畢業(yè)設計（論文）汽提塔冷凝器設計

1、本科生畢業(yè)設計（論文） i摘要本次設計的題目為汽提塔冷凝器。汽提塔冷凝器是換熱器的一種應用，這里我設計成浮頭式換熱器。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，它的特點是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗。在化工工業(yè)中應用非常廣泛。本文對浮頭式換熱器進行了整體的設計，按照設計要求，在結(jié)構(gòu)的選取上，采用了 1-2 型，即殼側(cè)一程，管側(cè)兩程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結(jié)構(gòu)設計，

2、之后對各部分進行校核。本次畢業(yè)設計任務是流量為 3500kg/h，浮頭式換熱器的機械設計，工作壓力管程為 0.43mpa、殼程為 0.042mpa，工作溫度管程為 61、殼程為 80。通過本次畢業(yè)設計，我熟悉了浮頭式換熱器的工藝流程，掌握了浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)及計算方法，了解了浮頭式化熱器的制造要求及安裝過程。但是，限于經(jīng)驗不足和水平有限，一定存在缺點甚至錯誤之處，敬請老師批評指正。關鍵詞：換熱器；浮頭式；管程；殼程本科生畢業(yè)設計（論文） iiabstractthe topic of my study is the design of stripper condenser. stripper c

3、ondenser is one of applications heat exchanger.in here, my design is the 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 ca

4、lled floating head. as the tubes can expand without the restriction of the shell， it can avoid thermal stress. another advantage is that it can be dismantled and clean easily . it is widely used in chemical industry. in this study an overall design of the floating head heat exchanger is carried out

5、.according to the demand the type 1-2 is chosen to be the basic type， which has one segment in shell and two segment in tubes. first， heat transfer is calculated to determine the heat exchange surface area and the number of tubes that needed. then， according to the request and standards， structural

6、of system is well designed. after that，the finite element analysis of the shell is completed.the graduation design task is 3500kg/h flow of the floating head heat exchanger, the mechanical design, working pressure tube 0.4 3mp, shell, work process of 0.042mp for 61 , the temperature tube for 80 shel

7、l cheng. through the graduation design, i am familiar with the floating head heat exchanger process, mastered the structure of floating head heat exchanger and calculation method of floating head, learned the heat exchanger is manufacturing requirements and installation process. but, due to lack of

8、experience and limited ability, certain shortcomings and even mistakes, please the teacher criticism and corrections.key words：heat exchanger；floating head；tube-side；shell-side本科生畢業(yè)設計（論文） iii 目錄第一章 換熱器概述.11.1 換熱器的應用.11.2 換熱器的主要分類.11.2.1 換熱器的分類及特點.11.2.2 管殼式換熱器的分類及特點.21.3 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu).51.4 換熱管簡介.5第二章 工

9、藝計算.72.1 設計條件.72.2 換熱器傳熱面積與換熱器規(guī)格：.82.2.1 流動空間的確定.82.2.2 初算換熱器傳熱面積a.82.2.3 傳熱管數(shù)及管程的確定.92.2.4 管心距的計算.92.2.5 換熱器型號、參數(shù)的確定.92.2.6 殼體內(nèi)徑計算.92.2.7 折流板的計算.102.3 換熱器核算.102.3.1 傳熱系數(shù)核算.112.3.2 換熱器的流體阻力.132.3.3 換熱器的選型.14第三章 換熱器的結(jié)構(gòu)計算和強度計算.153.1 換熱器的殼體設計.153.2 筒體材料及壁厚.153.3 封頭的材料及壁厚.163.4 管箱材料的選擇及壁厚的計算.163.5 開孔補強計

10、算.173.6 水壓試驗及殼體強度的校核.193.7 換熱管.203.7.1 換熱管的排列方式.203.7.2 布管限定圓ld.203.7.3 排管.213.7.4 換熱管束的分程.213.8 管板設計.223.8.1 管板與殼體的連接.223.8.2 管板計算.22本科生畢業(yè)設計（論文） iv3.8.3 管板重量計算.263.9 折流板.263.9.1 折流板的型式和尺寸.273.9.2 折流板排列.273.9.3 折流板的布置.273.10 拉桿與定距管.273.10.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式.273.10.2 拉桿的直徑、數(shù)量及布置.283.10.3 定距管.283.11 法蘭和墊片.283.

