煤油冷卻器的設(shè)計（處理量1500kgh）設(shè)計【畢業(yè)論文+cad圖紙全套】

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　冷凝器是使用范圍很廣的一種化工設(shè)備，屬于換熱器的一種。本設(shè)計任務(wù)主要是根據(jù)已知條件選擇采用固定管板式換熱器的設(shè)計,固定管板式換熱器的優(yōu)點是鍛件使用少，造價低；傳熱面積比浮頭式換熱器大20%到30％且旁路滲流小。 </p><p>　　本臺換熱器主要完成的是煤油-水之間的熱量交換,首先根據(jù)給出的設(shè)計溫度和設(shè)

2、計壓力來確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式以及殼程和管程的材料，然后根據(jù)物料性質(zhì)和傳熱面積來確定換熱管的材料，尺寸，本次設(shè)計的主要設(shè)計參數(shù)為：管程介質(zhì)為水，溫度由30℃加熱到42℃ ，工作壓力，流量為 ，殼程介質(zhì)為煤油，入口溫度138℃，出口溫度40℃、壓力為，流量為。采用Φ25×2.5的無縫鋼管換熱，并根據(jù)換熱管的排列和長度來確定筒體直徑以及折流板的選擇。通過對容器的內(nèi)徑和內(nèi)外壓的計算來確定殼體和封頭的厚度并進行強度校核。然后是對換熱器各部

3、件的零部件的強度設(shè)計，有法蘭的選擇和設(shè)計計算與校核，鉤圈及浮頭法蘭的設(shè)計計算與校核和管子拉脫力的計算。還包括管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、防沖擋板、滑道結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及支座設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計中的標準件可以參照國家標準根據(jù)設(shè)計條件直接選?。环菢藴始?，設(shè)計完結(jié)構(gòu)后必須進行相應(yīng)的應(yīng)力校核。</p><p>　　管板與換熱管的連接方式為焊接，因管板上的應(yīng)力較多，且內(nèi)外溫度有一定的差值，因此，對管板強度的校核是一個重點，也是一個難點。<

4、/p><p>　　關(guān)鍵詞: 冷凝器; 強度設(shè)計; 結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The condenser is the use of a wide range of a kind of chemical equipment, belongs to a kind of heat excha

5、nges. This design task is mainly according to the known condition selection using fixed tube plate heat exchanges design, the advantage of fixed tube plate heat exchanges is forgings used less, low cost; Heat transfer ar

6、ea is from 20% to 30% larger than the floating head heat exchanges and the bypass seepage is small. </p><p>　　This primary finish is kerosene-water heat exchanges, the heat exchange between the first accordi

7、ng to the given temperature and design pressure to determine the structure of device and the shell side and tube side of the material, then according to the material properties and the heat transfer area to determine the

8、 heat exchange tube material, size, the main design parameters of this design is: in the medium passes into water, heating temperature of 30℃ to 42℃, working pressure and flow for she</p><p>　　Tube plate and

9、 the heat exchange tube connections for welding, because of the stress of the tube plate more, and the internal and external temperature have certain difference, therefore, check is a key for the tubeless intensity, is a

10、lso a difficulty.</p><p>　　Key words: Condenser; Strength design; The structure design </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 換熱器的概述 1</p><p>　　1.1 課題研究的目的

11、 1</p><p>　　1.2 課題研究的意義 1</p><p>　　1.3 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 2</p><p>　　1.4 設(shè)計標準 3</p><p>　　第二章 工藝條件的選擇及設(shè)計方案 4</p><p>　　2.1 設(shè)計方案的擬定 4</p><p&g

12、t;　　2.2 溫度 4</p><p>　　2.3 流動方式的選擇 4</p><p>　　2.4 流速的選擇 5</p><p>　　2.5 允許壓降 5</p><p>　　2.6 材料的選擇 5</p><p>　　第三章 換熱器的工藝計算 6</p><p>　

13、　3.1 確定冷熱流體的物性參數(shù) 6</p><p>　　3.2 計算換熱器的熱負荷Q 6</p><p>　　3.3 冷卻水的用量 7</p><p>　　3.4 平均溫差的計算 7</p><p>　　3.5 選擇傳熱系數(shù)初算傳熱面積 8</p><p>　　3.6 管子選擇和管數(shù)的確定 9

14、</p><p>　　3.6.1 管子的選擇 9</p><p>　　3.6.2 管子的選擇 9</p><p>　　3.7 平均溫差的校正及殼程數(shù) 10</p><p>　　3.8 管子排列方式和管間距的確定 10</p><p>　　3.8.1 管子排列方式 10</p><p&g

15、t;　　3.8.2 管心距 11</p><p>　　3.9 殼程內(nèi)徑的確定 11</p><p>　　3.10 確定總傳熱系數(shù) 12</p><p>　　3.10.1 管程換熱系數(shù)的確定 12</p><p>　　3.10.2 殼程側(cè)換熱系數(shù)的確定 12</p><p>　　3.11 流體壓降的計算 14

16、</p><p>　　3.11.1 管程壓降的計算 14</p><p>　　3.11.2 殼程壓降的計算 15</p><p>　　3.11.3 污垢熱阻和管壁熱阻 16</p><p>　　3.12 殼體壁溫的計算 16</p><p>　　3.12.1 流體平均溫度的確定 16</p>&

17、lt;p>　　3.12.2 殼體壁溫的確定 17</p><p>　　3.12.3 換熱管壁溫的確定 17</p><p>　　第四章 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19</p><p>　　4.1 管子與管板的連接 19</p><p>　　4.2 管板與殼體的連接 19</p><p>　　4.3 管板與分程隔

