天然氣換熱器設(shè)計(jì).doc

目錄1 換熱器的概述11.1換熱器的概述11.2換熱器的基本要求11.2.1 換熱器管子排列11.2.2制造工藝21.2.3質(zhì)量檢驗(yàn)21.3換熱器的分類(lèi)121.3.1 浮頭換熱器簡(jiǎn)介31.4換熱器的工作方式1031.4.1 換熱器的防腐蝕41.4.2 換熱器的材料341.5換熱器的安裝1142 熱力計(jì)算62.1設(shè)計(jì)參數(shù)62.1.1計(jì)算熱負(fù)荷及重油的出口溫度62.1.2計(jì)算兩流體（暫按單殼程，多管程進(jìn)行計(jì)算逆流時(shí)）的平均溫差62.2計(jì)算傳熱面積262.3換熱管規(guī)格72.3殼體尺寸及總管數(shù)572.4換熱器校核482.4.1核算壓力降82.4.2總傳熱系數(shù)K的計(jì)算93 結(jié)構(gòu)計(jì)算和強(qiáng)度校核14123.1設(shè)計(jì)計(jì)算條件123.2浮頭式換熱器筒體計(jì)算123.2.1計(jì)算條件123.2.2厚度及重量計(jì)算123.2.3壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核6123.3前端管箱筒體計(jì)算:133.3.1計(jì)算條件133.3.2厚度及重量計(jì)算133.3.3壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核133.4 前端管箱封頭計(jì)算7143.4.1設(shè)計(jì)條件143.4.2厚度及重量計(jì)算143.4.3壓力計(jì)算8153.4.4水壓實(shí)驗(yàn)153.5后端管箱筒體計(jì)算153.5.1設(shè)計(jì)條件9153.5.2厚度及重量計(jì)算153.5.3壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核163.6后端管箱封頭計(jì)算163.6.1設(shè)計(jì)條件163.6.2厚度及重量計(jì)算163.6.3壓力計(jì)算173.6.4壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核173.7接管及其法蘭計(jì)算173.7.1筒體進(jìn)料及出料接管計(jì)算173.7.2管箱進(jìn)料及出料接管計(jì)算183.7.3法蘭厚度計(jì)算183.8筒體法蘭計(jì)算213.8.1設(shè)計(jì)條件213.9后端筒體法蘭計(jì)算253.9.1設(shè)計(jì)條件253.9.3應(yīng)力計(jì)算293.10前端管箱法蘭計(jì)算303.10.1設(shè)計(jì)條件303.11后端管箱法蘭計(jì)算343.11.1設(shè)計(jì)條件:343.11.3應(yīng)力計(jì)算373.12鉤圈設(shè)計(jì)12383.13浮頭計(jì)算13383.13.1設(shè)計(jì)條件383.14浮頭式換熱器管板計(jì)算393.14 浮頭式換熱器管板計(jì)算393.14.1 延長(zhǎng)部分兼做法蘭的固定式管板計(jì)算393.15開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)16473.16支座選用15473.17折流板選用20483.18浮頭換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)483.19 換熱器管子的排列493.20 換熱器管子與管板的連接52結(jié) 論54參考文獻(xiàn)49致 謝50英文文獻(xiàn)50英文文獻(xiàn)譯文5653青海大學(xué)化工機(jī)械系換熱器的概述1 換熱器的概述1.1換熱器的概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱(chēng)熱交換器。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(guò)程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過(guò)換熱器來(lái)完成。 由傳熱學(xué)理論可知道，熱交換是一種復(fù)雜的過(guò)程， 它是由系統(tǒng)內(nèi)兩部分的溫度差異而引起的，熱量總是自動(dòng)地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種， 因此在換熱器中， 熱量總是從熱流體傳給冷流體，起加熱作用的熱流體又稱(chēng)加熱介質(zhì)如水蒸汽、煙道氣、導(dǎo)熱油或其他高溫流體等；起冷卻作用的冷流體又稱(chēng)冷卻介質(zhì)如空氣、冷凍水、冷凍鹽水等。在熱交換過(guò)程中，熱冷流體的溫度是因整個(gè)流程而不斷變化的，即熱流體的溫度由于放熱而下降，冷流體的溫度由于吸熱而上升1.2換熱器的基本要求隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類(lèi)的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國(guó)對(duì)某些種類(lèi)的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求： （1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； （3） 便于制造、安裝、操作和維修； （4） 經(jīng)濟(jì)上合理1.2.1 換熱器管子排列管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對(duì)傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時(shí)，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。 