流量為280th的U形管式冷卻器設(shè)計(jì)

摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我認(rèn)真的認(rèn)識到了自己在本專業(yè)應(yīng)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容以及短板，換熱器的設(shè)計(jì)工作主要有換熱器綜述，換熱器的工藝計(jì)算以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。其中換熱器工藝計(jì)算中需要根據(jù)初始數(shù)據(jù)計(jì)算其處理量以及工藝參數(shù)，換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算主要集中在折流板，筒體以及開口上。換熱器是化學(xué)工藝生產(chǎn)中重要的設(shè)備之一，它是一種冷熱流體間的傳遞熱量的設(shè)備，他們的使用條件和要求差別很大，如容量，溫度，壓力和工作介質(zhì)的性質(zhì)等，涉及的種類很多，因此換熱器的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。U形管換熱器僅有一個(gè)管板，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，而且結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜。U形管換熱器主要結(jié)構(gòu)包括筒體，封頭，換熱管，接管，折流板，防沖板，導(dǎo)流筒，防短路結(jié)構(gòu)，支座和管殼層的其他設(shè)備等。本次設(shè)計(jì)為二類壓力容器，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力都較高，因此設(shè)計(jì)要求就很高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)及零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：U形管換熱器；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；設(shè)計(jì)計(jì)算AbstractHeatisoneoftheimportantchemicalprocessesinproductionequipment,whichisanapparatusfortransferringheatbetweenthehotandcoldfluids,theirconditionsandrequirementsvarywidely,suchasthenatureofcapacity,temperature,pressureandworkingmedium,etc.involvingmanydifferenttypes,sotheformalstructureoftheheatexchangearealsodiverse.U-tubeheatexchangeisonlyonetubesheetbundlecanbewithdrawnfromthehousingforeasymaintenanceandcleaning,simplecutstructure,cheapcost.U-tubeheatexchangecomprisesamainstructureofthecylinder,head,heattransfertubes,receivership,baffles,anti-redplate,drafttube,short-circuitproofstructure,theshellbearingsandotherequipmenttubeandsoon.Thedesignforthesecondcategorypressurevessel,designtemperatureanddesignpressurearehigh,sothedesignrequirementsishigh.Doubletubeheatexchange,heattransfertubesofstainlesssteelmanufacturing.Designmainlyforthedesign,selectionandprocessdesignandstrengthdesignofheatexchangecomponents.KEYWOEDS:U-tubeheatexchange;frame;intensity;designandcalculation目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章?lián)Q熱器綜述 1引言 11.1管式換熱器 11.1.1U型換熱器 21.1.2填料式換熱器 21.1.3套管式換熱器 31.1.4管殼式換熱器 31.1.5螺旋槽管換熱器 41.1.6橫紋管換熱器 41.1.7螺旋扁管換熱器 41.1.8螺旋扭曲管換熱器 51.1.9波紋管換熱器 51.2板式換熱器 61.2.1.