【固定管板式換熱器設(shè)計(jì)11000字（論文）】

固定管板式換熱器設(shè)計(jì)目錄1緒論 11.1課題研究背景及目的 11.2設(shè)計(jì)主要流程 11.3換熱器介紹 21.4固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 32換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算 72.1初始數(shù)據(jù)表 72.2設(shè)計(jì)方案 72.2.1換熱器類型的選擇 72.2.2流速的選擇 72.2.3結(jié)構(gòu)類型 82.3估計(jì)傳熱面積 82.3.1原油的流量 82.3.2熱流量 82.3.3對(duì)數(shù)平均溫差 82.3.4傳熱面積 92.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 92.4.1管徑管內(nèi)流速及管長(zhǎng) 92.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 92.4.3殼體內(nèi)徑 92.4.4折流板 102.4.5其他附件 112.5換熱器核算 112.5.1管程數(shù)據(jù)計(jì)算 112.5.2管程流體阻力 112.5.3管程對(duì)流傳熱系數(shù) 132.5.4殼程數(shù)據(jù)計(jì)算 132.5.5殼程流體阻力 142.5.6殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 152.5.7污垢熱阻 152.5.8總傳熱系數(shù) 162.5.9壁溫計(jì)算 163結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 183.1筒體壁厚的計(jì)算 183.2管箱厚度計(jì)算 193.2.1封頭厚度計(jì)算 203.2.3管板計(jì)算 223.3接管和接管法蘭 223.3.1殼程接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 233.3.2管程接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 243.3.3殼程接管位置 253.3.4管箱接管位置 263.4支座 274強(qiáng)度計(jì)算以及校核 284.1膨脹節(jié)的判斷 284.2管板計(jì)算 304.3殼程壓力下的危險(xiǎn)組合 354.3.1不計(jì)膨脹差 354.3.2計(jì)入膨脹差 374.4管程壓力下的危險(xiǎn)組合 394.4.1不計(jì)入膨脹差 394.4.2計(jì)入膨脹差 414.5鞍座校核 43結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 46PAGE441緒論1．1課題研究背景及目的換熱器是某些化工企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的重要輔助設(shè)備，傳熱設(shè)備廣泛應(yīng)用于海水淡化、石油精煉等行業(yè)的行業(yè)中，它也可以作為單獨(dú)加熱器、冷卻器使用。換熱器的主要功能是使熱量通過(guò)傳遞由溫度較高的介質(zhì)傳到溫度較低的介質(zhì)，使流體的溫度指數(shù)達(dá)到工藝方向上的規(guī)定，滿足工業(yè)生產(chǎn)上的需求。石化、醫(yī)藥、資源等工業(yè)或者輕工業(yè)生產(chǎn)，普遍需要加熱低溫介質(zhì)或者冷卻高溫介質(zhì)。這些過(guò)程和傳熱的聯(lián)系非常密切，通過(guò)使用換熱設(shè)備完成這些需要。在化工廠的設(shè)備里，換熱器的投資占總投資的10%到20%；在煉油廠中，約占設(shè)備總投資的35%到40%；海水淡化過(guò)程中需要大量的換熱設(shè)備。近20年來(lái)，熱交換器被廣泛應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、回收和利用新能源及污染物的管理中[1]。在換熱器節(jié)能技術(shù)大發(fā)展的環(huán)境下，換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛，各行各業(yè)都需要換熱器來(lái)幫助生產(chǎn)或者降低成本，熱交換器的利用通過(guò)對(duì)于熱量回收給公司帶來(lái)了非常大的經(jīng)濟(jì)效益。換熱器的重要之處在于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺，它的應(yīng)用非常普遍，伴隨著新技術(shù)，新材料，現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源資源緊缺危機(jī)的到來(lái)，每個(gè)國(guó)家都非常重視石油化工的加工和綜合高效利用，隨之而來(lái)的是換熱器面臨著更加嚴(yán)峻的機(jī)遇。換熱器的性能對(duì)熱量的利用，整套設(shè)備或者系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性起著非常大的作用，有時(shí)候甚至起著決定性作用。熱交換器發(fā)展了非常多的種類，不同種類的換熱器有著不同的特性，因此不同種類的換熱器它們的優(yōu)缺點(diǎn)是不同的。管殼式換熱器是屬于表面式換熱器的一類，是換熱器中使用最廣的一種，它雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面不如一些新型的高效緊湊式換熱器，但它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便。