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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)
題 目： 36萬噸滑油系統(tǒng)浮頭式換熱器
學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院
指導(dǎo)教師：
職 稱：
班 級：
學(xué) 號：
學(xué)生姓名：
20 年5月28日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
題 目： 36萬噸滑油系統(tǒng)浮頭式換熱器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求：
一、 已知設(shè)計(jì)參數(shù)；
滑油流量50 /h，進(jìn)口溫度45，出口溫度40，冷卻水流量54/h，進(jìn)口溫度33，管程殼程操作壓力為0.435MPa。
冷凝器類型 浮頭式
二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)工作量要求：
（1）按所給設(shè)計(jì)參數(shù)完成的浮頭式冷凝器的施工圖設(shè)計(jì)；
（2）繪制設(shè)計(jì)圖紙總計(jì)3張零號以上，其中要求手工繪圖1張壹號以上；
（3）設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)不少于1.5萬字，并要求統(tǒng)一用A4紙打??；
（4）翻譯3千左右漢字量的與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的英文資料；
（5）撰寫相當(dāng)于3百漢字的英文摘要。
三、主要參考資料：
《 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書（換熱器）》
GB150-1998《鋼制壓力容器》
GB151-1999《管殼式換熱器》
指導(dǎo)教師： 年 月 日
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36萬噸滑油系統(tǒng)浮頭式換熱器設(shè)計(jì)
[摘要]： 換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)以滿足工藝過程上的需要。浮頭式換熱器是應(yīng)用最廣泛的管殼式換熱器中的一種.浮頭式換熱器的兩管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。該設(shè)計(jì)的浮頭式換熱器主要參照GB151在給定的設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)然后對筒體、管束、浮頭端，進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核對于換熱器的一些零部件則根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)查找標(biāo)準(zhǔn)。各設(shè)計(jì)步驟以及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在說明書中都將說明
[關(guān)鍵字] : 管板 浮頭 浮動管板 鉤圈
The design of Floating-head heat exchanger
[Abstract]: The main function of heat exchanger is to heat the fluid by the high temperature transfer fluid to a lower temperature, so that the fluid temperature reaches the target set to meet the needs of the process. Floating head heat exchanger is one kind of the most widely used shell and tube heat exchanger floating head heat exchanger has two platets , only one plate fixed in the shell and the other plate can move freely comparate to shell, as the floating head. Floating head consist of floating tube sheet , hook ring and floating head cover, is removable connection, control can be extracted from the shell . Control of thermal deformation and the shell are not binding and therefore does not produce thermal stress. The design of the floating head heat exchanger major reference GB151, first make process design in a given design conditions and then on the cylinder, tube, floating head end, a detailed mechanical structural design, calculation and check .for heat exchanger parts find the standard accordance with design parameters. The design steps and design criteria in the brochure will explain.
[Key words] : tube sheet floating head f loating tube sheet hook ring
目 錄
1 概述 ……………………………………………………………（1）
1．1 換熱設(shè)備在工業(yè)中的應(yīng)用…………………………（1）
1．2 換熱設(shè)備的分類……………………………………（1）
1．3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀…………………………………（3）
1．4設(shè)計(jì)方案……………………………………………（3）
2 浮頭換熱器工藝設(shè)計(jì)…………………………………………（5）
2．1 設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝條件………………………………（5）
