管殼式換熱器設計

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文檔簡介

1、　　理工學院　　畢業(yè) 設計　　學生姓名：石靜學號： 09L0503216 　　專業(yè)：過程裝備與控制工程 　　題

2、目：氣-液介質(zhì)專用換熱器設計 　　指導教師：郭彥書(教授) 　　評閱教師：劉慶剛（副教授) 　　2013年5月　　畢業(yè) 設計中

3、文摘要　　畢業(yè) 設計外文摘要　　目錄　　1 引言1　　1.1 管殼式換熱器的研究1　　1.2 管殼式換熱器的研究趨勢1<

4、;/p>　　1.3 螺旋板式換熱器的研究2　　1.3.1 螺旋板式換熱器國內(nèi)研究進展2　　1.3.2 螺旋板式換熱器國外研究進展2　　1.4 本課題的目的和意義2　　2管殼式換熱器的工藝計算3<p&

5、gt;　　2.2 確定管程軟水的物性參數(shù)3　　2.2.1 定性溫度3　　2.2.2 熱容4　　2.2.3 黏度4　　2.2.4 導熱系數(shù)4　　2.2.5 密度4

6、2.3 確定殼程氣氨的物性參數(shù)4　　2.3.1 定性溫度4　　2.3.2 熱容4　　2.3.3 黏度4　　2.3.4 導熱系數(shù)4　　2.3.5 密度4　　2.4

7、估算傳熱面積4　　2.4.1 熱負荷Q按大的傳熱量4　　2.4.2 平均有效溫差：5　　2.4.3 傳熱面積5　　2.5 工藝結構尺寸5　　2.5.1 決定通入空間，確定管徑5<p

8、>　　2.5.3 確定管程(數(shù))、傳熱管數(shù)n、管長 L及殼體內(nèi)徑5　　2.5.4 拉桿5　　2.5.5 折流板5　　2.5.6 畫布管圖6　　2.5.7 接管6　　2.6 換熱器核算7

9、;　　2.6.1 傳熱能力的核算7　　2.6.2 換熱器內(nèi)流體阻力計算9　　3 管殼式換熱器的結構設計及強度計算12　　3.1 換熱器筒體及封頭的設計12　　3.1.1 筒體設計12　　3

10、.1.2 封頭與管箱設計12　　3.2 換熱器水壓試驗及其殼體應力校核13　　3.2.1 壓力試驗的目的13　　3.2.2 試驗壓力及應力校核13　　3.3 開孔補強13　　3.3.1 對管程接管的補強計算

11、13　　3.3.2對殼程接管的補強計算15　　3.4 法蘭的選用17　　3.4.1 筒體法蘭的選用17　　3.4.2 管法蘭的選用17　　3.5 折流板設計17　　3.6

12、管板設計17　　3.6.1換熱氣的設計條件17　　3.6.2結構尺寸參數(shù)17　　3.6.3各元件材料及其設計數(shù)據(jù)19　　3.6.4設計計算19　　3.7 支座形式的確定30

13、　3.7.1 已知條件30　　3.7.2 校核31　　3.7.3 計算支座承受的實際載荷31　　3.7.4 計算支座處圓筒所受的支座彎矩31　　4 螺旋板式換熱器的設計31　　4.1 傳熱工藝計算31<

14、;/p>　　4.1.1 傳熱量計算32　　4.1 .2 冷卻水的出口溫度32　　4.1.3 螺旋通道截面積與當量直徑de的計算32　　4.1.4 雷諾數(shù)和普朗特數(shù)32　　4.1.5 給熱系數(shù)的計算33&l

15、t;p>　　4.1.6 總傳熱系數(shù)K33　　4.1.7 對數(shù)平均溫差34　　4.1.8 換熱器傳熱面積F34　　4.1.9 螺旋通道長度L34　　4.1.10 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑34　　4.2 流體

16、壓力降ΔP計算35　　4.2.1 按直管壓力降的計算公式35　　4.2.2 按大連工學院等單位推薦的公式計算36　　4.3 螺旋板的強度、撓度與校核36　　4.3.1 強度計算36　　4.3.2 螺旋板的撓度

17、37　　4.3.3 螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性38　　4.4 螺旋板式換熱器的結構尺寸38　　4.4.1 密封結構38　　4.4.2 定距柱尺寸38　　4.4.3 換熱器外殼38<p&

18、gt;　　4.4.4 進出口接管直徑39　　4.4.5 中心隔板的尺寸39　　4.4.6 水壓試驗時應力校核40　　結束語41　　致謝42<p&g

19、t;　　參考文獻43　　1 引言　　換熱設備是化工、煉油、動力、能源、冶金、食品、機械、建筑工業(yè)中普遍應用的典型設備。一般換熱設備在化工、煉油裝置中的建設費用比例達20%~50%因此無論從能源利用，還是從工業(yè)的投資來看，合理地選擇和設計換熱器，都具有重要意義。換熱器按照傳送熱量