在高溫、高壓和大型換熱器中，管殼式換熱器仍具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。管殼式換熱器主要又分為：固定管板式換熱器、U型管式換熱器、浮頭式換熱器等，而固定管板式又是管殼式換熱器是使用最為廣泛的一種，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管程清洗方便等特點(diǎn)[2]。1.2設(shè)計(jì)主要流程本次設(shè)計(jì)第一步是搜集資料，通過(guò)學(xué)校圖書(shū)館查找相關(guān)文獻(xiàn)，以及網(wǎng)上資源下載的方式，在收集到了足夠的資料后著手進(jìn)行下一步操作，通過(guò)對(duì)于換熱器的了解，了解到它的具體工作原理后，首先考慮設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的影響因素，接著理解固定管板式換熱器的具體結(jié)構(gòu)，以及零部件的類型，以及作用原理。對(duì)于換熱器內(nèi)的各個(gè)主要部件的類型做出描述后，對(duì)于在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一定的介紹，在完成了緒論部分后。接著由給定的設(shè)計(jì)要求確定了設(shè)計(jì)方向，對(duì)于冷熱流體的走向、流速、傳熱管的排布方式以及管徑的大小等得出了初步的結(jié)論。然后便開(kāi)始熱力計(jì)算，對(duì)與柴油的流量、總熱流量和傳熱面積進(jìn)行計(jì)算。緊接著通過(guò)對(duì)于工藝的結(jié)構(gòu)計(jì)算確定下了傳熱管的管長(zhǎng)、傳熱管根數(shù)、殼程數(shù)、管程數(shù)、殼體內(nèi)徑、折流板數(shù)以及接管內(nèi)徑等。最后進(jìn)行了換熱器的總傳熱系數(shù)和流體阻力的計(jì)算完成了整個(gè)換熱器的熱力校核計(jì)算。然后對(duì)于筒體、封頭、管箱接管法蘭、固定管板等的選材和強(qiáng)度進(jìn)行校核，第一步確定了接管法蘭、接管以及支座的尺寸，接下來(lái)就是對(duì)于是否需要膨脹節(jié)和接管補(bǔ)強(qiáng)的判斷，依據(jù)了國(guó)標(biāo)上的判斷依據(jù)得出結(jié)論后，完成了換熱器的整體強(qiáng)度計(jì)算及校核。緊接著對(duì)于換熱器的主要零部件進(jìn)行了匯總，得出了設(shè)計(jì)的結(jié)論。1.3換熱器介紹換熱器是一種用于在兩個(gè)或多個(gè)流體之間、流體與固體之間的熱傳導(dǎo)的裝置，或是固體顆粒的熱接觸的裝置，它能夠?qū)τ跓崃窟M(jìn)行傳遞是熱量從一個(gè)介質(zhì)傳遞到需要的另外一個(gè)介質(zhì)上。它廣泛應(yīng)用于化工、煉油、食品、輕工、能源、機(jī)械等許多工業(yè)部門。在工業(yè)生產(chǎn)中，在不同的工作條件、用途、材料特性等影響因素下，有各種各樣的換熱設(shè)備，換熱器的種類繁多。本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)于固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)，管殼式換熱器屬于間壁式換熱器，它是通過(guò)間壁將需要交換的冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量從熱流體通過(guò)間壁傳遞給冷流體。這種換熱器是一種應(yīng)用最廣泛的換熱器。它的大致結(jié)構(gòu)是在一個(gè)或者是多個(gè)的圓筒形的殼程中安置傳熱管，該傳熱管的兩端或者一端要固定于管板上面，主要通過(guò)焊接，其中管子上的軸線要和殼體上的軸線相平行。這是為了增加管內(nèi)流體的流動(dòng)和支撐，改善傳熱的性能，在筒體內(nèi)間隔安裝多塊折流板，用拉桿和定距管將折流板和管子組裝在一起。換熱器的殼體和兩側(cè)的端蓋上裝有流體的進(jìn)出口，也有根據(jù)要求在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測(cè)量?jī)x表用的接口管、排氣孔和排液空等。管殼式換熱器它雖然在傳熱效率上不高，結(jié)構(gòu)的緊湊性低和單位傳熱面積以及金屬消耗量等方向上比不上一些新型發(fā)展起來(lái)的換熱器，但它也有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如可靠性高、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便等。在高溫、高壓和大型換熱器中，管殼式換熱器仍具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是目前使用最廣泛的一類換熱器[3]。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式換熱器和釜式重沸器五類。在本設(shè)計(jì)論文中是對(duì)固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及對(duì)于固定管板式換熱器的理解，主要介紹固定管板式換熱器。1.4固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介固定管板式換熱器由管板、法蘭、管箱、筒體、傳熱管等零件組成，管束連接在管板中，管板和殼體之間焊接，管束兩端用脹接或焊接的方法將管子固定在管板上，殼體進(jìn)出口管直接焊接在筒體上，管板外圓周和封頭法蘭直接用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接焊接在管箱上，管束內(nèi)根據(jù)換熱管長(zhǎng)度設(shè)置多塊折流板，這類換熱器的管程可以用隔板分程多個(gè)程數(shù)。