畢業(yè)設(shè)計樣本

TOC\o"1-3"\h\u12829序言 210279前言 319255第一章選題背景 4154031.1選題背景 4240181.2研究目 5211211.3研究意義 55051.4國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究主攻方向 5152841.5換熱器種類及特點 892261.5.1.管殼式換熱器 883531.5.2.蛇管式換熱器 10264991.5.3.套管式換熱器 111179第二章方案論證 1284602.1概述 12219542.2傳熱原理 12107382.3換熱器選型 1425879第三章固定管板式換熱器設(shè)計 1583143.1熱力學(xué)計算 15112733.1.1水定性溫度和物性參數(shù) 159383.1.2污水定性溫度和物性參數(shù) 16131983.1.3有效平均溫差 1613.1.5傳熱管和殼體壁溫核算 18207573.2管程及殼程壓力降 1955303.2.1管程壓力降計算 19204173.2.2殼程壓力降校核 2010483.3流程及構(gòu)造設(shè)計 2143113.3.1管子設(shè)計 22140173.3.3管板設(shè)計 23174773.3.4管箱 27130313.3.5管束分程、管程隔板及其管板連接 2988683.3.6折流板設(shè)計 29237923.3.7排氣孔和排液孔 3172183.3.8殼體設(shè)計 32132873.3.9殼程接管設(shè)計 32195923.3.10封頭設(shè)計 347223.3.11實驗壓力 35166713.3.12支座 3732172第四章膨脹節(jié) 39207024.1壓力產(chǎn)生應(yīng)力 40120754.2溫差產(chǎn)生應(yīng)力 41300294.3拉脫力 4414684.4強度條件 4523069第五章?lián)Q熱器中強化傳熱途徑簡述 463495.1加大傳熱系數(shù)K 47159065.2增大平均溫差 47207925.3擴大傳熱面積 4722773第六章總結(jié) 4826416第七章計算成果總匯 4821209參照文獻 51序言學(xué)生：胡成雨北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院指引教師：姜國平北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院[摘要]換熱器作為一種流體間傳遞熱量設(shè)備，在化工行業(yè)中占有舉足輕重地位。列管式換熱器單位體積具備傳熱面積大以及傳熱效果好。其中固定管板式換熱器為兩端管板和殼體連接成一體，具備構(gòu)造簡樸和造價低廉等長處，因而使用較為廣泛。本論文設(shè)計了一臺電脫鹽排水固定管板式換熱器。由已知工況下物性參數(shù)，一方面，進行工藝計算，然后進行機械設(shè)計，其中涉及法蘭、筒體、封頭、管板等設(shè)計，最后畫出裝配圖和零件圖。[核心詞]換熱器；管板；設(shè)計TheFixedTube-sheetTeatExchangerStudent:HuChengyuCollegeofChemistryandChemicalEngineering,NorthUniversityforEthnicsInstructor:JiangGuopinCollegeofChemistryandChemicalEngineering,NorthUniversityforEthnicsHeatexchangersareplayinganimportantroleinchemicalindustriesasheat-exchangingequipmentsamongdifferentfluids.TheTube-sheetexchangershavetheadvantagesoflargerheat-exchangingarea,besides,it'seffective.Andthefixedtube-sheetheatexchangersaremadeintheformofcombiningtheplateswithtubesofeachside,whichmakesthemflexibletomanufactureandcompetitiveintheirproducingprice,hence,theyarewidelyutilized.Thedesigningthesisistodesignafixedtube-sheetheatexchangerforelectro-desaltingdraining.It'sstartedwithknownparameters,andthendoingthetechnologycalculations,followedbymechanicaldesignings,flanges，shells，shellcovers，platesincluded.Doingtheinstallationandcomponentdrawinggoestothefinal.[Keywords]HeatExchangerTube-sheetDesign前言換熱器是化工、石油、動力、冶金、交通、國防等工業(yè)部門重要工藝設(shè)備之一，其對的設(shè)立，性能改進關(guān)系各部門關(guān)于工藝合理性、經(jīng)濟性以及能源有效運用與節(jié)約，對國民經(jīng)濟有著十分重要影響。出于不同使用目和工藝規(guī)定，換熱器型式諸多，并且仍在不斷發(fā)展。當(dāng)前，為了適應(yīng)國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展需要，無論從關(guān)于工業(yè)自身發(fā)展或從能源開發(fā)、運用和節(jié)約來看，對換熱器都提出了更高規(guī)定。換熱器型式繁多，不同使用場合使用目不同。其中慣用構(gòu)造為管殼式，因其構(gòu)造簡樸、造價低廉、選材廣泛、清洗以便、適應(yīng)性強，在各工業(yè)部門應(yīng)用最為廣泛。而固定管板式換熱器集中了管殼式換熱器長處，應(yīng)用相稱廣泛。固定管板式換熱器重要由殼體、換熱管束、管板、前端管箱（又稱頂蓋或封頭）和后端構(gòu)造等部件構(gòu)成。管束安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在管板上。管箱和后端構(gòu)造分別與殼體兩端法蘭用螺栓相連，檢修或清洗時便于拆卸。換熱器設(shè)計優(yōu)劣最后要看與否合用、經(jīng)濟、安全、運營靈活可靠、檢修清理以便等等。一種傳熱效率高、緊湊、成本低、安全可靠換熱器產(chǎn)生，規(guī)定在設(shè)計時精心考慮各種問題.精確熱力設(shè)計和計算，還要進行強度校核和符合規(guī)定工藝制造水平。本設(shè)計重要研究換熱器設(shè)計原理、傳熱學(xué)計算、構(gòu)造設(shè)計，其中構(gòu)造設(shè)計重要涉及兩某些，即工藝尺寸設(shè)計與計算及部件構(gòu)造設(shè)計與計算。