熱水冷卻器設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　列管式換熱器（熱水冷卻器）</p><p>　　Tube heat exchanger (hot water cooler )</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　課題名稱 列管式換熱器（熱水冷卻器）</p&g

2、t;<p><b>　　一．選題意義及背景</b></p><p>　　換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。</p><p>　　在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。</p>

3、<p>　　本課題就是利用相關知識，設計出達到工藝所規(guī)定的要求，同時強度、結構可靠，便于制造、安裝和檢修，以及經(jīng)濟上合理的列管式換熱器，滿足生產(chǎn)需要。</p><p>　　二、設計任務及操作條件：</p><p><b>　　設計參數(shù)表：</b></p><p>　　注:每年按330天計算，每天24小時運轉</p>

4、<p>　　三．畢業(yè)設計（論文）主要內容：</p><p><b>　　完成設計論文</b></p><p>　　完成管殼式換熱器主體和零部件的結構和強度設計</p><p>　　完成A1圖紙不少于三張（總裝配圖和零件圖）</p><p><b>　　四．計劃進度：</b></p&g

5、t;<p>　　第一周：查閱資料，完成論文的緒論，并對換熱器的結構和強度設計有所認識。</p><p>　　第二周和第三周：完成熱工計算、管殼式換熱器的結構和強度設計。</p><p>　　第四周：根據(jù)自己的設計，繪制出換熱器的總裝配圖和零件圖。</p><p>　　第五周：查缺補漏，修改論文和圖紙等，并提交畢業(yè)設計相關資料，準備答辯。</p&g

6、t;<p>　　五．畢業(yè)設計（論文）結束應提交的材料：</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）報告</p><p>　　畢業(yè)設計論文評閱表和交叉評閱表</p><p><b>　　答辯評分表</b></p><p>　　論文真實性承諾及指導教師聲明</p><p><b>　

7、　設計計算書</b></p><p><b>　　圖紙</b></p><p><b>　　光盤</b></p><p>　　指導教師 教導主任 </p>

8、<p>　　年 月 日 年 月 日</p><p>　　論文真實性承諾及指導教師聲明</p><p><b>　　學生論文真實性承諾</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所提交的作品是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作所取得的

9、成果，內容真實可靠，不存在抄襲、造假等學術不端行為。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。如被發(fā)現(xiàn)論文中存在抄襲、造假等學術不端行為，本人愿承擔本聲明的法律責任和一切后果。</p><p>　　畢業(yè)生簽名： 日 期： </p><p>

10、　　指導教師關于學生論文真實性審核的聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：已經(jīng)對學生論文所涉及的內容進行嚴格審核，確定其內容均由學生在本人指導下取得，對他人論文及成果的引用已經(jīng)明確注明，不存在抄襲等學術不端行為。</p><p>　　指導老師簽名： 日 期： </p><p><b>

11、;　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 化工設備簡介1</p><p>　　1.2 換熱器概述1&

12、lt;/p><p>　　1.2.1 管殼式換熱器的分類1</p><p>　　1.2.2 管殼式換熱器結構3</p><p>　　1.3 換熱器相關技術研究內容及發(fā)展動向4</p><p>　　1.4 本課題的研究內容及意義4</p><p>　　第二章 固定管板式式換熱器的結構設計5</p>

13、;<p>　　2.1 設計參數(shù)5</p><p>　　2.2 換熱器熱工設計5</p><p>　　2.2.1 殼程流體熱水的定性溫度與物性參數(shù)6</p><p>　　2.2.2 管程循環(huán)水溫度與物性參數(shù)7</p><p>　　2.2.3 管程的傳熱與壓降7</p><p>　　2.2

14、.4 殼程的傳熱與壓降8</p><p>　　2.2.5 總傳熱系數(shù)9</p><p>　　第三章 固定管板式式換熱器的強度計算11</p><p>　　3.1 換熱器主要零部件的強度計算11</p><p>　　3.1.1 換熱器殼體壁厚計算11</p><p>　　3.1.2 換熱器封頭的壁厚

15、計算11</p><p>　　3.1.3 壓力試驗及其強度校核12</p><p>　　3.1.4 換熱器壓力容器法蘭的選擇與計算13</p><p>　　3.1.5 管板的選擇與尺寸計算13</p><p>　　3.1.6 分程隔板的選擇14</p><p>　　3.1.7 膨脹節(jié)的選用與計算1

16、4</p><p>　　3.1.8 折流板的設計與計算15</p><p>　　3.1.9 接管的選擇與計算15</p><p>　　3.1.10 接管法蘭的選擇與計算16</p><p>　　3.1.11 接管開孔補強的計算17</p><p>　　3.1.12 管箱的選擇與計算18</

17、p><p>　　3.1.13 拉桿和定距管的選用19</p><p>　　3.1.14 選擇換熱器支座并核算承載能力21</p><p>　　3.2 換熱器各部件的連接方式22</p><p>　　3.2.1 管板與殼體的連接22</p><p>　　3.2.2 管子與管板的連接22</p>

18、<p>　　3.2.3 管板與容器法蘭的連接23</p><p><b>　　總 結24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b>　　摘 要</b

