畢業(yè)設(shè);固定管板式換熱器設(shè)計說明書計

1、安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計說明書固定管板式換熱器的整體設(shè)計ON THE OVERRALL DESIGN OF FIXED TABE PLATEHEAT EXCHANGER學(xué)院（部）：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級：過控092班 學(xué)生姓名： 王 寧 指導(dǎo)老師： 伍廣教授2013年 06 月 08 日固定管板式換熱器設(shè)計摘要換熱設(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)和廢熱回收等各個方面。固定管板式換熱器是管殼式換熱器的一種典型結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種換熱器。這類換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠性高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn),并且生產(chǎn)成本低、選用的材料范圍廣、換熱表面的

2、清洗比較方便。固定管板式換熱器能承受較高的操作壓力和溫度，因此在高溫高壓和大型換熱器中，其占有絕對優(yōu)勢。本次設(shè)計主要是針對用于煤化工工業(yè)中用于變換氣和半水煤氣的換熱用換熱器。此次設(shè)計的換熱器不僅達(dá)到了降低變換氣溫度的作用，同時還吸收了變換氣放出的廢熱，用于加熱半水煤氣。再設(shè)計中進(jìn)行對物料及熱量衡算，并對換熱器整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行計算和對換熱器的基本附件進(jìn)行選擇和設(shè)計。最后繪出非標(biāo)零件圖和裝配圖。 關(guān)鍵詞：流量，換熱面積 ，結(jié)構(gòu)設(shè)計，換熱管，管板，封頭，殼體ON THE OVERRALL DESIGN OF FIXED TABE PLATEHEAT EXCHANGERABSTRACTHeat excha

3、nger in oil refining, petrochemical, and widely used in other industries, it is suitable for cooling, heating, evaporation and condensation, heat recovery, and various other aspects. Fixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat

4、exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstan

5、ds the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large.This design is mainly used for heat exchange of heat exchanger used in gas and water gas for coal chemical industry. Heat exchanger of

6、the design not only can reduce the air temperature change effect, it also absorbs the waste heat released for heating ventilation, semi water gas. In the design of the material and heat balance, the basic accessories heat exchanger and whole body were calculated and the heat exchanger selection and

7、design. Finally I draw the non-standard parts drawing and assembly drawing.KEYWARDS：discharge, the heat exchange area,structural design, heat exchange tube, tube sheet, heads, housings目錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 化工設(shè)備簡介11.2 換熱器概述11.2.1板式換熱器11.2.2 管殼式換熱器的分類11.2.3 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)41.3 換熱器研究內(nèi)容及發(fā)展動向42 工藝計算7設(shè)計參數(shù)：72.1

8、 換熱器選擇72.1.1 選擇換熱器的類型72.1.2.流道選擇72.1.3 傳熱形式選擇82.2 換熱面積的計算82.3物料與熱量衡算92.3.1 定性溫度92.3.2 介質(zhì)物性計算102.3.3 選擇總傳熱系數(shù)132.3.4平均溫差132.3.5 熱負(fù)荷計算142.3.6 管程流體（半水煤氣）質(zhì)量流量估算142.3.7流速及總傳熱系數(shù)的確定152.4 殼程流體（變換氣）流量確定153 結(jié)構(gòu)計算163.1 換熱管的計算163.1.1 管徑和管子材質(zhì)選擇163.1.2傳熱管數(shù)和管程數(shù)163.1.3傳熱管的排列163.2殼體計算173.2.1 筒體材料選擇173.2.2 焊接形式選擇183.2.

