浮頭式換熱器設(shè)計(jì)（全套CAD圖+說明書+開題報(bào)告+翻譯）
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浮頭式換熱器設(shè)計(jì)
摘要： 本次設(shè)計(jì)的題目是浮頭式換熱器。浮頭式換熱器是管殼式換熱器的換熱器系列中的一種，它的特點(diǎn)是兩端管板只是一端與外殼固定，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭式。浮頭由浮動(dòng)管板鉤圈和浮頭端蓋組成。它不會(huì)因?yàn)楣苁g的差脹而產(chǎn)生溫差熱效應(yīng)，同時(shí)還具有拆卸方便、易清洗的優(yōu)點(diǎn)，另外與其他類型的管殼式換熱器一樣，能在高溫、高壓下工作，所以在化工工業(yè)方面應(yīng)用廣泛。本設(shè)計(jì)中的浮頭式換熱器主要參照GB151在給定的設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，然后對筒體、管束、浮頭端進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核，對于換熱器的一些零部件則根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)查找標(biāo)準(zhǔn)。對于具體的設(shè)計(jì)步驟與準(zhǔn)則在設(shè)計(jì)說明書中有詳細(xì)的說明。
關(guān)鍵字:換熱器；浮頭；管板；鉤圈
The design of floating-head heat exchanger
Abstract: The topic of my study is the design of floating-head heat exchanger. The floating-head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed， while another can float in the shell， so called floating head. The floating head floating tube sheet hook and loop and floating head cover. It is not because of the differential expansion between the tubes and the temperature difference between the thermal effects, but also has to facilitate the demolition, the advantages of easy to clean, but in addition it can work in high temperature and high pressure same as the other tube and shell heat exchanger, so widely used in the chemical industry. The design of the floating head heat exchanger major reference GB151,first make process design in a given design conditions, and then on the cylinder, tube, floating head end, a detailed mechanical structural design, calculation and check, for some of the heat exchanger components according to the design parameters. The specific design steps and design criterion is described in design specification.
Keywords: heat exchanger; floating head; tube plate; hook and loop
目 錄
前言……………………………………………………………………………………1
1. 概述……………………………………………………………………………… 2
1.1 研究的目的和意義……………………………………………………………………… 2
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢……………………………………………………… 2
1.3本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容……………………………………………………………… 3
2. 換熱器工藝設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 4
2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)………………………………………………………………………… 4
2.2設(shè)計(jì)方案 ……………………………………………………………………………… 4
2.3物性參數(shù)的確定 …………………………………………………………………… 4
2.4 估算傳熱面積………………………………………………………………………… 5
2.5 確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………………………………… 6
2.5.1傳熱管的選擇 ……………………………………………………………………… 6
2.5.2傳熱管數(shù)與管程數(shù) ………………………………………………………………… 6
2.5.3平均傳熱溫差的校正以及殼程數(shù) ………………………………………………… 6
2.5.4傳熱管的排列以及分程 …………………………………………………………… 8
2.5.5殼體內(nèi)徑 ……………………………………………………………………… 9
2.6 換熱器的核算…………………………………………………………………………… 9
2.6.1 熱流量的核算……………………………………………………………………… 9
2.6.2 壁溫的核算………………………………………………………………………… 13
2.6.3 換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力的核算……………………………………………………15
3. 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 19
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………………… 19
3.2 管箱與圓筒 …………………………………………………………………………… 20
3.3 分程隔板……………………………………………………………………………… 22
3.3.1分程隔板厚度……………………………………………………………………… 22
3.3.2分程隔板槽………………………………………………………………………… 22
3.4 換熱管 ………………………………………………………………………………… 22
3.5 接管…………………………………………………………………………………… 23
3.6 浮頭管板與鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………24
3.7 管法蘭………………………………………………………………………………… 26
3.8 布管限定圓…………………………………………………………………………… 27
3.9 拉桿的尺寸、數(shù)量以及布置………………………………………………………… 28
3.10 折流板與支承板……………………………………………………………………… 30
3.10.1折流板…………………………………………………………………………… 30
3.10.2支撐板…………………………………………………………………………… 33
3.11 防沖板與導(dǎo)流筒……………………………………………………………………… 33
3.12 支座…………………………………………………………………………………… 33
3.13 外頭蓋側(cè)法蘭………………………………………………………………………… 35
3.14 管箱法蘭以及管箱側(cè)殼體法蘭……………………………………………………… 36
3.15 固定端管板 ………………………………………………………………………… 37
3.16 排氣管與排液管……………………………………………………………………… 37
