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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目： 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)（處理量1600kg/h） 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 過控084班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 成 績：

2、 2012年 6 月 15 日 3 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)換熱器。首先分析設(shè)計(jì)任務(wù)和條件，初步選擇換熱器的類型，進(jìn)行流程安排，接著進(jìn)行工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算，并重點(diǎn)針對(duì)湍流程度和傳熱面積裕度進(jìn)行核算。以上完成后是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括管板、殼體、管箱、折流板、封頭、換熱管、法蘭、接管等的設(shè)計(jì)，并確定連接方式和密封形式。下一步是進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算后，再進(jìn)行面積、許用應(yīng)力、力矩計(jì)算，然后進(jìn)行各種可能情況下的應(yīng)力校核。最后選擇接管法蘭、密封元件和鞍座，完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低、管程清洗方便、規(guī)格系

3、列范圍廣，故在工程上得到廣泛應(yīng)用。所以我本次設(shè)計(jì)選擇了固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)調(diào)計(jì)算；應(yīng)力校核 Abstract The graduation design task is to design a heat exchanger. First analysis design task and conditions, choose the type of preliminary heat exchanger, process arrangement, then process struc

4、ture calculation, and focusing on the turbulent flow and heat transfer area degree the margin accounts. After the completion of the above is the structure design, including the tube plate, shell and tube box, baffle plate, sealing, head of heat exchange tube, flange, take over of design of, and dete

5、rmined the connection mode and sealing form. The next step is for strength calculation, calculated for each part, then area, allowable stress calculation, torque, and then carry out all the possible check the stress. The last choice to take over flange, seal components and saddle, complete the desig

6、n task. In practical applications, fixed tube plate heat exchanger simple structure, easy fabrication, low cost, convenient washing, provide specifications series range wide, it is widely applied in engineering. So this design I chose fixed tube plate heat exchanger to design. Keywords:Heat exchang

7、er; Structure design; Emphasize computing; Stress checking 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 換熱器的研究現(xiàn)狀 1 第2章 確定設(shè)計(jì)方案 3 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件 3 2.2 換熱器類型的選取 3 2.3 流程安排 3 第3章 工藝計(jì)算 4 3.1 物性數(shù)據(jù)的確定 4 3.1.1 定性溫度的確定 4 3.1.2 物性數(shù)據(jù)

8、4 3.2 估算傳熱面積 5 3.2.1 平均傳熱溫差 5 3.2.2 由煤油的流量計(jì)算熱負(fù)荷 6 3.2.3 傳熱面積計(jì)算 6 3.2.4 冷卻水用量 7 3.3 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) 7 3.3.1 換熱管的選擇和管內(nèi)流速的確定 7 3.3.2 確定管程數(shù)和傳熱管數(shù) 7 3.3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 8 3.3.4 殼體內(nèi)徑 9 3.3.5 折流板 9 3.3.6 傳熱管排列和分程方法 10 3.3.7 接管 11 3.3.8 其他附件 12 3.4 換熱器核算 13 3.4.1 傳熱能力核算 13 3.4.2 壁溫核算

9、 17 3.4.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 17 3.5 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸表 19 第4章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 4.1 殼體、管箱殼體和封頭設(shè)計(jì) 21 4.2 選取接管 21 4.2.1 接管外伸長度 22 4.2.2 接管與筒體和管箱殼體的連接 22 4.2.3 接管位置的確定 22 4.3 換熱管與管板 23 4.3.1 換熱管 23 4.3.2 管板 24 4.4 殼體與管板、管板與換熱管的連接 25 4.4.1 殼體與管板的連接 25 4.4.2 換熱管與管板的連接 26 4.5 其他部件 27 4.5.1 拉桿與定距

10、管 27 4.5.2 折流板 27 4.5.3 膨脹節(jié) 27 第5章 強(qiáng)度計(jì)算 30 5.1 設(shè)計(jì)條件 30 5.2 結(jié)構(gòu)尺寸 30 5.3 材料選擇及許用應(yīng)力的計(jì)算 31 5.4 管箱設(shè)計(jì) 33 5.5 封頭計(jì)算 33 5.6 筒體設(shè)計(jì) 34 5.7 換熱器管板設(shè)計(jì) 34 5.7.1 相關(guān)面積計(jì)算 34 5.7.2 換熱管許用應(yīng)力的計(jì)算 36 5.7.3 力矩計(jì)算 36 5.8 應(yīng)力校核計(jì)算 43 5.8.1 殼程設(shè)計(jì)壓力的情況 43 5.8.2 管程設(shè)計(jì)壓力的情況 50 5.9 開孔補(bǔ)強(qiáng) 57 第6章 法蘭、墊片及鞍座

