)計的主要內(nèi)容 本臺設(shè)計的換熱器是U形管換熱器，主要完成冷卻水—水蒸氣的熱量交換，設(shè)計壓力為管程1.6MPa，殼程壓力為0.75MPa，管程冷卻水進(jìn)，出口溫度分別為38oC和97oC，殼程水蒸氣進(jìn)出口溫度分別為205.1oC和95oC，傳熱面積134㎡，采用25x2.5x3000的無縫鋼管換熱，筒體DN=900。通過設(shè)計計算提高換熱器的熱效率和減少能源消耗，達(dá)到更高效，更節(jié)能的原則。 沈陽化工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 二 計算說明書 二 計算說明書 1.1 原始數(shù)據(jù) 殼程水蒸氣的進(jìn)口溫度 =205.1 殼程水蒸氣的出口溫度 =95℃ 殼程水蒸氣的工作壓力 =0.75Mpa 管程冷卻水的進(jìn)口溫度 =38oC 管程冷卻水的出口溫度 =97oC 管程冷卻水的工作壓力 =1.6 MPa 管程冷卻水的流量 =120t/h 1.2 定性溫度及物性參數(shù) 管程冷水定性溫度(38+97)/2=64 oC 管程冷水密度查物性表得=981 Kg/ 管程冷水比熱查物性表得=4.182KJ/Kg oC 管程冷水導(dǎo)熱系數(shù)查物性表得=0.663w/moC 管程冷水黏度=444.410ˉPas 管程冷水普朗特數(shù)查物性表得Pr2=3.41 殼程水蒸氣定性溫度 （205.1+95）=150oC 殼程水蒸氣密度查物性表得 =2.584Kg/ 殼程水蒸汽比熱查物性表得 =2.3142Kj/KgoC 殼程水蒸氣導(dǎo)熱系數(shù)查物性表得=0.0263w/moC 殼程水蒸氣黏度 =1.39pas 殼程水蒸氣的普朗特數(shù)查物性表Pr1=1.11 1.3 傳熱量與冷水流量 取定換熱效率為η=0.98 查表得 r=2113.1 則設(shè)計傳熱量: 120000 4.182(97-38) 0.981000/3600 8060108（W） 則加熱水流量： =3.89kg/s 1.4 有效平均溫差 =79.84 參數(shù)p： 0.353 參數(shù)R： 1.87 換熱器按單殼程兩管程設(shè)計 經(jīng)查找《管可是換熱器原理與設(shè)計》圖2-6a得： 溫差校正系數(shù)：Φ =0.87 有效平均溫差： 60 oC 1.5 管程換熱系數(shù)計算 參考表2——7《管殼式換熱器原理與設(shè)計》 初選傳熱系數(shù)： 則初選傳熱面積為： 134.35 選用 不銹鋼的無縫鋼管作換熱管。 則管子外徑d0=0.025m 管子內(nèi)徑di=0.02m 管子長度=5m 則所需換熱管根數(shù)： 570 根 可取換熱管根數(shù)為580根 則管程流通面積為: 0.046 管程流速為： =0.74m/s 管程雷諾數(shù)為: 32671 管程傳熱系數(shù)為： 4834 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計： 經(jīng)查閱工程手冊GB151--1999，可得管間距可按1.25d取， 管間距為：s=0.032m 分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn=0.044m 管束中心排管數(shù)為: 26根 取 26根 則殼體內(nèi)徑為： 0.9m 故內(nèi)徑Di=0.9m 則長徑比為: 3.33合理 。 選擇單弓形折流板。則弓形折流板的弓高為： 0.18 折流板間距為: 0.3m 折流板數(shù)量為： 9塊 1.6 殼程換熱系數(shù)計算 殼程流通面積為： 0.0591 殼程流速為： 7.18m/s 殼程質(zhì)量流速為： 18.3m/s 殼程當(dāng)量直徑為： 0.033 殼程雷諾數(shù)為： 43433 切去弓形面積所占比例按:0.3經(jīng)過查閱圖4——38b 得為0.145，殼程換熱因子經(jīng)過查閱圖2——12得120 《管殼式換熱器原理與設(shè)計》 管外壁溫度假定值為：120 oC 壁溫下水的黏度為： =0.186 黏度修正系數(shù)： 0.7 殼程傳熱系數(shù)： 7180 1.7傳熱系數(shù)計算 查閱工程手冊GB151---1999第138頁可得： 管程水側(cè)污垢熱阻為： 殼程污垢熱阻為:=0.000176 管壁熱阻r忽略,則總傳熱系數(shù)為： =1100 則傳熱系數(shù)比為： 1.1 所以假設(shè)合理。 1.8管壁溫度計算 管外壁熱流密度計算為： 59010W/oC 外壁溫度為： 誤差校核：3.41 所以誤差不大，合適。 