18、板的連接 19</p><p>　　4.4 管板與法蘭的連接 20</p><p>　　4.5 拉桿與管板的連接 21</p><p>　　4.6 折流板 21</p><p>　　4.7 流體進出口接管 24</p><p>　　4.7.1 煤油進出口 24</p><p>　　4

19、.7.2 水的進出口 24</p><p>　　第五章 換熱器元件強度和剛度的計算 25</p><p>　　5.1 殼體設(shè)計及校核 25</p><p>　　5.1.1 設(shè)計參數(shù)的確定 25</p><p>　　5.1.2 強度計算 25</p><p>　　5.1.3 殼體的水壓試驗 26</p&

20、gt;<p>　　5.2 封頭 26</p><p>　　5.2.1 種類和參數(shù)的確定 26</p><p>　　5.2.2 強度計算 26</p><p>　　5.2.3 封頭直邊高度 27</p><p>　　5.3 管箱 28</p><p>　　5.3.1 強度計算 28</p&

21、gt;<p>　　5.3.2 管箱的水壓試驗 28</p><p>　　5.4 管子與管板的拉脫應(yīng)力 29</p><p>　　5.5 計算是否安裝膨脹節(jié) 29</p><p>　　5.5.1 管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力 29</p><p>　　5.5.2 壓力作用于殼體上的軸向力 30</p><

22、;p>　　5.5.3 壓力作用于管子上的軸向力 30</p><p>　　5.6 接管開口補強的計算 31</p><p>　　第六章 其他輔助結(jié)構(gòu)及標準件的選用 34</p><p>　　6.1 接管法蘭及密封面形式 34</p><p>　　6.2 座的選擇 34</p><p>　　6.2.1 換

23、熱器總質(zhì)量的計算 34</p><p>　　6.2.2 鞍座的尺寸及結(jié)構(gòu)選擇 35</p><p>　　6.3 吊耳 36</p><p>　　6.4 法蘭螺栓規(guī)格 36</p><p>　　6.5 拉桿與定距管 36</p><p>　　6.6 緩沖擋板 36</p><p>　　

24、6.7 焊條的選擇及焊接形式 37</p><p>　　6.8設(shè)計結(jié)果表 39</p><p><b>　　結(jié)論 40</b></p><p><b>　　參考文獻 42</b></p><p><b>　　附錄 42</b></p><p>

25、<b>　　致謝 45</b></p><p>　　第一章 換熱器的概述</p><p>　　1.1 課題研究的目的</p><p>　　換熱器是石油、化工、食品、核能和其他化工部門廣泛使用的一種工藝設(shè)備。一般換熱器占石油化工設(shè)備總量的40%,其中以管殼式換熱器為主要換熱器,因此,研究和開發(fā)殼管式換熱器和標準制定收到各個國家的注意。如美國的T

26、EMA和日本的JISB8249就是管殼式換熱器的專用標準。</p><p>　　最近幾年來,隨著制造技術(shù)的不斷進步與發(fā)展,強化傳熱元件的研發(fā),使新型高效率的換熱器的研究有了更大的發(fā)展,根據(jù)不同的工藝條件和不同的換熱工況設(shè)計并制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器,并且已在化工、煉油、石化、制冷和制藥等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，并取得了較大的經(jīng)濟效益。</p><p>　　各種換熱器的設(shè)計結(jié)構(gòu)和設(shè)

27、計思想都各有自己的特點和新穎之處。有的在于增強傳熱管和殼程傳熱,一些改進的管箱設(shè)計,一些專注于防止管板誘導(dǎo)振動,一些緊湊了設(shè)備結(jié)構(gòu)、有的在于防腐蝕防垢。最先進要數(shù)Packing's板式換熱器、螺旋折流板換熱器,麻花扁管換熱等。</p><p>　　固定管板式換熱器管板采用焊接方法和外殼連接固定。換熱管為光管或低翅管等等。其結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,能得到殼體內(nèi)徑比較小,管程的樣式可分為多種,殼程也可以使用縱向

28、隔板分成多程,規(guī)格范圍比較廣,所以廣泛應(yīng)用于工程實踐。</p><p>　　1.2 課題研究的意義 </p><p>　　換熱器是合理利用和現(xiàn)有節(jié)能新能源和開發(fā)新能源發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備。在當今世界,現(xiàn)有的能源主要是煤、石油、天然氣和其他資源。有限的儲量難以滿足不斷增長的工業(yè)和人們的生活,因此,合理使用現(xiàn)有的能源和開發(fā)新能源已成為一個研究課題。大部分的燃料生產(chǎn)的能量釋放是通過換熱設(shè)備,換熱器的合

29、理設(shè)計,提高性能將直接關(guān)系到現(xiàn)有能源的合理利用?，F(xiàn)在能開發(fā)的新能源有,核能、太陽能、地?zé)崮艿忍峁┕I(yè)和生活使用,都是需要大量符合使用要求的格樣式換熱器。換熱器的正確設(shè)置,設(shè)計合理,性能的改善對于能源的有效利用和發(fā)展具有十分重要的意義。</p><p>　　應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備是固定管板式換熱器,它具有可靠性高、適應(yīng)性廣,所以被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。盡管還有其他的新型換熱器的挑戰(zhàn),但是,這樣反過來也促進了自己本身

30、的發(fā)展。在換熱器的參數(shù)高,大規(guī)模發(fā)展的今天,管殼換熱器仍占主導(dǎo)地位。</p><p>　　固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單,緊湊,能承受高壓力、可靠性高、易于制造、處理能力強,成本比較低,可選擇的材料廣泛,方便清洗,能承受較高的工作壓力和溫度、管道損壞時容易堵塞管道或更換的優(yōu)勢,在溫度高、壓強大和大型換熱器中,管殼式換熱器具有絕對的優(yōu)勢,研究并且著重開發(fā)這種新型的換熱器,對于未來工業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟增長具有重大意義。<

