36萬噸滑油系統(tǒng)浮頭式換熱器設計,36,萬噸滑油,系統(tǒng),頭式,換熱器,設計 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文） 1 概述 1．1 換熱設備在工業(yè)中的應用 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。傳熱過程的進行需要一定的設備來完成，這些使傳熱過程得以實現(xiàn)的設備就稱之為換熱設備。 據(jù)統(tǒng)計，在煉油廠中換熱設備的投資占全部工藝設備總投資的35％～40％,因為絕大部分的化學反應或傳質傳熱過程都與熱量的變化密切相關，如反應過程中：有的要放熱、有的要吸熱、要維持反應的連續(xù)進行，就必須排除多余的熱量或補充所需的熱量。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，換熱設備是煉油、化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設備。換熱設備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應用。 1．2 換熱設備的分類 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 國內外的研究現(xiàn)狀 上個世紀70年代初發(fā)生世界性能源危機，有力地促進了傳熱強化技術的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，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注的課題，國內外先后推出了一系列新型高效換熱器。 近年來，國內已經(jīng)進行了大量的強化傳熱技術的研究，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際推廣和應用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術人員在制造工藝方面加大力度進行研究，使我國換熱器技術從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設備使用廠家勇于引進和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻。 1．4設計方案 本設計為浮頭式換熱器，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，在各工業(yè)領域中的到最為廣泛的應用。近年來受到其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進了其自身的發(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。 該設計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是管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內。管束可以在其筒體內自由伸縮，不會產(chǎn)生熱應力。但是結構復雜，造價高，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構尺寸。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，以確定換熱器內介質的物性參數(shù)；根據(jù)工藝結構尺寸結合已知條件，進一步計算換熱器結構參數(shù)；最后進行換熱器核算。 2 浮頭換熱器工藝設計 2．1 設計任務和工藝條件 一、已知設計參數(shù): 滑油（己烷）流量50m3/h， 進口溫度45℃,出口溫度40℃,冷卻水流量54m3/h,進口溫度33℃，管程殼程操作壓力為0.45MPa。 二、換熱器類型 浮頭式 2．2 確定設計方案 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 ——質量流量 kg·h-1 ρ ——流體的密度 kg·m3 假設冷卻水出口溫度為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(℃) 故假設基本合理，由管式換熱器設計中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值取傳熱系數(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物性數(shù)據(jù)，可知： 滑油在42.5℃下的有關物性數(shù)據(jù)如下 密度 ＝876kg/ 定壓比熱容 =1.955 kJ/(kg·K) 熱導率 =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)驗取K=510W/(㎡·K)，則 =/(K·△)=428145/(510×8.5)=27.5㎡ 2．5 工藝結構尺寸 2.5.1 管徑和管內流速 選用19×2較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內流速 =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 若按四管程設計，則傳熱管長度適中，采用標準設計，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算更為復雜。對于錯流或復雜流動的平均溫差，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、出口溫度，℃ 　　　 、——冷流體進、出口溫度，℃ 按四管程，單殼程結構，查圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖（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，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采取正方形排列，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 分程隔板槽兩側相鄰管中心距Sn/mm 38 表2.2 2.5.5 殼體內徑 該換熱器采用四管程結構，殼體內徑可按下式 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 普蘭特數(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 管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 　　 可首先假設管內冷卻水為湍流流動，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 故假設成立，此時 普蘭特數(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《管殼式熱交換器設計手冊GB151》表F7.1，可取 管外側污垢熱阻 =0.000176㎡·K/W 管內側污垢熱阻 =0.0006㎡·K/W 管壁熱阻按式= 式中 b――傳熱管厚度，m； ――管壁熱導率，m·K/W 碳鋼在該條件下的熱導率為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。 