化工原理課程設(shè)計(jì)煤油冷卻器的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì) 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 目錄目錄 一一化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù) 書(shū)3 二概述4 換熱器的發(fā)展和分類4 列管式換熱器的分類5 設(shè)計(jì)背景以及設(shè)計(jì)要求8 三換熱器的設(shè)計(jì)論述以及計(jì)算11 四確定設(shè)計(jì)方案20 4.1 選擇換熱器的類型20 4.2 流程安排20 4.3 確定物性數(shù)據(jù)20 試算并初步選擇換熱器的型號(hào)21 4.5 殼體內(nèi)徑22 4.6 折流板23 4.7 接管13 五換熱器的核算13 六機(jī)械設(shè)計(jì)26 七設(shè)計(jì)結(jié)果46 八參考文獻(xiàn)47 九后記48 一一化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) （一）（一） 設(shè)計(jì)題目：煤油冷卻器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：煤油冷卻器

2、的設(shè)計(jì)(3 組：組：21- ) （二）（二） 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 1處理能力：處理能力：18 萬(wàn)噸/年煤油 2設(shè)備形式：設(shè)備形式：列管式換熱器 3操作條件操作條件 （1） 煤油：入口溫度 100，出口溫度 35 （2） 冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度 25，出口溫度 40 （3） 允許壓強(qiáng)降：不大于 100kpa （4） 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度 825kg/m3，黏度 7.1510- 4pa.s，比熱容 2.22kj/(kg.)，導(dǎo)熱系數(shù) 0.14w/(m.) （5） 每年按 330 天計(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 （三）（三） 選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算選擇適宜的

3、列管式換熱器并進(jìn)行核算 3.1 傳熱計(jì)算 3.2 管、殼程流體阻力計(jì)算 3.3 管板厚度計(jì)算 3.4 u 形膨脹節(jié)計(jì)算（浮頭式換熱器除外） 3.5 管束振動(dòng) 3.6 管殼式換熱器零部件結(jié)構(gòu) （四）（四）繪制換熱器裝配圖（繪制換熱器裝配圖（a2 圖紙）圖紙） 二概述二概述 21 換熱器的發(fā)展和分類換熱器的發(fā)展和分類 在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡(jiǎn)稱為換熱器。 它是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，有稱為熱交換器。換熱器 既可以是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和蒸汽器等；也可以使某個(gè) 工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只

4、能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)， 而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā) 展，逐步形成了一種管殼式換熱器，他不進(jìn)單位體積具有較大的傳熱面積， 而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成 的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30 年代初， 瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅以及其他 合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30 年代末，瑞典 又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐 蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的

5、換熱器開(kāi)始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高 效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制 造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣 泛應(yīng)用。此外自 60 年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的 需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70 年代中期，為了強(qiáng) 化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多數(shù)用于制 造中、抵押換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹 鋼還可做耐高、低溫的材料；銅、鋁以及其合金多用于制造低溫?fù)Q

6、熱器； 鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些一開(kāi)始用 于制作非金屬材料的耐腐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃 換熱器等。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、 深冷器、過(guò)熱器等。換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和 間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又 可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展時(shí)換熱器（板翅式、管翅式等） 。 2.2、列管式換熱器的分類、列管式換熱器的分類 換熱器種類繁多，形式各異，如列管式、釜式、板式、板翅式、螺旋 板式、空冷器、套管式、蛇管式等。由于列管式換熱器（亦稱管殼式）易 于制

7、造、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大、成本較低可供選用的材料范圍廣泛，仍是 當(dāng)前應(yīng)用最廣（約占） ，理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)最完善，運(yùn)行可靠性良 好的一類換熱器。 列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主 要有以下幾種： 固定管板式換熱器 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。 此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有 頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管 束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種 不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不 同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管

8、子扭彎或是管子從管板上松脫，甚至 毀壞換熱器。 為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差 以上時(shí)，為安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨 脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于 6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。 一般殼程壓強(qiáng)超過(guò) 0.6mpa 時(shí)，補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖?用，就是考慮其他結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示： （2）浮頭式換熱器 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接， 以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱 之為“浮頭”,所以這種換熱器成為浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)：管束可以拉出， 以便清洗；管束的膨脹不變

9、殼體約束，因此當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)， 不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 造價(jià)高。 其結(jié)構(gòu)如下： （3）填料函式換熱器 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮 頭式低廉。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理一會(huì)發(fā)、易燃易 爆和有毒的介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如下： （4）u 型管式換熱器 這類換熱器只有一個(gè)管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管 子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排 列的管子少。 其結(jié)構(gòu)如下所示： 2.3 設(shè)計(jì)背景以及設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)背景以及設(shè)計(jì)要求 在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度

10、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(huì)存在兩 種以上流體參加換熱的換熱器，但它的基本原理與前一種情形并無(wú)本質(zhì)上 的差別。 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且 它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。在化工廠，換 熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的 1020，在煉油廠約占總費(fèi)用的 3540,。 隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因 此對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱 機(jī)理的研究也十分活躍，一些新型高效的換熱器相繼問(wèn)世。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多