針對固定管板式換熱器適應(yīng)熱膨脹能力差缺陷，重點研究膨脹節(jié)。從三個方面來考慮與否需要設(shè)立膨脹節(jié)，如需要，則如何設(shè)立其構(gòu)造和對其進行強度計算。由于本人知識有限，再加上經(jīng)驗局限性，設(shè)計中存在不當(dāng)和錯誤之處，肯請予以批評指正。4月第一章選題背景1.1選題背景本設(shè)計課題來源于生產(chǎn)實際。換熱器是把熱量從一種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)設(shè)備。換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相稱廣泛單元設(shè)備之一。據(jù)記錄，在當(dāng)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器投資大概占設(shè)備總投資30%，在煉油廠中換熱器占所有工藝設(shè)備40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎所有是由換熱器構(gòu)成。上個世紀(jì)70年代初發(fā)生世界性能源危機，有力地增進了傳熱強化技術(shù)發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，規(guī)定開發(fā)合用于不同工業(yè)過程規(guī)定高效能換熱設(shè)備。這是由于，隨著能源短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界總趨勢)，可運用熱源溫度越來越低，換熱容許溫差將變得更小，固然，對換熱技術(shù)發(fā)展和換熱器性能規(guī)定也就更高。因此，這些年來，換熱器開發(fā)與研究成為人們關(guān)注課題。1.2研究目換熱器為石油，化工、食品、原子能及其他化工部門所廣泛使用一種工藝設(shè)備。普通狀況換熱器約占石油化工裝置設(shè)備總重量40%，其中又以管殼式換熱器為主，因而管殼式換熱器研究開發(fā)和原則制定從來受到各國注重，例如美國TEMA和日本JISB8249就是管殼式換熱器專用原則。近年來，隨著制造技術(shù)進步，強化傳熱元件開發(fā)，使得新型高效換熱器研究有了較大發(fā)展，依照不同工藝條件與換熱工況設(shè)計制造了不同構(gòu)造形式新型換熱器，并已在化工、煉油、石油化工、制冷及制藥各行業(yè)得到應(yīng)用與推廣，獲得了較大經(jīng)濟效益。各式換熱器設(shè)計思想各有新穎之處，構(gòu)造上各具特色。有在于強化管內(nèi)傳熱，有著眼于殼程強化傳熱，有改進了管箱設(shè)計，有著重防止管板誘導(dǎo)振動，有緊湊了設(shè)備構(gòu)造，有在于防腐防垢。固定管板式換熱器兩端管板采用焊接辦法與殼體連接固定。換熱管可為光管或低翅管。其構(gòu)造簡樸，制導(dǎo)致本低，能得到較小殼體內(nèi)徑，管程可提成多樣，殼程也可用縱向隔板提成多程，規(guī)格范疇廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。1.3研究意義換熱器是合理運用與節(jié)約既有能源、開發(fā)新能源核心設(shè)備。當(dāng)今世界，既有能源重要為煤、石油、天然氣等資源。有限儲量難以滿足工業(yè)及人們生活日益增長需要，因而，合理運用既有能源及開發(fā)新能源已成為世界性研究課題。在生產(chǎn)中大某些燃料釋放能量是通過換熱設(shè)備傳遞，換熱器合理設(shè)計、性能改進將直接關(guān)系著既有能源合理運用。可供開發(fā)新能源：核能、太陽能、地?zé)崮艿纫峁┕I(yè)及生活使用，無一不需要大量符合使用規(guī)定各式換熱器。換熱器對的設(shè)立、合理設(shè)計、性能改進等對能源有效運用及開發(fā)有著十分重要意義。1.4國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究主攻方向換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相稱廣泛單元設(shè)備之一。據(jù)記錄，在當(dāng)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器投資大概占設(shè)備總投資30%，在煉油廠中換熱器占所有工藝設(shè)備40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎所有是由換熱器構(gòu)成。上個世紀(jì)70年代初發(fā)生世界性能源危機，有力地增進了傳熱強化技術(shù)發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，規(guī)定開發(fā)合用不同工業(yè)過程規(guī)定高效能換熱設(shè)備。因而，幾十年來，高效換熱器開發(fā)與研究始終是人們關(guān)注課題，國內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器。世界爆發(fā)能源危機，有力地增進了傳熱強化技術(shù)發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，規(guī)定開發(fā)合用于不同工業(yè)過程規(guī)定高效能換熱設(shè)備。這是由于，隨著能源短缺(從長遠(yuǎn)來看，這是世界總趨勢)，可運用熱源溫度越來越低，換熱容許溫差將變得更小，固然，對換熱技術(shù)發(fā)展和換熱器性能規(guī)定也就更高。因此，這些年來，換熱器開發(fā)與研究成為人們關(guān)注課題。換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛熱量互換設(shè)備，隨著當(dāng)代新工藝、新技術(shù)、新材料不斷開發(fā)和能源問題日趨嚴(yán)重，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合運用擺到了十分重要位置，換熱器因而面臨著新挑戰(zhàn)。換熱器性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量運用率以及系統(tǒng)運營經(jīng)濟性和可靠性起著重要作用，有時甚至是決定性作用。當(dāng)前在發(fā)達工業(yè)國家熱回收率已達96%。換熱設(shè)備在當(dāng)代裝置中約占設(shè)備總重30%左右，其中管殼式換熱器依然占絕對優(yōu)勢，約占70%，別的30%為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺漩板式、板翅式以及各類高效傳熱元件發(fā)展十分迅速。