11、11.1 固定端的殼體法蘭、管箱法蘭與管箱墊片.283.11.2 外頭蓋側(cè)法蘭、外頭蓋法蘭與外頭蓋墊片、浮頭墊片.303.11.3 接管法蘭型式與尺寸.313.12 鉤圈式浮頭.323.12.1 浮頭蓋的設計計算.333.13 分程隔板.383.14 鞍座.383.14.1 支反力計算如下.383.14.2 鞍座的型號及尺寸.403.15 接管的最小位置.403.15.1 殼程接管位置的最小尺寸.403.15.2 管箱接管位置的最小尺寸.41附錄 外文翻譯.45參考文獻.55本科生畢業(yè)設計（論文） 1第一章第一章 換熱器概述換熱器概述過程設備在生產(chǎn)技術領域中的應用十分廣泛，是在化工、煉油、輕工

12、、交通、食品、制藥、冶金、紡織、城建、海洋工程等傳統(tǒng)部門所必需的關鍵設備，而換熱設備則是廣泛使用的一種通用的過程設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的 10%20%；在煉油廠，約占總投資的 35%40%。1.1 換熱器的應用換熱器的應用 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，高爐爐氣（約 1500）的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。 隨著我國工

13、業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。1.2 換熱器的主要分類換熱器的主要分類 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。1.2.1 換熱器的分類及特點換熱器的分類及特點管按照傳熱方式的不同，換熱器可分為三類： 1.直接接觸式換熱器 又稱混合式換熱器，它是利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進行熱量的交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，常做成塔狀，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。 2.蓄熱式換熱器 在這類換熱器中，熱量傳遞是

14、通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉(zhuǎn)換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)本科生畢業(yè)設計（論文） 2象，造成流體的“污染” 。 蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜，單位體積傳熱面比較大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。 3.間壁式換熱器 這是工業(yè)中最為廣泛使用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進行傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點它又可分為：管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等；板面式換熱器：如板式、螺旋板式、板殼式等；擴展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強化的傳熱等。1

15、.2.2 管殼式換熱器的分類及特點管殼式換熱器的分類及特點 由于設計題目是浮頭式換熱器的設計，而浮頭式又屬于管殼式換熱器，故特此介紹管殼式換熱器的主要類型以及結(jié)構(gòu)特點。 管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。殼體多為圓筒形，內(nèi)部放置了由許多管子組成的管束，管子的兩端固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為了增加殼程流體的速度以改善傳熱，在殼體內(nèi)安裝了折流板。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強

16、流體湍流程度。流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次就稱為一個殼程，而圖 1-2-1 所示為最簡單的單殼程單管程換熱器。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設置隔板，將全部管子均分為若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程；同樣。為提高管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可以配合使用。這種換熱器的結(jié)構(gòu)不算復雜，造價不高，可選用多種結(jié)構(gòu)材料，管內(nèi)清洗方便，適應性強，處理量較大，高溫高壓條件下也能應用，但傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼

17、體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應力，導致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過 50時，需采取適當補償本科生畢業(yè)設計（論文） 3措施，以消除或減少熱應力。根據(jù)所采用的補償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型：固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，當殼體直徑相同時，可安排更多的管子，也便于分程，同時制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進行堵管或

18、換管，但無法在管子的外表面進行機械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應力，因此為了減少溫差應力，通常需在殼體上設置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來降低管束與殼體中的溫差應力。浮頭式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭管板上，浮頭管板夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈之間，形成可在殼體內(nèi)自由移動的浮頭，故當管束與殼體受熱伸長時，兩者互不牽制，因而不會產(chǎn)生溫差應本科生畢業(yè)設計（論文） 4力。

19、浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易抽出管束，故管內(nèi)管外都能進行清洗，也便于檢修。由上述特點可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動和溫差大的場合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復雜、造價更高。u 型管式換熱器：其結(jié)構(gòu)可參見圖 3。一束管子被彎制成不同曲率半徑的u 型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個管箱。因為管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應力。其結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好讓不易結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過。由于彎管的外側(cè)管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故

20、 u 型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點。 雙重管式換熱器：將一組管子插入另一組相應的管子中而構(gòu)成的換熱器，其結(jié)構(gòu)可以參看圖 4。管程流體（b 流體）從管箱進口管流入，通過內(nèi)插管到達外套管的底部，然后返回，通過內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設備造價較高。填料函式換熱器：圖 5 為填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭本科生畢業(yè)設計（論文） 5之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關零件