可拆式板式換熱器 61.2.2焊接式板式換熱器 61.2.3板殼式換熱器 61.2.4螺旋板式換熱器 61.2.5板翅式換熱器 71.3國內(nèi)外開發(fā)研究的發(fā)展方向 71.3.1非金屬材料應(yīng)用 71.3.2計(jì)算流體力學(xué)和模型化設(shè)計(jì)在換熱器中的應(yīng)用 71.3.3加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和理論研究 8結(jié)語 8參考文獻(xiàn) 8第二章?lián)Q熱器傳熱工藝計(jì)算 92.1起始數(shù)據(jù) 92.2定性溫度及確定其物性參數(shù) 92.3熱量守恒與油流量的計(jì)算 102.4有效平均溫度的公式計(jì)算 102.5管程換熱系數(shù)的計(jì)算 102.6結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì) 112.7殼程換熱系數(shù)計(jì)算 122.8傳熱系數(shù)計(jì)算 132.9管壁溫度計(jì)算 132.10殼程壓力降計(jì)算 132.11管程壓力降計(jì)算 14第三章?lián)Q熱器強(qiáng)度計(jì)算 163.1換熱管材料及規(guī)格選擇和根數(shù)的確定 163.2管子的排列方式 163.3筒體內(nèi)徑的確定 173.4筒體厚壁的確定 173.5液壓試驗(yàn) 183.6殼程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算 183.7管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算 193.8容器法蘭的選擇 203.8.1接管法蘭的選擇 213.9管板的設(shè)計(jì) 223.10管相短節(jié)壁厚的計(jì)算 243.11拉桿和定距管的確定 253.12折流板的選擇 263.12.1選型 263.12.2折流板尺寸 263.12.3換熱管無支撐跨距或折流板間距 263.12.4折流板厚度 263.12.5折流板直徑 263.12.6折流板管孔直徑 263.13防沖板尺寸的確定 273.14接管及開孔補(bǔ)強(qiáng) 273.14.1管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 273.14.2殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 293.15分程隔板厚度選取 30第四章支座的設(shè)計(jì)及選擇 314.1支座的選擇 31參考文獻(xiàn) 36致謝 37第一章?lián)Q熱器綜述引言在現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的今天，在以能源為中心的環(huán)境以級生態(tài)等問題日益加劇。世界各國都在在不斷尋找新能源的目標(biāo)，也更加密切地注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。加強(qiáng)傳熱技術(shù)的應(yīng)用不僅能在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境做出貢獻(xiàn)，而且能大大的節(jié)約投資的基本成本。換熱器因?yàn)樵诨ぃ?，在今天?dòng)力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用的同時(shí)，故換熱器的換熱強(qiáng)化傳熱技術(shù)從1987年以來備受到研究人員的模切重視，各種換熱器研究成果正在不斷涌現(xiàn)。隨著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展的今天，各種各樣的換熱器層出不窮，難以對其進(jìn)行具體的、統(tǒng)一的劃分。即便是如此，換熱器仍然可以按它們的某些共同特征來加以區(qū)分，具體如下：按照用途來分。預(yù)熱器（或加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。按照制造熱交換器的材料來分。金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。[1]按照溫度狀況來分：溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱的流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而變；溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時(shí)間改變；按照熱流體與冷流體的流動(dòng)方向來分：順流式、逆流式、錯(cuò)流式、混流式；按照傳送熱量的方法來分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大種類類；其中間壁的式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣；間壁式換熱器可根據(jù)傳熱的面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式和板面式。管式換熱器也可以以管子表面作為傳熱面，包括套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等[1]。