換熱器結構設計及強度計算 畢業(yè)論文說明書

1、本科生畢業(yè)設計（論文） PAGE 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，在結構的選取上，采用了1-2型，即殼側一程，管側兩程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結構。然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結構

2、設計，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構及計算方法，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 PAGE IIAbstractThe topic of my study is the design of stripper condenser. stripper condenser

3、 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 called flo

4、ating 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 .Accordi

5、ng 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 of syste

6、m 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 shell cheng.

7、 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 experien

8、ce and limited ability, certain shortcomings and even mistakes, please the teacher criticism and corrections.Key words：heat exchanger；floating head；tube-side；shell-side PAGE IV 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296458346 第一章 換熱器概述 PAGEREF _Toc296458346 h 1 HYPERLINK l _Toc296458347 1.1 換熱器的應用 PAGER

9、EF _Toc296458347 h 1 HYPERLINK l _Toc296458348 1.2 換熱器的主要分類 PAGEREF _Toc296458348 h 1 HYPERLINK l _Toc296458349 1.2.1 換熱器的分類及特點 PAGEREF _Toc296458349 h 1 HYPERLINK l _Toc296458350 1.2.2 管殼式換熱器的分類及特點 PAGEREF _Toc296458350 h 2 HYPERLINK l _Toc296458351 1.3 管殼式換熱器特殊結構 PAGEREF _Toc296458351 h 5 HYPERLIN

10、K l _Toc296458352 1.4 換熱管簡介 PAGEREF _Toc296458352 h 5 HYPERLINK l _Toc296458353 第二章 工藝計算 PAGEREF _Toc296458353 h 7 HYPERLINK l _Toc296458354 2.1 設計條件 PAGEREF _Toc296458354 h 7 HYPERLINK l _Toc296458355 2.2換熱器傳熱面積與換熱器規(guī)格： PAGEREF _Toc296458355 h 8 HYPERLINK l _Toc296458356 2.2.1 流動空間的確定 PAGEREF _Toc29

11、6458356 h 8 HYPERLINK l _Toc296458357 2.2.2 初算換熱器傳熱面積 PAGEREF _Toc296458357 h 8 HYPERLINK l _Toc296458358 2.2.3 傳熱管數(shù)及管程的確定 PAGEREF _Toc296458358 h 9 HYPERLINK l _Toc296458359 2.2.4管心距的計算 PAGEREF _Toc296458359 h 9 HYPERLINK l _Toc296458360 2.2.5換熱器型號、參數(shù)的確定 PAGEREF _Toc296458360 h 9 HYPERLINK l _Toc29

12、6458361 2.2.6殼體內徑計算 PAGEREF _Toc296458361 h 9 HYPERLINK l _Toc296458362 2.2.7折流板的計算 PAGEREF _Toc296458362 h 10 HYPERLINK l _Toc296458363 2.3換熱器核算 PAGEREF _Toc296458363 h 10 HYPERLINK l _Toc296458364 2.3.1傳熱系數(shù)核算 PAGEREF _Toc296458364 h 11 HYPERLINK l _Toc296458365 2.3.2換熱器的流體阻力 PAGEREF _Toc296458365

13、h 13 HYPERLINK l _Toc296458366 2.3.3換熱器的選型 PAGEREF _Toc296458366 h 14 HYPERLINK l _Toc296458367 第三章 換熱器的結構計算和強度計算 PAGEREF _Toc296458367 h 15 HYPERLINK l _Toc296458368 3.1換熱器的殼體設計 PAGEREF _Toc296458368 h 15 HYPERLINK l _Toc296458369 3.2筒體材料及壁厚 PAGEREF _Toc296458369 h 15 HYPERLINK l _Toc296458370 3.3封

14、頭的材料及壁厚 PAGEREF _Toc296458370 h 16 HYPERLINK l _Toc296458371 3.4管箱材料的選擇及壁厚的計算 PAGEREF _Toc296458371 h 16 HYPERLINK l _Toc296458372 3.5開孔補強計算 PAGEREF _Toc296458372 h 17 HYPERLINK l _Toc296458373 3.6水壓試驗及殼體強度的校核 PAGEREF _Toc296458373 h 19 HYPERLINK l _Toc296458374 3.7 換熱管 PAGEREF _Toc296458374 h 20 HY