21、后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，造價也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過大。1.3 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu)管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu)包括有雙殼程結(jié)構(gòu)、螺旋折流板、雙管板等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將使換熱器擁有更高的工作效率。（1）雙殼程結(jié)構(gòu)：在換熱器管束中間設置縱向隔板，隔板與殼體內(nèi)壁用密封片阻擋物流內(nèi)漏，形成雙殼程結(jié)構(gòu)。適用場合：管程流量大殼程流量小時，采用此結(jié)構(gòu)流速可提高一倍，給熱系數(shù)提高 11.2 倍；冷熱流體溫度交叉時，但殼程換熱器需要兩臺以上才能實現(xiàn)傳熱，用一臺雙殼程換熱

22、器不僅可以實現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。（2）螺旋折流板式換熱器：螺旋折流板可以防止死區(qū)和返混，壓降較小。物流通過這種結(jié)構(gòu)換熱器時存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場合。（3）雙管板結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加一個管板，形成的雙管板結(jié)構(gòu)用于收集泄漏介質(zhì)，防止兩程介質(zhì)混合。1.4 換熱管簡介換熱管簡介換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，采用高效傳熱元件是改進換熱器傳熱性能最直接有效的方法。國內(nèi)已使用的新效的換熱管有以下幾種：螺紋管：又稱低翅片管，用光管軋制而成，適用于管外熱阻為管內(nèi)熱阻 1.5倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結(jié)垢物料的換熱。（1）t 形翅片管：用于管外沸

23、騰時，可有效降低物料泡核點，沸騰給熱系數(shù)提高 1.63.3 倍，是蒸發(fā)器、重沸器的理想用管。表面多孔管：該管為光管表面形成一層多孔性金屬敷層，該敷層上密布的小孔能形成許多汽化中心，強化沸騰傳熱。（2）螺旋槽紋管：可強化管內(nèi)物流間的傳熱，物料在管內(nèi)靠近管壁部分流體順槽旋流，另一部分流體呈軸向渦流，前一種流動有利于減薄邊界層，后一種流動分離邊界層并增強流體擾動，傳熱系數(shù)本科生畢業(yè)設計（論文） 6提高 1.31.7 倍，但阻力降增加 1.72.5 倍。（3）波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，管內(nèi)、管外都有強化傳熱的作用，但波紋管換熱器承壓能力不高，管心距大而排管少，殼程短而不易控制。 管殼式換熱

24、器的應用已經(jīng)有悠久的歷史，而且管殼式換熱器被當作一中傳統(tǒng)的標準的換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用。尤其在化工、石油、能源設備等部門所使用的換熱設備中，管殼式換熱器仍處于主導地位，因此本次畢業(yè)設計特針對這類換熱器中的浮頭式換熱器的工藝設計以及結(jié)構(gòu)設計進行介紹。本科生畢業(yè)設計（論文） 7第二章第二章 工藝計算工藝計算 在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需要的傳熱面積。工藝設計中包括了熱力設計以及流動設計，其具體運算如下所述：2.1 設計條件設計條件兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度 82，出口溫度 76；冷流體（自來水）進口溫度 51，出口溫度 71。該換熱器用循環(huán)冷

25、卻水冷凝，冬季操作時進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計改換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差不大，因此初步確定選用固定管板式換熱器。2.流動空間及流速的確定 因兩流體中苯發(fā)生相變,水的對流傳熱系數(shù)一般較大且易結(jié)垢,故應使循環(huán)水走管程，苯品走殼程。選用 20 x2 的碳鋼管，管內(nèi)流速取 ui=1.2m/s。3.確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 殼程苯的定性溫度為t=(82+80)/2=81（） t=(80+76)=78（） 管程流體的定性溫度為t=（51+71）/2=61（）苯在 79下的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度 =3.5kg/ m3 =879kg/ m3定壓比熱容 cp =1.41k

26、j/（kg.）cp =1.29kj/（kg.）導熱系數(shù) =0.007w/（m. ） =0.11w/（m. ）粘度 o=0.000312pa.s汽化熱 h=394kjkg流量 )/(35000hkgm 循環(huán)冷卻水在 61下的物性數(shù)據(jù)：密度 i =983kg/m3定壓比熱容 cpi =4.622kj/(kg.)導熱系數(shù) i=0.66w/(m.)粘度 i=0.000469pa.s本科生畢業(yè)設計（論文） 82.2 換熱器傳熱面積換熱器傳熱面積與換熱器規(guī)格：與換熱器規(guī)格：2.2.1 流動空間的確定流動空間的確定選擇被冷卻的苯品走殼程，冷卻介質(zhì)水走管程。這是因為：被冷卻的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大