11、樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器的設(shè)計(jì)中，首先 應(yīng)根據(jù)工藝的要求選擇適用的類型，然后計(jì)算所需的傳熱面積，并確定換 熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求： （1） 合理的實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化 學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過(guò)程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者 應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，使所 設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能笑得傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳熱盡可能多 的熱量。其具體做法如下。 增大傳熱系數(shù) 在綜合考慮流體阻力以及不發(fā)生流體誘發(fā)震動(dòng)的前 提下，盡可能選擇高的流速。

12、提高平均溫差 對(duì)于無(wú)鑲邊的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。 因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在 允許的條件下，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 妥善布置傳熱面 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排 列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流 動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束好。如果換熱器中的一側(cè)有 相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳 熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2） 安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算 時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式 換

13、熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著 重要作用。 （3） 有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn) 輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可 添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4） 經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為 1 年）固定費(fèi)用 （設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等） 的總和為最小。再設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任 務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動(dòng)力消耗與流蘇的平房成正比，使得傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之 而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗

14、。在清洗時(shí)不僅無(wú)法傳遞熱量， 還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償， 因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格的講，如果孤立地?fù)Q熱器本身來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定適宜的操 作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì)象 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備優(yōu)化。但要解決這樣的問(wèn)題難度很大，當(dāng)影響換 熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述 觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。 三換熱器的設(shè)計(jì)論述及計(jì)算換熱器的設(shè)計(jì)論述及計(jì)算 3.13.1、概述、概述 1流體流經(jīng)的選擇 哪種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點(diǎn)可供選 擇參考； 1）不潔凈和易結(jié)垢的

15、流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。 2）腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體與管子同時(shí)受到腐蝕，而且管 子也便于清洗和檢修。 3）壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。 4）飽和蒸汽宜走管間，以便于即使排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，冷 凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 5)被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼內(nèi)的散熱作用，以增加強(qiáng)冷卻 效果。 6）需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流 通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。 7)粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流板的 殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低 re 下即可達(dá)到湍流， 以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。 解析：在選擇流體流

16、徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況 抓住主要矛盾。本題為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，因水的對(duì)流傳熱 系數(shù)一般比較大，且易結(jié)垢，估選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。 2.流體流速的選擇 增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)， 減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù) 增大，從而可減少換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大， 動(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過(guò)經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。 此外， 在選擇流速時(shí)，還需要考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子 的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管 子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管

17、長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞夭?下降。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予以考慮的問(wèn)題。 3.管子規(guī)格和排列方法 選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng) 超過(guò)前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。 我國(guó)目前試用的列管式系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有 25 2.5 及 19 1.9mm 兩種 規(guī)格的管子。 管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不 便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)為 6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)為 1.5、2、3 或 6m。系列標(biāo)準(zhǔn)匯中也采用這四種管長(zhǎng)。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng) 相適應(yīng)，一般取 l/d 為 46（對(duì)直徑小的換熱器可大些） 。 如前所述，管 子在管板上的

18、排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等。等邊 三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有：管板的強(qiáng)度搞；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體 擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱較高；相同的殼徑內(nèi)克排列更多的管子。正方形 直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng) 合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述 兩者之間，即對(duì)流傳熱系數(shù)（較直列排列的）可以適當(dāng)?shù)靥岣?。管子在?板上排列的間距，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取 t（1.31.5）do，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于 6mm，即 t(d+6).焊接法 取 t=1.25do。 4.管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳

19、熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)， 有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可 采用多管程。但是管程數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用； 同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有 1、2、4 和 6 程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程管子數(shù)大致相等。管程數(shù)可按下式 計(jì)算，即： u u m 式中 u管程內(nèi)流體的適宜速度，m/s； u管程內(nèi)流體的實(shí)際速度，m/s。 5.折流擋板 安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍流程 度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。折流板型式折流板的型式有圓缺形

20、、 環(huán)盤(pán)形和孔流形等。通常為圓缺形折流板，并分為單圓缺形、雙圓缺形和 三圓缺形。在要求壓降小的情況下，也可選用環(huán)盤(pán)形折流板，但傳熱較差， 應(yīng)用較少?？琢餍握哿靼迨沽黧w穿過(guò)折流板孔和管子之間的縫隙流動(dòng)，壓 降大，僅適用于清潔流體，應(yīng)用更少。 折流板圓缺位置水平放置的折 流板適用于無(wú)相變的對(duì)流傳熱，防止殼程流體平行于管束流動(dòng)，減少殼程 底部液體沉積。而在帶有懸浮物或結(jié)垢嚴(yán)重的流體所使用的臥式冷凝器、 換熱器中，一般采用垂直型折流板。折流板圓缺高度單圓缺型折流板的 開(kāi)口高度為直徑的 1045，雙圓缺型折流板的開(kāi)口高度為直徑的 1525，過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱。折流板間距折流板的間距影響到殼 程物流的