1.9管程壓降計算 管內(nèi)壁溫度: 92 oC 壁溫下水的黏度為： 30.8 黏度修正系數(shù)： 1.05 查得管程摩擦系數(shù)為： 0.032 管程數(shù)2 管內(nèi)沿程壓降為： 2455.7 Pa 回彎壓降為： 2148.7 Pa 取進(jìn)出口處質(zhì)量流速為： 1600kg/ 進(jìn)出口管處壓降為： 1957.2 Pa 管程污垢校正系數(shù)為： 1.4 則管程壓降為： 8403.4 Pa 管程允許壓降Pa ， 即管程壓降符合要求。 1.10 殼程壓降計算 殼程當(dāng)量直徑：de=0.042m 雷諾數(shù)Re1=16656 查得殼程摩擦系數(shù)：（《管殼式換熱器原理與設(shè)計》圖3-2） 管束壓降： 12273Pa 取進(jìn)出口質(zhì)量流速： 進(jìn)出口壓降： 1055Pa 取導(dǎo)流板阻力系數(shù)：（取5-10） 導(dǎo)流板壓降： 6330Pa 殼程結(jié)垢修正系數(shù)：1.48 殼程壓降： 122731.48+6330+1055=25549Pa 殼程允許壓降： Pa ， 符合要求。 2.1換熱管材料、規(guī)格的選擇及功能的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 換熱管外徑 d0 mm GB151-1999《管殼式換熱器》 25 2 管長 L mm 同上 3000 3 傳熱面積 F 《管殼式換熱器原理與設(shè)計》 134.34 4 換熱管根數(shù) Nt 個 580 5 拉桿 d/Nt 個 GB151-1999《管殼式換熱器》表43、44 6 6 材料 GB150-1999 《鋼制壓力容器》選20鋼 2.2 管子的排列方式 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 正三角形排列 GB151-1999《管殼式換熱器》 2 換熱管中心距 S mm GB151-1999《管殼式換熱器》 32 3 隔板槽兩側(cè)相鄰管最小中心距 Sn mm GB151-1999《管殼式換熱器》 100 2.3 確定殼體直徑 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 換熱管中心距 S mm GB151-1999 表12 32 2 換熱管根數(shù) Nt 根 580 3 分程隔板厚度 δ mm GB151-1999《管殼式換熱器》表6 10 4 管束中心排管數(shù) Nc 根 1.1 26 5 筒體直徑 Di mm 900 6 實取筒體直徑 Dn mm 《管殼式換熱器設(shè)計手冊》 900 2.4 筒體壁厚確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 工作壓力 P MPa 給定 0.75 2 材料 GB150-1999《鋼制壓力容器》 16MnR 3 材料許用應(yīng)力 MPa GB150-1999《鋼制壓力容器》 表4-1 170 4 焊接接頭系數(shù) Φ 《過程設(shè)備設(shè)計》 0.85 5 殼程設(shè)計壓力 Pc MPa 0.8 6 筒體計算厚度 δ mm 7.5 7 設(shè)計厚度 δd mm 9.5 8 名義厚度 δn’ mm 10 9 實取名義厚度 δn mm GB151-1999《管殼式換熱器》 10 10 負(fù)偏差 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 0 11 腐蝕裕量 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 2 12 有效厚度 mm 8 13 設(shè)計厚度下圓筒的計算應(yīng)力 σt MPa 121 14 校核 MPa 144.5 合格 15 設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力 [Pw] MPa [Pw]= 0.96 2.5 液壓試驗 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 試驗壓力 Pt MPa Pt= 0.9 2 圓筒薄膜應(yīng)力 σt MPa 135.5 3 常溫下材料強度指標(biāo) σs MPa 《過程設(shè)備設(shè)計》表D1 345 4 校核 0.9φσs MPa 0.9φσs 263.93 合格 2.6 殼程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 設(shè)計壓力 Pc