3.17 防短路結(jié)構(gòu)………………………………………………………………………… 38
3.17.1旁路擋板………………………………………………………………………… 38
3.17.2擋管…………………………………………………………………………………39
3.18 連接…………………………………………………………………………………… 39
4. 換熱器的強(qiáng)度校核…………………………………………………………… 41
4.1 筒體的壁厚校核…………………………………………………………………… 41
4.2 外頭蓋短節(jié)與封頭厚度校核 ……………………………………………………………41
4.3 管箱短節(jié)與封頭厚度校核……………………………………………………………… 43
4.4 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 ………………………………………………………………44
4.5 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 …………………………………………………………………45
4.6 固定管板的校核…………………………………………………………………………46
4.7 浮頭管板以及鉤圈的校核 …………………………………………………………… 49
4.8 無折邊球封頭的計(jì)算 ………………………………………………………………… 51
4.9 浮頭法蘭計(jì)算 ……………………………………………………………………… 52
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 55
外文翻譯………………………………………………………………………… 56
謝辭……………………………………………………………………………… 73
第 73 頁 共 78 頁
前 言
換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的一種設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用，在各個(gè)化工相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
在工業(yè)生產(chǎn)中，人們通過換熱器來將熱量從一溫度較高的物料傳遞到另一溫度較低的物料。例如，在合成氨的生產(chǎn)中，通過廢熱鍋爐來降溫以實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的；在精餾塔結(jié)構(gòu)中設(shè)置冷凝器；用換熱器來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱等等。這都是換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
換熱器按結(jié)構(gòu)形式分成好幾種，其中管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。本次設(shè)計(jì)的是浮頭式換熱器，是管殼式換熱器的一種，和其他管殼式換熱器一樣，能適應(yīng)高溫、高壓的工作環(huán)境，同時(shí)，還容易清潔，但造價(jià)比較貴。在設(shè)計(jì)的過程中，我根據(jù)設(shè)計(jì)說明書，翻閱了相關(guān)資料，查了相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，從工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度校核等方面設(shè)計(jì)出了符合條件的浮頭式換熱器，并繪制了圖紙。
本次設(shè)計(jì)是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)成果的檢驗(yàn)，但因?yàn)楸救怂接邢?、知識(shí)比較匱乏，設(shè)計(jì)中難免有錯(cuò)誤以及不當(dāng)之處，希望各位老師、同學(xué)能給予指正。
1. 概述
1.1 研究的目的和意義
在化工、煉油、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中，絕大部分的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些被總稱為換熱過程，而使這些換熱過程得以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備稱為換熱設(shè)備,作為通用工藝設(shè)備被廣泛應(yīng)用于化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其他許多工業(yè)部門。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在化工廠，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%～20%；在石油煉廠中，約占全部工藝設(shè)備投資的35%～40%?？梢钥闯鲈谔岣邆鳠嵝实耐瑫r(shí)，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性以及產(chǎn)品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化與專業(yè)化不僅可以對現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行提高，還能節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本。
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢
上個(gè)世紀(jì)70年代初發(fā)生世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD（計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)）、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)等形成一個(gè)高技術(shù)體系。最近十幾年，強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，國內(nèi)外先后推出了板式、螺旋板式、板翅式等高效的傳熱設(shè)備。
早期，我國換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，由于工藝以及技術(shù)的限制，當(dāng)時(shí)的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，不但傳熱面積小，而且體積大、笨重。近年來，借著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展良好機(jī)遇，的國內(nèi)的換熱器制造技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展，各種類型和種類的換熱器發(fā)展猛烈，使用新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)，但與國外有不小的差距，特別是在新型高效換熱器領(lǐng)域。
未來，國內(nèi)市場需求將會(huì)有以下特點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量水平應(yīng)有更高的要求，特別是在環(huán)保與節(jié)能方面，更是發(fā)展的重點(diǎn)方向；產(chǎn)品的性價(jià)比應(yīng)該更高；產(chǎn)品的多樣化與系列化；產(chǎn)品品牌的需求；生產(chǎn)廠家的大型化與集團(tuán)化。
在國外二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)了板式換熱器，一出現(xiàn)就應(yīng)用在了食品行業(yè)。板式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好，后來被發(fā)展出了多種結(jié)構(gòu)形式。30年代初，瑞典制成了螺旋板換熱器，接著英國用釬焊法制成了由銅及其合金材料制造的板翅式換熱器，并應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱。30年代末，瑞典又首次制成了板殼式換熱器，并應(yīng)用于紙漿工廠。同時(shí)，腐蝕問題漸漸被人們重視，越來越多的人注意到了新材料的應(yīng)用。到了60年代，隨著制造工藝的進(jìn)一步完善，緊湊型板面式換熱器得到了蓬勃的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為了滿足在高溫、高壓條件下的工藝要求，典型管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步發(fā)展，增加了強(qiáng)化傳熱。70年代，逐漸向體積減小、重量減小、消耗減少、適應(yīng)性增強(qiáng)方面發(fā)展。