19、></p><p>　　換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。</p><p>　　本文以固定管板式管式換熱器為研究對象，在查閱國內外眾多文獻的基礎上，對換熱器的發(fā)展、背景、分類和用途進行了探索和研究，以氣氣換熱器的設計過程為主線，結構設計為主體，全面介紹換熱器的設計全過程。本文主要以循環(huán)水和氯乙烷為介質，按實際設計步驟依次進行熱工計

20、算、結構設計和強度設計，并畫出換熱器的CAD結構圖。主要研究內容如下：</p><p>　?。?）對換熱器的發(fā)展、分類、材料和運用進行闡述，了解換熱器的基本構造和基本原理。</p><p>　　（2）通過查閱換熱器設計相關標準得出的數(shù)據(jù)，對U形管式換熱器的進行設計，具體分為換熱器的熱工計算，結構計算和強度計算。</p><p>　?。?）換熱器的外部設計包括它的筒體

21、的設計、封頭的設計、管箱和換熱器支座的設計。</p><p>　　（4）換熱器的內部設計包括：它的換熱管的尺寸、固定管板的厚度以及折流擋板的尺寸。</p><p>　　除了上述以外，換熱器的研究內容還應包括它的壓力容器法蘭、管法蘭、開孔與補強、接管處的零部件，還有它的附件、各個開孔處的應力校核等等。</p><p>　　本文是在壓力容器設計應用分類方法的基礎上，查閱

22、換熱器設計相關標準，在此加以研究和分析得出換熱器的設計數(shù)據(jù)，并作出CAD圖，對我們了解換熱器的設計流程和作用有了更深刻了解。</p><p>　　關鍵詞： 換熱器 壓力容器 固定管板式</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Heat exchanger is part of the essential e

23、quipments, which transfer thermal fluid heat to thecold fluid in the chemical production process, to achieve heat exchange and transmission.</p><p>　　In this paper, fixed heat exchanger was used as the resea

24、rch object, and the development, background, classification, use, exploration and research of the heat exchanger was discussed on the basis of referring to much literature home and abroad.</p><p>　　The compr

25、ehensive description of the whole process design of heat exchanger was discussed, using the heat exchanger design process as the main line and the structural design as the main body. In this paper, HCl mixture was used a

26、s the medium, according to the actual design procedure followed by the calculation of thermal engineering, structural design and strength design, and also heat exchanger CAD chart was drown at last. Main research content

27、s are as follows:</p><p>　　(1) The development, classification, materials, and the use of the heat exchange was elaborated to understand the basic structure and basic principles of the heat exchanger.</p&

28、gt;<p>　　(2) The fixed heat exchanger design was divided into the calculation, structural calculation and strength calculation on the data obtained by referring to the heat exchanger design-related standards.</

29、p><p>　　(3) The external heat exchanger design included the design of its cylinder, head, tube boxes and supports.</p><p>　　(4) The interior design of heat exchanger included the design of the size

30、 of its heat exchange tube, fixed tube sheet thickness and baffled baffle size.</p><p>　　In addition, the design content also included its pressure vessel flanges, pipe flanges, openings and opening of the p

31、ipe, as well as its attachments, each hole stress check, etc.</p><p>　　The design data and the CAD structure map of the heat exchanger was obtained, using the pressure vessel design applications on the basis

32、 of classification and referring to the heat exchanger design-related criteria.</p><p>　　KEYWORDS: heat exchanger；pressure vessel；fixed heat exchange</p><p>　　第一章 緒論

33、 </p><p>　　1.1 化工設備簡介</p><p>　　化工生產(chǎn)離不開化工設備，化工設備是化工生產(chǎn)必不可少的物質技術基礎，是生產(chǎn)力的主要因素，是化工產(chǎn)品質量保證體系的重要組成部分[1]。然而在化工設備中化工容器占據(jù)著舉足輕重的地位，由于化工生產(chǎn)中，介質通常具有較高的壓力，化工容器一般有筒體、封頭、支座、法蘭及各種容器開孔接管所組成，通常為壓力容器，

34、因為壓力容器是化工設備的主體，對其化工生產(chǎn)過程極其重要，國家對其每一步都有具的標準對其進行規(guī)范，如：中國《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》、GB150—1998《鋼制壓力容器》、GB151—1999《管殼式換熱器》等。在其中能根據(jù)不通的操作環(huán)境選出不同的材料，查出計其允許的工作壓力，工作溫度等[2]。</p><p>　　1.2 換熱器概述</p><p>　　換熱器簡單說是具有不同溫度的兩種

35、或兩種以上流體之間傳遞熱量的設備。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，進行著各種不同的熱交換過程，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，使流體溫度達到工藝的指標，以滿足生產(chǎn)過程的需要。此外，換熱設備也是回收余熱，廢熱，特別是低品位熱能的有效裝置[3]。</p><p>　　1.2.1 管殼式換熱器的分類</p><p>　　根據(jù)管殼式換熱器的結構特點，常將其分為固定管板式、浮頭式、U型管

36、式、填料函式、滑動管板式、雙管式等[4]。</p><p>　　1）固定管板式換熱器</p><p>　　固定管板式換熱器的典型結構如下圖所示。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵塞或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線脹系數(shù)相差較大時，殼體與管束將會產(chǎn)生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼測介質清潔且不易結垢、

37、并能進行清洗、管程與殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼測壓力不高的場合[5]。</p><p>　　固定管板式換熱器結構圖</p><p><b>　　2）浮頭式換熱器</b></p><p>　　浮頭式換熱器的典型結構如下圖所示。兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可