20、的方法來分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類，其中間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛地換熱器。其中適用于氣-液介質(zhì)的間壁式換熱器主要有管殼式換熱器和螺旋板式換熱器。　　1.1 管殼式換熱器的研究　　目前, 我國的管殼式換熱器仍以弓形折流板加光滑管為主, 效率低, 能耗高，難以滿足生產(chǎn)要求。因此, 積極進行管殼式換熱器的強化研究是非常必要的。強化傳熱技術的

21、應用就是為了進一步提高換熱設備的效率, 減少能量傳遞過程中的不可逆失, 更合理更有效地利用能源, 減少換熱面積, 降低金屬消耗。強化傳熱已被學術界稱為第二代傳熱技術，其強化途徑主要有:提高傳熱系數(shù),擴大傳熱面積,增大傳熱溫差等。其中提高傳熱系數(shù)是當今強化傳熱的重點。在實際的操作過程中可以通過強化管程傳熱和強化殼程傳熱兩個方面強化換熱器的傳熱。　?。?）強化管殼式換熱器管程的傳熱, 主要是通過增加

22、流體湍流度、擴展傳熱面積和提高流體流等方法實現(xiàn), 即在內(nèi)表面加工凸肋或翅片結構、在管內(nèi)加插入物以及提高流速，強化傳熱機理及主要研究如下所述。　?。?）傳統(tǒng)的管殼式換熱器, 流體在殼側流動存在著轉(zhuǎn)折和進出口兩端渦流的影響區(qū), 影響了殼程的傳熱系數(shù)。為了強化殼程傳熱，目前的研究途徑主要有兩種，包括管型與管間支撐物的研究。　　1.2 管殼式換熱器的研究趨勢&

23、lt;/p>　　作為一種高效緊湊式換熱器，在加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收過程中，除了高溫、高壓和特殊介質(zhì)條件外,隨著強化傳熱理論的研究,加強管殼式換熱器的改進,將高效傳熱管與殼程強化傳熱的支撐結構相結合是今后換熱器發(fā)展的一個重要方向。　　無論是管程強化傳熱技術還是殼程強化傳熱技術，其結構的復雜性都將直接影響該技術的推廣和發(fā)展，為此，強化傳熱技術的研究會朝著結構簡化、

24、傳熱效率高的方向發(fā)展。而如何提高傳熱效率的同時不使流體壓降有明顯升高，在增加有效傳熱面積的同時使換熱器結構緊湊，以及如何在保證換熱器具有較低生產(chǎn)如何成本的同時保證其有較高的使用壽命也將成為將來研究的重要內(nèi)容?；谑汀⒒?、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。另外，航天飛行器、半導體器件、核電站、風力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電及多晶硅生產(chǎn)等高新技術領域都需要大量的專

25、業(yè)換熱器。展望板式換熱器的未來，它會在更廣泛的領域大有作為。　　1.3 螺旋板式換熱器的研究　　螺旋板換熱器是由兩個長板卷在一起，形成一個螺旋構成的，是一種高效換熱設備，適用汽－汽、汽－液、液－液，對液傳熱。是發(fā)展較早的一種板式換熱器，不用管材，價格比較便宜，其傳熱系數(shù)大，結構緊湊，不易結垢，容易清洗。該換熱器主要由兩張平行的薄鋼板卷制成，構成一對互相

26、隔開的螺旋形通道，冷熱兩流體以螺旋形板面為傳熱面相間流動。　　1.3.1 螺旋板式換熱器國內(nèi)研究進展　　我國從五十年代中期開始使用螺旋板式換熱器,當時主要用于燒堿廠中的電解液加熱和濃堿液冷卻。1966年我國開始研制螺旋板式換熱器,設計。制造部門研制了卷制螺旋板的專用卷床,使卷制的工效提高了幾十倍,為推廣應用螺旋板換熱器創(chuàng)造了良好的條件。 </p&

27、gt;　　但目前的問題是如何進一步提高承壓能力的途徑可采用增加螺旋板厚度，增加定距柱的數(shù)目或提高板材的強度。但如采用增加板厚的方法，則勢必要求提高卷板機的能力，這樣消耗的功率相應增加，還會給制造工藝帶來困擾，并使成本提高。目前提高其承受能力的方法主要以改進結構和選用較好的材料。　　1.3.2 螺旋板式換熱器國外研究進展　　螺旋板換

28、熱器最初是由瑞典羅森勃來特161(Rosemblad)首先提出,1932年以此人命名的Rosemblad公司就成批組織生產(chǎn)并形成專利自問世以來,由于其結構緊湊,傳熱系數(shù)高;尤其是兩種介質(zhì)溫差小的情況下,可以回收低位熱量;自潔能力強;設備造價低,占地面積小等優(yōu)點,得到了越來越廣泛的應用。隨后許多國家根據(jù)這個公司乏的專利相繼仿造，其中有英國APV公司、美國AHRCO公司、西德ROCA公司等。國外螺旋板式換熱器的發(fā)展無論材料、工藝、結構、設計