31、;/p><p>　　1.3 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　換熱器是石油、化工、食品、核能和其他化學(xué)部門廣泛使用的一種工藝設(shè)備,由于管殼式換熱器具有適應(yīng)性強,可靠性高,材料范圍廣等優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用。所以管殼式換熱器的研究和發(fā)展一直在我們國家很受重視。在國防工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,近年來我國進行了大量的研究來增強傳熱器技術(shù)。主要提高換熱器性能方面的優(yōu)勢。比如，節(jié)能和增加效換熱器是石油、

32、化工、食品、核能和其他化學(xué)部門廣泛使用的一種工藝設(shè)備。換熱器設(shè)率,提高傳熱效率,減少傳熱面積降低壓降,提高設(shè)備熱強度等方面取得了舉世矚目的成就。但在新高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍很大,和實際的推廣和應(yīng)用新型高效換熱器仍非常有限。還有待專業(yè)技術(shù)人員在從事?lián)Q熱器制造過程中更加努力專研,使我國換熱器從各個方面趕上國際先進技術(shù),還需要使用換熱設(shè)備制造商引入和推廣高效換熱器,為中國節(jié)能做出貢獻。</p><p>　　國

33、外換熱器的市場調(diào)查,據(jù)統(tǒng)計,在換熱器中使用現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的投資約占設(shè)備總投資的30%在煉油廠換熱器占總工藝設(shè)備的40%、海水淡化設(shè)備幾乎完全是由熱交換器。早在70年代,世界各地的能源危機,大力促進傳熱強化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)約能源,減少消耗,提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益,開發(fā)適用于各種工業(yè)過程高效換熱設(shè)備的需求。所以,幾十年來,高效換熱器的研究和發(fā)展一直是關(guān)注的主題,推出了一系列國內(nèi)外新型高效換熱器。盡管各種板式換熱器的競爭力在上升,但是管殼換熱

34、器仍占主導(dǎo)地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。</p><p><b>　　1.4 設(shè)計標準</b></p><p>　　(1) 中華人民共和國機械標準JB1145-73《列管式固定管板熱交換器》</p><p>　　(2) 中華人民共和國國家標準GB151-89《鋼制管殼式換熱器》</p>

35、;<p>　　(3) 中華人民共和國機械標準JBT4715-1992《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》</p><p>　　(4) HG/T20701.8-2000《容器、換熱器專業(yè)設(shè)備簡圖設(shè)計規(guī)定》</p><p>　　第二章 工藝條件的選擇及設(shè)計方案</p><p>　　2.1 設(shè)計方案的擬定</p><p>　　根據(jù)任務(wù)書

36、給定的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)計列管式換熱器為固定管板式換熱器；再根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否容易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。本設(shè)計中選擇使循環(huán)工業(yè)硬水走管程，煤油走的是殼程。從資料中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)。如比熱容，密度，粘度，導(dǎo)熱系數(shù)等。計算出總傳熱系數(shù)，再計算傳熱面積。根據(jù)管徑，管內(nèi)流速確定傳熱管數(shù)，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等。然后校正傳熱溫差及殼程數(shù)，確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折

37、流板，確定板間距，折流板數(shù)等；接著再對換熱器的熱量，官稱對流傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度，最后，對流體的流動阻力進行計算。</p><p><b>　　2.2 溫度</b></p><p>　　換熱器的設(shè)計溫度應(yīng)高于最大使用溫度，一般高于20℃，但在檢修過程中，殼程空間需要空氣進行置換，因此，換熱器的最大使用溫度要考慮到殼體置換時蒸汽溫度，由于

38、一般置換時使用水蒸氣作為介質(zhì)，因此，本次換熱器殼體涉及溫度為140℃。</p><p>　　管程介質(zhì)為水，最大使用溫度為30℃，故本文管程設(shè)計溫度選擇為40℃。</p><p>　　2.3 流動方式的選擇 </p><p>　　管殼式換熱器的流動方式有并流、逆流、錯流、混合流等，綜合考慮，本次設(shè)計采用逆流操作。</p><p>　　2.4 流

39、速的選擇 </p><p>　　已知兩流體允許壓強降不大于100kPa；兩流體分別為煤油和自來水。與煤油相比，水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)的冷卻水較容易結(jié)垢，如果它的流速太低，會使污垢增長速度加快，換熱器的熱流量也會下降，因為要考慮到換熱器散熱降溫等方面的因素，所以應(yīng)使循環(huán)自來水走管程，而使煤油走殼程。選用Φ25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.5m/s。</p><p&g

40、t;<b>　　2.5 允許壓降 </b></p><p>　　流體流經(jīng)換熱器，它的阻力應(yīng)在允許的數(shù)值范圍內(nèi)。如果流動的阻力太大，則應(yīng)該進行修正設(shè)計。 正常情況下，流體流經(jīng)換熱器的阻力為104～105Pa，氣體為103～104Pa。允許的流體阻力與換熱器的操作壓力有關(guān)，操作壓力大，允許流體阻力可相應(yīng)大一些。管程和殼程的壓力降必須小于允許壓力降。</p><p>　　2

41、.6 材料的選擇 </p><p>　　不銹鋼具有耐腐蝕性、耐高溫等特點。所以為了防止腐蝕，選用0Crl8Ni9不銹鋼材料。由于煤油走殼程，所以換熱器的殼體、管板、換熱管和折流板(支承板)的材料均都需要采用0Crl8Ni9不銹鋼。</p><p>　　第三章 換熱器的工藝計算</p><p>　　3.1 確定冷熱流體的物性參數(shù) </p><p&g