MPa Pc=(1.0-1.1)P 0.8 2 工作壓力 P MPa 給定 0.75 3 材料 GB150-1999《鋼制壓力容器》 16MnR 4 材料許用應(yīng)力 [σ]t MPa GB150-1999 《鋼制壓力容器》 表4-1 170 5 焊接接頭系數(shù) Φ 《過程設(shè)備設(shè)計》 0.85 6 封頭計算厚度 δ mm 7.5 7 設(shè)計厚度 δd mm 9.5 8 名義厚度 δn’ mm 10 9 實取名義厚度 δn mm GB151-1999《管殼式換熱器》 10 10 負(fù)偏差 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 0 11 腐蝕裕量 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 2 12 有效厚度 δe mm 8 13 設(shè)計溫度下封頭的計算應(yīng)力 σt MPa 121 14 校核 MPa 144.5 合格 15 設(shè)計溫度下封頭的最大允許工作壓力 [Pw] MPa [Pw]= 0.96 16 公稱直徑 Dn mm 筒體公稱直徑 900 17 曲面高度 h mm JB/T4737-95 300 18 直邊高度 H mm JB/T4737-95 40 2.7 管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 設(shè)計壓力 Pc MPa Pc=(1.0-1.1)P 1.2 2 工作壓力 P MPa 給定 1.2 3 材料 GB150-1999 《鋼制壓力容器》16MnR 4 材料許用應(yīng)力 [σ]t MPa GB150-1999 《鋼制壓力容器》 表4-1 170 5 焊接接頭系數(shù) Φ 《過程設(shè)備設(shè)計》 0.85 6 封頭計算厚度 δ mm 10 7 設(shè)計厚度 δd mm 10 8 名義厚度 δn’ mm 10 9 實取名義厚度 δn mm GB151-1999《管殼式換熱器》 10 10 負(fù)偏差 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 0 11 腐蝕裕量 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 2 12 有效厚度 δe mm 8 13 設(shè)計溫度下封頭的計算應(yīng)力 MPa 109 14 校核 MPa 144.5 合格 15 設(shè)計溫度下封頭的最大允許工作壓力 [Pw] MPa [Pw]= 1.6 16 公稱直徑 Dn mm 筒體公稱直徑 900 17 曲面高度 h mm JB/T4737-95 300 18 直邊高度 H mm JB/T4737-95 40 2.8 法蘭的選擇 2.8.1 設(shè)備法蘭的選擇 按其條件DN=900mm 設(shè)計溫度97 設(shè)計壓力1.2MPa 由《壓力容器法蘭》，選擇乙型平焊法蘭，連接面形式為突面，相關(guān)參數(shù)如下：單位（mm） D D1 D3 D4 H h R d 螺柱規(guī)格 螺柱數(shù)量 1060 1015 966 1275 52 16 26 115 35 12 27 M24 28 經(jīng)過查閱《壓力容器法蘭》中的JB/T4704-2000，可選墊片厚度為3，墊片內(nèi)直徑為915，墊片外直徑為965的非金屬軟墊片。 2.8.2 接管法蘭的選擇 （1）接管a 、b的公稱直徑相同設(shè)為dn，設(shè)進(jìn)口流速為3m/s,則 =120 mm 由工程手冊《鋼制管法蘭，墊片，緊固件》可查的，公稱壓力為1.6MPa，dn=125mm可選擇平焊法蘭，相關(guān)數(shù)據(jù)如下： DN A1 D K L n Th C N S H1 R H 125 140 250 210 18 8 M11 28 158 4 12 6 55 （2）接管c 、d的公稱直徑相同設(shè)為dn，設(shè)進(jìn)口流速為2.5m/s,則 =118mm 由工程手冊《鋼制管法蘭，墊片，緊固件》可查的，公稱壓力為1.0MPa，dn=125mm可選擇平焊法蘭，相關(guān)數(shù)據(jù)如下： DN A1 D K L n Th C N S H1 R H 125 140 250 210 18 8 M11 28 158 4 12 6 55 2.9 管板的設(shè)計 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 未被換熱管支撐面積 A 13552 2 官板布管區(qū)面積 