11、的設(shè)計(jì) 58 6.1 接管法蘭 58 6.1.1 接管法蘭的材料 58 6.1.2 對(duì)材料的加工要求 58 6.1.3 排氣、排污接管法蘭 58 6.1.4 煤油進(jìn)出口接管法蘭 58 6.1.4 循環(huán)冷卻水進(jìn)出口接管法蘭 59 6.1.5 墊片選擇 59 6.2 鞍座的選擇 59 6.3 技術(shù)要求 62 結(jié) 論 63 參考文獻(xiàn) 64 致 謝 65 第1章 緒論 1.1 課題背景 1.2 換熱器的研究現(xiàn)狀 第2章 確定設(shè)計(jì)方案 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件 2.2 換熱器類型的選取 2.3 流程安排

12、 第3章 工藝計(jì)算 3.1 物性數(shù)據(jù)的確定 3.1.1 定性溫度的確定 參考文獻(xiàn)，對(duì)于一般輕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。 故管程流體冷卻水的定性溫度為： （3-1） 式中 —冷卻水定性溫度（℃） —冷卻水進(jìn)口溫度（℃） —冷卻水出口溫度（℃） ℃， 殼程煤油的定性溫度為： （3-2） 式中

13、 —煤油定性溫度（℃） —煤油的進(jìn)口溫度（℃） —煤油的出口溫度（℃） ℃， 3.1.2 物性數(shù)據(jù) 參考文獻(xiàn)，分別參考管程和殼程流體在對(duì)應(yīng)的溫度下，在生產(chǎn)中的物性數(shù)據(jù)實(shí)測值，循環(huán)冷卻水在28.5℃時(shí)的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 比熱容： kJ/(kg℃) 密 度： kg/； 粘 度： Pas； 導(dǎo)熱系數(shù)： W/(m℃)。 煤油在87.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 比熱容： kJ/(kg℃)； 密 度：kg/； 粘 度： Pas ； 導(dǎo)熱系數(shù)： W/(m℃) 。 確定物性數(shù)據(jù)后，后面的計(jì)算中需用到以上數(shù)據(jù)者，可直接引用。

14、 3.2 估算傳熱面積 3.2.1 平均傳熱溫差 煤油的進(jìn)出口溫度分別為140℃和35℃，冷卻水的進(jìn)出口溫度分別為25 ℃和32℃。先按純逆流計(jì)算，得： （3-3） ℃ 式中 　—逆流或并流的平均傳熱溫差 　　　　—可按圖３-１所示進(jìn)行計(jì)算。 圖３-１　列管式換熱器內(nèi)流型 3.2.2 由煤油的流量計(jì)算熱負(fù)荷 依據(jù)文獻(xiàn)公式： （3-4） 式中 Qh—熱負(fù)荷，W； Wh—工藝流體的流率，kg/h

15、； cph—工藝流體的熱容；kJ/(kg℃)； —工藝流體的溫度變化，℃； = = W 3.2.3 傳熱面積計(jì)算 由于殼程煤油的壓力不高，所以可以選擇較小的K值。假設(shè) W/(m2℃)，則估算的傳熱面積A為： 考慮到估算值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)文獻(xiàn)提供的經(jīng)驗(yàn)范圍，取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15～1.25倍，取1.15倍。即 3.2.4 冷卻水用量 對(duì)于工藝流體被冷卻的情況，工藝流體所放出的熱量等于冷卻劑所吸收的熱量與熱損失之和，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為可靠起見，?？珊雎詿釗p失，依據(jù)公式：，計(jì)算冷卻水用量： 3.3 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)

16、3.3.1 換熱管的選擇和管內(nèi)流速的確定 考慮到管徑太小，流動(dòng)阻力大，機(jī)械清洗困難，由文獻(xiàn)根據(jù)具體情況選用mm傳熱管。材料為20號(hào)鋼。參考文獻(xiàn)取管內(nèi)流速m/s。 3.3.2 確定管程數(shù)和傳熱管數(shù) 參考文獻(xiàn)，根據(jù)公式 （3-5） 可由傳熱管內(nèi)徑和流體流速確定單程傳熱管數(shù)目， 式中 ns—單程管子數(shù)目； V—管程流體的體積流量，m3/s； di—換熱管內(nèi)徑，m； u-管內(nèi)流體的流速，m/s。 計(jì)算得： 根 按單管程計(jì)算，所需的傳熱管

17、長度為L： （3-6） 式中 L—按單管程計(jì)算的管子長度，m； A—估算的傳熱面積，m2； d0—管子外徑，m。 如果按照單管程設(shè)計(jì)，傳熱管尺寸過長。應(yīng)該采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，參考文獻(xiàn)推薦的傳熱管長3m，則該換熱器的管程數(shù)為： （管程） 換熱器內(nèi)傳熱管根數(shù)為： 3.3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 參考文獻(xiàn)，折流情況下的平均傳熱溫差可先按純逆流情況計(jì)算，然后加以較正，由于在相同的流體進(jìn)出口，溫度下，逆流流型具有較大的傳熱溫差，所以在工程上