27、的流體應走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應力，同時對于浮頭式換熱器，一般是將易結(jié)垢流體流經(jīng)管程。2.2.2 初算換熱器傳熱面積初算換熱器傳熱面積a2.2.2.1 傳熱計算（熱負荷計算）熱負荷：qc=moh+mocpto+mocpt1=350039435001.41(82-80) 35001.29(80-76)=1.407106kj/h=390.78kw 冷卻水用量：140700015220 kg/hti4.622qocpi=（）（71-51）2.2.2.2 有效平均溫差的計算mt選取逆流流向，這是因為逆流比并流的傳熱效率高。采用平均溫度差。 t1-t2-tm=7.82t1-lnlnt2-（

28、82 80）（7151）（）82 807151t1-t2-tm=9.94t1-lnlnt2-（80 76）（7151）（）80 767151)(76.1794. 982. 70,cmttmtm總2.2.2.3 按經(jīng)驗值初選總傳熱系數(shù)k估 查表選得=300w/（） ；k估2.2.2.4 初算出所需的傳熱面積a；3907802a=73.34 mtm300 17.76qk（）總考慮到所用傳熱計算式的準確程度及其他未可預料的因素，應使所選用的換熱器具有換熱面積留有裕度 10%-25%，故有0a，根據(jù)查選型手冊，可選換熱器的型式為：21.11.1*73.3480aama本科生畢業(yè)設計（論文） 9，且為達

29、到所需換熱面積，應采用三臺同類換熱器串聯(lián)。bes-2.5-85-6/25-4-所選浮頭式換熱器的規(guī)格參數(shù)以及其工藝計算常用參數(shù)可參考表 2-3 與表 2-4（附第二章后） 。2.2.3 傳熱管數(shù)及管程的確定傳熱管數(shù)及管程的確定選用 20 x2 的傳熱管（碳鋼）l=4.5(m),取管內(nèi)流速 ui=0.4m/s 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)s22i15220/(983 3600)n72()0.785 0.0160.34vd u根按單程管計算，所需的傳熱管長度為 os8017.69(m)d n3.14 0.02 72sl p17.694()l4.5ln管程傳熱管總根數(shù) n=72x4=288

30、(根)2.2.4 管心距的計算管心距的計算 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正方形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 t=1.25do，則 t=1.25 20=25（mm）橫過管束中心線的管數(shù) nc=1.1=18.6 取 19（根）2882.2.5 換熱器型號、參數(shù)的確定換熱器型號、參數(shù)的確定將選型計算所得換熱器管管子數(shù)與布管總數(shù)相比較，如果換熱器管管子數(shù)大于布管總數(shù)，則需更換公稱直徑 dn,然后重新計算布管總數(shù)；如果換熱管管子數(shù)小于布管總數(shù)，則可最終確定換熱器型號，并將換熱器的型號參數(shù)輸出。換熱器型號參數(shù)有：公稱直徑 dn、公稱壓力 pn、換熱管長度 ln、換熱器管程 np、換熱器外徑 d、

31、公稱換熱面積 a、管箱型式（a/b） 、殼體型式等。 2.2.6 殼體內(nèi)徑計算殼體內(nèi)徑計算采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7，則殼體內(nèi)徑為本科生畢業(yè)設計（論文） 10d=1.05t=1.1 25=556（mm）取 600mm/n286/0.7圓整可取 d=600mm式中：t管心距 n傳熱管總根數(shù) 管板利用率圓缺高度計算：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=0.25600=150mm取折流板間距 b=0.5d,則b=0.5600=300mm，可取 b 為 300mm 2.2.7 折流板的計算折流板的計算 折流板一般都比較薄，為了盡量避免加工偏差，便于管束裝配，全

32、部折流板應疊在一起同時進行鉆孔為好，待鉆孔工序完成后再按對稱方向根據(jù)需要的形狀進行邊緣加工。弓形折流板 大部分換熱器采用弓形折流板，其缺口高 h 數(shù)值，一般為0.200.45 倍的圓筒內(nèi)直徑。折流板的缺口一般在排管中心以下或切于兩排管孔的小橋中間。折流板數(shù) 45001114300bn 傳熱管長（塊）折流板間距對于折流板的間距，沒有嚴格規(guī)定一般按工藝要求而定。一般采用等距分布。折流板的最小間距，一般不小于殼體內(nèi)直徑的五分之一，且不小于 50mm，特殊情況可取小間距。折流板的最大間距與管徑及殼體直徑有關。2.3 換熱器核算換熱器核算管程流體進出口接管的直徑：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u=1.5m/s，則