38、從殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應力[6]。</p><p>　　浮頭換熱器的特點是管間與管內清洗方便，不會產(chǎn)生熱應力；但其結構復雜，造價比固定管板式換熱器高，設備笨重，材料消耗大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢驗，制造時對密封要求較高。適用于殼體與管束之間壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。</p><p><b>　　浮頭式換熱器結構圖</b>&

39、lt;/p><p><b>　　3）U形管換熱器</b></p><p>　　U形管式換熱器的典型結構如下圖所示。這種換熱器的結構特點是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一根管板上管子可自由伸伸縮。當殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應力[7]。</p><p><b>　　U形管換熱器結構圖</b>&l

40、t;/p><p>　　由于彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少管束最內層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利，當管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而且壞一根U形管相當于壞兩根管，報廢率較高。</p><p>　　U形管結構比較簡單、價格便宜、承壓能力強、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢需清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的

41、場合。特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。</p><p><b>　　4）填料函式換熱器</b></p><p>　　填料函式換熱器的典型結構如下圖所示。這種換熱器的結構特點與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結構。由于采用填料函式密封結構，使得管束在殼體軸向可自由伸縮，殼壁與管壁不會產(chǎn)生熱變

42、形差，從而避免可熱應力。其結構較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內可以抽出你，管內，管間都能清洗，維修方便[8]。</p><p>　　填料函式換熱器結構圖</p><p>　　1.2.2 管殼式換熱器結構</p><p>　　管殼式換熱器的主要零部件有殼體、接管、封頭、管板、換熱管、折流元件等，對于溫差較大的固定管板式換熱器，

43、還應包括膨脹節(jié)。管殼式換熱器的結構應該保證冷、熱兩種流體分走管程和殼程，同時還要承受一定溫度和壓力的能力[9]。</p><p>　　(1)管板：管板是換熱器的重要元件，主要是用來連接換熱器，同時將管程和殼程分隔，避免冷熱流體相混合。當介質無腐蝕或有輕微腐蝕時，一般采用碳素鋼、低合金鋼板或其鍛件制造。</p><p>　　(2)管子與管板的連接：管子與管板的連接必須牢固，不泄漏。既要滿足其

44、密封性能，又要有足夠的抗拉強度。其連接形式主要有強度脹接、強度焊接、脹焊結合等[10]。</p><p>　　(3)管箱：其作用是把管道中來的流體均勻分布到各換熱管中，將換熱管內流體匯集在一起送出換熱器[11]。</p><p>　　(4)折流板和支承板：殼程內側裝設折流板或支承板，折流板的作用是組</p><p>　　殼間流道，使流體以適當?shù)牧魉贈_刷管束，提高傳熱

45、系數(shù)，改善傳熱效果，以達到一定的傳熱強度。常用的折流板有弓形和圓環(huán)形兩種，弓形折流板又分為單弓形、雙弓形和三弓形[12]。</p><p>　　(5)拉桿和定距管：折流板的安裝一般是用拉桿和定距管組合并與管板固</p><p>　　在一起。拉桿與管板連接的一端可用焊接或螺紋連接，另一端也用焊接或螺紋固定。一般拉桿的直徑不得小于10mm、數(shù)量不得小于4根[13]。</p>&l

46、t;p>　　管板與殼體的連接：其連接型式可分為不可拆式和可拆式。</p><p>　　1.3 換熱器相關技術研究內容及發(fā)展動向</p><p>　　隨著換熱器廣泛應用于各行業(yè)，誕生了許多新型的換熱器，這使得換熱器相關技術也得到不斷提高，傳熱理論不斷完善，換熱器研究、設計、技術、制造等技術不斷發(fā)展，換熱技術的發(fā)展同時又促進了各種新型高效換熱器的不斷發(fā)展[14]。 </p>

47、<p>　　目前各國為提高這類換熱器性能進行的研究主要是強化傳熱，強化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強化傳熱的重點，主要是通過強化管程傳熱和殼程傳熱兩個方面得以實現(xiàn)。</p><p>　　目前，管殼式換熱器強化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴展表面；用添加內插物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管

48、的內外表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內外流體同時產(chǎn)生湍流并達到同時擴大管內外有效傳熱面積的目的，提高傳熱管的傳熱性能；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并可增加其抗污垢能力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動分布，充分利用傳熱面積等。</p><p>　　換熱器相關技術的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾發(fā)面：防腐技術，大型化與小型化并重，強化技術，抗振技術，防結垢技術，制造技術，研究手段

49、。</p><p>　　隨著工業(yè)中經(jīng)濟效益與社會環(huán)境保護的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路的與新結構的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟、環(huán)保的方向發(fā)展[15]。</p><p>　　1.4 本課題的研究內容及意義</p><p>　　本課題主要研究的是固定管板式換熱器，查閱換熱器相關標準，分析固定管板式各部分性能影響，并進行

50、了換熱器的熱工計算、結構計算和強度計算[16]。</p><p>　　換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。本文的研究結果對指導換熱器的規(guī)?；a(chǎn)，擴大其應用領域，以在廣泛范圍內逐步取代進口同類材料，降低使用成本具有重要意義。</p><p>　　近年來，隨著制造技術的進步