2．2 確定設(shè)計(jì)方案………………………………………（5）
2．3 確定物性參數(shù)………………………………………（6）
2．4 估算換熱面積………………………………………（8）
2．5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸………………………………………（9）
2．6 換熱器核算………………………………………（13）
3 浮頭換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)………………………………………（24）
3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………（24）
3． 2 管箱和圓筒……………………………………（26）
3．3 分程隔板…………………………………………（27）
3．4 換熱管……………………………………………（28）
3．5 接管………………………………………………（28）
3．6 浮頭管板及鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………（30）
3．7 管法蘭……………………………………………（32）
3．8 布管限定圓………………………………………（33）
3．9 拉桿的直徑、數(shù)量和尺寸………………………（34）
3．10 折流板和支持板………………………………（36）
3．11 防沖板或?qū)Я魍病?0）
3．12 支座……………………………………………（40）
3．13 外頭蓋側(cè)法蘭…………………………………（42）
3．14 管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭 ………………（43）
3．15 固定端管板……………………………………（44）
3．16 排氣和排液管……………………………………(44)
3．17 防短路結(jié)構(gòu)………………………………………(44)
3．18 連接………………………………………………(46)
4 換熱器的強(qiáng)度校核……………………………………………（48）
4．1 筒體壁厚校核 ……………………………………（48）
4．2 外頭蓋短節(jié)和封頭厚度校核 ……………………（49）
4．3 管箱短節(jié)和封頭厚度校核………………………（51）
4．4 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 ………………………（51）
4．5 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 ………………………（52）
4. 6 固定管板的校核 ………………………………（54）
4．7 浮頭管板及鉤圈校核 …………………………（56）
4．8 無折邊球封頭計(jì)算 ……………………………（58）
4．9 浮頭法蘭計(jì)算 …………………………………（58）
4參考文獻(xiàn)………………………………………………………（61）
5 翻譯…………………………………………………………（62）
6 結(jié)束語………………………………………………………（78）
第80頁 共78頁
1 概述
1．1 換熱設(shè)備在工業(yè)中的應(yīng)用
在煉油、化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進(jìn)行需要一定的設(shè)備來完成，這些使傳熱過程得以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備就稱之為換熱設(shè)備。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煉油廠中換熱設(shè)備的投資占全部工藝設(shè)備總投資的35％～40％,因?yàn)榻^大部分的化學(xué)反應(yīng)或傳質(zhì)傳熱過程都與熱量的變化密切相關(guān)，如反應(yīng)過程中：有的要放熱、有的要吸熱、要維持反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，就必須排除多余的熱量或補(bǔ)充所需的熱量。工藝過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用，以降低成本。
綜上所述，換熱設(shè)備是煉油、化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備。換熱設(shè)備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應(yīng)用。
1．2 換熱設(shè)備的分類
1.2.1 按作用原理或傳熱方式可分為：
（1）直接接觸式
（2）蓄熱式
（3）間壁式
（4）中間載體式換熱器
1.2.1.1 直接接觸式換熱器，如下圖所示熱流體
冷流體
熱流體
冷流體
圖1.1
其傳熱的效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間。
蓄熱式換熱器，如下圖所示 冷流體
冷流體
熱流體
熱流體
圖1.2
其適用于溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度被動大。
1.2.1.3 間壁式換熱器，又稱表面式換熱器
利用間壁進(jìn)行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。
1.2.2 按其工藝用途可分為：冷卻器（cooler）、冷凝器（condenser）、加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）、蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）、再沸器（reboiler） 、廢熱鍋爐（waste heat boiler） 。
1.2.3 按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。
1．3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
上個世紀(jì)70年代初發(fā)生世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。因此，幾十年來，高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題，國內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器。
近年來，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進(jìn)行研究，使我國換熱器技術(shù)從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。