33、接管內(nèi)徑為4 15220/d0.0604 m3.14 1.5（3600 983）=（）取標準管徑為：65mm殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體苯品流速為 u=15m/s，液體苯品流速本科生畢業(yè)設計（論文） 11為 u=0.5m/s,則接管內(nèi)徑為 進口內(nèi)徑: 取 200mm44 3500/3.50.153u3.14 15v（3600） 出口內(nèi)徑：44 3500/879d0.081 mu3.14 0.5v（3600）（）取標準管徑為：100mm2.3.1 傳熱系數(shù)核算傳熱系數(shù)核算殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用克恩公式 o0.14oo0.551/3oew=0.36reprd當量直徑，由正方形

34、排列得o2222eo4 td4 0.0250.785 0.0204d =0.020 md3.14 0.020（）殼體流通截面積o2od0.020=bd 10.3 0.610.036 mt0.025s（）殼體流體流速及其雷諾系數(shù)分別為氣體苯：o3500/ 3600 3.50.389 m s0.036u（）（/ ） o0.016 0.389 3.5e =69.820.000312r液體苯：oo3500/ 3600 8790.0308 m s0.0360.016 0.0308 879e =1388.80.000312u（）（/ ）r普蘭特準數(shù)氣體苯：361.41 10312 10pr62.80.00

35、7液體苯：361.29 10312 10pr3.660.11本科生畢業(yè)設計（論文） 12粘度校正 10.14oww/(m2. )0.551/3o0.141=0.3669.8262.8104.30.02 w/(m2. )0.551/3o0.129=0.361388.83.661920.02=（104.31319223）2=325.5 w/(m2. )o（2）管程對流傳熱系數(shù)i0.80.4iireprd0.023管程流通截面積22i2880.785 0.0160.01447 m4s （）管程流體流速ie315220/u0.30 m s0.014470.016 0.3 983100610.469 1

36、0（3600 983）（/ ）r=普蘭特準數(shù)330.80.4i4.622 100.418 10pr2.930.660.660.023100612.9325470.016（3）總傳熱系數(shù) k污垢熱阻 rsi=0.000144m2./w rso=0.000072 m2./w管壁的導熱系數(shù) =70w/(m.)=ooosisoiiimo1dbd1d+adddrrk=w/13100.0200.0200.002 0.02010.0001440.0000722547 0.0160.01670 0.018325.5本科生畢業(yè)設計（論文） 13（m2）（4）傳熱面積 s s=mqk t239078074.7 m

37、310 16.87（）該換熱器的實際傳熱面積 sp此管采用 d=600mm b=420mm 管長 l=4m 管程為 4 管程的規(guī)格，查國標可得：傳熱管總管數(shù)為：288 根換熱器的實際傳熱面積 sp=3.14 (4.5-0.06) 0.02 (288-19)=752m該換熱器的面積裕度為0000007574.71001004.0274.7psssh =傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。232 換熱器的流體阻力換熱器的流體阻力（1）管程流動阻力itspp 12（p+ p）fnnns=1，np=4，ft=1.422i2luud22p1p=，由 re=10061，傳熱管相對粗糙度 0.01/

38、20=0.005，查莫狄圖得=0.034w/m，流速 ui=0.995m/s，=994kg/m3，所以i 24.50.398310.111368.5a0.0162p（p ） 22u983 0.33a22 p2=132. 7（p ） 105paiap（1368. 5+132. 7）1. 4 4=9526. 7（p ）管程流動阻力在允許的范圍之內(nèi)。（2）殼程阻力 本科生畢業(yè)設計（論文） 14 po=(p1+p2)ftns nsl，ftl.15 流體流經(jīng)管束的阻力 2010879 0.0308 0.0308(1)0.4 0.5314 19 162722cbupff n npa4.519,1160.3

39、cbnn ,0.28805.00.5314efr00.0308u 2022(3.52/)/ 216 (3.5 1) 879 0.0308216.7bpnb dupa流體流過折流板缺口的阻力 總阻力po2716.743.7(pa)42 kpa殼程流動阻力也比較適宜。2.3.3 換熱器的選型換熱器的選型表 2-3 所選浮頭式換熱器規(guī)格dnmmpnmpa管長m管程數(shù)換熱管規(guī)格計算傳熱面積規(guī)格型號管程出入口公稱直徑，殼程出入口公稱直徑，6000.43 4.547565155表 2-4 工藝計算常用參數(shù)公稱直徑（mm）管程中心排管數(shù)換熱管數(shù)管程平均通道面積（c）弓形折流板缺口弓高（）6004192881