51、，強化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，也取得了較大的經(jīng)濟效益。故我們在選擇換熱設備時一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。在即定的流體之間，在一定時間內交換一定數(shù)量的熱量；也可以是以回收熱量為目的，用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設備被破壞[17]。</p>&l

52、t;p>　　第二章 固定管板式式換熱器的結構設計</p><p>　　本章節(jié)主要對固定管板式換熱器進行熱工設計的計算，它的設計程序或步驟隨著設計任務數(shù)和原始數(shù)據(jù)的不同而不同，要盡可能的使已知數(shù)據(jù)和要設計計算的項目順次編排，但由于許多項目之間互相關聯(lián)，無法排定順序，故往往先根據(jù)經(jīng)驗選定一個數(shù)據(jù)使計算進行下去，通過計算得到結果后再與初始假定的數(shù)據(jù)進行比較，知道達到規(guī)定的偏差要求，試算才告結束。</p&g

53、t;<p>　　一般換熱器的設計程序如下：</p><p>　?。?）根據(jù)生產(chǎn)任務和有關要求確定設計方案；</p><p>　?。?）確定換熱器類型和主要結構；</p><p>　?。?）根據(jù)換熱量要求，計算換熱面積，確定換熱管與殼體尺寸；</p><p>　?。?）核算換熱器的傳熱能力及流動阻力；</p><

54、;p>　?。?）確定換熱器的工藝結構，形成工藝簡圖。</p><p><b>　　2.1 設計參數(shù)</b></p><p>　　換熱器的設計參數(shù)如表2.1所示。</p><p><b>　　表2.1 設計參數(shù)</b></p><p>　　Tab. 2.1 Design Parameters&

55、lt;/p><p>　　2.2 換熱器熱工設計</p><p>　　合理安排流程。，熱水走殼程有助于散熱。所以循環(huán)水走管程。</p><p>　　由于所設計的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在次綜合成本、使用條件等的考慮，選擇16MnR為殼體與管箱的材料。</p><p>　　16MnR是低碳低合金鋼具有優(yōu)良的綜合力學

56、性能和制造工藝性能，其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。</p><p>　　2.2.1 殼程流體熱水的定性溫度與物性參數(shù)</p><p>　　(1) 熱水的的定性溫度：Tm=(T1+T2)/2=67.5℃</p><p>　　選擇熱水的質量流量：wh=12㎏/s</p&

57、gt;<p>　　(2) 定性溫度與物性參數(shù)的選擇與計算</p><p>　　根據(jù)《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊有機卷》查得： </p><p>　　熱水在67.5℃下，其液體密度h=980.59㎏/m3 </p><p>　　熱水在67.5℃下，其粘度h=4.23310

58、-4 Pa·s </p><p>　　熱水在67.5℃℃下，其比熱容Cph=4.178 KJ/(kg ·0C) </p><p>　　熱水在67.5℃℃下，其熱導率h=0.162 W/(m· 0C) </p><p>　　根據(jù)公式Prh=Cph·h /h 得：</p&

59、gt;<p>　　普朗特數(shù)Prh=4.1784.23310-4/0.162=0.0109</p><p>　　(3) 物料與熱量衡算</p><p>　　負荷Q=wh·Cph (T1-T2)(換熱效率一般取=0.98)</p><p>　　=124.178250.98</p><p><b>　　=123

60、0㏎</b></p><p>　　(4)確定換熱器流程形式，計算換熱器的有效平均溫度差△tm。管殼式換熱器主要有逆流式、并流式、錯流式幾種。在逆流式換熱器中兩種流體以相反方向流動從熱力學角度考慮這種優(yōu)于其它任何一種，傳熱效率較高，因此選擇逆流的方式進行換熱。</p><p>　　逆流時：熱流體溫度 T 800C→550C</p><p>　　冷流體溫度

61、 t 300C→400C</p><p>　　兩端溫度差 △t 500C→150C</p><p>　　逆流對數(shù)平均溫差：△tmr=（△t1-△t2）/ ln(△t1/△t2)</p><p>　　=(500C -150C)/ ln(500C /150C)</p><p><b>　　=29.170C</b><

62、/p><p>　　流程形式：1流程—2管程</p><p>　　參數(shù)：R=(T1-T2)/(t1-t2)=25/10=2.5</p><p>　　P=(t1-t2)/(T1-T2)=10/25=0.4</p><p>　　查《過程裝備成套技術設計指南》得：=0.95</p><p>　　有效平均溫度△tm=·△t

63、mr=27.710C</p><p><b>　　(5)初算傳熱面積</b></p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》初選傳熱系數(shù)K0=1300 W/(m2· 0C)</p><p>　　傳熱面積A0=Q/K0△tm=1230103/130027.71=34.145m2</p><p><b&

64、gt;　　(6)換熱結構設計</b></p><p>　　選擇換熱管材料：選擇材質為Q245鋼，換熱管長為4.5m,25×2.5的無縫鋼管，管程壓降的結垢修正系數(shù)Fi=1.4,換熱管內外徑分別為：di=0.02m,d=0.025m。</p><p>　　換熱管管數(shù)n= A0/dL=34.145/3.140.0254.5=96.6根</p><p&g

65、t;　　根據(jù)《換熱器設計手冊》書中，查表1-2-7，確定其管束為126根，其正六角形對角線上的管子數(shù)b=12根</p><p>　　根據(jù)流體流速范圍選定管程數(shù)為Nt=2</p><p>　　換熱管排列方式：選擇正三角形排列方式</p><p>　　查表16-4得換熱管中心距：S=32㎜</p><p>　　管束中心排管束：nc=1.1+4=1

