【文章內(nèi)容簡介】 對清潔的流體，管徑可取小些，而對黏度較大或易結(jié)垢的流體，考慮管束的清洗方便或避免管子堵塞，管徑可取大些。由已知設(shè)計(jì)條件知冷卻水走管程，乙炔走殼程，故可取較小的管徑。在此選取的無縫鋼管Φ192mm作為換熱管。取管內(nèi)水的流速u=1m/s。 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)ns 式中：V——水的體積流量，m3/h； di——換熱管的內(nèi)徑，mm； ui——水在換熱管中的流速，m/s；按單程計(jì)算所需換熱管的長度L m式中：S——換熱管傳熱面積，m2； ns——單程傳熱管數(shù)； d0——換熱管外徑，mm；按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，取傳熱管長m，則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管的總根數(shù) 管排列方式 換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯(cuò)列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點(diǎn)：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯(cuò)列：可以提高給熱系數(shù)。 各種排管方式簡圖見圖1。圖1 排管方式簡圖 在此，選擇正方形排列，主要是考慮這種排列便于進(jìn)行機(jī)械清洗。，根據(jù)換熱管外徑查管殼式換熱器設(shè)計(jì)手冊GB151表12[12]可得換熱管中心距S=25mm；分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距。 殼體內(nèi)徑 采用二管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑： mm 圓整取D=1000mm 折流板的選擇常用的折流板和支撐板有弓形和圓盤兩種。弓形折流板又可以分為單弓形、雙弓形、三弓形。這里選用單弓形。折流板的作用是可以提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)垢。常用的折流板形式有弓形和圓盤圓環(huán)形兩種，在這里選用弓形折流板。取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=1000=250mm,取h=250mm。在這里取折流板間距mm則折流板數(shù)量： 校核總換熱系數(shù) （1）管程對流傳熱系數(shù) 式中——管子的內(nèi)徑，m；管程雷諾數(shù) 管程普朗特準(zhǔn)數(shù) 故管程對流傳熱系數(shù)： （2）殼程對流傳熱系數(shù)殼程流通截面積m2式中h——折流擋板間距，m； t——管中心距，mm。管子正方形排列時(shí)當(dāng)量直徑 式中t——相鄰兩管中心距，m； ——管外徑，m。所以 乙炔被冷卻，取= （3）總傳熱熱阻 式中計(jì)算得 （4）傳熱面積 %的裕量。 換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算 換熱流程設(shè)計(jì)采用1殼程2管程的換熱器。由于換熱器尺寸較大，可以用一臺(tái)，未考慮采用多臺(tái)組合使用。管程分程隔板采用十字型結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是布管緊密。殼體分程采用縱向隔板。 管子和傳熱面積換熱管除要求具有足夠的強(qiáng)度外，當(dāng)采用脹管法固定時(shí)，還要求管子有良好的塑性，避免因脹接而產(chǎn)生裂縫。焊接固定時(shí)，要求管子可焊性好，一般采用優(yōu)質(zhì)碳鋼，以保證管子質(zhì)量，一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用10號鋼和20號鋼管，在強(qiáng)腐蝕性流體的情況下，可采用不銹鋼（189）、鋼、鋁等無縫管石墨管、聚四氟乙炔管等。由于水、油腐蝕性不大，故可采用碳鋼，現(xiàn)選擇20號鋼的無縫鋼管。根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用的無縫鋼管，管子總數(shù)為630根。其傳熱面積為： m2 殼體殼體材料除要滿足一定的強(qiáng)度外，由于制造過程中經(jīng)過卷板、沖壓和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量較低的Q345R、等，現(xiàn)選用鋼。殼體內(nèi)徑Ds=1000mm 殼體壁厚： 為殼體工作溫度下的許用應(yīng)力，已知?dú)こ淘O(shè)計(jì)溫度為415℃，根據(jù)碳鋼板許用應(yīng)力，查表得=；為焊縫系數(shù)，取=1；，p1為工作壓力，p1=；c=3mm；D為殼體內(nèi)徑mm； mm液壓試驗(yàn)對于內(nèi)壓容器，耐壓試驗(yàn)的的目的是：在超設(shè)計(jì)壓力下，考核缺陷是否會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。