四管程固定管板式換熱器的設(shè)計,管程,固定,板式,換熱器,設(shè)計 第1章 工藝設(shè)計 2.1設(shè)計概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為冷卻器、加熱器、蒸發(fā)器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。 換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，例如動力工業(yè)中鍋爐設(shè)備的過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，電廠熱力系統(tǒng)中的凝氣器、除氧器、給水加熱器、冷水塔；冶金工業(yè)中高爐的熱風爐，煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣或煤氣預(yù)熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機或吸收式制冷機中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，都是換熱器的應(yīng)用實例。在化學工業(yè)和石油化學工業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器也有較多的應(yīng)用。在航天工業(yè)中，為了及時取出發(fā)動機及其輔助動力裝置在運行時所產(chǎn)生的大量熱量，換熱器也是不可缺少的重要部件。 在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%～20%，在煉油廠約占總費用35%～40%。換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。 2.2設(shè)計課題 設(shè)計一臺用飽和水蒸氣加熱水的固定管板換熱器，水流量為，水溫由加熱到。水蒸氣入口溫度，出口溫度。允許壓強降管程不高于0.8x，殼程不高于1.6x。 根據(jù)設(shè)計題目與介質(zhì)，選擇列管式固定管板換熱器，循環(huán)水走管程，水蒸氣走殼程。 2.3設(shè)計參數(shù)的確定 根據(jù)工藝條件查物性表可得： 水蒸氣的定性溫度 密度 汽化潛熱 黏度 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 循環(huán)水的定性溫度 密度 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 黏度 2.4初算換熱器的傳熱面積 2.4.1 換熱器的熱流量（忽略熱損失） 熱流量 （2-1） 由公式（2-1）計算得 2.4.2 水蒸氣的消耗量（忽略熱損失） 冷卻劑（加熱劑）用量 （2-2） 由公式（2-2）計算得水蒸氣的用量為 2.4.3平均傳熱溫差 根據(jù)工藝條件，選取逆向流向,先按單殼程單管程考慮,計算出平均溫度差。 （2-3） 式中， 由公式（2-3）算得 溫度校正系數(shù)，故平均溫度差 2.4.4計算傳熱面積 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)，由值初算所需傳熱面積。 傳熱面積 （2-4） 由式（2-4）得 2.5主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計算 2.5.1換熱管選擇 1、換熱管選用的鋼管，管內(nèi)流速取。 2、換熱管數(shù)量及長度的確定 管數(shù) 管長 根據(jù)GB151，標準傳熱管有1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。根據(jù)計算結(jié)果取傳熱管長。 則該換熱器的管程數(shù)為 （即為單管程） 所以傳熱管總根數(shù) 3、管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定 管子的排列方式采用正三角形排列；管子與管板的連接采用焊接法。 2.5.2計算殼體內(nèi)直徑 殼體內(nèi)徑 （2-5） 式中管中心距 橫過管束中心線的管數(shù) 根 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離 所以由式（2-5）得 按殼體直徑標準系列尺寸圓整，取 2.5.3畫出排管圖 根據(jù)殼體內(nèi)徑、管中心距、橫過管中心線的管數(shù)及其排列方式，繪出排管圖。由圖可見，中心排有11根管，按三角形排列，可排119根，除去6根拉桿位置，實際排出113根。與上述計算相符。因此實際管數(shù)取N=113根。 圖2-1 換熱管排布圖 2.5.4計算實際傳熱面積及過程的總傳熱系數(shù) 傳熱面積 （2-6） 由式（2-6）得 總傳熱系數(shù) （2-7） 由式（2-7）得 2.5.5折流板直徑數(shù)量及有關(guān)尺寸的確定 選取折流板與殼體 間的間隙為3mm,因此 折流板直徑 切去弓形高度 折流板數(shù)量 取折流板間距，那么塊 取整得 塊 實際折流板間距 2.5.6拉桿的直徑和數(shù)量與定居管的選定 選用鋼拉桿，數(shù)量6根，定距管采用鋼管。 2.6換熱器核算 2.6.1換熱器內(nèi)流體的壓力降 1、管程壓力降計算： （2-8） 串聯(lián)殼程數(shù)，管程數(shù)。對于換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為。換熱器為單程管。 由Re=16620，傳熱管絕對粗糙度0.02，查莫狄圖得。 