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)水的進口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為15℃，出口溫度39℃計算傳熱管壁溫。 另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，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。計算中，應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零來計算傳熱管壁溫。于是，按式 式中 ――熱流體的平均溫度，℃ ——熱流體側的管壁溫度，℃ ——冷流體的平均溫度，℃ ——冷流體側的管壁溫度，℃ ——熱流體側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K) ——冷流體側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K) 式中液體的平均溫度分別按 ＝ 式中 ——熱流體進口溫度，℃ ——熱流體出口溫度，℃ ——冷流體進口溫度，℃ ——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； ——殼程數(shù)； ——管程數(shù) ——管程結構校正系數(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。 2.6.3.2 殼程阻力 按式計算，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 換熱器主要結構尺寸和計算結果，見如下表： 參數(shù) 管程 殼程 流率/（/h） 54 50 進出口溫度/℃ 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 導熱率/[W/(m·k)] 0.624 0.144 普蘭特數(shù) 4.96 3665 形 式 浮頭式 臺數(shù) 1 殼體內徑/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 碳鋼 管程數(shù) 4 管心距/mm 25 主要計算結果 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 浮頭換熱器機械設計 3．1 結構設計 3.1.1 橢圓形封頭 由于此換熱器的設計壓力p≤1.6MPa，使用溫度小于350℃，故封頭材料可選用Q235-B， 封頭的結構形式常采用橢圓形，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 其結構形式如下圖： 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。 查取標準GB151-99可知，管箱短節(jié)與圓筒的最小厚度均為8mm，管箱的最小長度計算: （按B形管箱,流通面積計算） 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算 (無接管補強時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 鋼管標準 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）接管宜與殼體內表面平齊； b）接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置； 3.5.2 接管尺寸 已知殼程流體的流速為 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 查取標準=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— 補強圈外徑 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構設計 3.6.1 浮頭管板及鉤圈法蘭尺寸 由于換熱器內徑已確定，故采用標準內徑?jīng)Q定浮頭管排列外徑及結構尺寸。 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 浮頭法蘭和鉤圈內直徑= -2()600-2(3+12)=570mm 外頭蓋內徑, 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構 圖3.5 1一 外頭蓋側法蘭，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 按標準GB/T9113.1-2000，則有如下圖： 表3.5 滑油進出口 自來水進出口 管子直徑/mm 219 108 法蘭內徑/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 其結構如下圖： 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 結構 圖3.7 3．9 拉桿的直徑、數(shù)量和尺寸 3.9.1 拉桿的結構 由于換熱管的直徑為19mm，常采用拉桿定距管結構，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)內或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。 3.9.5 其他 拉桿數(shù)量與直徑表查取，本換熱器殼體內徑為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，其流動方式和結構形式如下： 圖3.11 圖3.12 弓形折流板圓缺高度為殼體內徑得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，查換熱器設計手冊表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，所以無需設置支撐板，但由于浮頭式換熱器需設置支持板，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、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 防沖板或導流筒 因為水u<=3.0m/s，滑油（己烷）： ，所以，管程和殼程都不設防沖板或導流筒。 3．12 支座 由鞍座材料Q235-B查JB/T 4712-92，選取B型鞍式支座，其結構及尺寸如下： 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 外頭蓋側法蘭 依工藝條件、殼側壓力、溫度及公稱直徑DN=700mm，按JB4703-92長頸法蘭標準選取，并確定各部分尺寸，并畫出結構草圖及尺寸如下： 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 管箱法蘭和管箱側殼體法蘭 依工藝條件，管側壓力和殼側壓力的最大值，以及設計溫度和公稱直徑DN=600mm，按JB4703-92長頸法蘭標準選取，并確定各部分尺寸，并畫出結構草圖，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法蘭的結構尺寸,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，設置的位置分別在殼體中的最高點和最低點。