固定管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，并可以承受較高的壓力，造價(jià)低，管程的清洗方便，管子損壞的時(shí)候易于堵管或者更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束和殼體的壁溫或者材料的線膨脹系數(shù)差別較大時(shí)，殼體和管束中的熱應(yīng)力較大。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)比較清潔而且不容易結(jié)構(gòu)并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)的溫差較小或溫差較大但是殼側(cè)的壓力不高的場(chǎng)合[4]。為了減少熱應(yīng)力對(duì)于換熱器的影響，通常在固定管板式換熱器中安置柔性元件（比如膨脹節(jié)或撓性管板等），通過(guò)柔性元件來(lái)吸收熱膨脹差。在管殼式換熱器的基本設(shè)計(jì)方法中，首先要保證在滿足工藝過(guò)程要求的前提下，使其達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。換熱器的設(shè)計(jì)它的主要任務(wù)有數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算等。設(shè)計(jì)同時(shí)包括了傳熱管的排列、傳熱管的支承結(jié)構(gòu)、管程數(shù)、管長(zhǎng)、殼體形式、換熱器類型、冷熱流體流動(dòng)通道等工藝計(jì)算和殼體、封頭、管板等零部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的不同可以分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，包括換熱面積的計(jì)算與選型兩方面。普遍情況下由已知的冷流體和熱流體的物性和處理量，進(jìn)出口壓力和溫度由工藝方面的要求來(lái)確定。在設(shè)計(jì)計(jì)算中需要選擇或確定的有三大類數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、物性數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)計(jì)算是通過(guò)對(duì)于已知的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算換熱器的傳熱面積，從而來(lái)具體決定換熱器所需要的各種結(jié)構(gòu)，可以由此來(lái)選定已經(jīng)有的標(biāo)準(zhǔn)換熱器；而校核計(jì)算則是通過(guò)對(duì)已有的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行核定，校核能夠確定它是否滿足預(yù)定的要求。在管程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，傳熱管占了整個(gè)換熱器的主要重量，換熱管它除了光管之外還有各式各樣的強(qiáng)化傳熱管，例如翅片管、螺紋管、螺旋槽管等。當(dāng)傳熱管內(nèi)外兩側(cè)的熱系數(shù)比較大時(shí)，翅片管的翅片布置應(yīng)首先在給熱系數(shù)較低的一側(cè)。換熱管是具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸的鋼管，主要分為無(wú)縫鋼管和不銹鋼管。本次設(shè)計(jì)主要選用無(wú)縫鋼管，在設(shè)計(jì)換熱器的時(shí)候，采用小管徑的換熱管，能夠使傳熱系數(shù)提高、單位面積的傳熱面積增大、金屬耗量減少、結(jié)構(gòu)緊湊。通過(guò)簡(jiǎn)單的估算，將同直徑換熱器的換熱管尺寸由φ25mm改為φ19mm，傳熱面積便可以增加非常大的部分，同時(shí)能夠節(jié)約五分之一以上的金屬。但采用小管徑的流體會(huì)產(chǎn)生較大阻力，而且不方便清洗，比較容易結(jié)垢堵塞。在一般情況下，采用大直徑的管子主要用于黏性較大或污濁的流體，采用小管徑的管子則主要用于相對(duì)較清潔的流體。換熱管常用的材料通常有碳素鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、低合金鋼、不銹鋼、鈦等。除上述材料之外，也可使用一些非金屬材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。換熱管的排列方式主要有正方形、轉(zhuǎn)角正三角形、正三角形、轉(zhuǎn)角正方形等。正三角形的排列方式能夠在相同的管板上排列最多的管數(shù)，所以用的比較普遍，但是管外不便于清洗[5]。為便于管外清洗，可采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。管板在管殼式換熱器的內(nèi)部是最重要的零部件之一，它的主要作用是排布換熱管。將管程和殼程的流體分開(kāi)，以此來(lái)避免冷熱流體的混合，與此同時(shí)受到管程、殼程的壓力和溫度的作用。管板在選用材料的時(shí)候不僅要考慮力學(xué)性能，還要考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱器之間存在的電位差對(duì)腐蝕的影響。當(dāng)流體腐蝕較低或者基本沒(méi)有腐蝕性的時(shí)候，管板一般采用壓力容器用的碳素鋼或者鍛件或低合金鋼板來(lái)制造。當(dāng)流體的腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，管板應(yīng)采用耐腐蝕材料，如不銹鋼鈦、鋁、銅、等。