u形管換熱器設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文依據國家相關規(guī)范、標準，嚴格遵循GB151-99和GB150-98，著重介紹了U型管式換熱器的傳熱工藝的計算，及物料與結構因素對換熱能力的影響和換熱器的機械設計，包括工藝結構與機械結構設計和換熱器受力元件如管板的受力計算和強度校核，以保證蒸汽過熱器安全運行，其中，前者主要是確定有關部件的結構形式，結構尺寸和零件之間的連接，如

2、封頭、接管、管板、折流板等的結構形式和尺寸，管板與換熱管、殼體、管箱的連接等。還介紹了U型管式換熱器的制造、檢驗、安裝和維修時應注意的事項。</p><p>　　關鍵詞：蒸汽過熱器 傳熱計算 結構設計 強度校核</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This thesis is based on rel

3、evant national, standards, and strictly follows the GB151-99 and GB150-98, emphatically introduces the calculation of heat technologic process of U-tube heat exchangers, the effect with the fluids and structure of heat e

4、xchanger, and design of kinds of mechanical structure, including structure of technologic process and mechanical structure and the loading conditions of objects of heat exchanger and strength check ,such as, tube sheet,

5、aimed to make the heat exchangers</p><p>　　Key words: Steam superheater; Calculation of heat transfer; Design of structure; Strength check</p><p><b>　　目錄</b></p><p><

6、b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2換熱器在工業(yè)中的應用1</p><p>　　1.3換熱

7、器研究現狀及發(fā)展方向2</p><p>　　1.3.1研究現狀2</p><p>　　1.3.2發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.4設計任務及思想4</p><p>　　1.4.1設計任務4</p><p>　　1.4.2設計思想4</p><p>　　第2章 工藝計算及結構設計

8、5</p><p>　　2.1確定物性參數5</p><p>　　2.2確定熱流量7</p><p>　　2.2.1平均傳熱溫差7</p><p>　　2.2.2熱流量7</p><p>　　2.3工藝結構尺寸8</p><p>　　2.3.1管徑和管內流速8</p>

9、<p>　　2.3.2管程數和傳熱管數8</p><p>　　2.3.3平均傳熱溫差校正9</p><p>　　2.3.4傳熱管排列9</p><p><b>　　2.3.5筒體9</b></p><p>　　2.3.6折流板10</p><p>　　2.3.7其他附件11&

10、lt;/p><p>　　2.3.8接管11</p><p>　　2.3.9鞍座設計12</p><p>　　2.4校核傳熱系數及換熱面積12</p><p>　　2.4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?2</p><p>　　2.4.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?2</p><p>　　2.4.3污垢熱阻和管壁

11、熱阻13</p><p>　　2.5換熱器主要參數14</p><p>　　第3章 結構及強度計算15</p><p>　　3.1 U型管換熱器基本參數15</p><p>　　3.1.1原始數據15</p><p>　　3.1.2布管限定圓15</p><p>　　3.2殼體設計及

12、檢驗15</p><p>　　3.2.1殼程筒體壁厚15</p><p>　　3.2.2筒體壁厚檢驗16</p><p>　　3.2.3殼程筒體封頭厚度的計算17</p><p>　　3.2.4折流板設計及檢驗17</p><p>　　3.2.5驗證U型管的尾部支撐17</p><p&g

13、t;　　3.3管箱設計18</p><p>　　3.3.1管箱短節(jié)設計18</p><p>　　3.3.2管箱短節(jié)壁厚檢驗18</p><p>　　3.3.3管箱封頭設計19</p><p>　　3.3.4管箱法蘭設計19</p><p>　　3.4管板設計計算20</p><p>

14、　　3.5分程隔板的設計22</p><p>　　3.6拉桿與定距管的設計22</p><p>　　3.7開孔和開孔補強設計23</p><p>　　3.7.1殼程進出口接管補強計算23</p><p>　　3.7.2管箱短節(jié)進出口接管補強計算26</p><p>　　第4章 安裝使用及維修28</

15、p><p><b>　　4.1安裝28</b></p><p>　　4.2維護和檢修29</p><p>　　4.3設備施工中常見錯誤的一些解決方案30</p><p>　　4.3.1設備施工中管口錯誤的解決方案30</p><p>　　4.3.2材料選擇與代用30</p>&

16、lt;p>　　4.3.3試壓31</p><p>　　4.3.4容器加工31</p><p><b>　　結論32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p>&

17、lt;b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　蒸汽過熱器是管殼式換熱器的一種，是以煤為原料的合成氨氮肥裝置中的主要設備。該設備用合成反應氣來加熱蒸汽，既便于合成反應氣達到下一道工序的溫度要求，同時使蒸汽的焓值升高，從而生成過熱蒸汽，達到節(jié)能增效的目的。換熱器在日常生活中隨處可見，是不可缺少的工

18、藝設備之一。因此換熱器的研究也備受世界各國政府及研究機構的高度重視。隨著研究投入的加大，一批具有代表性的高效換熱器和強化傳熱元件也隨之誕生。隨著研究的深入，工業(yè)應用取得了令人矚目的成就，社會效益得到了顯著提高，緩解了能源緊張問題。換熱設備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備，使化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠中，約占總投

19、資的35%～40%。</p><p>　　1.2換熱器在工業(yè)中的應用</p><p>　　在工業(yè)生產中，換熱設備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給穩(wěn)到較低的流體，使流體溫度達到工藝流程的指標，以滿足工業(yè)流程上的需要。</p><p>　　由于世界性的能源危機，為了降低能耗，工業(yè)生產中對換熱器的需求量越來越多，對換熱器的質量要求也越來越高。近幾十年來，緊湊式換熱

