潤(rùn)滑油-水U型管換熱器設(shè)計(jì)含4張CAD圖.zip,潤(rùn)滑油,換熱器,設(shè)計(jì),CAD
潤(rùn)滑油-水U型管換熱器設(shè)計(jì)
[摘要]換熱器是用于各種物料之間進(jìn)行熱量傳遞的過程設(shè)備。
在U型換熱器設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格按照GB150-98《鋼制壓力容器》和GBT25198-2010《鋼制壓力容器封頭》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。
在本次的設(shè)計(jì)過程中，包括了兩個(gè)部分：計(jì)算部分和繪圖部分。計(jì)算部分主要是對(duì)筒體、封頭、管板、換熱管、法蘭、折流板、拉桿、鞍座等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型,并且，對(duì)殼體和管箱進(jìn)行了開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，最終選擇了U型管式換熱器。除此之外，還參閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)及大量的文獻(xiàn)，完成了一張總裝配圖和3張零件圖的繪制。
[關(guān)鍵詞]：換熱器，U型管，設(shè)計(jì)
I
Design of U - tube heat exchanger with lubricating oil and water
[Abstract]: heat exchanger is a process equipment used for heat transfer between various materials.
In the design process of u-type heat exchanger, design and calculation are carried out in strict accordance with gb150-98 steel pressure vessel and gbt25198-2010 steel pressure vessel head and other standards.
In this design process, there are two parts: calculation part and drawing part. The calculation part is mainly the design and selection of the shell, head, tube plate, heat exchange tube, flange, baffle plate, tie rod, saddle, and so on, and, the shell and tube box for the calculation of hole reinforcement, the final choice of the u-tube heat exchanger. In addition, I also refer to relevant design manuals and a large number of literature, and complete the drawing of a general assembly drawing and three parts drawing.
[key words] : heat exchanger, u-tube, design
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
前言 1
1 原始數(shù)據(jù) 2
2 熱傳量和物性參數(shù) 2
2.1傳熱量 4
2.2冷流體用量 4
2.3定性溫度的確定 4
2.4主要物性參數(shù) 4
2.5流程安排 5
3 估算傳熱面積 6
3.1平均傳熱溫差 6
3.2選K值，估算換熱面積 6
4 主體構(gòu)件的工藝尺寸 7
4.1管徑和管內(nèi)流速 7
4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 7
4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 8
4.6折流板 9
4.8接管 9
5 熱量核算 11
5.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 11
5.2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 12
5.3污垢熱阻和管壁熱阻 12
5.5壁溫核算 13
6 換熱器內(nèi)流體阻力（壓強(qiáng)降）核算 15
6.1管程流體阻力 15
6.2殼程流體阻力 15
7 .結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
7.1確定換熱管的規(guī)格和長(zhǎng)度 18
7.3殼體直徑的確定（查GB151-2014） 25
7.5拉桿及定距管 26
7.6保溫層 26
7.7其他構(gòu)件 27
8 其它零部件的選擇和布置 28
8.1 接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)查《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》 29
8.2殼程接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 30
8.3管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 31
8.4管箱的設(shè)計(jì) 33
