原油-汽油浮頭式換熱器設計含5張CAD圖-獨家.zip

原油-汽油浮頭式換熱器設計含5張CAD圖-獨家.zip,原油,汽油,頭式,換熱器,設計,CAD,獨家 任務書 學院 XXX 專業(yè) XXX 班級 XX 學生姓名 XX 指導教師/職稱 XX 1．畢業(yè)設計(論文)題目： 原油-汽油換熱器設計 2．畢業(yè)設計(論文)起止時間： 20XX年 10月 30日～ 20XX年 06 月 05日 3．畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數據（指導教師選定部分） 換熱器設計原始數據： 項目 殼程 管程 設計壓力（Mpa） 1.5 1.2 操作溫度（進口/出口）℃ 256/220 20/800000 介質 汽油 原油 [1] 錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002 [2] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設計[M].南京：東南大學出版社，1989 [3] 潘國昌,郭慶豐.化工設備設計[M].北京：清華大學出版社，1996 [4] 鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005 [5] 尾花英朗著,徐忠權譯.熱交換器設計手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社,1982 [6] 卓震.化工容器及設備[M].北京：中國石化出版社，1998 [7] 董舒民,姜德林煉油廠換熱器腐蝕分析及防護[J].化工技術與開發(fā), 2006年10期 35卷. [8] 趙淑芝.換熱器技術新進展[J].石油化工動態(tài), 1996年4期 4卷 [9] 王海名.換熱器的強化傳熱[J].石油化工建設,2005年第2期第27卷 4．畢業(yè)設計(論文)應完成的主要任務 （1）開題報告1份 （2）設計說明書1份 （3）設計圖樣裝配圖1張 （4）主要零件圖樣3-5張 5．任務書下達日期 20XX年 10 月 30日 指導教師(簽字) 原油-汽油換熱器設計開題報告 一、題目來源及類型 生產實際 二、研究目的和意義 節(jié)約能源是當今世界的一種重要社會意識，是指盡可能的減少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行為。加強用能管理，采取技術上可行、經濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，從能源生產到消費的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費，有效、合理地利用能源。目前，在我國石油化工產業(yè)換熱器受到普遍的重視，而換熱器的廣泛應用性，決定了換熱器換熱性能的改善設計理論的不斷創(chuàng)新，企業(yè)經濟的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展都具有一定的積極作用為節(jié)約能源和保護環(huán)境有顯著的貢獻。國內一些技術設備依然落后于國外，我們應該不怕吃苦刻苦專研尋找各種技術的突破 三、主要參考文獻及資料名稱 [1] 錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002 [2] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設計[M].南京：東南大學出版社，1989 [3] 潘國昌,郭慶豐.化工設備設計[M].北京：清華大學出版社，1996 [4] 鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005 [5] 尾花英朗著,徐忠權譯.熱交換器設計手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社,1982 [6] 卓震.化工容器及設備[M].北京：中國石化出版社，1998 [7] 董舒民,姜德林煉油廠換熱器腐蝕分析及防護[J].化工技術與開發(fā), 2006年10期 35卷. [8] 趙淑芝.換熱器技術新進展[J].石油化工動態(tài), 1996年4期 4卷 [9] 王海名.換熱器的強化傳熱[J].石油化工建設,2005年第2期第27卷 [10]吳金星（編），《高效換熱器及其節(jié)能應用》，化學工業(yè)出版社，2009 [11]馬曉馳。國內外新型高效換熱器[J]?；みM展，2001，（01）：49-51 [12]盧煥章. 石油化工基礎數據手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社. 1982. [13]李世玉. 壓力容器工程師設計指南[M]. 