20、器(板式、板翅式、壓焊板式換熱器等)、熱管式換熱器、直接接觸式換熱器等得到發(fā)展。</p><p>　　目前國內使用的換熱器多為列管換熱器和螺旋板換熱器。它的主要特點是管內外換熱面積相等。這樣當交換系數相差較大的交換介質在管內外進行熱量交換時，由于其不平恒性而達不到理想的交換目的，換熱效率相對較低。</p><p>　　雖然現在出現大量結構緊湊高效的換熱設備，例如：波紋板換熱器、板翅式換熱器

21、、螺旋板換熱器、傘板換熱器等，但在各行業(yè)的換熱設備中，管殼式換熱器仍占據著主導地位。因為許多工藝過程都具有高溫、高壓、高真空、有腐蝕等特點，而管殼式換熱器具有選材范圍廣(可為碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、鋁材、銅材、鈦材等)，換熱表面清洗較方便，適應性強，處理能力大，特別是能承受高溫和高壓等特點，所以管殼式換熱器被廣泛應用于化工、煉油、石油化工、制藥、印染以及其它許多工業(yè)中，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。</p>

22、;<p>　　管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分程隔板、支座等組成。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質分成多程，以滿足工藝

23、需要。</p><p>　　管殼式換熱器在結構設計時，必須考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質壓力、溫度、管殼程壁溫溫差、介質結垢情況、流體性質以及檢修和清洗條件等等，從而確定一種適合的結構形式。對于同一種形式的換熱器，由于各種不同工況，往往采用的結構并不相同。在工程設計中，應按其特定的條件進行分析設計，以滿足工藝需要。</p><p>　　新型換熱設備結構及材料研究及過程裝備CAD/C

24、AE/CAM技術研究方向以工程流體力學、傳熱學、應用力學為理論基礎，集過程、工藝、結構于一系統之中，進行了優(yōu)化與綜合研究，推出了傳統擋板管殼式換熱器的換代產品。首次系統地研究和論述了“縱流殼程換熱器”的流體力學、傳熱性能及強化機理，組合結構的設計強度分析，強化換熱管及管束制造，結構性能的模糊優(yōu)化，管束的動力和計算機輔助設計及仿真模擬技術。從理論上為新型“縱流殼程換熱器”技術的發(fā)展與工程應用奠定堅實基礎。</p><p

25、>　　八十年代中至今，主要從事新型管殼式換熱器的研究工作。由于傳統的擋板式橫向流殼程管殼式換熱器，它的高度可靠性和廣泛適應性，是其它板式高效換熱器所不能替代的。因此，至今它仍在工業(yè)生產中占主要地位。在日本其產量占全部換熱器的70％，在我國高達90％以上。但它卻存在傳熱效率低、流體流動阻力大和易產生誘導振動等缺點。因此進一步研究開發(fā)新型高效節(jié)能管殼式換熱器，無論在理論和在工程實踐中均有重要意義。此項成果將直接產生巨大經濟效益和社會效

26、益。</p><p>　　1.3換熱器研究現狀及發(fā)展方向</p><p>　　20世紀80年代以來，換熱器技術飛速發(fā)展，帶來了能源利用的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發(fā)與應用帶來了巨大的社會經濟效益，市場經濟的發(fā)展、私有化比例的加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標。因而節(jié)能設備的研究與開發(fā)備受關注。能源的日趨緊張、全球環(huán)境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護要求的提高給換熱器及高溫、高壓換熱器帶

27、來了日益廣闊的應用前景。</p><p><b>　　1.3.1研究現狀</b></p><p>　　美國傳熱研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，是1962年發(fā)起組建的一個國際性、非贏利的合作研究機構。在傳熱機理、兩相流、振動、污垢、模擬及測試技術方面做出了重要貢獻。近年來，該公司在計算機應用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網絡優(yōu)

28、化軟件、各種換熱器工藝設計軟件計算精度準確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術經濟性能。</p><p>　　英國傳熱及流體服務中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service）即HTFS，于1967年成立，隸屬于英國原子能管理局。該公司長期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經驗和研究成果不僅廣泛應用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。最大特點是與各大學和企業(yè)合作，進行專門的課題

29、研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計算上更準確，開發(fā)的HTFS、TASC各類換熱器微機計算軟件備受歡迎。</p><p>　　國內各研究機構和高等院校研究成果不斷陳列出新，在強化傳熱元件方面華南理工大學相繼開發(fā)出表面多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等；天津大學在流路分析法、振動等方面研究成果顯著；清華大學在板片傳熱方面有深入的研究；在強度軟件方面化工設備設計技術中心站開發(fā)出SW6等；這些技術成果為國民經濟快速發(fā)展，

30、為中國煉油、化工工業(yè)的發(fā)展起到了重要作用，也使中國的傳熱技術水平步入國際先進水平。</p><p><b>　　1.3.2發(fā)展趨勢</b></p><p>　　物性模擬研究 換熱器傳熱與流體流動計算的準確性，取決于物性模擬的準確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬。其基礎來源于實驗室實際工況的模擬，這恰恰是與實際工況差別的體現。有時