在國外市場，現(xiàn)如今，雖然板式換熱器發(fā)展迅速，市場競爭力不斷上升，但管殼式換熱器仍占住著主導(dǎo)地位。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，換熱設(shè)備也漸漸向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。
1.3本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)的是浮頭式換熱器，是管殼式換熱器的一種，具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在現(xiàn)如今的各種換熱器中占住著主導(dǎo)地位。
該換熱器設(shè)計(jì)參考的前提是常減壓裝置中的工藝條件，根據(jù)裝置工藝條件選擇具體的流量、溫度、壓力等參數(shù)。浮頭式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；介質(zhì)間溫差不受限制；可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450°，壓力小于等于6.4MPa；可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；可用于管程易腐蝕場合。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，制造安裝要求高。
浮頭式換熱器是由管箱、筒體、管板、封頭、折流板、換熱管等零部件組成，根據(jù)換熱管材料、尺寸、管數(shù)、管程壓力、管壁溫度、管程數(shù)以及殼體材料、內(nèi)徑、厚度、殼程壓力、溫度等條件下確定管板的厚度、折流板的形狀、尺寸與數(shù)量、折流板的布置情況和確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)已知的工作狀況，選定換熱器所在的化工工藝過程，從而根據(jù)工藝條件，以確定換熱器內(nèi)介質(zhì)的物性參數(shù)；根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合已知條件，進(jìn)一步計(jì)算換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后進(jìn)行換熱器核算。
2. 換熱器工藝設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)
滑油流量50m3/h， 進(jìn)口溫度45℃,出口溫度40℃,冷卻水流量54m3/h,進(jìn)口溫度33℃，管程殼程操作壓力為0.435MPa。
2.2設(shè)計(jì)方案
換熱器按設(shè)計(jì)要求選擇浮頭式換熱器。
如下圖所示，循環(huán)冷卻水容易結(jié)垢，而且，當(dāng)流速慢的時(shí)候，結(jié)垢的速度還會(huì)增長，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器的流量下降。綜合考慮，水走管程，滑油走殼程，選擇逆流。
圖2.1 并、逆流示意圖
2.3物性參數(shù)的確定
對于一般滑油和水，粘度低，定性溫度可以取進(jìn)出口溫度的平均值，則滑油的定性溫度為：
T==42.5℃
查取滑油在42.5℃下的物性參數(shù)有：
密度 ＝876 kg/
定壓比熱容 =1.955 kJ/(kg·K)
熱導(dǎo)率 =0.144 W/(m·K)
粘度 =0.21 pa·s
則熱流量為：
=qv△=1.955×50×876×(45-40)=428145kJ/h
即==119 kw
其中，qv——體積流量 /h
假設(shè)冷卻水的出口溫度為35℃
則水的定性溫度為：
T==34℃
查物性表可得水在34℃下的物性參數(shù)為：
密度 ＝994.3 kg/
定壓比熱容 =4.174 kJ/(kg·K)
熱導(dǎo)率 =0.624 W/(m·K)
粘度 =0.742× Pa·s
由熱流量得冷卻水的溫差：
△=/（qv）=428145/(4.174×54×994.3)=1.9℃
故假設(shè)比較合理。
則總傳熱系數(shù)K取經(jīng)驗(yàn)值為：
K=510 W/(㎡·K)
2.4估算傳熱面積
按純流體計(jì)算，由于
=(45-35)/(40-33)=1.4<2
所以
△tm==(10+7)/2=8.5 K
可求換熱面積為：
=/(K·△)=119/(510×8.5)=27.5 ㎡
2.5確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸
2.5.1傳熱管的選擇
小管徑的結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積大，成本少，故選19×2較高級(jí)冷拔換熱管(材質(zhì)為碳鋼)，取管內(nèi)流速為u=1.3m/s。
2.5.2傳熱管數(shù)與管程數(shù)
單程傳熱管數(shù)為：
＝V/(u)=＝65.3根
則傳熱管長度為：
L＝/＝27.5/（3.14×0.015×65）= 8.98 m
一般按四管程設(shè)計(jì)會(huì)使傳熱管長度適中，則取管長為：
L=2.25 m
則傳熱管總根數(shù)為：
=65×4＝260 根
2.5.3平均傳熱溫差的校正以及殼程數(shù)
換熱器采用的是多殼程，則流體的流動(dòng)形式不是純粹的并流與逆流，使得平均溫差的計(jì)算變得復(fù)雜。對于錯(cuò)流或復(fù)雜流動(dòng)的流體的平均溫差，查設(shè)計(jì)手冊知，常用圖算法，過程如下：
R= (-)/(-)=(45-40)/(35-33)=2.5
P= (-)/(- )=(35-33)/(45-33)=0.167
其中 R——熱流體的溫降/冷流體的溫升
P——冷流體的升溫/兩流體最初溫差
、——熱流體進(jìn)、出口溫度 ℃
、——冷流體進(jìn)、出口溫度 ℃
按單殼程、四管程結(jié)構(gòu)，查圓筒和管子幾何參數(shù)計(jì)算圖有：
圖2.2 單殼程管子參數(shù)圖
圖2.3 四殼程管子參數(shù)圖
則平均傳熱溫差校正系數(shù)為：
＝0.96＞0.8，故單殼程合適
求得平均傳熱溫差為：
=·Δtm=0.96×8.5=8.16℃
2.5.4傳熱管的排列以及分程
換熱管排列方式主要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列可以在同樣的管板面積上排更多的管子，但是管外不易清理，故采用組合排列法。即管程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)用正方形排列，如下圖所示。
圖2.4 傳熱管排列方式
換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱器外徑，根據(jù)常用的換熱器中心距表有：
表2.1 換熱器中心距
換熱器中心距為：
S=25 mm
分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距為：
Sn=38 mm
結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖2.5 分程隔板槽結(jié)構(gòu)
2.5.5殼體內(nèi)徑
殼體內(nèi)徑為：
D= 1.05t
其中， t —管心距 mm
N —傳熱管的總根數(shù)
——傳熱管外徑 mm
η ——管板利用率
換熱器采用多管程結(jié)構(gòu)，取η=0.6，則
D=1.05×25=546.4 mm
圓整可取 D=600 mm
2.6換熱器的核算
2.6.1 熱流量的核算
當(dāng)量直徑為：
=4[(/2)×-0.785×]/(3.14×0.019)=0.017 m
殼程流通截面積為：
=BD(1-/t)=0.18×0.6(1-0.019/0.025)=0.0259 ㎡
殼程流體流速為：
=/=(50/3600)/0.0259=0.54 m/s
則雷諾數(shù)為：
=/=0.015×0.54×876/0.21=33.79＜2300，層流
普蘭特?cái)?shù)為：
＝/＝1955×0.21/0.144= 2851
又因?yàn)?