北京：化學工業(yè)出版社. 1996 [14]Spence.J. Tooth.A.S.Pressure Vessels Design：Concepts and Principles. Oxford： Alden Press UK 1994. [15]熊勇剛1 機械CAD 參數化設計技術[ J ]1 機械科學與技術, 1999, 18 (6) : 1025～ 1029 [16]文懷興1 對話框技術在參數化繪圖中的應用[J ]1 西北輕工業(yè) 學院學報, 1999, 17 (3) : 36～ 39 [17]中華人民共和國國家標準GB1512891 鋼制管殼式換熱器[S ]1北京:學苑出版社, 1989 [18]賀小華1 化工設備常用結構的參數化CAD 設計[J ]1 南京化 工大學學報, 1997, 19 (4) : 17～ 21。 四、國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4.1 國內外現(xiàn)狀 管殼式換熱器是一個量大而品種繁多的產品，由于國防工業(yè)技術的不斷發(fā)展，換熱器操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強度材料。近年來，我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復合材料、鋁鎂合金及碳化硅等非金屬材料等方面都有不同程度的進展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強化傳熱，效果將更好，目前一些制造單位已較好的掌握了鈦材的加工制造技術。對材料的噴涂，我國已從國外引進生產線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導熱性，價格比鈦材便宜，應予注意[5]。近年來國內在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。根據國民經濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要，“十一五”期間我國經濟增長將保持年均7.5％的速度。而石化及鋼鐵作為支柱型產業(yè)，將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭，預計2010年鋼鐵工業(yè)總產值將超過5000億元，化工行業(yè)總產值將突破4000億元。這些行業(yè)的 發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。未來，國內市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產品質量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產品將是今后發(fā)展的重點；要求產品性價比提高；對產品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產品。 據統(tǒng)計，在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的40﹪-50﹪；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中約占30﹪-40﹪；在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設備，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70﹪；在制冷機中，蒸發(fā)器的質量要占制冷機總質量的30﹪-40﹪，其動力消耗約占總值的20﹪-30﹪。由此可見，換熱器的合理設計和良好運行對企業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都十分重要。提高換熱器傳熱性能并減小其體積，在能源日趨短缺的今天更是具有明顯的經濟效益和社會效益。 對國外換熱器市場的調查表明，管殼式換熱器占64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設備也繼續(xù) 向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器在結構方面也有不少新的發(fā)展。螺旋折流板換 熱器是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器是由美國ABB 公司提出的。其基本原理為:將圓截面的特制板安裝在”擬螺旋折流系統(tǒng)”中每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一其傾角朝向換熱器的軸線即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度使殼程流體做螺旋運動能減少管板與殼體之間易結垢的死角從而提高了換熱效率。在氣一水換熱的情況下傳遞相同熱量時該換熱器可減少30 %-40 %的傳熱面積節(jié)省材料20 %-30 %。相對于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象、卡門渦街從而提高有效傳熱溫差防止流動誘導振動;在相同流速時殼程流動壓降小;基本不存在震動與傳熱死區(qū)不易結垢。