1．4設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)為浮頭式換熱器，屬于管殼式換熱器的一種。管殼式換熱器具有可靠性高、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中的到最為廣泛的應(yīng)用。近年來受到其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化的今天，管殼式換熱器仍占主要地位。
該設(shè)計(jì)參考的前提是常減壓裝置中的工藝條件，根據(jù)裝置工藝條件選擇具體的流量、溫度、壓力等參數(shù)。浮頭式換熱器的主要特點(diǎn)是管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。管束可以在其筒體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，制造安裝要求高?！?
浮頭式換熱器是由管箱、筒體、管板、封頭、折流板、換熱管等零部件組成，根據(jù)換熱管材料、尺寸、管數(shù)、管程壓力、管壁溫度、管程數(shù)以及殼體材料、內(nèi)徑、厚度、殼程壓力、溫度等條件下確定管板的厚度、折流板的形狀、尺寸與數(shù)量、折流板的布置情況和確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)已知的工作狀況，選定換熱器所在的化工工藝過程，從而根據(jù)工藝條件，以確定換熱器內(nèi)介質(zhì)的物性參數(shù)；根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合已知條件，進(jìn)一步計(jì)算換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后進(jìn)行換熱器核算。
2 浮頭換熱器工藝設(shè)計(jì)
2．1 設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝條件
一、已知設(shè)計(jì)參數(shù):
滑油（己烷）流量50m3/h， 進(jìn)口溫度45℃,出口溫度40℃,冷卻水流量54m3/h,進(jìn)口溫度33℃，管程殼程操作壓力為0.45MPa。
二、換熱器類型 浮頭式
2．2 確定設(shè)計(jì)方案
2.2.1 選擇換熱器
按要求使用浮頭式換熱器。
2.2.2 流程安排
如下圖所示，由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若流速太慢將會加快污垢增長速度，使換熱器的流量下降，所以綜合考慮，使水走管程，滑油走殼程，且選擇逆流的形式。
圖2.1
2．3 確定物性參數(shù)
2.3.1 計(jì)算冷卻水出口溫度
熱流量 =qvρ△=876×1.955×50×(45-40)=428145kJ/h
其中，——定壓比熱容 kJ·kg-1·K-1
qm ——質(zhì)量流量 kg·h-1
ρ ——流體的密度 kg·m3
假設(shè)冷卻水出口溫度為35℃
管程流體的定性溫度為
t=（33＋35）/2=34℃
循環(huán)冷卻水在35℃的物性參數(shù)：
密度 ρ=994.3 kg/
定壓比熱容 cp=4.174 kJ/(kg·K)
冷卻水的溫差 △=/·m=428145/(4.174×54×994.3)=2(℃)
故假設(shè)基本合理，由管式換熱器設(shè)計(jì)中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值取傳熱系數(shù)K=510W/(㎡·K)
2.3.2 確定定性參數(shù)
對于一般滑油和水等低粘度流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值，故殼程滑油的定性溫度為
T=（45＋50）/2=42.5 ℃
管程流體的定性溫度為（即冷卻水的溫度）
t=（33＋40）/2＝36.5 ℃
根據(jù)定性溫度分別查取管程和殼程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，可知：
滑油在42.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下
密度 ＝876kg/
定壓比熱容 =1.955 kJ/(kg·K)
熱導(dǎo)率 =0.144W/(m·K)
粘度 =0.21pa·s
循環(huán)冷卻水在34℃的物性數(shù)據(jù)：
密度 ＝994.3kg/
定壓比熱容 =4.174kJ/(kg·K)
熱導(dǎo)率 =0.624 W/(m·K)
粘度 =0.742×Pa·s
2．4 估算換熱面積
2.4.1 熱流量
=ρ=876×1.955×50×(50-45)=428145kJ/h=119kw 2.4.2 平均傳熱溫差
先按純流體計(jì)算，由于△/△t2=(45-35)/(40-33)=10/7<2，故
Δtm=(Δt1+Δt2)/2=(10+7)/2=8.5K
2.4.3 換熱面積
已知由經(jīng)驗(yàn)取K=510W/(㎡·K)，則
=/(K·△)=428145/(510×8.5)=27.5㎡
2．5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸
2.5.1 管徑和管內(nèi)流速
選用19×2較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速 =1.3m/s。2.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)
根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：
＝V/(··u)=54/3600/(0.785××1.3)＝65.3 根
按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長度為
L＝/＝27.7/3.14×0.015×65= 9.04 m
若按四管程設(shè)計(jì)，則傳熱管長度適中，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取管長L=2.25 m，傳熱管總根數(shù)：=65×4＝260 根
2.5.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)
由于該換熱器采用了多殼程，流體流經(jīng)兩次或多次折流后再流出換熱器，這使換熱器內(nèi)流體流動的形式偏離純粹的逆流和并流，因而使平均溫度差的計(jì)算更為復(fù)雜。對于錯流或復(fù)雜流動的平均溫差，常采用安德伍德（Underwood）和鮑曼（Bowman）提出的圖算法。該法是先按逆流計(jì)算對數(shù)溫差Δtm，再乘以考慮流動形式的溫差修正系數(shù)，得到平均溫度，如下