對(duì)于厚度較大的管板，為達(dá)到降低造價(jià)，工程上常采用鈦+鋼、不銹鋼+鋼、鈦+鋼等復(fù)合板，或堆焊襯里。在換熱器承受高溫、高壓時(shí)，高溫、高壓對(duì)管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便可以承受更大的壓力，但是當(dāng)管板兩側(cè)的溫差較大的時(shí)候，沿管板內(nèi)部厚度方向的熱應(yīng)力會(huì)增大；若減小管板的厚度，可以適當(dāng)?shù)慕档退臒釕?yīng)力，但是承壓能力會(huì)下降一些。而且，在開(kāi)車和停車的時(shí)候，由于厚管板的溫度變化較慢，換熱管壁厚薄，溫度變化較快，所以在換熱管和管板的連接處會(huì)產(chǎn)生出較大的熱應(yīng)力，大的熱應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管和管板連接的地方發(fā)生破壞。因此，在滿足強(qiáng)度的要求下，應(yīng)盡量減少管板的厚度。管板設(shè)計(jì)時(shí)的基本考慮是：把實(shí)際復(fù)雜的管板簡(jiǎn)化為承受均勻分布的載荷，置于彈性的基礎(chǔ)上并且受到在管孔有平均削弱作用的當(dāng)量圓板。同時(shí)也在這個(gè)基礎(chǔ)上考慮管束對(duì)于管板的撓度有約束作用，但忽略對(duì)于管板的轉(zhuǎn)角具有約束作用；管板周邊沒(méi)有布管區(qū)域?qū)馨逵袘?yīng)力影響，把管板劃分成為兩個(gè)區(qū)，即靠近中央的布管區(qū)和靠近周邊較窄的不布管區(qū)；不同結(jié)構(gòu)形式的換熱器，管板邊緣處具有不同形式的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的情況，考慮了殼體、法蘭、管箱、封頭、墊片等元件對(duì)管板邊緣轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的約束作用[6]；管板兼做法蘭時(shí)，法蘭力矩對(duì)管板應(yīng)力的影響。管板的設(shè)計(jì)思路包括管板的彈性分析、危險(xiǎn)工況、管板應(yīng)力校核、管板應(yīng)力調(diào)整。在整個(gè)設(shè)計(jì)下來(lái)，管板的計(jì)算非常復(fù)雜，而且計(jì)算量也非常大，但是在目前我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了過(guò)程設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算的軟件，比如說(shuō)SW6，它在實(shí)際工程計(jì)算中運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)能夠大大縮短設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量。管箱位于熱交換器的兩端，其功能是將流體均勻地分布于各個(gè)換熱管中，并將流體聚集在一起，并送出熱交換器。在多管程換熱器中，管箱也能起到改變流體流動(dòng)方向的作用。管程是流體在管內(nèi)從端流動(dòng)到另一端，在管殼和管換熱器中，最簡(jiǎn)單的是單管程換熱器。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，需要增加傳熱面積，可用于增加換熱器管的長(zhǎng)度或管數(shù)。換熱管的長(zhǎng)度受到加工、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)等方面的限制，因此，通常用以增加換熱面積，實(shí)現(xiàn)換熱面積的增加。管板與換熱管的連接是管殼式換熱器設(shè)計(jì)，是制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是換熱器事故率最高的部分。因此，換熱器管板換熱管連接質(zhì)量的變化直接影響換熱器的使用效果和使用壽命。主要用于強(qiáng)度膨脹，強(qiáng)度焊接，膨脹和焊接方法。在殼程結(jié)構(gòu)中主要由殼體、折流板或折流桿、拉桿、防沖擋板、縱向隔板、防短路結(jié)構(gòu)等元件組成[7]。殼體是個(gè)圓筒，在筒壁與接管焊接，可以從接管出流入和排出流體。折流板的設(shè)置主要是為了提高殼程流體的流速并同時(shí)增加湍動(dòng)，使殼程流體垂直地沖刷管束，以此改善傳熱，并增加殼程流體的傳熱系數(shù)，用以減少結(jié)垢。在臥式換熱器中，折流板還能夠有支承作用。折流板一般是等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)放置在靠近殼程進(jìn)出口接管。折流板上的管孔和換熱管之間的間隙、折流板和殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)該符合要求，間隙過(guò)大會(huì)泄漏嚴(yán)重，對(duì)傳熱不利，還會(huì)引起振動(dòng)；間隙過(guò)小，會(huì)使安裝困難。折流板一般采用拉桿和定距管連接在一起[8]。其他零部件可根據(jù)需求來(lái)設(shè)定或者選用，如折流桿、防短路結(jié)構(gòu)（擋管、旁路擋板、中間擋板）、防沖板、支座、靜電接地板、銘牌等。今天的社會(huì)是一個(gè)不斷發(fā)展和進(jìn)步的社會(huì)，能源和資源短缺，使人們不得不努力開(kāi)發(fā)新類型的熱交換器，高換熱器組件的研究模型，各工業(yè)部門都在努力發(fā)展的大容量和高性能設(shè)備，降低設(shè)備的投資和成本。在當(dāng)今化工行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境更為惡劣，介質(zhì)的腐蝕和毒性也會(huì)更加嚴(yán)重，因此新材料的設(shè)計(jì)和制造也不斷增加。