固定管板式換熱器設(shè)計(jì)傳熱傳質(zhì)學(xué)課程設(shè)計(jì)

1、 專業(yè)課程設(shè)計(jì)固定管板式換熱器設(shè)計(jì) 院（系、部）：機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)：過程裝備與控制工程班 級：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)老師: 2010年 1 月 5 日·北京目錄一 設(shè)計(jì)參數(shù)2二、熱工藝設(shè)計(jì)21.估算傳熱面積22.工藝結(jié)構(gòu)尺寸3三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63.1結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)63.2采用原件材料及數(shù)據(jù)73.3 折流板73.4接管73.5殼體和封頭的設(shè)計(jì)83.5管板與換熱管83.6殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接103.7其他各部件結(jié)構(gòu)11四、強(qiáng)度的計(jì)算與校核134.1圓筒計(jì)算134.2壓力實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核134.3最大工作壓力和計(jì)算應(yīng)力134.4封頭設(shè)計(jì)計(jì)算134.5管板設(shè)計(jì)計(jì)算144.6 接管、接

2、管法蘭以及開孔補(bǔ)強(qiáng)174.7 鞍座強(qiáng)度校核19參 考 文 獻(xiàn)21一 設(shè)計(jì)參數(shù)查石油化工設(shè)計(jì)手冊得設(shè)計(jì)溫度下物料的物理性質(zhì)參數(shù)如下表(其中石腦油按汽油算)：石腦油的物性參數(shù)(T=197.5) 水的物性參數(shù)（t=35）密度：1=0.71×103kg/m3定壓比熱容:Cp1=2.13J/(kgK)導(dǎo)熱率：1=0.218W/(mK)粘度：1=0.64×10-3Pas密度：2=993.95kg/m3定壓比熱容:Cp2=4.174J/(kgK)導(dǎo)熱率：2=0.625W/(mK)粘度：2=0.727×10-3Pas二、熱工藝設(shè)計(jì)1.估算傳熱面積1.1計(jì)算兩流體的平均溫度差 先按

3、單殼程、2或2n管程進(jìn)行計(jì)算，其逆流時(shí)的平均溫度差為：t=162.18k P=0.102 , R=2.25按單殼層，雙管程查溫差修正系數(shù)表得: t=0.99故有效平均溫差 tm=ttm逆=0.99×162.18=160.56K1.2計(jì)算熱流量及冷卻水的流量 熱流量:=qm1cp1t1=4000×2.13×(220-175) =3.834×106kJ/h=1065kw 取熱損失系數(shù)C=0.97,則冷卻水吸收的熱量：2=C=3.834×106×0.97=3.719 kJ/h=1033kw冷卻水用量：qm2=2/ cp2t2=3.719&#

4、215;106/4.174×(45-25)=44549.59kg/h1.3估算傳熱面積初選K=680W/(m2K),由穩(wěn)態(tài)傳熱基本方程得傳熱面積:A估=/Ktm=1033000/(680×160.56)=9.46m2 2.工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.1選擇管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5mm較高級冷拔傳熱管（碳鋼），查換熱器設(shè)計(jì)手冊表1-2-7得：公稱直徑DN（mm）管程數(shù)nt（個(gè)）管子根數(shù)Nt（根）中心排管數(shù)管程流通面積（m2）換熱面積（m2）換熱管長度L(mm)400294110.014821.43000排列形式：正三角形管間距： =32mm折流板間距：2.2計(jì)算實(shí)際換熱面

5、積 實(shí)際換熱面積 A實(shí)際=d(L-2-0.006)n =3.14×0.025×(3-2×0.05-0.006)×94=21.35m2 2.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)44549.59/(3600×993.95×0.0148)=0.84m/s換熱管內(nèi)經(jīng)di=d0-2=0.025-2×0.0025=0.02m 雷諾數(shù)：Rei=uidi/=0.84×0.02×993.95/0.000727=22968.86對于湍流，由Dittus Boelter關(guān)系式，有傳熱膜系數(shù)：普朗特?cái)?shù)： =4174×0.000727/0