＝2851×33.79×0.015/2.25=642.2﹥10
努塞特?cái)?shù)公式為 Nu=.d/
其中 ——傳熱系數(shù)
d ——流體特征常數(shù)
——熱導(dǎo)率
則傳熱系數(shù)為：
其中，粘度校正≈1
所以
=1.86×(2851×33.79×0.015/2.25×=154W/(㎡·K)
對管內(nèi)，假設(shè)冷卻水為湍流流動(dòng)，則
Nu=0.023
得 =
根據(jù)化工原理可知： 自來水被加熱時(shí)，n=0.4
所以，管程流體流通截面積為：
=(π/4)·d2·ns=0.785××=0.012㎡
求得管程流體流速為：
==1.25 m/s
可得雷諾數(shù)為：
Re= d2/==25125.5＞100000
所以，假設(shè)成立，即冷卻水為湍流
普蘭特?cái)?shù)為：
＝/==4.96
代入公式可得：
=0.023××(25125.5×=6013 W/(㎡·K)
查《GB151-1999管殼式換熱器》F7.1表F1有：
管外側(cè)污垢熱阻 =0.000176㎡·℃/W
管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 =0.0006㎡·℃/W
又查表F3得
碳鋼在給定設(shè)計(jì)條件下的熱導(dǎo)率約為51.8 W/(m·℃)
則管壁熱阻為：
===0.00004 ㎡·℃/W
其中 b――傳熱管厚度 m；
――管壁熱導(dǎo)率 W/(m·℃)
由公式得
傳熱系數(shù)為：
K=
=514 w/m2·K
由公式得：
=＝28.4㎡
又換熱器的實(shí)際換熱面積為：
＝＝3.14×0.019×2.25×260=34.9㎡
所以換熱器的面積裕度為：
H===22.9％＞20％
所以傳熱面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。
2.6.2 壁溫的核算
該換熱器的管壁比較薄，而且管壁熱阻非常小，所以管壁溫度公式為：
又因?yàn)樵摀Q熱器用循環(huán)水冷卻，在冬季工作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)出口溫度會(huì)比較低。取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度15℃、出口溫度39℃來計(jì)算傳熱管壁溫。
同時(shí)，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻比較大，這會(huì)使得傳熱管壁溫升高，從而降低了傳熱管與殼體之間的壁溫差。但是，在操作初期，傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻比較小，則傳熱管與殼體之間壁溫差會(huì)比較大。計(jì)算時(shí)，應(yīng)該按最不利的操作條件來考慮，故，取兩側(cè)的污垢熱阻為零來計(jì)算傳熱管壁溫。
所以，公式可以寫為：
其中 ――熱流體的平均溫度，℃
——冷流體的平均溫度，℃
——熱流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)
——冷流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)
液體的平均溫度為：
==34℃
=42.5℃
其中 ——熱流體進(jìn)口溫度，℃
——熱流體出口溫度，℃
——冷流體進(jìn)口溫度，℃
——冷流體出口溫度，℃
所以傳熱管的平均壁溫為：
=34.2℃
殼體壁溫可以近似的取殼程流體的平均溫度為： T=42.5℃
所以，殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為：
△ t=42.5-34.2=8.3℃
該溫差較小，實(shí)際上可以不使用浮頭式，但是按設(shè)計(jì)要求選用浮頭式。
2.6.3 換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力的核算
管程流體總阻力為：
其中 ——單程直管阻力；
——局部阻力；
——?dú)こ虜?shù)；
——管程數(shù)
——管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，可近似的取值為1.5
由前面可得 =1 ， =4
又=25125，則傳熱管的相對粗糙度為：
==0.013
查化工原理摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)以及相對粗糙度的關(guān)聯(lián)圖可得：
=0.04
又流體速度u=1.25 m/s,=994.3 kg/ ,局部阻力系數(shù)=3.0
所以
==4661 Pa
==2330 Pa
=(4661+2330)141.5=41946 Pa
管程流體總阻力在允許范圍內(nèi)（小于50KPa）。
對殼程，總阻力按公式計(jì)算
由前面有
Ns=1 , Fs=1.15
管束采用正三角形，則
F=0.5 Re=33.79
=0.224
NT =260（傳熱管的總根數(shù)）
NTC=1.1NT0.5=1.1×2600.5=17.7
=11 （折流板數(shù)）
＝0.54m/s
故流體流經(jīng)管束的阻力為：
=
=3038 Pa
對折流板有 B=0.18 m ， D=0.6 m
則流體流過折流板缺口的阻力為：
=4074 Pa
所以總阻力為：
==8178.8 Pa
故殼程流體的總阻力在允許范圍內(nèi)。
小結(jié)
換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果如下表所示：
表2.2 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)
參數(shù)
管程
殼程
流量/（/h）
54
50
進(jìn)/出口溫度/℃
33℃/35℃