40、44.715020 2bes-2.5-85-6/25-4-本科生畢業(yè)設計（論文） 15第三章第三章 換熱器的結(jié)構(gòu)計算和強度計算換熱器的結(jié)構(gòu)計算和強度計算 在確定換熱器的換熱面積后，應進行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設計和強度計算，主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補強計算，還有主要構(gòu)件的設計（如管箱、殼體、折流板等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等） ，具體計算如下3.1 換熱器的殼體設計換熱器的殼體設計采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7，則殼體內(nèi)徑為d=1.05t=1.1 25=556（mm）取

41、600mm/n286/0.7圓整可取 d=600mm式中：t管心距 n傳熱管總根數(shù) 管板利用率3.2 筒體材料及壁厚筒體材料及壁厚由于換熱器為內(nèi)壓容器，故可以采用內(nèi)壓容器的設計方法來確定其壁厚，根據(jù)內(nèi)壓薄壁容器“彈性失效”設計準則，殼壁計算壁厚計算公式為：設計壓力 pc=（1.05 c1 1.1）pw殼程：pc=1.10.042=0.0462mpa管程：pc=1.10.43=0.473mpa 采用雙面對接焊，局部無損探傷，取焊縫系數(shù)為85. 0壓力容器的用鋼種類很多，主要有 q235a,q235b,16mnr 等等，這里采用的是 16mnr。材料的許用應力 mpat170取鋼板的厚度負偏差 c

42、1 =0.8mm，腐蝕裕量 c2=2mm。則 c= c1+ c2=0.8+2=2.8mm6mm0.473 6003.782 2 170 0.850.473p dccmmp cidc=根據(jù)國家規(guī)定選 6mm但查化工設備機械基礎表 16-2，對于公稱直徑 dg=400 700mm 的合金本科生畢業(yè)設計（論文） 16鋼圓筒的最小厚壁應該為 8mm，所以本設計 min =8mm。綜上所述，取管體的名義壁厚 n =10mm3.3 封頭的材料及壁厚封頭的材料及壁厚上下兩封頭均選用標準橢圓形封頭，標準橢圓形封頭的壁厚與筒體的厚度基本相同，兩者可以等厚，則。根據(jù) jb/t4737-2002 標準，封頭為：mm

43、hf10。如圖所示，材料選用 20r.40,150, 660021mmhmmhdn直邊高度曲面高度鋼。下封頭常與裙座焊接，h2=50mm，材料選用 16mnr 鋼。 3.4 管箱材料的選擇及壁厚的計算管箱材料的選擇及壁厚的計算前端管箱為橢圓形管箱，這是因為橢圓形封頭的應力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。此時選用標準橢圓形封頭，故，且同上，則封頭1 120.8;2ccmm計算厚度為：； 1 0.473 6000.982 170 0.850.5 0.47320.5cihtcdmm 設計厚度；120.980.823.78dhhccmm但查化工設備機械基礎表 16-2，對于公稱

44、直徑 dg=400 700mm 的合金鋼封頭的最小厚度應該為 8mm，=10mm。 經(jīng)檢查，沒有變化，故dh t合適查 jb/t47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號參數(shù)如下：本科生畢業(yè)設計（論文） 17表 3-1 dn600 標準橢圓形封頭參數(shù)dn(mm)總深度 h(mm)內(nèi)表面積 a()容積(m3) 封頭質(zhì)量（）6001750.43740.035334.6 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為 10mm。 后端管箱厚度計算:由于是浮頭式換熱器設計，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。外頭蓋的內(nèi)直徑為 700mm，這可在“浮頭蓋計算”部分看到。選用標準橢圓形封頭，故，且同上，則計算厚

45、度1 120.8;2ccmm為：； 1 0.473 7001.152 170 0.850.5 0.47320.5cihtcdmm設計厚度；121.150.823.95dhhccmm名義厚度（為向上圓整量） ；3.9510nhdhmm 經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。 t查 jb/t47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號參數(shù)如下：表 3-2 dn700 標準橢圓形封頭參數(shù)dn(mm)總深度 h(mm) 內(nèi)表面積 a()容積(m3) 封頭質(zhì)量（）7002000.58610.054541.3 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為 10mm。3.5 開孔補強計算開孔補強計算 在該臺浮頭式換熱器上，殼程流

46、體的進出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，會給換熱器的安全操作帶來隱患。因此此時應進行開孔補強的計算。 由于管程出入口公稱直徑均為 65mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為；而殼程進口公稱直徑均為 200mm，出口公稱直徑均為 200mm，按照576厚度系列，可選接管的規(guī)格分別為，為接管的材料選為 20 號鋼。8219本科生畢業(yè)設計（論文） 183.5.1 殼體上開孔補強計算1. 補強及補強方法判別：1 補強判別：根據(jù) gb150