31、實驗室與實際工況差別較大，為此，要求物性模擬在實驗手段上更加先進，測試的準確率更高。從而使換熱器設計更加精確，材料更節(jié)省。</p><p>　　分析設計的研究 分析設計是近代發(fā)展的一門新興學科，通過分析設計可以得到流體的流動分布場，使得給常規(guī)強度計算帶來更準確、更便捷的手段。這一技術隨著計算機應用的發(fā)展，將帶來技術水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動。</p><p>

32、　　大型化及能耗的研究 換熱器將隨裝置大型化而大型化，緊湊型換熱器將越來越受到歡迎。當今換熱器的發(fā)展將振動損失逐漸克服，高溫、高壓、安裝、可靠地換熱器結構將朝著結構簡單、制造方便、重量輕發(fā)展。</p><p>　　強化技術研究 各種新型、高效換熱器將逐步取代現有常規(guī)產品。電場動力效應強化傳熱技術、添加物強化沸騰傳熱技術、通入惰性氣體強化傳熱技術、滴狀冷凝技術，微生物傳熱技術、磁場動力傳熱技術在新的世紀得到研究

33、和發(fā)展。</p><p>　　新材料研究 材料將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。</p><p>　　控制結垢即腐蝕的研究 隨著節(jié)能、增效要求提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢的形成機理、生長速度、影響因素的研究，預測污垢曲線，從而控制結垢，這將傳熱效率的提高將帶來重大突破。</p><p>　　1.4設計任務及思想<

34、;/p><p><b>　　1.4.1設計任務</b></p><p>　　設計一臺蒸汽過熱器，設計條件如下：</p><p>　　殼程 管程 </p><p>　　物料名稱 蒸汽 合成反應氣</p><p>　　介質性質

35、 無 毒 易燃易爆，中度毒性</p><p>　　設計壓力（MPa） 4.6 6 </p><p>　　工作壓力（MPa） 3.75 5.5 </p><p>　　工作溫度（ºC） 248.2/400 443.1/416.3

36、</p><p>　　設計溫度（ºC） 400 450 </p><p>　　換熱面積 （m2） 105</p><p>　　程數 1 2 </p><p>　　使用壽命

37、 12年</p><p>　　結構型式 BIU</p><p><b>　　1.4.2設計思想</b></p><p>　　設計應遵循優(yōu)質、高產、安全、低耗的原則，盡可能采用先進的技術、最新的國家與行業(yè)標準，以滿足技術先進，經濟合理之要求，具體可概括為：</p><

38、p>　?。?）根據GB151-1999《鋼制壓力容器》與壓力容器用鋼等國家標準進行設計。</p><p>　?。?）滿足工藝和操作要求。所設計的流程和設備應確保得到質量穩(wěn)定的產品，同時所設計的流程與設備要具有一定的操作彈性，以期方便地對流量和傳熱量進行調節(jié)。</p><p>　?。?）滿足經濟上的要求。設計省熱能和電能的消耗，減少設備與基礎的費用，選擇合適的回流比，節(jié)省水蒸汽，設計時

39、要全面考慮，力求總費用盡可能的低。</p><p>　?。?）保證生產安全。所設計的換熱器應具有一定的剛度和強度，設計中應根據設計壓力確定壁厚,再校核其他零件的強度,進行水壓試驗，并保證容器具有足夠的腐蝕裕度。</p><p>　　第2章 工藝計算及結構設計</p><p><b>　　2.1確定物性參數</b></p><

40、p>　　定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值[1]。故殼程蒸汽的定性溫度為：</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　管程合成反應氣的定性溫度為：</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　根據定性溫度，分別查取計算

41、殼程和管程流體的有關物性數據</p><p>　　合成反應氣的組分及比例見表2-1。</p><p>　　表2-1 合成反應氣組分比例表</p><p>　　根據表2-1以及化學化工物性數據手冊[2]查得各組分在定性溫度下的物性參數，見表2-2。</p><p>　　表2-2 物性參數表</p><p>　　根據查得的

42、物性參數及常用化工單元設備的設計[3]關于混合氣體的計算公式計算合成反應氣的各項物性參數。</p><p><b>　　的摩爾分率為：</b></p><p><b>　　的摩爾分率為：</b></p><p><b>　　的摩爾分率為：</b></p><p><b&g

43、t;　　的摩爾分率為：</b></p><p><b>　　的摩爾分率為：</b></p><p><b>　　的摩爾分率為：</b></p><p>　　合成反應氣物性參數計算公式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><

44、p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　按式（2-1）計算得出合成反應氣密度為：</p><p>　　按式（2-2）計算得出合成反應氣粘度為：</p>

45、;<p>　　按式（2-3）計算得出合成反應氣比熱為：</p><p>　　按式（2-4）計算得出合成反應氣導熱系數為：</p><p><b>　　則有：</b></p><p>　　蒸汽在324.1℃，4.6下的物性數據如下：</p><p><b>　　密度 </b></p

46、><p><b>　　定壓比熱容 </b></p><p><b>　　導熱系數 </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p>　　合成反應氣在429.7℃，6下的物性數據如下：</p><p><b>　　密度 </

47、b></p><p><b>　　定壓比熱容 </b></p><p><b>　　導熱系數 </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p><b>　　2.2確定熱流量</b></p><p>　　2.