21、流向和流速，從而影響到傳熱效率。最小的折流板間距為殼體的 1/5 并大于 50mm。然而，對(duì)特殊的設(shè)計(jì)考慮可以取較小的間距。由于折流 板有支撐管子的作用，所以，通常最大折流板間距為殼體的 1/2 并不大于 tema 規(guī)定的最大無(wú)支撐直管垮距的 0.8 倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的 h 值為：固 定板式的有 150、300 和 600mm 三種；浮頭式的有 150、200、300、480 和 600mm 五種。板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過(guò)大， 流體就難于垂直地流過(guò)管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。 6.外殼直徑的確定 換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。根據(jù) 計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、

22、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確 定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，作圖法太麻煩費(fèi)時(shí)， 一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和 殼程的流通面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍 應(yīng)用作圖法畫(huà)出管子排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走“短路” ， 可以適當(dāng)增減一些管子。 另外，初步設(shè)計(jì)中也可用下式計(jì)算殼體的內(nèi)徑，即： d=t（nc-1）+2b 式中 d殼體內(nèi)徑，m； t管中心距，m； nc橫過(guò)管束中心線的管數(shù)； b管束中心線上最后層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取 b =（11.5）do 管子按正三角形排列時(shí)：n1 . 1nc 管子

23、按正方形排列時(shí)： nnc19 . 1 式中 n 為換熱器的總管數(shù)。 按計(jì)算得到的殼徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸。 7.主要構(gòu)建 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體（一般 小于 400mm） ，圓形用于大直徑的殼體 緩沖擋板 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料 管口裝設(shè)緩沖擋板。 導(dǎo)流筒 殼程流體進(jìn)、出口和管板間比存在有一段流體不能流動(dòng) 的空間，為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒， 使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過(guò)這個(gè)空間。 放氣孔、排液孔 換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算即： u vs 4 d 式中 vs流體的體積流量，m3/s； u接管中流體的流速，m/s。 流速 u

24、 的經(jīng)驗(yàn)值為： 對(duì)液體 u=1.52m/s 對(duì)蒸汽 u=2050m/s 對(duì)氣體 u=（1520）p/（p 為壓強(qiáng)，單位為 atm； 為氣體密度，單位為 kg/m3） 8.材料選用 列管式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。 在高溫下一般材料的機(jī)械性能要下降。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。不銹鋼和有色金屬雖 然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。 9.流體流動(dòng)阻力的計(jì)算 管程流體阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對(duì)于多程換熱器，其總阻力 pi 等于各

25、管程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般進(jìn)、出口阻 力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為： spt nnfpp 21i p 式中 p1、p2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降， n/m2； f t結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于 25x2.5mm 的管子，取為 1.4；對(duì)于 19x2mm 的管子，取為 1.5； ns串聯(lián)的殼程數(shù)； np管程數(shù)。 上式中直管的壓強(qiáng)降 p1可按公式計(jì)算： 2 p 2 i u d l i i 式中 i摩擦系數(shù)，w/mk； di直管內(nèi)徑，m； l管長(zhǎng)，m； ui管內(nèi)流體流速，m/s； i 管內(nèi)流體密度，kg/m3 回彎管的壓強(qiáng)降 p2 由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算，即

26、： 2 u 3p 2 2 殼程流體阻力 現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計(jì)算公式雖然較多， 但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，使得的結(jié)果相差很多。計(jì)算公式為： ssn fppp 210 式中 p1 流體橫過(guò)管束的壓強(qiáng)降，n/m2 p2 流體通過(guò)折流板缺口的壓強(qiáng)降，n/m2； fs殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)液體可取 1.15，對(duì) 氣體或可凝蒸汽可取 1.0. 而 2 1ffp 2 1 u nn bco 2 2 5 . 3 2 2 u d b np b 式中 f管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正方形排列 f=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn) 45為 0.4，正方形排列為 0.3； fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)

27、 reo500 時(shí)，fo5.0re-0.228; nb折流板數(shù)； h折流板間距，m； uo按殼程流通截面積 ao計(jì)算的流速，而 ao=h（d-ncdo） 。 一般 來(lái)說(shuō)，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為 0.11atm，氣體的為 0.010.1atm。設(shè) 計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間權(quán)衡，使既能滿足工 藝要求，又經(jīng)濟(jì)合理。 3.23.2 列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 （1）試算和初選換熱器的規(guī)格 1確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。 2確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管式換熱器的型式； 計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下流體的性質(zhì)。 3計(jì)算平均溫度差，

28、并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于 0.8 的原則， 決定殼程數(shù)。 4根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷 q。 5根據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總 傳熱系數(shù) k。 6有總傳熱速率方程 q=，初步算出傳熱面積，并 確定換熱器的基本尺寸，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 7計(jì)算所選換熱器的實(shí)際換熱面積及實(shí)際所需的總傳熱系數(shù)。 （二）計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管、殼程流體的流速和壓強(qiáng)。檢查計(jì)算 的結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求，要調(diào)整流速，在 確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計(jì)算壓強(qiáng)降滿足 要求為止。 （）總傳熱系數(shù) 計(jì)算管、殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 和 ，如