18、，若無特殊要求均采用逆流。 平均傳熱溫差校正系數(shù)： （3-7） 式中： —熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃ —冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃。 計(jì)算平均傳熱溫差如下： （3-8） 式中 —折流情況下的平均傳熱溫差； —溫差校正系數(shù)。 按單殼程雙管程，查文獻(xiàn)圖F2可知： 所以，平均傳熱溫差： ==39.5℃ 參考文獻(xiàn),因?yàn)橛?jì)算得平均傳熱溫差校正系數(shù)為0.96，大于0.8，所以取單殼

19、程合適。 3.3.4 殼體內(nèi)徑 參考文獻(xiàn)采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體的內(nèi)徑為： mm 按無縫鋼管進(jìn)級(jí)檔，可取mm,初步選取壁厚為6mm，即。 3.3.5 折流板 折流板有橫向折流板和縱向折流板，橫向折流板同時(shí)兼有支撐傳熱管，防止發(fā)生震動(dòng)的作用，其常用的型式有弓形折流板和和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，在實(shí)際中最為常用。本設(shè)計(jì)采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度約為殼體內(nèi)徑的20%，則切去的圓缺高度為： mm 所以，取mm 。 參考文獻(xiàn)取折流板的的間距，則 mm 所以，取mm 。 折流板數(shù)為： 折流板選擇圓缺豎直裝配，具體

20、型式見總裝配圖。 3.3.6 傳熱管排列和分程方法 對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式，每一程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方法。如圖3.1所示。 參考文獻(xiàn),管心距選擇為： mm，取mm。 隔板中心距離相鄰的換熱管中心距離S等于： 各程之間相鄰換熱管的管心距等于： 192=38mm 橫過管束中心線的管數(shù)： 圖３-２ 換熱管組合排列 兩管程，每程各有換熱管數(shù)目為21根，管箱中隔板安裝位置和介質(zhì)的流通方式按照?qǐng)D3.2所示。 圖３-３ 管程隔板安裝位置和換熱管分程

21、方式 3.3.7 接管 1. 管程流體進(jìn)、出口接管： 選取接管內(nèi)冷卻水的流速為：m/s，則接管內(nèi)徑如下： m 圓整后，管程進(jìn)、出口接管規(guī)格為：。 2. 殼程流體進(jìn)、出口接管 取接管內(nèi)流體流速為：m/s，則接管內(nèi)徑如下： m 為了方便取材，圓整后，殼程進(jìn)、出口接管規(guī)格也選擇為。 3.3.8 其他附件 1. 拉桿數(shù)量與直徑 根據(jù)文獻(xiàn)表43和表44查得，本換熱器換熱管外徑為19mm，所以拉桿直徑。拉桿數(shù)不得少于4個(gè)，考慮到殼體內(nèi)徑較小，選擇4根拉桿。 2. 防沖擋板 參考文獻(xiàn)，當(dāng)管程采用軸向入口接管或換熱管內(nèi)流體速度超過3m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖板。 當(dāng)殼程

22、進(jìn)口流體的（其中味流體密度，；味流體的流速，m/s）值為下列數(shù)值時(shí)，應(yīng)在殼程進(jìn)口管處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍玻? （1） 非腐蝕、非磨蝕性的單向流體， 者； （2） 其他液體，包括沸點(diǎn)下的液體，者。 有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物，應(yīng)設(shè)置防沖板；當(dāng)殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒，以減小流體停滯區(qū)，增加換熱器的有效換熱長度。 本換熱器設(shè)計(jì)中，管程進(jìn)口流速為2.5m/s, 殼程 故管程和殼程均無需設(shè)置防沖板。 3.膨脹節(jié) 膨脹節(jié)是裝在固定管板式換熱器殼體上的撓性構(gòu)件，依靠這種易變形的撓性構(gòu)件，對(duì)管束與殼體間的變形差進(jìn)行補(bǔ)償，以此來消除殼體與管束間因溫度而引

23、起的溫差應(yīng)力。 固定管板式換熱器換熱過程中，管束和殼體有一定得溫差存在，而管板、管束與殼體之間是剛性地連接在一起的，當(dāng)溫差大于50℃時(shí)，由于過大的溫差應(yīng)力往往會(huì)引起殼體的破壞或造成管束彎曲。當(dāng)溫差很大時(shí)，可以選用浮頭式、U型管及填料函式換熱器。但上述換熱器的造價(jià)較高，若管間不需要清洗時(shí)，也可采用固定管板式換熱器，但需要設(shè)置溫差補(bǔ)償裝置，如膨脹節(jié)。 膨脹節(jié)的型式較多，通常有波形膨脹節(jié)、平板膨脹節(jié)、Ω形膨脹節(jié)。在生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)用最多也最普遍的是波形膨脹節(jié)。本設(shè)計(jì)初步選用波形膨脹節(jié)。 圖３-4 波形膨脹節(jié) 3.4 換熱器核算 3.4.1 傳熱能力核算 1. 管程傳熱膜系數(shù)