42、t;　　根據(jù)換熱器所在的工藝流程，確定流程參數(shù)和物性參數(shù)如表3-1和3-2所示。</p><p>　　表3-1 換熱器的已知工藝參數(shù)</p><p><b>　　水的定性溫度:℃</b></p><p><b>　　煤油的定性溫度:℃</b></p><p>　　表3-2 介質(zhì)的性質(zhì)</p

43、><p>　　表3-3 列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍 </p><p>　　3.2 計算換熱器的熱負荷Q </p><p>　　換熱器的熱流量是指通過冷熱流體間壁所傳遞的熱量。本文設(shè)計熱流體存在相變，根據(jù)冷凝量和冷凝蒸汽的冷凝熱，從而來確定煤油的熱流量為</p>

44、<p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中： ——冷凝蒸汽的質(zhì)量流量;kg/s</p><p>　　——液體的比熱容；kJ/kg?℃</p><p>　　3.3 冷卻水的用量 </p><p>　　冷卻劑的用量要取決于工藝流體所需的熱量及冷卻劑進口和出口的溫度，另外還跟設(shè)備的熱損失有關(guān)

45、。</p><p>　　根據(jù)熱量的平衡，可以得到冷卻水吸收熱流量與關(guān)系如下：</p><p>　　式中： Q’——損失的熱量</p><p>　　根據(jù)該流程的實際情況，所以忽略該換熱器的熱流量，取</p><p><b>　　則:</b></p><p>　　該熱流量均由冷卻水升溫得到，則根據(jù)&l

46、t;/p><p><b>　　得:</b></p><p>　　3.4 平均溫差的計算</p><p>　　換熱器的傳熱推動力是平均傳熱的溫差。它的數(shù)值不但跟流體的進口溫度和出口溫度有關(guān)，而且還與換熱器中的兩種流體的流型有關(guān)。</p><p>　　該設(shè)計中，管程和殼程換熱采用逆流操作。對于逆流操作，平均傳熱溫差可用換熱器兩端

47、流體溫度的對數(shù)平均溫差來表示。</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　3.5 選擇傳熱系數(shù)初算傳熱面積 </p><p><b>　　殼程傳熱系數(shù)：</b></p><p>　　假

48、設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是：=700 W/m2?℃</p><p>　　污垢熱阻： Rsi=0.000344m2℃/W</p><p>　　Rso=0.000172 m2℃/W</p><p>　　管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2℃/W</p><p>　　管壁厚度： b=0.0025</p&

49、gt;<p>　　內(nèi)外平均厚度： dm=0.0225</p><p>　　在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得: </p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　(3-4)</b>

50、</p><p><b>　　實際傳熱面積:</b></p><p>　　A0 =1.158.34=9.591m2</p><p>　　3.6 管子選擇和管數(shù)的確定</p><p>　　3.6.1 管子的選擇</p><p>　　管子的規(guī)格和形狀對傳熱影響很大。采用直徑小的管子，在單位體積內(nèi)，換熱

51、面積大，設(shè)備緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量就會相對較少，傳熱系數(shù)較大，但是制造起來比較麻煩，并且容易結(jié)垢，而且結(jié)垢后，清洗比較困難。通常大直徑的管子宜用于粘性比較大或污濁的流體，小直徑的管子宜用于較清潔的流體。管子的直徑和長度的確定與工藝計算有密切關(guān)系，但管子規(guī)格的選擇，應(yīng)考慮到管子材料的合理使用，應(yīng)盡量采用我國現(xiàn)有的管子標準規(guī)格。根據(jù)我國的材料標準，綜合考慮本設(shè)計要求，管程介質(zhì)為水易清洗，并考慮壓降，根據(jù)我國目前常用的換熱管規(guī)格，選擇

52、GB2270的不銹鋼標準管，管子規(guī)格為，即管子外徑為25mm厚度為2.5mm。</p><p>　　換熱管直接與兩種換熱流體接觸，因此必須根據(jù)兩種流體的溫度、壓力、介質(zhì)的腐蝕性等工藝參數(shù)及加工性能和經(jīng)濟合理性選用換熱管的材料。</p><p>　　3.6.2 管子的選擇</p><p>　　確定了管徑和管內(nèi)流速后，換熱器的單程管子數(shù)計算如下：</p>

53、<p>　　u——管內(nèi)液體流速，m/s， </p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　取整為 根</b></p><

54、p>　　式中： ns——單程管子數(shù)目；</p><p>　　vs——管程流體的體積流量，；</p><p>　　di——傳熱管內(nèi)徑，m，di=0.02m</p><p>　　u——管內(nèi)液體流速，u=0.5m/s，</p><p>　　則單程換熱器所需的管長為:</p><p><b>　　(3-7)

55、</b></p><p>　　由于按單程計算得到的管子長度太長，因此選擇單管程換熱器不合理，必須選用多管程的換熱器。取管長為標準管長L=4.5,則管程數(shù)</p><p><b>　　取整為程</b></p><p><b>　　總管子數(shù):</b></p><p><b>　　N

56、=Npns </b></p><p><b>　　取整為26根</b></p><p>　　3.7 平均溫差的校正及殼程數(shù)</p><p><b>　　此時： </b></p><p>　　由圖4-25（參見大連理工出版社的《化工原理》169頁，可查得：=0.92﹥0.8，所以，修正后的

57、傳熱溫度差為：</p><p><b>　　= ℃</b></p><p>　　于是，校正后的平均傳熱溫差是34.98℃，殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為2。</p><p>　　3.8 管子排列方式和管間距的確定 </p><p>　　3.8.1 管子排列方式</p><p>　　管子排列應(yīng)考慮清洗和整體