則流體流經(jīng)直管段的壓力為 （2-9） 由式（2-9）得 故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 2、殼程壓力降計算 (2-10) 其中流體流經(jīng)管束的壓強降為 (2-11) 其中，管子排列方式對壓強降的校正因子，F(xiàn)=0.5 摩擦系數(shù) 故殼程壓力降在允許范圍內(nèi)。 2.6.2熱流量核算 總傳熱系數(shù) （2-12）管程給熱系數(shù) （2-13） 殼程給熱系數(shù) （2-14） 由式（2-13）得， 由式（2-14）得由式（2-12）算得 即 由于 ，在范圍之內(nèi)，所以本設(shè)計合理。 第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外對流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當。對常用的圓缺型擋板，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生“死區(qū)”，太大不利于傳熱，太小又增加流體阻力。 擋板的間距對殼程的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外對流傳熱系數(shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍。我國系列標準中采用的擋板間距為：固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7種；浮頭式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8種。 3.2 法蘭 換熱器設(shè)備常用的法蘭分為設(shè)備法蘭和管法蘭兩類。 設(shè)備法蘭標準有：甲型平焊法蘭，選用壓力范圍為 乙形平焊法蘭，選用壓力范圍為 長頸對焊法蘭，選用壓力范圍為 本設(shè)計選用甲型平焊法蘭，選用壓力范圍為。 甲型平焊法蘭只有法蘭環(huán)。一般采用鋼板制作，必要時也可以采用鍛件軋制，與圓筒體或封頭角焊連接。由于法蘭環(huán)與筒體或封頭連接的整體性差，即該法蘭的連接強度和剛度較小，因此只適用于溫度、壓力較低的場合。在現(xiàn)行的行業(yè)標準中，甲型平焊法蘭只有四個壓力等級（），公稱直徑的適用范圍也較?。ǎ?，所用工作溫度范圍為。 3.3換熱管 換熱管的規(guī)格包括管徑和管長。換熱管的直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些，但對于不潔凈或亦結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)該取得大些，以免堵塞。目前我國試行的系列標準規(guī)定采用Φ25×2.5和Φ19×2.5兩種規(guī)格，對于一般流體是適用的。此外還有Φ38×2.5，Φ57×2.5的無縫鋼管。本設(shè)計選用Φ25×2.5規(guī)格的換熱管。 我國生產(chǎn)的鋼管系列標準中管長有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管長合理截取。同時管長又應(yīng)與殼徑相適應(yīng)，一般管長與殼徑之比，即L/D為3～4.5。本設(shè)計選用3m的管長。 管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊管外流體湍流程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對亦結(jié)垢流體更為適用。本設(shè)計選用等邊三角形的排列方式。 3.4支座 化工壓力容器及設(shè)備都是通過支座固定在工藝流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大類：立式容器支座、臥式容器支座、球式容器支座。臥式容器支座又可分為鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最為廣泛。 鞍式支座的結(jié)構(gòu)特征： 1．鞍式支座標準分輕型（代號A）和重型（代號B）兩種。輕型用于滿足一般臥式容器使用要求；重型用以滿足臥式換熱器、盛裝液體重度大和L/D大的臥式容器使用要求。 2．根據(jù)安裝形式，鞍式支座分固定式（代號F）和滑動式（代號S）兩種。 3．鞍式支座適用于臥式容器直徑DN300～450（用無縫管件筒體）、300～4000（用卷制筒體）的范圍內(nèi)。 本設(shè)計選用鞍式支座。 3.5壓力容器選材原則 1、選用壓力容器材料時，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和介質(zhì)特征；材料的使用性能，如機械性能、物理性能和化學性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經(jīng)濟合理性能，如材料的價格、制造費用和使用壽命。 2.剛制壓力容器用鋼材應(yīng)按照國家標準《鋼制壓力容器》中所列材料選用，標準中規(guī)定設(shè)計壓力不大于35MPa，對于超出規(guī)定的，應(yīng)進行具體分析，并進行試驗，經(jīng)過研究以后決定。 3.鋼材的使用溫度不超過各鋼號許用應(yīng)力中所對應(yīng)的上限溫度。但要注意的是，碳素鋼和碳錳鋼在高于425溫度下長期使用時，應(yīng)考慮鋼中碳化物的石墨化傾向。奧氏體剛的使用溫度高于525℃時，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04％，對于≤-20℃的低溫容器材料用鋼，還應(yīng)進行夏比“V”型缺口沖擊試驗。 4.壓力容器非受壓元件用鋼必須有良好的可焊性。 5.