24、 參考文獻(xiàn),用克恩法進(jìn)行計(jì)算，選擇公式： （3-9） n=0.4(當(dāng)流體被加熱時(shí)) n=0.3(當(dāng)流體被冷卻時(shí)) 所以取n=0.4正確。 因?yàn)椋?<0.002Pas，滿足條件，定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值；特征尺寸取換熱管的內(nèi)徑di。 管程冷卻水流通截面積計(jì)算得： m2 管程冷卻水流速為： m/s 雷諾數(shù)=23926 普蘭特?cái)?shù) 用克恩法計(jì)算，則管程流體傳熱膜系數(shù)為： =

25、5925 W/(m2℃) 2. 殼程流體傳熱膜系數(shù) 可用克恩法進(jìn)行計(jì)算， 當(dāng)量直徑，按三角形排列時(shí)公式如下： （3-10） 式中 t—管間距，m； d0—換熱管外徑，m； 有上式，當(dāng)量直徑如下： 殼程流通截面積為： =0.00288 殼程流體流速=，即 =0.187m/s 雷諾數(shù)=4315 普蘭特?cái)?shù) 粘度校正，則： 用克恩法計(jì)算，則殼程流體傳熱膜系數(shù)為： =565W/(m2℃) 3. 污垢熱阻和管壁熱阻 查文獻(xiàn)表F1、F7.3得： 管外側(cè)污垢熱阻為：(m2K)/

26、 W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻為：(m2K)/ W 查表F3得：碳鋼在該條件下的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m2K) 則管壁熱阻： （3-11） 式中 b—換熱管壁厚，m； —管壁導(dǎo)熱系數(shù)，m℃/W =0.00004(m2K)/ W 4. 總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)為： （3-12） 式中 K—總傳熱系數(shù)，W/(m2K)； —?dú)こ塘黧w的傳熱膜系數(shù)， W/(m2K)； —?dú)こ涛酃笩嶙?，m2℃/W； —管壁熱阻，

27、m2℃/W； —管程污垢熱阻，m2℃/W； —換熱管外徑，m； —換熱管內(nèi)徑，m； —換熱管平均直徑，m； —管程傳熱膜系數(shù)，W/(m2K)； 所以 =410 W/(m2K) 5. 傳熱面積裕度 實(shí)際所需的傳熱面積m2 該換熱器的實(shí)際傳熱面積=7.52m2 該換熱器的面積裕度=17.7% 該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)，F(xiàn)＞(15﹪～25﹪),符合要求。 3.4.2 壁溫核算 因?yàn)楣鼙诤鼙?，且管壁熱阻很小，所以管壁溫度可以按公? （3-13） 計(jì)算； 取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為32℃計(jì)

28、算傳熱管壁溫。計(jì)算中按最不利的操作條件考慮，所以取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。所以： =35.5℃ 式中：℃ ℃ W/(m2K) W/(m2K) 殼體壁溫可近似取為殼體流體的平均溫度，即： T=87.5℃。 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： ≈51.9℃ 參考文獻(xiàn),該溫差大于50℃，所以需要設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置。由于浮頭式、U型管式及填料函式換熱器造價(jià)較高，且操作壓力較小，所以初步選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器比較合適。 3.4.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 1. 殼程流體阻力 由于，，，，m/s， =0.7416

29、 則流體流經(jīng)管束的阻力損失為： =1830Pa m，m，則流體流過折流板圓缺的阻力損失： =1966Pa 總阻力損失為： =3796Pa=0.038MPa<0.1MPa 參考文獻(xiàn),殼程流體的阻力損失比較適宜。 2. 管程流體阻力 因?yàn)椋?，?，傳熱管的相對(duì)粗糙度，查莫狄圖得：摩擦因子，流速m/s， kg/m3。所以單程直管阻力： =5123Pa 因?yàn)榫植孔枇ο禂?shù)一般取3，所以局部阻力：=1281Pa =8966Pa=0.0896

30、MPa<0.1MPa 參考文獻(xiàn),管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 3.5 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸表 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸表如表3.1所示。 表3-1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表 管程 殼程 流量kg/h 12765 1600 溫度℃進(jìn)/出 25/32 140/35 壓力Mpa 0.4 0.4 物性 定性溫度℃ 28.5 87.5 密度kg/m3 995.7 825 比熱容kJ/(kg℃) 4.173 2.22 黏度Pas

31、 0.800710-3 7.1510-4 導(dǎo)熱系數(shù)w/(m℃) 0.6176 0.14 普蘭特?cái)?shù) 5.41 11.338 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 形式 固定管板式 臺(tái)數(shù) 1 殼體內(nèi)徑 207 殼程數(shù) 1 管徑 φ192 管心距 25 管長 3000 管子排列 Δ 管數(shù)目（根） 42 折流板個(gè)數(shù) 44 傳熱面積m2 7.59 折流板距 60 管程數(shù) 2 材質(zhì) 碳鋼 冷流體進(jìn)出口接管 φ452.5 材質(zhì) 碳鋼 熱流體進(jìn)出口接管 φ382.5 材質(zhì) 碳鋼 排污管 φ252.5 材質(zhì) 碳鋼 主要計(jì)算結(jié)果 管