由于采用了四管程結構，所以設置應有一定的偏離。排氣、排液接管的端部必須與殼體或接管內壁平齊。 圖3.19 3．17 防短路結構 3.17.1 旁路擋板 如下圖： 表3.11 可知：旁路擋板應要2對，其厚度與折流板的厚度相同。其結構如下： 圖3.20 3.17.2 擋管 擋管為兩端堵死的換熱管，設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，可與折流板點焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。 擋管應每隔3-4排換熱管設置一根，但不應設置在折流板缺口處。擋管伸出第一塊及最后一塊折流板或支持板的長度應不大于50mm,擋管應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，管板的最小厚度應滿足結構設計和制造的要求，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 換熱器的強度校核 4．1 筒體壁厚校核 由工藝設計給定溫度42.5℃，設計壓力0.5MPa，選用低合金鋼板Q235-B卷制，此材料42.5℃時的允許應力=113MPa，取焊縫系數(shù)φ=1.0，腐蝕裕度=1mm，則 計算厚度 ==1.33mm 設計厚度 =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 水壓試驗應力 =1.25×0.5×1=0.5625MPa 所選材料的屈服應力 =235 MPa 水壓試驗校核==85.2 MPa 因為0.9=0.9×325×1=292.5 MPa，σT=85.2 MPa<292.5，則水壓強度滿足要求。 由于介質非易燃和毒性程度為非極度，且允許由微量泄漏，所以不需進行氣密性試驗。 4．2 外頭蓋短節(jié)和封頭厚度校核 外頭蓋內徑=700mm，其余條件，參數(shù)同筒體。 短節(jié)計算壁厚 ＝=1.55mm 短節(jié)設計厚度 ＝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 壓力試驗應力校核 ==49.5MPa 則σT <0.9=0.9×325×1=292.5 MPa 故，壓力實驗滿足強度要求。 由前述可知：外頭蓋封頭選用標準橢圓封頭， 封頭計算厚度 S=＝=1.55mm 封頭設計厚度 ＝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 壓力試驗應力校核 = =33.09 MPa 則σT<0.9=0.9*325*1=292.5 (MPa) 壓力實驗滿足強度要求。 4．3 管箱短節(jié)和封頭厚度校核 由工藝設計給定設計參數(shù)為：設計溫度34℃,設計壓力0.5 MPa，選用Q235-B鋼板，材料許用應力=113 MPa，屈服強度=235 MPa,取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2mm， 計算厚度 ==1.55mm 設計厚度 =1.55+2=3.55mm 名義厚度 =3.55+1=4.55mm，圓整后，結合考慮開孔補強及結構需要取 =8mm， 有效厚度 =8-2-1=5 mm 壓力實驗在這種條件下一定滿足，管箱封頭取用強度在這種條件下一定滿足。 4．4 管箱短節(jié)開孔補強的校核 開孔補強采用等面積補強法，由工藝設定的接管外徑為φ108 ×5mm，考慮到實際情況選用20號熱軋?zhí)妓劁摴?130MPa, =1mm。 接管計算壁厚 ＝=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 接管有效補強寬度 B=2d=2×102=204mm 接管外側有效補強高度 ==22.6 mm 需要補強面積 A=d·S=102×1.55=158.1（此處S為管箱的厚度） 可以作為補強的面積為 =(B-d) ·( )=(204-102) ×(5-1.55)=351.9 mm2 =2×22.6×(3-0.21) ×130/170=96.44mm2 此處，A1—殼體多余金屬面積 A2—接管多余金屬面積 則，+=351.9+96.44=448.34＞=A=187.7mm2，故，該接管補強的強度足夠,不需另設補強圈。 4．5 殼體接管開孔補強校核 同理，開孔補強采用等面積補強法，由工藝設計給定的接管厚度為φ219×10，考慮實際情況選取20號熱扎鋼管φ219×10, =137MPa, =1mm， 取C1=1.5mm。 接管計算壁厚 ==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 接管有效補強寬度 B=2d=2×204=408mm 接管外側有效補強高度 ==45.1mm 需要補強面積 A=d·S=204×1.33=271.32，（此處S為殼體厚度） 可以作為補強的面積為 =(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—殼體多余金屬面積 A2—接管多余金屬面積 則+=136.68+489.73=626.41>A=271.32mm，故，該接管補強的強度足夠,不需另設補強圈。 4. 6 固定管板的校核 固定管板厚度設計采用BS法。 假設管板厚度 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 計算系數(shù)K = b――管板厚度（不包括厚度附加量） D――筒體內徑 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 當量壓差 pa=ps－pt(1+β)=0.5－0.5(1+0.132)= －0.66MPa 管板最大應力 ==13.09MPa 管子的最大應力 =＝－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 管板計算厚度滿足強度要求。考慮管板雙面腐蝕取，分程隔板槽深取4mm，實際管板厚為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： 設計溫度下許用應力 ＝130MPa 屈服點 ＝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： 設計溫度下的許用應力 ＝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度決定的，由GB151-1999知： 管板厚度 管板設計壓力，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)的當量直徑 =584mm 根據(jù) = 式中，L應為換熱管的有效長度，但由于管板厚度尚未計算出，暫時用管子中長來代替進行計算，待管板厚度計算出，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，管板計算厚度由得： ==17.9mm 又由于管板名義厚度不應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 殼程側隔板槽深 =0 mm 管程側隔板槽深 =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，設計厚度按浮頭厚度加16mm，即 δ=38+16=44mm。 