換熱器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、 余熱回收裝置中軟水預(yù)熱器的設(shè)計(jì) 621 緒論1.1 課題介紹本次設(shè)計(jì)為余熱回收裝置中軟水預(yù)熱器的設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)立式管殼式換熱器。管殼式換熱器又稱(chēng)列管式換熱器，它適用于冷卻，冷凝，加熱、蒸發(fā)及廢熱回收等方面。是理論研究水平最高、設(shè)計(jì)技術(shù)最完善、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化歷史最悠久以及計(jì)算機(jī)程序軟件開(kāi)發(fā)最早的換熱設(shè)備，在石油、化工生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。它的工藝設(shè)計(jì)一般是指?jìng)鳠嵩O(shè)計(jì)和壓降（或流動(dòng)）設(shè)計(jì)，傳熱尤為復(fù)雜1。目前在食品行業(yè)中，糧食干燥作業(yè)中多用列管式換熱器，這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，檢修方便。干燥行業(yè)中，換熱器的熱介質(zhì)是燒煙煤與無(wú)煙煤混合燃料產(chǎn)生的高溫?zé)煹罋?。在管?nèi)流動(dòng)，冷介質(zhì)是空氣，在

2、管外橫向沖刷管子流動(dòng)2。固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長(zhǎng)度設(shè)

3、置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：旁路滲流較小、造價(jià)低、無(wú)內(nèi)漏。固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無(wú)法清洗，管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)的是一臺(tái)立式管殼式換熱器如（圖1.1）所示。圖1.1 立式管殼式換熱器1.2 研究余熱回收裝置的

4、意義對(duì)于余熱回收裝置來(lái)說(shuō)就是盡可能的把設(shè)備生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收和利用，例如將空壓機(jī)出口壓縮空氣產(chǎn)生的熱量回收到生產(chǎn)工藝的流程上的加熱系統(tǒng)，作為補(bǔ)充熱量。對(duì)于在節(jié)能和環(huán)保的工作上有這巨大的意義，它不但回收利用高溫?zé)煔庵械拇蟛糠值娘@熱和潛熱，提高燃料利用率，同時(shí)極大地降低了煙氣中污染物的排放量，節(jié)能降耗減排效果十分明顯，具有重要的環(huán)境保護(hù)意義3。1.3 余熱回收裝置中換熱器的研究意義在余熱回收裝置中換熱器是一個(gè)主體設(shè)計(jì)，對(duì)于換熱器的研究主要也是在與節(jié)能上的考慮，在石化和化工制藥設(shè)備的換熱器系統(tǒng)中，管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在化工生產(chǎn)和使用中一直占主導(dǎo)地位，被廣泛使用在精

5、餾塔的塔頂冷凝器、冷卻器和塔底再沸器等。在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和使用中， 積極考慮強(qiáng)化傳熱的新技術(shù)、新工藝，以提高能源利用率、減少金屬材料的消耗，對(duì)推進(jìn)石油化工制藥行業(yè)的節(jié)能減排工作有著重要意義。1.4 國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展與主要成果由于近代科學(xué)的發(fā)展，從化學(xué)工業(yè)到宇宙開(kāi)發(fā)都需要熱交換，并且對(duì)換熱器提出了越來(lái)越多的要求，而換熱設(shè)備與傳熱過(guò)程的機(jī)理密切的相關(guān)，因此各國(guó)都對(duì)傳熱設(shè)備和傳熱學(xué)進(jìn)行了研究工作，如美國(guó)早在1962年就成立了“熱傳遞研究公司”（HTRI），從事傳熱學(xué)理論和換熱設(shè)備方面的研究。下面就談?wù)劷囊恍┭芯砍晒?。近年?lái)，為了強(qiáng)化換熱設(shè)備，一面對(duì)舊有的結(jié)構(gòu)形式加以改進(jìn)，同時(shí)也提出了一些新的

6、結(jié)構(gòu)形式，所采用的技術(shù)有。1.4.1 利用擾動(dòng)促進(jìn)物如螺旋線、入口渦流發(fā)生器，參繞帶，位移促進(jìn)器和螺旋溝槽等。W.J.Marner4和A.E.Rergless5曾在小尺寸的設(shè)備中，在不變熱通量的條件下，研究了螺旋帶插入物對(duì)熱傳遞系數(shù)和壓力降的影響，認(rèn)為本質(zhì)上均有增加，且增加程度差不多。1.4.2 擴(kuò)大傳遞表面如在換熱器表面上嵌入翅片表面，這種情況，一般是采用具有外翅片的管，也有具有內(nèi)翅片的管，過(guò)去很少使用，但近年來(lái)這種形式的翅片的發(fā)展和研究都很快。近年來(lái)對(duì)操作在高溫和高壓的換熱器的結(jié)構(gòu)給予了更多的關(guān)注，雖然管殼式換熱器是一種比較理想的結(jié)構(gòu)，但從傳遞的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，較厚的管壁是不利的。因此，為了促進(jìn)

7、光管熱傳遞表面的特性，而采取了增加流體流速和使用小直徑管與緊湊的管束等措施，但也只適用于一定流體阻力的范圍中，為了補(bǔ)償厚壁帶來(lái)熱阻的不利影響，而采用擴(kuò)大表面的翅片，它比光管表面可增大510倍，而翅片的壁厚比管壁的厚度要小得多6。還有就是對(duì)殼程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，殼程傳熱強(qiáng)化研究包括管型與管間支撐物的研究。根據(jù)不同的管束支承結(jié)構(gòu)可分為板式支承、桿式支承、空心環(huán)支承、管子自支承等幾種形式。傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用弓形隔板支撐，這種結(jié)構(gòu)形式存在一些弊端：阻力大、死角多、傳熱面積無(wú)法被充分利用，還可能引發(fā)流體流動(dòng)振動(dòng)等等。為了使折流板的性能得到改進(jìn)，又研發(fā)出了多弓形折流板、整圓形折流板、異形孔折流板、網(wǎng)