29、太小，在滿足允許壓強(qiáng) 降的情況下，可以減小折流板間距。然后確定污垢熱阻的和，在 計(jì)算總傳熱系數(shù)，比較的初始值和計(jì)算值，若 ，則初選的設(shè)備合格。否則許另選選值， 重復(fù)以上計(jì)算步驟。 （）其他因素（如加熱和冷卻介質(zhì)的用量，換熱器的檢修和操作）也不 可忽略?？傊?，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮分析上述諸多因素，給予細(xì)心的判斷， 以便做出一個(gè)適宜的設(shè)計(jì)。 四四確定設(shè)計(jì)方案確定設(shè)計(jì)方案 1選擇換熱器的類型選擇換熱器的類型 定性溫度：對(duì)于水，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故其定性 溫度為 tm1=30 .532 2 4025 于對(duì)殼程內(nèi)煤油的定性溫度： 5 . 67 2 35100 tm2 由于兩流體的溫度差小

30、于 50，所以使用固定管板式換熱器。 2 流體空間以及流速的確定 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換 熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應(yīng)是循環(huán)水走管程，煤油走殼程. 選用 25x2.5 的碳鋼管，管內(nèi)流速取 ui=0.9m/s。 3確定物性數(shù)據(jù)確定物性數(shù)據(jù) 煤油和水在相應(yīng)定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度/ /m3 比熱容 /kj/kg 黏度/pas導(dǎo)熱系數(shù) /w/m 煤油8252.22 7.1510-4 0.14 水995.74.19 8.007104 0.6176 4試算并初選換熱器型號(hào)試算并初選換熱器型號(hào) 1）熱流量 hkg mh /27.22727

31、24330 1018 q 7 kwhkgtcph mh 5 . 910/61.3249999 24330 6522 . 2 1018 qq 7 2)平均傳熱溫差 先按純逆流計(jì)算=27.9 2 1 21 ln t t t tt m r = p=33 . 4 2540 35100 t t-t 12 21 t 2 . 0 75 15 11 12 tt tt 查得 t=0.95 0.8 故取雙殼程。 tm=ttm*=25.65 3)冷卻水用量 qmc=/h42.51710 1519 . 4 61.3249999 c q pc c t 4）換熱器的傳熱面積估算： 初步選定總傳熱系數(shù) k=380 wm 2

32、 m p 9 . 85 9 . 27380 910500 tk q am 選用 2525 碳鋼傳熱管，取管內(nèi)流速 u=0.9m/s. 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) ns=52 根 .9002 . 0 4 3600 7 . 995 2.451710 4 2 2u d q i v 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為: l=m21 52025 . 0 14 . 3 .985 s nd a o p 按單管層設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況， 現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為： 1 夏清， 化工原 理修訂版公式 4- 31a 2 夏清， 化

33、工原 理修訂版公式 4- 45 3 夏清， 化工原 理修訂版公式 4- 46 4 夏清， 化工原 理修訂版公式 4- 34 6 夏清， 化工原 理修訂版公式 4-1 5 史啟才等化工單 元過(guò)程及設(shè)備課程 設(shè)計(jì)第二版 公式 3-9 np=l/l=4 管程 .54 21 總傳熱管根數(shù) nt=452=208 根 這樣，在換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中，初步選定了一下參數(shù)： 殼體內(nèi)徑/mm600 傳熱面積/76.7 管程數(shù) np4 殼程數(shù)2 管子尺寸 252.5 管長(zhǎng)/m4.5 管子總數(shù) nt222 管子排列方式正方形斜轉(zhuǎn) 45 折流擋板形式圓缺形 其中管子的排列方式為，每程內(nèi)按正三角形排列，隔板各程。之間采用矩

34、形排列。取管心距 t=1.25do，t32mm 5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7，則殼體內(nèi)徑為 d=1.05t /n =1.0532=598（mm）取 600mm .70 222 圓整可取 d=600mm 6折流板 采用弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25，則切去的圓缺高度為 h=0.25 600=150mm 取折流板間距 b=0.3d,則 b=0.4600=180mm 折流板數(shù) nb=241 h l 折流板圓缺面水平裝配 7接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為 u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為 =0.0987m，故殼體流體進(jìn)出口接管直徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑 100mm，管程

35、u vs 4 d 流體進(jìn)出口接管：去接管內(nèi)循環(huán)水流速為 1.5m/s，同理的接管內(nèi)徑為 0.111m，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 120mm 五五換熱器核算換熱器核算 1）核算總傳熱系數(shù)核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) i 7 史啟才等化工單元 過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 第二版 公式 3-20 對(duì)于管程 ai= 0174 . 0 4 nd t 2 p n i ui=vs/ai=0.83m/s 7401 . 0 3600 7 . 995 51710.42 rei=20642.7 108007 . 0 7 . 99583 . 0 02 . 0 d 3 i i u pri=43 . 5 6176 . 0 10800

36、7 . 0 1019 . 4 33 p c i=0.023/395543 . 5 0624.72 02. 0 6176 . 0 023 . 0 prre 4 . 0 8 . 04 . 0 8 . 0 w d i i 計(jì)算殼程傳熱系數(shù) 0 0= 14 . 0 3 1 55 . 0 0 e d 6.30 w p e c ud mmt32 2 024 . 0 32 . 0 025 . 0 16 . 018 . 0 1m t d hda o sm a v u s o /319 . 0 024 . 0 825 31 . 6 當(dāng)量直徑m d dt d o o e 027 . 0 025 . 0 14 .