A 36608 3 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 Dt mm 216 4 布管區(qū)當(dāng)量直徑與直徑之比 ρt 0.23 5 半徑 R mm 470 6 墊片基本密封寬度 B mm 18 7 墊片接觸寬度 N mm JB/T4704-2000 圖1 25 8 墊片有效密封寬度 b mm 10 9 墊片接觸外徑 D mm JB/T4700-4707-2000 965 10 墊片壓緊力作用中心圓直徑 D mm 940 11 系數(shù) Cc GB151-1999 《管殼式換熱器》 0.258 12 管板削弱系數(shù) μ GB151-1999 《管殼式換熱器》 0.4 13 管板材料 GB150-1999 《鋼制壓力容器》16MnR 14 設(shè)計溫度下管板材料的許用應(yīng)力 MPa GB150-1999 《鋼制壓力容器》表4-1 125 15 殼程設(shè)計壓力 PS MPa 已知 0.8 16 管程設(shè)計壓力 Pt MPa 已知 1.2 17 管板設(shè)計壓力 Pd MPa 1.2 18 管板厚度 δ mm 60.63 19 殼程腐蝕裕量 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 2 20 管程腐蝕裕量 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 2 21 實取名義厚度 δn mm GB151-1999 《管殼式換熱器》 64 22 換熱管軸向應(yīng)力 σt MPa 1. 2. 3. -2.22 3.33 0.088 23 換熱管最大軸向應(yīng)力 MPa 已知 3.33 24 單根換熱管金屬的橫截面積 a 176.625 25 換熱管與管板焊腳高度 l mm GB151-1999 《管殼式換熱器》 3.5 26 換熱管與管板連接的拉脫力 q MPa 2.14 27 許用拉脫力 [q] MPa 62.5 28 校核 合格 2.10 管箱短節(jié)壁厚的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 工作壓力 P MPa 給定 0.8 2 材料 GB150-1999《鋼制壓力容器》16MnR 3 材料許用應(yīng)力 [σ]t MPa GB150-1999《鋼制壓力容器》 表4-1 170 4 焊接接頭系數(shù) Φ 《過程設(shè)備設(shè)計》 0.85 5 管程設(shè)計壓力 Pc MPa Pc=(1.0-1.1)P 1.2 6 管箱筒體計算厚度 δ mm 10 7 設(shè)計厚度 δd mm 10 8 名義厚度 δn’ mm 10 9 實取名義厚度 δn mm GB151-1999《管殼式換熱器》 10 10 負(fù)偏差 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 0 11 腐蝕裕量 C mm 《過程設(shè)備設(shè)計》 2 12 有效厚度 δe mm 8 13 設(shè)計厚度下圓筒的計算應(yīng)力 σt MPa 109 14 校核 MPa 144.5 合格 15 設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力 [Pw] MPa [Pw]= 1.6 2.11拉桿和定距管的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 拉桿直徑 dn mm GB151-1999《管殼式換熱器》表43 16 2 拉桿數(shù)量 n 根 GB151-1999《管殼式換熱器》表44 6 3 定距管規(guī)格 GB151-1999 4 拉桿在管板端螺紋長度 Ld mm GB151-1999《管殼式換熱器》表45 20 5 拉桿在折流板端螺紋長度 Ls mm GB151-1999《管殼式換熱器》表45 60 6 拉桿上的倒角高度 b mm GB151-1999《管殼式換熱器》表45 2 2.12 折流板的選擇 2.12.1選型 按照GB151-1999《管殼式換熱器》圖37可選擇單弓形的折流板。 2.12.2折流板尺寸 缺口弦高h(yuǎn)值，一般取0.2的圓筒內(nèi)徑，取h=252mm 2.12.3換熱管無支撐跨距或折流板間距 參考手冊GB151-1999《管殼式換熱器》表42知，換熱管為Φ25×2.5鋼管時，換熱管的最大無支撐跨距為L=1850mm，且折流板最小間距一般不小于內(nèi)徑的五分之一且不小于5mm，有傳熱計算得到B=200mm。 