8、狀板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動(dòng)變?yōu)榭v向流動(dòng)，從而盡可能地消除死區(qū)，使得傳熱綜合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增強(qiáng)。螺旋折流板換熱器，國(guó)外稱(chēng)Heliexcl1aIlger換熱器，是ABB公司的新產(chǎn)品，它突破了殼程介質(zhì)Z形折返的傳統(tǒng)方式。從結(jié)構(gòu)上看該換熱器主要包括2大類(lèi)：一類(lèi)是沒(méi)有中心管，折流板為非整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理為：將圓截面的特制板安裝在“虛擬螺旋折流系統(tǒng)”中，每塊折流扳占換熱器殼程橫剖面的1/4，傾角朝向換熱器的軸線，使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng)，減少了管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣一水換熱的情況下，傳遞相同熱量時(shí)，該換熱器可

9、減少3040 的傳熱面積，節(jié)省材料2030。另一類(lèi)是設(shè)有中心管，折流板為整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)形式是折流板圍繞中心管螺旋纏繞，形成整體連續(xù)的螺旋折流板結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)中報(bào)道較少，張正國(guó)等和英國(guó)公司均有相關(guān)專(zhuān)利7。另外遼寧石油化工大學(xué)陳世醒又提出了一特殊形式的折流板。商利艷等分別對(duì)螺旋角為12、18、30、40。的單螺旋板折流換熱器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，隨著螺旋角的減小傳熱效果增強(qiáng)，但壓降增大的綜合性能最好。王樹(shù)立等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾數(shù)有關(guān)8。1.5 設(shè)計(jì)方法和計(jì)算的改進(jìn)對(duì)于換熱器設(shè)計(jì)的方法和研究9，一方面考慮到在進(jìn)行換熱器最佳設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)。如果采用人

10、工計(jì)算，一半都需要若干反復(fù)測(cè)試，這不僅僅難以找出最佳值，而且既費(fèi)時(shí)有容易出錯(cuò)。因此近年來(lái)采用電子計(jì)算技術(shù)來(lái)計(jì)算換熱器，同時(shí)也應(yīng)用到了換熱器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。其次，通過(guò)研究對(duì)管殼式換熱器和其它形式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行了修正，以減少其誤差。另外也提出了一些有關(guān)特殊條件下所使用的換熱器的設(shè)計(jì)方法，如超高容量換熱器的特殊設(shè)計(jì)等。在這方面美國(guó)發(fā)展較快，他們所開(kāi)發(fā)的一種廣泛的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)計(jì)算按照美國(guó)的規(guī)范所設(shè)計(jì)的管殼式換熱器的所有部件。使用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算，不僅可以縮短計(jì)算時(shí)間，減少人為的差錯(cuò)，而且能進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，求出重量最輕和價(jià)格最低的部件。美國(guó)傳遞研究公司結(jié)合近年來(lái)在管殼式換熱器方面的研究成果，

11、對(duì)通用的設(shè)計(jì)方法中所使用的一些計(jì)算公式進(jìn)行了修改。在過(guò)去的換熱器設(shè)計(jì)中，對(duì)流體流動(dòng)所引起換熱器中傳熱管的震動(dòng)問(wèn)題，一直未能重視，近年來(lái)對(duì)這方面的計(jì)算公式進(jìn)行了研究和修整。此外，在換熱器設(shè)計(jì)中，由于過(guò)去對(duì)污垢形成機(jī)理研究很少，但對(duì)于它的熱阻影響在設(shè)計(jì)中必須考慮到，為此，對(duì)過(guò)去往往憑經(jīng)驗(yàn)所計(jì)算的傳熱系數(shù)加以修整，降低其數(shù)值，但更具經(jīng)驗(yàn)估算一個(gè)污垢層的厚度，在結(jié)合污垢的導(dǎo)熱系數(shù)，來(lái)計(jì)算傳熱系數(shù)值。1.6 生產(chǎn)制造工藝上的改進(jìn)換熱器的發(fā)展與制造工藝水平有著密切相關(guān)的水平，任何高效緊湊式的結(jié)構(gòu)設(shè)備，都必須有一定的先進(jìn)制造工藝水平來(lái)保證它的質(zhì)量，運(yùn)行時(shí)的可靠，并能擴(kuò)大產(chǎn)量，降低制造成本，這樣才有推廣的生命

12、力。近年來(lái)，主要采取了以下幾個(gè)措施10。1.6.1 采用新技術(shù)、新工藝和新材料近年來(lái)，為了適應(yīng)強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)之間的換熱，而較快發(fā)展了采用新的結(jié)構(gòu)材料來(lái)制造換熱設(shè)備，其中如鈦等其它合金及石墨和碳化硅陶瓷等。這些材料的加工制造常常需要新技術(shù)。如在換熱器的制造中，管子與管板的連接方面，已有若干新的方法，如爆炸脹接、液壓脹接、橡膠脹接等。其中橡膠脹接是日本研究出的新技術(shù)，這種方法操作簡(jiǎn)單，脹管條件容易掌握，操作安全可靠，且脹管處表面光滑，無(wú)加工硬化現(xiàn)象，強(qiáng)度與腐蝕性?xún)?yōu)良，可靠性高度提高。另外，各種復(fù)合材料被廣泛的使用，其加工技術(shù)一般已經(jīng)掌握。此外，還發(fā)展了各種管子的表面處理技術(shù)和各種新型翅片管的制造工藝

13、。1.6.2 有限元應(yīng)力分析在換熱器中的應(yīng)用換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類(lèi)繁多，分析計(jì)算難度大，而且隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高參數(shù)、非常規(guī)的固定管板式換熱器不斷涌出。借助分析設(shè)計(jì)方法、采用有限元手段是解決固定管板式換熱器強(qiáng)度分析的有效途徑。 目前雖然有ANSYS、ABAQUS、ADINA及NASTRAN等眾多通用有限元軟件，但固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模工作量大，因此現(xiàn)有的有限元分析軟件不便于工程應(yīng)用。開(kāi)發(fā)一種專(zhuān)用于固定管板式換熱器的有限元分析工具是十分必要的。ANSYS是基于有限元程序自動(dòng)生成系統(tǒng)（FEPG）這有限元軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一個(gè)專(zhuān)業(yè)有限元軟件11（圖1.2）。采用ANSYS有限元軟件對(duì)管