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率同步，也增進了換熱設(shè)備構(gòu)造緊湊性、產(chǎn)品系列化、原則化和專業(yè)化，并朝大型化方向發(fā)展。近年來，國內(nèi)已經(jīng)進行了大量強化傳熱技術(shù)研究，但在新型高效換熱器開發(fā)方面與國外差距依然較大，并且新型高效換熱器實際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進行研究，使國內(nèi)換熱器技術(shù)從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家敢于引進和推廣新型高效換熱器，為國內(nèi)節(jié)能事業(yè)做出貢獻。另一方面，新技術(shù)普遍應(yīng)用。普遍采用電子設(shè)計自動化（EDA）、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)、數(shù)字信號解決(DSP)、專用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)等。

并且，產(chǎn)品構(gòu)造發(fā)生變化。在注重高檔儀器開發(fā)同步，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不但著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟件化。隨著各類儀器裝上CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大人力、財力。此后儀器設(shè)計歸納成一種簡樸公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模仿信號變成數(shù)字信號，在通過軟件解決變換后用DA輸出。

隨著工藝裝置大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化，并向低溫差設(shè)計和低壓力損失設(shè)計方向發(fā)展。同步，對其一方面規(guī)定成本適當(dāng)，另一方面規(guī)定高精度設(shè)計技術(shù)。當(dāng)今換熱器技術(shù)發(fā)展以CFD(ComputationalFluidDynamics)、模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一種高技術(shù)體系發(fā)展趨勢：進入21世紀(jì)以來，國外儀器行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出某些新特點，引起了國內(nèi)儀表業(yè)界關(guān)注。

一是新技術(shù)普遍應(yīng)用。普遍采用電子設(shè)計自動化（EDA）、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)、數(shù)字信號解決(DSP)、專用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)等。

二是產(chǎn)品構(gòu)造發(fā)生變化。在注重高檔儀器開發(fā)同步，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不但著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟件化。隨著各類儀器裝上CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大人力、財力。此后儀器設(shè)計歸納成一種簡樸公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模仿信號變成數(shù)字信號，在通過軟件解決變換后用DA輸出。

三是產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則發(fā)生變化。從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為"恰到好處"。開發(fā)一項成功產(chǎn)品準(zhǔn)則是：滿足顧客明確需求；用最短時間投放市場；功能與性能要恰到好處。

四存在問題：今年來，國內(nèi)已經(jīng)進行了大量強化傳熱技術(shù)研究，但在新型高效換熱器開發(fā)方面與國外差距依然較大，并且新型高效換熱器實際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進行研究，使國內(nèi)換熱器技術(shù)從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家敢于引進和推廣新型高效換熱器，為國內(nèi)節(jié)能事業(yè)做出貢獻.總之，在產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則上所發(fā)生變化是不容忽視。從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為"恰到好處"。開發(fā)一項成功產(chǎn)品準(zhǔn)則是：滿足顧客明確需求；用最短時間投放市場；功能與性能要恰到好處。1.5換熱器種類及特點1.5.1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用原則換熱設(shè)備，它具備構(gòu)造簡樸，結(jié)實耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗以便，適應(yīng)性強等長處，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器依照構(gòu)造特點分為如下幾種：（1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件構(gòu)成。其構(gòu)造特點是，兩端管板與殼體連在一起，管束兩端固定在管板上，此類換熱器構(gòu)造簡樸，緊湊，價格低廉，每根換熱管都可以進行更換，且管內(nèi)清洗以便，但管外清洗困難，宜解決兩流體溫差不大于50℃且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢物料。帶有膨脹節(jié)固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補償辦法合用于兩流體溫差不大于70℃且殼方流體壓強不高于600Kpa狀況。雙管程固定管板換熱器雙管程固定管板換熱器帶膨脹節(jié)固定管板換熱器帶膨脹節(jié)固定管板換熱器（2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器管板有一種不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器管束可以拉出，便于清洗和檢修，合用于兩流體溫差較大各種物料換熱，應(yīng)用極為普遍，但構(gòu)造復(fù)雜，造價高。