對于低雷諾數下(Re< 1 000) 的傳熱螺旋折流板效果更為突出。 4.2 生產需求狀況 換熱器廣泛地應用在工農業(yè)各個領域，在煉油、化工裝置中換熱器占總設備量和設備投資的40%左右。在換熱器設備中，因管殼式換熱器具有結構堅固、可靠性高、適應性大、材料范圍廣等優(yōu)。市場供需關系是影響市場變化的主要因素，在激烈地市 -3 場競爭中，企業(yè)及投資人能否全面準確地了解自己以及所處的環(huán)境，做出適時有效的市場決策是制勝的關鍵。市場供需情況就是為了解行情、分析環(huán)境提供依據，是企業(yè)了解市場和把握發(fā)展方向的重要手段，是輔助企業(yè)決策的重要工具。除了一些新材料新型換熱設備外管殼式換熱器需求量依然很大，如果能更近一步發(fā)展管殼式換熱器前途遠大。 五、主要研究內容、重點研究的關鍵問題及解決思路 5.1換熱器設計原始數據： 項目 殼程 管程 設計壓力（Mpa） 1.5 1.2 操作溫度（進口/出口）℃ 256/220 20/60 介質 汽油 原油 5.2主要研究內容? 第一部分：準備工作 查閱相關文獻資料了解固定管殼式換熱器的基本原理、性質及應用。在化工生產中的地位和作用、換熱器應用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、設計的理論基礎、技術路線及其意義。 第二部分：工藝計算 固定管殼式換熱器的結構和類型、操作條件的選擇和操作方式選擇。熱量衡算、物料衡算、傳熱膜系數的確定、傳熱面積的確定、壓力降計算。 第三部分：主要受壓元件強度計算 換熱器殼體、管箱短節(jié)、封頭厚度確定，容器法蘭、螺栓、墊片的校核計算，管板厚度的計算，開孔補強計算。 第四部分 計算機繪圖及說明書的編寫利用Auto CAD 軟件繪制出固定管殼式換熱器的裝配圖及各個零件圖，并編寫說明書。 六、完成設計所必須具備的工作條件及采取的措施方法 6.1 工作條件 按照設計的需要及老師的要求查閱技術文獻、資料手冊、工具書等。并且通過 -3 autoCAD軟件進行計算機繪圖。 6.2 采取的措施方法 行動研究法是一種適應小范圍教育改革的探索性的研究方法，起目的不在于建立理論，歸納規(guī)律，而是對教育活動和教育實踐中的問題，在行動研究中不斷地探索，改進工作，解決教育實際問題。行動研究將改革行動與研究工作相結合，與教育實踐的具體改革行動機密相連。（特點是邊執(zhí)行、邊評價、邊修改）。 模式：預診-——收集資料初步研究——擬定總體計劃——制定具體計劃——行動——總結評價 這個方法的具體特點： 一是具有動態(tài)性，所有的設想，計劃都處于一個開放的動態(tài)系統(tǒng)中，都有可修改的； 二是較強的聯(lián)合性與參與性； 三是在整個研究過程中，診斷性評價、形成性評價、總結性評價貫穿于行動研究法工作流程的始終。 首先要對研究過程進行考察。考察內容有：一是行動背景因素以及影響行動的因素。二是行動過程，包括什么人以什么方式參與了計劃實施，使用了什么材料，安排了什么活動，有無意外的變化、如何排除干擾。三是行動的結果，包括預期的與非預期的，積極和消極的。要注意收集三方面的資料，背景資料是分析計劃設想有效性的基礎材料，過程資料是判斷行動效果是不是、由方案帶來和怎樣帶來的考察依據;結果資料是分析方案帶來的什么樣的效果的直接依據。 7、 預期成果（達到目標） （1）開題報告1份 （2）設計說明書1份 （3）設計圖樣裝配圖1張 （4）主要零件圖樣3-5張 八、工作的主要階段、進度與時間安排 第1周 調研、收集資料、英文翻譯 第2周 英文翻譯、組織文獻 -3 第3周 組織文獻、撰寫開題報告 第4周 研究換熱工藝、確定設計方案 第6周 換熱工藝流程的計算、換熱器總圖設計 第8周 換熱器總圖的設計 第9周 換熱器總圖的設計 第10周 換熱器總圖的設計、主要零部件圖的設計 第11周 主要零部件圖的設計 第12周 指導老師全面審閱、修改圖紙 第13-15周 整理、撰寫論文、檢查、修改圖紙與論文 第16周 裝訂、檢查論文、準備答辯 九、指導老師審查意見 -3 原油-汽油換熱器設計 [摘要] 換熱器是用于各種物料之間進行熱量傳遞的過程設備。 在浮頭換熱器設計過程中，嚴格按照GB150-98《鋼制壓力容器》和GB151-99《鋼制管殼式換熱器》等標準進行設計和計算。 在本次的設計過程中，包括了兩個部分：計算部分和繪圖部分。計算部分主要是對筒體、封頭、管板、換熱管、法蘭、折流板、拉桿、鞍座等進行了設計和選型,并且，對殼體和管箱進行了開孔補強計算，最終選擇了浮頭式換熱器。除此之外，還參閱相關的設計手冊及大量的文獻，完成了一張總裝配圖和4張零件圖的繪制。 [關鍵詞]：換熱器，浮頭，設計 I Crude oil-?gasoline heat exchanger design [Abstract] Heat exchanger in oil refining,petrochemical,and widely used in other professions,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 structure,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 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 the engineering design, in addition to the series of training as much as possible, it is often designed according to its own specific conditions to meet the needs of the technology (the most efficient and economical manufacturing of heat exchangers supported by the most reasonable and appropriate conditions, So on). [Key words]:shell-and-tube heat exchanger;use;heat exchanger I 目錄 1 前言 1 1.1 換熱器的應用 1 1.2 換熱器的主要分類 1 1.3 換熱器簡介 6 1.4 選擇換熱器類型 6 2 工藝計算 7 2.1設計條件 7 2.2 初算換熱器傳熱面積 7 2.3 壓力降的計算 13 2.4 換熱器的壁溫計算 14 3 換熱器的結構設計及強度的計算 16 3.1 殼體與管箱厚度的確定 16 3.2 開孔補強計算 18 3.3 水壓試驗 22 3.4 換熱管 23 3.5 管板設計 24 3.6 折流板 28 3.7 拉桿與定距管 29 3.8 防沖板 31 3.9 保溫層 31 3.10法蘭與墊片 31 3.11 鉤圈式浮頭 33 3.12 分程隔板 39 3.13 鞍座 39 3.14 接管的最小位置 41 4 總結 43 參考文獻 44 致 謝 45 III 1 前言 換熱器是將熱流體的一部分的熱量傳遞給冷流體的換熱設備，使流體的溫度能夠滿足工藝過程的要求，又稱換熱器。換熱器是化工、汽油、電力、食品等工業(yè)部門常用的設備，在生產中起著重要作用。換熱器種類龐雜，但根據冷熱流體換熱的原理和方式，可大致分為三類：內壁式、混合式和再生式。在三種換熱器中，壁間換熱器是應用最廣泛的。 1.1 換熱器的應用 在工業(yè)生產中，換熱器的主要功能是將能量從高溫流體傳遞到低溫流體。達到流體溫度以滿足工藝要求。另外，換熱器也是收受接管廢熱、廢熱，特別是低熱能的有效裝置。 1.2 換熱器的主要分類 工業(yè)生產中，根據用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結構的換熱器。 1.2.1 換熱器的分類及特點 根據不同的傳熱方式，換熱器可分為三種類別： 1、直接接觸式換熱器 這種換熱器結構簡單，價格優(yōu)惠。它通常被制成一個塔，但它只適用于兩種流體在技術上混合的情況。 2、再生換熱器在這種換熱器中，換熱是由格子磚或填料等再生器完成的。 蓄熱式換熱器結構緊湊，價格低廉，單位體積傳熱面積大，更適合燃氣換熱的局面。 3、壁間換熱器 這是工業(yè)上使用最廣泛的換熱器。冷熱流體由固體壁分離，并且通過壁面進行傳熱。 1.2.2 管殼式換熱器的分類及特點 管殼式換熱器是最廣泛使用的換熱器中的一個。主要的構件有外殼，傳熱管束，管板，擋板，管箱等。具體的結構示于下圖。外殼是大多與管內的一束圓柱形的。管端部被固定到管板。該管的軸線平行于所述殼體的軸線。有兩種類型的熱流體和冷流體，一個是管內的流體，被稱為管側的流體，而另一個是在管外流體，被稱為殼側流體。為了增加在殼過程中的流體的速度，提高了傳熱性能，擋板設置在殼側。擋板可以增加流體的速度在殼，從而允許流體通過束多次在指定距離傳遞，從而增加了流體的湍流。 每次流體通過管束時稱為管程；每次流體通過殼體時的過程稱為殼程，圖0顯示了最簡單的單殼單管換熱器。為了提高管道內的流體速度，可在兩頭的箱體內安裝分離器，所有管道可分為若干組。這樣，流體一次只通過管道的一部分，因此它在管束中往來運動多次，稱為多管；類似地。多管多殼可同時使用。 該換熱器具有結構簡單，價格低廉的特點。多種結構材料是可用的。管容易清潔，適應性強，并且可在高溫和高壓下使用。然而，有必要提高每單位傳熱表面的熱傳遞效率，結構緊湊，以及金屬的消耗。 圖1 管殼式換熱器 固定管板換熱器:其結構如圖1所示。換熱器的管端通過焊接或收縮固定在兩個管板上,管板通過焊接與殼體連接。與其它類型的管殼式換熱器相比,結構簡單。當殼體直徑相同時,可以布置更多的管子。而且易于分割,制造成本較低。由于沒有彎曲部分，這是不容易在管道藏污納垢，即使它是臟的，很容易潔凈。如果管道泄漏或損害，很容易勸止或調換管，但它不能在管的外表面上機械清洗，并且難以檢查。不適合處。 45 理臟或有腐蝕性介質。的主要缺點是，當管壁溫度或材料的線性膨脹系數大大不同，該管殼會產生大的溫度差的應力。因此，為了降低溫度差應力，它通常需要在外殼上安裝一個膨脹接頭，和膨脹接頭能夠在外力作用下產生大的變形，并且所述束和之間的溫差應力套管被降低。 