48、2.1平均傳熱溫差</p><p>　　先按照純逆流計算，根據式（2-5）計算</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　得：</b></p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　2.2

49、.2熱流量</b></p><p>　　為求得熱流量，需先求出傳熱系數K，而K值又與給熱系數、污垢熱阻等有關。在換熱器的直徑、流速等參數均未確定時，給熱系數也無法計算，所以只能進行試算。假設，則估算的熱流量根據式（2-6）計算</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　為：</b&g

50、t;</p><p>　　根據熱流量可求出殼程蒸汽及管程合成氣的流量分別為：</p><p><b>　　2.3工藝結構尺寸</b></p><p>　　2.3.1管徑和管內流速</p><p>　　換熱管有光管、焊接管、螺紋管、波節(jié)管、波紋管、三維內外肋管等。在沒有特殊要求的情況下，一般選用光管因為光管加工方便、價格便

51、宜，本裝置采用光管。</p><p>　　選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過規(guī)定的流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有及兩種規(guī)格的管子。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、結構緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數提高。</p><p>　　管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。我國生產的標準鋼管長

52、度為，當選取管長時，應根據鋼管長度規(guī)格，合理裁減，避免材料的浪費。本裝置的換熱管采用的光管。取管內流速。</p><p>　　2.3.2管程數和傳熱管數</p><p>　　可依據傳熱管內徑和流速按式（2-7）確定</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　則單程傳熱管數：&l

53、t;/b></p><p><b>　　（根）</b></p><p>　　所需的傳熱管長度按式（2-8）確定</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　為：</b></p><p>　　根據本設計實際情況，采用標

54、準設計，現取傳熱管長。</p><p>　　2.3.3平均傳熱溫差校正</p><p>　　平均溫差校正系數有：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　根據單殼程，雙管程結構，查GB150[4]得：</p><p><b>　　則平均傳熱溫差為：</b>

55、</p><p><b>　　℃ </b></p><p>　　2.3.4傳熱管排列</p><p>　　換熱管外徑為，查GB151[5]得最小換熱管最小彎曲半徑為，取離分程隔板最近一排的換熱管彎曲半徑為，由分程隔板向上每一排布管的彎曲半徑相等。U型換熱管段彎曲前的最小壁厚按式（2-9）確定</p><p><b&

56、gt;　　（2-9）</b></p><p><b>　　有：</b></p><p>　　換熱管采用正方形排列。</p><p>　　取管心距，則，換熱管排列方式見裝配圖中的布管圖。</p><p><b>　　2.3.5筒體</b></p><p>　?。?）

57、一般來說，換熱器的殼體和管箱公稱直徑大于400mm時，其筒體使用板材卷制。當換熱器的公稱直徑小于等于400mm時，其筒體使用管材制作。</p><p>　　（2）壁厚的確定 筒體壁厚應按照文獻[4]進行強度計算。規(guī)定殼體最小厚度的目的是為了增加殼體剛性，減少變形，以利于管板和管束的安裝，尤其是浮頭換熱器的殼體由于得不到管板的加強又需要拆卸，故保證最小厚度更為重要。筒體的有效厚度及名義厚度在強度計算中確定。<

58、/p><p>　　由于本過熱器采用雙管程結構，殼體內徑可按下式估算。取管板利用率，則殼體內徑按式（2-10）計算</p><p><b>　　（2-10）</b></p><p><b>　　為：</b></p><p>　　按U型管換熱器殼體標準直徑系列，可取。</p><p>

59、;<b>　　2.3.6折流板</b></p><p>　　列管式換熱器的殼程流體流通截面積大，在殼程流體屬對流傳熱條件時，為增大殼程流體的流速，加強其湍動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂担枰O置折流板。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類[6]，單殼程的換熱器僅需設置折流板，橫向折流板同時兼有支承傳熱管，防止產生振動作用。</p><p>　　管殼式換熱器中常用的折流板形式

60、如圖2-1：</p><p>　　圖2-1常用折流板形式</p><p>　　管殼式換熱器常用的有弓形和盤環(huán)形。在弓形折流板中，流體在板間錯流沖刷管子，而流經折流板弓形缺口時是順流經過管子后進入下一板間，改變方向，流動中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結構比較簡單，一般標準換熱器中只采用這種。盤環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動，效率較低。而且要求介質必須是清潔的，否則沉淀物將會沉積在圓環(huán)后

61、面，是傳熱面積失效，此外，如有惰性氣體活溶解氣體放出是，不能有效地從圓環(huán)上部排出，所以一般用于壓力比較高而又清潔的介質。因此，采用單弓形折流板。去弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　可取。</b></p><p><b>

62、　　取折流板間間距為：</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　取。</b></p><p><b>　　折流板數目：</b></p><p>　　其中一個折流板不去圓缺，如裝配圖中所示。</p><p>

63、　　按化工單元過程及設備課程設計中關于折流板厚度的規(guī)定，取折流板厚度為8。</p><p><b>　　2.3.7其他附件</b></p><p>　　查文獻[5]中關于拉桿與定距管的相關規(guī)定，選擇拉桿直徑，本換熱器殼體內徑為700，拉桿數量取為6根。</p><p>　　根據文獻[5]設置中間擋板2塊，中間擋板設置在U型管束的中間通道處，并與

64、折流板點焊固定。見裝配圖。</p><p><b>　　2.3.8接管</b></p><p>　　接管內徑按式（2-11）計算：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為，則接管內徑為</p><p>&l

65、t;b>　　圓整后取管內徑為。</b></p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內氣體流速，則接管內徑為</p><p><b>　　圓整后取管內徑為。</b></p><p><b>　　2.3.9鞍座設計</b></p><p>　　該設備為臥式換熱器，由于筒體直徑，根據