（3）填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起溫差應(yīng)力，與浮頭式換熱器相比，構(gòu)造簡樸，造價低，管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進行清洗，維修以便。但殼程流體有外漏也許性，因而殼程不能解決易燃，易爆流體。且填料函耐壓不高，普通不大于4.0Mpa，填料函式換熱器合用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高場合。填料函式換熱器（4）U型管式換熱器U型管式換熱器是只有一種管板，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其長處是構(gòu)造簡樸，管間清洗以便，但管內(nèi)清洗比較困難，運用率較低，殼程易短路，報廢率較高。因而U型管式換熱器合用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強場合。普通高溫、高壓、腐蝕性強介質(zhì)走管內(nèi)，可使高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。U形管管殼式換熱器1.5.2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中構(gòu)造最簡樸，操作最以便一種換熱設(shè)備，普通按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。1.5.3.套管式換熱器套管式換熱器是由兩種不同直徑直管套在一起構(gòu)成同心套管，其內(nèi)管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其長處是構(gòu)造簡樸，能耐高壓，傳熱面積可依照需要增減，恰本地選取管內(nèi)、外徑，可使流體流速增大，兩種流體呈逆流流動，有助于傳熱。此換熱器合用于高溫，高壓及小流量流體間換熱。第二章方案論證2.1概述換熱設(shè)備(或稱換熱器或稱熱互換器)就是用來實現(xiàn)熱量傳遞。在石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)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。這些過程均和熱量傳遞有著密切關(guān)系，因而全都可以通過換熱設(shè)備來完畢。當(dāng)把換熱設(shè)備用于上述不同過程時，普通把它們分別叫做加熱器，冷卻器，汽化器和冷凝器。判斷一臺換熱設(shè)備好壞原則是(1)傳熱效率高；(2)流體阻力?。?3)各部件強度足夠，構(gòu)造可靠；(4)節(jié)約材料，便于制造，成本低；(5)安裝、維修以便。2.2傳熱原理熱傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間溫度不同而引起。依照熱力學(xué)第二定律，當(dāng)無外功輸入時，熱量總是自動地從溫度較高物體傳給溫度較低物體。只有在消耗機械功條件下，才有也許由低溫物體向高溫物體傳遞熱量。傳熱基本方式有三種：熱傳導(dǎo)、對流和輻射。而換熱器是依照流體間對流達到傳熱目。對流是指流體各某些質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起熱量傳遞過程，只能發(fā)生在流體中。冷、熱流體分別處在固體壁面兩側(cè)，熱流體把熱量傳到壁面一側(cè)，通過管壁后，再從壁面另一側(cè)把熱量傳給冷流體。這稱為熱互換。如圖A中，冷流體定管內(nèi)，其溫度沿壁面由逐漸上升到；熱流體走管外，其溫度由逐漸下降到。冷、熱流體沿壁面平行流動，而流動方向彼此相反，即逆流。在熱互換過程中，不但要考慮通過固體間壁熱傳導(dǎo)，并且往往更重要是要考慮到間壁兩側(cè)對流傳熱。熱量自熱流體傳到間壁表面一側(cè)，或自間壁另一例表面?zhèn)鹘o冷流體，都屬于對流傳熱。對流傳熱是在流體流動過程中發(fā)生熱量傳遞現(xiàn)象，因此和流動狀況密切有關(guān)。雖然是在湍流流動狀況下．流體主流由于旋渦叢生，流體各某些有關(guān)。圖A換熱器傳熱示意圖雖然是在湍流流動狀況下．流體主流印由于旋渦叢生，流體各某些互相混合，因此熱阻很小，從而在和流體流動方向垂直截面上，湍流中心區(qū)各點流體之間溫度趨于一致；但在緊靠壁面處，總有一層流體膜順著壁面作層流流動，稱為層流底層。在冷流體一側(cè)，熱量在傳入冷流體主體之前，必要一方面通過它。由于通過這層流體膜傳熱是以導(dǎo)熱方式進行，因此流體膜雖薄，卻是對流傳熱重要熱阻，溫度降也重要集中在層流底層中。分析一下圖A中距離熱流體入口為處而與流體流動垂直截面上溫度分布，如圖B所示。圖中與為層流底層界面。為熱流體中心溫度，也是最高溫度，為冷流體中心溫度也即最低溫度。在熱流體湍流主體中，由于流體質(zhì)點充分混合，溫度基本上是一致，即圖中。在層沉底層內(nèi)，由于熱阻較大，溫度急劇由下降到。在層流底層和湍流主體之間，存在一種溫度逐漸變化區(qū)域，稱為過渡區(qū)，其中溫度由下降到。再往左通過管壁，因其材料普通為金屬，熱阻很小，因而，管壁兩側(cè)溫度和相差很小。此后在冷流體內(nèi)，又順次通過層流底層、過渡區(qū)而到達湍流主體，溫度由經(jīng)下降到。傳熱方程式為：。換熱器中進行傳熱過程按照熱路分析辦法是一條由對流換熱—導(dǎo)熱—對流換熱等傳熱環(huán)節(jié)構(gòu)成串聯(lián)熱路。圖B對流傳熱時沿?zé)崃鞣较驕囟确植紶顩r2.3換熱器選型每種形式換熱器均有它自身特點，明確它們各自特點，將有助于對換熱器選型。在設(shè)計換熱器時，對于形式選取是很重要。普通通過各種計算對所選形式進行技術(shù)經(jīng)濟對比，以便擬定最佳條件下?lián)Q熱器形式。在換熱器選型時，考慮因素是諸多，如材料、壓力、溫度、溫度差、壓力降、結(jié)垢狀況、流體狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等。有些構(gòu)造形式在某種狀況下使用是好，但是在此外狀況下，卻不能令人滿意，或主線就不能使用。因而在選型時應(yīng)仔細(xì)分析所有規(guī)定和條件，在許多互相制約因素中應(yīng)全面考慮，找出其中重要矛盾，予以妥善解決。依照上述在選型時所要考慮各種因素看來，其目就是要使所選換熱器形式，能保證達到工藝所規(guī)定換熱條件，強度足夠和構(gòu)造可靠，便于制造、安裝、檢修以及經(jīng)濟上合理等。