14、箱上連接的物料進(jìn)出口的開(kāi)孔進(jìn)行強(qiáng)度校核。具體步驟是首先定義單元類(lèi)型和材料屬性、定義單元類(lèi)型和材料屬性、創(chuàng)建有限元模型、創(chuàng)建網(wǎng)格、施加約束和載荷并求解。圖1.2 有限元程序自動(dòng)生成系統(tǒng)框圖1.7 創(chuàng)新點(diǎn)及難點(diǎn)分析對(duì)于任何一部設(shè)備來(lái)說(shuō)隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，在生產(chǎn)中都會(huì)遇到一系列問(wèn)題，對(duì)于換熱起來(lái)說(shuō)最常見(jiàn)的就是發(fā)生泄漏，那么我本次設(shè)計(jì)換熱器的創(chuàng)新點(diǎn)就是把發(fā)生這種故障的因素降到最低。首先要了解發(fā)生故障的原因，原因之一：發(fā)生泄漏的部位多發(fā)生在換熱器的上部，此處是壓縮空氣出口與換熱器接觸的位置。由于壓縮空氣的出口溫度較高，因此換熱器上部的換熱管外壁溫度也最高，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行特別是重載運(yùn)行的時(shí)候，容易造成換熱管

15、受熱，機(jī)械強(qiáng)度下降。但管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了這種情況是難以克服的。具體機(jī)械強(qiáng)度的影響有多大，難以準(zhǔn)確判斷，這里只能作定性分析。原因之二：管殼式換熱器在加工工藝中，換熱換熱管被穿過(guò)兩頭的管板和中間的折流板，然后用機(jī)械漲管的方法將換熱管與管板固定。折流板和換熱管之間為了穿管方便，一般折流板的孔洞都會(huì)留有公差配合，這就使得折流板與換熱管之間存在一定的間隙（見(jiàn)圖1.3）。也就是說(shuō)折流板和換熱管之間實(shí)際上是松動(dòng)的。當(dāng)空壓機(jī)重載運(yùn)行時(shí)，被壓縮的高溫高速液體進(jìn)入換熱器后持續(xù)的沖刷換熱管，由于換熱管兩端是固定的，壓縮空氣的沖擊力作用在換熱管上，導(dǎo)致?lián)Q熱管受力擾動(dòng)變形；當(dāng)空壓機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，空氣進(jìn)口閥門(mén)關(guān)閉

16、，沒(méi)有壓縮液體進(jìn)入換熱器，換熱管的受力消失，換熱管恢復(fù)原狀；當(dāng)空壓機(jī)頻繁加卸載時(shí)，換熱管就會(huì)交替出現(xiàn)受力變形和恢復(fù)原狀的變化過(guò)程，這就會(huì)引起換熱管與折流板之間的不停的碰撞和摩擦。長(zhǎng)時(shí)間的剛性碰撞和摩擦導(dǎo)致與折流板接觸部位的換熱管壁逐漸變薄，從而導(dǎo)致局部穿孔或裂縫，使泄漏現(xiàn)象產(chǎn)生。因此折流板與換熱管之間碰撞、摩擦是造成換熱管局部泄漏的主要原因。圖1.3 換熱器局部示意圖通過(guò)上面分析，我們知道折流板與換熱管接觸的地方是受力比較集中的地方，其剛性的碰撞和摩擦是導(dǎo)致泄漏的主要原因，因此解決泄漏問(wèn)題的關(guān)鍵是降低或避免折流板和換熱管之間的剛性接觸。根據(jù)上述思路，可以在換熱換熱管與折流板接觸的地方增加一層耐

17、摩擦的保護(hù)套管的設(shè)計(jì)思路，一方面可以將折流板與換熱管隔離開(kāi)來(lái)（見(jiàn)圖1.4），減少了金屬之間的直接接觸，另外由于保護(hù)套管為塑性材料，也可以減少換熱管和折流板之間的間隙，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)換熱換熱管的目的。介質(zhì)流動(dòng)方向圖1.4 改進(jìn)后的換熱管結(jié)構(gòu)示意圖在加工工藝上，宜對(duì)折流板的孔洞做倒角鈍化處理，以減少其棱邊對(duì)保護(hù)套管的摩擦，在套管材料的選擇上，可以考慮用聚四氟乙烯材料，因?yàn)槠錆M(mǎn)足了以下一些條件：（1）具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，能夠滿(mǎn)足正常使用的需要。（2）能夠耐受高溫，本次設(shè)計(jì)的換熱器殼程的溫度變化在3580，管程溫度變化在10560，而聚四氟乙烯材料可以在250以下溫度時(shí)保證強(qiáng)度和性能不下降。（3）成

18、型性好，加工方便。綜上所述，采用套管保護(hù)的方法在技術(shù)上是可行的。2 傳熱設(shè)計(jì)2.1 流體的平均溫度TM和tm（2.1）（2.2）2.2 平均溫度下的物性數(shù)據(jù)tm=57.5時(shí)，水的物性數(shù)據(jù)粘度µ= 0.000483 （Pa·s）密度= 984.43 （kg/m3）導(dǎo)熱系數(shù)= 0.655 W/（m·）定壓比熱容Cp= 4.18kJ/（kg·）Tm=82.5變換氣的物性數(shù)據(jù)粘度µ= 0.00001774（Pa·s）密度=12.9559（kg/m3）導(dǎo)熱系數(shù)=0.022 W/（m ·）定壓比熱容Cp=2.22 kJ/（kg·