在考慮壓力容器受壓元件有足夠強度的情況下，必須考慮他的韌性，以防止外加載荷作用下發(fā)生脆性破壞。 3.6墊片 設(shè)備墊片標準主要有： JB4704 非金屬軟墊片 JB4705 纏繞墊片 JB4706 金屬包墊片 一般情況下，非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。法蘭密封面形式為光滑密封面或凹凸密封面。纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭。 非金屬軟墊片厚度一般根據(jù)容器直徑選?。喝萜髦睆紻N≤450mm時，厚度δ=2mm；容器直徑DN〉4500mm時,厚度δ=3mm。金屬平墊片厚度一般為3～6mm。 墊片的選擇要綜合考慮操作介質(zhì)的性質(zhì)、操作壓力、操作溫度以及需要密封的程度；對墊片本身要考慮墊片性能，壓緊用的次數(shù)。對高溫高壓的情況一般多采用金屬墊片；中溫中壓可采用金屬和非金屬組合式或非金屬墊片；中低壓情況多采用非金屬墊片；高真空或深冷溫度下以采用金屬墊片為宜。 第4章 強度計算 4.1筒體壁厚計算 計算厚度 （4-1） 設(shè)計厚度 （4-2） 由工藝設(shè)計給定的設(shè)計溫度160，設(shè)計壓力==0.8，選擇卷制.材料在設(shè)計溫度下時的許用應(yīng)力=141Mpa（假設(shè)厚度為時），取焊縫系數(shù)=0.85,腐蝕裕度C2=2mm.則由式（4-1）和式（4-2）得： 計算厚度 設(shè)計厚度 對于Q245R，鋼板負偏差，根據(jù)鋼板厚度標準取名義厚度，。 4.2流體進、出口接管直徑 管徑 （4-3） 水蒸氣進出口接管：根據(jù)殼程介質(zhì)取=35m/s，那么由式（4-3）得， 經(jīng)圓整采用熱軋無縫鋼管(YB231-64)，實際變化進出口管內(nèi)流速 循環(huán)水進、出口接管：根據(jù)管程介質(zhì)取=1.5m/s，那么 經(jīng)圓整采用熱軋無縫鋼管，實際冷卻水進、出口管內(nèi)流速為 根據(jù)計算結(jié)果，殼體進出口接管選用熱軋無縫鋼管(YB231-64)，官箱進出口接管選用熱軋無縫鋼管。 4.3其他結(jié)構(gòu)尺寸 具體結(jié)構(gòu)尺寸從有關(guān)手冊所列標準中查取。 表4-1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 封頭名義厚度 12 mm 封頭厚度附加量 2 mm 兩封頭切線間距離 6050 mm 鞍座墊板名義厚度 0 mm 鞍座墊板有效厚度 0 mm 鞍座軸向?qū)挾? 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地腳螺栓個數(shù) 2 鞍座地腳螺栓公稱直徑 20 mm 鞍座軸線兩側(cè)的螺紋間距 330 mm 鞍座底板中心至封頭距離 150 mm 封頭曲面高度 150 mm 腹板與筋板（小端）組合截面積 9500 mm2 圓筒平均半徑 245 mm 物料充裝系數(shù) 0.85 4.4支座反力 圓筒質(zhì)量（兩曲線間） 封頭質(zhì)量（曲面部分） 容器容積（兩切線間） 封頭容積（曲面部分） 附件質(zhì)量 進出口接管質(zhì)量 換熱管質(zhì)量 拉桿質(zhì)量 法蘭質(zhì)量 所以附件質(zhì)量 容器總質(zhì)量 容器內(nèi)充液質(zhì)量 支座反力 4.5筒體彎矩 4.5.1圓筒中間處截面上的彎矩 （4-4） 由式(4-4)得 4.5.2支座處橫截面間彎距 （4-5） 由式（4-5）得 4.6系數(shù)計算 表4-2 系數(shù)計算表 4.7筒體軸向應(yīng)力 4.7.1軸向應(yīng)力 （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） 由式（4-6）、（4-7）、（4-8）、（4-9）可得， 4.7.2應(yīng)力校核 1、許用壓縮應(yīng)力 根據(jù)圓筒材料查圖和圖得到 < 合格 < 合格 < 合格 2、封頭、圓筒應(yīng)力校核 因為 圓筒中 封頭中 封頭 圓筒 封頭 圓筒 < 合格 封頭 < 合格 4.8鞍座處圓筒周向應(yīng)力 圓周的有效寬度 在橫截面最低處 在鞍座邊角處 應(yīng)力校核 < 合格 < 合格 4.9鞍座應(yīng)力 1、水平分力 2、腹板水平分力 計算高度 鞍座腹板厚度 腹板水平應(yīng)力 應(yīng)力判斷 < 合格 第5章 設(shè)計結(jié)果匯總 表5-1 設(shè)計結(jié)果匯總 圓筒材料 Q245 圓筒內(nèi)徑 1100 mm 換熱管規(guī)格 Φ25mm×2.5mm 換熱管長度 3 m 管程數(shù) 4 根 折流擋板個數(shù) 19 個 拉桿規(guī)格 Φ12mm 封頭材料 Q245 封頭名義厚度 12 mm 封頭厚度附加量 2 mm 兩封頭切線間距離 6050 mm 鞍座墊板名義厚度 0 mm 鞍座墊板有效厚度 0 mm 鞍座軸向?qū)挾? 40 mm 鞍座高度 200 mm 鞍座包角 120 鞍座地腳螺栓個數(shù) 2 個 鞍座地腳螺栓公稱直徑 20 mm 鞍座軸線兩側(cè)的螺紋間距 330 mm 鞍座底板中心至封頭距離 150 mm 管程設(shè)計溫度 160 ℃ 管程設(shè)計溫度 260 ℃ 管程設(shè)計壓力 0.8 （MPa） 殼程設(shè)計壓力 1.6 （MPa） 參考文獻 [1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計 [M] .北京：化學工業(yè)出版社,2010. 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