水壓試驗(yàn)壓力 MPa式中 耐壓試驗(yàn)壓力，MPa； 壓力容器的設(shè)計(jì)壓力，MPa ； 耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)；對于鋼和有色金屬，液壓試驗(yàn)時(shí)。壓力 試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平 [s]T163。 ss =試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力sT = = 由于sT163。 [s]T，所以所設(shè)計(jì)殼體滿足條件。， 前端管箱筒體計(jì)算（1）由給定條件知、管程的設(shè)計(jì)壓力MPa；焊接接頭系數(shù)；設(shè)計(jì)溫度；腐蝕裕量。在此筒體的材料選擇Q345R設(shè)計(jì)溫度需用應(yīng)力MPa，鋼板負(fù)偏差，腐蝕余量。筒體簡圖如下：圖2 筒體簡圖 計(jì)算厚度可知筒體內(nèi)徑mm查《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》時(shí)浮頭式換熱器筒體的名義厚度mm所以有效厚度（2）液壓實(shí)驗(yàn)對于內(nèi)壓容器，耐壓試驗(yàn)的的目的是：在超設(shè)計(jì)壓力下，考核缺陷是否會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。 實(shí)驗(yàn)壓力值MPa 壓力試驗(yàn)下允許通過的應(yīng)力水平 MPa 實(shí)驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 MPa校核 所以符合要求。（3）壓力和應(yīng)力計(jì)算 筒體的最大允許工作壓力 MPa 筒體設(shè)計(jì)溫度下的計(jì)算應(yīng)力 MPa MPa 校核 所以滿足要求。 前端管箱封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算 前端封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭原因如下： 根據(jù)工藝條件的要求、和制作的難易程度和材料的消耗情況采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭最合理。橢圓封頭簡圖如下。圖3 橢圓封頭簡圖 橢圓形封頭是由半個(gè)橢球面和短圓筒組成。直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)徑向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由于封頭的橢球部分經(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的多，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。在此選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。 已知條件：計(jì)算壓力 MPa，內(nèi)徑1000毫米，板材Q345R. 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力163MPa 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的形狀系數(shù)公式：K 求封頭的曲面高度 mm 則封頭的計(jì)算厚度 mm 封頭的有效厚度 mm 允許最大工作壓力 MPa 比較可知:合格 浮頭設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)GB1511999《管殼式換熱器》[12]選用鉤圈式浮頭，浮頭端蓋選用球冠形封頭，根據(jù)換熱器筒體內(nèi)徑mm查GB1511999《管殼式換熱器》表46[8]可得封頭球面內(nèi)半徑mm浮頭簡圖如下。圖4 浮頭簡圖 布管限定圓直徑 mm 浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)直徑 浮頭法蘭和鉤圈的外直徑 外頭蓋內(nèi)直徑 浮動(dòng)管板外徑 選擇所用參數(shù)，繪制如下表格。表4 布管限定圓參數(shù)表序號項(xiàng)目單位數(shù)值序號項(xiàng)目單位數(shù)值1mm85布管限定圓直徑931mm2mm56封頭球面內(nèi)半徑Rt 800mm3mm2074mm8 管板的設(shè)計(jì)計(jì)算管板是管殼式換熱器的主要部件。管板的設(shè)計(jì)是否合理對確保換熱器的安全運(yùn)行、節(jié)約金屬材料，降低制造成本是至關(guān)重要的。由于管板受力情況復(fù)雜，影響管板強(qiáng)度因素很多，有管內(nèi)、外壓力，溫度產(chǎn)生的力，法蘭力矩和換熱管的支撐力等影響，因此正確地進(jìn)行管板分析是比較復(fù)雜的。