37、3 025 . 0 4 032 . 0 4 4 4 22 2 2 1 . 9938 1015 . 7 825319 . 0 027 . 0 re 4 0 oeu d 3 . 11 14 . 0 1015 . 7 1022 . 2 pr 43 p o c 95. 0 14 . 0 w / 5 . 62895 . 0 3 . 11 1 . 9938 027 . 0 14 . 0 36 . 0 3 1 55 . 0 0 w 污垢熱阻 rsi=0.0002w rso=0.00017/w 計(jì)算總傳熱系數(shù) ko ko= 393320 25 20 25 0002 . 0 00017 . 0 5 . 628

38、1 1 rs 1 1 o 0 ii o i o i d d d d rs =446.5wm 8 夏清， 化工 原理修訂版 公式 4-70a 9 夏清， 化工 原理修訂版 公式 4-77a 10 夏清， 化工原理 修訂版公式 4-80 11 夏清， 化工原理 修訂版公式 4-79 12 夏清， 化 工原理修訂 版公式 4-42 核算傳熱面積 ao 按核算后所得的總傳熱面積系數(shù) ko值計(jì)算，則完成換熱任務(wù)所需傳熱面積 ao 為 2 0 0 3 . 71 9 . 27 5 . 446 910500 tk q am m 而該型號(hào)換熱器的實(shí)際傳熱面積 a 為 2 0 m 4 . 792225 . 402

39、5 . 0 14 . 3 t lnda 換熱面積裕度為 4 . 11 3 . 71 3 . 71 4 . 79 0 0 a aa h 2)核算壓強(qiáng)降核算壓強(qiáng)降 管程壓強(qiáng)降 pi=p1+p2ftnpns ft=1.4 np=4 ns=2 p2= p1= 2 u 3 2 2d 2 ul 對(duì)于管程 ai= 0174 . 0 4 nd t 2 p n i ui=vs/ai=0.83m/s 7401 . 0 3600 7 . 995 51710.42 rei= 湍流20642.7 108007 . 0 7 . 99583 . 0 02 . 0 d 3 i i u 設(shè)管壁粗糙度為 =0.1mm /di=0

40、.005 =0.035 pa u 9 . 2700 2 83 . 0 7 . 995 02 . 0 5 . 4 035 . 0 2d l p 22 i 1 pa u p1029 2 83 . 0 7 . 995 3 2 3 22 2 p=100kpapa41774244 . 1 9 . 27001029 殼程壓強(qiáng)降 po=p1+p2fsns fs=1.15 ns=2 13 史啟才等化工 單元過(guò)程及設(shè)備課 程設(shè)計(jì) 第二版 公式 3-36 14 夏清， 化工原理 修訂版公式 4-121 15 夏清， 化工原理 修訂版公式 4-123 p1= 管子為正方形斜轉(zhuǎn) 45 排列 f=0.4 2 1ff 2

41、 0 u nn bc nc=1.19=1.1917n222 h=b=0.3d=0.18m nb=241 h l 殼程面積 ao=b0315 . 0 025 . 0 176 . 018 . 0 0 dnd c uo=sm/24 . 0 0315 . 0 825 31 . 6 re0=500 1 . 6923 1015 . 7 82524 . 0 025 . 0 4 o oou d fo=5.0re-0.228=0.67 p1=0.40.671724+12706.3pa 2 .240825 2 p2=nbpa u d h 1653.7 2 24 . 0 825 6 . 0 18 . 0 2 5 .

42、 324 2 2 5 . 3 22 po=100kpapa10028215 . 1 1653.72706.3 核算結(jié)果表明，所選的換熱器可用。 六六機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì) 6.1 求管子數(shù)求管子數(shù) n (1)由于工藝設(shè)計(jì)，選用 25-2.5mm 的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為 20 號(hào)鋼。 其中標(biāo)準(zhǔn) jb4715-92，管長(zhǎng) 4.5m。其中因安排拉桿需減少 4 根，實(shí)際 管數(shù)為 218 根。查第四版化工設(shè)備機(jī)械可知，該換熱器中需安裝 4 根 16mm的拉桿 考慮到應(yīng)有足夠大的傳熱面積，以及設(shè)備的穩(wěn)定性，擬將換熱管數(shù)定 為 218 根，拉桿數(shù)定為 4 根。 6.26.2 計(jì)算殼體壁厚計(jì)算殼體壁厚 由于換熱器為內(nèi)壓