1.1管式換熱器管式換熱器主要分為套管式換熱器和管殼式換熱器，螺旋槽管換熱器，橫紋管換熱器，螺旋扁管換熱器，螺旋扭曲管換熱器，波紋管換熱器[2]。如圖1：圖1固定管板式換熱器1.1.1U型換熱器U型管換熱器為管殼式換熱器的一種。換殼式換熱器大致分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動(dòng)管板式、填料函式及套管式等幾種。根據(jù)介質(zhì)的種類、壓力、溫度、污垢和其他條件，管板與殼體的連接的各種結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，傳熱管的形狀與傳熱條件，造價(jià)，維修檢查方便等情況來選擇設(shè)計(jì)制造各種管殼式換熱器。U型管式換熱器與其他管殼式換熱器的區(qū)別主要是管子呈U型。如圖2：圖2U型管換熱器1.1.2填料式換熱器對于一些腐蝕非常嚴(yán)重，溫差比較大而且經(jīng)常更換的冷卻器，采用填料函式換熱器比采用U型管式換熱器或者浮頭式換熱器優(yōu)越的多。它是擁有浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，又克服固定式換熱器的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，制造方便，易于檢修清洗。如圖3：圖3填料式換熱器1.1.3套管式換熱器套管式換熱器是將不同直徑的兩根管子套成的同心套管作為元件、然后把多個(gè)元件加以連接而成的一種換熱器，工作時(shí)兩種流體以純順流或純逆流方式流動(dòng)。套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，適用于高溫、高壓流體，特別是小容量流體的傳熱。另外，只要做成內(nèi)管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流體[2]。他的主要缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力大；金屬消耗量多；管間接頭較多，易發(fā)生泄露；并且體積大，占地面積廣，所以多用于傳熱面積較小的換熱器。1.1.4管殼式換熱器管殼式換熱器又可以稱為列管式換熱器，以封閉殼體中得管束的壁面?zhèn)鳠嶙鳛閭鳠崦娴拈g壁式換熱器，結(jié)構(gòu)一般是由殼體，傳熱的管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成的[3]。目前，國內(nèi)外工業(yè)化工生產(chǎn)中所用的換熱設(shè)備中應(yīng)用廣泛，管殼式換熱器人樣占有主導(dǎo)地位，雖然它在換熱效率上、換熱器結(jié)構(gòu)緊湊性上和材料金屬材料消耗等方面,不如其它新型的換熱起換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的化熱器，操作彈性大，適應(yīng)能力性強(qiáng)，可靠性高，選材范圍廣泛，處理流體能力大，能承受換熱器高溫高壓等的特點(diǎn)，所以在工程中仍得到了廣泛英勇。以下邊是幾種常見的管殼式強(qiáng)化換熱器。如下圖：圖4管殼式換熱器1.1.5螺旋槽管換熱器螺旋槽管是一種管壁上具有外凸和內(nèi)凹的異形管，流體流出管壁時(shí)在管壁附近誘發(fā)螺旋流動(dòng)。層流層的減薄，與此同時(shí)壁表面起伏強(qiáng)化了流體湍流，加快了由壁面到流體主體的熱量傳遞，這樣就強(qiáng)化了傳熱過程。1.1.6橫紋管換熱器1974年前蘇聯(lián)首先提出橫紋管，它是一種用普通圓管作毛胚，在管外壁經(jīng)簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時(shí)在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)肋。流體流經(jīng)橫紋管環(huán)槽處能頻頻發(fā)生邊界層分離而產(chǎn)生軸向旋渦，強(qiáng)化了流體湍流，旋渦不斷生成，保持了連續(xù)而穩(wěn)定的強(qiáng)化作用[3]。橫紋管在我國研究較少，只有華南理工大學(xué)對此進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)在相同流速下，橫紋管流阻比單頭螺旋槽管的小。1.1.7螺旋扁管換熱器螺旋扁管是瑞士公司Z最先提出的、美國Brown公司經(jīng)過一系列改進(jìn)一種換熱管。這種傳熱管是用壓扁和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)管子的過程制做而成，管子截面和形狀都因此發(fā)生了明顯的變化，因而液體也隨之不斷的改變方向和速度，使湍流能力加強(qiáng)，邊界層減薄，傳熱能力極大增強(qiáng)[3]。我國梁龍虎經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究得出，螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)會(huì)通常比普通圓管大幅度提高，可在低雷諾數(shù)時(shí)最為明顯，達(dá)2～3倍；隨著雷諾數(shù)的連續(xù)大，通常也可提高傳熱系數(shù)50％以上。