15、PERLINK l _Toc296458375 3.7.1 換熱管的排列方式 PAGEREF _Toc296458375 h 20 HYPERLINK l _Toc296458376 3.7.2 布管限定圓 PAGEREF _Toc296458376 h 20 HYPERLINK l _Toc296458377 3.7.3 排管 PAGEREF _Toc296458377 h 21 HYPERLINK l _Toc296458378 3.7.4 換熱管束的分程 PAGEREF _Toc296458378 h 21 HYPERLINK l _Toc296458379 3.8 管板設計 PAGER

16、EF _Toc296458379 h 22 HYPERLINK l _Toc296458380 3.8.1 管板與殼體的連接 PAGEREF _Toc296458380 h 22 HYPERLINK l _Toc296458381 3.8.2 管板計算 PAGEREF _Toc296458381 h 22 HYPERLINK l _Toc296458382 3.8.3 管板重量計算 PAGEREF _Toc296458382 h 26 HYPERLINK l _Toc296458383 3.9 折流板 PAGEREF _Toc296458383 h 26 HYPERLINK l _Toc296

17、458384 3.9.1 折流板的型式和尺寸 PAGEREF _Toc296458384 h 27 HYPERLINK l _Toc296458385 3.9.2 折流板排列 PAGEREF _Toc296458385 h 27 HYPERLINK l _Toc296458386 3.9.3 折流板的布置 PAGEREF _Toc296458386 h 27 HYPERLINK l _Toc296458387 3.10 拉桿與定距管 PAGEREF _Toc296458387 h 27 HYPERLINK l _Toc296458388 3.10.1 拉桿的結構形式 PAGEREF _Toc2

18、96458388 h 27 HYPERLINK l _Toc296458389 3.10.2 拉桿的直徑、數(shù)量及布置 PAGEREF _Toc296458389 h 28 HYPERLINK l _Toc296458390 3.10.3 定距管 PAGEREF _Toc296458390 h 28 HYPERLINK l _Toc296458391 3.11法蘭和墊片 PAGEREF _Toc296458391 h 28 HYPERLINK l _Toc296458392 3.11.1固定端的殼體法蘭、管箱法蘭與管箱墊片 PAGEREF _Toc296458392 h 28 HYPERLINK

19、 l _Toc296458393 3.11.2外頭蓋側法蘭、外頭蓋法蘭與外頭蓋墊片、浮頭墊片 PAGEREF _Toc296458393 h 30 HYPERLINK l _Toc296458394 3.11.3 接管法蘭型式與尺寸 PAGEREF _Toc296458394 h 31 HYPERLINK l _Toc296458395 3.12 鉤圈式浮頭 PAGEREF _Toc296458395 h 32 HYPERLINK l _Toc296458396 3.12.1 浮頭蓋的設計計算 PAGEREF _Toc296458396 h 33 HYPERLINK l _Toc2964583

20、97 3.13 分程隔板 PAGEREF _Toc296458397 h 38 HYPERLINK l _Toc296458398 3.14 鞍座 PAGEREF _Toc296458398 h 38 HYPERLINK l _Toc296458399 3.14.1 支反力計算如下 PAGEREF _Toc296458399 h 38 HYPERLINK l _Toc296458400 3.14.2 鞍座的型號及尺寸 PAGEREF _Toc296458400 h 40 HYPERLINK l _Toc296458401 3.15 接管的最小位置 PAGEREF _Toc296458401 h

21、 40 HYPERLINK l _Toc296458402 3.15.1殼程接管位置的最小尺寸 PAGEREF _Toc296458402 h 40 HYPERLINK l _Toc296458403 3.15.2 管箱接管位置的最小尺寸 PAGEREF _Toc296458403 h 41 HYPERLINK l _Toc296458404 附錄 外文翻譯 PAGEREF _Toc296458404 h 45 HYPERLINK l _Toc296458405 參考文獻 PAGEREF _Toc296458405 h 55 PAGE 58第一章 換熱器概述過程設備在生產技術領域中的應用十分廣

22、泛，是在化工、煉油、輕工、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 在工業(yè)生產中，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)生產經濟效益。 隨著

23、我國工業(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、結構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 在工業(yè)生產中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結構的換熱器。1.2.1 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。這類換熱器的結構簡單、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，熱量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完

24、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)象，造成流體的“污染”。 蓄熱式換熱器結構緊湊、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構特點它又可分為：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。1.2.2 管殼式換熱器的分類及特點 由于設計題目是浮頭式