45℃/ 40℃
壓力/MPa
0.5
0.5
定性溫度/℃
34
42.5
密度/(kg/)
994.3
876
定壓比熱容/[kj/(kg·k) ]
4.174
1.955
粘度/(pa·s)
0.742
0.21
導(dǎo)熱率/[W/(m·k)]
0.624
0.144
普蘭特?cái)?shù)
4.96
2851
形 式
浮頭式
臺(tái)數(shù)
1
殼體內(nèi)徑/mm
600
殼程數(shù)
1
管徑/mm
19
管子排列/mm
△
管長/mm
2250
折流板/個(gè)
11
管數(shù)目/根
260
折流板間距
180
傳熱面積/㎡
34.9
材質(zhì)
碳鋼
管程數(shù)
4
管心距/mm
25
主要計(jì)算結(jié)果
管程
殼程
流速/(m/s)
1.3
0.54
表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(㎡·K)]
154
6013
污垢熱阻/(㎡·K/W)
0.0006
0.000176
阻力/MPa
0.041946
0.0081788
熱流量/KW
119
傳熱溫差/K
8.3
傳熱系數(shù)/[W/(㎡·K)]
417.9
裕度/％
22.9
3. 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)
3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
換熱器的設(shè)計(jì)壓力為P=0.435MPa ≤1.6MPa，操作時(shí)溫度小于350℃，所以封頭材料選用Q235-B，封頭的結(jié)構(gòu)形式采用最常用的橢圓封頭。查標(biāo)準(zhǔn)JB/4737-95有，橢圓封頭厚度與圓筒厚度相等，再查《GB151-1999管殼式換熱器》5.3.2表8有：
表3.1 封頭厚度
則取厚度為=8 mm
封頭結(jié)構(gòu)形式如下：
圖3.1 封頭結(jié)構(gòu)圖
其尺寸為：
表3.2 封頭尺寸1
公稱直徑
DN/mm
曲面高度
h1/mm
直邊高度
h2/mm
碳鋼厚度
δ/mm
內(nèi)表面積
A/m2
容積
V/m3
600
150
25
8
0.4374
0.0353
凸形封頭尺寸為：
表3.3 封頭尺寸2
公稱直徑
DN/mm
曲面高度
h1/mm
直邊高度
h2/mm
碳鋼厚度
δ/mm
內(nèi)表面積
A/m2
容積
V/m3
700
175
25
8
0.548
0.0442
3.2管箱與圓筒
用前面可知，筒體直徑D=600mm,則500mm＜＜800mm,因此選用封頭管箱。
查《GB151-1999管殼式換熱器》可知，管箱圓筒(短節(jié))的最小厚度與圓筒最小厚度相同，即為8mm。
管箱的最小長度為：（按B形管箱的流通面積計(jì)算）
其中 －封頭厚度，mm
－封頭直邊段高度，mm
－各程平均管數(shù)，根
E－各相鄰管程間分程處物料流通的最小寬度，mm
查得E=600mm,代入公式有：
=52 mm
接著按相鄰焊縫間的距離計(jì)算最小距離為：
其中 －接管位置尺寸，mm
且(無接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)4S，且50)
－接管至殼體與封頭連接焊縫距離，mm
－封頭高度，mm
－接管內(nèi)徑，mm
代入公式得到：
387 mm
對與之間取較大值
則管箱最小長度為=387 mm
3.3分程隔板
3.3.1分程隔板厚度
對分程隔板厚度，查《GB151-1999管殼式換熱器》有：
表3.4 分程隔板厚度
則，取分程隔板的最小厚度為：=8 mm
3.3.2分程隔板槽
分程隔板槽槽深不小于4mm
又因?yàn)樗貌牧蠟樘间?，所以取分程隔板槽的寬度?2mm, 隔板槽拐角處倒角為45°，倒角寬度b可以看作近似等于分程墊片的圓角半徑R，結(jié)構(gòu)圖如下：
圖3.2 分程墊片
3.4換熱管
所選換熱管的尺寸及偏差為：
表3.5 換熱管尺寸
材料
鋼管標(biāo)準(zhǔn)
外徑壁厚
/mmmm
外徑偏差
/mm
壁厚偏差
/mm
碳鋼
GB/T8163
192
0.20
+12%
3.5接管
本次設(shè)計(jì)中接管的基本要求有：
1) 接管與殼體內(nèi)表面平齊
2) 接管應(yīng)該盡量的沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置
對于接管的尺寸，殼程流體的流速為0.54m/s,則：
==188 mm
管程流體的流速為1.3m/s,則：
==117 mm
按管高度來確定，查取標(biāo)準(zhǔn)得到=200mm
則殼程接管位置的最小尺寸如下圖所示：
圖3.3 殼程接管位置
且，==185.5 mm
管箱接管位置的最小尺寸如下圖所示：
圖3.4 管箱接管位置
且，==209 mm
上面兩幅圖中 C≥4S，且C≥30mm
DH— 補(bǔ)強(qiáng)圈外徑 , mm
dh — 接管外徑 , mm
S — 壁厚 ，mm
b — 管板厚度 , mm
3.6 浮頭管板與鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)閾Q熱器的內(nèi)徑已經(jīng)確定下來，所以浮頭管排列外徑以及結(jié)構(gòu)尺寸均采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑來決定。查《GB151-1999管殼式換熱器》表14、表15、圖13有：
圖3.5 浮頭管板結(jié)構(gòu)圖及尺寸
取b=3mm , =3mm , =12mm
則其結(jié)構(gòu)尺寸如下：
浮頭管板外徑為： =600-23=594 mm
浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙為： =3mm
墊片寬度為： =12mm
浮頭管板密封面寬度為： =12+1.5=13.5 mm
浮頭法蘭與鉤圈外直徑為： =680 mm