圖2 固定管板式換熱器 浮頭式換熱器：在圖2中它的結構中示出了管板的浮頭式換熱器的一個端部被固定在殼體上，并與管板在另一端是自由浮動在殼體中。在殼體和管束可自由膨脹。所以，當兩種介質間的溫度差較大時，管束與殼體之間沒有溫度差的應力。浮動端可以被設計為可拆卸的結構，從而使得管束可以容易地插入或著拉出外殼。(也可以設計為不可移動)。這為維護和潔凈提供了方便。但換熱器結構復雜,在運行過程中不知道浮頭的暴露情況。因此,安裝時應特別注意密封。 浮頭式換熱器的優(yōu)點是：（1）在管束可以取出以便于殼側的清洗;（2）在介質之間的溫度差沒有局限;（3），它可以在高溫和高壓下工作，并且溫度一般小于或者等于450度。壓力小于或等于6.4兆帕;（4）可在結垢嚴重的狀況下使用;（5）可以在上管側容易腐蝕的情況下使用。浮頭換熱器的缺點是:(1)浮頭小,容易發(fā)生內部泄漏;(2)金屬材料消耗量比較大,成本高約20%;3)結構稍微復雜 圖3 浮頭式換熱器 U型管換熱器：其結構示于圖3中管束被盤曲成不同的曲率半徑的U形管。U形管的兩頭被固定在同一個管板，以形成一個管束，從而消除了管板和管箱。由于管束從外殼分離，當加熱膨脹時，管束是不受約束，并且溫度差應力被消除了。因為彎頭的外壁較薄，管束的中間間隙是大的，并且U形管換熱器具有的壓力差承受能力和較差的熱傳遞能力的缺點。 圖4 U型管換熱器 U型管換熱器:其結構如圖3所示。一束管子彎成不同曲率半徑的U形管。U形管的兩端固定在同一管板上形成管束,從而清除了管板和管箱。由于管束與殼體分離,加熱膨脹時,有管束之間沒有束縛，消除了溫差應力。結構簡單，成本低廉，管束可在殼體被拉出，并且在管道外部的潔凈是方便的，但管內的潔凈是困難的，所以最好讓防污材料直接穿過管道。由于彎頭的外壁較薄，在管束的中間的間隙是大的，并且U形管換熱器具有的壓力差承受能力和較差的熱傳遞能力的缺點。 圖5 雙重管式換熱器 填料漏斗換熱器:圖5為填料漏斗換熱器的結構。管束一頭用填料密封,另一頭用螺栓夾在管箱法蘭和殼體法蘭之間。去除管箱、包裝蓋等相關部件后,即可將管束從殼體中取出,這是很容易清潔。管束可以自由地膨脹和收縮，并具有相同的優(yōu)點浮頭熱大的蓋殼體的的減少，該結構比浮頭式換熱器更簡單和成本低。然而，該填料是容易側漏，工作壓力和溫度的限制，并且直徑不應該太大。 圖6 填函式換熱器 1.3 換熱管簡介 換熱管是管殼式換熱器的重要傳熱元件。采用高效換熱元件是提高換熱器傳熱性能最妥當、最有效率的途徑。 殼管式換熱器具有應用有著悠久的歷史。作為一個傳統(tǒng)的標準熱交換器，殼和管式熱交換器已被廣泛應用于許多工業(yè)領域。特別是在化學，石油，能源設備和其他部門，殼和管式熱交換器中使用的熱交換器仍處于領先地位。因此，這種設計畢業(yè)的重點是工藝設計和浮頭熱交換器的結構設計。 1.4 選擇換熱器類型 兩流體溫度變化情況：原油進口溫度20℃，出口溫度60℃；汽油進口溫度256℃，出口溫度220℃。由于溫差較大和要便于清洗殼程污垢，故采用浮頭式列管換熱器為宜。 2 工藝計算 2.1 設計條件 表1汽油與原油的操作參數 原 油 汽 油 設計壓力 （Mpa） 進口溫度（°C） 出口溫度（°C） 流 量 （kg/h） 進口溫度 （°C） 出口溫度 （°C） 流 量 （kg/h） 20 80 44000 256 220 34000 1.5/1.2 定性溫度：取流體進、出口溫度的平均值。 ℃； （1） ℃； （2） 表2汽油與原油的物性參數 名稱 平均溫度（℃） 比熱kJ/kg·℃ 導熱系數W/（m·℃） 密度 kg/ m3 粘度（ ×10-3）Pa·S 熱阻（ ×10-3）m2·K/w 原油 50 3.17 0.140 805 8.10 0.52 汽油 238 2.89 0.089 685 0.262 0.52 2.2初算換熱器傳熱面積 2.2.1 流程安排 選擇汽油走殼程、原油走管程。以便于清理。 2.2.2估算換熱器傳熱面積 （1）傳熱計算（熱負荷計算） 熱負荷： （3） 式中：mc，mh——冷熱流體的質量流量，kg/s； cpc，cph——冷熱流體的定壓比熱，J/(kg·k)； ti，to——冷流體的進、出口溫度，k； Ti，To——熱流體的進、出口溫度，k。 理論上，=，實際上由于熱量損失，≠，通常熱負荷應該取max（，）。 ； ； 故。 （2）有效平均溫差的計算 ℃； （4） （3）按經驗值初選總傳熱系數 查表選得=180W/（㎡﹒℃）； （4）初算出所需的傳熱面積 ； （5） 2.2.3工藝結構尺寸 （1）管徑和管內流速 在φ25mm×2.5毫米較高等級的冷拔傳熱管（碳素鋼）被選擇，并且在管中的流動速度是UI =1.2米/秒。 （2）管程數和傳熱管數 依據傳熱管內徑和流速來確定單程傳熱管數 (根）； （6） 根據單管程進行計算，所需要的傳熱管長度為 ； （7） 根據單管程設計，傳熱管變長，因此可以采用多管程結構。依據本次設計的實際情況，采用標準設計，取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數為 （管程）； （8） 傳熱管總根數n=39×4=156（根） （3）殼體直徑 取用多管程結構，換熱管采用正方形排列法，查GB151-1999可知管心距Pt=32，分程隔板槽兩側相鄰管的中心距為44mm。殼體直徑按下式進行預算。