58、結(jié)構(gòu)的要求。同時在殼體內(nèi)裝入盡可能多的管子，換熱管在管板上的排列方式常用的有以下五種基本形式，即正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正四邊形、轉(zhuǎn)角正四邊形以及同心圓排列。具體形式如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 管子排列方式</p><p>　　正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管束，故用的最為普遍，雖然管外不易清洗，但此次設(shè)計中管外為蒸汽冷凝，不易結(jié)垢，無需清洗。與正方

59、形相比，傳熱系數(shù)比較高，大約可以節(jié)約15%的管板面積，而且有利于管板的劃線與鉆孔。因此這個設(shè)計采用的是正三角形排列。</p><p><b>　　3.8.2 管心距</b></p><p>　　管板上的兩個傳熱的管中心距離稱作為管心距。管心距的大小與傳熱管和管板的連接方式有關(guān)，此外需要考慮到管板強度和清洗管外表面時所需的空間。本次設(shè)計采用焊接方式連接管子和管板，焊接時

60、，管心距=31.25mm≈32mm</p><p>　　3.9 殼程內(nèi)徑的確定 </p><p>　　采用多管程的結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　圓整可取 D=205mm</p><p>　　取標準徑 D=273mm&

61、lt;/p><p>　　3.10 確定總傳熱系數(shù)</p><p>　　3.10.1 管程換熱系數(shù)的確定</p><p><b>　　流速：</b></p><p>　　m/s (3-9)</p><p><b>　　管程雷諾數(shù)：</

62、b></p><p>　?。ㄍ牧? (3-10)</p><p>　　℃ </p><p><b>　　管程換熱系數(shù)：</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　= ()=82.

63、7×()=2605.05（W/m2·℃)</p><p>　　3.10.2 殼程側(cè)換熱系數(shù)的確定</p><p>　　φ25×2.5mm的換熱管的中心距s=32mm。</p><p>　　則流體通過管間最大截面積為：</p><p><b>　　(3-12)</b></p>&

64、lt;p><b>　?。╩2）</b></p><p>　　M0 /A0 =1500/36000.135（m/s）</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　=0.020 (m)</p><p>　　=0.135773.550.02/5.810-4</p>

65、;<p><b>　　3601(湍流)</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　殼程煤油被冷卻，??；</p><p>　　557（W/m2·℃)</p><p>　　污垢熱阻Rs1, Rs2:</p><p>　　Rs1

66、=0.00017（m2·℃/W)</p><p>　　Rs2=0.00034 （m2·℃/W)</p><p><b>　　總的傳熱系數(shù)K:</b></p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　= </b></p>

67、;<p>　　=333（W/m2·℃)</p><p><b>　　實際傳熱面積F:</b></p><p>　?。╩2） (3-15)</p><p><b>　　安全系數(shù)：</b></p><p><b>　

68、　傳熱面積裕度： </b></p><p>　　（滿足設(shè)計要求，范圍為15% ~ 20%）</p><p>　　3.11 流體壓降的計算</p><p>　　3.11.1 管程壓降的計算</p><p><b>　　(1) 雷諾數(shù):</b></p><p><b>　　流動形

69、式為湍流</b></p><p>　　由0.005 帶入經(jīng)驗公式 可得=0.03238</p><p>　　(2) 管內(nèi)的阻力損失為:</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　(3) 回彎阻力損失:</p><p><b>　　(3-17)

70、</b></p><p><b>　　則管程內(nèi)總壓降為：</b></p><p><b>　　根據(jù)計算公式，即</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　式中：Ft—結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為一，本設(shè)計選用的是的換熱管，。</p&

71、gt;<p>　　故殼程的壓降滿足題目中的要求</p><p>　　3.11.2 殼程壓降的計算</p><p>　　現(xiàn)在提出的殼程壓降的計算公式較多，由于流速的流動狀況比較復(fù)雜，以至計算的記過相差的也比較大，本設(shè)計采用埃索法計算殼程的壓降，公式即：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><

72、p>　　式子中Fs—殼程壓降的結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體取1.15，氣體取1.0。本設(shè)計煤油為液體，故取Fs=1.15。</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　　式中Fl—管子排列方法對壓降校正因數(shù)，正三角形排列Fl=0.5，正方向斜轉(zhuǎn)

73、45°排列為0.4，正方形排列0.3，本設(shè)計選正三角形排列取Fl=0.5； Zo=1。 </p><p><b>　　正三角形排列時，</b></p><p>　　取折流板間距0.3，數(shù)目為19個。</p><p>　　(1) 計算截面積:</p><p><b>　　(3-22)</b>

74、;</p><p>　　(2) 計算流速: </p><p>　　m/s (3-23)</p><p>　　(3) 雷諾數(shù)的計算: </p><p><b>　　(4) 摩擦系數(shù):</b></p><p><b>　　(3-24)</b

75、></p><p>　　(5) 管束的損失:</p><p><b>　　(6) 缺口損失:</b></p><p>　　(7) 則殼程損失:</p><p>　　即殼程的壓降也滿足題意</p><p>　　3.11.3 污垢熱阻和管壁熱阻 </p><p>　　由于

76、所處理的物料種類繁多，操作的條件也各不相同，所以對污垢生成的規(guī)律也難以掌握。目前對污垢熱阻的選取主要憑生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　管程污垢熱阻 ?。?lt;/b></p><p><b>　　殼程污垢熱阻 ??；</b></p><p>　　管壁導(dǎo)熱系數(shù)，本次設(shè)計管壁材料選擇不銹鋼，查文獻[1]得取17</p

77、><p><b>　　所以，總傳熱系數(shù)得</b></p><p>　　3.12 殼體壁溫的計算 </p><p>　　3.12.1 流體平均溫度的確定</p><p>　　根據(jù)GB151—1999中規(guī)定：液體在過渡流及湍流階段平均溫度計算公式為：</p><p><b>　　(3-25)&