浮頭法蘭與鉤圈內(nèi)直徑為： =570 mm
外頭蓋的內(nèi)徑為: =700 mm
螺栓中心圓直徑為： ==637 mm
其浮頭管板與鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)如下圖：（選擇B型鉤圈）
圖3.6 鉤圈結(jié)構(gòu)圖
3.7 管法蘭
按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T9113.1-2000得到尺寸如下表：
表3.6 管法蘭尺寸
滑油進(jìn)出口
循環(huán)水進(jìn)出口
管子直徑/mm
219
108
法蘭內(nèi)徑/mm
221
110
螺栓孔中心圓直徑/mm
280
170
公稱直徑/mm
200
100
螺栓孔直徑/mm
22
22
螺栓孔數(shù)量n/個(gè)
8
8
法蘭外徑/mm
340
210
法蘭厚度/mm
24
18
密封面d/mm
254
144
密封面f/mm
2
2
螺紋規(guī)格
M16
M16
其結(jié)構(gòu)圖如下:
圖3.7 管法蘭結(jié)構(gòu)圖
3.8 布管限定圓
其尺寸按《GB151-1999管殼式換熱器》表13有：
表3.7 布管限定圓尺寸
則=561 mm
其結(jié)構(gòu)如下：
圖3.9 布管限定圓結(jié)構(gòu)
3.9拉桿的尺寸、數(shù)量以及布置
因?yàn)閾Q熱管的直徑為19mm,所以采用的拉桿定距管結(jié)構(gòu)形式如下圖所示：
圖3.10 拉桿結(jié)構(gòu)圖
因?yàn)閾Q熱器殼體內(nèi)徑為600mm,選拉桿直徑為12mm,數(shù)量為4根，選定的拉桿尺寸如下：（螺紋連接）
圖3.11 拉桿尺寸標(biāo)注圖
表3.8 拉桿尺寸
拉桿螺紋公稱直徑/mm
數(shù)量
基本尺寸
拉桿直徑d/mm
/mm
/mm
/mm
12
4
12
15
≥50
2.0
因?yàn)槭锹菁y連接，需求螺紋深度為： =18 mm
其結(jié)構(gòu)如下：
圖3.12 拉桿孔結(jié)構(gòu)圖
拉桿應(yīng)該盡可能的均勻布置在管束的外邊緣。而且對于大直徑的換熱器，應(yīng)該在布管區(qū)內(nèi)或者靠近折流板缺口處布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，并且任何折流板均應(yīng)不少于3個(gè)支承點(diǎn)。
3.10 折流板與支承板
3.10.1折流板
折流板常用形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形，弓形又分單弓形、雙弓形與三弓形，該換熱器采用單弓形折流板。折流板的流動(dòng)方式與結(jié)構(gòu)形式如下：
圖3.13 折流板流動(dòng)圖
圖3.14 折流板結(jié)構(gòu)圖
弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時(shí)與橫向流過管束的流速相近，缺口大小用切去的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來確定。單弓形折流板常用的是0.25倍殼體內(nèi)直徑，則：
h=0.25600=150 mm
因?yàn)檎哿靼彘g距B的最小距離為殼體內(nèi)直徑的—，且不小于50mm,在這里取B=0.3，則：
B=0.3600=180 mm
折流板數(shù)為：
=-1==11.5≈11塊
因?yàn)闅んw的公稱直徑=600mm，所以選取換熱管無支撐跨距300mm，查《換熱器設(shè)計(jì)手冊》表1-6-26有：
折流板或支撐板的最小厚度為4mm，這里取折流板的厚度為6mm。
折流板名義外直徑為：
D=-4.5=595.5 mm，允許偏差為
因換熱器的殼程流體為單相潔凈流體，所以折流板缺口應(yīng)水平上下布置,折流板圓缺面水平裝配數(shù)量應(yīng)不少于4個(gè)，缺口分布如下所示：
圖3.15 折流板缺口
管束兩端的折流板應(yīng)該盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接管，而其余折流板應(yīng)等距布置，其中，靠近管板的折流板與管板的距離為：
其中 =
—接管外徑 ， mm
c=4S，且mm
S —壁厚 , mm
取c=50mm,當(dāng)無防沖板時(shí)，取防沖板長度==219 mm
則代入公式得：
+50=191.5 mm
=269 mm
折流板切口尺寸為：
h=0.2600=120 mm
靠近管板的折流板與管板的距離如圖：
圖3.16 折流板與管板間距圖
3.10.2支撐板
對支撐板，當(dāng)換熱器無支撐跨距小于最大跨距時(shí)，無需設(shè)置支撐板，但是浮頭式換熱器需要設(shè)置支承板，可選用加厚的環(huán)板來作為支承板。
3.11 防沖板與導(dǎo)流筒
管程內(nèi)水的流速小于3.0m/s,而對滑油有：
=255.4＜2230 kg/(m·)
所以，管程和殼程都不需要設(shè)防沖板與導(dǎo)流筒。
3.12支座
鞍座所用材料是Q235-B，查標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712-2007，選取B型鞍式支座，支座結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3.17 支座結(jié)構(gòu)圖1
圖3.18支座結(jié)構(gòu)圖2
具體尺寸如下表：
表3.9 支座的尺寸
公稱直DN/mm
允許載荷Q/KN
鞍座高度h/mm
底板/mm
腹板δ2/mm
600
165
200
550
150
10
8
筋板/mm
墊板/mm
螺栓間距
弧長
e
300
120
8
710
200
6
36
400
3.13 外頭蓋側(cè)法蘭