66、JB/T4712[7]選BI型重型鞍式支座：BI700-F/S，材料選用Q235-B。安裝尺寸根據JB/T4717[8]中相關規(guī)定取值，其中， ，根據文獻[5]中相關規(guī)定，取，。見裝配圖。</p><p>　　2.4校核傳熱系數及換熱面積</p><p>　　2.4.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?lt;/p><p>　　用克恩法[9]按式（2-12）計算： </p>

67、<p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　當量直徑為：</b></p><p><b>　　殼程流通截面積為：</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數分別為：</p><p><b>　　普朗特數為：</b&g

68、t;</p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　　根據（2-12）計算出殼程表面?zhèn)鳠嵯禂涤校?lt;/p><p>　　2.4.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?lt;/p><p>　　根據式（2-13）計算：</p><p><b>　　（2-13）</b></p&

69、gt;<p>　　管程流體流通截面積為：</p><p>　　管程流體流速及雷諾數為：</p><p><b>　　普朗特數為：</b></p><p>　　根據式（2-18）計算出管程表面?zhèn)鳠嵯禂禐椋?lt;/p><p>　　2.4.3污垢熱阻和管壁熱阻</p><p>　　取管外側污

70、垢熱阻 ，管內側污垢熱阻。管壁熱阻按式（2-14）計算：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　根據文獻[3]，碳鋼在該條件下的熱導率為，</p><p>　　根據文獻[9]按式（2-15）計算傳熱系數</p><p><b>　?。?-15）</b></p&g

71、t;<p><b>　　為：</b></p><p><b>　　校核傳熱系數有：</b></p><p><b>　　，K值符合條件。</b></p><p>　　校核傳熱面積，計算傳熱面積為：</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積為：</p>

72、<p>　　該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　2.5換熱器主要參數</p><p>　　換熱器主要結構尺寸及參數見表2-1：</p><p>　　表2-1 換熱器參數</p><p>　　第3章 結構及強度計算</p>

73、<p>　　3.1 U型管換熱器基本參數</p><p><b>　　3.1.1原始數據</b></p><p>　　蒸汽過熱器設計原始數據見表3-1：</p><p><b>　　表3-1 原始數據</b></p><p>　　根據第一章計算結果，參照換熱器設計手冊[10]，選擇標準

74、換熱器，型號為，基本參數見下表3-2：</p><p>　　表3-2 換熱器基本參數</p><p><b>　　實際換熱面積為。</b></p><p>　　3.1.2布管限定圓</p><p>　　查文獻[5]可知布管限定圓直徑按式（3-1）計算：</p><p><b>　　（3-

75、1）</b></p><p>　　其中，但一般不小于8mm，故取，則有：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　取。</b></p><p>　　3.2殼體設計及檢驗</p><p>　　3.2.1殼程筒體壁厚</p>

76、<p>　　由工藝設計選擇設計溫度400℃，設計壓力4.6MPa，選用低合金結構鋼板16卷制，查得材料在400℃時許用應力，；焊縫系數=1，腐蝕裕度；對16鋼板的負偏差，根據過程設備設計[11]內壓圓筒計算厚度公式（3-2）計算：</p><p>　　= （3-2）</p><p><b

77、>　　有下列結果：</b></p><p><b>　　計算厚度：；</b></p><p><b>　　設計厚度：；</b></p><p>　　名義厚度：，圓整取；</p><p><b>　　有效厚度：。</b></p><p>

78、　　3.2.2筒體壁厚檢驗</p><p><b>　　應力校核</b></p><p>　　設計溫度下殼體圓筒的計算應力按式（3-3）計算</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　為：</b></p><p><

79、;b>　　而</b></p><p>　　由于，故筒體名義厚度滿足條件。</p><p>　　設計溫度下最大允許工作作壓力校核</p><p>　　設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-4）計算</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>

80、;　　為：</b></p><p>　　由于，故筒體名義厚度滿足條件。</p><p><b>　　水壓試驗應力校核：</b></p><p>　　查得實驗溫度下的許用應力為，</p><p>　　試驗壓力按式（3-5）計算：</p><p><b>　?。?-5）</

81、b></p><p><b>　　有：</b></p><p>　　圓筒的薄膜應力按式（3-6）計算</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　有：</b></p><p><b>　　而</b&g

82、t;</p><p>　　由于，故水壓試驗合格。</p><p>　　3.2.3殼程筒體封頭厚度的計算</p><p>　　查標準JB/T4746[12]中表1，得公稱直徑，選用標準橢圓形封頭，長短軸比值為2，根據文獻[4]按式（3-7）計算橢圓形封頭厚度：</p><p><b>　?。?-7）</b></p&g

83、t;<p><b>　　有：</b></p><p>　　焊縫系數=1，腐蝕裕度；對16鋼板的負偏差，則有：</p><p><b>　　封頭的名義厚度為：</b></p><p><b>　??；</b></p><p>　　取封頭名義厚度與殼體名義厚度相等，取為

84、。</p><p>　　封頭參數見表3-3：</p><p>　　表3-3 封頭參數表</p><p>　　3.2.4折流板設計及檢驗</p><p>　　根據2.3.6有，折流板數目為12，間距，根據文獻[3]中關于換熱管最大無支撐跨距的規(guī)定，外徑為25的換熱管最大無支撐跨距為1850mm，，且有，滿足要求。折流板材料選用，此時折流板的最小