78、lt;/b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p>　　液體在層流階段和氣體的平均溫度計算公式為：</p><p><b>　　(3-27)</b></p><p><b>　　(3-28)</b></p><p>　　

79、本設(shè)計流體均在過渡區(qū)和湍流階段利用公式(3-25)、（3-26）</p><p><b>　　管子外側(cè)平均溫度：</b></p><p><b>　?。ā妫?lt;/b></p><p><b>　　管子內(nèi)側(cè)平均溫度：</b></p><p><b>　　（℃）</b

80、></p><p>　　3.12.2 殼體壁溫的確定</p><p>　　當圓筒外部有良好的保溫，或者殼程流體的溫度近似于環(huán)境溫度，或者傳熱條件使得圓筒的壁溫接近于介質(zhì)溫度時，殼體的壁溫取殼程流體的平均溫度。</p><p><b>　　（℃）</b></p><p>　　3.12.3 換熱管壁溫的確定</p

81、><p>　　換熱管放熱側(cè)的壁溫：</p><p><b>　　（3-29）</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= 78.5（℃）</b></p><p>　　換熱管吸熱側(cè)的壁溫：</p><p

82、><b>　　（3-30）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　= 35（℃）</b></p><p><b>　　換熱管的壁溫：</b></p><p>　　56.75（℃）

83、 (3-31)</p><p>　　第四章 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　4.1 管子與管板的連接 </p><p>　　管子與管板的連接通常采用脹接或焊接的方法固定。對于不銹鋼管子與管板，一般都采用焊接的結(jié)構(gòu)，不管其壓力大小，溫度高低。</p><p>　　4.2 管板與殼體的連接 </p&

84、gt;<p>　　管板與殼體的連接方式與換熱器的形式有關(guān)，在剛性結(jié)構(gòu)，兩端管板均固定的換熱器中，經(jīng)常采用不可拆的連接，這時兩端管板通常直接焊在殼體上。采用如下圖4.1所示的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖4.1 管板與殼體的連接</p><p>　　4.3 管板與分程隔板的連接 </p><p>　　為了把換熱器做成多管程，在管箱中安裝與管子中心線相平

85、行的分成隔板，管板上刨出溝槽以安放墊片，以保證管內(nèi)各程之間的密封。槽寬12mm，交角處用直線過渡。此外，管板上法蘭面應(yīng)與加工成的溝槽凹面相平，隔板兩側(cè)第一排管子中心距查文獻[2]</p><p><b>　　c=38mm。</b></p><p>　　管板與分程隔板的連接采用單層隔板與管板之間的密封連接，由于隔板另一端與封頭焊接連接，因此要求隔板材料應(yīng)與封頭材料相同。

86、如圖4.2所示</p><p>　　圖4.2 管板與分程隔板的連接</p><p>　　4.4 管板與法蘭的連接 </p><p>　　管板與法蘭的連接，采用管板兼做法蘭，根據(jù)操作壓力及氣密性的要求，由文獻[3]選擇管板如下圖4.3所示</p><p><b>　　圖4.3 管板</b></p><

87、;p>　　4.5 拉桿與管板的連接 </p><p>　　對于不銹鋼，采用焊接的不可拆連接。</p><p><b>　　4.6 折流板 </b></p><p>　　設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板（圖1-20）和圓盤-圓環(huán)形折流板（圖1-21），弓形折流板又分為單

88、弓形圖1-20（a）、雙弓形圖1-20（b）、三重弓形圖1-20（c）等幾種形式。</p><p>　　用的最多的是單弓形折流板，弓形缺口的高度h是殼體公稱直徑Dg的15%～45%，最好是20%，如圖1-22（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一個90°的缺口，如下圖1-22（b）。高度為15～20mm，供停工排除殘液的時候用；在有的一些冷凝器中，需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采

89、用堰的折流板，如下圖1-22（c）。</p><p>　　在一些大直徑的換熱器中，折流板的間距如果較大，則流體繞到折流板的背后接近殼體處，會有一部分液體停滯起來，從而會形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，應(yīng)該采用雙弓形折流板或者是三弓形折流板。</p><p>　　從傳熱的觀點考慮，有些換熱器（如冷凝器）是不需要設(shè)置折流板的。但是為了增加換熱器的剛度，防止管子的振動，實際上仍需要設(shè)

90、置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或者定距管來保持板間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖1-23。</p><p>　　尺寸 如下圖4-4所示由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm、50mm、200mm、300mm、450mm、600mm、800mm、1000mm。</p><p>　

91、　允許的最小折流板的間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大的值。允許最大折流板的間距與管徑和殼體的直徑有關(guān)，當換熱器內(nèi)流體沒有相變時，其最大折流板的間距不得大于殼體的內(nèi)徑，否則流體的流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜的系數(shù)降低。</p><p>　　折流板的外徑與殼體之間的間隙越小， 那么殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量久就越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)有所提高，但是間隙太小，給制造安裝帶來困難

92、，增加設(shè)備的成本，所以該間隙需要適宜。</p><p>　　折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表5.5.1所列數(shù)據(jù)。</p><p>　　表5.5.1 折流板厚度/ mm</p><p>　　支承板厚度一般不應(yīng)小于表5.5.2(左)中所列數(shù)據(jù)。</p><p>　　支承板允許不支承的最大間距可參考表5.5.2（右）所列數(shù)據(jù)。<

93、/p><p>　　表4.6.3 支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距</p><p>　　經(jīng)選擇，我們需采用弓形折流板，取弓形折流圓缺的高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：h=0.25×273=68.25mm</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則：</p><p>　　B=0.3×273=82mm&l

94、t;/p><p><b>　　可取B=200mm</b></p><p>　　因而查表可得：折流板的厚度為6mm，支承板的厚度為8mm，支承板允許不支承最大間距為1800mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)NB=</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配</p><p