公稱直徑為=700mm,參照工藝條件、殼側(cè)壓力以及操作溫度，按照J(rèn)B4703-92長頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)來選取，選定法蘭結(jié)構(gòu)尺寸如下：
圖3.19 法蘭結(jié)構(gòu)圖
表3.10 法蘭尺寸
mm
公稱直徑DN
D
700
840
800
765
755
752
50
105
25
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
M20
32
17
14
12
22
12
23
3.14 管箱法蘭以及管箱側(cè)殼體法蘭
公稱直徑為=600mm,參照工藝條件、管側(cè)壓力、操作溫度以及殼側(cè)壓力的最大值，按照J(rèn)B4703-92長頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)來選取，其各部分尺寸與結(jié)構(gòu)如下：
表3.11 管箱法蘭尺寸
mm
公稱直徑DN
D
600
740
700
665
655
652
44
105
25
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
M20
28
17
14
12
22
12
23
圖3.20 管箱法蘭位置
3.15 固定端管板
根據(jù)上面所選用的管法蘭以及管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸，確定了固定端最大外徑為：D=638mm。
3.16 排氣管與排液管
排氣口與排液口直徑應(yīng)該不小于15mm,位置應(yīng)該分別設(shè)置在殼體中的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。
由于換熱器采用了四管程結(jié)構(gòu)，則設(shè)置的位置應(yīng)該有一定的偏離，但排氣（液）管的端部必須與殼體或者接管內(nèi)壁平齊。
圖3.21 排氣（液）口
3.17防短路結(jié)構(gòu)
3.17.1旁路擋板
在浮頭式換熱器中，為了防止殼程流體流動(dòng)在某些區(qū)域時(shí)發(fā)生短路，從而降低傳熱效率，需要使用防短路結(jié)構(gòu)。常用的防短路結(jié)構(gòu)有旁路擋板和擋管。
對旁路擋板，當(dāng)殼體公稱直徑為500mm＜＜1000mm時(shí)，需要增設(shè)兩對擋板，擋板厚度與折流板的厚度相等，其結(jié)構(gòu)如下：
圖3.22 旁路擋板示意圖
3.17.2擋管
對擋管，擋管就是兩端被堵死的換熱管，與換熱管的規(guī)格相同，但布置在分程隔板槽背面的兩管板之間，可與折流板點(diǎn)焊固定，也可以用拉桿(帶定距管或不帶定距管)來代替。
擋管應(yīng)每隔3-4排換熱管就設(shè)置一根，但不設(shè)置在折流板缺口處，如圖所示。
擋管伸出第一塊和最后一塊折流板或者支持板的長度應(yīng)不大于50mm，且應(yīng)與任意一塊折流板焊接固定。
圖3.23 擋管示意圖
3.18 連接
對于換熱管與管板之間的連接，因?yàn)闆]有較大的振動(dòng)以及間隙腐蝕，所以可采用強(qiáng)度焊接，且焊接時(shí)，管板的最小厚度應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求下，不小于12mm。如圖所示:
表3.12 換熱管的連接
換熱管規(guī)格
外徑壁厚/mm
換熱管最小伸長量/mm
最小坡口深度 /mm
192
1.5
2
圖3.24 焊接示意圖
對于管板與殼體、管箱之間的連接如下圖所示：
圖3.25 管板與殼體、管箱之間的連接示意圖
其中，=28mm
4. 換熱器的強(qiáng)度校核
4.1筒體的壁厚校核
取設(shè)計(jì)溫度為55℃，設(shè)計(jì)壓力為0.435MPa,取壓力為0.5MPa，筒體選用低合金鋼板Q235-B卷制。材料在55℃下的允許應(yīng)力=113MPa，取焊接系數(shù)φ=1.0，腐蝕裕量=2mm，鋼材的厚度負(fù)偏差=0.3mm,則有：
計(jì)算厚度為 ==1.33 mm
設(shè)計(jì)厚度為 ==1.33+2=3.33 mm
名義厚度為 ==3.33+0.3=3.63 mm,因?yàn)榈秃辖痄摬话ǜg裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm,加上2mm的腐蝕裕量，名義厚度至少應(yīng)該取5mm,由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取名義厚度為6mm。
有效厚度為 ==6-0.3-2=3.7 mm
水壓實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為：
==0.625 MPa
所選材料的屈服應(yīng)力=235MPa
水壓實(shí)驗(yàn)校核：
==51 MPa
因?yàn)?.9=0.93251=292.5MPa ,又=51MPa＜292.5MPa
所以水壓強(qiáng)度滿足要求。
又因?yàn)閾Q熱器介質(zhì)為非易燃物，毒性程度為非極度且允許微量泄露，所以不需要進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)。
4.2外頭蓋短節(jié)與封頭厚度校核
外蓋頭內(nèi)徑為=700mm，其余條件、參數(shù)與筒體同。
短節(jié)壁計(jì)算厚度為 ＝=1.32 mm
短節(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為 ＝1.32+2=3.32 mm
短節(jié)壁名義厚度為 =3.32+0.3=3.52 mm,同上，應(yīng)該取名義厚度為6mm。
短節(jié)壁有效厚度為 =6-0.3-2=3.7 mm
壓力實(shí)驗(yàn)壓力為：