19、;）2.3 平均有效溫差tm先按逆流計(jì)算 Ti-t0=25 T0-ti=25t1/t2=1<2 所以采用算術(shù)平均溫差tam=(t1+t2)/2=252.4 決定通入空間，選取管徑和管內(nèi)流速為便于水垢清洗，決定水走管內(nèi)，變換氣走殼層。并選用25×2.5的管子。初步設(shè)定管子內(nèi)水的流速為0.5m/s2.5 計(jì)算傳熱系數(shù)k2.5.1 管層給熱系數(shù)i根據(jù)公式（2.3）（2.4）2.5.2 殼層給熱系數(shù)假定殼層給熱系數(shù)o =300W/（m2·），并且由相關(guān)表格查得管程水和殼程蒸汽的污垢絕緣系數(shù)ri= 0.000344 m2·/wro=0.000176 m2·/

20、w（2.5）k=624 W/(m2·)2.6 熱流量的計(jì)算（2.6）即熱流量Q=8431018 kJ/h，（2.7）又根據(jù) 得出變換氣的流量是WS=85161 kg/h2.7 排管和管殼設(shè)計(jì)取管子中心距，管長(zhǎng)取l =4.5m。管數(shù)根據(jù)公式 排管：根據(jù)有關(guān)表格查取，采用管內(nèi)空間四層，程內(nèi)則按正三角形順列排布，實(shí)際開(kāi)孔為444其中8根為固定桿位置。查表的相應(yīng)的殼體直直徑Di=800，D0=730靠近中心線排管上的管子數(shù)：Nc=23根圓缺區(qū)內(nèi)的管數(shù)：NT,w=66根（其中有2根折流板固定桿孔）折流板上的管孔數(shù)：NB=334根（其中有6根折流板固定桿孔）一個(gè)錯(cuò)流區(qū)域流體所經(jīng)過(guò)的主要收縮次數(shù)：

21、Ne=17圓缺區(qū)內(nèi)錯(cuò)流的有效收縮次數(shù)：Nw =4旁擋數(shù)：NS=0（即不設(shè)旁擋）則4500/800=5.625符合立式管殼式換熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。折流板N=19塊，靠近管板端的間距400mm，其余中間的板間距均為200mm。2.8 校核傳熱系數(shù)2.8.1 管程水的給熱系數(shù)ai管程水的實(shí)際流速：（2.7）（2.8）2.8.2 殼程變換氣的給熱系數(shù)ao殼程的當(dāng)量直徑：（2.9）氣體橫過(guò)管束時(shí)的流通面積：（2.10）切除折流板的高度，支撐板的弦長(zhǎng)，弓形面積分別如下：，（2.11）管子截面積和殼體截面積之比，圓缺區(qū)內(nèi)流通的面積，幾何平均流通面積計(jì)算公式如下：（2.12）（2.13）（2.14）單位面積的質(zhì)量

22、流量：（2.15）雷諾數(shù)：普蘭特準(zhǔn)數(shù)：殼程的給熱系數(shù)：（2.16）假定：所以：所以傳熱系數(shù)：2.9 校核平均有效溫差（2.17）（2.18）設(shè)計(jì)的是臺(tái)管殼式換熱器，溫差校正系數(shù)t應(yīng)查有相關(guān)圖表，t=0.9 ，所以 2.10 管壁溫度因?yàn)槭墙饘俦诿?，而且，故壁溫接近管程水?cè)。（2.19）此溫度下變換氣的黏度。（2.20）因此，在計(jì)算殼程給熱系數(shù)是，原外壁面溫度的假定基本正確。2.11 校核傳熱面積（2.21）實(shí)際傳熱面積：（2.21）面積裕度：（2.22）此設(shè)計(jì)，面積裕度為3.8%，尚能滿(mǎn)足要求，不需重算。2.12 計(jì)算流體阻力根據(jù)，由相關(guān)資料查的管內(nèi)摩擦系數(shù)，則直管沿程阻力引起的壓力降：（2.

23、23）管程回彎壓力降：（2.24）管箱進(jìn)出口壓力降PN，取管箱進(jìn)出口的流速為WN =1.5m/s，則由公式（2.25）管程總壓力降：2.13 殼程壓力降采用bell法計(jì)算與管束垂直流動(dòng)的壓力降Pb：接近中心線的管排處其最小錯(cuò)流截面積則按公式：（2.26）此處垂直流動(dòng)的最大質(zhì)量流速：（2.27）此處的雷諾數(shù)：（2.28）根據(jù)Re，由圖表殼程摩擦系數(shù)表查的三角形順排列的殼程摩擦系數(shù)為fs=0.17，管束外緣與殼體內(nèi)壁之間的間隙的流通截面積（2.29）此處旁流的修正系數(shù)：（2.30）計(jì)算Pb：（2.31）通過(guò)折流板缺口流動(dòng)處的壓力降Pw折流板缺口處的流通截面積：（2.32）折流板缺口處的流速：（2.

24、33）最小錯(cuò)流截面上的流速：（2.34）幾何平均流速：（2.35）計(jì)算Pw：（2.36）間隙流動(dòng)修整系數(shù)s折流板的管孔和換熱管外徑之間的間隙的流通截面積：（2.37）折流板和殼體內(nèi)壁之間的間隙流通截面積：（2.38）根據(jù)，查得壓力降修正系數(shù)=0.6。計(jì)算s：（2.39）殼程壓力降式：（2.40）如果去殼程進(jìn)出口管中的流速為35Pa的話，則殼程進(jìn)出口管中的壓力降為：（2.45）這樣，殼程全部壓力降為：3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 換熱器材料選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)換熱器各種零部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)選取。如在這方面考慮不周，選材不妥，不

25、僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。3.1.1 選材原則換熱器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應(yīng)力、無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)項(xiàng)目均按GB150-1998第四章及其附錄A的規(guī)定。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)金屬部受腐蝕，最根本的方法是選擇耐腐蝕的金屬或非金屬材料。選擇壓力容器用鋼應(yīng)考慮容器的使用條件（如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特性和操作特點(diǎn)等）、材料的焊接性能容器的制造工藝以及經(jīng)濟(jì)合理性。本次設(shè)計(jì)殼程工作壓力為0.85MPa，管程的工作壓力為1.7MPa。殼程的介質(zhì)為變換氣，管程