6、.625=4.86由于冷卻水要被加熱,故取n=0.4管內(nèi)傳熱膜系數(shù)i=0.023×0.625/0.02×22968.860.8×4.860.4=4170.07W/(m2K)管外傳熱膜系數(shù)換熱管呈正三角形排列，根據(jù)Kern法當(dāng)量直徑：=流體流過管間最大截面積是殼體內(nèi)徑估算為=0.37=0.216.7=40000/(3600×710×0.0167)=0.94m/s雷諾數(shù)：Re=uodo/=0.94×0.025×710/0.00064=26070普朗特?cái)?shù)： =2130×0.00064/0.218=6.25壁溫可視為流體平

7、均溫度，即：0.55 o=0.36×(0.218/0.02) ×(0.02×0.64×710/0.00064)0.55×6.251/3 =1389.25W/(m2K)查表GB151-1999管殼式換熱器得：管外有機(jī)物污垢熱阻：/W管內(nèi)冷卻水污垢熱阻：/W插入法得到=式中：管外流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)； 管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)； ,分別為管外、管內(nèi)流體污垢熱阻，(m2·K) /W； 管壁厚度，m；管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K) o iiorr,w1/K=1/1389.25+1/4

8、170.07+1.76×10-4+0.0025/73=1.1698×10-3K=1/1.1698×10-3=854.82.4 計(jì)算總換熱面積由穩(wěn)態(tài)傳熱基本方程：A =/Ktm=1033000/(854.8×160.56)=7.526m2（1+25%）=9.41,符合選型要求2.5計(jì)算管程壓力降管程壓力降有三部分組成，可按照如下公式進(jìn)行計(jì)算流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa; -流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa; 流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，Pa; 結(jié)構(gòu)矯正因素，無因次，對25×2.5mm，取為1.4； 管程數(shù)取2； 串聯(lián)的殼程

9、數(shù)取1; 根據(jù)伯拉修斯式，Re=3時(shí)有： =0.3164/22968.860.25=0.0257 pL=0.0257×(2/0.02)×(993.95×0.842/2)=901.21Pa pr=3×(iui2/2)=3×(993.95×0.842/2)=1051.997Pa pn=1.5×(993.95×0.842/2)=526Papi=(901.21+1051.997) ×1.4×2×1+526×1=0.005594MPa管程壓力降在允許范圍內(nèi)2.6計(jì)算殼程壓力降采用埃索法

10、計(jì)算公式： 式中：-流體橫過管束的壓力降，Pa; -流體通過折流板缺口的壓力降，Pa; 殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無因此，對液體取1.15;其中： 式中：F管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)，對三角形F=0.5; 殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時(shí)，; -橫過管束中心線的管子數(shù)，對三角形排列; -按殼程流通截面積計(jì)算的流速，。 =5.0×26070-0.228=0.492 0.2××0.025)=0.0207m3=40000/(3600×710×0.0207)=0.756m/s=0.5×0.492×10.66×(

11、14+1) ×710×0.7562/2 =0.00798Mpa14×3.5-(2×0.2/0.37) ×710×0.7562/2=0.006871MPa=（0.00798+0.006871）×1.15×1=0.01708MPa因此，殼程壓力降在允許范圍內(nèi)。三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)a)根據(jù)換熱器公稱直徑為400mm，選用圓筒作為換熱器殼體。殼體圓筒：公稱直徑DN=400mm，壁厚。b)換熱管：外徑d=25mm，壁厚，換熱管長度，根數(shù)n=94，受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度，換熱管呈正三角形排列，管間距 。c)管板：剛度削弱

12、系數(shù)，強(qiáng)度削弱系數(shù)。d)螺栓：數(shù)量n=16，規(guī)格M27，30mm有效承載面積：（換熱器設(shè)計(jì)手冊）e)管箱法蘭：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整體鋼制管法蘭 法蘭外徑 ，螺栓孔徑中心圓直徑，法蘭厚度C=32mm，管箱圓筒厚度，法蘭寬度： 3.2采用原件材料及數(shù)據(jù)a)換熱管材料：碳素鋼鋼管 20設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn) 設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量(GB150-89,表15) 管壁溫度下的彈性模量 管壁溫度下的膨脹系數(shù) b)殼程圓筒材料：碳素鋼Q235-B250設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 圓筒在壁溫下的彈性模量Mpa 圓筒在壁溫下的線膨脹系數(shù)mm/ c)管板材料：16Mn 250設(shè)計(jì)