32、程 殼程 流速m/s 0.962 0.187 傳熱膜系數(shù)W/m2℃ 5925 565 污垢熱阻m2℃/W 3.4410-4 1.7210-4 阻力損失MPa 0.089 0.038 熱負(fù)荷kw 103.6 傳熱溫差℃ 51.6 傳熱系數(shù)W/m2℃ 410 裕度% 17.7 30 第4章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 殼體、管箱殼體和封頭設(shè)計(jì) 根據(jù)文獻(xiàn)，查圖7，選擇前端管箱為封頭管箱，型號(hào)為B型，殼體型式為E型；后端結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)封頭。如圖4-1所示。 圖4-1 換熱器結(jié)構(gòu) 4.2 選取接管 接管材料均為10號(hào)鋼。在殼體的左端上

33、部設(shè)有管徑為的煤油出口管，在殼體的右端底部設(shè)有管徑為的煤油出口管；在前端管箱頂部設(shè)有管徑為的冷卻水進(jìn)口管，在前端管箱底部設(shè)有管徑為的冷卻水進(jìn)口管，在殼體的右端上部設(shè)有管徑為的排氣管出口管，在殼體的左端底部設(shè)有管徑為的排污管出口管；接管位置如上圖4-1所示。 4.2.1 接管外伸長度 查文獻(xiàn)得：工藝煤油進(jìn)、出口接管外伸長度=150mm；冷卻水進(jìn)、出口接管外伸長度=150mm；排液管和排氣管的外伸長度=100mm。 4.2.2 接管與筒體和管箱殼體的連接 接管與殼體和管箱殼體及封頭連接的結(jié)構(gòu)型式采用插入式焊接結(jié)構(gòu)。接管不得凸出于殼體的內(nèi)表面。如圖4-2所示。 圖4-2 焊

34、接結(jié)構(gòu) 4.2.3 接管位置的確定 在換熱器設(shè)計(jì)中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)、出口接管應(yīng)盡量靠近兩端管板，管箱進(jìn)、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設(shè)備的重量。為了保證設(shè)備的制造、安裝，管口距地的距離也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。 1. 殼程接管位置的最小尺寸 參考文獻(xiàn)[8],公式 （4-1） （4-2） （

35、4-3） （4-4） 式中 b—管板厚度，mm /—?dú)こ?管箱接管位置的最小尺寸，mm C—補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm —補(bǔ)強(qiáng)圈的外圓直徑，mm —接管外徑，mm （1）帶補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)接管的位置： =99mm （2）無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)接管的位置： =91mm 綜合考慮尺寸的大小，取=100mm 2. 管箱接管位置的最小尺寸 （1）帶補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)接管的位置： =108mm （2）無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)接管的位置： =98.5mm 所以，綜合考慮后取=

36、120mm 4.3 換熱管與管板 4.3.1 換熱管 換熱管的規(guī)格為Φ192，查文獻(xiàn)可得，其外徑偏差為0.4.，壁厚偏差為?？紤]煤油粘度較低，不易結(jié)垢，則采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。其換熱管的管心距為25mm，分程板槽兩側(cè)相鄰管中心距為38 mm。如圖4-4所示。 圖4-4 換熱管排列 4.3.2 管板 管板是管殼式換熱器中一個(gè)重要元件，它除了與管子和殼體等的連接外，還是換熱器中的一個(gè)重要受壓元件。對(duì)管板的設(shè)計(jì)，除滿足強(qiáng)度要求外，同時(shí)應(yīng)合理的考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 1. 管板結(jié)構(gòu) 參考文獻(xiàn),管板結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。選擇固定管板兼作法蘭的

37、管板，管板與法蘭連接的密封面為凸面。分程隔板拐角處，倒角為445。 圖4-5 管板結(jié)構(gòu) 2. 管板最小厚度 管板的最小厚度除了要滿足強(qiáng)度計(jì)算要求外，當(dāng)管板和換熱管采用焊接時(shí)，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求，且不小于12mm。當(dāng)管板和換熱管采用脹接時(shí)，管板的最小厚度（不包括腐蝕裕度）應(yīng)滿足文獻(xiàn)表1-6-8。管板應(yīng)滿足較高的強(qiáng)度要求，具體尺寸如圖4-6所示。 圖4-6 管板尺寸 4.4 殼體與管板、管板與換熱管的連接 4.4.1 殼體與管板的連接 考慮到介質(zhì)溫度、壓力及物料性質(zhì)，本設(shè)計(jì)采用管板兼作法蘭的不可拆結(jié)構(gòu)，連