8.5排氣管、排液管的選用和布置 34
9 應(yīng)力計(jì)算 36
9.1熱交換器所受的應(yīng)力 36
9.2溫差應(yīng)力 37
9.3拉脫力 37
9.4許用應(yīng)拉脫力 37
10 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果匯總 38
10.1工藝參數(shù)匯總 38
10.2物性參數(shù)匯總 38
10.3結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)匯總 38
總結(jié) 39
參考文獻(xiàn) 40
致謝 41
V
前言
換熱器是將熱流體的一部分的熱量傳遞給冷流體的換熱設(shè)備，使流體的溫度能夠滿足工藝過程的要求，又稱換熱器。換熱器是化工、汽油、電力、食品等工業(yè)部門常用的設(shè)備，在生產(chǎn)中起著重要作用。換熱器種類龐雜，但根據(jù)冷熱流體換熱的原理和方式，可大致分為三類：內(nèi)壁式、混合式和再生式。在三種換熱器中，壁間換熱器是應(yīng)用最廣泛的。
1 .換熱器的應(yīng)用
在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要功能是將能量從高溫流體傳遞到低溫流體。達(dá)到流體溫度以滿足工藝要求。另外，換熱器也是收受接管廢熱、廢熱，特別是低熱能的有效裝置。
2 .換熱器的主要分類
工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。
3 .換熱器的分類及特點(diǎn)
根據(jù)不同的傳熱方式，換熱器可分為三種類別：
1.直接接觸式換熱器
這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格優(yōu)惠。它通常被制成一個(gè)塔，但它只適用于兩種流體在技術(shù)上混合的情況。
2.再生換熱器在這種換熱器中，換熱是由格子磚或填料等再生器完成的。
蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，單位體積傳熱面積大，更適合燃?xì)鈸Q熱的局面。
3.壁間換熱器
這是工業(yè)上使用最廣泛的換熱器。冷熱流體由固體壁分離，并且通過壁面進(jìn)行傳熱。
4 .U型管換熱器
對(duì)于我設(shè)計(jì)的U型管換熱器，這是工業(yè)上使用最廣泛的換熱器。冷熱流體由固體壁分離，并且通過壁面進(jìn)行傳熱。U型管換熱器:一束管子彎成不同曲率半徑的U形
17
管。U形管的兩端固定在同一管板上形成管束,從而清除了管板和管箱。由于管束與殼體分離,加熱膨脹時(shí),有管束之間沒有束縛，消除了溫差應(yīng)力。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，管束可在殼體被拉出，并且在管道外部的潔凈是方便的，但管內(nèi)的潔凈是困難的，所以最好讓防污材料直接穿過管道。由于彎頭的外壁較薄，在管束的中間的間隙是大的，并且U形管換熱器具有的壓力差承受能力和較差的熱傳遞能力的缺點(diǎn)。
圖1 U型管換熱器
1 原始數(shù)據(jù)
熱流體選用：潤(rùn)滑油；
冷流體選用：水；
熱流體工作表壓力：P1=1.2MPa；
冷流體工作表壓力：P2=1.6MPa；
熱流體進(jìn)口溫度：T1=250℃；
熱流體出口溫度：T2=210℃；
冷流體進(jìn)口溫度：t1=20℃；
冷流體出口溫度：t2=65℃；
熱流體流量：37Kg/s；
2 傳熱量和物性參數(shù)
2.1傳熱量
如果不考慮熱損失，則冷流體吸收的熱量就應(yīng)該等于熱流體所放出的熱量。
傳熱量為 Q=M1×cp1×T1-T2×ηL=37×2.4×250-210×0.98=3480.96kW
2.2冷流體用量
流體用量的大小，將直接影響到加熱劑或冷卻劑的出口溫度以及換熱器面積的大小。
冷流體量 M2=Qcp2×t2-t1=3480.964.17×65-20=18.55kgs
2.3定性溫度的確定
定性溫度是指某種介質(zhì)(冷介質(zhì)或熱介質(zhì))在求物性參數(shù)時(shí)使用的溫度,如果介質(zhì)粘度不大，可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。
熱流體定性溫度為：
tm1=T1+T22=250+2102=230℃
冷流體定性溫度為：
t=t1+t22=20+652=42.5℃
2.4主要物性參數(shù)
表1 主要物性參數(shù)
物性
密度（kg/m3）
比熱容（kcal/(kg?℃)）
黏度（kg/(m?h)）
熱導(dǎo)率（kcal/(m?h?℃)）
水
991
4.17
0.000622
0.64
潤(rùn)滑油
821
2.4
0.0011
0.13
2.5流程安排
在U型管式的換熱器設(shè)計(jì)中，在下列情況下的流體在管程流過是比較合理的，即流量容積小的流體；不清潔、易結(jié)垢的流體；高壓力的流體；帶有腐蝕性的氣體。得出：
冷流體 水 走管程(內(nèi))，熱流體 潤(rùn)滑油 走殼程(外)。
3 估算傳熱面積
3.1平均傳熱溫差
平均溫差系是指整個(gè)換熱器每一處溫差的平均值。
流體間溫差：
?t1=T2-t1=210-20=190℃
?t2=T1-t2=250-65=185℃
因?yàn)榱黧w的溫度沿傳熱面變化較大，所以平均溫差計(jì)算公式為：
△t1mc=?t1-?t2Ln?t1?t2=190-185Ln190185=187.49℃
3.2選K值，估算換熱面積
設(shè)傳熱系數(shù)K不變，雖然實(shí)際上K在整個(gè)傳熱過程中是變化的，但是在工程的換熱器中由于物理特性變化不大，反應(yīng)到K的變化上就更小，因此，一般工業(yè)計(jì)算可以把換熱器中的各部分K視為常量。選擇時(shí)，不僅要考慮流體的物理性質(zhì)和操作條件，還應(yīng)該考慮換熱器的類型。