1.1.8螺旋扭曲管換熱器螺旋扭曲管換熱器正是適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要,在傳統(tǒng)管殼式換熱器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種新型高效節(jié)能的換熱器。本文主要采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法對螺旋扭曲扁管換熱器進(jìn)行系統(tǒng)的研究,主要的研究工作如下:(1)將對流傳熱的場協(xié)同理論和流路分析法應(yīng)用于螺旋扭曲扁管換熱器管、殼程傳熱與流阻特性研究,并和弓形折流板換熱器相比較。表明螺旋扭曲扁管換熱器管程和殼程流體均產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)為主要特征的復(fù)雜流動(dòng),獲得較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng),從而較大程度地強(qiáng)化了傳熱過程。因?yàn)闅こ虥]有折流板,殼程不存在流動(dòng)死區(qū),殼程的流動(dòng)阻力較小,同時(shí)也不易結(jié)垢。換熱管之間保持點(diǎn)接觸而且殼程流體主要作縱向流動(dòng),能很好地克服誘導(dǎo)振動(dòng),提高了其操作的可靠性。如下圖：圖5螺旋扭曲管換熱器1.1.9波紋管換熱器近年來，螺旋式扭曲管的自造引起了國內(nèi)外學(xué)者極大的關(guān)注。美國期刊雜志報(bào)道過了一種高效率的換熱器，其換熱管是吧螺旋式扭轉(zhuǎn)成彎曲的管，兩端承圓形，管子與管子再橢圓長軸處相互接觸，相互支撐取消了支撐的折流板的則流作用，這樣不僅可以保證裝置的抗震能力，而且流體在換熱器管程和殼程都會(huì)因此發(fā)生旋流作用[4]。波紋管換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理與螺旋扁管相一致。波紋管能起到溫差相互補(bǔ)償作用，因此省掉了殼體膨脹節(jié)；由于溫差應(yīng)力的作用，換熱管可以有能力自動(dòng)去掉表面污垢，使管表面不易因此而產(chǎn)生污垢，具有強(qiáng)化傳熱和除垢的雙重功效，而且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，容易制造，投資少，熱率高，故廣泛應(yīng)用于汽-水、水-水換熱領(lǐng)域[4]。1.2板式換熱器板式換熱器主要分為可拆式板式換熱器，焊接式板式換熱器，板殼式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器。1.2.1.可拆式板式換熱器可拆式板式換熱器是將薄的金屬板片沖壓成為凸凹狀，周邊張貼合成橡膠類的密封墊片。Laval公司的“按扣”式墊片，墊片直接扣壓在板片上；GEA公司的板片，板片槽口上窄底寬呈梯形，墊片與板片槽過盈配合將墊片壓緊。可拆式板式換熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多[1]。但是，一般的可拆卸式板式換熱器由于本身結(jié)構(gòu)的局限性，使用壓力不超過2.5MPa，使用溫度不超過250℃，此外還存在流體與密封墊片的相容性問題。1.2.2焊接式板式換熱器用焊接結(jié)構(gòu)來替代橡膠墊來密封型，不僅在結(jié)構(gòu)上消除了墊片因?yàn)椴牧夏蜏?、耐腐蝕、耐壓方面的限制。焊接式板使換熱器的組焊板片內(nèi)部原件不能用機(jī)械方法的清洗，且全焊式只可以用于不易結(jié)構(gòu)的介質(zhì)進(jìn)行流通換熱，其最大的有點(diǎn)就是可以成手較高溫度和壓力，沒有墊片泄漏的問題。焊接式板式換熱器近寫年來獲得了很大的發(fā)展，在德國與日本合作的千代本田BAVARIA混合焊接板式換熱器的有點(diǎn)得到發(fā)展，操作壓力可以從真空狀態(tài)到6MPa，到單元換熱面積可以達(dá)到以上。1.2.3板殼式換熱器歐美發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代開始便競相開發(fā)和研制各種型式的板殼式換熱器。板殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)與板式換熱器相似，但板間距增大，取消了墊片，改用焊接法連接各板，形成通道。板殼式換熱器最適合于介質(zhì)清沽、換熱量大和壓降小的場合。1.2.4螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器在國外較早使廢氣中的能量等，螺旋板式換熱器的構(gòu)造包括螺旋形傳熱板、隔板、頭蓋和連接管等基本部件。流體在螺旋形流道內(nèi)的流動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，使流體在流道內(nèi)外側(cè)之間形成二次環(huán)流，增加擾動(dòng)。螺旋板式換熱器具有體積小、效率高、制造簡單、成本較低、能進(jìn)行地溫差換熱等優(yōu)點(diǎn)，如今螺旋板式換熱器在我國已形成規(guī)模，國家已制定了配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造技術(shù)在我國業(yè)已成熟。