R= ( -) / ( -) = (45-40) / (35-33)=2.5
P= ( -) / (-) = (35-33)/(45-33)=0.227
式中 R——熱流體的溫降/冷流體的溫升
P——冷流體的升溫/兩流體最初溫差
、——熱流體進(jìn)、出口溫度，℃
、——冷流體進(jìn)、出口溫度，℃
按四管程，單殼程結(jié)構(gòu)，查圓筒和管子幾何參數(shù)計(jì)算圖（如下）得：
圖2.2
＝0.96
故，平均傳熱溫差：
=·Δtm=0.96×8.5=8.08℃
由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，故采取單殼程合適。
2.5.4 傳熱管排列和分程方法
由于換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑, 故采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采取正方形排列，如左圖所示。
取換熱管中心距t=1.25，則分程隔板兩側(cè)相
鄰管中心距：
d0=19mm，t=1.25d0=1.25×19=23.75mm，按常用換熱管中心距取 t=25mm
分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距：如下圖所示
表2.1
故有：
換熱器外徑d/mm
19
換熱器中心距S/mm
25
分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn/mm
38
表2.2
2.5.5 殼體內(nèi)徑
該換熱器采用四管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下式
D= 1.05t
式中 t—管心距，mm
N—傳熱管的總根數(shù)，
——傳熱管外徑，mm
η――管板利用率
取η=0.6，得
D＝1.05×25=546mm，
按卷制殼體的進(jìn)級檔，可取D=600mm。
2．6 換熱器核算
2．6．1熱流量核算
2.6.1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
當(dāng)量直徑：
=4[(/2)×-0.785×]/(3.14×0.019)=0.017（m）
殼程流通截面積：
=BD(1-/t)=0.18×0.6(1-0.019/0.025)=0.0259（㎡）
殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為：
=/=50÷3600/0.0259=0.54m/s
=/=0.015×0.54×876/0.21=33.79
普蘭特?cái)?shù)：
＝/＝1955×0.21/0.144=2851
由于
＝2851×33.79×0.015/2.25﹥10
=33.79﹤2300，此時，殼體流體為層流
所以，由Nu=
故選用公式
粘度校正≈1
=1.86×(2851×33.79×0.015/2.25×=83W/(㎡·℃)
2.6.1.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
可首先假設(shè)管內(nèi)冷卻水為湍流流動，根據(jù)式Nu=0.023，
=
由化工原理知：自來水被加熱，n取0.4，
管程流體流通截面積
=(π/4)·d2·ns=0.785××=0.012㎡
管程流體流速：
=54÷3600/0.012=1.25m/s
Re=＝25125>10000
故假設(shè)成立，此時
普蘭特?cái)?shù) ＝=4.96
代入數(shù)值：
=0.023× ×(25125×=6013 W/(㎡·℃)
2.6.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻
按《管殼式熱交換器設(shè)計(jì)手冊GB151》表F7.1，可取
管外側(cè)污垢熱阻 =0.000176㎡·K/W
管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 =0.0006㎡·K/W
管壁熱阻按式=
式中 b――傳熱管厚度，m；
――管壁熱導(dǎo)率，m·K/W
碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m·K)，所以
＝＝0.00004㎡·K/W
2.6.1.4 傳熱系數(shù)K
依式K= ，則 K=
=514w/m2·℃
2.6.1.5 傳熱面積裕度
依式有
=＝27.45㎡
改換熱器的實(shí)際傳熱面積
＝＝3.14×0.019×2.25×260=34.9㎡
該還熱器的面積裕度按式計(jì)算有
H=≈27.14﹪，因面積裕度大于15％～20％，故傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。
2．6．2 壁溫的核算
因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按式計(jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度39℃計(jì)算傳熱管壁溫。
另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管的壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零來計(jì)算傳熱管壁溫。于是，按式
式中 ――熱流體的平均溫度，℃
——熱流體側(cè)的管壁溫度，℃
——冷流體的平均溫度，℃
——冷流體側(cè)的管壁溫度，℃
——熱流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)
——冷流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)
式中液體的平均溫度分別按
＝
式中 ——熱流體進(jìn)口溫度，℃
——熱流體出口溫度，℃
——冷流體進(jìn)口溫度，℃
——冷流體出口溫度，℃
代入數(shù)據(jù)得： ＝34℃
=42.5℃
==6013 W/(㎡·K)
==83W/(㎡·K)
傳熱管得平均壁溫
t==34.1℃
殼體壁溫，可近似取為殼程流體得平均溫度即
T=42.5℃
殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為t=42.5-34.1=8.4℃
該溫差較小，實(shí)際上可不用浮頭式，按題目要求使用浮頭式。
2．6．3 換熱器內(nèi)流體流動阻力的核算
2.6.3.1 管程流體阻力
依式
式中 ——管程總阻力；
——單程直管阻力；
——局部阻力；
——?dú)こ虜?shù)；
——管程數(shù)
——管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，可近似取1.5。
=1， =4