換熱器類型以給出，所以根據(jù)查參考資料，初選傳熱系數(shù)K=700W/(m^2?℃)
估算傳熱面積為：
F'=Q×1000K'×△t1mc=3480.96×1000700×187.49=26.52m2
考慮到面積裕度，則所需傳熱面積為：
F′=η×F'=1.15×26.52=30.5m2
4 主體構(gòu)件的工藝尺寸
4.1管徑和管內(nèi)流速
換熱器中最常用的管徑分別有φ19mm × 2mm和φ25mm × 2.5mm。直徑越小的管子可以是傳熱得到增強(qiáng)，而且管壁比較?。煌瑫r(shí)在同樣的體積內(nèi)，可排列更多的管子，增大傳熱面積更大，節(jié)約金屬成本消耗。但是采用φ19mm×2mm直徑的管子會(huì)加大流動(dòng)阻力，所以管徑的選擇需要看使用材料和條件的。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則通常用較大直徑的管子。因?yàn)槲覀児艹套叩乃?，屬于易結(jié)垢體，所以我們會(huì)選用更大的直徑管子。
最終換熱管的材料選用不銹鋼,規(guī)格選用φ25×2.5mm
根據(jù)換熱器中常用的流速范圍的數(shù)據(jù)，可取管程內(nèi)流體的流速 ω2= 1 m/s
4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)
管程所需流通截面為：
At=M2ρi×ω2=18.55991×1=0.018718m2
每程管數(shù)為（取整）：
n=4×Atπ×di10002=4×0.0187183.14×2010002=60根
按單殼程，單管程計(jì)算，每根換熱管長(zhǎng)度為：
l=F′n×π×do1000=30.560×3.14×251000=6.48m
按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)每根管長(zhǎng)取標(biāo)準(zhǔn)值：l=4.5m
則管程數(shù)為：
Zt=ll=6.484.5=2nt=n×Zt=60×2=120根
4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)
無量綱參數(shù)mP、R
P=t2-t1T1-t1=65-20250-20=0.196
R=T1-T2t2-t1=250-21065-20=0.889
由無量綱數(shù)R、P查圖得：溫差校正系數(shù)φ：0.99 ，因φ>0.8，故可行。
兩流體的實(shí)際平均溫差為：
△tm=φ×△t1mc=0.99×187.49=185.62℃
4.4管束相關(guān)參數(shù)
管子的排列方式常用的有：同心圓排列、等邊三角形、正方形排列。
對(duì)于管子的排列方法我們最終選用：等邊三角形排列
查得GB151-2014標(biāo)準(zhǔn)，查得標(biāo)準(zhǔn)管的中心距為32mm，用作分程的隔板槽的處管心距為44mm
平行于流向的管距：
sp=S×cos30°=32×cos30°=27.71mm
垂直于流向的管距：
sn=S×sin30°=32×sin30°=16mm
由作草圖結(jié)果所得數(shù)據(jù)如下：
等邊三角形排列,層數(shù)a為6層；管束中心距最外層管中心距離d2為0.19m；中間排管數(shù)an為：13
4.5殼體內(nèi)徑的確定
因?yàn)槲覀儾捎玫氖堑冗吶切闻帕?管程數(shù)為：2,管板利用率的范圍為：（0.7～0.85），所以取管板利用率為:η=0.75
殼體內(nèi)徑值的計(jì)算:
換熱管總根數(shù)為：
Ds=1.05×S1000×ntη=1.05×321000×1200.75=0.43m
取殼體內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)值：Ds=0.45m
長(zhǎng)徑比為:
lDs=lDs=4.50.45=10
設(shè)計(jì)合理
4.6折流板
折流板形式選擇，本換熱器選用弓形,流體流動(dòng)的死角較小，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，便于清洗。
折流板缺口高度為：
h=0.25×Ds=0.25×0.45=0.11m
折流板的圓心角：120℃；算得折流板的間距范圍為：(0.09～0.45)m
在此范圍內(nèi)定折流板的間距，選取折流板的間距為0.3m,取折流板的數(shù)目為12塊,則兩端折流板與管板間距離為：484mm。算得折流板上管孔數(shù)為116個(gè)；折流板上管孔的直徑，由GB151-2014，查得直徑為：25.5mm；根據(jù)折流板上管子數(shù)為112根；折流板缺口處管數(shù)為36根；折流板的直徑，Db根據(jù)GB151-2017規(guī)定，得Db=446.5mm；
4.7拉桿
當(dāng)10≤d＜14時(shí)，拉桿直徑為10；
當(dāng)14≤d＜25時(shí)，拉桿直徑為12；
當(dāng)25≤d＜57時(shí)，拉桿直徑為16；
因，換熱管直徑為：do=25mm,所以拉桿直徑dn為16mm
一臺(tái)拉桿數(shù)為：4根
4.8接管
1.殼程的流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)部流速為u1=1m/s,則接管內(nèi)徑計(jì)算值為：
可取殼程接管直徑標(biāo)準(zhǔn)值為：250mmm
2.管程的流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)部流速為u2=2m/s,則接管內(nèi)徑計(jì)算值為：
D2=4×M2ρi×π×u2=4×18.55991×3.14×2=0.11m
可取管程接管直徑標(biāo)準(zhǔn)值125mm