13、溫度下的許用應(yīng)力250設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量d)螺栓材料：40Cr（GB150-1989表2-7）常溫下許用應(yīng)力250設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力e)管箱法蘭材料：16Mn由于管箱法蘭為長頸對焊法蘭，管箱圓筒材料彈性模量取管箱法蘭材料的值，根據(jù)GB150-1989250下的彈性模量75下的彈性模量f)墊片材料：鐵包石棉墊片根據(jù)GB150-1998，墊片系數(shù)m=2，比壓y=11Mpa3.3 折流板 采用弓形折流板,取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： 100mm 折流板數(shù)NB=14塊3.4接管殼程流體進(jìn)出口接管： 接管內(nèi)流速uo=0.756m/s,則接管內(nèi)徑為 圓整后取170mm

14、管程流體進(jìn)出口接管：接管內(nèi)流速uo=0.84m/s圓整后取140mm3.5殼體和封頭的設(shè)計(jì) 殼體的設(shè)計(jì)a)圓筒公稱直徑由計(jì)算知，圓筒的公稱直徑為400mm400mm，采用卷制圓筒。b)圓筒厚度圓筒的最小厚度應(yīng)按GB150-1989計(jì)算，但不得小于表3-1規(guī)定。表3-1碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度 mm表2-2殼體、管箱殼體厚度 mm 對應(yīng)殼體、管箱殼體厚度也取10mm封頭設(shè)計(jì)按工作原理，設(shè)計(jì)封頭應(yīng)為受內(nèi)壓的橢圓形封頭，采用長軸與短軸比為2的標(biāo)準(zhǔn)型封頭。橢圓形封頭是由半個(gè)橢圓球和具有高度h的圓筒（即封頭直邊）構(gòu)成，直邊的作用是避免筒體與封頭連接的還焊縫受到邊緣應(yīng)力的影響。封頭厚度（不包括壁厚附

15、加量）應(yīng)小于封頭直徑的0.3%。由表3-3，取封頭厚度為10mm 3.5管板與換熱管 3.5.1 管板材料：16MnR厚度 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)采用先脹后焊連接時(shí)，管板的最小厚度（不包括腐蝕裕量）見表3-5；?。òǜg裕量）。 換熱管的排列形式，見圖2-3，本設(shè)計(jì)選擇三角形錯(cuò)列形式圖2-3布管形式b)換熱管中心距換熱管中心距一般不小于1.25倍的換熱管外徑。常用換熱管外徑如換熱器設(shè)計(jì)手冊表1-6-16，即表3-6 所示： 根據(jù)表中要求選取換熱管中心距為S=32mm表3-6 換熱管中心距 mmc)布管限定圓：布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑 表3-7布管限定圓 mm表中：b見圖2-4，其值按

16、表2-8選取，mm -見圖2-4，其值按表2-9選取，mm -見圖2-4，mm -固定管板式換熱器或U型管換熱器管束最外層換熱管表面至殼體內(nèi)壁的最短距離，且不小于10mm 墊片寬度，其值按表2-9選取，mm 圖3-4 布管示意圖除了考慮布管限定圓直徑外，換熱管與防沖板間的距離也需考慮。通常，換熱管外表面與鄰近防沖板表面間的距離，最小為6 mm。換熱管中心線與防沖板板厚中心線或上表面之間的距離，最大為換熱管中心距的倍。表3-8不同的b值mm 表3-9從表中可得：選取b=5mm,mm,=15mm，=10mm ,392-210=372mm d)管程分程：經(jīng)壓力降設(shè)計(jì)，采用雙管程結(jié)構(gòu)。 e)換熱器的換

17、熱管和管孔直徑允許偏差按GB151-1999規(guī)定：換熱管，管孔a)拉桿孔：拉桿與管板采用螺紋連接螺孔深度：，其中為拉桿螺孔公稱直徑。b) 管板密封面：管板與法蘭連接的結(jié)構(gòu)尺寸及制造、檢驗(yàn)要求 等按JB1157-1163-82壓力容器法蘭的規(guī)定。換熱管a)換熱管長度選用：3000mmb)換熱器的規(guī)格和尺寸偏差：按GB8164-87輸送流體用無縫鋼管的規(guī)定，常用規(guī)格如表3-10表3-10常用換熱管的規(guī)格和尺寸偏差(材料：碳鋼) 外徑 厚度 外徑偏差 壁厚偏差 外徑偏差 壁厚偏差GB/T8163 2.0 +15%GB-9948 2.5 -10% -10%選用普通精度的標(biāo)準(zhǔn)，。3.6殼體與管板、管板與