在這樣一個(gè)世界，所有國(guó)家都加快了先進(jìn)的熱傳輸技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。中國(guó)非常重視加強(qiáng)熱傳導(dǎo)和熱回收利用的研究和開(kāi)發(fā)，在這些領(lǐng)域，發(fā)展到不同的工業(yè)過(guò)程，需要有效的傳熱設(shè)備，以提高經(jīng)濟(jì)效益，并取得了豐碩成果。其中，強(qiáng)化傳熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)是傳熱技術(shù)研究的主要方向。傳熱強(qiáng)化是提高傳熱性能的技術(shù)，可以提高和改善傳熱率，通過(guò)使用最經(jīng)濟(jì)的傳熱設(shè)備傳輸?shù)臒崃浚部梢酝ㄟ^(guò)改善傳熱系數(shù)，增加傳熱的平均溫度差，傳熱面積擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)[9]。目前，它已被廣泛用于在表面的膨脹，以提高熱傳輸?shù)男碌墓艿?，如槽管，翅片管，螺紋管，波紋管等。而且還經(jīng)常通過(guò)改變殼側(cè)擋板結(jié)構(gòu)，改變管束支撐結(jié)構(gòu)，減少或消除在滯留死區(qū)的殼側(cè)流動(dòng)和傳熱，使換熱面積能得到充分利用，對(duì)殼側(cè)換熱效果[10]。2換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算2.1初始數(shù)據(jù)表表1初始數(shù)據(jù)表管程殼程工作介質(zhì)流體名稱原油柴油流體密度（）715815污垢熱阻值()0.00020.0004物性μ（kg/(m·s)）(kJ/(kg·℃))2.482.2λ（W/（m·℃））0.0870.130操作壓力正常/最大MPa（G）0.8MPa1.0MPa進(jìn)/出口操作溫度（℃）195/10260/120.1壁溫（℃）148.590.05流量22.222.2設(shè)計(jì)方案2.2．1換熱器類型的選擇原油進(jìn)口溫度為195℃，出口溫度為102℃柴油進(jìn)口溫度為60℃，出口溫度為120.1℃選擇固定管板式換熱器2.2.2流速的選擇換熱器內(nèi)流體介質(zhì)應(yīng)盡量采用較高的流速，流速高可以提高傳熱系數(shù)，但增大流速又會(huì)使流體阻力有明顯的增大。換熱器內(nèi)流體應(yīng)該盡可能使，只有在流體粘度過(guò)大時(shí)，為避免壓降過(guò)大，才不得不采用層流流動(dòng)，初步選定速度為1.0m/s2.2.3結(jié)構(gòu)類型管束采用正三角形排列，正三角形排列方式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，但管外不易于清洗。管程應(yīng)為偶數(shù)程采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬消耗量減少、傳熱系數(shù)提高。將同直徑換熱器的換熱管由25mm改為19mm，其傳熱面積可增加40%左右，節(jié)約金屬20%以上2.3估計(jì)傳熱面積2.3.1柴油的流量（2-1）2.3.2熱流量2.3.3對(duì)數(shù)平均溫差在并流和逆流時(shí)，雖然兩流體的進(jìn)、出口溫度不變，但逆流時(shí)的傳熱平均溫度差比并流要大28%度，故工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流換熱。故本次設(shè)計(jì)采用逆流傳熱（2-2）（2-3）（2-4）求溫差修正系數(shù)設(shè)定管程數(shù)為多程，殼程數(shù)為單程。按化工工藝手冊(cè)圖15-14（a）求得（2-5）2.3.4傳熱面積根據(jù)流體情況，假定總傳熱系數(shù)K=270W/(m^2.℃)（2-6）2.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.4.1管徑管內(nèi)流速及管長(zhǎng)選用Φ19x2mm的碳鋼管作為傳熱管，管長(zhǎng)為6m，管心距定為25mm管內(nèi)徑：(2-8)取管內(nèi)流速2.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)傳熱管根數(shù)(2-8)根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)選用6管程，管數(shù)則為根，中心排管數(shù)38，管程流通面積根據(jù)流體情況選擇傳熱管排列方式為正三角形2.4.3殼體內(nèi)徑根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)(2-9)管心距傳熱管配置角度對(duì)換熱器直徑的影響系數(shù)（45°~90°，CL=1）CTP傳熱管數(shù)對(duì)換熱器直徑的影響系數(shù)（CTP=0.85）(2-10)(2-11)根據(jù)排管情況決定殼體內(nèi)徑2.4.4折流板本設(shè)計(jì)采用弓形折流板，其圓缺率為25%左右，采取上下排列，能使液體傳熱系數(shù)增大（通過(guò)使液體產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)）。弓形折流板的間距不應(yīng)小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm。同時(shí)在換熱管外徑19mm下折流板和支持板的最大間距不得超過(guò)1500mm，并相鄰兩塊折流板間距不得大于殼體內(nèi)直徑。因此在殼體內(nèi)徑1000mm下，折流板的間距=315mm。