5熱量核算
5.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
傳熱管按等邊三角形排列,則其當(dāng)量直徑得：
de=4×32×S10002-π4×do10002π×do1000=4×32×3210002-3.144×25100023.14×251000=0.02m
殼程流通截面積：
As=ls×Ds×1-do1000S1000=0.3×0.45×1-251000321000=0.02953m2
殼程流體最小流速：
u1=M1ρoAs=378210.02953=1.52614ms
雷諾數(shù)：
Re1=di1000×u1×ρoμ1=201000×1.52614×8210.0011=22781.11
普朗特?cái)?shù)為:
Pr1=μ1×1000×cp1λ1=0.0011×1000×2.40.13=20.31
黏度校正項(xiàng)：(η/ηw)^0.14≈0.95
采用弓形折流板，殼側(cè)表面換熱系數(shù)為：
5.2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
管程流通截面積：
Ai=π4×di10002×nt2=3.144×2010002×1202=0.01884m2
管程流體最小流速：
u2=M2ρiAi=18.559910.01884=0.99ms
雷諾數(shù)：
Re2=di1000×u2×ρiμ2=201000×0.99×9910.000622=31546.3
普朗特?cái)?shù)為:
Pr2=μ2×1000×cp2λ2=0.000622×1000×4.170.64=4.05272
黏度校正項(xiàng)：(η/ηw)^0.14≈0.95
管側(cè)表面換熱系數(shù)：
α2=0.023×λ2de×Re20.8×Pr20.4×μμw-0.14=0.023×0.640.02×31546.30.8×4.052720.4×0.95=4862.49Wm2·℃
5.3污垢熱阻和管壁熱阻
1.污垢熱阻
查相關(guān)資料冷流體水的污垢熱阻：rs2=0.000528(m^2·℃)/W；
熱流體潤(rùn)滑油的污垢熱阻：rs1=0.000176(m^2·℃)/W
2.管壁熱阻
不銹鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為16.28。Rw=bλw=0.002516.28=0.000154m2·℃W
式中： b--傳熱管的壁厚，mm
λw--熱導(dǎo)率，W/m·℃
5.4傳熱系數(shù)
管子的平均直徑為：
dm=do1000-di1000Lndo1000di1000=251000-201000Ln251000201000=0.02mm
總傳熱系數(shù)為：
K=11α2+rs1+Rw×do1000dm+rs2×do1000di1000+do1000α2×di1000=111511.85+0.000176+0.000154×2510000.02+0.000528×251000201000+2510004862.49×201000=513.61Wm2·℃
5.5壁溫核算
由于工作條件是高溫高壓，與氣溫相差大。因此進(jìn)出口溫度可以取原來的操作溫度。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，使的傳熱管壁溫降低，從而降低的了傳熱管與殼體之間的溫差。計(jì)算中按最不利因素考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零，來計(jì)算傳熱管壁溫。
則傳熱管的平均壁溫為：
tw1=Tmα2+tmα21α2+1α2=2264862.49+471511.8514862.49+11511.85=89.45℃
式中冷流體的平均溫度tm和熱流體的平均溫度Tm計(jì)算為：
tm=t1×0.4+t2×0.6=20×0.4+65×0.6=47℃
Tm=T1×0.4+T2×0.6=250×0.4+210×0.6=226℃
殼體壁溫，可近似取殼程流體的平均溫度，即：Tm=226℃
殼體壁溫與傳熱管壁溫之差：
?t=Tm-tw1=226-89.45=136.55℃
溫度相差較大，需用溫度補(bǔ)償器。
6 換熱器內(nèi)流體阻力（壓強(qiáng)降）核算
6.1管程流體阻力
管殼式換熱器管程阻力主要包括沿程阻力、回彎阻力、進(jìn)出口連接管阻力等三部分。
管內(nèi)摩擦系數(shù)查《熱交換器原理與設(shè)計(jì)（第五版）》（圖2.36）為fi=0.02
管程總阻力公式為：
△Pt=△Pi+△Pr+△PN×Ft×Zt×Ns
式中： ?Pt——管程總阻力；
?Pi——單程直管阻力；
?Pr——單程回彎阻力；
Ns ——?dú)こ虜?shù)，Ns=1Pa；
Np ——管程數(shù)Zt=2；
Ft ——管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù),與管子直徑有關(guān)，近似取:1.4Pa；
直管阻力為：
△Pi=fi×ldi1000×ρi×ω222=0.02×4.5201000×991×122=2229.75Pa
回彎阻力為：
△Pr=4×ρi×ω222=4×991×122=1982Pa
式中： ξ ——局部阻力系數(shù)，一般取3；
管程總阻力為：
△Pt=△Pi+△Pr+△PN×Ft×Zt×Ns=2229.75+1982+743.25×1.4×2×1=13874pa
管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。
6.2殼程流體阻力
由于殼程內(nèi)流體的流動(dòng)狀過于分復(fù)雜，同時(shí)計(jì)算殼程內(nèi)流體阻力的表達(dá)式也有很多。
選用埃索法計(jì)算殼程流體阻力。 阻力公式為：
△P′s=△Pbk+△Pwk×Fs×Ns
式中： ?P′s——?dú)こ炭傋枇Γ?