2.12.4 折流板厚度 參考手冊GB151-1999《管殼式換熱器》表34知，DN=900,取折流板最小厚度6mm. 2.12.5 折流板直徑 參考手冊GB151-1999《管殼式換熱器》中的表41，可知折流板名義外直徑為DN=900mm,管孔直徑為 2.13 接管及開孔補強 經(jīng)過查閱《鋼制壓力容器》GB150--1998中的表8-1可知，當(dāng)下列條件滿足后，可以不另行進(jìn)行補強： 1. 設(shè)計壓力小于或等于2.5MPa; 2. 兩相鄰開孔中心距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍； 3. 接管公稱直徑小于或等于89mm; 4. 接管最小壁厚滿足表8-1要求 2.13.1 管箱接管開孔補強的計算 由于接管125mm的公稱直徑大于89mm,所以要補強，但由于設(shè)計的筒體或封頭厚度遠(yuǎn)大于理論厚度，所以要進(jìn)行計算看是否需要補強 1. 有效補強范圍 a) 有效寬度B=250 b) 有效高度：外側(cè)高度h1=25 c) 有效高度；內(nèi)側(cè)高度h2=0 2. 補強面積 有效補強范圍內(nèi)可作為補強的截面積按GB150-1998《鋼制壓力容器》（8-10）計算 ——補強面積mm2 ——殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 218 ——接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 =170 ——焊縫金屬表面積36 而最小補強面積 484 484 < A 開孔需另加補強。其另加補強面積A4按下式計算96 可采用補強圈補強，根據(jù)DN=125,參考補強圈標(biāo)準(zhǔn)JB/T4736表1選用補強圈外徑D0=250 mm 內(nèi)徑Di=d0+3-8=130mm 選用D形坡口。 補強圈厚度： =0.5 為制造方便取4mm 2.13.2 殼體接管開孔補強的計算 由于接管3000mm的公稱直徑大于89mm,所以要補強，但由于設(shè)計的筒體或封頭厚度遠(yuǎn)大于理論厚度，所以要進(jìn)行計算看是否需要補強 3. 有效補強范圍 d) 有效寬度B=64 e) 有效高度：外側(cè)高度h1=12.6 f) 有效高度；內(nèi)側(cè)高度h2=0 4. 補強面積 有效補強范圍內(nèi)可作為補強的截面積按GB150-1998《鋼制壓力容器》（8-10）計算 ——補強面積mm2 ——殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 15 ——接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 =25 ——焊縫金屬表面積 而最小補強面積 A=75 70 > A , 則不需要補強圈。 2.14 分程隔板厚度選取 經(jīng)過查閱GB151-1999《管殼式換熱器》，分程隔板厚度選為10mm。 2.15支座的選擇及應(yīng)力校核 2.15.1支座的選擇 按工程手冊《鋼制管法蘭 墊片 緊固件 》 JB/T4712-92鞍式支座的選擇重型BI型焊制鞍式支座（表7） 當(dāng)DN=900mm取鞍式支座的相關(guān)尺寸如下： 序號 項目 符號 單位 數(shù)值 1 公稱直徑 DN mm 900 2 允許載荷 Q KN 225 3 鞍座高度 h mm 200 4 底板 mm 810 mm 150 mm 10 5 腹板 mm 10 6 筋板 mm 400 mm 140 mm 120 mm 10 7 墊板 弧長 mm 1060 mm 200 mm 6 e mm 36 8 螺栓間距 mm 590 9 帶墊板鞍座質(zhì)量 M Kg 40 10 包角 α 120 11 型號 BI 重型 F,S各一 2.15.2、鞍座的應(yīng)力校核 （1） 原始數(shù)據(jù)表 序號 項目 符號 單位 數(shù)值 1 設(shè)計壓力 Pc MPa 1.2 2 設(shè)計溫度 t oC 160 3 物料密度 ρ 998.2 4 筒體內(nèi)徑 Dn mm 900 5 筒體長度 L m 4752 6 公稱厚度 δn mm 5 7 厚度附加量 C mm 2 8 鞍座型號 BI 9 鞍座中心線離封頭切線的距離 H mm 1557 10 鞍座腹寬 B mm 170 11 腹板厚度 mm 10 12 鞍座包角 α 120 13 容器與封頭的材料 16MnR 14 容器與封頭的許用應(yīng)力 [σ]t MPa 170 15 鞍座材料 16MnR 16 鞍座材料許用應(yīng)力 [σ]t