【正文】 理論上，=，實(shí)際上由于熱量損失，≠，通常熱負(fù)荷應(yīng)該取max（，）。； 故。 有效平均溫差的計(jì)算選取逆流流向，這是因?yàn)槟媪鞅炔⒘鞯膫鳠嵝矢?。其中為較小的溫度差，為較大的溫度差。 因?yàn)?，故采用對(duì)數(shù)平均溫度差，則℃。 按經(jīng)驗(yàn)值初選總傳熱系數(shù) 查表選得=180W/（㎡﹒℃）； 初算出所需的傳熱面積；考慮到所用傳熱計(jì)算式的準(zhǔn)確程度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使所選用的換熱器具有換熱面積留有裕度10%25%，故有，根據(jù)查選型手冊(cè)，可選換熱器的型式為：，且為達(dá)到所需換熱面積，應(yīng)采用三臺(tái)同類換熱器串聯(lián)。所選浮頭式換熱器的規(guī)格參數(shù)以及其工藝計(jì)算常用參數(shù)可參考表23與表24（附第二章后）。 總傳熱系數(shù)K的校驗(yàn)管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用關(guān)聯(lián)式計(jì)算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式如下： 式中：K——總傳熱系數(shù)，W/（㎡﹒K）； 、——分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W/（㎡﹒K）； 、——分別為管程和殼程的污垢熱阻，㎡K/w； 、——分別是傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； ——傳熱管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（㎡﹒K）； ——傳熱管壁厚，m。 其計(jì)算過(guò)程如下： ； ，可知流體處于過(guò)渡流狀態(tài)； ；當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)為過(guò)渡流的時(shí)候，對(duì)流傳熱系數(shù)可先按湍流的公式計(jì)算，然后把計(jì)算結(jié)果乘以校正系數(shù)，即可得到過(guò)渡流下的對(duì)流傳熱膜系數(shù)。先計(jì)算校正系數(shù)：；而湍流情況下的計(jì)算如下：由于，故原油為高黏度的流體，故應(yīng)用SiederTate關(guān)聯(lián)式： 工程上，當(dāng)液體被加熱時(shí)，取，當(dāng)液體被冷卻時(shí)，取，而管程流體原油是被加熱的，則有 W/（㎡﹒K）；故管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù)為： W/（㎡﹒K）； 殼程流體傳熱膜系數(shù)： 其計(jì)算過(guò)程如下：換熱器內(nèi)需裝弓形折流板，根據(jù)GB1511999可知，折流板最小的間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的1/5，且不小于，故根據(jù)浮頭式換熱器折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)，可取折流板間距。 因?yàn)闅んw選擇為卷制圓筒，根據(jù)GB1501999可知?dú)んw內(nèi)徑。管間流速是根據(jù)流體流過(guò)管間最大截面積計(jì)算：其中：——管外徑，即25㎜， ——為換熱管中心距，此時(shí)選擇換熱管在管板上的排列方式為正方形排列，因?yàn)檫@樣便于機(jī)械清洗，查GB1511999得。；；當(dāng)換熱管呈正方形排列時(shí)，其當(dāng)量直徑為；同時(shí)：； ；故可用Kern法求，即： ；與都已經(jīng)算出，而，，同時(shí)查鋼管壁熱導(dǎo)率為，則有故，合適。 校核平均溫差與平均溫差有關(guān)參數(shù)的計(jì)算如下： ；根據(jù)R、P值，查溫度校正系數(shù)圖可得溫度校正系數(shù)，因此有效平均溫度差為：℃ 。 校核換熱面積：實(shí)際傳熱面積：；校核：；為了保證換熱器的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于或等于15%25%，由上可知所選換熱器面積滿足要求。 壓力降的計(jì)算 流體流經(jīng)換熱器因流動(dòng)引起的壓力降，可按管程壓降和殼程壓降分別計(jì)算。 管程壓力降管程壓力降有三部分組成，可按下式進(jìn)行計(jì)算：其中：——流體流過(guò)直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； ——流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； ——流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，Pa； ——結(jié)構(gòu)校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)的管子，；對(duì)的管子，； ——管程數(shù)； ——串聯(lián)的殼程數(shù)。其中，、的計(jì)算式如下：；；；式中：——管內(nèi)流速，；——管內(nèi)徑，；——管長(zhǎng)，；——摩擦系數(shù)，無(wú)量綱，可由下式求取；——管內(nèi)流體密度。由于，在范圍內(nèi)，故可采用下面公式求?。? 所以 Mpa； Mpa； Mpa；；經(jīng)查，可知每臺(tái)換熱器合理的壓力降為Pa，由此可知上述壓力降符合要求。 殼程的壓力降 當(dāng)殼程裝上折流板后，流體在管外流動(dòng)為平行流和錯(cuò)流的耦合。盡管管束為直管，但流動(dòng)卻變得復(fù)雜化。由于制造安裝公差不可避免地存在間隙，因而會(huì)產(chǎn)生泄漏和旁流，而流體橫向沖刷換熱管引起的旋渦，也使流動(dòng)變得更加復(fù)雜。