?Pbk——流體流過管束的阻力；
?Pwk——流體流過折流板缺口的阻力；
Ns ——?dú)こ虜?shù)；
Fs ——?dú)こ探Y(jié)構(gòu)校正系數(shù),與流體狀態(tài)有關(guān)，F(xiàn)s=1.15Pa
殼程流通截面積：
As=ls×Ds×1-do1000S1000=0.3×0.45×1-251000321000=0.02953m2
殼程流體最小流速：
u1=M1ρoAs=378210.02953=1.52614ms
流體流過管束的阻力為：
△Pbk=f×fk×ntc×Nb+1×ρo×u122=0.5×0.51×12.05×12+1×821×1.5261422=38192.00792Pa
式中： f ——管子排列形式對(duì)阻力的影響,f=0.5
fk——?dú)こ塘黧w摩擦因子；
fk=5×Re1-0.228=5×22781.11-0.228=0.51
ntc=1.1×nt0.5=1.1×1200.5=12.05
流體流過折流板缺口的阻力
△Pwk=Nb×3.5-2×lsDs×ρo×u12=12×3.5-2×0.30.45×821×1.526142=16288.49222Pa
殼程總阻力：
△P′s=△Pbk+△Pwk×Fs×Ns=38192.00792+16288.49222×1.15×1=62652.58Pa
通過上計(jì)算，都符合要求，設(shè)計(jì)合理。
7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
7.1確定換熱管的規(guī)格和長(zhǎng)度
對(duì)于換熱管我選用：
碳素?zé)o縫鋼管，外徑為25mm,厚度為2.5mm,長(zhǎng)度為4.5m，材料為不銹鋼。
7.2管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在確定管子在管板上的排列方式時(shí)，應(yīng)該考慮下列問題：
①要保證管板的強(qiáng)度，而且管子和管板之間的連接要堅(jiān)固和緊密。
②結(jié)構(gòu)要盡量緊湊，盡可能的減小管板和殼體的直徑。
③要使制造、安裝和維修簡(jiǎn)潔。
（1）管子在管板上的排列
管子在管板上排列采用等邊三角形排列。換熱管中心距S=32，分程隔板槽處管中心距l(xiāng)E=44。
（2）管板上換熱管的管孔設(shè)計(jì)
采用Ⅱ級(jí)管束，板管孔直徑查GB151-2014標(biāo)準(zhǔn)取25.3mm,允許偏差（+0.10，-0.10）。
（3）管孔表面粗糙度
換熱管與管板焊接粗糙度Ra不大于35μm。
（4）管板上布置拉桿孔直徑
拉桿與管板螺紋連接的拉桿螺紋結(jié)構(gòu)見如圖1，螺紋深度按下式確定。拉桿孔直徑d1=16+1.0mm，l2應(yīng)大于螺紋長(zhǎng)度La,取La+2；
式中： dn--為拉桿直徑，dn=16mm；
l2--為螺紋深度，mm；
La--為螺紋長(zhǎng)度，mm；
圖2 螺紋連接的拉桿孔
4）管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間的連接
法蘭設(shè)計(jì)：查JB-T4700～4707-2000 壓力容器法蘭，選取甲型平焊法蘭，材料為不銹鋼。選用管板兼法蘭
圖3 整體管板
表2
DN
D
D1
D2
D3
D4
D5
C
d2
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
bf
b
450
580
540
500
450
492
450
0
22
M20
24
28
44
墊片：查JB-T4700～4707-2000壓力容器法蘭，選取非金屬軟墊片。
圖4 非金屬軟墊片
表3尺寸
公稱直徑DN,mm
墊片D,mm
墊片d,mm
450
4 94
454
連接：管板與法蘭連接的結(jié)構(gòu)尺寸按JB4700～4703的規(guī)定。一般采用E型（管板通過金屬墊片將殼體法蘭、管箱法蘭組裝到一起。）方法。
圖5 管箱-e型
1. 管板的厚度
管板的制造成本在整體成本占有較高的比重，其計(jì)算過程比較復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)，算出來的的管板厚度往往會(huì)有很大差距。一般來說浮頭式的換熱器所受力較小，其管板厚度只需要滿足密封性。但對(duì)于脹接的管板，則需要考慮剛度的要求，因腐蝕產(chǎn)生壁厚增加，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和振動(dòng)等原因。管板的厚度，最終從《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》的相關(guān)表中選得厚度為：44mm。
2.換熱板與管板的連接
這個(gè)連接是設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要的問題。對(duì)于固定管板換熱器，要保證接頭密封良好，還需要接合處能承受必要的軸向力，避免管子從管板中脫落。
管子與管板主要的連接方式是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達(dá)到密封和壓緊的一種機(jī)械連接方法，如圖6所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的剛性將會(huì)下降，熱膨脹應(yīng)力增大，導(dǎo)致接頭松動(dòng)或脫落，發(fā)生泄漏。焊接通常認(rèn)為比脹接更可靠。對(duì)于碳鋼或低合金鋼，溫度在300℃以上，蠕變會(huì)造成脹接殘余應(yīng)力減小，所以一般采用焊接。