26、的介質(zhì)為軟水。根據(jù)這樣的工況條件本次設(shè)計(jì)容器用鋼選16MnR，其性能與20R近似，但其抗拉強(qiáng)度稍強(qiáng)，具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。磷、硫含量略低于普鋼，除抗拉強(qiáng)度、延伸率要求比普通鋼有所提高外，還要求保證沖擊韌性。本次設(shè)計(jì)選擇16MnR的主要原因是：16MnR系列壓力容器板具有良好的綜合性能和低溫沖擊韌性，時(shí)效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能優(yōu)能優(yōu)良（厚度在30mm以下時(shí)，焊前一般不預(yù)熱，焊后可不熱處理）。適用于制作中、常溫及中、低壓容器的受壓元件，也可用于制作其他非壓力容器元件，是容器制造上運(yùn)用比較廣泛的材料，本次設(shè)計(jì)的鋼板材料選用16MnR。3.2 殼體、管箱和封頭的設(shè)計(jì)3.2.1 殼體

27、、管箱的主要型式在選擇殼體的型式時(shí)，E型是單層殼體，經(jīng)濟(jì)適用，熱效率也是最高的，不過(guò)對(duì)于管側(cè)多層的換熱器，若平均傳熱溫差系數(shù)較低，以至于要兩個(gè)E型串聯(lián)時(shí)，則采用更為經(jīng)濟(jì)的F型，然而F型殼體的縱向折流板受到流體和熱量泄漏的限制，所以必須仔細(xì)設(shè)計(jì)和制造。本次設(shè)計(jì)殼程為單層，平均傳熱溫差系數(shù)較高，所以采用E型的殼體。管箱的選擇一般有兩種：即封頭型式和平蓋型式。封頭管箱一般使用在管測(cè)流體是較為清潔的情況下。平蓋管箱可以是可拆式的也可以是與管板做成一體的。本次設(shè)計(jì)管程流的是軟水相對(duì)來(lái)說(shuō)比較清潔，所以選用封頭管箱。（如圖3.1）本次設(shè)計(jì)管箱分為4層，管箱內(nèi)流動(dòng)分布。（如圖3.2）圖3.1 殼體和管箱的型式

28、圖3.2 管箱內(nèi)流動(dòng)分布圖3.2.2 殼體、管箱殼體和封頭壁厚的確定殼體、管箱殼體和封頭共同組成了換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體一般由板材或管材卷制而成當(dāng)直徑<400mm時(shí)，通常采用管材作為殼體和管箱殼體的材料，當(dāng)>400時(shí)，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)該與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以備法蘭和封頭的選型。3.2.3 殼體圓筒設(shè)計(jì)圓筒的厚度應(yīng)按GB 150-1998第5章計(jì)算。（A） 圓筒厚度計(jì)算設(shè)計(jì)條件：殼體鋼板材料選用如上所述選用16MnR。工作壓力：設(shè)計(jì)壓力：（3.1）液柱靜壓力：（3.2）則 所以液體靜壓力忽略不計(jì)。計(jì)算壓力：殼體內(nèi)徑：將數(shù)據(jù)帶入（3.3）計(jì)算

29、得到計(jì)算厚度：（3.3）設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：式中：焊接接頭系數(shù)，焊接接頭系數(shù)應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭型式及無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度比例確定，取1代表100%無(wú)損檢測(cè)。代表在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力170MPa。C2腐蝕裕量，介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳素鋼或低合金鋼制容器，腐蝕裕量不小于1mm。C1厚度負(fù)偏差，當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過(guò)名義厚度的6%時(shí)，負(fù)偏差可忽略不計(jì)，取0mm，經(jīng)圓整取=4mm。（B） 水壓實(shí)驗(yàn),且不小于(+0.1) =1.035（3.5）式中：容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力水壓試驗(yàn)的強(qiáng)度校核（3.6）MPa，故液壓強(qiáng)度

30、足夠。3.2.4 管箱壁厚計(jì)算管箱計(jì)算按GB150-1998第五章的有關(guān)規(guī)定。（A） 厚度計(jì)算：設(shè)計(jì)條件：管箱圓筒鋼板材料如上述所示選用16MnR。工作壓力：設(shè)計(jì)壓力：（3.6）液柱靜壓力：（3.7）則 所以液體靜壓力忽略不計(jì)。設(shè)計(jì)壓力：殼體內(nèi)徑 將數(shù)據(jù)帶入（3.8）計(jì)算得到計(jì)算厚度：（3.8） 設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：，經(jīng)圓整取=6mm有效厚度：（B） 水壓實(shí)驗(yàn),且不小于(+0.1) =1.97MPa。（3.10）水壓試驗(yàn)的強(qiáng)度校核（3.11）MPa ，故液壓強(qiáng)度足夠。3.2.5 封頭設(shè)計(jì)壓力容器封頭的種類(lèi)較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、

31、碟形封頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來(lái)決定，本次封頭材料如上述所示選用16MnR。此次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，它由半個(gè)橢球面和短圓筒組成，如圖（3.3）所示。直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。圖3.3 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（A）封頭設(shè)計(jì)按照標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭設(shè)計(jì)，計(jì)算公式如下：工作壓力 設(shè)計(jì)壓力（3.12）液柱靜壓力（3.13）則，所以液體靜壓力忽略不計(jì)計(jì)算壓

32、力：殼體內(nèi)徑： 將數(shù)據(jù)帶入（3.14）計(jì)算得到計(jì)算厚度：（3.14） 設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：，經(jīng)圓整取=6mm有效厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15，但當(dāng)確定封頭厚度時(shí)已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問(wèn)題，可不受此限制。故該標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的名義厚度=6mm合適。由GB150-1999續(xù)表查取封頭的數(shù)據(jù)見(jiàn)（表3.1）。表3.1 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭數(shù)據(jù)封頭工稱(chēng)直徑DNmm曲面高度 mm直邊高度mm內(nèi)邊面積A容積V質(zhì)量m800200250.7570.080363.3 管板管板是管殼式換熱器中重要的元件，它除了與管子殼體連接外，還是換熱器中一個(gè)重要的受壓元件，對(duì)于管板的設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足其強(qiáng)度設(shè)計(jì)