38、接型式如圖4-7所 圖4-7 管板與筒體的連接 4.4.2 換熱管與管板的連接 因?yàn)闅こ探橘|(zhì)是煤油，換熱管和管板材料都是碳鋼，焊接工藝性好，故本設(shè)計(jì)換熱器與管板的連接采用焊接連接。如圖4-8所示。 圖4-8 換熱管與管板的連接 4.5 其他部件 4.5.1 拉桿與定距管 選擇了拉桿定距結(jié)構(gòu)，拉桿直徑為12mm，拉桿螺紋公稱直徑為12mm，拉桿數(shù)量為4根，均勻安裝于管束的外邊緣。其型式如圖4-9所示。 圖4-9 拉桿定距結(jié)構(gòu) 4.5.2 折流板 為了增加殼程流體的流速，提高殼程的傳熱膜系數(shù)，從而達(dá)到提高總傳熱系數(shù)的目的同時(shí)為緩解換熱管的受力狀況和

39、防止流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)，本設(shè)計(jì)設(shè)置44塊豎直弓形折流板。折流板的缺口高度為40mm，厚度為3mm，折流板管孔直徑為，折流板外直徑為，靠近管板的折流板與管板間距為180mm，折流板間距為60mm。 4.5.3 膨脹節(jié) 膨脹節(jié)計(jì)算 管子拉脫力計(jì)算 在換熱器中承受流體壓力換熱管殼壁的溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，這兩個(gè)力在管 子與管板的連接接頭處產(chǎn)生了一個(gè)拉托力，使管子與管板由脫離的傾向。拉脫力是管子平均每平方米脹接周邊所受到的力，單位為Pa。對(duì)于管子與管板是焊接連接的接頭，實(shí)驗(yàn)表明，接頭的強(qiáng)度高于管子本身金屬的強(qiáng)度，拉脫力不足以引起街頭的破壞。由于管子和管板采用的是焊接連接，因此在這里我們不需要計(jì)算

40、管子拉脫力。 膨脹節(jié)設(shè)置計(jì)算 必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件： 對(duì)于固定管板式換熱器，用下式計(jì)算殼體和管子中的應(yīng)力： 若滿足下述條件之一者，必須設(shè)置膨脹節(jié)： 式中F1是由殼體和管子之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力，N； F2是由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N； 其中 F3是由于殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，N； At,As分別為管程和殼程的橫截面積，mm2；

41、 。 分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，； t0安裝時(shí)的溫度； tt,ts分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，oC； 殼體和管子的材質(zhì)都為碳素鋼，其物性常數(shù)如下： 查外壓圓管、管子和球殼厚度計(jì)算圖（屈服點(diǎn)大于207MPa的碳素鋼） 得：B=140MPa。 [σ]st=113MPa，[σ]tt=112MPa，Φ=0.85。 由此可知此換熱器并不必設(shè)置膨脹節(jié)。 第5章 強(qiáng)度計(jì)算 5.1 設(shè)計(jì)條件 換熱器

42、設(shè)計(jì)條件如表5-1所示。 表5-1 設(shè)計(jì)條件 管程 殼程 壓力 MPa 溫度 ℃ 金屬溫度 ℃ 操作 0.4 0.4 設(shè)計(jì) 0.5 0.5 操作 進(jìn)/出 25℃/32℃ 140℃/35℃ 設(shè)計(jì) 進(jìn)/出 -10℃/70℃ -10℃/170℃ 殼程圓筒ts 140℃ 換 熱 管tt 40℃ 介質(zhì)

43、 水 煤油 腐蝕裕量℃ mm 2 2 程數(shù) 2 1 焊接接頭系數(shù) 0.85 0.85 5.2 結(jié)構(gòu)尺寸 換熱器公稱直徑DN200，即mm； 換熱管為正三角形排列,管心距t=25mm； 換熱管排列根數(shù)； 換熱管規(guī)格，mm； 換熱管與管板的連接形式：焊接連接； 管板分程隔板槽深4mm； 殼程側(cè)管

44、板結(jié)構(gòu)開槽深度3mm； 管箱法蘭采用HG/T 20592-2009 法蘭 PL200(B)-16RF Q345R 法蘭外直徑mm； 法蘭螺柱孔中心圓直徑mm； 法蘭密封面尺寸mm； 法蘭頸部大端厚度mm； 法蘭頸部小端厚度mm； 管箱法蘭厚度mm； 柱數(shù)量； 柱規(guī)格，查JB4707-2000，得，則螺柱有效承載面積mm2； 墊片采用JB/T4718-2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的石棉橡膠板； 墊片尺寸，mm； 墊片接觸寬度mm； 基本密封寬度，查文獻(xiàn)[1]表9-1得： mm （5-1

45、） 查表9-2，墊片系數(shù)，比壓力； 5.3 材料選擇及許用應(yīng)力的計(jì)算 查文獻(xiàn)： 圓筒、管箱封頭選擇材料Q345R， 查表4-1，70℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 170℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 查表F5，140℃金屬溫度下彈性模量MPa； 查表F6 140℃金屬溫度平均線性膨脹系數(shù)mm/mm℃； 管板材選擇料Q345R鍛件 查表4-5，常溫下許用應(yīng)力MPa； 70℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 170℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 查表F5，70℃金屬溫度下彈性模量MPa； 170℃金屬