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，要準(zhǔn)確地分析影響這種復(fù)雜流動(dòng)的各種因素，精確地計(jì)算壓力降是相當(dāng)?shù)睦щy。 下面通過(guò)埃索法來(lái)計(jì)算： 式中：——流體橫過(guò)管束的壓力降，Pa； ——流體通過(guò)折流板缺口的壓力降，Pa； ——?dú)こ虊毫档慕Y(jié)垢修正系數(shù)，無(wú)因次，；。其中：；；式中：——管子排列方法對(duì)壓力降的修正系數(shù)，對(duì)三角形排列。對(duì)正方形排列，對(duì)轉(zhuǎn)置正方形排列； ——?dú)こ塘黧w摩擦系數(shù)，當(dāng)時(shí)，； ——橫過(guò)管束中心線的管子數(shù)，對(duì)三角形排列；對(duì)正方形排列； ——按殼程流通截面計(jì)算的流速，； ——折流板的數(shù)量。其中：；因此 ； ； ； ，取整為19。則有： Pa， Pa； ；可知此時(shí)的壓力降在合理范圍之類。 換熱器壁溫計(jì)算 換熱管壁溫計(jì)算符號(hào)說(shuō)明：——以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的總傳熱系數(shù)， W/（m℃）； ——污垢熱阻，㎡℃/w； ——分別為熱、冷流體的的平均溫度，℃； ——分別為熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃； ——分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃； ——流體的有效平均溫差，℃；——以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的給熱系數(shù)， W/（m℃）。熱流體側(cè)的壁溫： ；冷流體側(cè)的壁溫： ；所以 ℃。 圓筒壁溫的計(jì)算 由于圓筒外部有良好的保溫層，故殼體壁溫取殼程流體的平均溫度：℃。管程：原油殼程：油品 ℃=180W/（㎡﹒℃）W/（㎡﹒K）W/（㎡﹒K）W/（㎡﹒K）m2K/W m2K/WW/mKW/mK℃℃到此換熱器的工藝計(jì)算告一段落，其中工藝計(jì)算的主要目的是計(jì)算出其換熱面積，選出相應(yīng)的換熱器型式，因此，接下來(lái)應(yīng)該是進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度計(jì)算。表23與表24附于下面：表23 所選浮頭式換熱器規(guī)格DNPN管長(zhǎng)管程數(shù)換熱管規(guī)格計(jì)算傳熱面積㎡規(guī)格型號(hào)管程出入口公稱直徑，㎜殼程出入口公稱直徑，㎜設(shè)備凈 重充水水 重mmMpam㎏㎏6006415015043271980表24 工藝計(jì)算常用參數(shù)公稱直徑ＤＮ（mm）管程Ｎ中心排管數(shù)換熱管數(shù)管程平均通道面積（c㎡）弓形折流板缺口弓高（㎜）600410188148150第三章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 在確定換熱器的換熱面積后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，主要包括殼體和封頭的厚度計(jì)算、材料的選擇、管板厚度的計(jì)算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計(jì)算、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計(jì)算如下。 殼體與管箱厚度的確定 根據(jù)給定的流體的進(jìn)出口溫度，選擇設(shè)計(jì)溫度為400℃；。 殼體和管箱材料的選擇 由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇16MnR為殼體與管箱的材料。16MnR是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時(shí)采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。 圓筒殼體厚度的計(jì)算焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損探傷，故焊接系數(shù)；根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對(duì)16MnR鋼板其。假設(shè)材料的許用應(yīng)力Mpa（厚度為6～16mm時(shí)），殼體計(jì)算厚度按下式計(jì)算為：；設(shè)計(jì)厚度；名義厚度（其中為向上圓整量）；查其最小厚度為8mm，則此時(shí)厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適。 管箱厚度計(jì)算 管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；且由于前端管箱與后端管箱的形式不同，故此時(shí)將前端管箱和后端管箱的厚度計(jì)算分開(kāi)計(jì)算。 前端管箱厚度計(jì)算 前端管箱為橢圓形管箱，這是因?yàn)闄E圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。此時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故，且同上，則封頭計(jì)算厚度為：； 設(shè)計(jì)厚度；名義厚度（為向上圓整量）； 經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號(hào)參數(shù)如下：表31 DN600標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A(㎡)容積(m3) 封頭質(zhì)量（㎏）600175 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為10mm。 