MPa 170 17 容器自重 m kg 9674 18 物料重量 Kg 4458 19 總重量 M kg 14132 （2） 校核計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 支座反力 F N 92580.6 2 系數(shù) C1 0.238 3 系數(shù) C2 1.068 4 系數(shù) C3 0.0385 5 筒體在支座跨中截面處的彎矩 M1 Nmm 6 筒的支座截面的彎矩 M2 Nmm -C2 7 跨中截面處的軸向應(yīng)力（最高點） σ MPa 8.9 8 跨中截面處的軸向應(yīng)力（最低點） σ MPa 71.9 9 系數(shù) A 0.00157 10 系數(shù) B MPa GB150-1998圖6-3 148 11 軸向許用壓縮應(yīng)力 [σ] MP B=148 MP 148 12 比較 =128 MP驗算合格 筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力 13 系數(shù) K 《過程裝備設(shè)計》表5-2 0.88 14 切向剪應(yīng)力 τ = 12.18 15 橢圓形封頭的形狀系數(shù) K 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 K=1.0 1.0 16 封頭內(nèi)壓引起應(yīng)力 σ 126 17 比較 , 驗算合格 筒體的周向應(yīng)力 18 鞍座截面筒體最低處的周向應(yīng)力 σ -23.39 19 系數(shù) K 《過程裝備設(shè)計》表5-3 0.760 20 筒體有效寬度 mm 300.8 21 鞍座邊角處筒體的周向應(yīng)力 σ MP -22.78 22 系數(shù) K 《過程裝備設(shè)計》表5-3 0.0132 23 比較,驗算合格 鞍座腹板應(yīng)力 24 系數(shù) K’ 《過程裝備設(shè)計》表5-5 0.204 25 鞍座承受水平分力 Fs N = K′F 18886.44 26 鞍座計算高度 Hs' mm 取實際高度 200 27 取Hs'和=200中較小者為Hs即Hs=100 28 鞍座有效斷面平均應(yīng)力 σ MPa 9.44 29 比較驗算合格 沈陽化工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 三 英文文獻(xiàn) 三 英文文獻(xiàn) Mechanical Design of Heat Exchangers The many configurations and types of heat exchangers necessary for the variety of fluids and widerange of temperature and pressure encountered inthe chemical industry make choice of design a complex problem in economics The WIDE RANGE of applications of heat exchangers in the chemical industry has led to a variety of constructions. Many types have been designed to accommodate the simple fluids, solutions, or slurries which must be cooled, condensed, or boiled. The extremes of temperatures and the pressures involved in these processes have also been considered. Standard Heat Exchangers To suit the majority of cases, standard shell-and-tube heat exchangers have developed. The essential parts are the tube sheets, tube bundle, the heads, the shell, shell baffles, and inlet and outlet nozzles. In general, these can be obtained for operating pressures up to 600 p.s.i. and for sizes up to 1