85、厚度為5mm，取折流板的厚度為6mm，滿足要求。</p><p>　　3.2.5驗證U型管的尾部支撐</p><p>　　根據文獻[5]中U型管換熱器規(guī)定，靠近彎管段起支撐作用的折流板，如下圖，結構尺寸A+B+C之和應不大于最大無支撐跨距，超過表中數值時，應在彎管部分加特殊支撐。</p><p>　　圖3-1 U型管的尾部支撐</p><p>

86、;　　參照本設計U型管換熱器裝配圖有：</p><p><b>　　，，；</b></p><p><b>　　則有：</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　故滿足條件，不需要另行設置特殊支撐。</p><p><b&

87、gt;　　3.3管箱設計</b></p><p>　　3.3.1管箱短節(jié)設計</p><p><b>　　管箱壁厚計算：</b></p><p>　　管箱材料取為，查文獻[4]得，。焊縫系數=1，腐蝕裕度，鋼板的負偏差。</p><p><b>　　則有：</b></p>

88、<p><b>　　計算厚度：；</b></p><p><b>　　設計厚度：；</b></p><p>　　名義厚度：，圓整取；</p><p><b>　　有效厚度：。</b></p><p>　　3.3.2管箱短節(jié)壁厚檢驗</p><p&g

89、t;<b>　　應力校核</b></p><p>　　設計溫度下管箱短節(jié)的計算應力按式（3-3）計算為：</p><p>　　由于，故筒體名義厚度滿足條件。</p><p>　　設計溫度下最大允許工作作壓力校核</p><p>　　設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-4）計算為：</p><p&

90、gt;　　由于，故筒體名義厚度滿足條件。</p><p><b>　　水壓試驗應力校核：</b></p><p>　　查得實驗溫度下的許用應力為，</p><p>　　試驗壓力按式（3-5）計算：</p><p>　　圓筒的薄膜應力按式（3-6）計算</p><p>　　由于，故水壓試驗合格。&l

91、t;/p><p>　　3.3.3管箱封頭設計</p><p>　　選用標準橢圓形封頭，長短軸比值為2，公稱直徑，封頭材料選用，，，焊縫系數=1，腐蝕裕度，鋼板的負偏差。</p><p>　　根據式（3-7）計算：</p><p>　　則有封頭的名義厚度為：</p><p><b>　?。?lt;/b><

92、;/p><p>　　取封頭名義厚度與管箱筒體名義厚度相等，取為。</p><p>　　3.3.4管箱法蘭設計</p><p>　　長頸對焊法蘭與殼體之間為對接焊縫，連接強度很好，且可以采用各種方法進行焊縫質量檢查，加之有頸部支撐，使其具有較好的剛性，不易變形而發(fā)生泄露，本設計采用此種法蘭。參考JB4703-2000[13]采用帶頸對焊法蘭，凹凸面密封，參數見下表3-4：

93、</p><p>　　表3-4 法蘭參數表</p><p>　　螺柱采用M36,數量為32個；</p><p>　　管箱法蘭墊片根據JB/T4704-2000[14]選型，基本參數見表3-5：</p><p><b>　　表3-5 墊片尺寸</b></p><p><b>　　圖3-2

94、管箱法蘭</b></p><p><b>　　3.4管板設計計算</b></p><p>　　管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。它或者與筒體直接相焊（固定管板式換熱器），或者被夾持在兩法蘭之間，起著管、殼程之間隔板和固定管板換熱的雙重作用。對管板的設計，除了滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結構設計

95、。</p><p>　　管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間可以有不同的連接方式，本U型管換熱器采用a型連接方式。</p><p>　　管板材料采用16MnR，查得在設計溫度下的許用應力為：，。</p><p>　　按照文獻[3]中關于U型管換熱器a型連接方式的計算步驟計算有：</p><p>　　殼程圓筒壁厚，管箱圓筒壁厚為，換熱管管長，中心排管數

96、為19，換熱管外徑，排列方式為正方形。</p><p>　?。╝）根據布管尺寸計算，根據法蘭密封面形式和墊片尺寸計算計算。按式（3-8）進行計算</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　根據墊片尺寸及法蘭密封面可知，，則</p><p>　　根據公式（3-8）計算得：</p>&

97、lt;p>　?。╞）按式（3-9）計算</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　以查表得</b></p><p>　　根據文獻[5]中表22查得。</p><p>　　（c）確定管板設計壓力，管程與殼程壓力同時作用下，有：</p><p&

98、gt;<b>　　。</b></p><p>　?。╠）按式（3-10）計算管板計算厚度：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　厚度附加量，則名義厚度為：</p><p><b>　　圓整為。</b></p><p>　

99、?。╡）計算換熱管軸向應力</p><p>　　換熱管材料選用20號碳素鋼鋼管，其在設計溫度下的需用應力為，換熱管與管板間采用強度焊接連接。換熱管軸向應力按式（3-11）計算：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　按下列三

100、種工況分布計算換熱管的軸向應力：</p><p>　　只有殼程設計壓力，管程的設計壓力為時，根據公式（3-11）：</p><p>　　只有管程設計壓力，殼程設計壓力時，根據公式（3-11）：</p><p>　　殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用時，根據公式（3-11）：</p><p>　　不同工況下的計算結果均滿足，故換熱管滿足軸向應力

101、強度要求。</p><p>　　（f）換熱管與管板連接的拉脫力</p><p>　　按式（3-12）進行計算：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　取不同工況下換熱管的最大軸向應力計算，若最大軸向應力滿足要求則換熱管與管板的拉脫離滿足強度要求，有：</p><p>