依照設(shè)計任務(wù)書上給已知參數(shù)，操作溫度在120℃左右，不是很高，兩種流體分別為水和污水（可當(dāng)做水算），較易清洗，不易結(jié)垢，管、殼壁溫差不大且設(shè)計最高壓力不超過2MPa，這些條件都在管殼式換熱器合用范疇內(nèi)，而管殼式換熱器可分為固定管板式、浮頭式、U形管式等，在這三種中，固定管板式構(gòu)造最簡樸，在相似殼體直徑內(nèi)，排數(shù)最多，比較緊湊，結(jié)合換熱器評判原則，選用固定管板式換熱器?？紤]到固定管板式換熱器熱膨脹能力差，將結(jié)合詳細(xì)計算來考慮與否設(shè)立膨脹節(jié)以減小殼體與管子兩者因溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力來彌補固定管板式換熱器這一缺陷。在相似條件下，逆流傳熱比并流傳熱溫差大，并能節(jié)約金屬用量，節(jié)約能源消耗，少占面積，故采用錯流。第三章固定管板式換熱器設(shè)計3.1熱力學(xué)計算已知數(shù)據(jù)操作條件操作溫度（oC）管程進口125、出口95設(shè)計溫度（oC）（參照）管程25殼程進口40、出口65殼程25操作壓力Mpa（G）管程1.3Mpa設(shè)計壓力Mpa（G）（參照）管程1.6殼程0.4Mpa殼程0.5介質(zhì)管程（流量）污水（13.5t/h）材質(zhì)（參照）管程20#殼程（流量）循環(huán)水（25t/h）殼程Q235-B換熱器與否串聯(lián)獨立一臺3.1.1水定性溫度和物性參數(shù)水定性溫度水比熱Cp2=4.175g·K水密度kg/m3水粘度N·S/m2水導(dǎo)熱系數(shù)W/m·K3.1.2污水定性溫度和物性參數(shù)污水定性溫度 污水比熱CP1=4.233KJ/Kg·K污水密度kg/m3污水粘度N·S/m2污水導(dǎo)熱系數(shù)W/m·K3.1.3有效平均溫差逆流時平均溫差為溫度校正系數(shù) 由P，R可查出溫度校正系數(shù)，先選用一殼程，所查出不不大于0.8，可取，故選用1殼程4管程換熱器。查表得3.1.4傳熱系數(shù)（1）按經(jīng)驗值初選總傳熱系數(shù)K。（估）=950W/(m?K){化工單元設(shè)備設(shè)計，P14}初算出所需傳熱面積（2）重要工藝尺寸及構(gòu)造基本參數(shù)計算①初選鋼管②換熱管數(shù)量及長度擬定由于流體粘度不大于,暫取。設(shè)所需管數(shù)為n，那么，則n=36根，又由傳熱面積S。=32.6m=nπd。LL=11.56m，據(jù)《慣用化工設(shè)備設(shè)計》P185可選3m長鋼管，4個管程。因而，一臺換熱器總管數(shù)為436=144根。管程雷諾系數(shù),因此，Pr=1.61，因此，（3）殼程工藝參數(shù)計算①當(dāng)量直徑，《化工流體流動與傳熱》P335，t=32《慣用化工設(shè)備設(shè)計》P16可算得，管程內(nèi)徑,，整取500mm。折流板間距，暫取0.15m，殼程流通面積殼程流速查得，污垢系數(shù)：3.1.5傳熱管和殼體壁溫核算管壁溫度液體平均溫度殼體壁溫計算辦法與傳熱管壁溫計算辦法類似，但殼體壁溫可近似取殼程流體平均溫度。即3.2管程及殼程壓力降3.2.1管程壓力降計算EQ因而，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式，（1）流過直管由于摩擦所引起壓力降l傳熱管長度，m傳熱管管內(nèi)徑，mu管內(nèi)流速，流體密度，kg/m取絕對粗糙度（2）流過回彎管（進出口阻力不計）因摩擦引起壓力因此，,因而滿足規(guī)定。3.2.2殼程壓力降校核F=0.5《慣用化工單元設(shè)備設(shè)計》P41，正三角形排列。殼程流體摩擦系數(shù)：中心管數(shù)折流板數(shù)因此，因此，殼程壓力降滿足規(guī)定。3.3流程及構(gòu)造設(shè)計固定管板式換熱器依照構(gòu)造特點不同可以分為剛性構(gòu)造和具備溫差補償兩類。剛性構(gòu)造固定管板式換熱器其外面圓筒形殼體和內(nèi)部換熱管(換熱管總體叫管束)通過兩端管板剛性連接在一起。這樣參加換熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(稱為管程)，一種在換熱管和殼體之間空間流動(稱為殼程)，熱量使可通過管壁進行傳遞．這種剛性構(gòu)造固定管扳式換熱器由于換熱管、管板和殼體三者剛性連接在一起，因此具備下述優(yōu)缺陷：’長處：a)構(gòu)造簡樸；b)緊湊；c)造價低。缺陷：a)管間不能清洗，故只能通以清潔流體；b)在操作過程中，如果換熱管和殼體溫度相差較大時，或者溫度差不大，但兩者材料線膨脹系數(shù)相差較大時，兩者要產(chǎn)生不同膨脹量，從而在管子和殼體中必然產(chǎn)生應(yīng)力。此應(yīng)力是因溫差產(chǎn)生，叫做溫差應(yīng)力。固定管板式換熱器構(gòu)造及重要部件1.封頭2.設(shè)備法蘭3.排氣口4。殼體5.換熱管6.折流板7.防沖板8.殼程接管9.管板10.管程接管11.隔板12.管箱13.排液口14.定距管15.拉桿16.支座17.墊片具備溫差補償換熱器是在殼體上帶膨脹節(jié)，從而減少溫差應(yīng)力。帶波形膨脹節(jié)換熱器長處是：構(gòu)造簡樸造價低同步可以減少溫差應(yīng)力。缺陷是：由子波形膨脹節(jié)承壓能力普通說來比較差。與否需要膨脹節(jié)依照強度計算來判斷，詳細(xì)見后。3.3.1管子設(shè)計1、采用光滑管光滑管構(gòu)造簡樸，制造容易。缺陷是它強化傳熱性能局限性。為了提高換熱器傳熱系數(shù)，可采用構(gòu)造形式多樣化管子，如異性管，翅片管，螺紋管等。2、選用管子。3、管長國內(nèi)生產(chǎn)無縫鋼管長度普通為6m，故系列中換熱管長度分為1.5，2,3,4.5,6米幾種，本設(shè)計中采用3米長管子，其傳熱面積為：4、管子排列形式管子排列辦法慣用有正三角形直列，正三角形錯列，正方形直列和正方形錯列。見圖C。.正三角形錯列.正方形直列.正方形錯列圖C正三角形排列比較緊湊，在一定殼徑內(nèi)可排列較多管子，且傳熱效果好，但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗以便，合用于殼程中流體易結(jié)垢狀況，其傳熱效果較正三角形差些。以上排列方式中最慣用是正三角形錯列，用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢，后者殼側(cè)污垢可以用化學(xué)解決掉場合。本設(shè)計中采用正三角形錯列排列方式。5、管數(shù)原則管數(shù)為144根。3.3.2管心距設(shè)計：采用脹接法固定期，管心距過小會導(dǎo)致脹接在擠壓作用下發(fā)生變形，失去管子與管板之間連接力。故采用焊接法。依照經(jīng)驗公式：隔板中心到離其近來一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22㎜各程相鄰管管心距為。3.3.3管板設(shè)計1、管板作用：固定作為傳熱面管束，并作為換熱器兩端間壁，將管程流體分隔開來。2、管板上管孔數(shù)：即為殼體中傳熱系數(shù)（涉及圓缺形板區(qū)安頓）。