折流板高度:(2-12)設(shè)定折流板數(shù)目:(2-13)折流板間距：(1)最小板間距，取不小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm。(2)最大板間距，應(yīng)保證換熱管的無(wú)支承長(zhǎng)度不超過(guò)表2的規(guī)定，用作折流時(shí)，其值尚應(yīng)不大于殼體內(nèi)徑表2換熱管最大無(wú)支撐跨距換熱管外徑(mm)19253238最大跨距(mm)1500190022002500圖1折流板2.4.5其他附件拉桿數(shù)量和尺寸按GB151-1999表43和表44選取，由換熱管直徑為19mm,殼體內(nèi)徑為1000mm，故拉桿直徑，拉桿數(shù)量10根。2.5換熱器核算2.5.1管程數(shù)據(jù)計(jì)算管程流通截面積：(2-14)管程內(nèi)流體流速：（2-15）雷諾數(shù)：（2-16）2.5.2管程流體阻力管程流體的阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力之和：符號(hào)說(shuō)明：——單程直管阻力；——局部阻力；——串聯(lián)殼程數(shù)；——管程數(shù)；——管程總阻力；——管程結(jié)垢校正系數(shù)；——摩擦系數(shù)；——傳熱管長(zhǎng)度，；——傳熱管內(nèi)徑，；——管內(nèi)流速，；——流體密度，；——局部阻力系數(shù)。設(shè)管壁粗糙度：，則，且由，查莫狄圖得：(2-17)查有關(guān)資料，阻力系數(shù)取3。(2-18)查相關(guān)資料得，管子規(guī)格不同結(jié)垢校正因數(shù)不同，管子(2-19)在1~100kPa之間，能滿足要求。2.5.3管程對(duì)流傳熱系數(shù)普朗特?cái)?shù)為：(2-20)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：(2-21)湍流下的動(dòng)能校正系數(shù)(2-22)當(dāng)時(shí)，2.5.4殼程數(shù)據(jù)計(jì)算殼程流通截面積為：(2-23)殼程流體流速為：(2-24)由于管子采用正三角形排列。當(dāng)量直徑：(2-25)雷諾數(shù)(2-26)2.5.5殼程流體阻力符號(hào)說(shuō)明：——?dú)こ炭傋枇?，；——流體流過(guò)管束的阻力，；——流體流過(guò)折流板缺口的阻力，；——?dú)こ探Y(jié)垢校正系數(shù)；——?dú)こ虜?shù)；——中心排管數(shù)；——折流板數(shù)目；——折流板間距，；——換熱器殼體內(nèi)徑，；——?dú)こ塘黧w橫過(guò)管束的最小流速，；——管子排列形式對(duì)阻力的影響，——?dú)こ塘黧w摩擦因子；管子按正三角形排列，所以有：，,，，。(2-27)管子為正三角形排列，(2-28)流體經(jīng)過(guò)折流板缺口的阻力位：(2-29)(2-30)在10~100kPa之間，能滿足要求2.5.6殼程對(duì)流傳熱系數(shù)普朗特?cái)?shù)：(2-31)由于采用的圓缺形折流板且在之間（2-32）2.5.7污垢熱阻由GB151-1999附錄F7得管外污垢熱阻管內(nèi)污垢熱阻碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/m.℃2.5.8總傳熱系數(shù)(2-33)計(jì)算傳熱面積：(2-34)該換熱器的實(shí)際傳熱面積:(2-35)該換熱器的面積裕度：（2-36）因?yàn)闈M足換熱器的要求，換熱器操作的可靠性得到保證。2.5.9壁溫計(jì)算(2-37)冷流體的平均溫度和熱流體的平均溫度(2-38)(2-39)(2-40)(2-41)式中:—熱流體進(jìn)口溫度，；—熱流體出口溫度，；—冷流體進(jìn)口溫度，；—冷流體出口溫度，。傳熱管平均壁溫：將已知數(shù)據(jù)代入（2-37）得：(2-42)式中—熱流體平均溫度，；—冷流體平均溫度，；—管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，；—管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),。殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：(2-43)3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1筒體壁厚的計(jì)算由工藝設(shè)計(jì)給定：殼程設(shè)計(jì)溫度為90.05℃，設(shè)計(jì)壓力為，選用Q345R(板材)。材料在90.05℃時(shí)的許用壓力為，根據(jù)GB6654-1999表2，取厚度偏差；在無(wú)特殊腐蝕情況下，對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，不小于1mm,故取腐蝕裕量,焊縫系數(shù)。用作換熱器圓筒的碳素鋼、低合金鋼鋼管應(yīng)該采用無(wú)縫鋼管，符合GB1501998A4.2的奧氏體不銹鋼焊接鋼管，可用作換熱器圓筒。計(jì)算厚度：(3-1)有效厚度：對(duì)于壓力較低的容器，按強(qiáng)度公式計(jì)算的厚度很薄，給實(shí)際操作帶來(lái)不便，故對(duì)殼體規(guī)定了不包括腐蝕余量的最小厚度，對(duì)于碳素鋼、低合金鋼制的容器，最小厚度為3mm，故取。設(shè)計(jì)厚度：(3-2)名義厚度:圓整(3-3)(3-4)名義厚度取有效厚度：(3-4)液壓試驗(yàn)壓力：（3-5）所選材料屈服應(yīng)力：。壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平T：試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力(3-6)壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平T：校核結(jié)果水壓強(qiáng)度滿足要求。