9、3 筒體計算183.3 管箱圓筒計算193.4 封頭計算193.5管板計算213.3.1 管板與殼體圓筒，管箱圓筒的連接方式選擇213.3.2 管板材料及厚度選擇223.3.3 管板與換熱管的連接224 附件選擇244.1 折流板選擇244.1.2折流板管孔直徑和允許偏差244.2拉桿計算254.2.1 拉管結(jié)構(gòu)形式選擇254.2.2 拉桿的直徑和數(shù)量254.2.3拉桿尺寸254.2.4拉桿的布置264.3流體進(jìn)出管選擇及布置274.3.1管程流體進(jìn)出管選擇及布置274.3.2殼程流體進(jìn)出管選擇294.4防沖與導(dǎo)流334.5防短路板344.5.1旁路擋板344.5.2 擋管344.6 波形膨脹

10、354.7支座選擇354.8法蘭及螺柱選擇374.9墊片選擇385 安裝制造405.1 換熱器制造405.1 .1 換熱管405.1.2 筒體405.1.3 封頭和管箱405.1.4 折流板405.1.5 管板415.2 換熱器安裝415.3 安裝步驟41附表145附表247參考文獻(xiàn)49致謝50.501 緒論1.1 化工設(shè)備簡介化工生產(chǎn)離不開化工設(shè)備，化工設(shè)備是化工生產(chǎn)必不可少的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力的主要因素，是化工產(chǎn)品質(zhì)量保證體系的重要組成部分。然而在化工設(shè)備中化工容器占據(jù)著舉足輕重的地位，由于化工生產(chǎn)中，介質(zhì)通常具有較高的壓力，化工容器一般有筒體、封頭、支座、法蘭及各種容器開孔接管所組成

11、，通常為壓力容器，因為壓力容器是化工設(shè)備的主體，對其化工生產(chǎn)過程極其重要，國家對其每一步都有具的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行規(guī)范，如：中國壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程、GB1502011鋼制壓力容器、GB1512012管殼式換熱器等。在其中能根據(jù)不通的操作環(huán)境選出不同的材料，查出計其允許的工作壓力，工作溫度等。1.2 換熱器概述換熱器簡單說是具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，進(jìn)行著各種不同的熱交換過程，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，使流體溫度達(dá)到工藝的指標(biāo)，以滿足生產(chǎn)過程的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱，廢熱，特別是低品位熱能的有效裝置。換熱設(shè)備在煉

12、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)和廢熱回收等各個方面。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，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。1.2.1板式換熱器板式換熱器是一種高效緊湊型熱交換設(shè)備。它具有傳熱效率高，阻力損失小，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、電力、石油、化工、制藥、紡織、造紙、食品、城鎮(zhèn)小區(qū)集中供熱等各個行業(yè)和領(lǐng)域1。1.2.2 管殼式換熱器的分類根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常將其

13、分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式、滑動管板式、雙管式等2。1、固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵塞或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線脹系數(shù)相差較大時，殼體與管束將會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼測介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢、并能進(jìn)行清洗、管程與殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼測壓力不高的場合2。一般固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖11。圖11 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）2、浮頭式換熱器浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。兩端管

14、板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，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。浮頭換熱器的特點(diǎn)是管間與管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力；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，材料消耗大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢驗，制造時對密封要求較高。適用于殼體與管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合2。一般浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖12。圖12 浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）3、U形管換熱器2U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有一塊管板，管束由多根U形管組

15、成，管的兩端固定在同一根管板上管子可自由伸伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力2。一般U形管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖13。圖13 U形管換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于某換熱器工廠宣傳圖）由于彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利，當(dāng)管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而且壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報廢率較高。U形管結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜、承壓能力強(qiáng)、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需清洗、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

16、。4、填料函式換熱器填料函式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可自由伸縮，殼壁與管壁不會產(chǎn)生熱變形差，從而避免可熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出你，管內(nèi)，管間都能清洗，維修方便2。一般填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖14。圖14 填料函式換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源于GB151-2012）1.2.3 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的主要零部件有殼體、接管、封頭、管板、換熱管、折流元件等，對于溫差較大的

17、固定管板式換熱器，還應(yīng)包括膨脹節(jié)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證冷、熱兩種流體分走管程和殼程，同時還要承受一定溫度和壓力的能力。1、管板：管板是換熱器的重要元件，主要是用來連接換熱器，同時將管程和殼程分隔，避免冷熱流體相混合。當(dāng)介質(zhì)無腐蝕或有輕微腐蝕時，一般采用碳素鋼、低合金鋼板或其鍛件制造3。2、管子與管板的連接：管子與管板的連接必須牢固，不泄漏。既要滿足其密封性能，又要有足夠的抗拉強(qiáng)度。其連接形式主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接、脹焊結(jié)合 13。3、管箱：其作用是把管道中來的流體均勻分布到各換熱管中，將換熱管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器3。4、折流板和支承板：殼程內(nèi)側(cè)裝設(shè)折流板或支承板，折流板的作用是組