3、管板上孔間距不適當(dāng)過大，避免布管疏松，不利傳熱；也不適當(dāng)過小，避免焊接時引起較大應(yīng)力，影響焊接質(zhì)量，此外也不利于清掃殼程管束。4、管板與殼體連接采用不可拆式，即直接焊在殼體上，稍微延伸，兼作法蘭，便于對脹口進行檢查和維修以及清洗管子。5、管板直徑與厚度管板與殼體直徑應(yīng)保持一致。管板厚度與材料強度，介質(zhì)壓力，溫度和壓差，溫差以及管子和外殼固定方式和受力因素關(guān)于。對于管子與管板脹接時，為保證脹接可靠性，管板最小厚度為。管子與管板焊接時，由于焊接可以達到甚至超過管子自身強度，只要管子強度足夠，管子厚度可不受限制，而由焊接工藝及焊接變形等規(guī)定來擬定。本設(shè)計中選用。6、管子在管板上固定辦法，必要保證管子和管板連接牢固，不會在連接處產(chǎn)生泄漏。連接方式普通有三種：脹接法，焊接法，脹焊并用法；普通采用事脹接法和焊接法。由于焊接法在高溫高壓下仍能使用，保持連接緊密性，管孔加工規(guī)定低節(jié)約空加工工時，同步焊接工藝比脹接工藝簡樸等長處，故本設(shè)計中采用焊接法。依照原則規(guī)定，管子外徑為25mm時，管板孔直徑為25.8mm,容許偏差；相鄰孔中心距32mm，管孔中心距偏差：相鄰孔間，任意孔間；支撐板孔直徑25.6mm,容許偏差。管子露出管板長度，采用1.5mm。7、管板構(gòu)造型式管板是換熱器重要部件，慣用均為圓形平板。其構(gòu)造有管板兼作法蘭和不兼作法蘭兩種。在兼作法蘭管板中，由于密封規(guī)定不同，多用于固定管板式換熱器中。故選用管板兼作法蘭型。構(gòu)造見圖D。圖D固定管板式換熱器管板與殼體連接8、換熱管在管板上排列換熱管在管扳上排列重要采用三種辦法，即等邊三角形排列法，正方形排列法和組合排列法。等邊三角形排列法長處是：在一定管板面積上可以放置較多換熱管，提供較多傳熱面；正方形排列法長處是換熱管外表面可用機械辦法清理，管間可解決較臟流體。在多程列管換熱器中，經(jīng)常在各程內(nèi)采用等邊三角形排列而在程與程之間采用正方形排列，這種叫做組合排列法。當(dāng)換熱管管數(shù)較多時，無論是采用等邊三角形排列法還是正方形排列法，都應(yīng)在管束和殼體之間形成弓形區(qū)內(nèi)配備盡量多換熱管。這樣做不但可以增大傳熱面，并且還可以防止殼程流體大某些從弓形空區(qū)通過，減少傳熱效果缺陷。同步，又能減小殼程流體流通斷面，提高其流速，強化換熱器換熱能力。9、管板與殼體連接列管式換熱器管板與殼體連接型式分為不可拆式和可拆式兩大類。固定管板式換熱器管板和殼體是焊接在一起，屬不可拆式連接。如圖E所示。圖E固定管板式換熱器殼體和管板焊接構(gòu)造10、固定管板計算T=20mm,總換熱管數(shù)n=144。一根管壁金屬橫截面積為：開孔強度削弱系數(shù){GB151-1999管殼式換熱器，P39}管板間距L估取3050mm。計算K：K=5.8按管板簡支考慮，依K值查得無量綱系數(shù)管板最大應(yīng)力管子最大應(yīng)力筒體內(nèi)徑截面積管板上管孔所占總截面積系數(shù)系數(shù)殼程壓力，管程當(dāng)量壓差管板采用16Mn，換熱管為20號碳素鋼管板，管子強度校核因此，管板計算厚度滿足規(guī)定。3.3.4管箱管箱是位于列管換熱器兩端重要部件。它作用是接納由進口接管來流體并分派到各換熱管內(nèi)，或是匯集由換熱管流出流體，同步將其送入排出管而排出換熱器。選用頂部為橢圓形管箱。如左上圖所示。管箱流體進出口也設(shè)在管箱側(cè)面。換熱器管程清洗或檢修時，只要把連接管道從管箱上卸開，把管箱從換熱器上拆下即可。圖中點劃線表達管程隔板，管箱連接普通采用焊接。管箱最小長度得擬定原則多程管箱，流經(jīng)相鄰兩管程之間最小流通面積應(yīng)不不大于或等于其中一程管內(nèi)流通面積1.3倍；但操作容許時也可等于每管程管子流通面積（為以便計算，按各程平均管數(shù)計算）。管箱最小長度計算本設(shè)計選取B型（封頭管箱）。按流通面積計算，按各相鄰焊縫間距離計算，L取兩者較大者。{化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，P119}式中，為換熱管內(nèi)徑；mm；為各程平均管數(shù)；E為各相鄰管程間分程處，物流流通最小寬度，mm；為封頭內(nèi)曲面高度，mm;為封頭直邊高度，mm；為封頭厚度，mm；為接管位置尺寸，，mm；為接管至殼體與封頭連接焊縫間距離，取100mm；為封頭高度，，mm；C為接管補強圈外邊沿至設(shè)備法蘭或管箱殼體連接焊縫間距離，；為接管外徑，mm。管箱內(nèi)壓降為符合規(guī)定。3.3.5管束分程、管程隔板及其管板連接當(dāng)流體流量較小或換熱器傳熱面較大而需管數(shù)諸多時，為了增長管內(nèi)流速，提高傳熱效率，可將管束分程，即在管箱內(nèi)裝置與管子中心線相平行管程隔板，使管積流體依次流過每程管子。當(dāng)管程流體在換熱器內(nèi)平行地流過一次時，稱為單管程，流過二次時，稱為雙程，以此類推。但是，分程不適當(dāng)太多，否則分程隔板占去管板面積太多，使排管數(shù)減少，換熱器顯得不夠緊湊，并且構(gòu)造復(fù)雜，流體穿過隔板墊片短路機會增多。隔板所占去位置在殼程會形成沒有管子占據(jù)走廊，也會導(dǎo)致殼程流體短路旁通而不利于傳熱。前面已經(jīng)計算過選用雙管程。為了保證管程隔板，管箱與管板之間連接可靠性，以及加工以便起見，管程隔板型式應(yīng)力求簡樸，盡量縮短密封長度，并應(yīng)使管程隔板密封面和管箱法蘭密封面處在在同一平面上，同步，還應(yīng)保證管程隔板在槽密封面和管板邊沿密封面，也在同一平面上。3.3.6折流板設(shè)計1、折流板為了加大殼程流體流速和湍動限度，提高傳熱效果；為了對換熱管加以支撐，增長換熱管剛度，減少振動。在換熱器中，除冷凝器外多設(shè)立折流板。折流板重要有圓缺形和盤環(huán)形兩種，其中最慣用是圓缺形。圓缺形折流板構(gòu)造如圖F所示，它是一塊圓形板切去一種弓形某些而成。其切去某些高度，普通為殼體內(nèi)徑10～40%，特別以殼體內(nèi)徑20～25%最為慣用。切去某些高度過大或過小，都對換熱不利，只有當(dāng)切去某些高度恰當(dāng)時，才干使殼程流體像圖F那樣以較好錯流方式穿過換熱管束，提高換熱器傳熱效率。圓缺形折流板在臥式換熱器中布置法有如圖所示兩種。一種是將切去圖F圓缺形折流板圖G臥式換熱器中圓缺形折流板布置辦法弓形缺口某些上下布置如圖G；一種是將切去弓形缺口某些左右布置。前一種布置法，可以導(dǎo)致殼程流體激烈攪動，有助于熱量傳遞，故選用前一種布置方式。2、折流板固定在列管式換熱器中，折流板固定普通是采用拉桿和定距管來實現(xiàn)。查參照文獻《慣用化工單元設(shè)備設(shè)計》P30可得拉桿根數(shù)為4，拉桿直徑為12mm，拉桿孔直徑為12+1=13mm。拉桿、管板和折流板之間采用點焊固定，如圖J所示“焊接拉桿”。圖J拉桿和管板連接構(gòu)造3、本設(shè)計采用圓缺形性折流板。