95、>　　4.7 流體進出口接管 </p><p>　　流體進出口接管直徑由如下公式計算</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中： d——接管內(nèi)徑，m；</p><p>　　——進出口換熱器的體積流量，；</p><p>　　u——流體在管內(nèi)流動的適宜速度，&l

96、t;/p><p>　　4.7.1 煤油進出口</p><p>　　由表選擇u1=1.0m/s，那么</p><p><b>　　0.202</b></p><p>　　圓整后選擇DN50的接管，材料為與殼體相同的Mn16不銹鋼。</p><p>　　4.7.2 水的進出口 </p>&l

97、t;p>　　速度取u2=1.5m/s，那么</p><p>　　取標準管徑為120mm。</p><p>　　查表得,PN<6.4MPa的接管外伸長度為150mm</p><p>　　第五章 換熱器元件強度和剛度的計算</p><p>　　5.1 殼體設(shè)計及校核</p><p>　　5.1.1 設(shè)計參數(shù)的確

98、定 </p><p><b>　　(1) 計算壓力</b></p><p>　　不考慮液柱靜壓，所以計算壓力近似等于設(shè)計壓力，即。</p><p>　　(2) 確定焊縫的系數(shù)</p><p>　　因為考慮了換熱器的壓力與容積大小，而且又考到慮介質(zhì)的危害程度，因此確定這個換熱器是一類壓力容器，所以焊接接頭形式應(yīng)采用雙面焊對

99、接接頭的100%無損檢測：故取。</p><p><b>　　(3) 選擇材料</b></p><p>　　根據(jù)介質(zhì)條件及應(yīng)用場合與管子相同的16MnR。</p><p>　　5.1.2 強度計算 </p><p>　　查文獻[4]知16MnR在設(shè)計溫度條件下的許用應(yīng)力屈服極限,則殼體的計算厚度：</p>

100、<p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　取，則設(shè)計厚度：</b></p><p>　　對于16MnR鋼板負偏差mm，因而可取名義厚度mm，但是對于低合金鋼制的容器規(guī)定不包括腐蝕余量的最小厚度應(yīng)不小于4mm，若加上腐蝕余量名義厚度至少取5mm，由于低合金鋼短節(jié)的最小壁厚取6mm。</p><

101、p><b>　　故?。海╩m）</b></p><p><b>　　殼體的有效厚度：</b></p><p><b>　?。╩m）</b></p><p>　　5.1.3 殼體的水壓試驗 </p><p>　　采用水壓試驗，水壓試驗壓力為：</p><

102、p><b>　　（5-2）</b></p><p><b>　　圓筒的環(huán)向應(yīng)力：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　因故符合強度要求。</b></p><p><b>　　5.2 封頭<

103、;/b></p><p>　　5.2.1 種類和參數(shù)的確定 </p><p><b>　　(1) 種類</b></p><p>　　選擇制作較簡單，成本適中的標準橢圓形封頭，可知形狀系數(shù)K=1。</p><p><b>　　(2) 計算壓力</b></p><p>　　

104、因為不考慮液柱的靜壓，故計算壓力近似于設(shè)計壓力，即Pc=P=0.735MPa。</p><p>　　(3) 確定焊縫系數(shù)</p><p>　　考慮了換熱器的壓力與容積的大小，又考慮到介質(zhì)危害的程度，介質(zhì)為水，所以焊接接頭形式應(yīng)采用雙面焊對接接頭的局部無損檢測：故取=0.85。</p><p><b>　　(4) 選擇材料</b></p&g

105、t;<p>　　由于介質(zhì)為水，根據(jù)應(yīng)用條件及場合不用考慮腐蝕材料，初步選擇16MnR。</p><p>　　5.2.2 強度計算 </p><p>　　查文獻[5]16MnR在設(shè)計溫度條件下的許用應(yīng)力屈服極限,則封頭的計算厚度：</p><p><b>　　(5-4)</b></p><p>　　再無特殊條

106、件下，對于碳素鋼和低合金鋼，不小于1mm，取，則設(shè)計厚度：</p><p>　　查文獻[6]取厚度負偏差：，則未圓整名義厚度：</p><p><b>　　將名義厚度圓整，取</b></p><p><b>　　則封頭有效厚度：</b></p><p>　　5.2.3 封頭直邊高度 </p&g

107、t;<p>　　查文獻[7]可知h=25mm</p><p>　　封頭形式如圖5.1所示 </p><p><b>　　圖5.1 封頭</b></p><p><b>　　5.3 管箱</b></p><p>　　5.3.1 強度計算</p><p>　　管

108、箱中介質(zhì)的操作條件與封頭相同，選擇與封頭相同的參數(shù)和材料則管箱的計算厚度：</p><p><b>　　(5-5)</b></p><p><b>　　設(shè)計厚度：</b></p><p><b>　　未圓整名義厚度：</b></p><p><b>　　取名義厚度：&

109、lt;/b></p><p><b>　　則有效厚度:</b></p><p>　　5.3.2 管箱的水壓試驗 </p><p>　　采用水壓試驗，水壓試驗壓力為：</p><p><b>　　(5-6)</b></p><p>　　校核試驗時管箱的薄膜應(yīng)力：</

110、p><p><b>　　(5-7)</b></p><p>　　因故故符合強度要求。</p><p>　　5.4 管子與管板的拉脫應(yīng)力</p><p><b>　　(5-8)</b></p><p>　　式中： ——單根換熱管的橫截面積，；</p><p&g

111、t;<b>　　——取</b></p><p><b>　　(5-9)</b></p><p><b>　　則:</b></p><p>　　由文獻[8]，取,則q<[q]</p><p>　　5.5 計算是否安裝膨脹節(jié)</p><p>　　5.5