換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線(xiàn)通道，便于用機(jī)械進(jìn)行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場(chǎng)合。 另外對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。 當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時(shí)，都必須在管束周?chē)墓慰臻g內(nèi)盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來(lái)不利影響。 管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強(qiáng)度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時(shí)，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過(guò)大的變形，失去管子和管板間的結(jié)合力。一般采用的換熱管的中心距不小于管子外徑的1.25倍。 當(dāng)換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時(shí)為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管束。 為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的隔板1.2.2制造工藝選取換熱設(shè)備的制造材料及牌號(hào)，進(jìn)行材料的化學(xué)成分檢驗(yàn)，機(jī)械性能合格后，對(duì)鋼板進(jìn)行矯形，方法包括手工矯形，機(jī)械矯形及火焰矯形。 備料劃線(xiàn)切割邊緣加工（探傷）成型組對(duì)焊接焊接質(zhì)量檢驗(yàn)組裝焊接壓力試驗(yàn)1.2.3質(zhì)量檢驗(yàn) 化工設(shè)備不僅在制造之前對(duì)原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，而且在制造過(guò)程中要隨時(shí)進(jìn)行檢查。 質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容和方法： 設(shè)備制造過(guò)程中的檢驗(yàn)，包括原材料的檢驗(yàn)、工序間的檢驗(yàn)及壓力試驗(yàn)，具體內(nèi)容如下： （1）原材料和設(shè)備零件尺寸和幾何形狀的檢驗(yàn)； （2）原材料和焊縫的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析試驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)，總稱(chēng)為破壞試驗(yàn) （3）原材料和焊縫內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)方法是無(wú)損檢測(cè)，它包括：射線(xiàn)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等(4）設(shè)備試壓，包括：水壓試驗(yàn)、介質(zhì)試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)等。1.3換熱器的分類(lèi)1換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類(lèi)?；旌鲜綋Q熱器是通過(guò)冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱(chēng)接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類(lèi)換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。 蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類(lèi)換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類(lèi)設(shè)備稱(chēng)蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開(kāi)，并通過(guò)間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱(chēng)表面式換熱器，這類(lèi)換熱器應(yīng)用最廣。 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿(mǎn)足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤(pán)式換熱器和空氣冷卻器等。1.3.1 浮頭換熱器簡(jiǎn)介浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對(duì)膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無(wú)法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=35mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。 鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長(zhǎng)期以來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 鉤圈一般都為對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管近年來(lái)受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過(guò)來(lái)也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。