102、;　　按文獻[5]中關于的規(guī)定，有：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　根據計算結果有，則換熱管與管板連接的拉脫力滿足強度要求。</p><p>　　3.5分程隔板的設計</p><p>　　管箱隔板一邊與管箱封頭進行配合，另一邊與固定管板的槽面進行連接。他起著改變介質流向，縮小單程流通面積，延

103、長流動距離，增加換熱時間的作用。根據文獻[3]中關于分程隔板的規(guī)定，規(guī)定隔板最小厚度為10mm，取隔板厚度為12mm。</p><p>　　3.6拉桿與定距管的設計</p><p>　　拉桿的作用是與定距管配合將換熱器的管束上的折流板連接固定起來，防止竄動。拉桿的一端靠螺扣旋入管板中固定，它從數塊折流板中間的拉桿孔中穿過，另一端用螺母固定在支持板上。拉桿結構見圖3-3。為了使各塊折流板間距

104、符合設計要求，均勻受力，保證折流板與換熱管垂直，就需要在一個管束中布置一定數量的拉桿。但拉桿又位于布管區(qū)內，一根拉桿就要占一跟換熱管的位置。因此拉桿的布置既要合理，數量又不能太多。拉桿直徑的選擇與換熱管外徑有關，拉桿數量則視換熱器的直徑而定。</p><p>　　拉桿應盡量布置在管束的邊緣，對于大直徑的換熱器，不布管區(qū)內或靠近折流板缺口處應布置適當數量的拉桿，任何折流板應不少于三個支承點。</p>

105、<p>　　由2.3.7知拉桿直徑，拉桿數量取為6根。拉桿尺寸見下表3-6：</p><p>　　表3-6 拉桿尺寸表</p><p><b>　　拉桿孔直徑為。</b></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。取25mm。</p

106、><p>　　3.7開孔和開孔補強設計</p><p>　　由2.3.8知，殼程進出口接管管內徑為，管箱短節(jié)處進出口接管管內徑為。</p><p>　　選用20號碳素鋼，查得個接管管口法蘭尺寸見表3-7：</p><p>　　表3-7 接管管口法蘭參數</p><p>　　圖3-3 拉桿結構圖</p><

107、;p>　　3.7.1殼程進出口接管補強計算</p><p>　　殼體進出口接管開孔，外伸高度為150mm。計算壓力4.6MPa，設計溫度400℃。殼體型式為圓形筒體，殼體材料為16MnR,殼體開孔處焊縫街頭系數為1mm。殼體內直徑為700mm。殼體開孔處名義厚度為16mm。殼體厚度負偏差C1為0，腐蝕裕量C2為2mm，接管材料20號碳素鋼。其在設計溫度下的許用應力為。接管腐蝕裕量2mm。開孔直徑為，由于，故

108、可采用等面積法進行補強計算。計算中符號：</p><p>　　—開孔削弱所需要的補強截面積，；</p><p><b>　　—補強面積，；</b></p><p>　　—殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，；</p><p>　　—接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，；</p><p>&

109、lt;b>　　—焊縫金屬面積，；</b></p><p><b>　　—補強有效寬度， </b></p><p>　　—開孔直徑，圓形孔取接管內徑加兩倍厚度附加量， </p><p>　　—強度削弱系數，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值，當該比值大于1.0時，??；</p><p>　　—接

110、管外側有效補強高度，；</p><p>　　—接管內側有效補強高度，；</p><p>　　—殼體開孔處的計算厚度，；</p><p>　　—殼體開孔處的有效厚度，； </p><p>　　—接管有效厚度，； </p><p>　　—殼體開孔處的名義厚度，；<

111、;/p><p><b>　　—接管名義厚度，；</b></p><p><b>　　—接管計算厚度，；</b></p><p>　　—設計溫度下接管材料的許用應力，；</p><p>　　—設計溫度下殼體材料的許用應力，。</p><p>　　補強面積按式（3-13）計算：<

112、;/p><p><b>　　（3-13）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　殼體開孔處的計算厚度</p><p><b>　　接管的有效厚度</b></p><p><b>　　強度削弱系數</b>

113、</p><p>　　根據式（3-13）有：</p><p><b>　　有效補強范圍：</b></p><p>　　有效寬度B按下式計算，取二者最大值</p><p>　　由以上計算B取508mm</p><p>　　內外側有效高度分別按下式計算并去其中最小者：</p><p

114、><b>　　取</b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　殼體多余金屬面積為：</p><p>　　接管多余金屬面積為：</p><p>　　焊腳取6 焊縫金屬面積為：</p><p><b>　　則有效補強面積為：</b&g

115、t;</p><p>　　因為，所以開孔需另行補強</p><p><b>　　另行補強面積為</b></p><p><b>　　補強圈設計：</b></p><p>　　根據接管公稱直徑選補強圈，參照補強圈標準JB/T4736[15]取補強圈外徑內徑，因，補強圈在有效補強范圍內。</p&g

116、t;<p>　　補強圈厚度按式（3-14）計算：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　取實際補強圈厚度，滿足補強面積要求。</p><p>　　3.7.2管箱短節(jié)進出口接管補強計算</p><p>　　管箱短節(jié)處進出口接管開孔，外伸高度為150mm。計算壓力6MPa，設計溫

117、度450℃。殼體型式為圓形筒體，殼體材料為，殼體開孔處焊縫街頭系數為1mm。殼體內直徑為700mm。殼體開孔處名義厚度為20mm。殼體厚度負偏差C1為0，腐蝕裕量C2為2mm，接管材料20號碳素鋼。其在設計溫度下的許用應力為。接管腐蝕裕量2mm。由于，故可采用等面積法進行補強計算：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　殼體開孔處的計算厚度&