焊接接口接頭如圖7所示。圖7（a）的結(jié)構(gòu)是一種常用結(jié)構(gòu)；為了減少管口處的流體阻力或避免立式換熱器在管板上方液體的滯留，可采用圖7（b）的結(jié)構(gòu)；如果管子被熔化的金屬堵住，則可改成圖7（c）的結(jié)構(gòu)；圖7（d）的形式適用于容易發(fā)生熱裂紋的材料，但加工量較大。
圖6 圖7
?脹焊結(jié)合的方法對(duì)比單純的脹接、焊接方法有很多優(yōu)點(diǎn)，目前脹焊結(jié)合的方法也已得到比較廣泛的應(yīng)用。
3.容器法蘭（JB/T4700-4707-2000）
甲型平焊法蘭，材料為16Mn
圖8 凹凸密封面-法蘭
表4數(shù)據(jù)
DN
D
D1
D2
D3
D4
δ
d
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
450
580
540
505
495
492
40
22
M20
24
7.3殼體直徑的確定（查GB151-2014）
固定管板熱交換器，殼體采用不銹鋼。按照GB151的規(guī)定，確定了管子中心距后，便可以畫出管子排列的草圖。于是，可以確定布管限定圓的直徑DL為0.405m 殼體內(nèi)徑Ds為0.43m,取標(biāo)準(zhǔn)值0.45m。厚度取8mm。
7.4殼側(cè)流通截面積的確定及折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（查GB151-2014）
選弓形折流板，上下缺口型，缺口高度為0.11mm，板間距300mm，厚度為12mm，外徑為446.5mm，外徑允許偏差（-0.5-0），數(shù)量為12，經(jīng)計(jì)算滿足傳熱要求。
采用Ⅱ級(jí)管束，板管孔直徑查取25.3mm，誤差范圍（0，+0.40）。
換熱器的殼程大部分為單相清潔流體時(shí)，所以折流板缺口應(yīng)水平上下布置。液體中含有少量氣體的時(shí)候，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開一個(gè)通氣口，開 口高度為0.11mm。
圖9 折流板開口方式
7.5拉桿及定距管
材料采用Q235鋼，選用Φ16的拉桿，數(shù)量為4根，具體位置及裝配方式見裝配圖，一端與管板用螺紋連接，另一端用螺母固定在折流板上。定距管尺寸與換熱管一致，Φ25mm，300mm長(zhǎng)度的24個(gè)，484mm的8個(gè)
圖10 拉桿的連接尺寸
表5數(shù)據(jù)
拉桿直徑
拉桿螺紋公稱直徑
La
Lh
b
16
16
20
60
2
7.6保溫層
根據(jù)設(shè)計(jì)溫度選保溫材料為脲甲醛泡沫塑料，其物性參數(shù)如下：
表6保溫材料參數(shù)
密度（kg/m3）
導(dǎo)熱系數(shù)（kcal/m.h.℃）
吸水率（%）
抗壓強(qiáng)度（kg/m3）
試用溫度（℃）
13～20
0.0119～0.026
12
0.25～0.5
-190～+500
按照《設(shè)備及管道保溫設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，外表面的溫度大于50℃時(shí)，設(shè)備和管子需要設(shè)置保溫層。管道和圓筒設(shè)備外徑小于1020mm，按照?qǐng)A筒面計(jì)算保溫層厚度。
DoLnDoDs=A2×fn×λ×t×T-TsPi×S-2×λα
δ=Do-Ds×10002
式中： δ——保溫層厚度；
A2——常數(shù)，A2=0.002；
fn——熱價(jià)，元/10^6kj；
λ——保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，（kcal/m.h.℃）；
t——年行時(shí)間，h；
T——設(shè)備和管道的外表面溫度，℃
Ta——環(huán)境溫度，℃
Pi——保溫結(jié)構(gòu)單位造價(jià)，元/m3；
S——保溫工程投資貸款年分?jǐn)偮?S=(i×(1+i)^n)/((1+i)^n-1)%；
i——年利率，%；
n——計(jì)息年數(shù)，年；
α——保溫層外表面向大氣熱的放熱系數(shù)，kcal/m.h.℃；
Do——保溫層外徑，mm；
Ds——保溫層內(nèi)徑，mm；
DoLnDoDs=A2×fn×λ×t×T-TsPi×S-2×λα=0.002×3.6×0×8000×89.45-30863×0.24-2×011.63=0
保溫層外徑Do=510mm
δ=Do-Ds×10002=510-0.45×10002=30mm
7.7其他構(gòu)件
旁路擋板：材料為不銹鋼,厚度為12mm，寬度為25mm，長(zhǎng)157.3mm, 與折流板焊接牢固
41
8 其它零部件的選擇和布置
8.1 接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)查《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》
殼程接管外伸高度及管程接管外伸高度：
l≥h+hl+δ+15或查《熱交換器設(shè)計(jì)手冊(cè)》（錢頌文）表1.66
殼程接管外伸高度，當(dāng)DN=250，δ=0～50，l3=200
1.殼程接管的計(jì)算
如圖11為殼程接管的位置圖。殼程接管位置的最小尺寸可由下列公式計(jì)算：
L1≥dh/2+(b-4)+C,(不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管)
計(jì)算得L1≥274mm，取274mm
表7
名稱
公稱直徑DN
管子外徑A