1.4換熱器的工作方式10換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無(wú)相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。 當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無(wú)變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無(wú)關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯(cuò)流和折流等流向。 在傳熱過(guò)程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問(wèn)題。熱阻主要來(lái)源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱(chēng)為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對(duì)較小。增加流體的流速和擾動(dòng)性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會(huì)使能量消耗增加，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面1.4.1 換熱器的防腐蝕換熱器的目的是為了傳熱，經(jīng)常與腐蝕性介質(zhì)接觸的換熱表面積很大，為了保護(hù)金屬不遭受腐蝕，最根本的方法是選用耐腐蝕的金屬或非金屬材料，但同時(shí)對(duì)應(yīng)用最廣泛的鋼鐵材料設(shè)備采取防腐蝕措施也是十分必要的。有時(shí)在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，根據(jù)所處介質(zhì)的腐蝕性，已考慮到采用合適的耐腐蝕材料，但如制造時(shí)焊接方法不當(dāng)，則在焊縫及其附近亦易發(fā)生腐蝕。另外，在離換熱管子入口端4050cm處的管端，由于介質(zhì)的渦流磨損與腐蝕共存而經(jīng)常發(fā)生管端腐蝕；管子內(nèi)側(cè)存在異物沉積或粘著產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕等。這樣也要求采取一些必要的防腐蝕措施。關(guān)于金屬材料的防腐蝕措施， 1.4.2 換熱器的材料3管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來(lái)確定。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開(kāi)始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等1.5換熱器的安裝11安裝換熱器的基礎(chǔ)必須滿(mǎn)足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過(guò)大的變形傳到傳熱器的接管上?；A(chǔ)一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎(chǔ)，換熱器上沒(méi)有鞍式支座而直接放在鞍形基礎(chǔ)上，換熱器與基礎(chǔ)不加固定，可以隨著熱膨脹的需要自由移動(dòng)。另一種為混凝土基礎(chǔ)，換熱器通過(guò)鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎(chǔ)牢固的連接起來(lái)。 在安裝換熱器之前應(yīng)嚴(yán)格的進(jìn)行基礎(chǔ)質(zhì)量的檢查和驗(yàn)收工作，主要項(xiàng)目如下：基礎(chǔ)表面概況；基礎(chǔ)標(biāo)高，平面位置，形狀和主要尺寸以及預(yù)留孔是否符合實(shí)際要求；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；放置墊鐵的基礎(chǔ)表面是否平整等。 基礎(chǔ)驗(yàn)收完畢后，在安裝換熱器之前在基礎(chǔ)上放墊鐵，安放墊鐵處的基礎(chǔ)表面必須鏟平，使兩者能很好的接觸。墊鐵厚度可以調(diào)整，使換熱器能達(dá)到設(shè)計(jì)的水平高度。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性，并將其重量通過(guò)墊鐵均勻地傳遞到基礎(chǔ)上去。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開(kāi)口墊鐵。其中，斜墊鐵必須成對(duì)使用。地腳螺栓兩側(cè)均應(yīng)有墊鐵，墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。 換熱器就位后需用水平儀對(duì)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，斜墊鐵可與芝座焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。當(dāng)兩個(gè)以上重疊式換熱器安裝時(shí)，應(yīng)在下部換熱器找正完畢，并且地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器?？沙楣苁鴵Q熱器安裝前應(yīng)抽芯檢查，清掃，抽管束時(shí)應(yīng)注意保護(hù)密封面和折流板。移動(dòng)和起吊管束時(shí)應(yīng)將管束放置在專(zhuān)用的支承結(jié)構(gòu)上，以避免損傷換熱管。 根據(jù)換熱器的形式，應(yīng)在換熱器的兩端留有足夠的空間來(lái)滿(mǎn)足條件（操作）清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定頭蓋端應(yīng)留有足夠的空間以便能從殼體內(nèi)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(yīng)留出足夠的空間以便能抽出和更換管子。