33、外，還要考慮其結(jié)構(gòu)的合理性。3.3.1 管板的結(jié)構(gòu)管板的結(jié)構(gòu)（如圖3.4），低合金鋼和不銹鋼制整體鋼板，管板與法蘭連接面為突面，本次設(shè)計(jì)采用管板的管板是延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板。圖3.4 整體管板結(jié)構(gòu)3.3.2 管板與管箱、管子、殼體的連接設(shè)計(jì)（A）管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間的連接方式如（圖3.5）。圖 3.5 管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間的連接方式本次設(shè)計(jì)采用的是e型連接：管板與殼程圓筒連接，器延長(zhǎng)部分兼作法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接。（B）延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板和殼體的連接型式主要有以下幾種如（圖3.6）圖3.6 管板與殼體的連接型式圖中（a）采取的是背后開(kāi)槽，殼體嵌入槽內(nèi)，殼體容易對(duì)中，

34、施焊方便，焊接質(zhì)量好，可操作壓力為1MPa，且不適用于易燃易爆，易揮發(fā)有毒介質(zhì)的場(chǎng)合。（b）（c）所示的是管板開(kāi)槽對(duì)接焊接，焊縫強(qiáng)度好，適用于殼程壓力為14MPa的換熱器。本次設(shè)計(jì)的最大工作壓力是1.7MPa。所以采用（b）型連接。（C）管板和法蘭的連接固定管板換熱器的管板可以兼作法蘭使用，與管箱法蘭的連接比較簡(jiǎn)單，除了滿(mǎn)足工藝上的要求，選擇一定的密封面型式如（圖3.7）所示。圖3.7 管板和管箱法蘭的連接a圖所示的連接方式使用在管程和殼程的操作壓力為1.0MPa的情況下，而且對(duì)氣密性要求不是很高。b型和c型的氣密性都比較好，但是相比之下b型的氣密性較c型來(lái)的更好些，所以本次采用榫槽面的b型。

35、（D）管板與換熱管的連接對(duì)于換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)形式，主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊并用，但也可采用其他可靠的連接形式。強(qiáng)度脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會(huì)引起不良后果的情況下，脹接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于脹接管端處在脹接時(shí)產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的上升，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用。一般適用設(shè)計(jì)壓力4MPa；設(shè)計(jì)溫度300；操作中無(wú)劇烈的振動(dòng)，無(wú)過(guò)大的溫度變化及明顯的應(yīng)力腐蝕場(chǎng)合。一般要求：熱管的材料硬度值一般需低于管板材料的硬度值、有應(yīng)力腐蝕時(shí)，不應(yīng)采用管端局部退火的方式來(lái)降低換熱管的硬度。強(qiáng)度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的焊接。管子與

36、管板的焊接，目前應(yīng)用較為廣泛，由于管孔不需開(kāi)槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工簡(jiǎn)單。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，當(dāng)焊接部分滲漏時(shí)，可以補(bǔ)焊，如須調(diào)換管子，可采甩專(zhuān)用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸脹管方便。對(duì)于壓力高、滲透性強(qiáng)或在一例有腐蝕性的介質(zhì)，為保證不致泄漏后污染另一側(cè)物料，這就要求管子與管板的連接處絕對(duì)不漏，或?yàn)榱吮苊庠谘b運(yùn)及操作過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)焊縫的影響，或避免縫隙腐蝕的可能性等，采用脹焊并用的結(jié)構(gòu)型式。脹焊并用的結(jié)構(gòu)從加工工藝過(guò)程來(lái)看，有先脹后焊，先焊后脹，焊后脹接及貼張等幾種形式。本次設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度焊的連接方式，結(jié)構(gòu)形式如（圖3.8）尺寸規(guī)格如（表3.

37、2）。圖3.8 管板與換熱管的連接方式表3.2 尺寸規(guī)格換熱管規(guī)格d×1×112×114×1.516×1.519×225×232×2.538×345×357×3.5換熱管最小伸出長(zhǎng)度0.51.01.52.02.53.01.52.02.53.03.54.0最小坡口深度l31.022.5注：1 當(dāng)工藝要求管端伸出長(zhǎng)度列值（如立式換熱器要求平齊或少低）時(shí)，可適當(dāng)加大管板坡口深度或改變結(jié)構(gòu)型式2 當(dāng)換熱管直徑和壁厚與列表值不同時(shí)值可適當(dāng)調(diào)整3 圖（c）用于壓力較高的工況3.3.3 管板厚度計(jì)算

38、A殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積，mm2（3.16）As 圓筒殼壁金屬橫截面積，mm2（3.17）s 殼程筒體厚度，mma一根換熱管管壁金屬的橫截面積，mm2（3.18）Kt 管束模數(shù)，MPa（3.19）Et換熱管材料的彈性模量，MPaL換熱管有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)側(cè)間距），mmCr系數(shù)（3.20）lcr換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度，mmi換熱管的回轉(zhuǎn)半徑，mm（3.21）d換熱管外徑，mmt換熱管壁厚，mmcr換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力，MPa所以，（3.22）Al管板開(kāi)孔后的面積，mm2（3.23）Ad隔板槽面積，mm2（3.24）（3.25）At管板布管區(qū)面積，mm2三角形排列（3.26）S換熱管中心距，mmD

39、t管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑，mm（3.27）系數(shù)（3.28）Q殼體不帶波形膨脹節(jié)時(shí)，換熱管束與圓筒剛度比（3.29）Es殼程圓筒材料的彈性模量系數(shù)（3.30）s系數(shù)（3.31）t系數(shù)（3.32）t管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比（3.33）Mm基本法蘭力矩，NAm需要的螺栓總截面積，mm2（3.34）螺栓中心至作用位置處的徑向距離，mm（3.35）常溫下螺栓材料的需用應(yīng)力（按GB150第4章）；MPaWa預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷，N（3.35）Aa預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無(wú)螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取小者；（3.36）Wp操作狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷；（3