法蘭外徑D
螺栓孔中心圓直徑K
螺栓孔直徑L
螺栓孔數(shù)量n（個(gè)）
螺栓Th
法蘭厚度C
法蘭內(nèi)徑B
殼程接管直徑
395
273
395
350
22
12
20
26
276.5
2.管程接管的計(jì)算
管程接管外伸高度，當(dāng)DN=125，δ =0～50，l4=200
如圖12管程接管的位置圖。管程接管位置的最小尺寸可由下列公式計(jì)算：
L2≥dh/2+hf+C,(不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管)
計(jì)算得L2≥203mm, 取L2 = 203mm
表8接管計(jì)算數(shù)據(jù)
名稱
公稱直徑DN
管子外徑A
法蘭外徑D
螺栓孔中心圓直徑K
螺栓孔直徑L
螺栓孔數(shù)量n（個(gè)）
螺栓Th
法蘭厚度C
法蘭內(nèi)徑B
管程接管直徑
250
139.7
250
210
18
8
16
22
143.5
圖11 排氣管法蘭
圖12 殼程接管位置
圖13 管程接管位置
3.接管開孔補(bǔ)強(qiáng)
(1)筒體厚度的確定
焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無損傷，故焊接系數(shù)為φ=1 筒體厚度計(jì)算為：
σ=Pc×Ds×10002×σt×φ-Pc=1.2×0.45×10002×122×1-1.2=2.22mm
式中： Pc——設(shè)計(jì)壓力，MPa
Di——?dú)んw厚度，mm
δ——計(jì)算厚度，mm
φ——焊接接頭系數(shù)
殼體厚度的負(fù)差值C1=1,在無特殊腐蝕條件下，腐蝕裕量C2≥1mm,取腐蝕裕量2。
設(shè)計(jì)厚度：
σd=σ+C2=2.22+2=4.22mm
名義厚度：
σn=σd+C1=4.22+1=5.22mm
考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要，名義厚度向上取整為8mm
有效厚度：
σe=σn-C1-C2=14-1-2=11mm
管箱厚度計(jì)算
選擇設(shè)計(jì)溫度為42.5℃,設(shè)計(jì)壓力為Pc=1.6MPa，焊縫系數(shù)φ=0.6，腐蝕裕度C2=2
計(jì)算厚度：
δ=Pc×Ds2×σt×φ-Pc=1.6×4502×122×0.6-1.6=4.97mm
設(shè)計(jì)厚度：
δd=δ+C2=4.97+2=6.97mm
名義厚度：
δn=δd+C1=6.97+1=7.97mm
圓整后名義厚度為5.4mm
有效厚度：
δd=δn-C1-C2=8-1-2=5mm
8.2殼程接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核
殼程接管的選用395×12mm的熱軋?zhí)妓劁摴?材料的許用應(yīng)力147MPa，取C2=0,C=1。采用等面積補(bǔ)償法校核。
C1=0.15×δnt=0.15×12=1.8
接管計(jì)算壁厚：
σt=Pc×D2×σt×φ-Pc=1.2×3952×147×1-1.2=1.62mm
接管有效壁厚：
σet=δnt-C2-C1=12-0-1.8=10.2mm
開孔直徑：
d=D+2×C=395+2×1=397mm
接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度：
B=2×d=2×397=794mm
接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：
h1=d×δnt=397×12=69.02mm
需要補(bǔ)強(qiáng)面積：
A=d×σ=397×2.22=881.34㎡
強(qiáng)度削弱系數(shù)：fr=0.5
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積：
A1=B-d×σe-σ=794-397×11-2.22=3485.66㎡
A2=2×h1×σet-σt×fr=2×69.02×10.2-1.62×0.5=592.19㎡
A=A1+A2=4077.85㎡≥881.34㎡
接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
8.3管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核
管箱接管的選用250×7mm的熱軋?zhí)妓劁摴?材料的許用應(yīng)力147MPa，取C2=0,C=1。采用等面積補(bǔ)償法校核。
C1=0.15×δnt=0.15×7=1.05
接管計(jì)算壁厚：
σt=Pc×D2×σt×φ-Pc=1.6×2502×147×1-1.6=1.37mm
接管有效壁厚：
σet=δnt-C2-C1=7-0-1.05=5.95mm
開孔直徑：
d=D+2×C=250+2×1=252mm
接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度：
B=2×d=2×252=504mm
接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：
h1=d×δnt=252×7=42mm
需要補(bǔ)強(qiáng)面積：
A=d×δ=252×4.97=1252.44㎡
強(qiáng)度削弱系數(shù)：fr=0.5
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積：
A1=B-d×δd-δ=504-252×11-4.97=1519.56㎡
A2=2×h1×σet-σt=2×42×5.95-1.37=384.72㎡