并且，用機(jī)械法清洗管內(nèi)時(shí)。兩端都可以對(duì)管子進(jìn)行刷洗操作。U形管式換熱器的固定頭蓋應(yīng)留出足夠的空間以便抽出管束，也可在其相對(duì)的一端留出足夠的空間以便能拆卸殼體。 換熱器不得在超過(guò)銘牌規(guī)定的條件下運(yùn)行。應(yīng)經(jīng)常對(duì)管，殼程介質(zhì)的溫度及壓降進(jìn)行監(jiān)督，分析換熱管的泄漏和結(jié)垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內(nèi)外的物料進(jìn)行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過(guò)程，與其他設(shè)備相比較，其余腐蝕介質(zhì)接觸的表面積就顯得非常大，發(fā)生腐蝕穿孔結(jié)合處松弛泄漏的危險(xiǎn)性很高，因此對(duì)換熱器的防腐蝕和防泄漏的方法也比其他設(shè)備要多加考慮，當(dāng)換熱器用蒸汽來(lái)加熱或用水來(lái)冷卻時(shí)，水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會(huì)有所提高，而硫酸鈣類(lèi)型的物質(zhì)則幾乎沒(méi)有變化。冷卻水經(jīng)常循環(huán)使用，由于水的蒸發(fā)，使鹽類(lèi)濃縮，產(chǎn)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(shè)備腐蝕，腐蝕與結(jié)垢交替進(jìn)行，激化了鋼材的腐蝕。因此必須經(jīng)過(guò)清洗來(lái)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的增加而迅速增大的，所以清洗間隔時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)，換熱介質(zhì)的性質(zhì)，腐蝕速度及運(yùn)行周期等情況定期進(jìn)行檢查，修理及清洗。熱力計(jì)算2 熱力計(jì)算2.1設(shè)計(jì)參數(shù) 介質(zhì) 原油 柴油進(jìn)口溫度 90 200出口溫度 130 130質(zhì)量流量 Kg/h 40000 Wc 比熱容 KJ/Kg1.925 2.62工作壓力MPa0.81.2導(dǎo)熱系數(shù)W/（m）0.131 0.133密度 Kg/m3795 830黏度 PaS0.00290.0064結(jié)垢系數(shù) W/（m） 0.00007870.000085982.1.1計(jì)算熱負(fù)荷及重油的出口溫度 Q=WhCph（T1-T2）=400001.925（130-90）=3080000KJ/h因?yàn)榭倱Q熱量相等：Q=Wc2.62(200-130) Wc=16.794t/h2.1.2計(jì)算兩流體（暫按單殼程，多管程進(jìn)行計(jì)算逆流時(shí)）的平均溫差 熱流體 200 130 冷流體 130 90t m 70 40則 tm =53.66 P=0.364 R=1.75查圖4-19知：查表： 所以校正后：tm=0.8553.66=45.612.2計(jì)算傳熱面積2根據(jù)兩流體的狀況，假設(shè)K=130 W/（m2）則 S= = =144.3m2考慮10的面積裕量 S=1.1 =144.31.1=158m22.3換熱管規(guī)格考慮到原油具有腐蝕性，而柴油黏度較大易走管間，故選擇原油走管程，重油走殼程。選用16Mn低合金鋼 規(guī)格 252.5mm L=6m2.3殼體尺寸及總管數(shù)5取管中心距1）管數(shù)： Nt=3372）殼體直徑的確定：D=t(nc-1)+2b 式中； D殼體內(nèi)徑, t管中心距,m nc 橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù) b 管束中心線(xiàn)上最外層的中心至殼體內(nèi)壁的距離,m管子按正三角形排列：nc=1.1=20取b=1.28do=1.280.025=0.032m則D=t(nc-1)+2b=0.032（20-1）+20.032=0.672m圓整后DN=700mm原油黏度1.5103 Pa.s 查表6-2知最大流速為u=0.6m/s 取ui =0.44m/s 設(shè)所需管程數(shù)為n 252.5mm di =0.02m則 0.022 0.4427953600=40000知 n=101又知傳熱面積 A=l=158m2 則 l=24m選用6m管，需要4程。2.4換熱器校核42.4.1核算壓力降 管程壓力降7式中:-分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，N/m2; -結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于2.52.5mm的管子，取為1.4，對(duì)于192mm的管子，取為1.5; Np-管程數(shù); Ns-串聯(lián)的殼程數(shù).