1.2.5板翅式換熱器在20世紀(jì)30年代，板翅式換熱器Z最開始是在先進(jìn)國家被用在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱上，它是板束單元結(jié)構(gòu)，由翅片隔板和封條三個(gè)部分組成。我國是從20世紀(jì)60年代初開始制造板翅式換熱器的，原先是用于水分制氧，制做了我國第一套板翅式空分設(shè)備制造機(jī)。板翅式換熱器由于器結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強(qiáng)度高等等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展錢途的新型換熱器設(shè)備之一。1.3國內(nèi)外開發(fā)研究的發(fā)展方向1.3.1非金屬材料應(yīng)用非金屬材料在一定的適應(yīng)范圍內(nèi)具有金屬材料不可能比擬的特殊優(yōu)點(diǎn)。比如石墨材料具有良好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能，較高的化學(xué)穩(wěn)定性能和良好的機(jī)加工性能，氟塑料具有特別優(yōu)良的抗耐腐蝕性[5]。氟塑料耐腐蝕性能極強(qiáng)，并且與金屬材料相比還具有成本上的價(jià)格優(yōu)勢。在復(fù)合材料中比如搪瓷玻璃具有良好的抗腐蝕性能、優(yōu)良的耐磨性、電絕緣性以及表面光滑不已粘附物料等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在制作換熱產(chǎn)品等方面應(yīng)用。陶瓷材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐高溫性能而引起功業(yè)界的高度重視，已經(jīng)在換熱鏟品的制造中得到應(yīng)用。1.3.2計(jì)算流體力學(xué)和模型化設(shè)計(jì)在換熱器中的應(yīng)用在換熱器的冷熱流體分析計(jì)算中，引入計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，對換熱器中介質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)過程進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)模擬仿真計(jì)算。目前基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的熱流已經(jīng)分析用于自然對流、剝離流、振動(dòng)流和湍流熱傳導(dǎo)等的直接嗜血模擬計(jì)算等方面。在此基礎(chǔ)上，在換熱器的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)和實(shí)體開發(fā)中，利用CFD的數(shù)學(xué)分析結(jié)果和相對應(yīng)的實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用計(jì)算機(jī)對換熱器進(jìn)行更為精確和細(xì)致的設(shè)計(jì)。1.3.3加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和理論研究采用更加先進(jìn)的計(jì)算儀器來精確測量換熱器的流暢分布和溫度場分布，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析計(jì)算，進(jìn)一步摸清不同結(jié)構(gòu)下的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。采用數(shù)學(xué)模擬方法對換熱器內(nèi)液體流動(dòng)和傳熱機(jī)理進(jìn)行研究，預(yù)測各種結(jié)構(gòu)下的對流場傳熱過程的影響[5]。比如利用振動(dòng)、電場方法強(qiáng)化傳熱的機(jī)理研究、試驗(yàn)研究，給出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出理論數(shù)學(xué)模型，對換熱器進(jìn)行有理技術(shù)研究。為達(dá)到管殼程強(qiáng)化的目的，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合研究將成為近來各國傳熱強(qiáng)化技術(shù)研究的大體發(fā)展方向。結(jié)語經(jīng)過兩個(gè)多月的時(shí)間，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。在剛剛接到畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目時(shí)的一無所知，到現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)的成熟，我經(jīng)歷了大學(xué)四年里前所未有的挑戰(zhàn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對本專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容以及技能都有了一個(gè)前所未有的熟悉。