由＝25125，傳熱管的相對粗糙度=＝0.013，查化工原理莫狄圖，得：摩擦因素＝0.04，流體速度u=1.25m/s，＝994.3kg/ ，局部阻力系數(shù)ε=3.0，所以
==0.04×=4660
===2330
=(4660+2330) ×1×4×1.5=41944
此管程阻力在允許范圍內(nèi)。
2.6.3.2 殼程阻力
按式計(jì)算，由Ns=1，=1.15得：
流體流經(jīng)管束得阻力
由于管束采用正三角形，所以，有：
F=0.5， Re=25125
f0=0.5×Re-0.228=0.233
NTC=1.1NT0.5=1.1×2600.5=17.7
=11 （即折流板數(shù)）,
NT =260（即傳熱管的總根數(shù)）
＝0.54m/s
Po=0.5×0.233×17.7× (11+1) ×=7197 Pa
流體流過折流板缺口得阻力
，
B=0.18m D=0.6m
=11× (3.5-) ×=9279 Pa
總阻力：
＝9279＋7197＝16475 Pa
殼程流體的阻力比較適宜。
小結(jié)
換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果，見如下表：
參數(shù)
管程
殼程
流率/（/h）
54
50
進(jìn)出口溫度/℃
33℃/35℃
45℃/ 40℃
壓力/MPa
0.5
0.5
定性溫度/℃
34
42.5
密度/(kg/)
994.3
876
定壓比熱容/[kj/(kg·k) ]
4.174
1.955
粘度/(pa·s)
0.742*
0.21
導(dǎo)熱率/[W/(m·k)]
0.624
0.144
普蘭特?cái)?shù)
4.96
3665
形 式
浮頭式
臺數(shù)
1
殼體內(nèi)徑/mm
600
殼程數(shù)
1
管徑/mm
19
管子排列/mm
△
管長/mm
2250
折流板/個
11
管數(shù)目/根
260
折流板間距
180
傳熱面積/㎡
34.9
材質(zhì)
碳鋼
管程數(shù)
4
管心距/mm
25
主要計(jì)算結(jié)果
管程
殼程
流速/(m/s)
1.3
0.54
表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(㎡·K)]
154
6013
污垢熱阻/(㎡·K/W)
0.0006
0.000176
阻力/MPa
0.041944
0.007197
熱流量/KW
119
傳熱溫差/K
8.42
傳熱系數(shù)/[W/(㎡·K)]
73.7
裕度/％
82.6
3 浮頭換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)
3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1 橢圓形封頭
由于此換熱器的設(shè)計(jì)壓力p≤1.6MPa，使用溫度小于350℃，故封頭材料可選用Q235-B， 封頭的結(jié)構(gòu)形式常采用橢圓形，查JB/T4737-95，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，且由GB150-1998 即下表，取其厚度為8mm，
表3.1
其結(jié)構(gòu)形式如下圖：
圖3.1
公稱直徑
DN/mm
曲面高度
h1/mm
直邊高度
h2/mm
碳鋼厚度
δ/mm
內(nèi)表面積
A/m2
容積
V/m3
600
150
25
8
0.4374
0.0353
表3.2
凸形封頭:
公稱直徑DN/mm
曲面高度h1/mm
直邊高度
h2/mm
碳鋼厚度
δ/mm
內(nèi)表面積
A/m2
容積
V/m3
700
175
25
8
0.548
0.0442
表3.3
3． 2 管箱和圓筒
由于筒體的直徑D=600mm，即500mm<=DN<=800mm，故選用封頭管箱。 查取標(biāo)準(zhǔn)GB151-99可知，管箱短節(jié)與圓筒的最小厚度均為8mm，管箱的最小長度計(jì)算: （按B形管箱,流通面積計(jì)算）
Sp－封頭厚度，mm
－封頭直邊段高度，mm
Ncp－各程平均管數(shù)，
E－各相鄰管程間分程處，物料流通的最小寬度，mm
查取E=600mm，則
=52 mm
按相鄰焊縫間的距離計(jì)算
(無接管補(bǔ)強(qiáng)時4S，且50)
－接管位置尺寸，mm
－接管至殼體與封頭連接焊縫距離，mm
－封頭高度，mm
－接管內(nèi)徑，mm
算得 387mm
取，中較大值
3．3 分程隔板
3.3.1 分程隔板的厚度
表3.2
公稱直徑
DN/mm
隔板最小厚度/mm
碳素鋼
600
8
3.3.2 分程隔板槽
1）分程隔板槽的寬度為：碳鋼12mm，
2）分程隔板槽拐角處的倒角一般為450，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R，見圖
圖3.2
3．4 換熱管
換熱管尺寸及偏差
表3.4
材料
鋼管標(biāo)準(zhǔn)
外徑×壁厚
外徑偏差
壁厚偏差
碳素鋼
GB8163-87
19×2
±0.20
±0.20
3．5 接管
3.5.1 接管基本要求
a）接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；
b）接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置；
3.5.2 接管尺寸
已知?dú)こ塘黧w的流速為 0.6 m/s，則
＝＝178（mm）
同理，管程流體的流速為2m/s，則
= =94（mm）
接管高度確定 查取標(biāo)準(zhǔn)=200ｍｍ
殼程接管位置的最小尺寸：(如下圖)
> /2+(b-4)+c=219/2+(30-4)+50=185.5mm
圖3.3
管箱接管的最小尺寸：（如下圖）
> /2++c=108/2+105+50=209ｍｍ
圖3.4
其中，圖中 DH— 補(bǔ)強(qiáng)圈外徑
dh — 接管外徑
C≥4S，且C≥30mm
S — 壁厚
b — 管板厚度
3．6 浮頭管板及鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.6.1 浮頭管板及鉤圈法蘭尺寸
由于換熱器內(nèi)徑已確定，故采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑?jīng)Q定浮頭管排列外徑及結(jié)構(gòu)尺寸。
浮頭管板外徑 =-2b=600-2×3=594mm
由GB151表14、15知：浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙，取=3mm，
墊片寬度，取=12mm
浮頭管板密封面寬度，取=+1.5=13.5mm
浮頭法蘭和鉤圈外直徑=+80=680mm
浮頭法蘭和鉤圈內(nèi)直徑= -2()600-2(3+12)=570mm
外頭蓋內(nèi)徑, mm
螺栓中心圓直徑, =(594+680)/2=637mm