A=A1+A2=1904.28㎡≥1252.44㎡
接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
8.4管箱的設(shè)計(jì)
封頭（JB-T 25198-2010）:固定管板式熱交換器的兩端管箱可由封頭和管箱圓筒（短節(jié)）構(gòu)成。封頭的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù) JB-T 25198-2010（《壓力容器封頭》）[7]和GB150-2011(《壓力容器》)[2]的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)。選取選用材料為16Mn的EHA以內(nèi)經(jīng)為基準(zhǔn)橢圓形封頭。
圖14 橢圓形封頭EHA
公稱直徑為450mm，查得H=138mm，由D1/2*(H-hi)=2得，h=25.5mm，厚度取5.4mm。分程隔板材料為Q235鋼，厚度為6mm，寬度為444mm，長(zhǎng)為486.35mm, 一端為和封頭相同的橢圓，一端為平面，隔板槽深為6mm，寬為8mm,拐角處倒角為45°
8.5排氣管、排液管的選用和布置
臥式換熱器的排氣、排液口多采用圖10的結(jié)構(gòu)，設(shè)置的位置分別在殼體、管箱殼體的上部和底部。選用φ40×4.15，材料20號(hào)鋼無縫鋼管，外伸高度h=150mm。
8.6支座的選擇與布置（JB/T 4712-2007）
選用鞍式支座，材料為Q235鋼，公稱直徑為450mm
圖15 鞍式支座示意圖
安裝2個(gè)支座，均勻布置
鞍座之間的距離LB=（0.5～0.7）×L=3150m
表9
公稱直徑DN
鞍座高度h
底板l1
b1
δ1
腹板δ2
筋板l3
b2
δ3
墊板弧長(zhǎng)
b4,
δ4
e
l2
450
200
420
120
8
8
225
140
8
540
200
6
48
290
9 應(yīng)力計(jì)算
9.1熱交換器所受的應(yīng)力
壓力引起的軸向力：
F1=π4×ps×Ds2-n×do10002+π4×pt×di10002×n=3.144×1.2×0.452-60×2510002+3.144×1.6×2010002×60=0.19N
殼側(cè)截面積：
fs=π4×Ds+δn1000×22-Ds2=3.144×0.45+81000×22-0.452=0.01m2
管側(cè)截面積：
ft=π4×do10002-di10002×nt=3.144×2510002-2010002×120=0.0212m2
殼體的彈性模數(shù)：Es=190000MPa
管子的彈性模數(shù)：Et=190000MPa
殼體應(yīng)力：σsp=F1×Esfs×Es+ft×Et=0.19×1900000.01×190000+0.0212×190000=6.09MPa
管子應(yīng)力：σtp=F1×Etfs×Es+ft×Et=0.19×1900000.01×190000+0.0212×190000=6.09MPa
9.2溫差應(yīng)力
管的外壁溫度：tto=t-K×1α2+rs2×△tm=42.5-513.61×11511.85+0.000528×185.62=-70.9℃管的內(nèi)壁溫度：tti=tm1+K×1α2+rs1×△tm=230+513.61×14862.49+0.000176×185.62=266.39℃管子的平均溫度：tw=tto+tti2=-70.9+266.392=97.74℃
殼側(cè)熱流量：Qs=QηL×1-ηL=3480.960.98×1-0.98=71.04Kw
熱流密度：q=Qs2×π×Ds×4500=71.042×3.14×0.45×4500=0.005586223Kwm2
殼側(cè)內(nèi)壁溫：ts=t-q×1α2+rs1=42.5-0.005586223×11511.85+0.000176=42.5℃
所以：ts=42.5℃,tw=97.74℃
①管側(cè)的軸向力：
σts=ft×Es×Et×at×tw-t0-as×ts-t0Es×fs+Et×ft=0.0212×190000×190000×1.684E-06×97.74-25-1.654E-06×42.5-25190000×0.01+190000×0.0212=12.077436MPa
②殼側(cè)溫差產(chǎn)生的軸向力：
σtt=fs×Es×Et×at×tw-t0-as×ts-t0Es×fs+Et×ft=0.01×190000×190000×1.684E-06×97.74-25-1.654E-06×42.5-25190000×0.01+190000×0.0212=5.7MPa
管子的自由伸長(zhǎng)量：
δt=at×tw-t0×l=1.684E-06×97.74-25×4.5=0.00055m
殼體的自由伸長(zhǎng)量：
δs=as×ts-t0×l=1.654E-06×42.5-25×4.5=0.00013m
由于殼體膨脹量大于管子的膨脹量，故：
殼體的軸向合成力：
σs=σsp+σts=6.09+12.077436=18.17MPa
管子的軸向合成力：
σt=σtp-σtt=6.09-5.7=0.39MPa
9.3拉脫力
q=σs×π4×do10002-di10002π×do1000×h=18.17×3.144×2510002-20100023.14×251000×0.0025=16.35MPa
9.4許用應(yīng)拉脫力
q=0.5σtt=0.5×137=68.5MPa
σs=18.17MPa<σs=137MPa
σt=0.39MPa<σt=137MPa
q=16.35MPa
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