29、理論都已日臻成熟。國外螺旋板式換熱器共有四種型式：1型、2型、3型和3H型。1型為最普通結構型式，兩個通道內(nèi)的流體均作螺旋流動。國外螺旋板式換熱器最常見的是應用于冷凝場合，所有型式的螺旋板式換熱器均可應用于冷凝場合。　　1.4 本課題的目的和意義　　實際生產(chǎn)中，在設計氣-液介質(zhì)換熱器（特別是中、低壓氣-液換熱器）時，為了保證氣、液兩側的熱負荷平衡，就要使

30、氣體的體積流量遠大于液體的體積流量，即形成典型的大氣量、小液量換熱工況。設計這類換熱器要解決的關鍵問題是，合理選擇換熱器的形式與結構，既要使氣、液介質(zhì)均在經(jīng)濟流速下流動，同時又能獲得較大的傳熱系數(shù)。這正是本文的研究目的所在。　　本設計課題要求我們在詳細分析工藝條件的基礎上，對適用于氣-液介質(zhì)的換熱器進行比較選型，按照所選的形式進行結構設計、工藝計算、強度設計。完成本課題后，不僅可使我們獲得綜合運

31、用所學基礎理論、專業(yè)知識、基本技能，提高分析與解決工程實際問題的能力和初步科學研究的能力，使得遵照國家標準和規(guī)范進行工程設計的能力有較大提高。　　2管殼式換熱器的工藝計算　　2.1 確定設計方案—— 固定管板式換熱器　　管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，具有制造方便、選材面廣、適應性強、處理量大、清洗方便、

32、運行可靠、耐高溫高壓等一系列優(yōu)點，在許多工業(yè)部門中大量使用，尤其是在石油、化工、熱能、動力等工業(yè)部門所使用的換熱器中，管殼式換熱器占主體地位。選定的設計方案必須滿足：工藝要求，達到指定的產(chǎn)量和質(zhì)量；操作平穩(wěn)、易于調(diào)節(jié)；經(jīng)濟合理；生產(chǎn)安全。其中，固定管板式換熱器由于其自身具有的結構簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換等優(yōu)點。由以上可知固定管板式換熱器能夠滿足本課題的工藝要求，所以氣液介質(zhì)專用換熱器的

33、設計采用固定管板式換熱器。　　本課題要求設計的是氣氨與軟水兩種流體介質(zhì)的換熱器。根據(jù)兩種流體的性質(zhì)以及操作壓力選擇軟水走管程，氣氨走殼程。既可以節(jié)省殼體的材料，又可以及時排除冷凝液、清洗方便。　　2.2 確定管程軟水的物性參數(shù) 　　2.2.1 定性溫度

34、;　　設計參數(shù)如下：　　軟水入口溫度：25℃ 軟水流量：66　　軟水壓力：0.4Mpa（表壓）　　氣氨入口溫度：-10。C 氣氨出口溫度：5℃ 　　氣氨流量： 53000Kg∕h

35、氣氨壓力：0.38Mpa（絕壓）　　熱流量Q：　　已知軟水流量：　　由 　　推出： </p

36、>　　故可知軟水的定性溫度為：　　2.2.2 熱容　　根據(jù)文獻[7],表1.10.1 ，可得21.43℃定性溫度下的水的定壓比熱容為：。　　2.2.3 黏度　　根據(jù)

37、文獻[7] 表1-3-1 ，可得21.43℃定性溫度下的水的黏度為：。　　2.2.4 導熱系數(shù)　　根據(jù)文獻[7] 表1.11.1 ，可得21.43℃定性溫度下的水的導熱系數(shù)為：　　2.2.5 密度　　根據(jù)文獻[7] 表1.2

38、.2 ，可得21.43℃定性溫度下的水的密度為：　　2.3 確定殼程氣氨的物性參數(shù)　　2.3.1 定性溫度　　氣氨的定性溫度為：　　2.3.2 熱容

39、　　根據(jù)文獻[7] 表2.28.3 ，可得-2.5℃定性溫度下的氣氨的定壓比熱容為為：。　　2.3.3 黏度　　根據(jù)文獻[7] 表2.3.26，可得-2.5℃定性溫度下的氣氨的黏度為：。　　2.3.4 導熱系數(shù)　　根據(jù)文獻[7]

40、表2.9.8，可得-2.5℃定性溫度下的氣氨的導熱系數(shù)為：　　2.3.5 密度　　根據(jù)文獻[7] 表2.2.19 ，可得-2.5℃定性溫度下的氣氨的密度為：　　2.4 估算傳熱面積　　2.4.1 熱負荷Q按大的傳熱量</p

41、>　　由以上可知：　　2.4.2 平均有效溫差：　　2.4.3 傳熱面積　　根據(jù)文獻[8]，表12-1-5a，得K的取值范圍為：350-450,取，則　　所以<