4、圓缺形折流板在臥式換熱器中排列分為圓缺上下方向和圓缺左右方向兩種。上下方向排列者可導(dǎo)致液體激烈湍動，增大傳熱膜系數(shù)，這種構(gòu)造最為慣用。故本設(shè)計中選用圓缺上下方向排列。5、圓缺折流板圓缺高度普通為至，本設(shè)計中采用。6、容許折流板間距與管徑關(guān)于，取折流板間距B=0.3D，則B=0.3500mm=150mm，取B為150mm。折流板數(shù)目折流板圓缺面水平裝配。7、折流板外徑為500-5=495mm。8、折流板厚度為5mm3.3.7排氣孔和排液孔圖H排液與排氣口對于不能運用原有接管進行放氣或排液列管式換熱器，應(yīng)當(dāng)注旨在管程和殼程最高處和最低處增設(shè)排氣孔和排液孔。其構(gòu)造形式如圖H.用來進行開車前放氣和停車后排液。特別對于蒸汽在殼程冷凝換熱器，更需要設(shè)立排氣孔和排液孔，使蒸汽內(nèi)惰性氣體不致大量積聚，并使冷凝液及時排除，以防冷凝液將換熱管沉沒，減小傳熱面，或由于惰性氣體積聚而減少換熱效率。由此可知，排氣孔和排液孔采用，不但可以回收或排除工作介質(zhì)，并且又可提高換熱器傳熱效率。3.3.8殼體設(shè)計經(jīng)初步計算，考慮其經(jīng)濟性等因素，本設(shè)計選用Q235-B型鋼材作為筒體材料。①殼體厚度計算：其中,查得：，（雙面焊縫），故②考慮到開孔削弱及安全，以及開孔強度補償辦法，又參照GB151-1999P19，取殼體厚度為8mm。因此，設(shè)計符合規(guī)定。3.3.9殼程接管設(shè)計1、殼程流體進口接管：接管內(nèi)液體流速為u1=0.43m/s，則接管內(nèi)徑為查原則可取接管規(guī)格為。2、管程流體進出口接管：接管內(nèi)液體流速u2=0.35m/s，則接管內(nèi)徑為TC"接管"\fC查原則可取接管規(guī)格為。3、殼層流體出口接管，為以便計算，取與殼程進口管規(guī)格相似。4、接管外伸長度5、開孔補強及補強辦法鑒別（1）補強鑒別容許不另行不強最大接管外徑為。本設(shè)計開孔外徑已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其值，因此需要考慮其補強。開孔直徑開孔直徑,滿足等面積開孔補強計算合用條件。（2）補強計算由計算出工藝設(shè)計條件接管尺寸為，考慮選用20號鋼，接管計算壁厚接管有效壁厚開孔直徑接管有效補強寬度接管外側(cè)有效補強高度需要補強面積可以作為補強面積為因而，該接管補強強度足夠，不需另設(shè)補強構(gòu)造。3.3.10封頭設(shè)計由于橢圓形封頭制造以便，構(gòu)造合理，用材較少，故本設(shè)計采用原則橢圓形封頭：設(shè)計厚度：為了與筒體配套和焊接以便，原則橢圓形封頭內(nèi)徑為500mm，厚度為8mm，查JBT4746-P37和P38可知，H為150mm，h為25mm，重量約為19.6Kg。封頭：3.3.11實驗壓力本設(shè)計為內(nèi)壓容器，實驗壓力應(yīng)依照如下式子進行驗算，液壓實驗：氣壓實驗：式中：實驗壓力，MPa；P設(shè)計壓力，MPa；容器元件材料在實驗溫度下許用應(yīng)力，MPa；容器元件材料在設(shè)計溫度下許用應(yīng)力，MPa。壓力實驗前，應(yīng)按下式校核圓筒應(yīng)力：式中，實驗壓力下圓筒應(yīng)力，MPa；圓筒內(nèi)徑，mm;實驗壓力，MPa；圓筒有效厚度，mm。應(yīng)滿足如下條件：液壓實驗時，氣壓實驗時，式中，圓筒材料在實驗溫度下屈服點（或0.2%屈服強度），MPa；圓筒焊接接頭系數(shù)。由計算成果可知，=25.4MPa<(0.8~0.9)0.85235=(159.8~179.8)MPa,因此，滿足液壓及氣壓實驗規(guī)定，3.3.12支座支座是換熱器支撐裝置，應(yīng)用最廣泛是鞍式支座和懸掛式支座。因換熱器采用是臥式構(gòu)造，故選用鞍式支座。在選取支座位置時，既要考慮到運用封頭加強效應(yīng)，又要考慮不使筒體中部應(yīng)力增長過多。如果支座位于容器端部則在容器中部產(chǎn)生很大彎矩，如果支座位于容器中部，則在支座處產(chǎn)生很大彎矩。在《JBl167—82》原則中，推薦A≤0.2L，且，A、L、意義見圖11。圖11鞍式支座3.3.13法蘭及墊片為原則件按《壓力容器與化工設(shè)備實用手冊》（上）選用。第四章膨脹節(jié)換熱器設(shè)計，除滿足工藝條件外，尚需滿足強度條件。換熱器都承受內(nèi)壓或外壓，因而，殼體、管子、封頭、法蘭、開孔等均需能承受相應(yīng)內(nèi)壓或外壓，不致受到破壞。但由于換熱器構(gòu)造特點，在操作時受力狀況與容器不同。在固定管板式換熱器中，殼壁及管壁在操作時除承受由于殼程及管程流體壓力而產(chǎn)生軸向力和周向力外，尚承受由于殼壁與管壁有溫度差而產(chǎn)生溫差軸向力。所謂溫差軸向力就是由于操作時殼壁和管壁溫度不同，因而殼體與管子熱膨脹自由伸長量就不相等，但兩者又是通過管板剛性聯(lián)在一起，彼此實際伸長量又必要同樣，因而在大多數(shù)狀況下(即當(dāng)管壁自由伸長量不不大于殼壁自由仲長量時)，殼壁被迫拉伸，管壁被迫壓紙這種壓縮或拉伸軸向力稱為溫差軸向力。由此可見，單純從受力角度來看，換熱器比容器多一種溫差軸向力，如果操作時殼壁溫度與管壁溫度差別很大，則在殼壁和管壁中就產(chǎn)生很大溫差軸向力，若溫差應(yīng)力與受內(nèi)壓而產(chǎn)生軸向應(yīng)力總和超過殼體材料容許應(yīng)力時，則殼體就受到破壞。當(dāng)其超過管子與管板容許拉脫力時，則連接破壞。這種破壞是固定管板式換熱器所特有。這就需要考慮設(shè)立膨脹節(jié)換熱器與否設(shè)立膨脹節(jié)，重要取決于管程與殼程溫差、壓差和殼體及管子材料.當(dāng)溫差與壓差比較小時，殼體中所產(chǎn)生應(yīng)力也較小，就不必設(shè)立膨脹節(jié).但若這種應(yīng)力達到一定數(shù)值，殼體自身補償不了這種變形差時，就要設(shè)立膨脹節(jié)來予以補償.對于一臺受內(nèi)壓換熱器，膨脹節(jié)采用與否應(yīng)當(dāng)依照下列三項計算來鑒定:(1)殼壁溫差應(yīng)力與殼壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力總和與否超過殼體材料容許極限(涉及焊縫削弱).(2)管壁溫差應(yīng)力與管壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力總和與否超過管體材料容許極限.(3)管子拉脫力與否超過管子脹接或焊接所容許極限.如前所述，殼體和管子在換熱器中均受到溫度應(yīng)力和內(nèi)壓軸向應(yīng)力作用?，F(xiàn)分別計算。