后端管箱厚度計(jì)算由于是浮頭式換熱器設(shè)計(jì)，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。外頭蓋的內(nèi)直徑為700mm，這可在“浮頭蓋計(jì)算”部分看到。選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故，且同上，則計(jì)算厚度為：；設(shè)計(jì)厚度；名義厚度（為向上圓整量）； 經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適。查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號(hào)參數(shù)如下：表32 DN700標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A(㎡)容積(m3) 封頭質(zhì)量（㎏）700200 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為10mm。 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 在該臺(tái)浮頭式換熱器上，殼程流體的進(jìn)出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進(jìn)入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開(kāi)孔。開(kāi)孔之后，出削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，會(huì)給換熱器的安全操作帶來(lái)隱患。因此此時(shí)應(yīng)進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。 由于管程與殼程出入口公稱直徑均為150mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為，接管的材料選為20號(hào)鋼。 殼體上開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別：①補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150表81，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是，本開(kāi)孔外徑為159mm，因此需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。②開(kāi)孔直徑，滿足等面積法開(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。 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算： 強(qiáng)度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算：； 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍①有效寬度B：②有效高度：（a）外側(cè)有效高度為：；（b）內(nèi)側(cè)有效高度為： ； 有效補(bǔ)強(qiáng)面積①殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度：則多余的金屬面積為：； ②接管多余金屬面積： 接管計(jì)算厚度：； 接管多余金屬面積：；③接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）：；④有效補(bǔ)強(qiáng)面積：； 另需補(bǔ)強(qiáng)面積； 擬采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)接管公稱直徑DN150，參照J(rèn)B/T47362002補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)選取補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑，內(nèi)徑（選用E型坡口）。因?yàn)?，則補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度為： ；考慮鋼板負(fù)偏差并經(jīng)圓整，取殼體和管箱上補(bǔ)強(qiáng)圈的名義厚度為6mm，即。 前端管箱開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別：①補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150表81，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是，本開(kāi)孔外徑為159mm，因此需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。②開(kāi)孔直徑，滿足等面積法開(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。 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算： 強(qiáng)度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算：； 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍①有效寬度：②有效高度：（a）外側(cè)有效高度為：；（b）內(nèi)側(cè)有效高度為： ； 有效補(bǔ)強(qiáng)面積①管箱多余金屬面積： 管箱有效厚度：則多余的金屬面積為