18、殼間流道，使流體以適當(dāng)?shù)牧魉贈_刷管束，提高傳熱系數(shù)，改善傳熱效果，以達(dá)到一定的傳熱強(qiáng)度。常用的折流板有弓形和圓環(huán)形兩種，弓形折流板又分為單弓形、雙弓形和三弓形3。5、拉桿和定距管：折流板的安裝一般是用拉桿和定距管組合并與管板固在一起。拉桿與管板連接的一端可用焊接或螺紋連接，另一端也用焊接或螺紋固定。一般拉桿的直徑不得小于10mm、數(shù)量不得小于4根4。管板與殼體的連接：其連接型式可分為不可拆式和可拆式。1.3 換熱器研究內(nèi)容及發(fā)展動向板式換熱器出現(xiàn)是在二十世紀(jì)20年代，主要應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。在30年代初，瑞典首次制成螺旋

19、板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。接著30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在這十多年的時間里，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始關(guān)注。到了60年代左右，因為空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需求各種高效能緊湊型的換熱器，又加上沖壓、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。到了70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管

20、的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器10。當(dāng)前換熱器的基本發(fā)展趨勢是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造成本的標(biāo)準(zhǔn)系列化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化發(fā)展，并CDF（Comptational 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)等形成一個高技術(shù)體系。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大和使用范圍廣等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用。尤其在高溫高壓和大型化的場合下，以及制造工藝上的進(jìn)一步自動化和機(jī)械化，管殼式換熱器今后將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。而板翅式換熱器（冷箱）主要用于乙烯裂解，空氣分離和天然氣液化等。板翅式換熱器現(xiàn)在生產(chǎn)制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水

21、平，流道多達(dá)15股，單體外形尺寸達(dá)6m1.11.154m,最高設(shè)計壓力達(dá)5.12Mpa。 隨著換熱器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，誕生了各種新型的換熱器，這使得傳熱理論不斷完善，換熱器相關(guān)技術(shù)也得到不斷提高，換熱器研究、設(shè)計、制造等技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展，傳熱技術(shù)發(fā)展的同時又讓各種新型高效換熱器不斷地產(chǎn)生。目前各國為了提高換熱器性能而進(jìn)行的研究方向主要是強(qiáng)化傳熱，強(qiáng)化傳熱的途徑主要有擴(kuò)大傳熱面積、提高傳熱系數(shù)和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)，其方法主要是通過強(qiáng)化管程傳熱和殼程傳熱兩個方面得以實(shí)現(xiàn)。目前，管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法主要有1：1、采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，

22、以獲得粗糙的表面和擴(kuò)展表面。2、用添加內(nèi)插物的方法以增加流體本身的繞流、3、將傳熱管的內(nèi)外表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內(nèi)外流體同時產(chǎn)生湍流并達(dá)到同時擴(kuò)大管內(nèi)外有效傳熱面積的目的，提高傳熱管的傳熱性能。4、將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并可增加其抗污垢能力。5、改變管束支撐形式以獲得良好的流動分布，充分利用傳熱面積等。換熱器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾發(fā)面：防腐技術(shù)，防結(jié)垢技術(shù)，強(qiáng)化技術(shù)，抗振技術(shù)，制造技術(shù)，研究手段以及大型化與小型化并重，。隨著工業(yè)中經(jīng)濟(jì)效益與社會環(huán)境保護(hù)的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路

23、的與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方向發(fā)展。2 工藝計算設(shè)計參數(shù)：1、物料表21物料參數(shù)名稱操作壓力（表壓MPa）進(jìn)口溫度（C）出口溫度（C）半水煤氣1.1160375變換氣1.054202102、操作方式逆流操作3、換熱器結(jié)構(gòu)工藝尺寸（1）殼體內(nèi)徑 700mm（2）換熱管 2536000，295根，等邊三角形排列，中心距34mm（3）拉桿 166（4）圓缺形折流板 高度 510mm，板間距400mm，（5）熱流體進(jìn)出管直徑長度 Dg200150（6）冷流體進(jìn)出管直徑長度 Dg15001502.1 換熱器選擇2.1.1 選擇換熱器的類型換熱器的使用場合、使用目的、換熱介質(zhì)物性等