42、;/p>　　考慮到10%的面積裕度：則　　2.5 工藝結構尺寸　　2.5.1 決定通入空間，確定管徑　　為便于水垢清理，決定水走管內(nèi)，氣氨走殼程。并選用Ф25×2.5的20號鋼?？紤]到主要熱阻在管間氣氨側，故管內(nèi)熱流體的流速大致維持在0.5m/s.&

43、lt;p>　　2.5.2 換熱管排列方式 　　正三角形排列可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍。因此，本設計的換熱管排列方式選用正三角形排列。管間距t≥32mm,取管間距t=45mm。　　2.5.3 確定管程(數(shù))、傳熱管數(shù)n、管長 L及殼體內(nèi)徑　　考慮管內(nèi)空間分為兩程，管長取4.

44、5m.　　(1)傳熱管數(shù)：　　根　　根據(jù)化工設備設計全書—換熱器設計，取殼體內(nèi)徑：　　排管：按正三角形錯列排布，具體見管板圖。　　實際排管數(shù)為248根，

45、另有6根折流板固定桿位置。　　2.5.4 拉桿　　根據(jù)文獻[9]表43、表44得：Di=800mm，其拉桿直徑為=16 mm,拉桿個數(shù)為6。　　2.5.5 折流板 　　采用單弓形折流板，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的45%：&

46、lt;/p>　　h=0.45×800=360mm　　折流板間距應不小于殼體內(nèi)徑的1/5且不大于殼體內(nèi)徑Di=800mm，故取板間距B=800mm　　折流板數(shù)：NB=-1=　　實取折流板數(shù)N’=4塊，則靠近兩管板端的間距為650mm，其余中間的板間距均為800mm。</p

47、>　　2.5.6 畫布管圖 　　繪制布管圖（可參照管板圖）,知實際布管根數(shù)為248根，除去拉桿數(shù)6根，得實際換熱管數(shù)為NT=242根。　　2.5.7 接管　　管程接管

48、;　　取殼程進、出口流速為，則接管內(nèi)徑為：　　根據(jù)文獻[10].表，選用規(guī)格為的接管。根據(jù)文獻[11]表，取接管外伸長度。　　(2)殼程接管　　取管程進、出口流速為，則接管內(nèi)徑為：　　根據(jù)文獻[10].表，選用規(guī)格為的接管。根據(jù)文獻[

49、11]表，取接管外伸長度。　　2.6 換熱器核算　　2.6.1 傳熱能力的核算 　　(1) 管程給熱系數(shù)　　管程的實際水速：　　雷諾

50、數(shù)：　　Rei　　故管程流體流動為湍流　　普朗特數(shù)：　　Pri　　則管程給熱系

51、數(shù)為：　　(2) 殼程給熱系數(shù)　　殼程的當量直徑：　　流體橫過管束時的流通面積：　　折流板切除高度　　由此得 &

52、lt;/b>　　所以 　　折流板弦長　　弓形面積　　管子截面積與殼體截面積之比　　圓缺區(qū)內(nèi)

53、的流通面積　　幾何平均流通面積　　單位面積的質(zhì)量流量　　雷諾數(shù)　　普朗特數(shù)&

54、lt;p>　　殼程給熱系數(shù)　　(3) 污垢熱阻和管壁熱阻　　由文獻[8]查得：　　殼程氨氣的污垢熱阻為: 　　管程合成氣的污垢熱阻為： 　　管壁材

55、料20號鋼的導熱系數(shù)為： 　　(4) 傳熱系數(shù)　　(5)傳熱面積核算　　理論傳熱面積為：　　實際傳熱面積為：<

56、/p>　　面積裕度： 　　此設計，面積裕度為9.5％，滿足要求，不需要重算。　　2.6.2 換熱器內(nèi)流體阻力計算　　（1）管程壓力降　　管內(nèi)摩擦系數(shù) &l

57、t;/p>　　直管沿程阻力引起的壓力降　　管程回彎壓力降　　取管箱進出口流速為　　則管箱進出口壓力降　　故管程壓

58、力降為　　滿足條件。　　(2) 殼程壓力降　　采用Bell法計算：　　a. 與管束垂直流動的壓力降：　　接近中心線管排處的最小錯流截面積<p

59、>　　此處垂直流動的單位面積最大質(zhì)量流速　　此處的雷諾數(shù)　　根據(jù)Re，殼程摩擦系數(shù)為　　。　　管束外緣與殼體內(nèi)壁之間的間隙的流通截面積<b&g

60、t;　　此處旁流的修正系數(shù)　　橫過管束的錯流壓力降　　b. 通過折流板缺口處流動的壓力降：　　折流板缺口處的流通截面積　　其中由文獻[12]表2-22查得。　　折流板缺口處的流速</b