也是我大學(xué)生活結(jié)束的最后一塊試金石，我接受住了挑戰(zhàn)，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。會(huì)在未來的工作是自己更加的有能力。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)也讓我認(rèn)識到自己的不足和認(rèn)識不全面深刻的地方，首先是在對工藝產(chǎn)品的強(qiáng)度計(jì)算上有很大的認(rèn)識全面，公式運(yùn)用不熟練。再者就是自己對語言總結(jié)上有很大的缺陷，我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)和生活中認(rèn)真的對待自己的工作，努力的提高自己。參考文獻(xiàn)[1]鄭津洋等,過程裝備設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.8:229-294.[2]張立強(qiáng),張及瑞,楊春光,等.當(dāng)代國內(nèi)外高效傳熱設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀[J],無機(jī)化工信息,2003(3):14-17.[3]馬曉馳.國內(nèi)外新型高效換熱器[J].化工進(jìn)展,2001(1):49-51.[4]李安軍,邢桂菊,周麗雯.換熱器強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].冶金能源,2008,27(1):50-54.[5]朱躍釗,廖傳華,史勇春.傳熱過程與設(shè)備[M].北京:中國石化出版社,2008:51-160.第二章?lián)Q熱器傳熱工藝計(jì)算2.1起始數(shù)據(jù)殼程油的進(jìn)口溫度：=130℃殼程油的出口溫度：=85℃殼程油的工作壓力：P1=1.5MPa殼程油的流量：G1=280管程水的進(jìn)口溫度：=20℃管程水的出口溫度：=80℃管程水的工作壓力：P2=2.2MPa2.2定性溫度及確定其物性參數(shù)①殼程（煤油）殼程油的定性溫度：t1=107.5℃查表得殼程煤油的密度：ρ1=800Kg/m3查表得殼程油的比熱：Cp1=2.1Kg/(Kg·℃)查表得殼程油的導(dǎo)熱系數(shù)：λ1=0.15w/(m·℃)殼程油的粘度：μ1=493.7×10-6Pa·s查表得殼程油的普朗特系數(shù)：Pr1=42②管程（水）管程水的定性溫度：t2=50℃查表得管程水的密度：ρ2=998Kg/m3查表得管程水的比熱：CP2=4.174Kg/(Kg·℃)查表得管程水導(dǎo)熱系數(shù)：λ2=64.78w/(m·℃)查表得管程水的粘度：μ2=549.4×10-6Pa·s查表得管程水的普朗特系數(shù)：Pr2=3.542.3熱量守恒與油流量的計(jì)算假定取熱交換效率為η=0.98其設(shè)計(jì)傳熱量：Q0=G1×Cp1×(－)×η×1000/3600=280000×2.1×(130－85)×0.98×1000/3600=650560.44W則管程水流量為：G2===1476.t/h2.4有效平均溫度的公式計(jì)算△tn===57.17335℃其中有關(guān)參數(shù)的計(jì)算參數(shù)：P===0.55參數(shù)：R===0.75冷卻器按照單殼程雙管程設(shè)計(jì)差《管程式換熱器原理與設(shè)計(jì)》得溫差校正系數(shù)?=0.85有效平均溫差：△tm=?△tn=0.85×57.17335=48.597℃2.5管程換熱系數(shù)的計(jì)算采用試算的方式計(jì)算換熱系數(shù)初選換熱系數(shù)為K0=560w/m·k則可得出下列數(shù)據(jù)：初選傳熱面積;F0===196.438m2選用?25×2.5的無縫鋼管做換熱管管子外徑為：d0=25mm管子內(nèi)徑為：di=20mm管子長度為：L=6000mm則需要換熱管數(shù)為:===417根可取換熱管根數(shù)為420根管程流通面積:==0.09875㎡管程流速:===0.108管程雷諾:==998×0.108×0.02/549.4×10-6=3923.699則管程傳熱系數(shù):α2==0.023××3923.6990.8×3.540.4=92618.242.6結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)查GB151-1999《管殼式換熱器》可知，管間距按照1.25選?。汗荛g距:s=1.25d0=1.25×0.025=0.032管束中心排管數(shù):=1.1=1.1×=22.588根，取23根則殼體內(nèi)徑為:===0.964圓整為:=1000㎜則長徑比:==6，在4-6之間，合理。