24、因素的不同, 決定了管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低, 每根換熱管可以單獨(dú)清洗和更換, 在外形尺寸相同的條件下, 與浮頭式和U 形管式換熱器相比, 換熱面積大2。所設(shè)計換熱器用于半水煤氣和變換氣的傳熱，粘度較小，不易結(jié)垢，不易腐蝕管道，所以選用固定管板式換熱器，便于拆卸、清洗。綜上所述，換熱器選擇固定管板式換熱器。2.1.2.流道選擇冷、熱流體流動通道的選擇原則2：1、不潔凈和易結(jié)垢的液體宜走管程（管內(nèi)清洗方便）；2、腐蝕性流體宜走管程（以免管束和殼體同時受到腐蝕）；3、壓強(qiáng)高的流體宜走管程（以免殼體承受壓力）；4、飽和蒸汽宜走殼程（潔凈，與流速無關(guān)，冷凝液易排出

25、）；5、被冷卻的流體宜走殼程（便于散熱）；6、若兩流體溫差較大，宜將大的流體走殼程（以減小熱應(yīng)力）；7、流量小、粘度大的流體宜走殼程（Re100即可達(dá)湍流，也可走管程，采用多管程）；綜上所述，選擇半水煤氣走管程，變換氣走殼程。2.1.3 傳熱形式選擇管壁兩側(cè)流體溫度差變化如下圖2-1所示：并流 逆流圖2-1流體溫度差變化圖如上圖所示，若傳熱形式選擇并流傳熱，則不符合熱傳遞定律，所以流體傳熱形式選擇逆流傳熱。2.2 換熱面積的計算查JB/T4715得 換熱面積的計算公式為：A=d(L-2-0.006)n式中：A計算換熱面積，m2；d 換熱管外徑，m；L換熱管長度，m；管板厚度，m；n換熱管根數(shù)。

26、查GB151-2012得：1、用于易燃易爆及有毒介質(zhì)等嚴(yán)格場合時，管板的最小厚度（不包括腐蝕裕量）應(yīng)不小與換熱管的外徑。2、管板與換熱管采用焊接時管板的最小厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造要求，且不小于12mm。因此 暫取管板最小厚度 =12mm則 換熱面積計算如下：A=0.025(6-20.012-0.006)295=138.3204 m22.3物料與熱量衡算變換氣主要成分是CO2、CO 、N2、H2,還有少量的 CO、CH4 等。半水煤氣主要由N2、H2、CO、CO2、O2、組成,并含有少量H2S和惰性氣體。由小合成氨廠工藝與設(shè)計手冊3查的半水煤氣和變換氣各組分比列如下（自貢市鴻鶴化工廠的實(shí)際數(shù)據(jù)

27、）：表2-2變換氣組分組分N2COH2CO2H2OCH4含量（%）16.163.2744.3311.7824.190.27表2-3 半水煤氣組分組分N2COH2CO2O2CH4含量（%）21303870.71.52.3.1 定性溫度對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程流體（變換氣）的定性溫度為4：T= (420+210)2=215管程流體（半水煤氣）的定性溫度為：t= (160+375)2=2552.3.2 介質(zhì)物性計算根據(jù)定性溫度，在定性溫度下分別查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊6（無機(jī)、有機(jī)卷）得殼程和管程流體的物性數(shù)據(jù)如表2-5和2-6。表2-4 3151.0

28、58MP時變換氣物性數(shù)據(jù)組分N2COH2CO2H2OCH4含量xi（%）16.163.2744.3311.7824.190.27密度 kg/m35.59315.595830.40288.844859.107.8905（表格來源于化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊（無機(jī)卷）表2-5 2551.1MP時半水煤氣物性數(shù)據(jù)組分N2COH2CO2O2CH4H2O含量（%）21303870.71.51.8密度kg/m36.10186.213560.44059.85136.98107.909522.15（表格來源于化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊（無機(jī)卷）根據(jù)定性溫度，在定性溫度下分別查工程熱力學(xué)5得殼程和管程流體的比壓熱熔各項系數(shù)