25、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構特點。 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，其具體結構如下圖所示。殼體多為圓筒形，內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

26、1-2-1所示為最簡單的單殼程單管程換熱器。為提高管內流體速度，可在兩端管箱內設置隔板，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。這種換熱器的結構不算復雜，造價不高，可選用多種結構材料，管內清洗方便，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、結構的緊湊性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。 由于管內外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內將產生很大的熱應力，導致管子彎

27、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：其結構如圖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，結構簡單，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，管內不易積聚污垢，即使產生污垢也便于清洗。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。更主要的缺點是當殼體與管子的壁溫

28、或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產生較大的溫差應力，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：其結構如圖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，因而不會產生溫差應力。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

29、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構更復雜、造價更高。U型管式換熱器：其結構可參見圖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。其結構簡單，造價便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內清洗困難，故最好讓不易結垢的物料從管內通過。由于彎管的外側管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故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成的換熱器，其結構可以參看圖4。管程流體（B流體）

30、從管箱進口管流入，通過內插管到達外套管的底部，然后返回，通過內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構。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之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關零件后，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，它的結構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

31、徑也不宜過大。1.3 管殼式換熱器特殊結構包括有雙殼程結構、螺旋折流板、雙管板等特殊結構，這些結構將使換熱器擁有更高的工作效率。雙殼程結構：在換熱器管束中間設置縱向隔板，隔板與殼體內壁用密封片阻擋物流內漏，形成雙殼程結構。適用場合：管程流量大殼程流量小時，采用此結構流速可提高一倍，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，用一臺雙殼程換熱器不僅可以實現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。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。物流通過這種結構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。雙管板結構：在普通結構的管板處增加一

32、個管板，形成的雙管板結構用于收集泄漏介質，防止兩程介質混合。1.4 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熱阻1.5倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結垢物料的換熱。T形翅片管：用于管外沸騰時，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。螺旋槽紋管：可強化管內物流間的傳熱，物料在管內靠近管壁部分流體

33、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)提高1.31.7倍，但阻力降增加1.72.5倍。波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，管內、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。 管殼式換熱器的應用已經有悠久的歷史，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構設計進行介紹。第二章 工藝計算 在換熱器設計中，首先應根據(jù)

34、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

35、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 =1.41kj/（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 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.s2.2換熱器傳熱面

36、積與換熱器規(guī)格：2.2.1 流動空間的確定選擇被冷卻的苯品走殼程，冷卻介質水走管程。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，一般是將易結垢流體流經管程。2.2.2 初算換熱器傳熱面積2.2.2.1 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：2.2.2.2 有效平均溫差的計算選取逆流流向，這是因為逆流比并流的傳熱效率高。采用平均溫度差。 2.2.2.3

37、 按經驗值初選總傳熱系數(shù) 查表選得=300W/（）；2.2.2.4 初算出所需的傳熱面積；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，根據(jù)查選型手冊，可選換熱器的型式為：，且為達到所需換熱面積，應采用三臺同類換熱器串聯(lián)。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)及管程的確定選用20 x2的傳熱管（碳鋼）l=4.5(m),取管內流速ui=0.4m/s 依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計算，所需的傳熱管長度為 傳熱管總根數(shù)N=72x4=288 (根)2.

38、2.4管心距的計算 采用組合排列法，即每程內均按正方形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25do，則 T=1.2520=25（mm）橫過管束中心線的管數(shù) nc=1.1=18.6取19（根）2.2.5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、公稱換熱面積A、管箱型式（A/B）、殼體型式等。 2.2.6殼體內徑計算采

39、用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑為D=1.05T=1.125=556（mm）取600mm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 折流板一般都比較薄，為了盡量避免加工偏差，便于管束裝配，全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

40、的圓筒內直徑。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) 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換熱器核算管程流體進出口接管的直徑：取接管內循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內徑為取標準管徑為：65mm殼程流體進出口接管：取接管內氣體苯品流速為u=15m/s，液體苯品流速為u=0.5m/s,則接管內徑為 進口內徑: 取200mm 出口內徑：取標準管徑為：100mm2.3.1傳熱系數(shù)核算殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折