折流板選擇弓形折流板:折流板弓高:=折流板間距:=折流板數(shù)量:=塊取16塊2.7殼程換熱系數(shù)計(jì)算殼程流通面積:殼程流速:殼程質(zhì)量流速:=1.3466×800=1077.25殼程當(dāng)量直徑:殼程雷諾數(shù):根據(jù)，切去弓形面積所占的比例，可查得為0.145根據(jù)《管殼式換熱器原理與設(shè)計(jì)》圖2-12查得殼程傳熱因子：管外壁溫度假定值為100℃，壁溫下油粘度：=0.0004937粘度修正系數(shù):殼程換熱系數(shù):2.8傳熱系數(shù)計(jì)算查GB151-1999《管殼式換熱器》第138頁可知水側(cè)污垢熱阻:=油側(cè)污垢熱阻為:=由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻γ可以忽略不計(jì)，可得總傳熱系數(shù)為：612傳熱面積比為:=（合理）2.9管壁溫度計(jì)算管外壁熱流密度計(jì)算:=管外壁溫度:QUOTE=℃誤差校核:℃，誤差不大，合理。2.10殼程壓力降計(jì)算參考《換熱去設(shè)計(jì)手冊》1-3-75：由=79209，查圖1—3—24得殼程壓強(qiáng)摩擦因子=0.04其中：殼體內(nèi)徑=1.0m；管子長度L=6m；折流板間距=0.33m；流體密度=800；流體粘度=493.7；管外流體壁溫107.5℃下粘度=0.0005494；則殼程壓強(qiáng)＜0.05，符合壓強(qiáng)計(jì)算。2.11管程壓力降計(jì)算參考《換熱器設(shè)計(jì)手冊》公式1-3-47：管程壓強(qiáng)：其中：—直管壓降；—回彎壓降；—管箱進(jìn)出口壓降；—結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，=1.4；—串聯(lián)的殼程數(shù)，=1；—管程數(shù)，=2；其中則即＜0.05，符合壓強(qiáng)條件。第三章?lián)Q熱器強(qiáng)度計(jì)算3.1換熱管材料及規(guī)格選擇和根數(shù)的確定序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式數(shù)值1換熱管外徑GB151-1999《管殼式換熱器》252管長GB151-1999《管殼式換熱器》60003傳熱面積s19464換熱管根數(shù)個(gè)4173.2管子的排列方式序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式數(shù)值1正三角形GB151-1999圖112換熱管中心距GB151-1999表12323隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距GB151-1999表121003.3筒體內(nèi)徑的確定序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式數(shù)值1換熱管中心距GB151-1999表12322換熱管根數(shù)根4173分程隔板厚δmm104管束中心排管根數(shù)根225筒體內(nèi)徑10008實(shí)取筒體公稱直徑JB/T4737-199510003.4筒體厚壁的確定序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式數(shù)值1工作壓力給定2.22筒體材料GB150-2011《鋼制壓力容器》Q345R3設(shè)計(jì)溫度下筒體材料的許用應(yīng)力GB150-2011《鋼制壓力容器》1814焊接接頭系數(shù)《過程裝備設(shè)計(jì)》0.855殼程設(shè)計(jì)壓力2.426筒體設(shè)計(jì)厚度7.9277設(shè)計(jì)厚度8.0278名義厚度GB151-1999項(xiàng)目5.3.2109負(fù)偏差《過程裝備設(shè)計(jì)》010腐蝕裕量《過程裝備設(shè)計(jì)》211有效厚度1012設(shè)計(jì)厚度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力158.3313校核＜=134.58合格14設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大許用工作壓力3.0523.5液壓試驗(yàn)序號項(xiàng)目符號單位根據(jù)來源及計(jì)算公式數(shù)值1實(shí)驗(yàn)壓力2.06252圓筒薄膜應(yīng)力138.563校核合格3.6殼程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式數(shù)值1設(shè)計(jì)壓力1.542封頭材料GB150-2011《鋼制壓力容器》Q345R3設(shè)計(jì)溫度下許用壓力GB151-1999項(xiàng)目5.3.21814焊接接頭系數(shù)《過程裝備設(shè)計(jì)》0.855標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計(jì)算厚度7.896設(shè)計(jì)厚度9.897名義厚度GB151-1999《管殼式換熱器》108有效厚度89設(shè)計(jì)厚度下封頭的計(jì)算應(yīng)力138.3310校核合格11設(shè)計(jì)溫度下封頭的最大許用工作壓力2.78根據(jù)JB/T4737-95得：公稱直徑為=1000mm曲面高度為=250mm直邊高度為=40mm3.7管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