61、>　　最小錯流面積上的流速　　幾何平均流速　　故 　　c. 間隙流動的修正系數(shù)　　折流板的管孔（選孔徑為d=26mm）和傳熱管外徑之間的間隙的流

62、通截面積　　折流板（選其直徑）和殼體內(nèi)壁之間的間隙的流通截面積　　根據(jù)，由文獻[8]圖2-74查得壓力降修正系數(shù)　　故間隙流動修正系數(shù)為：　　d. 殼程壓力降　　如取殼程進出口管中的流速為2

63、5m/s，則殼程進出口管中的壓力降為　　這樣，殼程全部壓力降應為　　所以，滿足條件。　　3 管殼式換熱器的結構設計及強度計算　　3.1 換熱器筒體及封頭的設計　　3.1.1 筒體設計&

64、lt;/p>　　根據(jù)殼程流體的溫度和壓強，選擇殼體圓筒材料為Q345R。　　因為設計壓力，由 GB150-1998鋼制壓力容器,假設筒體壁厚為6-16mm　　查得：設計溫度(45℃)下圓筒材料的許用應力。　　按文獻[12]查得取名義厚度。　　3

65、.1.2 封頭與管箱設計　　選擇標準橢圓形封頭，封頭材料為Q345R低合金鋼。　　封頭內(nèi)徑=800,封頭內(nèi)曲面高度,計算壓力=0.5MPa,標準橢圓封頭系數(shù)K=1。 　　根據(jù)文獻[12]假設壁厚為6~16mm查表得：設計溫度下材料的許用應力,焊縫系數(shù)=0.85。封頭計算

66、壁厚　　對于低合金鋼管：腐蝕裕量C2=2mm,則設計厚度為　　由文獻[12]查得：厚度負偏差C1=0.3，則封頭名義厚度為　　取封頭名義厚度為　　則封頭有效厚度為<p

67、>　　管箱選用與封頭相同材料Q345R ，管箱內(nèi)徑，計算壓力。　　根據(jù)文獻[12]假設壁厚為6-16mm查表得：設計溫度下材料的許用應力,焊縫系數(shù)=0.85。管箱計算壁厚　　同理腐蝕裕量，厚度負偏差C1=0.3mm,則管箱名義厚度為　　取管箱名義厚度為

68、;　　有效厚度為　　取管箱長度為　　3.2 換熱器水壓試驗及其殼體應力校核　　3.2.1 壓力試驗的目的　　除材料本身的缺陷外，容器在制造（特別是焊接過程）和使用中會產(chǎn)生

69、各種缺陷。為考慮缺陷對壓力容器安全性的影響。壓力容器制造完畢后或定期檢查時，都要進行壓力試驗。　　3.2.2 試驗壓力及應力校核　　耐壓試驗有液壓試驗和氣壓試驗兩種，是容器在使用前的第一次承壓，且試驗壓力要比容器最高工作壓力高。容器發(fā)生爆破的可能性比使用時大。由于在相同壓力和容積下，試驗介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲存的能量就越大。爆炸也就越危險，故應選

70、用壓縮系數(shù)小的流體作為實驗介質(zhì)。只有因結構或支撐等原因不能向容器內(nèi)充灌水或其他液體，以及運行條件不允許殘留液體時，才用氣壓實驗。本設計只需進行液壓試驗。　　對于殼程的水壓試驗如下　　由文獻[12]查得許用應力：　　內(nèi)壓容器試驗壓力為：　　為使液壓試驗時容器材料處于彈性狀態(tài)

71、，在壓力試驗前必須按下式校核實驗時圓筒的薄膜應力。　　故滿足要求。　　3.3 開孔補強　　3.3.1 對管程接管的補強計算　　接管選材為Q345R，受內(nèi)壓的圓筒，設計溫度為45℃，由文獻[12

72、]查得設計溫度下的許用應力=174MPa，管箱材料許用應力=189MPa，筒體和接管的厚度附加量C取為2.3 mm。　　(1) 開孔所需補強面積　　開孔直徑：且d=206mm</2=400mm，滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。　　對于內(nèi)壓圓筒上的開孔，為按周向應力計算而

73、得的計算厚度。因開孔不在焊縫上，故取。　　接管有效厚度為=-C=9-2.3=6.7mm　　(2) 有效補強范圍　　a. 有效寬度B 參考文獻[14]式（4-79）確定　　B=2 d=2×206=412mm　　mm

74、 　　取其中最大值，故B=412 mm。　　b. 有效高度 　　外側有效高度h1按文獻[14]式（4-80）確定　　===43.06mm

75、 　　=200 mm（接管實際外伸高度）　　取其中的較小值，故h1=43.06mm。 　　內(nèi)側有效高度h2按文獻[14]式（4-81）確定　　===43.06mm </p&g

76、t;　　=0(實際內(nèi)伸高度)　　取其中較小值，故=0。　　(3) 有效補強面積　　a. 筒體多余金屬面積　　筒體有效厚度 =-C=8-2.3=5.7mm <