所以Ft=1.4 Np=24 Ns=1 ui=0.42m/s對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度=0.1mm由-Re關(guān)系圖中查得=0.05030KPa殼程壓力降式中:-流體橫過(guò)管束的壓強(qiáng)降， N/m2; -流體通過(guò)折流板缺口的壓強(qiáng)降， N/m2 ; -殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)， 無(wú)因次，對(duì)于液體取為1.15，對(duì)于氣體或可凝蒸汽，取為1.0; Fs=1.5 Ns=1管子按正三角形排列 F=0.5 nc =1.1=20折流擋板間距h=0.15m 折流擋板數(shù) NB = 殼程流通截面積殼程流速 2.4.2總傳熱系數(shù)K的計(jì)算l 管內(nèi)傳熱膜系數(shù)6Re=2302Pr=42.6管程流體被加熱 取n=0.4i=330 W/m2l 管外傳熱膜系數(shù)o=管子按正三角形排列，則傳熱當(dāng)量直徑為：De=0.0202m殼程流通截面積:A =0.01640625m2u=0.36m/sRe=296000查圖5-30知 NuPr-1/3 =15殼體內(nèi)流體冷卻取 =0.95o =*664-1/3*0.95=383 W/m2考慮短路因素：o =0.9o =344.7 W/m2污垢熱阻和管壁熱阻:管內(nèi)、外側(cè)熱阻分別取 Ri=0.0008598m2/W Ro=0.000777 m2/W已知管壁厚度為=0.002m，取碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)=45W/（m2）=108.5 W/m2l 以知前邊所選的K=130 W/m2在確定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出KO =108.5 W/m2故所選K值合適。計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.結(jié)構(gòu)計(jì)算和強(qiáng)度校核3 結(jié)構(gòu)計(jì)算和強(qiáng)度校核143.1設(shè)計(jì)計(jì)算條件殼程: 設(shè)計(jì)壓力 1.3MPa 管程: 設(shè)計(jì)壓力 1MPa設(shè)計(jì)溫度 200 設(shè)計(jì)溫度 200筒體公稱(chēng)直徑 Di=700mm 管子規(guī)格 252.5mm材料名稱(chēng) Q235-B 材料名稱(chēng) 16MnR(熱扎)3.2浮頭式換熱器筒體計(jì)算3.2.1計(jì)算條件 計(jì)算壓力 Pc = 1.3MPa 設(shè)計(jì)溫度 t=200 C內(nèi)徑 Di =700mm試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s=113MPa 8設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st =100 MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss =235MPa抗拉強(qiáng)度 sb =375MPa鋼板負(fù)偏差 C1 =0.6mm腐蝕裕量 C2 =2mm焊接接頭系數(shù) f=1.00材料 Q235-B ( 板材 )3.2.2厚度及重量計(jì)算 計(jì)算厚度9: d = = =4.57mm對(duì)于低合金鋼來(lái)說(shuō)最小厚度為dmin=3mm 名義厚度: dn =d + C1+ C2+=4.57+0.6+2+=8mm 有效厚度: de= dn -C1- C2 =5.4mm 重量: 300x3=900Kg3.2.3壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核6 壓力試驗(yàn)類(lèi)型: 液壓試驗(yàn) 試驗(yàn)壓力值10: PT = 1.25P = 1.251.3= 1.625MPa 壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平sT0.90ss = 211.5MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 sT = =119.9MPa校核條件 : sTsT校核結(jié)果 : 合格3.3前端管箱筒體計(jì)算:3.3.1計(jì)算條件 計(jì)算壓力 Pc=1.3MPa 設(shè)計(jì)溫度 t=200 C內(nèi)徑 Di =700mm筒體長(zhǎng)度 l=150mm材料 16MnR(熱扎) ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s=170Mpa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st =170MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss =345MPa鋼板負(fù)偏差 C1 =0.6mm腐蝕裕量 C2 =2.00mm焊接接頭系數(shù) f=1.003.3.2厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度: d = =3.5mm 名義厚度: dn =d + C1+ C2+=8mm 有效厚度: de= dn -C1- C2 =6mm 重量: 15Kg3.3.3壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類(lèi)型: 液壓試驗(yàn) 試驗(yàn)壓力值: PT = 1.25P = 1.625MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平sT0.90ss ss = 345MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 sT = = = 109.1MPa0.90ss =0.91.00345=310.5MPa校核條件 : sT0.90ss校核結(jié)果 : 合格 3.4 前端管箱封頭計(jì)算73.4.1設(shè)計(jì)條件 計(jì)算壓力 Pc = 1MPa設(shè)計(jì)溫度 t=200 C選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 K=1內(nèi)徑 Di =700mm曲面高度 hi =125mm直邊高度 h=25mm試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s=170MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st =170 MPa 試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss =345MPa鋼板負(fù)偏差 C1 =0.6mm腐蝕裕量 C2 =2.00mm焊接接頭系數(shù) f=1.00材料 16MnR(熱軋) ( 板材)3.4.2厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度 d = = 3.2mm名義厚度: dn =d + C1+ C2+=8mm 有效厚度: de= dn -C1- C2 =6mm 重量: 20Kg結(jié)論 滿(mǎn)足最小厚度要求3.4.3壓力計(jì)算8最大允許工作壓力: Pw= = 3.5MPa知 PPw結(jié) 論: 合格3.4.4水壓實(shí)驗(yàn)0.90ss =0.91.00345=310.5MPaPT = 1.25P = 1.2511.00=1.25MPa sT = = 73.54MPa 校核條件 : sT0.90ss校核結(jié)果 : 合格橢圓封頭標(biāo)準(zhǔn) JB/1154-84公稱(chēng)直徑Dg/mm 曲面高度mm 直邊高度mm700 125 253.5后端管箱筒體計(jì)算3.5.1設(shè)計(jì)條件9計(jì)算壓力 Pc = 1.3MPa設(shè)計(jì)溫度 t=200 C內(nèi)徑 Di =800mm管箱長(zhǎng)度 l=150mm試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s=113MPa 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st =100 MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss =235MPa鋼板負(fù)偏差 C1 =0.6mm 腐蝕裕量 C2 =2mm焊接接頭系數(shù) f=1.00材料 Q235-B ( 板材 )3.5.2厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度: d = = 5.23mm名義厚度 dn =d + C1+ C2+=8mm 有效厚度: de= dn -C1- C2 =5.4mm 重量: 20.15Kg結(jié)論 滿(mǎn)足最小厚度要求3.5.3壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類(lèi)型: 液壓試驗(yàn) 試驗(yàn)壓力值: PT = 1.25P = 1.84MPa 壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平sT0.9ss ss = 235MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 sT= = 137.2MPa 0.90ss=0.91.00235=211.5MPa校核條件 : sT0.90ss校核結(jié)果 : 合格3.6后端管箱封頭計(jì)算3.6.1設(shè)計(jì)條件計(jì)算壓力 Pc = 1MPa設(shè)計(jì)溫度 t=200 C內(nèi)徑 Di =800mm曲面高度 hi =25mm試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s=113MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st =100 MPa 試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss =325MPa鋼板負(fù)偏差 C1 =0.6mm腐蝕裕量 C2 =2mm焊接接頭系數(shù) f=1.00材料 16MnR(熱軋) ( 板材)3.6.2厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù) K = 1.00計(jì)算厚度 d = = 4.01mm名義厚度 dn =d + C1+ C2+=8mm 有效厚度: de= dn -C1- C2 =5.4mm 重量: 28.3Kg3.6.3壓力計(jì)算最大允許工作壓力: Pw= = 1.35MPa知P6.4mmb= m=2.00 y=11MPa 連接接觸面總在緊載荷：=6.2849491.322=73711N總的靜壓軸向力：在操作狀況下螺栓承受的載荷：=252870+73711=326581N在預(yù)緊狀況下螺栓承受的載荷：在操作狀況下所需的螺紋根部載荷總截面積或承受應(yīng)力下的最小直徑處總截面積：式中：操作條件下的螺栓許用應(yīng)力則 取 螺栓的螺紋根部實(shí)際總截面積或承受應(yīng)力下實(shí)際最小總截面積：式中： n 螺栓個(gè)數(shù) do 螺紋直徑,mm法蘭螺栓設(shè)計(jì)載荷：作用在法蘭內(nèi)表面積上的流體軸向靜壓力：作用位置處螺栓圓徑向距離：式中：Db 螺栓中心圓直徑作用于法蘭內(nèi)側(cè)的載荷產(chǎn)生的力矩：墊片載荷，即法蘭螺栓設(shè)計(jì)載荷與總的流體靜壓軸向應(yīng)力的差值：作用位置處至螺栓圓的徑向距離：則 總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力之差：作用位置處至螺栓直徑圓的徑向距離：內(nèi)壓力作用于法蘭上總載荷與法蘭內(nèi)側(cè)所承受的載荷之差產(chǎn)生的力矩：作用在法蘭圈內(nèi)側(cè)與半球形蓋厚度中心線(xiàn)處的球形段中薄膜載荷的徑向奮力：式中： 由半球形厚度中心線(xiàn)與法蘭圓的交點(diǎn)所作用的一根切線(xiàn)與垂直于半球形蓋軸線(xiàn)所成的夾角作用位置處至法蘭形心軸的距離：式中： 浮頭法蘭厚度，假設(shè)=30mm 法蘭上表面至半球形封頭外表面與法蘭圓內(nèi)側(cè)交點(diǎn)的距離，取=10 mm操作狀況下法蘭總力矩：預(yù)緊時(shí)：預(yù)緊時(shí)法蘭力矩：總力矩： 式中： 設(shè)計(jì)溫度下法蘭材料的許用應(yīng)離，MPa 常溫下法蘭材料的許用應(yīng)力，MPa法蘭厚度計(jì)算：計(jì)算出的與假設(shè)的比較，知 =30mm,故假設(shè)值合適結(jié)論：校核合格3.8筒體法蘭計(jì)算3.8.1設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)壓力 p=1 MPa 計(jì)算壓力 pc =1 MPa 設(shè)計(jì)溫度 t=200 C 軸向外載荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm殼 體: 材料名稱(chēng) Q235-B(熱軋)許用應(yīng)力 =113 MPa法 蘭: 材料名稱(chēng) Q235-B(熱軋) 許用應(yīng)力 sf =113 MPa 螺 栓: 材料名稱(chēng) Q235-B(熱軋)許用應(yīng)力 sf =87MPa 螺栓規(guī)格 M16 數(shù)量 n=20個(gè)法蘭選用要求：在石油化工設(shè)備管道生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)工藝的要求，或者制造，運(yùn)輸，安裝，檢修方便。?？刹捎每刹鸬穆?lián)接機(jī)構(gòu)，常見(jiàn)的聯(lián)接機(jī)構(gòu)有法蘭聯(lián)接，螺栓聯(lián)接和插套聯(lián)接。由于法蘭聯(lián)接有較好的強(qiáng)度和緊密性，適用的尺寸范圍廣，在設(shè)備和管道中都能引用，所以法蘭連接最普遍。缺點(diǎn)：不能很快的裝配和拆卸，制造成本高。 查表2-18 PN=1.6MPa公稱(chēng)直徑DN法蘭螺柱非金屬墊片700d規(guī)格數(shù)量8207807557457426225M1620544504墊片選用要求：墊片是螺栓法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的蜜蜂性能，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的特性，壓力，溫度和壓緊面的形狀選擇墊片的結(jié)構(gòu)形式，材料和尺寸，同時(shí)兼顧價(jià)格，制造和更換是否方便等因素?；疽笫侵谱鲏|片的材料不污染工作介質(zhì)，耐腐蝕，具有良好的變形能力和回彈能力，以及在工作溫度下不易變質(zhì)硬化或軟化。墊片選用 查表4-1介質(zhì)法蘭公稱(chēng)壓力MPa工作溫度密封面形式墊片油品，油氣，化工原料及產(chǎn)品形式材料凹凸面耐油墊橡膠石棉板3.8.2螺栓設(shè)計(jì)校核1）墊片預(yù)緊力：式中： 御緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力。N 墊片的有效密封寬度，mm 墊片壓緊力作用中心圓計(jì)算直徑,mm當(dāng) 時(shí)， 等于墊片接觸面的平均直徑當(dāng)時(shí) ，等于墊片接觸面的外徑減去2b 墊片壓緊力,MPa由前知 N=20 則 則 操作狀態(tài)下：式中：Fp 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N m 墊片系數(shù) Pc 計(jì)算壓力，MPa則2）螺栓載荷計(jì)算： 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷等于保證墊片初始密封的壓緊力。即式中： 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷由兩部分組成：介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力和保持墊片密封所需的墊片壓緊力，即式中：操作狀態(tài)下需要的最小載荷，N3)螺栓設(shè)計(jì)校核通常螺栓與螺母采用不同的材料或同種材料但不同的熱處理?xiàng)l件，使其具有不同的硬度，螺栓材料應(yīng)比螺母材料硬度高30HB以上。預(yù)緊狀態(tài)下：按常溫計(jì)算，螺栓所需截面積為式中：常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力查 GB150-1998知，常溫下=87MPa則操作狀況下，按螺栓設(shè)計(jì)溫度計(jì)算螺栓所需截面積式中：設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力查 GB150-1998知 設(shè)計(jì)溫度下=71MPa則需要的螺栓截面積取與的較大值。故取=6182.2mm2由 可確定螺栓直徑與個(gè)數(shù)式中： 螺紋根徑或螺栓最小截面直徑,mm N 螺栓個(gè)數(shù)選定螺栓個(gè)數(shù)n=20則 而前邊選用 M16 的螺栓，故螺栓強(qiáng)度足夠。4)螺栓間距校核確定螺栓個(gè)數(shù)不僅考慮螺栓法蘭的密封性，還要考慮安裝的方便。螺栓個(gè)數(shù)多，墊片受力均勻，密封效果好，但螺栓個(gè)數(shù)太多，螺栓間距變小，可能放不下扳手，引起裝拆困難，法蘭環(huán)上兩個(gè)螺栓孔中心距 應(yīng)在 的范圍，若螺栓間距太大，在螺栓孔之間將引起附加的法蘭彎距，且墊片受力不均導(dǎo)致密封性下降。為此，螺栓間距不超過(guò)下式所確定的數(shù)值。式中： 螺栓公稱(chēng)直徑,mm 法蘭有效厚度,mm則 =220+=145.6mm知 3.5dB因此所選螺栓間距合適3.9后端筒體法蘭計(jì)算3.9.1設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)壓力 p=1MPa 計(jì)算壓力 pc =1MPa 設(shè)計(jì)溫度 t=200 C 軸向外載荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm殼 體: 材料名稱(chēng) Q235-B(熱軋)許用應(yīng)力 =113 MPa法 蘭: 材料名稱(chēng) Q235-B(熱軋)許用應(yīng)力 sf =113 MPa 螺 栓: 材料名稱(chēng) Q235-B(熱軋?jiān)S用應(yīng)力 sf =87MPa 螺栓規(guī)格 M20 數(shù)量 n=28個(gè)法蘭選用要求：在石油化