40、.37）Ap操作狀態(tài)下，需要的螺栓總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以螺紋部分的最小直徑計(jì)算取小值；（3.38）設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力（按GB150第4章）,MPaMp管程壓力操作工況下的法蘭力矩，按GB150第9章，取計(jì)算壓力Pt（3.39）LD螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離，mmFD作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力；LD螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離，mmFT流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差；F流體壓力引起的總軸向力，LT螺栓中心至法蘭外徑外的徑向距離，mmFG窄面法蘭墊片壓緊力，包括Fa、Fp、W三種情況（3.40）（3.41）W螺栓

41、設(shè)計(jì)載荷；假定管板計(jì)算厚度，初步假定為50mmK換熱器加強(qiáng)系數(shù)；（3.42）管板剛度削弱系數(shù)，一般可取值；管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，一般可取=0.4；k管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度；（3.43）（3.44）旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)；（3.45）Kf 旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，對(duì)于其延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板，Kt管束模數(shù)，MPa（3.46）殼體法蘭與圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)（3.47）殼體法蘭材料彈性模量bf殼體法蘭或管箱法蘭的寬度；mmDf殼體法蘭或管箱法蘭外直徑w系數(shù)，按查GB151圖26對(duì)于延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板，計(jì)算M1：M1系數(shù)（3.48）式中 m1管板第一彎矩系數(shù)，按K和查GB151-1999圖27,由GB151-19

42、99圖30按K和Q查G3計(jì)算、。（3.49）管板邊緣力矩變化系數(shù)（3.50）管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa（3.51）法蘭力矩變化系數(shù)：（3.52）由GB151-1999圖28（a）按K和Q查m2按殼程設(shè)計(jì)壓力ps,管程設(shè)計(jì)壓力pt，膨脹變形差，法蘭力矩（管板充當(dāng)法蘭時(shí)）的危險(xiǎn)組合（見(jiàn)GB151-1999第五章5.7.3.2.2）換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差（3.53）式中:殼程圓筒材料線膨脹系數(shù)。（）-1換熱管材料線膨脹系數(shù)。（）-1計(jì)算Pc、Ps以及當(dāng)量壓力組合，MPa（3.54）基本法蘭力矩系數(shù)，MPa（3.55）管程壓力操作工況下的法蘭力矩系數(shù)，MPa（3.56）式中:Pa有效

43、壓力組合，MPa（3.57）計(jì)算管板邊緣力矩系數(shù)對(duì)于其延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板，即是法蘭力矩系數(shù)。殼程壓力作用的工況:（3.58）管程壓力作用的工況，管板邊緣剪切系數(shù)（3.59）式中系數(shù)（3.60）m管板總彎矩系數(shù)（3.53）（3.61）Gle系數(shù)，僅用于m>0時(shí)按照GB151-1999圖31（a）查的Gli=0.32則G1=0.32按GB151-1999表30（延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板）中相應(yīng)公式計(jì)算公式計(jì)算應(yīng)力、。并且區(qū)別膨脹變形差（）的情況。（3.62）管板徑向應(yīng)力系數(shù)（3.63）則滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫度時(shí)，管板材料的許用應(yīng)力。（3.64）管板布管區(qū)周邊切應(yīng)力系數(shù)：（3.65）則滿(mǎn)足（3.66）

44、則滿(mǎn)足在設(shè)計(jì)溫度時(shí)，殼體材料的許用應(yīng)力（3.67）滿(mǎn)足換熱管穩(wěn)定許用壓力，按GB151-1999的5.7.4確定。q換熱管與管板連接的拉脫力，MPa（3.68）許用拉脫應(yīng)力，MPa：設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa最后結(jié)果，所以預(yù)估管板厚度為50mm合適。本次設(shè)計(jì)管板兼作法蘭，則還需計(jì)算，并且要滿(mǎn)足（3.69）殼體法蘭力矩系數(shù)管程壓力工作工況（3.70）殼體法蘭厚度Y系數(shù)，見(jiàn)GB150-1998第9章，按查取殼體法蘭許用應(yīng)力最后結(jié)果，滿(mǎn)足要求。最后由管板的計(jì)算厚度確定最終的管板厚度：（3.71）DG墊片接觸面的平均直徑計(jì)算，以，查得=0.35（3.72）（3.73）最后確定管板的厚度為

45、50mm。3.4 換熱管設(shè)計(jì)3.4.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差換熱管的長(zhǎng)度取為4.5m，換熱管尺寸為25×2.5mm；由GB13296查得換熱管的規(guī)格和尺寸偏差見(jiàn)（表3.3）表3.3 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差材料換熱管標(biāo)準(zhǔn)管子規(guī)格mm高精度 較高精mm管控規(guī)格mm外徑d厚度外徑偏差厚度偏差管孔直徑允許偏差20#GB8163252.50.20203.4.2 換熱管中心距換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，根據(jù)GB151-1999表12，取換熱管中心距為S=32mm，取分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn=44mm。3.4.3 管子的排列型式對(duì)于換熱管的排列來(lái)說(shuō)正三角形排列用得最普遍，

46、因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔，本次設(shè)計(jì)采用正三角形排列。具體排列如（圖3.9）所示。圖3.9 換熱管在管板上的排列3.5 折流板折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是根據(jù)工藝過(guò)程及要求來(lái)確定，它主要為了增加管間流速，提高傳熱效果。同時(shí)，設(shè)置折流板對(duì)于臥式換熱器的換熱管具有一定的支撐作用，當(dāng)換熱管過(guò)長(zhǎng)，而管子承受的壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)，在滿(mǎn)足換熱器殼程允許壓降的情況下，增加折流板的數(shù)量，減小折流板的間距，對(duì)緩解換熱管的受力狀況和防止流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)有一定的作用，而且，設(shè)置折流板也有利于換熱管的安裝。折流板的形式有弓形折流板、圓盤(pán)圓環(huán)形折流板和矩形折流板。最常用的是弓