77、;p>　　筒體多余金屬面積A1按文獻[14]式（4-82）計算　　b. 接管多余金屬面積　　接管計算厚度　　接管多余金屬面積A2按文獻[10]式（4-83）計算　　c. 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0 mm）

78、;　　A3=2×0.5×6×6=36 mm2 　　d. 有效補強面積　　= A1+ A2+ A3=950.86+504+36=1490.86mm2 ≥A=219.5mm

79、2　　故開孔后不需另行補強。　　3.3.2對殼程接管的補強計算　　接管選材為Q345，受內(nèi)壓的圓筒，設計溫度為25℃，由文獻[12]查得設計溫度下的許用應力=174MPa，殼體材料許用應力=189MPa，筒體和接管的厚度附加量C取為2.3 mm。　?。?）大開孔補強的適用

80、范圍　　大開孔補強是指不能用等面積法補強設計的。壓力面積法適用于內(nèi)壓圓筒形殼體，球性殼體的圓形開孔補強，它允許壓力試驗時最高應力的局部區(qū)域產(chǎn)生可達1％的塑形變形。其要求如下。　?。╝）。　　（b）接管與殼體采用全焊透結構，接管與殼體連接內(nèi)外壁應避免尖角過渡，而采用r圓角過渡。

81、　?。╟）接管、殼體、補強件的材料其常溫屈強比應滿足。應避免采用標準常溫抗拉強度下限值的材料，如果采用，須在設計和檢驗等方面作特殊考慮。　?。╠）接管、殼體、補強件之間的焊縫應進行無損探傷。　?。╡）此補強方法不宜用于介質(zhì)對應力敏感的場合。　?。╢）大開孔應避免用于可產(chǎn)生

82、蠕變或有脈動載荷的場合。　　(2)補強范圍　　殼體補強的有效寬度　　接管外側補強的有效高度　　接管內(nèi)側的有效高度

83、接管厚度方向補強的有效范圍（超過此范圍的金屬不計入承壓面積）　　接管厚度mm或　　殼體厚度的二倍 　　故此，接管的有效厚度按mm計算。　　式中，——接管或開孔內(nèi)直徑，mm；

84、　　——圓筒或球形殼體的內(nèi)直徑，mm；　　——接管采用壁厚，mm；　　——殼體采用壁厚，mm；　　——分別為接管外側和內(nèi)側補強的有效高度，mm；　　b——殼體補強的有效寬度，mm;；　　C——殼體壁厚附加量，m

85、m；　　——接管壁厚附加量，mm；　　——接管腐蝕裕度，mm； 　?。?）補強設計　　接管、殼體、補強材料均采用相同的材料，故按下式進行補強計算：　　其中，</b

86、>　　式中，P——設計壓力，Mpa；　　——補強有效范圍內(nèi)的壓力面積，mm2；　　——殼體上開孔區(qū)內(nèi)有效承壓金屬面積，mm2；　　——接管上開孔內(nèi)有效承壓金屬面積，mm2；　　——補強金屬面積，mm2；

87、　　——殼體材料需用應力，Mpa；　　——接管材料需用應力，Mpa；　　——補強材料需用應力，Mpa；　　3.4 法蘭的選用　　3.4.1 筒體法蘭的選用　　根據(jù)文獻[16]標準，選用PN0.6，DN800

88、平密封面甲型平焊法蘭。本換熱器采用管板兼作法蘭，故選用兩個平面法蘭（管板兼作平面法蘭），材料選用16Mn鍛件。　　3.4.2 管法蘭的選用　　根據(jù)文獻[16選用管程流體進出口接管選用HG20593 PN0.6，DN200的平密封面法蘭外伸長度200mm；殼程流體進出口接管選用HG20593 PN0.6，DN450的平密封面法蘭外伸長度200m

89、m；排液管、排氣管接管選用HG20593 法蘭20-1.6 20 外伸長度150mm。 　　3.5 折流板設計　　由文獻[15]查得折流板間距取800mm，折流板最小厚度為12mm，折流板外徑為795mm，折流板開孔直徑為φ25.8，材料為Q235-A，拉桿為φ16，共6根，材料為Q235-A。<b&

90、gt;　　3.6 管板設計　　根據(jù)參考文獻[17]進行管板設計。　　3.6.1換熱氣的設計條件　　見表2　　3.6.2結構尺寸參數(shù)　　殼程圓筒內(nèi)直徑

91、;　　厚度 　　換熱管外徑 　　厚度 　　表2 換熱器的設計條件 　　總長 </b&g

92、t;　　根數(shù) 　　受壓失穩(wěn)當量長度 　　換熱管三角形排列，管間距 　　換熱管與管板的連接型式：管孔開槽接　　許用拉脫力 </p&g

93、t;　　殼程側管板結構開槽深度 3mm　　管板分程隔板槽深度 4mm　　管箱法蘭采用：甲型平焊密封面法蘭 PN0.6 DN800　　法蘭外直徑Df=930mm　　螺栓中心圓外直徑Db=890mm