29、如表2-6和2-7。表2-6 變換氣各組分的比壓熱熔各項系數(shù)組分N2COH2CO2H2OCH4含量xi（%）16.163.2744.3311.7824.190.27a01.03161.005314.4390.50581.78951.2398a1(10-3)-0.056080.05980-0.95041.35900.10683.1315a2(10-6)0.28840.19181.9861-0.79550.58610.7810a3(10-9)-0.1025-0.07933-0.43180.1697-0.1995-0.6863（表格來源于工程熱力學(xué)10附表2）表2-7 半水煤氣各組分的比壓熱熔各項系

30、數(shù)組分N2COH2CO2O2CH4H2O含量（%）21303870.71.51.8a01.03161.005314.4390.50581.78951.23981.7895a1(10-3)-0.056080.05980-0.95041.35900.10683.13150.1068a2(10-6)0.28840.19181.9861-0.79550.58610.78100.5861a3(10-9)-0.1025-0.07933-0.43180.1697-0.1995-0.6863-0.1995（表格來源于工程熱力學(xué)10附表2）則計算得變換氣和半水煤氣各組分的比壓熱容及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2-8和2-9。表

31、2-8 變換氣各組分的比壓熱熔及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分N2COH2CO2H2OCH4含量xi（%）16.163.2744.3311.7824.190.27比壓熱熔CpCp= a0+ a1(T)K +a2(T)2K+a3(T)3K(KJ/(Kg.K)1.0781.40714.1341.0642.0152.97質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)gi=Mixii=1nMixi）27.15 7.465.3231.1026.132.84表2-9 半水煤氣各組分的比壓熱熔及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分N2COH2CO2O2CH4H2O含量（%）21303870.71.51.8比壓熱熔CpCp= a0+ a1(T)K +a2(T)2K+a3(T)3K(

32、KJ/(Kg.K)1.0671.07914.4741.0270.9893.0111.980質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)gi=Mixii=1nMixi）26.8151.973.4614.041.021.231.47則半水煤氣和變換氣在各自定性溫度和壓力下的平均密度和比熱容為：變換氣的平均密度 1=i=1nii =0.16165.5931+0.03275.59583+0.44330.4028+ 0.11788.8448+0.241959.10+0.00277.8905 =16.646 k g/m3變換氣的平均比熱容為 Cp1=i=ngicpi =(0.27151.078+0.07461.407+0.053214

33、.134+0.31101.064+0.26132.015+0.02842.97 =2.09134 kJ/(kg.K)半水煤氣的平均密度 2=i=1nii =0.216.1018+0.306.21356+0.380.4405+0.079.8513+ 0.0076.9810+0.0157.9095+0.01822.15 =4.5565 kg/m3半水煤氣的平均比熱容 Cp2=i=ngicpi =0.26811.067+0.51971.097+0.034614.474+0.1404 1.027+0.01020.989+0.01233.011+0.01471.980 =1.5774 kJ/(kg.K)

34、2.3.3 選擇總傳熱系數(shù) 在列管式換熱器中，兩流體為氣體氣體，總傳熱系數(shù)大致范圍為1040W/(m2.s)（數(shù)據(jù)來源于化工原理4152頁表4-7）。因為總傳熱系數(shù)增大，可減小換熱器的傳熱面積。所以選擇總傳熱系數(shù)K=40 W/(m2.s)。2.3.4平均溫差逆流t1=T1-t2=420-375=45 t2=T2-t1=210-160=50因t1/t2 =45/50=0.91.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215（圖表來源于GB150-2011）2.4 殼程流體（變換氣）流量確定由公式Q=qm2 Cp2 (t2-