43、容器，故可以采用內(nèi)壓容器的設(shè)計(jì)方法來(lái)確定其壁 厚，根據(jù)內(nèi)壓薄壁容器“彈性失效”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，殼壁計(jì)算壁厚計(jì)算公式為： 16 夏清， 化工 原理修訂版公 式 4-124 17 夏清， 化工原理 修訂版公式 4-125 mms p p dp s c c c 51 . 3 85 . 0 p1 . 1 2 t t 則 局部無(wú)損檢測(cè)，故取為焊接系數(shù)，在此采用 許用應(yīng)力為材料在設(shè)計(jì)溫度下的 為計(jì)算壓力，通常取其中 考慮到流體腐蝕及進(jìn)行清洗時(shí)對(duì)管路的磨損腐蝕等，取腐蝕裕量 c2=1.2mm,則設(shè)計(jì)壁厚為： mmcssd71 . 4 2 . 151 . 3 2 鋼板負(fù)偏差為：c1=0.25mm mmcmmcsd2

44、5 . 0 331 . 0 %6)( 11 復(fù)驗(yàn)： 故設(shè)計(jì)所得壁厚可以滿足要求，對(duì)于碳鋼換熱器，其最小壁厚應(yīng)符合 下表： 由此可知計(jì)算所得壁厚基本上可以滿足要求。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇壁厚 為 10mm。 6.36.3 封頭封頭 上下兩封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù) jb/t4737-2002 標(biāo)準(zhǔn)，封頭 為：。如圖所示，材料 .40,150, 3600 21 mmhmmhdn直邊高度曲面高度 選用 20r 鋼。下封頭常與裙座焊接，h2=40mm，材料選用 20r 鋼。 6.46.4 管板計(jì)算管板計(jì)算 6.4.16.4.1 管板尺寸確定管板尺寸確定 管板結(jié)構(gòu)如下： 由于固定管板式換熱器管板計(jì)算十分復(fù)

45、雜，需要綜合考慮多種因素， 可采用下表選取。 6 64 42 2 管板與管子連接管板與管子連接 管子與管板的連接方式主要有以下三種：a 脹接；b 焊接；c 脹焊接 脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會(huì)引起不良后果的情況，特別適用于材 料可焊性差（如碳鋼換熱管）及制造廠的工作量過(guò)大的情況。由于脹接管 端處在焊接時(shí)產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的升高，殘余應(yīng) 力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用，所以脹接結(jié)構(gòu)受到 壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計(jì)壓力4mpa，設(shè)計(jì)溫度300 度，并且 在操作中無(wú)劇烈地震動(dòng)，無(wú)過(guò)大的溫度變化及無(wú)明顯的應(yīng)力腐蝕；焊接連 接具有生產(chǎn)簡(jiǎn)單、效率高、連接可靠的優(yōu)點(diǎn)

46、。通過(guò)焊接，使管子對(duì)管板有 較好的增將作用；并且還有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時(shí)，檢修方 便等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)優(yōu)先采用。此外，當(dāng)介質(zhì)毒性很大，介質(zhì)和大氣混合易發(fā) 生爆炸介質(zhì)有放射性或管內(nèi)外物料混合會(huì)產(chǎn)生不良影響時(shí)，為確保接頭密 封，也常采用焊接法。焊接法雖然優(yōu)點(diǎn)甚多，因?yàn)樗⒉荒芡耆苊狻翱p 隙腐蝕”和焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力腐蝕，而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可 靠的焊縫。焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應(yīng)力的 作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當(dāng)受到腐蝕介質(zhì) 的侵蝕時(shí)，以會(huì)加速接頭的損壞。因此，就產(chǎn)生了焊接和脹接同時(shí)使用的 方法。這樣不但能提高接頭的抗疲勞性能，同時(shí)可

47、以降低縫隙腐蝕傾向， 因而其使用壽命比單用焊接時(shí)長(zhǎng)的多。在什么場(chǎng)合下適宜施行焊、脹接并 用的方法，目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通常在溫度不太高而壓力很高或介質(zhì)極易 滲漏時(shí)，采用強(qiáng)度脹加密封焊（密封焊是指單純防止?jié)B漏而施行的焊接， 并不保證強(qiáng)度） 。當(dāng)在壓力和溫度都很高的情況下，則采用強(qiáng)度焊加貼脹， （強(qiáng)度焊是即使焊縫有嚴(yán)密性，又能保證接頭具有較大的拉脫力，通常是 指焊縫強(qiáng)度等于管子軸向負(fù)荷下的強(qiáng)度時(shí)的焊接） 。貼脹的作用主要是消除 縫隙腐蝕和提高焊縫的抗疲勞性能。 由于本換熱器的工作壓力為低壓，且為低溫操作，綜合考慮各種連接 工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍最終確定采用脹接法，在脹接法連接管子與管板 時(shí)，管板的硬

48、度應(yīng)該大于管子硬度，以保證在脹接時(shí)，管子發(fā)生塑性形變 時(shí)，管板僅發(fā)生彈性形變。通常管子材料選用 10、20 優(yōu)質(zhì)碳鋼，管板采用 25、35、q225 或低合金鋼 16mn、cr5mo 等。結(jié)合本次設(shè)計(jì)，管板采用 16mnr。 脹接長(zhǎng)度確定： 脹接長(zhǎng)度取管板名義厚度減去 3mm 與 50mm 中的較小值，故本換熱器的 脹接長(zhǎng)度為： mml3550,35min50, 338min 6 64 43 3 管板與殼體的連接管板與殼體的連接 在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接。其連接結(jié)構(gòu) 如下圖所示： 65 求管束與殼壁的溫差求管束與殼壁的溫差 因管壁熱阻小，可忽略不計(jì)，可采用下式計(jì)算傳熱管