94、　　管箱圓筒厚度　　管箱法蘭厚度　　螺栓數(shù)目 　　規(guī)格 M20，有效承載面積　　墊片采用非金屬軟墊片 GB/T 3985<

95、p>　　即石棉橡膠墊片 　　墊片接觸寬度 　　基本密封寬度，查GB150表7-1，,　　3.6.3各元件材料及其設計數(shù)據(jù)　　以下數(shù)據(jù)查自文獻[12]

96、　　殼程圓筒材料：Q345R　　查表2-1,45℃設計溫度下許用應力　　查表B13,-2.5℃金屬溫度下的彈性模量　　查表I4,-2.5℃金屬溫度下線膨脹系數(shù)　　換熱管材料：20號鋼　　查表2-3,45℃設計溫度下許用應力<

97、/p>　　查表I2,45℃設計溫度下屈服點　　查表I5,45℃設計溫度下彈性模量　　12.5℃金屬溫度下彈性模量　　查表I6,12.5℃金屬溫度下線膨脹系數(shù)　　管板材料： 16Mn鍛件　　查表9，45℃

98、設計溫度下許用應；　　查表I5,45℃溫度下彈性模量　　殼程法蘭材料，即管板法蘭材料　　查表I5,25℃溫度下彈性模量　　管箱法蘭材料16Mn鍛件　　管箱圓筒材料彈性模量取管箱法蘭材料的值，即45℃設計溫度下

99、彈性模量　　螺栓材料 35 　　查表12 常溫下許應力　　45℃設計溫度下許應力　　墊片材料石棉橡膠墊片　　查表12 墊片系數(shù)</p

100、>　　比壓 　　3.6.4設計計算　　3.6.4.1換熱管穩(wěn)定許用應力　　管子回轉(zhuǎn)半徑　　系數(shù)

101、 　　所以 　　所以換熱管許用應力　　3.6.4.2法蘭力矩　　本小節(jié)計算按文獻[12]第七章規(guī)定&l

102、t;p>　?。?）基本法蘭力矩計算　　管程壓力操作工況下法蘭力矩　　3.6.4.3各結構參數(shù)和系數(shù)　　（1）隔板槽面積　　隔板槽兩側換熱管之間中心距　　鄰近隔板槽一側的一排換熱管數(shù)16&

103、lt;/p>　　管間距　　（2）管板布管區(qū)當量直徑　?。?）面積　　殼程圓筒內(nèi)徑面積A　　殼程圓筒金屬橫截面積

104、　　一根換熱管金屬橫截面積a　　管板開孔后面積 　?。?）系數(shù)　　按文獻[12],K=　　殼體法蘭應力參數(shù)Y=14.85　　管板剛

105、度削弱系數(shù)　　管板強度削弱系數(shù)　　3.6.4.4 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差　　假設換熱器制造環(huán)境溫度℃　　3.6.4.5 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)<b&g

106、t;　　法蘭寬度　　由文獻[9]圖26 ，查得=0.0003　　3.6.4.6管子加強系數(shù)　?。?）已知管板名義厚度　　殼程側腐蝕裕量 2mm　　焊接結構槽深 3mm>2mm<

107、;p>　　管程側腐蝕裕量 2mm　　分程隔板槽深4mm>2mm　　管板有效厚度，即校核中的計算厚度　　換熱管的有效長度　　（2）管子加強系數(shù)K　　(3) 管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度

108、　　3.6.4.7 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)　　（1）殼體法蘭與圓筒旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)　　已知殼體法蘭（管板延長部分）厚度　　由文獻[9]圖26 ，查得=0.0005　?。?）旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)　　3

109、.6.4.8確定系數(shù)　　由查查文獻[3]　　圖27，管板第一彎矩系數(shù) 　　圖29，　　由查文獻[3]<b

110、>　　圖28，　　圖30 　　法拉力矩折減系數(shù)　　令　　管板邊緣力矩系數(shù)

111、　　法蘭力矩變化系數(shù):　　3.6.4.9設計條件不同危險組合工況的應力計算　?、僖缘谝唤M危險組合工況為例，即只有殼程設計壓力，不計膨脹變形差，按文獻[9]順序計算： 　　查文獻[9]圖30</p&g

112、t;　　以下為各項應力計算及校核：　　令　　=　　=　　根根據(jù)文獻[9]第5，8,23脹接長度取

113、;　　②第二組危險組合工況：　　應力校核：　　=　?、鄣谌M危險組合工況：　　應力校核：　　=&l

114、t;/b>　　=　　④第四組危險組合工況：　　以下為各項應力計算及校核：　　=　　=&

115、lt;p>　　應力校核：　　=　　=　　3.7 支座形式的確定　　3.7.1 已知條件　　已知殼體內(nèi)徑，總

116、高度，支座底板距地面高度3000mm，h=1000mm,設置地區(qū)基本風壓，地震設防烈度為7度，取a=0.08；　　設計壓力0.5MPa，設計溫度45；　　支座材料為16MnR，，墊板材料，底板材料；　　圓筒名義厚度8mm，厚度附加量；　　設備總重量5000kg。</