35、t1 )=qm1 Cp1 (T1-T2)得qm1=QCp1 (T1-T2) = 264191.96410-31.5774（420-210） =0.79755 kg/.s3 結(jié)構(gòu)計算3.1 換熱管的計算3.1.1 管徑和管子材質(zhì)選擇由設(shè)計參數(shù)換熱管管徑選用253，由于半水煤氣和變換氣都不具有強(qiáng)腐蝕性，所以根據(jù)GB150.2-2011以及GB151-2012選用低合金鋼無縫鋼管，材質(zhì)選擇Q345R。3.1.2傳熱管數(shù)和管程數(shù)根據(jù)給定設(shè)計參數(shù)，換熱管管數(shù)為295根，長度為6000mm。因采用逆流方式傳熱，根據(jù)JB/T4715表4得，選擇單殼程單管程傳熱。3.1.3傳熱管的排列管子的排列方式有等邊三角

36、形，正方形，轉(zhuǎn)角正方形三種。與正方形相比，等邊三角形排列比較僅湊，管外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖然比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗比較方便，對易結(jié)垢流體更為適用。若將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45安裝，可在一定程度上提高對流傳熱系數(shù)7。根據(jù)設(shè)計參數(shù)，等邊三角形排列，中心距34mm。如圖3-1。圖3-1管子三角形排列圖（圖片來源于GB151-2012）管心距為34mm（焊接時）。則隔板中心到力氣最近一排管中心距離：S=342+6=23（mm）（公式來源于GB151-2012）根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)7表53得，公稱直徑DN=700，管徑=25排管數(shù)目為見表2-3。表3-1排管數(shù)目表正

37、六角形同心圓數(shù)目六角形對角線上的的管字?jǐn)?shù)每個弓形部位的管子數(shù)弓形部位管字?jǐn)?shù)管子總數(shù)六角形內(nèi)的管字?jǐn)?shù)第一列第二列第三列919530301271（表格來源于GB151-2012）總排管數(shù)目301根中設(shè)定6根拉桿。3.2殼體計算由設(shè)計參數(shù)得，圓筒內(nèi)徑D=700mm，設(shè)計壓力Pc=1.05MP。3.2.1 筒體材料選擇根據(jù)GB150.2-2011,、GB713-2008、GB713-2008壓力容器鋼板的選用標(biāo)準(zhǔn)，壓力容器選材原則：1.選用壓力容器材料時，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和介質(zhì)特征；材料的使用性能，如機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經(jīng)濟(jì)合理性

38、能，如材料的價格、制造費(fèi)用和使用壽命。2.剛制壓力容器用鋼材應(yīng)按照GB713-2008中所列材料選用，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計壓力不大于35Mpa，對于超出規(guī)定的，應(yīng)進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行試驗，經(jīng)過研究以后決定。3.鋼材的使用溫度不超過各鋼號許用應(yīng)力中所對應(yīng)的上限溫度。但要注意的是，碳素鋼和碳錳鋼在高于425溫度下長期使用時，應(yīng)考慮鋼中碳化物的石墨化傾向。奧氏體剛的使用溫度高于525時，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04，對于-20的低溫容器材料用鋼，還應(yīng)進(jìn)行夏比“V”型缺口沖擊試驗。4.壓力容器非受壓元件用鋼必須有良好的可焊性。5.在考慮壓力容器受壓元件有足夠強(qiáng)度的情況下，必須考慮他的韌性，以防止外加載荷作用

39、下發(fā)生脆性破壞18。選擇本換熱器殼體材料為Q345R。3.2.2 焊接形式選擇1、壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則2：（1）盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)。（2）盡量采用對接接頭。（3）盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中。2、 坡口的選擇主要考慮以下因素2：（1）盡量減少填充金屬量，這樣既可以節(jié)省焊接材料，又可減少焊接工作量。（2）保證熔透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷。（3）減少焊接變形和殘余變形量，對較厚元件焊接應(yīng)盡量選用沿厚度對稱的坡口形式。根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計2表43以及實(shí)際操作允許，選取焊接接頭形式為雙面焊對接接頭或相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭，無損檢測比例為100%，則焊接接頭系數(shù)=1.00。3.2.3 筒