46、溫度下彈性模量MPa； 螺柱材料：40MnB 查表4-7，常溫下許用應(yīng)力MPa； 70℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 170℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 接管材料：10號(hào)鋼 查表4-3，常溫下許用應(yīng)力MPa； 70℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 170℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa 墊片材料：石棉橡膠板。 表9-2，墊片系數(shù)；比壓力MPa； 換熱管，法蘭材料選用20號(hào)鋼 ； 查表4-3，170℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力MPa； 查表F2, 170℃設(shè)計(jì)溫度下屈服應(yīng)力MPa；

47、查表F5，170℃金屬溫度下彈性模量MPa； 40℃金屬溫度下彈性模量MPa； 查表F6，40℃金屬溫度平均線性膨脹系數(shù)mm/mm℃； 5.4 管箱設(shè)計(jì) 由公式計(jì)算圓筒部分計(jì)算厚度： （5-2） 式中 —計(jì)算厚度，mm —計(jì)算壓力，mm —筒體內(nèi)徑，mm —設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，Mpa —焊接接頭系數(shù) mm 設(shè)計(jì)厚度： mm 參考文獻(xiàn)，查得鋼板負(fù)偏差mm。

48、 名義厚度： mm 根據(jù)文獻(xiàn)中表8查得公稱直徑為200mm的固定管板換熱器的最小壁厚為6mm，按參考文獻(xiàn)，因此取名義厚度mm比較合適。 5.5 封頭計(jì)算 設(shè)計(jì)中選擇標(biāo)準(zhǔn)型橢圓封頭，所以： 計(jì)算厚度： mm 設(shè)計(jì)厚度： mm 按文獻(xiàn)，選擇鋼板負(fù)偏差mm。 所以名義厚度： mm 參考文獻(xiàn)中表8查得公稱直徑為200mm的固定管板式換熱器的壁厚最小值為6mm，取名義厚度mm比較合適。 5.6 筒體設(shè)計(jì) 圓筒計(jì)算厚度： mm 設(shè)計(jì)厚度； mm 按文獻(xiàn)，查得鋼板負(fù)偏差mm。 名義厚度： mm 參考文獻(xiàn)中表8查得公稱直徑200mm的固定管板換熱器的壁厚最小值為

49、6mm，所以取名義厚度mm比較合適。 5.7 換熱器管板設(shè)計(jì) 5.7.1 相關(guān)面積計(jì)算 殼側(cè)筒體橫截面積： mm2 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距mm； 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)； 換熱管支撐的面積由公式： （5-3） mm2 開孔后管板面積： mm2 所以， 筒體金屬橫截面積： （5-4）

50、 mm2 布管區(qū)面積： （5-5） mm2 參考文獻(xiàn)附錄J1得：mm2，所以全部換熱管管壁金屬橫截面積： mm2 所以，由公式 （5-6） 5.7.2 換熱管許用應(yīng)力的計(jì)算 參考文獻(xiàn)

51、附錄表J1查得換熱管的回轉(zhuǎn)半徑mm，前面計(jì)算換熱器折流板間距等于60mm，參考文獻(xiàn)圖32得換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度mm。 所以由公式得系數(shù)： （5-7） 因此由直線公式得許用應(yīng)力： （5-8） 符合要求。 5.7.3 力矩計(jì)算 布管區(qū)當(dāng)量直徑： mm 直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比由下式計(jì)算： （5-9） 管板凸緣寬度由下式計(jì)算： （5-10

52、） 1. 螺柱面積的確定 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積由下式計(jì)算： （5-11） mm2 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積： （5-12） mm2 需要螺柱面積： mm2 2. 壓緊力中心圓直徑的確定 因?yàn)閙m，所以， mm mm 3. 螺柱載荷的計(jì)算 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺柱載荷： （5-13）

53、 N 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷： （5-14） N 需要螺柱載荷： N 4. 管程壓力操作工況下的法蘭力矩為 螺柱中心至作用位置處的徑向距離由下式計(jì)算： （5-15） mm 螺柱中心至作用位置處的徑向距離由下式計(jì)算： （5-16） mm 螺栓中心至作用位置處的徑向距離：

54、 （5-17） mm 法蘭墊片壓緊力由下式計(jì)算： （5-18） N 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力由下式計(jì)算： （5-19） N 流體靜壓總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力之差： （5-20）

55、 N 法蘭操作力矩由下式計(jì)算： （5-21） Nmm 基本法蘭力矩由下式計(jì)算： （5-22） Nmm 因?yàn)椋? ，， 參考文獻(xiàn)圖26得：。 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： （5-23）

56、 MPa 殼體不帶波形膨脹節(jié)時(shí)，換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差。 換熱管束與圓筒剛度比： （5-24） 系數(shù)： （5-25） 系數(shù)： （5-26） 管板剛度削弱系數(shù)； 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)； 管板延長部分兼作法蘭的厚度： mm； 管板有效厚度： mm； 換熱管有效長度