66、7根</p><p>　　換熱器殼體內徑的確定：Di=a（b-1）+2L</p><p>　　式中：L-最外層管子中心到殼壁邊緣的距離，取L=2d0=2×25=50㎜</p><p>　　可得：Di=0.032×（13-1）+2×0.05=434㎜</p><p>　　取殼體直徑Di=450㎜</p>

67、<p>　　換熱器長徑比L/ Di=4500/450=10,在臥式換熱器長徑比6～10范圍內，所以選擇的換熱器符合要求。</p><p>　　折流板的形式：選擇單弓形折流板</p><p>　　按GB151-1999查得折流板外徑Db=0.447m</p><p>　　折流板缺口弦高h=0.20Di=0.09m</p><p>

68、　　折流板間距B=(0.2-1) Di=0.3m</p><p>　　折流板數(shù)Nb=L/B-1=4.5/0.3-1=14</p><p>　　2.2.2 管程循環(huán)水溫度與物性參數(shù)</p><p>　　(1)循環(huán)水的定性溫度：tm=（t1+t2）/2=350C</p><p>　　(2)定性溫度與物性參數(shù)的選擇與計算</p>&

69、lt;p>　　根據(jù)《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊無卷》查得：</p><p>　　循環(huán)水在350C下：其密度c=994.1㎏/m3</p><p>　　其粘度c=7.225×10-4 Pa·s</p><p>　　其比熱容Cpc=4.187 KJ/(kg ·0C)</p><p>　　其熱導率c=0.148 W/(

70、m· 0C)</p><p>　　根據(jù)公式Prh=Cpcc/c 得：</p><p>　　普朗特數(shù)Prc=4.187×7.225×10-4/0.148=0.2044</p><p>　　根據(jù)公式：Q= wcCpc(t1-t2) 得：</p><p>　　wc=Q/ Cpc(t1-t2)=1230/4.18

71、7×(40-30)=29.4kg/s</p><p>　　2.2.3 管程的傳熱與壓降</p><p>　　管程流速：uh=wh·Nt·4/nhdi2</p><p>　　=12×4·Nt /980.59×127×(0.02)2× =0.614m/s</p><p&

72、gt;　　管程雷諾數(shù)：Re=di·uh·h/h=0.02×0.614×980.59/4.23310-4=28447</p><p>　　假定換熱管壁溫t′=430C，在其溫度下的粘度w=0.6207×10-4Pa·s</p><p>　　管程流體給熱系數(shù)ai=0.023(h/di)Re0.8Prh n (流體被加熱取n=0.

73、4)</p><p>　　=0.023×(0.162/0.02) ×28447×0.01090.4</p><p><b>　　=869.1</b></p><p><b>　　管程進出口流速：</b></p><p><b>　　uNt=</b>

74、</p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》圖4-3查得管程摩擦因子fi=0.008</p><p><b>　　管內摩擦壓降:</b></p><p><b>　　回彎壓降： </b></p><p><b>　　Pa</b></p><p>

75、;<b>　　進出口局部壓降：</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p><b>　　管程壓降：</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p>　　管程最大允許壓降：=35000Pa</p><

76、;p>　　校核管程壓降：因為，所以管程壓力合理。</p><p>　　2.2.4 殼程的傳熱與壓降</p><p><b>　　殼程當量直徑：</b></p><p>　　橫過管束的流通截面積： </p><p><b>　　殼程流體流速：</b></p><p>

77、;<b>　　殼程雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　　殼程流體給熱系數(shù)：</b></p><p>　　折流板圓缺部分的換熱管數(shù)按圓弧比計入nw=16，根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》，查表4-4得：h/Di=0.09/0.45=0.2時的值為0.112</p><p>　　折流板圓缺部分流通面積：</p&g

78、t;<p>　　折流板圓缺區(qū)流體流速：</p><p><b>　　圓缺區(qū)平均流速：</b></p><p><b>　　殼程出口流速：</b></p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》，查圖4-5得：殼程摩擦</p><p><b>　　f0=0.041<

79、/b></p><p>　　折流板間錯流管束壓降：</p><p><b>　　圓缺部分壓降：</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p><b>　　進出口局部壓降：</b></p><p><b>　　Pa<

80、;/b></p><p><b>　　殼程壓降：Pa</b></p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》，查得：殼程最大允許壓降:=35000Pa 校核殼程壓降：因為，所以管程壓力合理。</p><p>　　2.2.5 總傳熱系數(shù)</p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》表4-5污垢熱阻的參

81、數(shù)查得：管內污垢熱阻rdi=17.2×10-5 W/(m2· 0C)，管內污垢熱阻rdo=17.2×10-5 m2·0C/W,</p><p>　　查得換熱管材料導熱系數(shù)w=51.8 m2·0C/W</p><p><b>　　管壁熱阻:</b></p><p>　　==㏑ m2·0C

82、/W</p><p><b>　　總傳熱系數(shù)：</b></p><p>　　所以可求得總傳熱系數(shù)K=315.66,在（1.1～1.2）K0范圍之內，初選傳熱系數(shù)K0符合要求。</p><p>　　第三章 固定管板式式換熱器的強度計算</p><p>　　本章節(jié)主要對固定管板式換熱器進行機械設計的計算，其機械設計內容及步