3.2管箱厚度計(jì)算計(jì)算厚度：(3-7)(3-8)取設(shè)計(jì)厚度：(3-9)名義厚度:圓整(3-10)名義厚度取有效厚度：(3-11)液壓試驗(yàn)壓力：（3-12）所選材料屈服應(yīng)力：。壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平T：（3-13）壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平T：校核結(jié)果水壓強(qiáng)度滿足要求。3.2.1封頭厚度計(jì)算由于該換熱器為單殼程、六管程，故封頭選用橢圓形封頭，如圖2。因它受力分布較均勻，且容易沖壓成型。用于制造換熱器圓筒或封頭的鋼板應(yīng)該符合GB150的規(guī)定圖2橢圓形封頭采用橢圓形封頭，根據(jù)材料一般厚度范圍選用（正火加回火）鋼板作為封頭材料，查得材料在常溫時(shí)許用應(yīng)力為167Mpa，在設(shè)計(jì)溫度148.5℃時(shí)為167Mpa標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度計(jì)算：(3-14)計(jì)算壓力:(3-15)材料許用應(yīng)力:2焊縫接頭系數(shù):腐蝕裕度:(3-16)取(3-17)鋼板負(fù)偏差；名義厚度:圓整(3-18)圓整圓整考慮到封頭存在減薄量將名義厚度定為有效厚度：(3-19)水壓試驗(yàn)壓力：（3-20）水壓試驗(yàn)應(yīng)力的校核：(3-21)，校正結(jié)果水壓強(qiáng)度滿足要求。按JB/T4746-2002，公稱直徑小于等于2000直邊段長(zhǎng)度為25，大于2000直邊段長(zhǎng)度為40。與設(shè)計(jì)壓力無(wú)關(guān)。因此封頭為，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取曲面高度，直邊高度3.2.3管板計(jì)算管板與換熱管采用脹接，根據(jù)鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)在脹接下管板的最小有效厚度為，但包括腐蝕裕量在內(nèi)不應(yīng)小于20mm表3固定管板延長(zhǎng)部分兼做法蘭尺寸表公稱直徑b螺孔規(guī)格螺栓孔數(shù)10001190109099610421000425236圖3固定管板延長(zhǎng)部分兼做法蘭3.3接管和接管法蘭殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速，則接管內(nèi)徑為：(3-22)圓整，據(jù)管法蘭墊片緊固件選用手冊(cè)以及無(wú)縫鋼管常用尺寸規(guī)格表選用接管法蘭的管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為，則接管內(nèi)徑為：(3-23)圓整取根據(jù)法蘭墊片緊固件選用手冊(cè)以及無(wú)縫鋼管常用尺寸規(guī)格表選用接管查法蘭墊片緊固件選用手冊(cè)，得到法蘭尺寸表表4平面、突面對(duì)焊鋼制管法蘭（GB/T9115.1-2000）公稱直徑DN鋼管外徑（法蘭焊端外徑）連接尺寸法蘭厚度(C)法蘭高度(H)法蘭外徑（D）螺栓孔中心圓直徑（K）螺栓孔直徑（D1）螺栓孔數(shù)量（n）螺紋規(guī)格40451501101841845505716512518420486576185145188225280892001601882458150168.330025026828753.3.1殼程接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法,由工藝設(shè)計(jì)給定的接管尺寸為,選用0Cr18Ni9材料鋼管,選用標(biāo)準(zhǔn)為,取焊縫系數(shù),厚度偏差，腐蝕裕量。則接管厚度：（3-24）開(kāi)孔直徑:（3-25）接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度:（3-26）接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度:（3-27）需要補(bǔ)強(qiáng)的面積:（3-28）殼體計(jì)算厚度可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積:（3-29）接管材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力大于筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（3-30）殼程接管自身補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需要另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)面積。3.3.2管程接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法,由工藝設(shè)計(jì)給定的接管尺寸為,選用0Cr18Ni9,選用標(biāo)準(zhǔn)為,取焊縫系數(shù),腐蝕裕量。