3.6.2 浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)
圖3.5
1一 外頭蓋側(cè)法蘭，2 一 外頭蓋墊片，3一外頭蓋法蘭 ，4-鉤圈
6一 排氣口或放液口；7一 浮頭法蘭 , 8一 雙頭級柱．9 - 螺母，10一封頭．
11-球冠形封頭 12一分程隔板;13-墊片。14一浮動管板。15-檔管,16一換熱管
3．7 管法蘭
按標(biāo)準(zhǔn)GB/T9113.1-2000，則有如下圖：
表3.5
滑油進(jìn)出口
自來水進(jìn)出口
管子直徑/mm
219
108
法蘭內(nèi)徑/mm
221
110
螺栓孔中心圓直徑/mm
280
170
公稱直徑/mm
200
100
螺栓孔直徑/mm
22
22
螺栓孔數(shù)量n
8
8
法蘭外徑/mm
340
210
法蘭厚度/mm
24
18
密封面d
254
144
密封面f
2
2
螺紋規(guī)格
M16
M16
其結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3.6
3．8 布管限定圓
3.8.1 尺寸
表3.6
換熱器型式
/mm
/mm
布管限定圓直徑/mm
固定管板式
600
8
584
3.8.2 結(jié)構(gòu)
圖3.7 3．9 拉桿的直徑、數(shù)量和尺寸
3.9.1 拉桿的結(jié)構(gòu)
由于換熱管的直徑為19mm，常采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)，如下：
圖3.8
3.9.2拉桿的尺寸
圖3.9
表3.7
拉桿螺紋公稱直徑/mm
數(shù)量
基本尺寸
拉桿直徑d/mm
/mm
/mm
/mm
12
4
12
15
≥50
2.0
3.9.3 拉桿孔
圖3.10
3.9.4 拉桿的布置
拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于3個支承點(diǎn)。
3.9.5 其他
拉桿數(shù)量與直徑表查取，本換熱器殼體內(nèi)徑為600mm，故其拉桿直徑為φ12拉桿。
3．10 折流板和支持板
3.10.1 折流板
該換熱器采用單弓形折流板，其流動方式和結(jié)構(gòu)形式如下：
圖3.11
圖3.12
弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑得25％，則切去得圓缺高度為
H=0.25×600=150mm
折流板間距B，最小的距離為殼體直徑的1/3—1/2，且不應(yīng)小于50mm，取B=0.3D，則
B=0.3×600=180mm
折流板數(shù)：
=傳熱管長/折流板間距-1=2250/180-1=11.5≈11塊
由殼體的公稱直徑DN=600mm，選取換熱管無支撐跨距300mm，查換熱器設(shè)計(jì)手冊表1-6-26知：
折流板或支撐板的最小厚度為4mm，取折流板的厚度為6mm。
折流板名義外直徑=DN4.5=595.5mm，
折流板外直徑允許偏差
由于此換熱器的殼程為單相潔凈流體，折流板缺口應(yīng)水平上下布置，如下圖所示：
圖3.13
折流板圓缺面水平裝配
數(shù)量不得少于4個。
3.10.2 支撐板
一般換熱管無支撐跨距小于最大跨距，所以無需設(shè)置支撐板，但由于浮頭式換熱器需設(shè)置支持板，此支持板可采用加厚的環(huán)板。
3.10.3 折流板的布置
一般因使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接管，其余折流板等距
離布置，靠近管板的折流板與管板間的距離如圖所示：
圖3.14
其尺寸按下式計(jì)算
式中 =
dH—接管外徑
c=4S，S為壁厚
所以，C=50mm，無防沖板時，可取防沖板長度 =
可算出 +c=185.5mm
所以 =(185.5+219/2)- (36-4)=263mm
折流板切口尺寸 h=0.2×600=120mm
3．11 防沖板或?qū)Я魍?
因?yàn)樗畊<=3.0m/s，滑油（己烷）： ，所以，管程和殼程都不設(shè)防沖板或?qū)Я魍病?
3．12 支座
由鞍座材料Q235-B查JB/T 4712-92，選取B型鞍式支座，其結(jié)構(gòu)及尺寸如下：
圖3.15
圖3.16
表3.8
公稱直DN/mm
允許載荷Q/KN
鞍座高度h/mm
底板/mm
腹板δ2/mm
600
165
200
550
150
10
8
筋板/mm
墊板/mm
螺栓間距
弧長
e
300
120
8
710
200
6
36
400
3．13 外頭蓋側(cè)法蘭
依工藝條件、殼側(cè)壓力、溫度及公稱直徑DN=700mm，按JB4703-92長頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取，并確定各部分尺寸，并畫出結(jié)構(gòu)草圖及尺寸如下：
圖3.17
表3.9
公稱直徑DN/mm
D/mm
700
840
800
765
755
752
50
105
25
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
M20
32
17
14
12
22
12
23
3．14 管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭
依工藝條件，管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力的最大值，以及設(shè)計(jì)溫度和公稱直徑DN=600mm，按JB4703-92長頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取，并確定各部分尺寸，并畫出結(jié)構(gòu)草圖，如下圖所示：
表3.10
公稱直徑DN/mm
D/mm
600
740
700
665
655
652
44
105
25
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
M20
28
17
14
12
22
12
23
圖3.18
3．15 固定端管板
依據(jù)所用的管法蘭管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸,確定固定端最大外徑為D=638mm。
3．16 排氣和排液管
排氣口和排液口直徑不小于15mm，設(shè)置的位置分別在殼體中的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。由于采用了四管程結(jié)構(gòu)，所以設(shè)置應(yīng)有一定的偏離。排氣、排液接管的端部必須與殼體或接管內(nèi)壁平齊。
圖3.19
3．17 防短路結(jié)構(gòu)
3.17.1 旁路擋板 如下圖：
表3.11
可知：旁路擋板應(yīng)要2對，其厚度與折流板的厚度相同。其結(jié)構(gòu)如下：
圖3.20
3.17.2 擋管