18、法蘭及換熱管的連接 管板與殼體連接形式分為兩類，一是不可拆的，如固定管板式，管板與殼體使用焊接連接。二是可拆式，如U型管，浮頭及填料函式管板式換熱器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，換熱管與管板的連接采用焊接。 =2.5 拉桿、定距管拉桿的結(jié)構(gòu)形式：常用的拉桿形式有兩種，由于換熱管的外徑等于25mm19mm，故本設(shè)計(jì)選用拉桿定距結(jié)構(gòu)，如圖3-7圖3-7拉桿定距管結(jié)構(gòu) 拉桿的尺寸：如圖3-8圖3-8表3-16拉桿的尺寸 mma)拉桿尺寸通過圖3-8，表3-16確定表3-18拉桿數(shù)量選用表取拉桿直徑為16mm，拉桿數(shù)量為4.防沖板根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在殼程設(shè)置防沖板，以減少氣流的不均勻分布和對換熱管管端的沖蝕。防沖板表面

19、到圓筒內(nèi)壁的距離，一般為接管外徑的1/41/3，取距離為50mm；防沖板的直徑和邊長，應(yīng)大于接管外徑50mm，取防沖板直徑為250mm；防沖板的最小厚度：碳鋼為4.5mm，不銹鋼為3mm，取厚度為6mm。防沖板的固定形式：a) 防沖板的兩端焊在定距管或拉桿上，也可同時(shí)焊在靠近管板的第一塊折流板上； b) 防沖板焊在圓筒上； c) 用U形螺栓將防沖板固定在換熱管上。沉降管設(shè)計(jì)由，得根據(jù)實(shí)際情況選下沉管為273×9.5，管子材料為A3鋼。 3.5換熱管下箱設(shè)計(jì)材料：16MnR厚度：，管箱長度：l=800mm，管箱內(nèi)徑： 3.7.6座選取按JB4712選用BI型，120°包角，焊

20、接，單筋，帶墊板。四、強(qiáng)度的計(jì)算與校核下面對換熱器各部件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與校核: 4.1圓筒計(jì)算圓筒由鋼板卷制而成，故查得鋼壁厚為10mm，則內(nèi)徑為380 mm。 取焊縫系數(shù)=0.85，筒體計(jì)算厚度按下式計(jì)算:設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：根據(jù)鋼材規(guī)定名義厚度要6mm，所以取到有效厚度：其中C1為GB709鋼板負(fù)偏差，C2=3mm為題目所給設(shè)計(jì)參數(shù)。4.2壓力實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核液壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力由GB150-1989式（1-5）確定： ,取兩者中的較大值。 -設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，Mpa； 實(shí)驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力， Mpa。 壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，圓筒的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算： 在進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，圓筒的薄膜應(yīng)力不得超

21、過試驗(yàn)溫度下材料屈服點(diǎn)的90，即，符合要求。4.3最大工作壓力和計(jì)算應(yīng)力 最大許用工作壓力： 設(shè)計(jì)溫度下的圓筒筒壁計(jì)算應(yīng)力按下式計(jì)算： ，滿足應(yīng)力要求。4.4封頭設(shè)計(jì)計(jì)算受內(nèi)壓的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度按下式計(jì)算（GB150-1989，式5-2） 封頭設(shè)計(jì)壁厚：按GB6654-1996 ，鋼板負(fù)偏差：C1=0.6mm封頭名義厚度：根據(jù)鋼材規(guī)定名義厚度要5mm，所以取到封頭有效厚度：橢圓形壓力按下式確定（GB150-1989，式5-3）：4.5管板設(shè)計(jì)計(jì)算換熱管穩(wěn)定許用應(yīng)力 換熱管的回轉(zhuǎn)半徑 查GB151-1989附錄H管子特性表： 系數(shù)：換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度： 從而有：所以換熱管的穩(wěn)定需用應(yīng)力為：