4.1壓力產(chǎn)生應(yīng)力換熱器受壓后所產(chǎn)生軸向力為：（1）式中：、——管子外徑和內(nèi)徑；——管子數(shù)；、——殼程壓力、管程壓力；該力由殼體和管子共同承受，故此時，殼體所受與管子所受力之和應(yīng)等于，即：（2）式中：——由壓力產(chǎn)生殼體應(yīng)力，；——由壓力產(chǎn)生管子應(yīng)力，；——殼體截面積，；——管子總截面積，；同步，殼體與管子應(yīng)力分派（即各自大?。?，與彈性模量成正比，即：（3）解式（2）和（3）得：（）（4）（）（5）當(dāng)殼體與管子材料相似時，即則：（）（6）4.2溫差產(chǎn)生應(yīng)力溫差應(yīng)力是由于殼壁和管壁溫差而產(chǎn)生。設(shè)一固定管板式換熱器在操作時其殼壁溫度為，管壁溫度為，則殼體和管子都會因升溫而膨脹。如果兩者皆能自由膨脹，則殼體自由伸長量為：（）（7）而管子自由伸長量為：（）（8）上兩式中：、——殼體和管子材料線膨脹系數(shù)，；——殼體和管子長度，；——裝配溫度，。管子和殼體因熱膨脹而產(chǎn)生長度變化狀況如圖所示。其中（a）是處在裝配溫度時狀況，這時殼體和管子長度皆為。為便于分析，假設(shè)在操作狀態(tài)下管壁溫度不不大于殼壁溫度，即＞，管子自由伸長量不不大于殼體自由伸長量，即＞，如圖（b）所示。但在固定管板換熱器中，管子和殼體通過管板剛性地連在一起，如果整個構(gòu)造不發(fā)生變形和破裂，則由于互相間剛性約束，管子和殼體最后必然處在同一平衡位置，它們伸長量都等于，如圖(c)所示。從圖(b)和(c)比較中可以看到，這時管子受到了壓縮，被壓縮長度為-；而殼體則受到拉伸，被拉伸圖殼體及管子伸長和壓縮長度為-。如果兩者變形量均不超過彈性范疇，依照虎克定律，可以分別求出由此產(chǎn)生在管子中壓縮力和殼體中拉伸力。顯然，這兩個力是相等。按虎克定律：（9）（10）式中：——因溫差引起管子所受壓縮力或殼體所受拉伸力，；、——管束和殼體材料彈性模量，、——管束和殼體截面積，。從上兩式中消去得：（11）將式（9）和（10）代入上式：（12）由此可以求得：（13）此即為因管壁和殼壁溫度不同而產(chǎn)生溫差軸向力。若管子和殼體材料相似，即，，則上式可簡化為：（14）如果管子和殼體直徑、壁厚以及管子數(shù)均為已知，則管束和殼體截面積和分別為：（15）（16）式中：、——管子外徑和內(nèi)徑，；——管子數(shù)，；、——殼體外徑和內(nèi)徑，；——殼體壁厚，。由溫差而在管壁上產(chǎn)生壓應(yīng)力為：（17）在殼壁上產(chǎn)生拉應(yīng)力為：（18）從上述計算可以看出，對已定構(gòu)造固定管板式換熱器而言，溫差應(yīng)力、僅與材料彈性模量、線膨脹系數(shù)、溫差以及管束和殼體截面積關(guān)于，而與管子和殼體長度無關(guān)。但溫差應(yīng)力和方向相反，若一種為拉應(yīng)力，則另一種為壓應(yīng)力，因而與和合成時，則當(dāng)殼體膨脹量不不大于管子時，殼體合成應(yīng)力為：（19）管子合成應(yīng)力為：=（20）當(dāng)管子膨脹量不不大于殼體時，殼體合成應(yīng)力為：（21）管子合成應(yīng)力為：=（22）4.3拉脫力所謂管子拉脫力是指將管板中拉脫出來軸向力。換熱器在操作時，承受介質(zhì)和溫差應(yīng)力聯(lián)合伙用，當(dāng)溫差大時，尤以溫差應(yīng)力更為突出。這兩個力在殼壁和管壁中產(chǎn)生拉（或壓）應(yīng)力，同步在管子與管板連接處產(chǎn)生拉脫力，使管子從管板中脫出。管子拉脫力以管子每平方厘米連接周邊上所受力來表達。如果管子拉脫力過大，則有也許引起管子與管板接頭出密封性破壞或使管子松脫。因而，為保證管端與管板牢固地連接和良好密封性能，在設(shè)計時需要對管子拉脫力進行校核，校核與否在容許范疇內(nèi)。如果計算成果超過容許范疇，則就需要采用辦法以減少管子拉脫力。最慣用辦法是減少溫差應(yīng)力，例如對剛性構(gòu)造無膨脹節(jié)換熱器，就需要采用膨脹節(jié)；對帶膨脹節(jié)換熱器，就需要增長膨脹節(jié)波數(shù)或改用強度較高材料（如）作膨脹節(jié)以減薄膨脹節(jié)壁厚。由管板計算中可知，在壓力與溫差聯(lián)合伙用下，管子中所產(chǎn)生應(yīng)力為，則管子拉脫力為：（23）式中：——管子與管板脹接長度或焊接高度，對脹接：當(dāng)＞5厘米時，取=5厘米；對焊接：等于焊接計算厚度。別的符號意義同前。按式（23）需經(jīng)管板計算，求得管子中應(yīng)力后方可求得拉脫力，事實上在進行管板計算之前需先求得拉脫力，以鑒別換熱器與否需要膨脹節(jié)，此時可依照管子連接辦法分別由下述兩個公式求得。采用脹接法連接管子時（24）采用焊接法連接管子時（25）式中：——在溫差和壓差作用下，管子中產(chǎn)生總軸向力，；當(dāng)殼體比管子伸長量大時，取或兩者中之大值；當(dāng)管子比殼體伸長量大時，取或兩者中之大值；4.4強度條件（26）式中：、——殼體和管子軸向總應(yīng)力，；、——殼體和管子材料許用應(yīng)力，；——焊縫系數(shù)；——許用應(yīng)力，。當(dāng)換熱管與管板脹接時，值見參照文獻《化工設(shè)備設(shè)計基本》表15-22；當(dāng)換熱管與管板焊接時，=0.5若上述三個條件中有一種不滿足，就要設(shè)立膨脹接。鑒定與否需要膨脹節(jié)依照所選材料有，殼體為Q235-B鋼，管子為20號鋼，查參文獻《壓力容器與化工設(shè)備實用手冊（上冊）》得，，，，殼壁溫度為52.5℃，管壁溫度為76.5℃，裝配溫度為25℃。則壓應(yīng)力為：由式（15）得=由式（16）得=∴溫差應(yīng)力為：合成應(yīng)力為：由于管壁溫度高于殼壁溫度，因此管子膨脹量不不大于殼體膨脹量，因而：==查手冊有取，則＞＞=-16.14MPa拉脫力：因管壁溫度高于殼壁壁溫度，則取或兩者中之大值，∴＜因而，強度三個條件都滿足，因而不需要設(shè)立膨脹節(jié)。第五章?lián)Q熱器中強化傳熱途徑簡述所謂換熱器傳熱過程強化就是力求使換熱器在單位時間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞熱量盡量多。強化傳熱過程提高換熱設(shè)備傳熱能力所獲得效果將體當(dāng)前如下幾方面：在設(shè)備投資及輸送功耗一定條件下，獲得較大傳熱量。從而增大設(shè)備容量，提高勞動生產(chǎn)率。換熱器熱計算所根據(jù)基本關(guān)系式之一是傳熱方程式，它揭示了換熱器中傳熱面所傳遞熱量和傳熱系數(shù)，平均溫差以及傳熱面積間關(guān)系：依照此式，要使增大，無論是增大、還是都能收到一定效果，工業(yè)設(shè)計和生產(chǎn)實踐中大都從這些方面來考慮強化傳熱辦法。5.1加大傳熱系數(shù)K提高值途徑是提高傳熱兩側(cè)換熱系數(shù)、避免或減輕污垢積聚、選用導(dǎo)熱性能良好材料作傳熱壁面并盡量減薄其厚度。5.2增大平均溫差兩流體溫差或流體與傳熱面間溫差很大時，所產(chǎn)生附加自然對流還會對傳熱系數(shù)值產(chǎn)生影響。加大平均溫差重要辦法有：（1）盡量采用近于逆流傳熱方式由于逆流平均溫差不不大于順流平均溫