57、： mm； 換熱管加強(qiáng)系數(shù)： 管板周邊布管區(qū)無量綱寬度： 因?yàn)?，符合文獻(xiàn)中5.7.3的規(guī)定。 由于： ，, 參考文獻(xiàn)圖26得 殼體法蘭與圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)由下式計(jì)算： （5-27） MPa 管束模數(shù)按下式計(jì)算: （5-28）

58、 Mpa 旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù): MPa 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)按下式計(jì)算: （5-29） 因?yàn)椋瑓⒖嘉墨I(xiàn)查表9-5，得： 按和查文獻(xiàn)圖27得：管板第一彎矩系數(shù) 按和查文獻(xiàn)圖28（a）得：管板第二彎矩系數(shù) 系數(shù)，按和查文獻(xiàn)圖29得： 系數(shù)，按和查文獻(xiàn)圖30得： 系數(shù)按下式計(jì)算： （5-30） 系數(shù) （5-31） 法蘭力矩折減系數(shù)：

59、 （5-32） 管板邊緣力矩變化系數(shù)： （5-33） 法蘭力矩變化系數(shù)由下式計(jì)算： （5-34） 5.8 應(yīng)力校核計(jì)算 5.8.1 殼程設(shè)計(jì)壓力的情況 1. 計(jì)入膨脹變形差的情況 設(shè)定環(huán)境溫度，則換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差： MPa 管程設(shè)計(jì)壓力M

60、Pa； 有效壓力組合 ； 當(dāng)量壓力組合MPa； 管板邊緣剪切系數(shù)： 管板邊緣力矩系數(shù)： 基本法蘭力矩系數(shù)： 管板總彎矩系數(shù) 系數(shù)，當(dāng)時(shí)，按和，查文獻(xiàn)圖31（b）實(shí)線，得：。 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)： 管板徑向應(yīng)力系數(shù)：

61、 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)： 殼體法蘭力矩系數(shù)： 管板徑向應(yīng)力： MPa Mpa 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力： MPa MPa 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力： MPa 殼體法蘭應(yīng)力：

62、 MPa Mpa 換熱管軸向應(yīng)力（位于管束周邊處換熱管軸向應(yīng)力） MPa MPa 殼程圓筒軸向應(yīng)力： MPa 換熱管與管板的焊腳高度參考文獻(xiàn)中5.8.3.2的規(guī)定，mm，換熱管與管板連接拉脫力： 各項(xiàng)應(yīng)力均符合要求。 2. 不計(jì)入膨脹變形差的情況 這時(shí)： ，， 殼程設(shè)計(jì)壓力MPa； 當(dāng)量壓力組合MPa； 有效壓力組合 MPa； 管板邊緣力矩系數(shù)

63、： 管程壓力操作工況下的法蘭力矩系數(shù)： 管板邊緣剪切系數(shù)： 管板總彎矩系數(shù)： 系數(shù)，當(dāng)時(shí)，,按和，查文獻(xiàn)圖31（b）實(shí)線，得： 管板徑向應(yīng)力系數(shù)： 0.7 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)： 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)： 殼體法蘭力矩系數(shù)：

64、 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力： MPa 管板徑向應(yīng)力： MPa 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力： MPa 殼程圓筒軸向應(yīng)力： MPa 殼體法蘭應(yīng)力： MPa 換熱管軸向應(yīng)力（位于管束周邊處換熱管軸向應(yīng)力）： MPa 換熱管與管板的焊腳高度按文獻(xiàn)[2]中5.8.3.2的規(guī)定，mm，換熱管與管板連接的拉脫力： MP

65、a 各項(xiàng)應(yīng)力均符合要求。 5.8.2 管程設(shè)計(jì)壓力的情況 1. 計(jì)入膨脹變形差的情況 根據(jù)5.8.1.1已知： ，MPa， 有效壓力組合Mpa 當(dāng)量壓力組合Pc=Ps-Pt(1+)=0.5MPa 基本法蘭力矩系數(shù)： 管板邊緣力矩系數(shù)： 管板邊緣剪切系數(shù)： 管板總彎矩系數(shù)： 系數(shù)： 系數(shù)，當(dāng)時(shí)，按和，查文獻(xiàn)圖31（a）實(shí)線，得； 系數(shù)，取，故

66、。 管板徑向應(yīng)力系數(shù)： 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)： 殼體法蘭力矩系數(shù)： 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)： 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力： MPa 管板徑向應(yīng)力： MPa 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力： MPa 殼程圓筒軸向應(yīng)力： MPa 殼體法蘭應(yīng)力： MPa 換熱管軸向應(yīng)力（位于管束周邊處換熱管軸向應(yīng)力）： Mpa 換熱管與管板的焊腳高度按文獻(xiàn)中5.8.3.2的規(guī)定，mm，換熱管與管板