取管板利用率η=0.6，則殼體直徑為 ； （9） 取D=1000mm。 （4）折流板 本次設計應用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，所以切去的圓缺高度為 h=0.25×1000=250mm； 故取h=250mm。 取折流板間距B=0.2D，則 B=0.2×1000=200mm； 取B=200mm 折流板數目NB 塊； （10） 2.2.4總傳熱系數K的校驗 總傳熱系數K的計算公式如下： ； （11） （1）管程流體傳熱膜系數 管程流體流通截面積： si=0.785×0.022×39=0.0122m2； （12） 管程流速： ； （13） 雷諾數： ； （14） 可知流體處于過渡流狀態(tài)； ； （15） 當流體處于過渡流狀態(tài)的時候，對流傳熱系數可先按湍流的公式計算，然后把計算結果乘以校正系數f，即可得到過渡流下的對流傳熱膜系數。 ； （16） 而湍流情況下的計算如下： 由于，因為原油是高粘性流體時，Sieder-泰特對比中的應用： ； (17) 工程，當液體被加熱時，取，當液體被冷卻，取，管式流體原油被加熱，則存在 W/（m2﹒K）； 故管內流體傳熱膜系數為： W/（m2﹒K）； (18) （2）殼程流體傳熱膜系數： 管程流體流通截面積： ； (19) 管程流速： ； (20) 當換熱管正方形陳列時，其當量直徑為 ； (21) 雷諾數： ； (22) ； (23) 故可用Kern法求，即： ； (24) 與都已經算出，而，， ，同時查鋼管壁熱導率為，則有 ； （25） 故，合適。 2.2.5校核平均溫差 與平均溫差有關參數的計算如下： ； （26） ； （27） 由已知的R值和P值，根據單殼程、6管工藝，通過檢查溫度校正系數圖可以得到溫度校正系數，因此，有效平均溫度差為： ℃ ； （28） ，采用單殼程合適。 2.2.6校核換熱面積 實際傳熱面積： ； （29） ； （30） 面積裕度： ； （31） 由此可知，滿足換熱器類型要求。 2.3壓力降的計算 按管程壓降、殼程壓降分別計算。 2.3.1管程壓力降 ； （32） 式中：——結構修正系數，對于的管子，采取Ft=1.4；對于的管子，采取Ft=1.5； ——管程數； ——串聯(lián)的殼程數。 由Re=2365，傳熱管的相對粗糙度為0.1，查λ-Re雙對數坐標圖可以得出λ=0.04 ； （33） ； （34） ； 經查，管程壓力降在允許的范圍內。 2.3.2殼程的壓力降 當擋板安裝在殼體側時，管子外部的流體流動是平行流動和交叉流動的重合。雖然管束是筆直的，但流動會變復雜。源于制造和安裝公差當中不可避免的縫隙，可能發(fā)生側漏和旁路，由于在熱交換器管中橫向清洗流體引起的渦流，使得流動變得更加的復雜。 下面通過埃索法來計算： ； （35） 式中：——流體通過管束的壓力降，Pa； ——流體通過折流板缺口的壓力降，Pa； ——殼程壓力降的結垢修正系數，1.15可用于液體；1.0氣體。 ； （36） ； （37） 式中：——管子陳列方法對壓力降的修正系數，三角形排列。正方形排列，轉置正方形排列； ——殼程流體的摩擦系數，當時，； ——橫過管束中心線的管子數，對于三角形排列；對于正方形排列； ； （38） ； （39） 則有： Pa； Pa； ； 經查，殼程壓力降在允許的范圍內。 2.4換熱器壁溫計算 2.4.1換熱管壁溫計算 熱流體側的壁溫： ； （40） 冷流體側的壁溫： ； （41） ℃。 （42） 2.4.2圓筒壁溫的計算 由于熱交換器殼體具有在外部具有良好的絕緣層，所述殼壁溫度下進行的殼側流體的平均溫度：℃。 3 換熱器結構設計與強度計算 3.1殼體與管箱厚度的確定 設計溫度選擇為350℃;設計壓力是2.5兆帕。 3.1.1殼體和管箱材料的選擇 綜合成本和運行條件，選用Q345R作為管殼箱材料。 焊接方法：被選擇為雙面焊接的對接接頭，100％的非破壞性測試，因此焊接系數：。 根據GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對Q345R鋼板其。 假設材料的許用應力兆帕MPa（當厚度為6～16mm），如下所述殼的計算的厚度的計算方法： ； （43） 設計厚度； 名義厚度（是向上圓整量）； 檢查最小厚度為12mm，則厚度符合要求，檢查后，沒有變化，所以它是適合的。 3.1.2管箱厚度計算 管箱由兩部分組成：短節(jié)和頭部，由于前后管箱的形式不同，因此前后管箱的厚度計算是分開的。 （1）前端管箱厚度計算 由于橢圓封頭的應力分布很均勻，橢圓封頭的深度比半球形封頭要小，所以前管箱是橢圓的，易沖壓成形。 此時，標準橢圓形封頭被選用，故，和上述相同，所以封 頭計算厚度為： ； （44） 設計厚度； 名義厚度（為向上圓整量）； 經過檢查，無變化，查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》可以得到封頭的參數型號如下： 表3 DN1000標準橢圓形封頭參數 DN(mm) 總深度H(mm) 內表面積A(m2) 容積V(m3) 封頭質量（kg） 1000 275 1.1625 0.1505 109.1 短節(jié)部分的厚度和封頭處的厚度都為12mm。 （2）后端管箱厚度計算 外頭蓋的內直徑為1100mm，這可在“浮頭蓋計算”部分看到。 標準橢圓形封頭被選用，，和上述一樣，所以計算厚度為： ； 厚度； 故取厚度為13mm 查得，沒有變化，合適。查得JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的參數型號如下： 表4 DN1100標準橢圓形封頭參數 DN(mm) 總深度H(mm) 內表面積A(m2) 容積V(m3) 封頭質量（kg） 1100 300 1.3980 0.1980 153.3 短節(jié)部分的厚度和封頭處厚度都是14mm。 3.2開孔補強計算 本次畢業(yè)設計的浮頭換熱器，殼程流體進出口布置在殼程上，管程流體進出口布置在前管箱上，換熱器上不可避免地要開孔。開孔不僅削弱了換熱器壁的強度，而且破壞了管殼之間的連接，產生較大的局部應力，給換熱器的安全運行帶來隱患。因此，有必要對結構開孔進行補強設計，以保證換熱器的正常運行。 3.2.1殼體開孔補強設計 殼程出口和入口的公稱直徑都是350mm，應該按照無縫鋼管厚度系列，選擇接管的規(guī)格為mm，外伸高度為200mm，接管為20號碳鋼管。 （1）補強及補強方法判別： 補強判斷：根據GB150表8-1，不允許額外補強的最大接管外徑為，本次開孔接管外徑為377mm，因此再需考慮其補強。 開孔直徑： ； （45） 上述滿足等面積法開孔補強計算的要求，所以可以使用等面積法進行開孔補強計算。 （2）開孔補強面積計算： 強度削弱系數： ； （46） 接管有效厚度： ； （47） 開孔所需補強面積： ； （48） （3）有效補強范圍： 有效寬度B： ； （49） 有效高度： （a）外側有效高度為： ； （50） （b）內側有效高度為： ； （51） （4）有效補強面積： 殼體有效厚度： ； （52） 殼體多余的金屬面積： ； （53） 接管計算厚度： ； （54） 接管多余金屬面積： ； （55） 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）： ； （56） 有效補強面積： ； （57） （5）另需補強面積： ； （58） 采用補強圈補強，依據接管公稱直徑DN350，對照JB/T4736-2002補強圈的標準，取用D型坡口的補強圈，其外徑，內徑。因為，所以補強圈在有效的補強范圍。 補強圈的厚度： ； (59) 圓整到標準系列，。 3.2.2前端管箱開孔補強設計 管程出入口公稱直徑都為250mm，依據無縫鋼管厚度系列，選擇接管的規(guī)格是mm，外伸高度是200mm，接管是20號碳鋼管。 （1）補強及補強方法判別： 補強判斷：依據GB150表8-1，不允許額外補強的最大接管外徑為，本次開孔接管外徑為273mm，所以需要另行考慮其補強。 開孔直徑： ； (60) 滿足等面積法開孔補強計算的要求，所以可以選用等面積法進行開孔補強計算。 （2）開孔補強面積計算： 強度削弱系數： ； (61) 接管有效厚度： ； (62) 開孔所需補強面積： ； (63) （3）有效補強范圍： 有效寬度B： ； (64) 有效高度： （a）外側有效高度為： ； (65) （b）內側有效高度為： ； (66) （4）有效補強面積： 殼體有效厚度： ； (67) 殼體多余的金屬面積： ； (68) 接管計算厚度： ； (69) 接管多余金屬面積： (70) 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）： ； (71) 有效補強面積： ； (72) （5）另需補強面積： ； (73) 采取補強圈補強，依據接管公稱直徑DN250，對照JB/T4736-2002補強圈的標準，采用D型坡口的補強圈，外徑為，內徑為。由于，所以補強圈在有效補強范圍內。 補強圈的厚度： ； (74) 圓整到標準系列，。 3.3 水壓試驗 設試驗溫度為常溫，則有 ； (75) 則校核水壓試驗時圓筒的薄膜壓力： 。 （76） 3.4 換熱管 采用mm的換熱管，20號鋼為選用材料。 3.4.1 換熱管的排列方式 換熱管在管板上的布置形式主要有三角形布置、方形布置、角三角形布置和角方形布置。正三角形布置可以在同一管板區(qū)域布置最多數量的管子，因此最常用，但不容易清理管子外部。為了便于管外清潔，可采用方形或角方形布置的管數。 圖7 換熱管排列形式 檢查GB151-1999，熱交換管的中心距離Pt=32mm，并在相鄰的管的上分割分區(qū)箱的兩側上的中心距為44毫米；與此同時，因為熱交換管所需要的管之間的機械清洗，在相鄰的兩個管中的間隙距離（SD）在兩者之間不應該小于6mm。 3.4.2 布管限定圓 ； （77） 根據GB151-1999得，b=5，b1=5，bn=13.5，故b2= bn+1.5=15，所以 。 3.4.3 排管 拉桿應該均勻布置在管束的外邊緣，在折流板缺邊處布置拉桿，距離小于或著等于700mm。拉桿中心到折流板缺邊的距離最好控制在換熱管中心距（0.5～1.5）的范圍。 多管式換熱器應具有相同的數目的管中的每個處理，并且相對誤差應在10％之內進行控制，最大不應超過20％。 相對誤差計算： ； （78） 式中：——各程的平均管數； ——各程中最小或最大的管數。 