117、p>　　3.7.2 校核　　根據(jù)文獻[18]，選用4個A3耳式支座，支座允許載荷。　　3.7.3 計算支座承受的實際載荷　　地震載荷：　　風載荷：

118、　　安裝尺寸 　　支座承受的實際載荷Q：　　所以，滿足支座本體允許載荷要求。　　3.7.4 計算支座處圓筒所受的支座彎矩　　筒體有效厚度</b&g

119、t;　　根據(jù)和P查JB/T4710表B.4得　　所以，滿足要求。　　4 螺旋板式換熱器的設計　　設計參數(shù)見上文　　4.1 傳熱工藝計算</p&g

120、t;　　螺旋板式換熱器的部件選用Q345R材料。　　由于是氣—液熱交換，所以按Ⅲ型換熱器確定各部件的結構和尺寸。　　流體流向的選擇軟水有螺旋管道流進中心，再由中心從螺旋管道流出；氣體從軸向流出。　　4.1.1 傳熱量計算　　傳熱量計

121、算見上文。　　4.1 .2 冷卻水的出口溫度　　冷卻水的出口溫度計算見上文。　　4.1.3 螺旋通道截面積與當量直徑de的計算　　液氨通道　　設氣體流速

122、為：　　通道的截面積：　　選螺旋板寬度：H=1.2mm　　通道寬度：　　則當量直徑為：<b

123、>　　軟水通道　　設軟水流速為：　　通道的截面積：　　通道寬度：　　則當量直徑為：</p

124、>　　4.1.4 雷諾數(shù)和普朗特數(shù)　　氨氣（冷程）通道：　　將已知數(shù)據(jù)代入得：　　將已知數(shù)據(jù)代入得：　　軟水（

125、熱程）通道：　　將已知數(shù)據(jù)代入得：　　將已知數(shù)據(jù)代入得：　　4.1.5 給熱系數(shù)的計算　　兩種介質(zhì)的雷諾數(shù)均大于6000，即均在湍流范圍內(nèi)，故用下面的公式計算：</p&

126、gt;　　冷程通道　　設中心直徑：　　螺旋體外徑：　　平均直徑：　　4.1.6 總傳熱系數(shù)K&l

127、t;/p>　　應用串聯(lián)熱阻推導出的公式計算：　　螺旋板為碳鋼，板厚：　　導熱系數(shù)：　　污垢熱阻：　　將數(shù)據(jù)代入上式，可得：

128、4.1.7 對數(shù)平均溫差　　按純逆流計算，平均傳熱溫差：　　4.1.8 換熱器傳熱面積F　　已知傳熱量 　　由傳熱方程式，得：　　將已知數(shù)據(jù)Q、K、Δtm代入上式得：

129、　　4.1.9 螺旋通道長度L　　4.1.10 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑　　前述，已知板厚，，螺旋中心直徑。　　不等通道寬度的螺旋圈數(shù)按下式計算：　　式中， <

130、p>　　代入上式得，　　螺旋體外徑為：　　前面假設之螺旋體外徑：　　計算之值與假設之值兩者相差為：　　說明所設螺旋體外徑是可行的。　　4.2 流體

131、壓力降ΔP計算　　由于螺旋板換熱器流體壓力降的計算沒有一個較準確的計算公式，本設計采用兩種公式進行計算，以便于比較。　　4.2.1 按直管壓力降的計算公式　　用螺旋通道的當量直徑代替管徑，并考慮粘度的影響，用下式計算：　　由圖5-19的曲線查得：

132、　　冷程摩擦系數(shù)　　熱程摩擦系數(shù)　　為求壁溫下下之粘度，需按下式求出壁溫的大小：　　將各數(shù)據(jù)代入得： 　　在的粘度：</p&g

133、t;　　氣體通道的壓力降：　　將已知數(shù)據(jù)代入上式得，　　水側通道的壓力降：　　將已知數(shù)據(jù)代入上式得，　　4.2.2 按大連工學院等單位推薦的公式計算

134、　　氣體通道和進出口的壓力降按下式計算：　　軟水通道和進出口的壓力降按下式計算：　　設定距柱間距t=100mm，no=116個/m2　　冷程通道的壓力降：　　熱程通道的壓力降：&

135、lt;/p>　　有以上兩種壓力降的計算看出，第一種方法，沒有考慮定距柱和進出口局部阻力的影響因素。而第二種方法的計算考慮了定距柱和進出口局部阻力的影響，所以第一種方法計算的壓力降比第二種壓力降計算的小，即是說，后一種方法考慮的比較全面。　　4.3 螺旋板的強度、撓度與校核　　4.3.1 強度計算&l

136、t;p>　　按下式進行計算：　　已知：　　換熱氣的操作壓力 　　其設計壓力位 　　螺旋板材料選Q345R,其&

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