擋管為兩端堵死的換熱管，設(shè)置于分程隔板槽背面兩管板之間，擋管與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板點(diǎn)焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。
擋管應(yīng)每隔3-4排換熱管設(shè)置一根，但不應(yīng)設(shè)置在折流板缺口處。擋管伸出第一塊及最后一塊折流板或支持板的長度應(yīng)不大于50mm,擋管應(yīng)與任意一塊折流板焊接固定。
圖3.21
3．18 連接
3.18.1 換熱管與管板的連接
因無較大震動和間隙可采用強(qiáng)度焊接，且管板與換熱管采用焊接連接時，管板的最小厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求，且不小于12mm。
如下圖：
圖3.22
表3.12
換熱管規(guī)格：
外徑壁厚/mm
換熱管最小伸出長度
最小坡口深度
l2/mm
l1/mm
192
1.5
2
3.18.2 管板與殼體、管箱的連接如下所示：
圖3.23
其中，δ=28mm
4 換熱器的強(qiáng)度校核
4．1 筒體壁厚校核
由工藝設(shè)計(jì)給定溫度42.5℃，設(shè)計(jì)壓力0.5MPa，選用低合金鋼板Q235-B卷制，此材料42.5℃時的允許應(yīng)力=113MPa，取焊縫系數(shù)φ=1.0，腐蝕裕度=1mm，則
計(jì)算厚度 ==1.33mm
設(shè)計(jì)厚度 =1.33+1=2.33mm
名義厚度 =2.33+1=3.33mm，圓整后，取=4mm
有效厚度 =4-1-1=2mm
水壓試驗(yàn)應(yīng)力 =1.25×0.5×1=0.5625MPa
所選材料的屈服應(yīng)力 =235 MPa
水壓試驗(yàn)校核==85.2 MPa
因?yàn)?.9=0.9×325×1=292.5 MPa，σT=85.2 MPa<292.5，則水壓強(qiáng)度滿足要求。
由于介質(zhì)非易燃和毒性程度為非極度，且允許由微量泄漏，所以不需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。
4．2 外頭蓋短節(jié)和封頭厚度校核
外頭蓋內(nèi)徑=700mm，其余條件，參數(shù)同筒體。
短節(jié)計(jì)算壁厚 ＝=1.55mm
短節(jié)設(shè)計(jì)厚度 ＝1.55+1=2.55mm
短節(jié)名義厚度 =2.55+1=3.55，圓整后，取=6mm, =1.1
滿足要求。
有效厚度 =6-1-1 =4
壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核
==49.5MPa
則σT <0.9=0.9×325×1=292.5 MPa
故，壓力實(shí)驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。
由前述可知：外頭蓋封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，
封頭計(jì)算厚度
S=＝=1.55mm
封頭設(shè)計(jì)厚度 ＝1.55+1=2.55mm
封頭名義厚度 =2.55+1=3.55，圓整后，取=8mm, =1mm，滿足要求。
有效厚度 =8-1-1=6mm
壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核
= =33.09 MPa
則σT<0.9=0.9*325*1=292.5 (MPa)
壓力實(shí)驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。
4．3 管箱短節(jié)和封頭厚度校核
由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)溫度34℃,設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa，選用Q235-B鋼板，材料許用應(yīng)力=113 MPa，屈服強(qiáng)度=235 MPa,取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2mm，
計(jì)算厚度 ==1.55mm
設(shè)計(jì)厚度 =1.55+2=3.55mm
名義厚度 =3.55+1=4.55mm，圓整后，結(jié)合考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要取 =8mm，
有效厚度 =8-2-1=5 mm
壓力實(shí)驗(yàn)在這種條件下一定滿足，管箱封頭取用強(qiáng)度在這種條件下一定滿足。
4．4 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核
開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，由工藝設(shè)定的接管外徑為φ108 ×5mm，考慮到實(shí)際情況選用20號熱軋?zhí)妓劁摴?130MPa, =1mm。
接管計(jì)算壁厚 ＝=0.21mm
接管有效厚度 ＝5-1-1=3 mm
開孔直徑 d=+2C=108-2×5+2×2=102 mm
接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 B=2d=2×102=204mm
接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 ==22.6 mm
需要補(bǔ)強(qiáng)面積 A=d·S=102×1.55=158.1（此處S為管箱的厚度）
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為
=(B-d) ·( )=(204-102) ×(5-1.55)=351.9 mm2
=2×22.6×(3-0.21) ×130/170=96.44mm2
此處，A1—?dú)んw多余金屬面積
A2—接管多余金屬面積
則，+=351.9+96.44=448.34＞=A=187.7mm2，故，該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠,不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈。
4．5 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核
同理，開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，由工藝設(shè)計(jì)給定的接管厚度為φ219×10，考慮實(shí)際情況選取20號熱扎鋼管φ219×10, =137MPa, =1mm， 取C1=1.5mm。
接管計(jì)算壁厚 ==0.4mm
接管有效厚度 ==10-1-1.5=7.5mm