49、壁溫度 因?yàn)楣艹讨袨槔淠?，管壁溫度可?ts=35,管壁溫度 tt=ts,則由 ttw 1 o rso twti 1 i rsi 所以通過(guò)計(jì)算得，tw=39.4 殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即 t=67.5 殼體壁溫和傳熱管壁溫度之差為 )(50.128.439.567t 該溫差較小，所以不需設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。 管子拉脫力管子拉脫力 本換熱器的管子及殼體均采用 10 號(hào)碳鋼，由此可得以下參數(shù)表： 管子殼體 操作壓力 mpa1.01.0 壁溫39.467.5 材料1010 線膨脹系數(shù) 1/ 11.8 6 10 11.8 6 10 彈性模量 mpa 6 1021 . 0 6 1021 .

50、 0 18 夏清， 化工原理 修訂版公式 4-97 尺寸 mm 45005 . 225600 管子數(shù)222 管間距32 脹接長(zhǎng)度 mm29 許用拉脫力 mpa4 管子排布方式正三角形 在換熱操作中，由于介質(zhì)壓力與溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，使管子和管板接 頭處產(chǎn)生拉脫力，使管子與管板有分離趨勢(shì)。對(duì)于焊接接頭，拉脫力不足 以引起接頭的 破壞。對(duì)于脹接接頭，拉脫力則可能引起接頭處密封性的破 壞或使管子松動(dòng)。為保證管端與管板牢固的連接和良好的密封性能必須進(jìn) 行拉脫力的校核。 計(jì)算實(shí)例如下： 在操作壓 力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力為： 脹接長(zhǎng)度 l 取管板厚度減去 3mm，即 l=37mm. kpaq m

51、daf ld pf q p o p 4 . 17 396160.000250.0 4 320.0866 . 0 4 866 . 0 : 222 0 2 則 其中 在溫差應(yīng)力作用下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力為： paq a msda ndda a a tte ld dd q tt s iot s t st t o iot t 91k . 1 31.48kpa 1011.8k mp100.21e 01884 . 0 01 . 0 6 . 014 . 3 s m0392 . 0 22202 . 0 025 . 0 785 . 0 4 1 k 4 6- 3 2 22222 22 ，所以 脹接系數(shù) 彈

52、性模量： 而 其中： 由于 qt 與 qp 的方向相反，故總拉脫力為： mpaqqq tp 0 . 4）（ 故管子拉脫力在許用范圍內(nèi)。 19 史啟才等 化工單元 過(guò)程及設(shè)備 課程設(shè)計(jì) 第二版第四 章中操作壓 力引起的拉 脫力計(jì)算 6 66 6 判斷是否安裝膨脹節(jié)判斷是否安裝膨脹節(jié) 膨脹節(jié)是裝在固定管板式換熱器上面的撓性元件，對(duì)管子和殼體的 膨脹變形差進(jìn)行補(bǔ)償，以消除或減少不利的溫差應(yīng)力。 管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力： n aa aa ttke f st st st 5 126 1 106.8801884 . 0 0392 . 0 01884 . 0 0392. 0 .439.5671021 .

53、 0 10 8 . 11 壓力作用于殼體上引起的軸向力： nf n psdnpnddpq aa qa f toso ts s .955817 0392 . 0 01884 . 0 01884 . 0 17923 17923 10000001 . 0 2025 . 0 222025 . 0 2226 . 0100000785 . 0 2 4 2 2 22 2 22 2 則 其中： 壓力作用于管子上的軸向力： n aa qa f ts t .512106 0392 . 0 01884 . 0 0392 . 0 17923 3 mpapa a ff mpapa a ff t s s s t t t

54、t 1802105010 0.01884 0.55828.86 20621022.3 10 0.0392 0.1210658.86 6521 6 531 則 根據(jù)鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定 ，兩項(xiàng)均小于操作條件下的值，所 以故本換熱器不必設(shè)置膨脹節(jié)。 6 67 7 接管接管 6 67 71 1 殼程流體進(jìn)出口接管殼程流體進(jìn)出口接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為 u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為 =0.0987m，故殼體流體進(jìn)出口接管直徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑 100mm，管程 u vs 4 d 流體進(jìn)出口接管：去接管內(nèi)循環(huán)水流速為 1.5m/s，同理的接管內(nèi)徑為 0.111m，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 120m

55、m 20 史啟才等 化工單元 過(guò)程及設(shè)備 課程設(shè)計(jì) 第二版第四 章中其他結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)-膨 脹節(jié) 其補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸由下表確定為： e 型補(bǔ)強(qiáng)圈如下所示：適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)相當(dāng) 于低溫壓力容器，故采用全焊透結(jié)構(gòu)。 則其補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為 200mm。 殼程接管位置的最小尺寸： 本換熱管帶有補(bǔ)強(qiáng)圈，且由上面計(jì)算可知，補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為 180mm，管板 厚度為 42mm，取,則殼程接管位置的最小尺寸為： mmsc324 mml17032)442( 2 200 1 取為 200mm 對(duì)于管程流體進(jìn)出口接管， （同 5.1）取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為 200mm。 管箱接管位置的最小尺寸 則管箱接管最小尺寸： m