22、 結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算參照J(rèn)B4705-92非金屬軟墊片標(biāo)準(zhǔn)，取墊片內(nèi)徑404mm，外徑444mm，墊片寬度N=40mm。查表9-1中1-a得：當(dāng)b0>6.4mm時(shí)，b=墊片壓緊力作用中心圓直徑： 殼程圓筒內(nèi)徑面積：查GB151-1989附錄H，一根換熱管金屬橫截面積a=144.51mm2。管板開孔后面積：c)管板布管區(qū)域當(dāng)量直徑管板區(qū)域面積： d)系數(shù)計(jì)算 按GB150第7章，查表7-5，殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)Y=4.75 法蘭力矩算基本法蘭計(jì)算力矩Mm：查GB150-89表7-2得： y=11，m=2.0 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算： 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算： 預(yù)緊狀

23、態(tài)下需要的最小螺栓面積按下式計(jì)算： 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按下式計(jì)算： 需要的螺栓面積取較大值，即實(shí)際使用的螺栓總面積：法蘭力矩的力臂：基本法蘭力矩：管程壓力操作工況下法蘭力拒Mp 螺栓中心至作用位置處的徑向距離: 螺栓中心至作用位置處的徑向距離：螺栓中心至作用位置處的徑向距離： 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力： 流體靜壓總軸向力-作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力： 法蘭墊片壓緊力： 法蘭操作力矩： 4.5.5換熱管與殼體圓筒的熱膨脹應(yīng)變形差Y假定換熱器制造環(huán)境溫度為15 89.345 3.54Mpa 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 法蘭寬度： , ， 查GB151-1999 圖

24、26得 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：其中法蘭材料：采用16Mn彈性模量（根據(jù)插入法） , 管子加強(qiáng)系數(shù)a)已知管板名義厚度，管板腐蝕余量：管板殼程側(cè)焊接結(jié)構(gòu)槽深3mm管板有效厚度，即校核中的計(jì)算厚度換熱管的有效長度：b)管子加強(qiáng)系數(shù)K c)管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) a)殼體法蘭與圓筒旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 已知?dú)んw法蘭管板延長部分厚度,殼體厚度， 查GB151-1989圖3-15， b)旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)管束模數(shù)：c)確定系數(shù)由K=3.69,=0.032 查GB151 圖3-16，管板第一彎矩系數(shù)：,圖3-18，K=3.69，Q=0.96，查GB151圖3-17，管板第二彎矩系數(shù)：

25、圖3-19， 法蘭力矩折減系數(shù)：令管板邊緣力矩變化系數(shù)：法蘭力矩變化系數(shù)：=0.6784.6 接管、接管法蘭以及開孔補(bǔ)強(qiáng) 4.6.1 殼程接管、法蘭由熱流體的參數(shù)：取0.11可得接管直徑：取接管伸出長度150mm，即需要兩個(gè) 4.6.2 管箱接管、法蘭由冷流體的參數(shù)：取0.11可得接管直徑：取接管伸出長度150mm，即需要兩個(gè)的接管法蘭 4.6.3 以殼程開孔補(bǔ)強(qiáng)為例進(jìn)行計(jì)算筒體：Q235-B 接管：20R 補(bǔ)強(qiáng)圈：16MnR 開孔直徑：用等面積法補(bǔ)強(qiáng)：開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積： (1)有效寬度B，取兩者中的大者 取大者，所以 (2)有效高度 a.外側(cè)高度：取兩者中較小者 b.內(nèi)側(cè)高度：取兩者中較小者 (3)有效補(bǔ)強(qiáng)面積 a.圓筒多余金屬面積 圓筒有效厚度： 圓筒多余金屬面積： b.接管多余面積 接管計(jì)算厚度： 接管多余的面積： c.補(bǔ)強(qiáng)區(qū)焊縫面積（焊腳取4.5mm） d.有效補(bǔ)強(qiáng)面積： 需另行補(bǔ)強(qiáng)面積： (4)補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì) a.補(bǔ)強(qiáng)圈外徑應(yīng)不大于有效寬度，取 b.補(bǔ)強(qiáng)圈厚度： 根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)踐知，我們可以直接采用被補(bǔ)強(qiáng)殼的板材，并取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑B=2d進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，既可滿足要求，以省略各項(xiàng)補(bǔ)強(qiáng)面積的計(jì)算，也可得到偏于安全的設(shè)計(jì)結(jié)