47、 表 8-1，允許不另行補強的最大接管外徑是，殼程進口開孔外徑為 200mm，因此需要另行考慮其補強。其余開孔89mm外徑因不大于 89mm，故不需要另行考慮其補強。開孔直徑，22012 22053002iidddcmmmm 滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。2 開孔所需補強面積計算：強度削弱系數(shù)； 1370.806170tnrtfmm 接管有效厚度；927etntcmm開孔所需補強面積按下式計算：22(1)205 1.92 1.9 7 (1 0.806)394.7;etradfmm 3 有效補強范圍有效寬度 b：22 205410max410222052 6

48、2 9235hhhnntdmmbmmdmm 有效高度：（a）外側(cè)有效高度為：1h；1205 943min43200hnthdmmhmmmm （b）內(nèi)側(cè)有效高度為：2h；2205 943min00hnthdmmhmmmm 本科生畢業(yè)設計（論文） 194 有效補強面積殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度：633;encmm則多余的金屬面積為：1a12()()2()(1)(410205) (30.8)2 7 (30.8) (1 0.806)445;hhhhehethehrhabdfmm 接管多余金屬面積： 接管計算厚度：； 21.1 2010.812 137 1 1.12cittcndmm 接管多余金屬

49、面積：2a2212222 ()2()2 43 (70.81) 0.8060429.1;hettretraahfhcfmm接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為 6mm）：；23126 6362amm 有效補強面積：2123445429.1 36901.1eaaaamma由此可知已經(jīng)達到了補強要求，無需另行補強。3.6 水壓試驗及殼體強度的校核水壓試驗及殼體強度的校核水壓試驗壓力： mpapptct59. 0170170473. 025. 125. 1根據(jù)文獻化工原理課程設計4-89 有：mpadpeeit18.42)8 . 210(2)8 . 210(60059. 02本科生畢業(yè)設計（論文） 20而mpak

50、dpeeittf73.24)8 . 210(2)72. 05 . 0600(59. 02)5 . 0(式中： k應力增強系數(shù)或形狀系數(shù)，對橢圓形封頭取 k=1 內(nèi)壓容器的試驗壓力tp 水壓試驗時筒體的壁內(nèi)應力t 水壓試驗時封頭（管箱）的壁內(nèi)應力tf 根據(jù)文獻化工設備機械基礎表 8-7，可知所選用的 16mnr 板材在常溫下時：mpas345則有mpas24634585. 09 . 09 . 0式中：16mnr 在常溫下時的許用應力s則246mpa，246mpatf可見筒體和封頭在水壓試驗時均安全。3.7 換熱管換熱管 換熱管的規(guī)格為，材料選為 20 號鋼。19 23.7.1 換熱管的排列方式換

51、熱管的排列方式換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。在此，選擇正方形排列，主要是考慮這種排列便于進行機械清洗。查 gb151-1999 可知，換熱管的中心距 s=25mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距為 35mm；同時，由于換熱管管間需要進行機械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離（s-d）不宜小于 6mm。本科生畢業(yè)設計（論文） 213.7.2 布管限定圓布管限定圓ld布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，其由下式確定：ld1

52、2()liddbbb查 gb151-1999 可知，b=5，b1=3，bn=12，故 b2= bn+1.5=13.5，則。600(35 13.5)578.5ldmm 3.7.3 排管排管排管時須注意：拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處布置拉桿，其間距小于或等于 700mm。拉桿中心至折流板缺邊的距離應盡量控制在換熱管中心距的（0.51.5）范圍內(nèi)。3多管程換熱器其各程管數(shù)應盡量相等，其相對誤差應控制在 10%以內(nèi)，最大不能超過 20%。相對誤差計算：； min(max)100%cpcpnnnn 其中：各程的平均管數(shù)；各程中最小或最大的管cpnmin(max)n數(shù)。 實際排

53、管如下所示： 由上圖可知，經(jīng)過實際排管后發(fā)現(xiàn)，每個管程的布管數(shù)目分別是 72，72，而各管程的平均管數(shù)為 72，因此可知各程管數(shù)的相對誤差是：min(max)7271100%100%1.3%20%72cpcpnnnn本科生畢業(yè)設計（論文） 223.7.4 換熱管束的分程換熱管束的分程 在這里首先要先提到管箱。管箱作用是把從管道輸送來的流體均勻地分布到換熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器，在多管程換熱器中管箱還起改變流體流向的作用。 由于所選擇的換熱器是 4 管程，故管箱選擇為多程隔板的安置形式。而對于換熱管束的分程，為了接管方便，采用平行分法較合適，且平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。3.8 管