3.5 管板設計 管板是殼和管式熱交換器中的重要部件之一。它被用來安排換熱管在管側的流體從所述殼側流體中分離，避免了熱和冷流體的混合，并且還壓力和管側的溫度和殼側。由于流體的低腐蝕性，在工程中常用的單片16MnR鋼管板被使用 3.5.1 管板與殼體的連接 因為浮頭式換熱器要求管束必須要從殼體上拆分下來進行潔凈和修護，所以換熱器固定端的管板選擇可以拆卸的連接方式。 3.5.2 管板計算 （1）管板名義厚度計算： 管板外圓直徑選用1087mm（依據JB4703—1992，A1000—2.5中D4）； 密封面寬度： ； (79) 則 mm， （80） mm； （81） ； （82） mm2； （83） mm2； （84） ; （85） mm2； （86） ； （87） ； （88） ，； （89） L為熱交換管的有效長度，等于兩管板的內部的長度，并且所述管板的公稱厚度（包括結構尺寸），則： 。 （90） 查GB150可知，；則： ； （91） ； （92） ； （93） ； （94） 查GB151—1999圖23（b），得C=0.41，查GB150—1998表F2,，。 ； （95） 根據GB151—1999圖32查算： ； （96） 查GB151—1999附錄J，i=8.004mm ； （97） ； （98） 管板計算厚度為： ； （99） 管板的公稱厚度為計算厚度加上結構尺寸和腐蝕裕量； 管側：結構開槽5mm，C2=3mm（小于開槽深度，不計入）； 殼側：結構尺寸為零，C2=3mm。 ； 取=85mm。 原設=100mm，計算值為=85mm；重新假設=85mm，重復以上步驟進行計算： ； （100） ； （101） ； （102） ； （103） 重查C，得，則： (104) ； 故取=85mm是合適的。 （2）換熱管的軸向應力校核： 軸向應力應按下列三種條件分別計算： 管程設計壓力，殼程設計壓力： ； ； (105) ； (106) ； (107) 查GB151—1999圖24（b）得 ； (108) ，校核通過。 殼程設計壓力，管程設計壓力： ； (109) ； (110) ； (111) ； (112) 查GB151—1999圖24（b）得 ； (113) ，校核通過。 殼程設計壓力與管程設計壓力同時作用： ； (114) ； (115) ； (116) ，校核通過。 它可以從上面的三個工作條件，該熱交換管的軸向應力是正確的是已知的，并且該熱交換管的軸向應力滿足要求。 （3）換熱管與管板連接的拉脫力校核： ——取換熱管軸向應力三種工況的絕對值最大值，故 ——換熱管最小伸出長度，查GB151-1999可知 ； ——最小坡口深度，； ； (117) ； (118) 許用拉脫力： ； (119) ，校核通過。 3.6 折流板 擋板可以增加殼側流體的速度，增加湍流，并且可以垂直沖洗管式流體用來改善熱傳遞，增加了殼側流體的傳熱系數，并減少結垢。它們還支持水平熱交換器。常見的擋板是弓形的且圓盤狀。有三種類型的弓導流板：單蝴蝶結，雙弓和三鞠躬。然而,單弓形折流板在工程中得到了廣泛的應用。 3.6.1 折流板的型式和尺寸 在這個過程中的設計，在環(huán)形擋板的兩端選擇，并且所述單弓擋板在中間，其被布置在向上和向下方向上使用。這可能會導致液體的嚴重干擾，增加傳熱膜系數，并且還支持浮頭。 為了材料的便利，選擇折流板的材料為16MnR，通過上述計算，弓形缺口高度為250mm，折流板的間距為200mm，數量為29塊，查GB151-1999可知折流板的最小厚度為8mm，故此時可選其厚度為8mm。同時查GB151-1999可知折流板名義外直徑為。 3.6.2 折流板排列 該臺換熱器折流板排列示意圖如下所示： 圖8 折流板排列示意圖 3.6.3 折流板的布置 管束兩頭的折流板應該盡可能靠近殼程進、出口管，其余折流板按照等距離布置?？拷馨宓恼哿靼迮c管板間的距離l應按下式計算： ； (120) 式中：——殼程接管位置的最小尺寸，mm； ——管板的名義厚度，mm； ——獲得耐沖擊板的長度，如果沒有防撞擊板，它應該是管道，毫米的內徑； 3.7 拉桿與定距管 3.7.1 拉桿的結構形式 常見的拉桿有兩種：固定節(jié)距拉桿管結構，可以用于外徑大于或著等于19mm的換熱器管束；拉桿和擋板的點焊結構；外徑小于或等于14mm的管束。當管板較薄時，也可采用其他連接結構。 本次設計換熱管的外徑為25 mm，可以選用橫拉桿定距管結構。這個換熱器的橫拉桿兩端都是螺紋連接的。 3.7.2 拉桿的直徑、數量及布置 其具體尺寸如下圖所示： 圖9 拉桿的連接尺寸 表5 拉桿的參數 拉桿的直徑d 拉桿螺紋公稱直徑dn La Lb b 拉桿的數量 16 16 20 ≥60 2 8 其中拉桿的長度L按需要確定。 3.7.3 定距管 定距管的規(guī)格和換熱管一樣，長度需要實際情況確定。本臺換熱器定距管的布置可以參照部件圖。 3.8 防沖板 防沖板是為了減少流體的不均分布和流體對換熱管端的直接沖蝕而固定在殼程進口處的保護裝置，由于殼程流體 ； (121) 而且管程流體的流速，所以在本臺換熱器中沒必要設置的殼程與管程的防沖板。 3.9 保溫層 根據設計溫度選取保溫層材料，脲甲醛泡沫塑料，其物性性能如下： 表6 保溫層物性參數 密度 （kg/