118、lt;/p><p><b>　　接管的有效厚度</b></p><p><b>　　強度削弱系數</b></p><p><b>　　接管計算厚度</b></p><p>　　按式（3-17）有：</p><p><b>　　。</b>

119、</p><p><b>　　有效補強范圍：</b></p><p>　　有效寬度B按下式計算，取二者最大值</p><p>　　由以上計算B取408mm</p><p>　　內外側有效高度分別按下式計算并去其中最小者：</p><p><b>　　取</b></p&g

120、t;<p><b>　　取</b></p><p>　　殼體多余金屬面積為：</p><p>　　接管多余金屬面積為：</p><p>　　焊腳取6 焊縫金屬面積為：</p><p><b>　　則有效補強面積為：</b></p><p>　　因為，所以開孔需另

121、行補強</p><p><b>　　另行補強面積為</b></p><p><b>　　補強圈設計：</b></p><p>　　根據接管公稱直徑選補強圈，參照文獻[15]取補強圈外徑內徑，因，補強圈在有效補強范圍內。</p><p>　　根據式（3-14）計算得補強圈厚度為：</p>

122、<p>　　取實際補強圈厚度與筒體等候，，滿足補強面積要求。</p><p>　　第4章 安裝使用及維修</p><p><b>　　4.1安裝</b></p><p>　　安裝換熱器的基礎必須足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過大的變形傳到換熱器的接管上?；A一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎，換熱器上沒有鞍式支座而直接放在鞍形

123、基礎上，換熱器與基礎不加固定，可以隨著熱膨脹的需要而自由移動。另一種為混凝土基礎，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎牢固地連接起來。</p><p>　　在安裝換熱器之前應嚴格地進行基礎質量的檢查和驗收工作，主要項目如下:基礎表面概況、基礎標高、平面位置、形狀和主要尺寸以及預留孔是否符合設計要求，地腳螺栓的位置是否正確，螺紋情況是否良好，螺帽和墊圈是否齊全，放置熱鐵的基礎表面是否平整等。</p>

124、<p>　　基礎驗收完畢后，在安裝換熱器之前應在基礎上放墊鐵，安放墊鐵處的基礎表面必須鏟平，使兩者能很好接觸。墊鐵厚度可以調整，使換熱器能達到設計的水平度和標高。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎上的穩(wěn)定性，并將其重量通過墊鐵均勻地傳遞到基礎上去。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開口墊鐵。其中，斜墊鐵必須成對使用。地腳螺栓兩側均應有墊鐵，墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。</p><p>　　換熱器就位后需用水平

125、儀對換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受力的情況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與支座焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。當兩個以上重疊式換熱器安裝時。應在下部換熱器找正完畢，并用地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器。可抽管束換熱器安裝前應抽芯檢查、清掃，抽管束時應注意保護密封面和折流扳。移動和起吊管束時應將管束放置在專用的支承結構上，以避免損傷換熱管。</p><p>　　根據換熱器的結構形式，應在換熱器的兩端留

126、有足夠的空間來滿足操作、清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定頭蓋端應留出足夠的空間以便能從殼體內抽出管束。外頭蓋端必須也留出一米以上的位置以便裝拆外頭蓋和浮頭蓋。固定管板式換熱器的兩端應留出足夠的空間以便能抽出和更換管子。并且，用機械法清洗管內時，兩端都可對管子進行刷洗操作。U形管式換熱器的固定頭蓋應留出足夠的空間以便抽出管束。也可在其相對的一端留出足夠的空間以便能拆卸殼體。</p><p>　　換熱器不得在超過

127、銘牌規(guī)定的條件下運行。應經常對管、殼程介質的溫度及壓降進行監(jiān)督，分析換熱器的泄漏和結垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內外的物料進行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過程，與其它設備相比較，其與腐蝕介質接觸的表面積就顯得非常大，發(fā)生腐蝕穿孔及接合處松弛泄漏的危險性很高，因此對換熱器的防腐蝕和防漏的方法也比其它沒備要多加考慮。當換熱器用蒸汽來加熱或用冷水來冷卻時，水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會有所提高，而硫酸鈣類型的物質則幾乎沒有

128、變化。冷卻水經常循環(huán)使用，由于水的蒸發(fā)，使鹽類濃縮產生沉積或污垢。又因水中含有腐蝕性溶解氣體及氯離子等引起設備腐蝕，腐蝕與結垢交替進行，激化了鋼材的腐蝕。因此，必須通過清洗來改善換熱器的性能。由于清洗的困難程度是隨著垢層厚度或沉積物的增加而迅速增大的。所以清洗間隔時間不宜過長，應根據生產裝置的特點、換熱介質的性質、腐蝕速度及運行周期等情況定期進行檢查、修理及清洗。</p><p><b>　　4.2維護

129、和檢修</b></p><p>　　為了保證換熱器長久正常運行，提高其生產率，必須對設備進行維護與檢修。應以預防性維修擺在首位，強調安全預防，以保證換熱器連續(xù)穩(wěn)定運轉，減少任何可能發(fā)生的事故。檢修應注意合理施工，檢修之前需進行檢查和清洗管子，并應拆開管子與管箱的連接處，再將整個管箱全部拆開以確定清洗或檢修。應把換熱器內的介質，特別是帶有腐蝕性或形成聚合物的液體排出。在直立的固定管板換熱器中，排液管接頭