56、m1893232 2 250 2 l 取為 250mm。 6.86.8 折流板折流板 6.8.16.8.1 折流板尺寸及數(shù)量折流板尺寸及數(shù)量 折流板數(shù)量由前面計(jì)算可知，本換熱器需要 39 塊流板。但是為了使煤 油分別在換熱器的異側(cè)進(jìn)出，需要偶數(shù)塊折流板，故本換熱器實(shí)際采用 38 塊流板。 折流板外徑尺寸應(yīng)該符合下表規(guī)定: 則該換熱器折流板外徑為： 594.7-595.5,取為 595.5mm 切去高度為，取為 150mm。 mmdh150875.148 5 . 59525 . 0 25 . 0 6.8.26.8.2 折流板厚度折流板厚度 參照由萬(wàn)利國(guó)、董新法編著化工制圖 autocad 實(shí)戰(zhàn)教

57、程與開(kāi)發(fā) 143 頁(yè)表 5-4 得折流板厚度為 6mm。 史啟才等化工單元 過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 第二版 第四章 五接管-3 伸出長(zhǎng)度 的確定 6.8.36.8.3 折流板質(zhì)量折流板質(zhì)量 采用 10 號(hào)碳鋼，則單塊折流板質(zhì)量為：81.70kg（具體數(shù)學(xué)運(yùn)算 略） 。 6.8.46.8.4 折流板管孔折流板管孔 本換熱器采用一級(jí)管束，則相應(yīng)的折流板管孔應(yīng)符合下表： 由此可知，該換熱器的折流板管孔直徑為：19.419.7mm。 6.8.56.8.5 折流板分布折流板分布 折流板一般應(yīng)等間距布置，并且應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近殼 程進(jìn)出口接管。 靠近管板的折流板分布示意圖為： 其尺寸可由下式確定：

58、 4 2 2 1 b b ll 由上面計(jì)算可知 l1=160mm，且本換熱器無(wú)需設(shè)置防沖板，則 b2=di,則 mml5166442 2 89 160 實(shí)際取為 200mm 則，其他折流板間距約為： mm32565.323 17 )342(24206000 b 對(duì)于臥式換熱器，若殼程為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下布置， 如圖所示： 6.8.66.8.6 最大無(wú)支撐跨距最大無(wú)支撐跨距 換熱管在其材料允許范圍內(nèi)的最大無(wú)支撐跨距應(yīng)符合下表： 對(duì)于本換熱器而言，換熱管的最大無(wú)職稱跨距為 1500mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 300mm，由此可知，本設(shè)計(jì)是可行的。 6 69 9 定距管定距管 本換熱器采用拉桿

59、定距管結(jié)構(gòu)。 6.9.16.9.1 拉桿數(shù)量及直徑拉桿數(shù)量及直徑 由此可得本換熱器需要 4 直徑為 16mm 的拉桿。 6.9.26.9.2 拉桿尺寸拉桿尺寸 拉桿連接尺寸由下圖及下表格確定： 6.9.36.9.3 拉桿孔拉桿孔 拉桿與管板焊接連接的拉桿孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖（a） ，拉桿深度 等于拉桿孔直 1 l 徑，拉桿孔直徑按下式確定： 其中 d 為拉桿直徑 1 d0 . 1 1 dd 拉桿與管板螺紋連接時(shí)，其結(jié)構(gòu)圖如（b） ，螺紋深度按下式確定： o dl5 . 1 2 其中 d0為拉桿公稱直徑。 本換熱器采用螺紋連接，則螺紋深度為： mml24165 . 1 2 6.9.46.9.4 定距管定距

60、管 根據(jù) gb/t 8163-2008 流體輸送用無(wú)縫鋼管，采用 252.5 的定距管。 6.106.10 防沖與導(dǎo)流防沖與導(dǎo)流 管程設(shè)置防沖板條件： 當(dāng)管程采用軸向入口管或換熱管管內(nèi)流體流速超過(guò) 3m/s 時(shí)，應(yīng)設(shè)置防 沖板，以減少流體的不均勻分布和對(duì)換熱管端的沖蝕。由于本設(shè)計(jì)中沒(méi)有 采取軸向進(jìn)料，而且管程流體流速為 1.60m/s，故無(wú)需設(shè)置管程防沖板。 殼程設(shè)置防沖板或?qū)Я魍矖l件： 1）當(dāng)殼程進(jìn)口管的值為下列數(shù)值時(shí)，應(yīng)在殼程進(jìn)口管處設(shè)置防沖 2 v 板或?qū)Я魍玻?（1）非腐蝕性、非磨蝕性的單相流體， )/(2230 22 smkgv （2）其他液體， )/(740 22 smkgv 2）