54、板設計管板設計 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的 16mnr 整體管板。3.8.1 管板與殼體的連接管板與殼體的連接由于浮頭式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。3.8.2 管板計算管板計算 符號說明： 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被da換熱管支承的面積，對正方形排列，；2mm()dnan s ss 隔板槽一側(cè)的排管根

55、數(shù)；n換熱管中心距；s隔板槽兩側(cè)鄰管的中心距；ns管板布管區(qū)面積，；對多管程正方形排列換熱器，ta2mm；2tdan sa本科生畢業(yè)設計（論文） 23管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積，；la2mm24ltdaan 一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；a2mm固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，；根據(jù)所選的墊片的gdmm尺寸，且選擇其壓緊面型式為 gb150 表 9-1 的 1a，可知密封面寬度；則，0665625106.422nbmmmm02.532.531086.4bbmmmm故；6652 8649gdmm 管板布管區(qū)當量直徑，；tdmm4ttad換熱管外徑，；dmm設計溫度時，管板材料的彈性模量，mp

56、a；pe設計溫度時，換熱管材料的彈性模量，mpa；fe系數(shù)，按和查 gb151 圖 24；weg1123akp1t管束模數(shù)，mpa； tkttte nakld管束無量綱剛度，mpa；tkttpkke換熱管有效長度（兩管板內(nèi)側(cè)間距） ，；lmm換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，；lmm換熱管根數(shù)；n無量綱壓力，；ap 1.5datrpp 當量壓力組合；mpa；cp管板設計壓力，mpa；dp殼程設計壓力，mpa；sp本科生畢業(yè)設計（論文） 24管程設計壓力，mpa；tp換熱管與管板連接拉脫力，mpa；q許用拉脫力，查 gb151，mpa； q系數(shù)，；1naa管板計算厚度，；mm換熱管管壁厚度，；tm

57、m管板剛度削弱系數(shù)，一般可取值；管板強度削弱系數(shù)，一般?。?.4系數(shù)，；tttgdd換熱管軸向應力，mpa；t換熱管穩(wěn)定許用壓應力，mpa； cr設計溫度時，管板材料的許用應力，mpa； tr設計溫度時，換熱管材料的許用應力，mpa； tt管板厚度計算過程如下：1管板名義厚度計算：；222 19 25 (3525) 10 19 25 (3525)57000dddaaamm ；2288 2557000237000ta ；23.14 202370002881465684la ；222223.14()(2016 )113.0444oiaddmm ；288 113.0432555.5na 本科生畢業(yè)設

58、計（論文） 25 ；32555.50.222146568 ；4 237000549.53.14tdmm ；549.50.847649t11.18t 查 gb150 可知，； 51.62 10tempa51.58 10pempa 則 ；51.62 1032555.52181.3(450050 2) 549.5tkmpa式中 l 應為換熱管的有效長度，但由于管板厚度尚未計算出，暫估算管板厚度為 50mm 進行試算，待管板厚度算出再用有效長度核算，。022 ()nll 管端伸出長度；52181.30.03450.4 1.58 10tk 1 30.035tk當中的的計算如下： cr ；522 1.62

59、 103.14114.2245trtsec ；22220.25(2)0.2520(202 2)6.4tidd 查 gb151-1999 可知，則，同時由于前2600crbll600 6.493.75crrlic面換熱管的材料選為 20 號鋼，故， 86ttmpa ； 24593.75(1)(1)2222 114.272.286tscrcrrtlicmpampa由于此時不能保證與在任何時候都同時作用，則取；故sptp0.5dpmpa，故；根據(jù)=0.352 和0097. 0860.41.5.50ap098. 021ap1123akp查 gb151 圖可知，則管板計算厚度為：11.26t0.60,1

60、.7wecg ；0.60 549.50.009732.3tacdpmm本科生畢業(yè)設計（論文） 26管板的名義厚度應不小于下列三部分之和，即min12( ,)(,)(,)(32.3,25)(2.8,0)(2,4)nstmaxmax c hmax c hmaxmaxmax 圓整圓整= 61. 8+2+4 圓整=40m m式中 cs 和 ct 分別是指殼程、管程的腐蝕裕量；而 h1 是指殼程側(cè)管板結(jié)構(gòu)槽深，為 0；h2 是指管程隔板槽深，為 4mm。此時應根據(jù)得到的管板名義厚度，重復以上步驟，使得管子有效長度對應于管板厚度。022 ()45002 402 1.54417nllmm 管端伸出長度；51