83、驟如下：</p><p>　?。?）殼體直徑的確定和殼體厚度計算；</p><p>　?。?）換熱器封頭、管箱的選擇，壓力容器法蘭的選擇；</p><p>　?。?）管板尺寸的確定；</p><p>　　（4）折流板的選擇與計算；</p><p>　　此外，還考慮接管、接管法蘭的選擇及開孔補強等。</p>

84、<p>　　3.1 換熱器主要零部件的強度計算</p><p>　　3.1.1 換熱器殼體壁厚計算</p><p>　　(1)選擇鋼材：根據(jù)已知條件，得Q345R鋼材作為殼體材料。</p><p>　　(2)確定各設計參數(shù)：根據(jù)《化工設備》表2-5查得，取設計溫度t=100℃；按表2-8，Q345R在t=1500℃時的許用應力「」t=170MP；按表

85、2-10，面對接焊采用雙面局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)=0.85；按表2-11,鋼板厚度負偏差=0.6㎜（假設其鋼板名義厚度為6～7㎜），取腐蝕裕量=1㎜，厚度附加量C= + =1.6㎜；由Pc =（1.05～1.1）Pw, Pw=0.5MP,可得：Pc =1.1×0.5=0.55MP</p><p><b>　　(3)計算壁厚：</b></p><p>

86、<b>　　=</b></p><p><b>　　有效厚度</b></p><p>　　按鋼板厚度規(guī)格向上圓整后，取殼體名義厚度為8mm,此值在初始假設厚度范圍，故得</p><p>　　3.1.2 換熱器封頭的壁厚計算</p><p>　　由于Di/2hi=2時，橢圓形封頭的應力分布較好，且封

87、頭的壁厚與相連的筒體厚度大致相等，便于焊接，經(jīng)濟，合理，所以選擇標準橢圓形封頭，其形狀系數(shù)K=1.0。</p><p><b>　　由公式得： </b></p><p><b>　　有效壁厚: </b></p><p>　　按鋼板厚度規(guī)格向上圓整后取得名義厚度</p><p>　　根據(jù)JB/T474

88、6-2002標準，標準橢圓形封頭為DN450×8,曲面高度 =138mm,直邊高度 =25mm,如圖3-1所示，材料選用Q235鋼。</p><p>　　橢圓形封頭直邊高度h的選用</p><p>　　圖3-1 標準橢圓形封頭結構</p><p>　　3.1.3 壓力試驗及其強度校核</p><p>　　根據(jù)公式確定水壓試驗壓力

89、：</p><p>　　再根據(jù)公式校核殼體強度：</p><p>　　鋼板在試驗壓力下的屈服極限MPa</p><p><b>　　可計算出：</b></p><p>　　由于,所以液壓試驗時殼體強度滿足要求。</p><p>　　3.1.4 換熱器壓力容器法蘭的選擇與計算</p>

90、<p>　　(1)由殼體的設計壓力=0.55MPa,按照設計壓力公稱壓力的原則, 就進確定法蘭公稱壓力為0.6MP,為保證安全，所以就進提高一個公稱壓力等級，暫定法蘭公稱壓力為1.0MPa。</p><p>　　(2)根據(jù)容器法蘭公稱直徑等于其相連的殼體內徑，可得法蘭的公稱直徑DN=450mm,同時由設計溫度t=100℃和以上的初定的公稱壓力PN=1.0MPa,根據(jù)《化工設備》查4-1表確定選取甲型平

91、焊法蘭。</p><p>　　(3)根據(jù)介質特性及殼體材料確定法蘭材料為Q235-B，并根據(jù)t=100℃和PN=1.0MP,根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》表2-7，查得其最大允許工作壓力為1.0MP。</p><p>　　(4)由于1.0MP>0.55MP即法蘭最大允許工作壓力大于設計壓力，所以選擇公稱直徑DN=450mm，公稱壓力PN=1.0MP,材料為Q235-B的甲型平焊法蘭

92、。</p><p>　　(5)由于工作介質無毒，所以選擇平面密封面，根據(jù)《化工設備》 4-9表確定墊片為石棉橡膠板，螺栓材料為Q235-A,螺柱材料為Q235-A。</p><p><b>　　如表3-1所示：</b></p><p>　　圖3-2 容器法蘭（圖面形式）</p><p>　　(6)壓力容器法蘭標記為：

93、法蘭-FM450-1.0 JB/T 4703-2000</p><p>　　3.1.5 管板的選擇與尺寸計算</p><p>　　換熱器管板的計算十分復雜，一般均采用計算機計算。為了計算方便，也可由工具書查得選用管板尺寸。由管程工作壓力為0.4,可算管程的設計壓力Pt=1.1Pw=0.44MPa(取管板的公稱壓力為1.0MPa)的管板，材料為Q245R。</p><p

94、>　　根據(jù)《換熱器設計手冊》表1-6-9，可查得：在公稱直徑DN=450mm,殼程公稱壓力Ps=1.0MPa=Pt下的管板尺寸如下表所示：</p><p><b>　　表3-2 管板尺寸</b></p><p>　　圖3-3 固定管板結構簡圖</p><p>　　3.1.6 分程隔板的選擇</p><p>　　根