47、形折流板。弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形，大部分換熱器都采用單弓形折流板，本換熱器也采用單弓形折流板如圖所示。圖3.10 單弓形折流板3.5.1 折流板尺寸（A）折流板缺口高度弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過(guò)缺口時(shí)與橫過(guò)管束時(shí)的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占圓簡(jiǎn)內(nèi)直徑的百分比來(lái)確定，缺口弦高h(yuǎn)值，宜取0.20-0.45倍的圓筒內(nèi)直徑。取圓缺率為0.25，則h=0.25×800=200mm。（B）折流板的最小厚度折流板最小厚度按GB151-1999的表34選取，取折流板無(wú)支撐跨距為400mm，折流板厚度為6mm。（C）折流板板孔按照GB151-1999的表35的規(guī)定，折流板管控

48、徑及允許偏差為管孔直徑 d+0.4=25.4mm允許偏差為：mm（D）折流板和支持板外直徑及允許偏差應(yīng)符合GB151-1999的表41的規(guī)定。公稱(chēng)直徑：800mm，折流板名義外直徑：800-4.5=795.5mm，折流板外直徑允許偏差：mm3.5.2 折流板的布置折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接管。臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下布置，若氣體中含有少量液體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開(kāi)通液口，若液體中含有少量氣體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開(kāi)通氣口，臥式換熱器、冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存或液體中含有固體物料時(shí)，折流板

49、缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開(kāi)通液口，折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于50mm，特殊情況下也可取較小的間距如（圖3.11）所示。圖3.11 折流板與管板的間距根據(jù)公式 （3.74）式中，L1接管位置B2防沖板長(zhǎng)度3.5.3 折流板的固定折流板一般均采用拉桿與定距管等元件與管板固定，其固定形式有如下幾種：（A）采用全焊接方法，拉桿一端插入管板并與管板焊接，每塊折流板與拉桿焊固定。（B）拉桿一端用螺紋擰入管板，每塊折流板之間用定距管固定，每一拉桿上最后一塊折流板與拉桿焊接。（C）螺紋與焊接相結(jié)合，拉桿一端用螺紋擰入管板，然后將每塊折流板焊在拉桿上。（D）拉桿的一端用螺

50、紋擰入管板，中間用定距管將折流板固定，最后一塊折流板用兩螺母鎖緊并點(diǎn)焊固定。根據(jù)傳熱設(shè)計(jì)部分計(jì)算本次設(shè)計(jì)的折流板布置為：折流板N=19塊，靠近管板端的間距為400mm，其余中間的板間距均為200mm。采用第四中方法固定折流板。3.6 容器法蘭設(shè)計(jì)壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如中低壓容器中的螺紋連接、承插式連接和螺栓法蘭連接等，其中以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配比較方便的螺栓法蘭連接用得最普通。螺栓法蘭連接主要由法蘭、螺栓和墊片組成。本次設(shè)計(jì)管板與管箱和殼體的連接采用螺栓法蘭連接如（圖3.12）所示。 圖3.12 榫槽面容器法蘭榫槽面整體鋼制管法蘭尺寸標(biāo)準(zhǔn)如（表3.3）所示表3.3 榫槽面容器法蘭的尺寸公

51、稱(chēng)直徑DN mm法蘭 mm螺 柱DD1D2D3D4d規(guī)格數(shù)量8009609158767978624627M24323.7 墊片設(shè)計(jì)墊片裝在管板與法蘭之間，作用是防止容器發(fā)生泄漏。墊片是密封結(jié)構(gòu)中的重要元件，其變形能力和回彈能力是形成密封的必要條件。變形能力大的密封墊易填滿(mǎn)壓緊面上的間隙，并使預(yù)緊力不致太大；回彈能力大的密封墊，能適應(yīng)操作壓力和溫度的波動(dòng)。又因墊片是與介質(zhì)直接接觸的，所以還應(yīng)具有能適應(yīng)介質(zhì)的溫度、壓力和腐蝕等性能。本次設(shè)計(jì)管板和法蘭是采用榫槽面的密封形式，由于管程是4層結(jié)構(gòu)，則本次設(shè)計(jì)的墊片要重新設(shè)計(jì)，上下墊片的型式如（圖3.13）具體選用的材料是橡膠石棉墊片，根據(jù)法蘭公稱(chēng)壓力選

52、用XB-350橡膠石棉板。圖3.13 墊片主要型式墊片主要尺寸見(jiàn)（表3.4），詳細(xì)尺寸見(jiàn)設(shè)計(jì)圖。表3.4 墊片主要尺寸公稱(chēng)通經(jīng)DN/mm墊片內(nèi)徑Di/mm公稱(chēng)壓力1.6MPa墊片厚度T/mm包邊寬度b/mm800820911343.8 換熱器進(jìn)出口接管設(shè)置化工容器的接管是連接容器與工藝管線的附件，接管的管徑大小，由輸送流體的能力確定的。一般管徑按公式進(jìn)行計(jì)算：式中：d接管直徑，mm；Q介質(zhì)體積流量，m3/h；介質(zhì)平均流速，m/s。3.8.1 接管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)公式算出殼程管程接管直徑，具體數(shù)值見(jiàn)下表表3.4 接管的材料及具體尺寸接管用途DN(mm)D0(mm) 接管外伸長(zhǎng)度(mm)材料殼程進(jìn)料

53、殼程出料口150159200管程進(jìn)口100108150管程出口100108150圖3.14為有效補(bǔ)強(qiáng)范圍示意圖。圖中：Ae補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2A1殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，mm2A2接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，mm2A3焊縫金屬截面積，mm2et接管的有效厚度，mmt接管的計(jì)算厚度，mmC2接管的腐蝕裕量，mm圖3.14 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍示意圖管程接管進(jìn)出口補(bǔ)強(qiáng)（A）管程開(kāi)孔直徑 （3.75）110<Di/2=400mm滿(mǎn)足等面積法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。管程接管計(jì)算厚度（3.76）名義厚度：圓整取有效厚度：強(qiáng)度削弱系數(shù)式中：C厚度附加量，mm 管程開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積 （3.77）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 管程接管有效寬度B取大者（3.78）管程接管外側(cè)有效高度取小者（3.79）管程接管內(nèi)側(cè)有效高度取小者（3.80）封頭多余面積計(jì)算（3.81）管程接管多余面積計(jì)算（3.82）焊接區(qū)焊