則接管計(jì)算厚度:（3-31）接管有效厚度:（3-32）開(kāi)孔直徑:（3-33）接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度:（3-34）接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度:（3-35）需要補(bǔ)強(qiáng)的面積:（3-36）可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積:（3-37）接管材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力大于筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力(3-38)管程接管自身補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需要另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)面積。3.3.3殼程接管位置殼程流體進(jìn)出口接管應(yīng)盡量靠近兩端管板，然而為了保證設(shè)備的制造、安裝，管口距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。接管位置見(jiàn)圖4。(3-39)其中，且不小于50～100mm。所以取C=50mm。，取。圖4殼程接管位置3.3.4管箱接管位置管箱進(jìn)出口接管盡量靠近管箱法蘭，這樣可縮短管箱殼體長(zhǎng)度，減輕設(shè)備重量。然而為了保證設(shè)備的制造、安裝，管口距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。接管位置見(jiàn)圖5。(3-40)其中，且不小于50～100mm。所以取C=50mm。取圖5管程接管位置3.4支座根據(jù)JB/T4712.1-2007，選用輕型鞍式支座，尺寸大小如下圖6圖6支座尺寸示意圖4強(qiáng)度計(jì)算以及校核4.1膨脹節(jié)的判斷取室溫，則筒體和管子的膨脹量之差為：平均溫度下的線脹系數(shù):(4-1)殼程與管程壓差產(chǎn)生的力:(4-2)筒體橫截面積:（4-3）管束橫截面積:(4-4)由于筒體和管子之間溫差產(chǎn)生的力（4-5）由于殼程和管程的壓力作用于筒體上的力（4-6）由于殼程和管程的壓力作用于管子上的力（4-7）筒體上產(chǎn)生的應(yīng)力:(4-8)殼程殼體的軸向壓應(yīng)力小于殼程殼體材料在其設(shè)計(jì)溫度下的穩(wěn)定許用壓應(yīng)力。管子上產(chǎn)生的應(yīng)力:(4-9)換熱管的軸向拉應(yīng)力小于換熱管材料在其設(shè)計(jì)溫度下的穩(wěn)定許用應(yīng)力。單管的橫截面積:（4-10）由可得（4-11）取，則管子拉脫力計(jì)算（4-12）管子與管板采用貼脹（4-13）換熱管與管板連接接頭的拉脫力小于許用拉脫力所以不設(shè)置膨脹節(jié)。4.2管板計(jì)算主要數(shù)據(jù)殼程圓筒：材料Q345（板材）內(nèi)徑厚度內(nèi)徑面積:（4-14）金屬橫截面:（4-15）管箱：圓筒厚度::封頭：封頭厚度::材料(正火回火)接管：材料:管子：管子外徑d=19mm管子壁厚管子根數(shù)n=1148管心距S=25mm面積:（4-16）管子金屬總截面積：（4-17）開(kāi)孔面積:（4-18）管子有效長(zhǎng)度:（4-19）管束模數(shù):（4-20）管子回轉(zhuǎn)半徑:（4-21）管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度:系數(shù):（4-22）因（4-23）法蘭：法蘭外徑:法蘭寬度:（4-24）管箱法蘭厚度:殼體法蘭厚度:（4-25）（4-26）（4-27）（4-28）（4-29）（4-30）旋轉(zhuǎn)剛度:（4-31）（4-32）旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量剛參數(shù):（4-33）根據(jù)GB151-2014按K,查圖7-12?。?-34）按K,查取（4-35）對(duì)于延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板（4-36）按K,Q查圖7-15取查圖7-12?。?-37）（4-38）（4-39）（4-40）系數(shù)計(jì)算：開(kāi)孔后面積:（4-41）管板布管區(qū)面積（4-42）管板布管區(qū)當(dāng)量直徑:（4-43）系數(shù)：（4-44）（4-45）（4-46）（4-47）（4-48）（4-49）管子穩(wěn)定許用壓力:（4-50）管板：假定管板厚度:管子加強(qiáng)系數(shù):（4-51）管板周邊不布管區(qū)無(wú)量剛寬度為：（4-52）法蘭力矩:按GB150-1998第9章確定基本法蘭力矩墊片密封寬度按GB151-1999表15選取（4-53）（4-54）（4-55）（4-56）（4-57）（4-58）（4-59）管程壓力操作工況下法蘭力矩（4-60）（4-61）（4-62）（4-63）（4-64）（4-65）4.3殼程壓力下的危險(xiǎn)組合殼程設(shè)計(jì)壓力管程設(shè)計(jì)壓力4.3.1不計(jì)膨脹差(4-66)(4-67)(4-68)(4-69)(4-70)（4-71）(4-72)(4-73)(4-74)管板應(yīng)力:(4-75)(4-76)(4-77)殼體法蘭應(yīng)力：(4-78)(4-79)管子應(yīng)力：(4-80)殼程圓筒軸向應(yīng)力：(4-81)拉脫力(4-82)(4-83)4.3.2計(jì)入膨脹差換熱管與圓筒的熱膨脹應(yīng)變形差假定換熱器制造環(huán)境溫度為20(4-84)(4-85)管板應(yīng)力:殼體法蘭應(yīng)力：管子應(yīng)力：殼程圓筒軸向應(yīng)力：拉脫力4.4管程壓力下的危險(xiǎn)組合殼程設(shè)計(jì)壓力：管程設(shè)計(jì)壓力：(4-86)4.4.1不計(jì)入膨脹差(4-87)管板應(yīng)力:殼體法蘭應(yīng)力：管子應(yīng)力：殼程圓筒軸向應(yīng)力：拉脫力4.4.2計(jì)入膨脹差換熱管與圓筒的熱膨脹應(yīng)變形差假定換熱器制造環(huán)境溫度為20(4-88)