開孔直徑 d=+2C=219-10×2+2(1+1.5)=204mm
接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 B=2d=2×204=408mm
接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 ==45.1mm
需要補(bǔ)強(qiáng)面積 A=d·S=204×1.33=271.32，（此處S為殼體厚度）
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為
=(B-d)·( )=(408-204)×(2-1.33)=204×0.67=136.68mm2
=2×45.1×(7.5-0.4)×130/170=489.73mm2
此處，A1—?dú)んw多余金屬面積
A2—接管多余金屬面積
則+=136.68+489.73=626.41>A=271.32mm，故，該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠,不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈。
4. 6 固定管板的校核
固定管板厚度設(shè)計(jì)采用BS法。
假設(shè)管板厚度 b=30mm
總換熱管數(shù)量 n=260
一根管壁金屬的截面積為
0.785× =106.76
開孔強(qiáng)度消弱系數(shù)(4程) μ=0.5
兩管板之間換熱管有效長度(去掉兩管板厚度) L=2158 mm
計(jì)算系數(shù)K
=
b――管板厚度（不包括厚度附加量）
D――筒體內(nèi)徑
則， =＝22.6 K=4.7
按管板簡支考慮，根據(jù)K值查圖4-45、圖4-46、圖4-47可知，系數(shù)=3.3，＝－0.68，=3.5
筒體內(nèi)徑截面積 A= 0.785×6002=282743mm2
管板上管孔所占的總截面積 C=n/4=×260×19×19/4=73680mm2
系數(shù) ==
系數(shù) ==260×106.76/()=0.132
殼程壓力 =0.5MPa， 管程壓力 ＝0.5MPa
當(dāng)量壓差 pa=ps－pt(1+β)=0.5－0.5(1+0.132)= －0.66MPa
管板最大應(yīng)力 ==13.09MPa
管子的最大應(yīng)力
=＝－17.35MPa
管板采用16Mn鍛 =150MPa
換熱管采用20號碳素鋼 ＝130 MPa
=13.09 MPa<1.5 =1.5×150=225 MPa
=-17.35 MPa<1.5 =1.5×130=195 MPa
管板計(jì)算厚度滿足強(qiáng)度要求。考慮管板雙面腐蝕取，分程隔板槽深取4mm，實(shí)際管板厚為38mm。
4．7 浮頭管板及鉤圈校核
換熱管材料 20#，根據(jù)GB150——1998表4－3，表F2，表F5可知：
設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 ＝130MPa
屈服點(diǎn) ＝219 MPa
彈性模量 ＝190800 MPa
管板材料16Mn鍛件，根據(jù)GB150——1998 表F2，表F5可知：
設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 ＝149.7 MPa
彈性模量 ＝202700 MPa
許用拉脫力按表1-9-5可知：
KN ＝0.5×130=65 MPa
浮頭式換熱器浮頭管板的厚度不是由強(qiáng)度決定的，由GB151-1999知：
管板厚度
管板設(shè)計(jì)壓力，由于不能保證和在任何情況下都同時作用，故MAX(,)=0.5MPa；=0.5
所以， ==0.009
管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑 =584mm
根據(jù) = 式中，L應(yīng)為換熱管的有效長度，但由于管板厚度尚未計(jì)算出，暫時用管子中長來代替進(jìn)行計(jì)算，待管板厚度計(jì)算出，再用有效長度核算。
L= ×(管端外伸出長度)
＝＝4030MPa
＝=0.039
＝
=1.078
查圖可得到，系數(shù)C=0.325，管板計(jì)算厚度由得：
==17.9mm
又由于管板名義厚度不應(yīng)小于下列三部分之和,即
=[MAX(,)+]
殼程腐蝕裕量 =2mm
管程腐蝕裕量 =2mm
殼程側(cè)隔板槽深 =0 mm
管程側(cè)隔板槽深 =4 mm
所以，=17.9+4+2=23.9mm，圓整后，取=28mm
鉤圈采用B形，材料與浮頭管板相同，設(shè)計(jì)厚度按浮頭厚度加16mm，即 δ=38+16=44mm。
4．8 無折邊球封頭計(jì)算
浮頭蓋上無折邊球形封頭的計(jì)算，按內(nèi)壓球殼計(jì)算, .選用16Mn鍛, 在設(shè)計(jì)條件下其=150，查表GB151-98表46知，封頭=500mm，按式計(jì)算得：
= =3.26mm
由于雙面腐蝕，取=3 mm，設(shè)計(jì)厚度取8mm。
4．9 浮頭法蘭計(jì)算
根據(jù)GB 151-1999， 計(jì)算方式符號如下圖
設(shè)計(jì)條件
計(jì)算壓力
設(shè)計(jì)溫度t=42.5
法蘭
材料16Mn 鍛
許用應(yīng)力
[σ]t =150MP
設(shè)δf=85mm, mm
螺栓
材料 40Cr
許用應(yīng)力
[σ]t=685 MPa
墊片及螺栓計(jì)算
墊片材料碳鋼-石棉纏繞密封
b=10mm
y=25.0mm
M=2.5MPa
螺栓直徑 23
螺栓數(shù)量 16
Fp=6.28DGbmpc=6.28×584×10×2.5×0.5=45.84KN
F=0.785DG2pc=0.785×5842×0.5=133.86KN
Wa=3.14DGyb=3.14×584×25×10=458.44KN
F+Fp=402.4KN
=
操作情況下法蘭受力
力臂 mm
力矩N·mm
33.5
8907.6
36.5KN
=27.5
=1003.75
-41.67KN
=30.5
=-1257
=266KN
=20.66
=5495
操作狀態(tài)下法蘭總力矩=3131N·m
操作狀態(tài)
操作狀態(tài)
的值不應(yīng)小于兩倍球封頭厚度取值為58
圖4.1
4參考文獻(xiàn)
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5 翻譯
5.1 英文原文
Shell-and-tube and plate heat exchanger water Comparative Analysis
Abstract: Through the closed cycle cooling water system in thewater water heat interchanger shaping, in detail elaborated t