計(jì)算序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式數(shù)值1設(shè)計(jì)壓力2.422材料GB150-2011《鋼制壓力容器》Q345R3設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力GB150-2011《鋼制壓力容器》1814焊接接頭系數(shù)《過程裝備設(shè)計(jì)》0.855封頭計(jì)算厚度7.896設(shè)計(jì)厚度9.227名義厚度GB151-1999項(xiàng)目5.3.2108有效厚度89設(shè)計(jì)厚度下封頭的最大許用工作壓力147.7710校核合格11設(shè)計(jì)溫度下封頭的最大許用工作壓力2.3012＜合格根據(jù)JB/T4737-95得：公稱直徑為＝1000mm曲面高度為=250mm直邊高度為=40mm3.8容器法蘭的選擇按其條件=1000mm設(shè)計(jì)溫度107℃設(shè)計(jì)壓力2.5MPa由《壓力容器法蘭》選擇長頸對焊法蘭，相關(guān)參數(shù)如下：符號單位數(shù)值119511401098108810856815542211820321530螺栓規(guī)格M27螺栓數(shù)量個(gè)36最小厚度14根據(jù)《壓力容器法蘭》選取相應(yīng)墊片：根據(jù)JB/T4704—2000選取非金屬軟墊片，其相應(yīng)尺寸為：D=1087m,d=1037mm.厚度=3mm.3.8.1接管法蘭的選擇（1）接管a,b的公稱直徑相同設(shè)為d，設(shè)進(jìn)口流速為0.108則則公稱直徑公稱壓力根據(jù)《鋼制管法蘭，墊片，緊固件》，選擇板式平焊法蘭，相關(guān)的參數(shù)如下表：ADKLnCNsRH法蘭理論重量（Kg）2002193603102612M24322446.31688017.4（2）接管c,d的公稱直徑相同設(shè)為d，設(shè)進(jìn)口流速為0.1則公稱直徑公稱壓力根據(jù)《鋼制管法蘭，墊片，緊固件》，選擇板式平焊法蘭，相關(guān)的參數(shù)如下表：ADKLnCNsRH法蘭理論重量（Kg）2002253153503316M30322987.1181288243.9管板的設(shè)計(jì)序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式數(shù)值1沿隔板槽一側(cè)的排管數(shù)個(gè)282換熱管中心距GB151-1999《管殼式換熱器》323隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距GB151-1999《管殼式換熱器》1004布管區(qū)內(nèi)未能被管支撐的面積499654.75管板布管區(qū)面積882745.46管板布管區(qū)當(dāng)量直徑1060.47墊片接觸外徑mmJB/T4700-4707-200010878墊片基本密封寬度mm12.59有效密封寬度bmm8.9510墊片壓緊力作用中心圓直徑mm1078.0511半徑Rmm539.02512布管區(qū)當(dāng)量直徑與直徑之比0.7713系數(shù)GB151-1999《管殼式換熱器》0.300114管板削弱系數(shù)GB151-1999《管殼式換熱器》P350.415材料GB150-2011《鋼制壓力容器》Q345R16殼程設(shè)計(jì)壓力已知1.517管程設(shè)計(jì)壓力已知2.218管板設(shè)計(jì)壓力中大者2.619管板設(shè)計(jì)厚度mm85.6520設(shè)計(jì)溫度下管板材料的許用應(yīng)力GB150-2011《鋼制壓力容器》18021管程腐蝕余量mm《過程裝備設(shè)計(jì)》222殼程腐蝕余量mm《過程裝備設(shè)計(jì)》223實(shí)取名義厚度mmGB151-1999《管殼式換熱器》10024換熱管金屬的橫截面積176.725換熱管軸向應(yīng)力-4.583.91-0.6726換熱管最大軸向應(yīng)力已知3.9127換熱管與管板脹接長度或焊角高度mmGB151-1999《管殼式換熱器》528換熱管與管板拉脫力GB151-1999《管殼式換熱器》1.7629許用拉脫力GB151-1999《管殼式換熱器》9030校核合格3.10管相短節(jié)壁厚的計(jì)算序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式數(shù)值1設(shè)計(jì)壓力2.422選材GB150-2011《鋼制壓力容器》Q345R3計(jì)算厚度mm7.74設(shè)計(jì)厚度mm9.785名義厚度mm126實(shí)取名義厚度mm127有效厚度mm108設(shè)計(jì)厚度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力1219校核，合理。10設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大許用工作壓力2.83.11拉桿和定距管的確定序號項(xiàng)目符號單位數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式數(shù)值1拉桿直