40、體計算從設(shè)計參數(shù)得，設(shè)計溫度為425因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計算壓力等于設(shè)計壓力，即殼程流體的操作壓力pc=1.05 MP。查過程設(shè)備設(shè)計表D-1得 在設(shè)計溫度425時假設(shè)材料的許用應(yīng)力為t=93MP（厚度為316mm時），筒體厚度為計算厚度：=pcDi2t-pc=1.057002931-1.05=3.974mm（公式來源于過程設(shè)備設(shè)計4.3）對變換氣，起不具有強(qiáng)腐蝕特性，而且規(guī)定對于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm。所以取C2=2mm.則設(shè)計厚度：d=+C2=3.974+2=5.954mm對于Q345R，查GB/T3274-2007得，鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm，因而取名義厚度n=

41、8mm。但對低合金鋼制的容器，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm,因此，計算值符合規(guī)定，由鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度取8mm。再返回查過程設(shè)備設(shè)計表D-1得，n=8mm，t沒有變化，故取名義厚度8mm合適。即，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為700mm，筒壁厚度為8mm。3.3 管箱圓筒計算由給定設(shè)計參數(shù)得，設(shè)計溫度400，因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計算壓力等于設(shè)計壓力，即管程流體的操作壓力pc=1.1 MP查過程設(shè)備設(shè)計表D-1得，在設(shè)計溫度400時，假設(shè)材料的許用應(yīng)力為t=125MP（厚度為316mm時），計算厚度：=pcDi2t-pc=1.170021251-1.1=3.094mm對變換氣，

42、起不具有強(qiáng)腐蝕特性，而且規(guī)定對于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm。所以取C2=2mm.則設(shè)計厚度：d=+C2=3.094+2=5.094mm對于Q345R，查GB/T3274得，鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm，因而取名義厚度n=8mm。但對低合金鋼制的容器，規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm,因此，計算值符合規(guī)定，由鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度取8mm。再返回查過程設(shè)備設(shè)計表D-1得，n=8mm，t沒有變化，故取名義厚度8mm合適。即，換熱器管箱圓筒內(nèi)徑為700mm，筒壁厚度為8mm。同時，有GB151-1999得，軸向開口的單管程管箱，開口中心處的最小深度應(yīng)不小于按管內(nèi)徑的1/3。因此

43、，根據(jù)給定參數(shù)冷流體進(jìn)出管直徑長度：Dg150150，管箱圓筒長度取300mm。3.4 封頭計算對于管殼式換熱器，從內(nèi)徑、制造、受力分析、流體流通等因素考慮，GB/T25198-2010根據(jù)本換熱器左右封頭都選擇標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭。封頭EHA樣式如下圖3-2。圖3-2橢球形封頭（圖片來源于GB/T25198-2010）對于EHA橢形封頭DN=Di，Di2（H-h）=2(公式來源于GB/T25198-2010附表C)根據(jù)GB150.2-2011,、GB713-2008、GB6654-1996壓力容器鋼板的選用標(biāo)準(zhǔn)，選擇本換熱器封頭材料為Q345R。根據(jù)GB/T25198-2010附表C得，對DN=7

44、00的封頭，總深度H=200，內(nèi)表面積A=0.5861m2，容積V=0.0545m3。因此由Di2（H-h）=2得 h=25 mm。由給定設(shè)計參數(shù)得，設(shè)計溫度400，因介質(zhì)為氣體，無靜壓力，所以計算壓力等于設(shè)計壓力，即管程流體的操作壓力pc=1.1 MP查過程設(shè)備設(shè)計表D-1得，在設(shè)計溫度400時，假設(shè)材料的許用應(yīng)力為t=125MP（厚度為316mm時），封頭厚度為：計算厚度：因pc=1.1MP32或l900l900且d32管孔直徑d+0.7d+0.4允許偏差+0.300（表格來源于GB150-2010）II級管束（適用于碳鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱管）折流板或支持板管孔直徑即允許偏差應(yīng)符合表4-2規(guī)定。表4-2 II級管束折流板或支持板管孔直徑即允許偏差換熱管外徑1416192532384557管孔直徑14.616.619.625.832.838.845.858.0允許偏差+0.400+0.450+0.500（表格來源于GB150-2010）由上表得，選擇折流板管孔直徑25.7mm，允許偏差為： 0