95、據(jù)GB151-1999 表 6查得DN<600時，隔板最小厚度為8mm。材料為Q235-B。</p><p>　　3.1.7 膨脹節(jié)的選用與計算</p><p>　　固定管板式換熱器在換熱過程中，管束與殼體有一定的溫差存在，而管板、管束與殼體是剛性連接在一起，當溫差達到某一個溫度直時，由于過大的溫差應力往往會引起殼體的破壞和管束的彎曲，需設置補償裝置，如膨脹節(jié)。膨脹節(jié)是安裝在固定管

96、板式換熱器上的撓性構件，對管束與殼體間的變形差進行補償，以此來消除殼體與管束間因溫差而引起的溫差應力。</p><p>　　膨脹節(jié)的型式較多，通常有波形膨脹節(jié)、平板膨脹節(jié)、形膨脹節(jié)等。而在生產(chǎn)實踐中，應用最多的，最普遍的是波形膨脹節(jié)。</p><p>　　根據(jù)GB151-1999附錄F的計算方法進行換熱管壁溫的計算，從設備的具體操作情況，可以假定K、、q和a保持不變，進行簡化計算：<

97、/p><p>　　熱流體的平均溫度為：</p><p>　　熱流體的平均溫度為：</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　即換熱管壁溫為51.25。</p><p>　　圓筒壁溫的計算：應外部有良好的保溫，故殼體壁溫可取殼層流體的平均溫度：</p><p>

98、;<b>　　管殼層溫差：</b></p><p>　　由于管束與殼體溫差小于50℃，所以不需要設置膨脹節(jié)。</p><p>　　3.1.8 折流板的設計與計算</p><p>　　折流板設計為單弓形，h=3/4×450=337.5mm,折流板間距取300mm;根據(jù)GB151-1999表34查得：折流板最小厚度為4mm;由表41查

99、得：折流板外徑為447mm,材料為Q235-A,</p><p><b>　　如圖3-5所示：</b></p><p><b>　　圖3-4 折流板</b></p><p>　　根據(jù)《化工設備機械設計基礎》查表16-15得：折流板的最小厚度為8mm</p><p>　　3.1.9 接管的選擇與

100、計算</p><p>　　(1)管程接管的選擇與計算： </p><p>　　根據(jù)公式 =2</p><p>　　根據(jù)其設計壓力為0.44MPa,材料為Q235-A ，設計溫度為100℃下的許用應力為130 MPa，</p><p><b>　　可計算得：</b></p><p>　

101、　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》表9-8應選用Shc.10系列的管子由于接管內流速<3m/s，可選用公稱直徑DN150,外徑為159mm，壁厚為5mm的管子。</p><p>　　根據(jù)《換熱器設計手冊》表1-6-6查得管子的外伸長度為200mm</p><p>　　(2)殼程接管的選擇與計算：</p><p>　　根據(jù)公式 =2</p>

102、;<p>　　根據(jù)其設計壓力為0.55 MPa，材料為Q235-A,設計溫度為100℃下的許用應力為130 MPa，則可計算得：</p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術設計指南》表9-8應選用Shc.10系列的管子，由于接管內流速<3m/s，可選用公稱直徑DN100,外徑為108mm，壁厚為4.5 mm的管子。</p><p>　　根據(jù)《換熱器設計手冊》表1-6-6

103、查得管子的外伸長度為150mm。</p><p>　　3.1.10 接管法蘭的選擇與計算</p><p>　　1、管程接管法蘭的選擇與計算：150×5接管法蘭</p><p>　　(1)根據(jù)管法蘭的公稱直徑就是與管法蘭相連的接管公稱尺寸確定150×5接管法蘭的公稱直徑DN= 150mm。</p><p>　　(2)根據(jù)介

104、質特性，設計溫度t=100℃和接管材料，選定接管法蘭材料為Q235-A。</p><p>　　(3)根據(jù)管法蘭的材質和溫度t=100℃，按照設計壓力不得高于對應工作溫度下無沖擊工作壓力的原則，根據(jù)《化工設備機械基礎》查表10-29（D）最高無沖擊工作壓力得：管法蘭的公稱壓力為1.6MPa。</p><p>　　(4)根據(jù)PN=1.6 MPa和DN=150mm查《化工設備》表4-6確定法蘭類

105、型為板式平焊法蘭；查表4-14確定墊片為石棉橡膠板墊片，由表4-15和表4-16，螺栓為A2-50六角螺栓、螺母為I型六角螺母。</p><p>　　(5)PN=1.6 MPa和DN=150mm,查標準HG20593-1997,確定法蘭的結構尺寸。查壓力容器設計手冊表3-2-5得：DN=150mm接管外徑A=159mm 法蘭外徑D=285mm 螺孔中心圓直徑K=240mm螺孔直徑L=22mm 螺孔數(shù)量n=8螺紋T

106、h=M20mm 法蘭內徑B=161mm 法蘭厚度C=24mm 法蘭質量 7.61Kg。管法蘭標記：HG20593-1997 法蘭 PL150-1.6 RF Q235-A</p><p>　　2、殼程接管法蘭的選擇與計算：100×4.5接管法蘭</p><p>　　(1)根據(jù)管法蘭的公稱直徑就是與管法蘭相連接的接管公稱尺寸確定100×4.5接管法蘭的公稱直徑DN=10