41、流板，可采用克恩公式 當量直徑，由正方形排列得殼體流通截面積殼體流體流速及其雷諾系數(shù)分別為氣體苯： 液體苯：普蘭特準數(shù)氣體苯：液體苯：粘度校正 1W/(m2. ) W/(m2. )=（104.31319223）2=325.5 W/(m2. )（2）管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速普蘭特準數(shù)（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.)=W/（m2）（4）傳熱面積S S=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：2

42、88根換熱器的實際傳熱面積Sp=3.14(4.5-0.06)0.02(288-19)=75該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。232換熱器的流體阻力（1）管程流動阻力Ns=1，Np=4，F(xiàn)t=1.4由Re=10061，傳熱管相對粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄圖得=0.034W/m，流速ui=0.995m/s，=994kg/m3，所以 105Pa管程流動阻力在允許的范圍之內。（2）殼程阻力 Po=(P1+P2)FtNs Nsl，F(xiàn)tl.15 流體流經管束的阻力 ,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

43、宜。2.3.3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，6000.434.547565155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（）600419288144.7150第三章 換熱器的結構計算和強度計算 在確定換熱器的換熱面積后，應進行換熱器主體結構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，還有主要構件的設計（如管箱、殼體、折流板等）和主要連接（

44、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換熱器的殼體設計采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑為D=1.05T=1.125=556（mm）取600mm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筒體材料及壁厚由于換熱器為內壓容器，故可以采用內壓容器的設計方法來確定其壁厚，根據(jù)內壓薄壁容器“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)為壓力容器的

45、用鋼種類很多，主要有Q235A,Q235B,16MnR等等，這里采用的是16MnR。材料的許用應力取鋼板的厚度負偏差C1 =0.8mm，腐蝕裕量C2=2mm。則C= C1+ C2=0.8+2=2.8mm6mm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：。如圖所示，材料選用20R鋼。下封頭常與裙

46、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，則封頭計算厚度為：； 設計厚度；但查化工設備機械基礎表16-2，對于公稱直徑Dg=400 700mm的合金鋼封頭的最小厚度應該為8mm，=10mm。 經檢查，沒有變化，故合適查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號參數(shù)如下：表3-1 DN600標準橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內表面積A()容積(m3) 封頭質量（）6001750.43740.035

47、334.6 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，則計算厚度為：；設計厚度；名義厚度（為向上圓整量）；經檢查，沒有變化，故合適。查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號參數(shù)如下：表3-2 DN700標準橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內表面積A()容積(m3) 封頭質量（）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 在該臺浮頭式換熱

48、器上，殼程流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，因結構的連接性被破壞，會產生很高的局部應力，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。3.5.1 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表8-1，允許不另行補強的最大接管外徑是，殼

49、程進口開孔外徑為200mm，因此需要另行考慮其補強。其余開孔外徑因不大于89mm，故不需要另行考慮其補強。開孔直徑，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)； 接管有效厚度；開孔所需補強面積按下式計算：3 有效補強范圍有效寬度B：有效高度：（a）外側有效高度為：；（b）內側有效高度為：；4 有效補強面積殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度：則多余的金屬面積為：接管多余金屬面積： 接管計算厚度：； 接管多余金屬面積：接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）：；有效補強面積：由此可知已經達到了補強要求，無需另行補強。3.6水壓試驗及殼體強度的校

50、核水壓試驗壓力：根據(jù)文獻化工原理課程設計4-89有：而式中： K應力增強系數(shù)或形狀系數(shù)，對橢圓形封頭取K=1 內壓容器的試驗壓力 水壓試驗時筒體的壁內應力 水壓試驗時封頭（管箱）的壁內應力 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：則有式中：16MnR在常溫下時的許用應力則246MPa，246MPa可見筒體和封頭在水壓試驗時均安全。3.7 換熱管 換熱管的規(guī)格為，材料選為20號鋼。3.7.1 換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：

51、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。3.7.2 布管限定圓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：查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，則。3.7.3 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

52、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。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，最大不能超過20%。相對誤差計算：； 其中：各程的平均管數(shù)；各程中最小或最大的管數(shù)。 實際排管如下所示： 由上圖可知，經過實際排管后發(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：3.7.4 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。

53、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殘液放盡。3.8 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 符號說明： 在布管區(qū)范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面積，對正方