112、.1 管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力</p><p><b>　　(5-10)</b></p><p>　　式中： ——線膨脹系數(shù)，（1/）；</p><p>　　——彈性模量，MPa；</p><p><b>　　——管殼壁溫差，；</b></p><p>　　——殼體的橫截

113、面積，；</p><p>　　——全部管子的橫截面積，；</p><p><b>　　(5-10)</b></p><p><b>　　(5-11)</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)，則</b></p><p>　　5.5.2 壓力作用于殼體

114、上的軸向力 </p><p><b>　　(5-12)</b></p><p>　　其中: (5-13)</p><p>　　式中： n——管子總數(shù)；</p><p>　　——殼程操作壓力，MPa；</p><p>　　——管程操作壓力，

115、MPa；</p><p><b>　　——管子壁厚，mm</b></p><p><b>　　則:</b></p><p>　　5.5.3 壓力作用于管子上的軸向力 </p><p><b>　　(5-14)</b></p><p>　　則:

116、 </p><p>　　根據(jù)GB 151-1999《管殼式換熱器》，因</p><p>　　式中： ——殼體焊縫系數(shù)；</p><p>　　——殼體材料許用應(yīng)力，MPa；</p><p>　　——管子材料許用應(yīng)力，MPa;</p><p>　　經(jīng)計算，條件成立，故本換熱器不必設(shè)置膨脹節(jié)。</p>

117、<p>　　5.6 接管開口補強的計算</p><p>　　按GB150規(guī)定，殼體接管的接管不需另行補強，對管箱上的接管進行開口補強的計算。</p><p><b>　　接管參數(shù)</b></p><p><b>　　DN250（） </b></p><p><b>　　管長取1

118、50mm</b></p><p><b>　　厚度負偏差:</b></p><p><b>　　腐蝕余量:</b></p><p><b>　　管箱厚度:</b></p><p><b>　　(5-15)</b></p><

119、p><b>　　(5-16)</b></p><p><b>　　開口所需補強面積:</b></p><p><b>　　(5-17)</b></p><p><b>　　有效補強范圍</b></p><p><b>　　有效寬度:<

120、/b></p><p>　　取兩者中的最大值 所以</p><p><b>　　有效高度:</b></p><p>　　外側(cè)有效高度h1按下式計算</p><p><b>　　(5-18)</b></p><p>　　取兩者中較小的值,所以 </p>

121、<p>　　內(nèi)側(cè)有效高度h2按下式計算</p><p>　　取兩者中的最小值,所以</p><p><b>　　有效補強面積</b></p><p><b>　　管箱多余金屬面積:</b></p><p><b>　　(5-19)</b></p><

122、;p><b>　　接管多余金屬面積:</b></p><p><b>　　(5-20)</b></p><p>　　補強區(qū)焊縫面積（焊腳取4.5mm）</p><p><b>　　有效補強面積: </b></p><p>　　由以上可知，不需另外的補強。</p>

123、;<p>　　第六章 其他輔助結(jié)構(gòu)及標準件的選用</p><p>　　6.1 接管法蘭及密封面形式</p><p>　　法蘭：選用帶頸平焊鋼制管法蘭</p><p><b>　　密封面類型：凸面</b></p><p><b>　　6.2 座的選擇</b></p><

124、;p>　　6.2.1 換熱器總質(zhì)量的計算</p><p>　　整個換熱器的總質(zhì)量=殼體圓筒質(zhì)量+兩個封頭質(zhì)量+短節(jié)質(zhì)量+水的質(zhì)量+煤油質(zhì)量+82根換熱管質(zhì)量+22個折流板質(zhì)量+管板質(zhì)量+法蘭質(zhì)量</p><p>　　殼體圓筒質(zhì)量：通過查壓力容器設(shè)計手冊可查的鋼板的理論每平米質(zhì)量為kg/m2;筒體的表面積:</p><p>　?。ǎ?

125、 (6-1)</p><p><b>　　則總質(zhì)量為:</b></p><p>　　(kg) (6-2)</p><p><b>　　封頭質(zhì)量：</b></p><p>　　短節(jié)質(zhì)量：通過查壓力容器設(shè)計手冊可查的鋼板的理論每平米質(zhì)量為k

126、g/;短節(jié)的表面積</p><p>　　（m2） (6-3)</p><p><b>　　則總質(zhì)量為:</b></p><p><b>　　(kg)</b></p><p><b>　　管板質(zhì)量：</b></p><p&g

127、t;<b>　　kg</b></p><p>　　折流板質(zhì)量：折流板的材料為16MnR，其密度為7.85t/m3；體積為 </p><p><b>　　則:</b></p><p><b>　?。╧g）</b></p><p><b>　　換熱管質(zhì)量：</b&

128、gt;</p><p><b>　?。╧g）</b></p><p><b>　　水的質(zhì)量：</b></p><p><b>　　（kg）</b></p><p><b>　　煤油的質(zhì)量：</b></p><p><b>

129、　　法蘭質(zhì)量：</b></p><p><b>　?。╧g）</b></p><p>　　所以換熱器總質(zhì)量大約為：</p><p><b>　　（kg）</b></p><p>　　則換熱器的總重量為:</p><p><b>　?。∟）</b&g

130、t;</p><p>　　6.2.2 鞍座的尺寸及結(jié)構(gòu)選擇</p><p>　　根據(jù)JB/T4712-1992中的規(guī)定選用BⅢ型鞍式支座就符合要求。</p><p>　　本設(shè)計鞍式支座未設(shè)墊板是由于鞍座在公稱直徑小于等于900mm時是否需要墊板必須滿足下列條件之一。</p><p>　　容器筒體的有效厚度小于或等于3mm；容器筒體鞍座處的周向