4．8 無折邊球封頭計算 浮頭蓋上無折邊球形封頭的計算，按內壓球殼計算, .選用16Mn鍛, 在設計條件下其=150，查表GB151-98表46知，封頭=500mm，按式計算得： = =3.26mm 由于雙面腐蝕，取=3 mm，設計厚度取8mm。 4．9 浮頭法蘭計算 根據(jù)GB 151-1999， 計算方式符號如下圖 設計條件 計算壓力 設計溫度t=42.5 法蘭 材料16Mn 鍛 許用應力 [σ]t =150MP 設δf=85mm, mm 螺栓 材料 40Cr 許用應力 [σ]t=685 MPa 墊片及螺栓計算 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) 的值不應小于兩倍球封頭厚度取值為58 圖4.1 4參考文獻 [1]　鄭津洋、董其伍、桑芝富 主編 過程設備設計 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Keyword: Heat interchanger performance comparison From the domestic power plants have been built, for closed-cycle cooling water system of water heat exchanger two categories. is a shell and tube type heat exchangers, and the other is the plate heat exchanger. Shell heat exchanger is used in the form of heat exchanger in the plant design has been widely used, In some domestic units of the plant imports, the gas-steam combined cycle power plants and nuclear power plants are more used plate heat exchanger. Plate heat exchanger as a compact, light weight, high heat transfer efficiency, and the people are interested in growing. This paper shell - and-tube heat exchanger plate and two kinds of styles, and make selection suggestions 1. A plate and shell heat exchanger structure brief (1) Shell type heat interchanger Shell-and-tube heat exchanger is the former Marine Room, probation, cylinder, the water room and so on. Control the use of pumped - Bundle, which consists of around tube sheet, Baffled, the stick, distance control, Tube components. Stick with the management board, demolition of the plates using screw connection tube and tube sheet adopted inflation accelerating sealed welding. In the shell side entrance to the control of water on board-equipped to prevent the cooling water washed Tube. In order to reduce the load or to take control of the cylinder friction, with the control on the slide. Room for cleaning up the rubbish, sediment and the blockage of the tubes in the water around the room on the Cover of an inspection hole. To monitor water heat exchanger performance, in the cooling water side (except salt water side) and the cooling water side (of seawater) for the import and export are equipped with a temperature and pressure measurement, There is also supposed to exhaust and interfaces. (2) Plate heat exchanger plate heat exchanger consists of a set of parallel corrugated sheet metal components, Plates in the four corner have access hole, Clamping plate was in connection with an aspect of the fixed plate compactor and activities in the framework of plate and clamping bolts used to be clamping. Connecting with the board of the channel pore right, and with two heat exchange liquid external piping connected Heat plate compactor and activities flag at the top plate bearing beams below it from the bottom of the beams at the position. Plate heat itself is a specific shape surrounded by solid-tight gasket seal to prevent external leakage. and the two heat exchange liquid form by alternating current to flow through another pair of plate heat transfer between the channel. Plates of corrugated not only improves the fluid turbulence, and creating many points of contact to withstand normal operating pressure. Fluid flow, physical properties, the pre