54、形排列，；隔板槽一側的排管根數(shù)；換熱管中心距；隔板槽兩側鄰管的中心距；管板布管區(qū)面積，；對多管程正方形排列換熱器，；管板布管區(qū)內開孔后的面積，；一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；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，故；管板布管區(qū)當量直徑，；換熱管外徑，；設計溫度時，管板材料的彈性模量，Mpa；設計溫度時，換熱管材料的彈性模量，Mpa；系數(shù)，按和查GB151圖24；管束模數(shù)，Mpa； 管束無量綱剛度，Mpa；換熱管有效長度（兩管板內側間距），；換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，；換熱管根數(shù)；無量綱壓力，；當量壓

55、力組合；Mpa；管板設計壓力，Mpa；殼程設計壓力，Mpa；管程設計壓力，Mpa；換熱管與管板連接拉脫力，Mpa；許用拉脫力，查GB151，Mpa；系數(shù)，；管板計算厚度，；換熱管管壁厚度，；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??；系數(shù)，；換熱管軸向應力，Mpa；換熱管穩(wěn)定許用壓應力，Mpa；設計溫度時，管板材料的許用應力，Mpa；設計溫度時，換熱管材料的許用應力，Mpa；管板厚度計算過程如下：1管板名義厚度計算：； ； ； ； ； ； ； ； 查GB150可知，； 則 ；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

56、效長度核算，。；當中的的計算如下： ； ；查GB151-1999可知，則，同時由于前面換熱管的材料選為20號鋼，故， ；由于此時不能保證與在任何時候都同時作用，則取；故，故；根據(jù)=0.352和查GB151圖可知，則管板計算厚度為： ；管板的名義厚度應不小于下列三部分之和，即式中Cs和Ct分別是指殼程、管程的腐蝕裕量；而h1是指殼程側管板結構槽深，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。；故=0.352，查圖可知，則，；3.8.3 管板重量計算管板有固定管板以及活動管板，兩者的重量計算分別如下所示：3.5.3.1 固定管板

57、重量計算3.5.3.2 活動管板重量計算：3.9 折流板設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使管程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結構，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常見的折流板形式為弓形和圓盤圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，但是工程上使用較多的是單弓形折流板。 在浮頭式換熱器中，其浮頭端宜設置加厚環(huán)板的支持板。3.9.1 折流板的型式和尺寸此時選用兩端選用環(huán)形折流板，中間選用單弓形折流板，上下方向排列，這樣可造成液體的劇烈擾動，增大傳熱膜系數(shù)。為方便選材，可選折流板的材料選為16MnR，由前可知，弓形缺口高度

58、為150mm，折流板間距為300mm，數(shù)量為14塊，查GB151-1999可知折流板的最小厚度為5mm，故此時可選其厚度為6mm。同時查GB151-1999可知折流板名義外直徑為。3.9.2 折流板排列該臺換熱器折流板排列示意圖如下所示：3.9.3 折流板的布置一般應使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口管，其余折流板按等距離布置。靠近管板的折流板與管板間的距離3.10 拉桿與定距管3.10.1 拉桿的結構形式常用拉桿的形式有兩種：拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束，（按GB151-1999表45規(guī)定）；拉桿與折流板點焊結構，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，；

59、當管板比較薄時，也可采用其他的連接結構。 由于此時換熱管的外徑為20mm，因此選用拉桿定距管結構。3.10.2 拉桿的直徑、數(shù)量及布置其具體尺寸如下所示：表3-3 拉桿的參數(shù)拉桿的直徑d拉桿螺紋公稱直徑dn abb拉桿的數(shù)量1616206024其中拉桿的長度L按需要確定。拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣。若對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。對于本臺換熱器拉桿的布置可參照零件圖。3.10.3 定距管定距管的規(guī)格同換熱管，其長度同實際需要確定。本臺換熱器定距管的布置可以參照部件圖。3.11法蘭和墊片3.11.1固定端的殼體法蘭、管箱

60、法蘭與管箱墊片（1） 查JB4700-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭，凹凸密封面，材料為鍛件20MnMo，其具體尺寸如下：（單位為mm）表3-5 DN600長頸對焊法蘭尺寸DN法蘭螺柱對接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd規(guī)格數(shù)量6007407006656556524410525171412221223M20288（2）此時查JB4700-2000壓力容器法蘭，根據(jù)設計溫度可選擇墊片型式為金屬包墊片，材料為0Cr18Ni9，其尺寸為： 表3-6 管箱墊片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外徑D(mm)內徑d(mm)墊片厚度反包厚度1.0600680622