107、0mm。</p><p>　　(2)根據(jù)介質特性，設計溫度t=100℃和接管材料，選定接管法蘭材料為Q235-A。</p><p>　　(3)根據(jù)管法蘭的材質和t=100℃，按照設計壓力不得高于對應工作溫度下無沖擊工作壓力的原則，根據(jù)《化工設備機械基礎》查表10-29（D）最高無沖擊工作壓力得：管法蘭的公稱壓力為1.6MPa。</p><p>　　(4)根據(jù)PN=1

108、.6MPa和DN=100mm查《化工設備》表4-6確定法蘭類型為板式平焊法蘭；查表4-14確定墊片為石棉橡膠板墊片，由表4-15和表4-16，螺栓為A2-50六角螺栓、螺母為I型六角螺母。</p><p>　　(5)PN=1.6 MPa和DN=100mm,查標準HG20593-1997,確定法蘭的結構尺寸。查壓力容器設計手冊表3-2-5得：DN=100mm接管外徑A=108mm 法蘭外徑D=220mm 螺孔中心圓

109、直徑K=180mm螺孔直徑L=18mm 螺孔數(shù)量n=8螺紋Th=M16mm 法蘭內徑B=110mm 法蘭厚度C=22mm 法蘭質量 4.57Kg。管法蘭標記：HG20593-1997 法蘭 PL100-1.6 RF Q235-A</p><p>　　3.1.11 接管開孔補強的計算</p><p>　　計算因開孔被削弱的金屬截面積A</p><p><

110、b>　?。?-13）</b></p><p>　　（公式來源于化工設備教材式4-1，P101）</p><p>　　式中：A 由于開孔所削弱的金屬截面積，。</p><p>　　d 開孔直徑，圓形孔，d=+2C，為管內直徑；橢圓形或長圓形孔取所考慮平面上的尺寸（弦長，包括厚度附加量），mm。</p><p>　　圓筒或球殼開

111、孔處的計算厚度，mm。</p><p>　　接管有效厚度，mm。</p><p>　　強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比，當時，取=1.0。</p><p><b>　　確定有效補強范圍</b></p><p><b>　　有效補強寬度B</b></p><

112、;p>　　有效補強寬度按《化工設備》P101式4—2 計算，取兩者中最大值。</p><p><b>　　（3-14）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　B——有效補強寬度，mm。</p><p>　　——殼體開孔處的名義厚度，mm。</p>

113、<p>　　——接管名義厚度，mm。</p><p>　　故取B=167.2mm</p><p><b>　　有效補強高度</b></p><p><b>　　外側有效補強高度</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><

114、;p><b>　　內側有效補強高度</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　計算有效補強范圍內補強面積</p><p>　　殼體有效厚度減去承受設計壓力所需要計算厚度之外的多余面積</p><p><b>　　-</b></p&

115、gt;<p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——殼體開孔處的有效厚度。</p><p>　　接管有效厚度減去承受設計壓力所需要計算厚度之外的多余面積A2</p><p><b>　?。?-18）</b&

116、gt;</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——接管的有效厚度，mm。</p><p>　　——接管的計算厚度，mm。</p><p>　　C2——腐蝕余量，mm。</p><p>　　焊縫金屬截面積 A3</p><p><b>　　

117、=12 </b></p><p>　　由以上計算可得Ae= + + =133.76+105.76+12=239.52A</p><p>　　所以開孔后不需要另行補強。</p><p>　　3.1.12 管箱的選擇與計算</p><p>　　1、管箱接管位置的最小尺寸：</p><p>　?。–≥4S,S為殼

118、體壁厚）</p><p><b>　　所以：取150mm</b></p><p>　　圖3-5 管程接管位置</p><p>　　2、殼程接管位置的最小尺寸：</p><p>　?。–≥4S,S為殼體壁厚）</p><p><b>　　所以：取150mm</b></p

119、><p>　　圖3-6 殼程接管位置</p><p>　　3、根據(jù)管程接管到管板的位置最小尺寸為112mm,可確定管箱的長度300mm。</p><p>　　3.1.13 拉桿和定距管的選用</p><p>　　拉桿的結構形式有兩種，換熱管大于或等于19mm的管束，采用圖3-5（a）所示的拉桿定距桿結構，換熱器外徑小于等于14mm的管束，采用

120、圖3-5（b）所示的點焊結構，當管板較薄時，也可采用其他的結構形式。</p><p>　　圖3-7（a） 拉桿定距管結構</p><p>　　圖3-7(b) 點焊結構</p><p>　　定距管的作用是將折流板之間的距離固定下來，并保持它與換熱管垂直。當換熱管外徑大于等于19mm時，定距管外徑與換熱管相同，根據(jù)換熱器設計手冊，定距管的尺寸同換熱管的尺寸相同，材料

121、選用碳鋼Q235-B。外徑為ø25mm×2.5mm。</p><p>　　折流桿換熱器結構較緊湊，折流外圈，內徑差值小，在選用GB 151-1999 《管殼式換熱器》所給定的拉桿總截面積的前提下，改變拉桿直徑和數(shù)量，通常的做法是采用較多的拉桿數(shù)量和較小的直徑，但直徑不得小于10mm，數(shù)量不得小于4根。</p><p>　　根據(jù)《換熱器設計手冊》查表1-6-37與表1-6