==0.625 MPa
壓力實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力校核：
==59.4 MPa
因?yàn)?.9=0.93251=292.5MPa，又=59.4MPa＜292.5MPa
所以，壓力實(shí)驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。
由前面可知:外頭蓋封頭用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭
封頭計(jì)算厚度為 S=＝=1.55mm
封頭設(shè)計(jì)厚度為 ＝1.55+2=3.55 mm
封頭名義厚度為 =3.55+0.3=3.85 mm,由前面知，取名義厚度為=8mm，符合計(jì)算結(jié)果。
則封頭有效厚度為 =8-2-0.3=5.7 mm
壓力實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力校核：
==38.7 MPa＜292.5MPa
故，壓力實(shí)驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。
4.3管箱短節(jié)與封頭厚度校核
取工藝設(shè)計(jì)溫度為45℃，設(shè)計(jì)壓力取0.5MPa,選用Q235-B鋼板，材料的許用應(yīng)力為=113 MPa，屈服強(qiáng)度為=235 MPa,取焊縫系數(shù)=0.85，鋼材的負(fù)偏差=0.3mm,腐蝕裕度=2mm。
計(jì)算厚度為 ==1.55 mm
設(shè)計(jì)厚度為 =1.55+2=3.55 mm
名義厚度為 =3.55+0.3=3.85 mm，綜合考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及結(jié)構(gòu)需要，取名義厚度為=8mm
則有效厚度為 =8-0.3-2=5.7 mm
計(jì)算過程同上，則壓力實(shí)驗(yàn)在該條件下一定能滿足強(qiáng)度條件。
4.4管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核
開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，因?yàn)榻庸芤?guī)格為φ108 ×5mm，同時(shí)考慮到實(shí)際情況，選用20號(hào)熱軋?zhí)妓劁摴?，其材料許用應(yīng)力=130MPa,腐蝕裕量=1mm，鋼材負(fù)偏差=0.3mm。
接管計(jì)算厚度為 ＝=0.21 mm
接管設(shè)計(jì)厚度為 =0.21+1=1.21 mm
接管有效厚度為 ＝5-1-0.3=3.7 mm
接管的開孔直徑為 d==108-2×5+2×2=102 mm
則，接管的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為：
B=2d=2×102=204 mm
接管外側(cè)的有效補(bǔ)強(qiáng)高度為：
==22.6 mm
需要補(bǔ)強(qiáng)面積為：
A=d·S=102×1.55=158.1
其中，S為管箱厚度
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積的大小為：
=(B-d)·（)=(204-102)×(5-1.55)=351.9 mm2
=2×22.6×(3.7-0.21)×=120.6 mm2
其中，A1—?dú)んw多余金屬面積
A2—接管多余金屬面積
則，+=351.9+120.6=472.5 mm2＞A
所以，該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需要設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈。
4.5殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核
開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，因?yàn)榻庸芤?guī)格為φ219×10mm，考慮實(shí)際情況，選取20號(hào)熱軋鋼管，材許用應(yīng)力=137MPa,腐蝕裕量=1mm，取鋼材負(fù)偏差C1=1.5mm。
接管計(jì)算壁厚為 ==0.4 mm
接管有效厚度為 ==10-1-1.5=7.5 mm
接管的開孔直徑為:
d=+2C=219-10×2+2(1+1.5)=204 mm
接管的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為：
B=2d=2×204=408mm
接管外側(cè)的有效補(bǔ)強(qiáng)高度為：
==45.1mm
需要的補(bǔ)強(qiáng)面積為：
A=d·S=204×1.33=271.32
其中，S為殼體厚度
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積大小為：
=(B-d)·( )=(408-204)×(2-1.33)=136.7mm2
=2×45.1×(7.5-0.4)×=489.7mm2
其中，A1—?dú)んw多余的金屬面積
A2—接管多余的金屬面積
則+=136.7+489.7=626.4 mm2＞A
所以，該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需要設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈。
4.6固定管板的校核
使用BS法來對固定管板的厚度進(jìn)行計(jì)算：
假設(shè)管板厚度為 b=30mm
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