在不同的假定下，可得到各種不同計(jì)算方法各計(jì)算結(jié)果，在此采用GB151標(biāo)準(zhǔn)[12]中管板計(jì)算方法來設(shè)計(jì)計(jì)算管板。（1） 結(jié)構(gòu)如圖所示，圖5 管板簡圖對于正方形排列，布管簡圖如圖6。圖6 布管簡圖本設(shè)計(jì)選擇不帶法蘭的管板，管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。結(jié)構(gòu)如GB1511999圖18 a[12]型管板所示。在布管區(qū)內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積。對于正方形排列 式中：換熱管中心距，mm； 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm； 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)。 取 則 換熱管正方形排列的浮頭式換熱器，管板布管區(qū)的面積為: 換熱管根數(shù)，根。 管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積為： 一根換熱管管壁金屬橫截面積為： 式中換熱管壁厚，mm。 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 換熱管的有效長度為： 式中換熱管長，mm；管板的名義厚度，mm；換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，mm；根據(jù)換熱管外徑查《管殼式熱交換器設(shè)計(jì)手冊GB151》[12]知管板最小厚度，在這里取。在這里換熱管和管板的連接方式選擇焊接，參考《管殼式熱交換器設(shè)計(jì)手冊GB151》[12]表33取。則 接管計(jì)算由于各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管。開孔以后，除削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設(shè)計(jì)必須充分考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；對于不能利用接管（或接口）進(jìn)行放氣和排液的換熱器，就在管程和殼程的最高點(diǎn)設(shè)置放氣口，最低點(diǎn)設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為20mm；立式換熱器可設(shè)置溢流口。 接管直徑計(jì)算：殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)變換氣流速為u=10m/s,則接管內(nèi)徑為 查GB/T173952008取管子管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u= m/s,則接管內(nèi)徑為 查GB/T173952008取管子 其他結(jié)構(gòu)選擇 （1）換熱器支座選擇和設(shè)計(jì) 鞍式支座如圖7所示。鞍式支座在換熱器上的布置，因，取。圖7 鞍式支座圖 在本換熱器設(shè)計(jì)過程中，令且令 查JB/[13]，在、120o包角重型帶墊板或不帶墊板鞍式支座結(jié)構(gòu)：臥式設(shè)備一般采用兩個(gè)鞍座。這是因?yàn)榛A(chǔ)水平高度有可能不一致，如果使用多個(gè)支座，將會(huì)造成支座反力分布不均勻，從而引起設(shè)備的局部應(yīng)力增大，因此采用兩個(gè)支座。采用雙支座時(shí)，一個(gè)鞍座為固定支座，地腳螺栓為圓孔；另一個(gè)鞍座為活動(dòng)支座，地腳螺栓為長圓孔，配合兩個(gè)螺母，第一個(gè)螺母擰緊后，倒退一圈，然后再用第二個(gè)螺母鎖緊。這樣，可以使設(shè)備在溫度變化是自由伸縮。如圖所示：圖8 鞍式支座JB/,鞍座BI 600S 材料Q345R 置于對稱分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。容器受重力作用時(shí)，雙鞍座臥式容器可近似看成支承在兩個(gè)鉸支點(diǎn)上受均布載荷的外伸簡支梁支座的安放位置也有一定的標(biāo)準(zhǔn)，一般支座與殼體端面的距離A，L為殼體的長度。置于對稱分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。容器受重力作用時(shí)，雙鞍座臥式容器可近似看成支承在兩個(gè)鉸支點(diǎn)上受均布載荷的外伸簡支梁。在此次設(shè)計(jì)中我們對注滿水時(shí)的靜重情況進(jìn)行校核計(jì)算。根據(jù)GB150鋼制壓力容器鞍座設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、公稱直徑為1000mm的容器、其鞍座的尺寸結(jié)構(gòu)見表5。公稱直徑DN允許載荷QKN鞍座高度h底 板腹板筋 板墊 板螺栓間距鞍座質(zhì)量kg增加100mm高度增加的質(zhì)量,kg弧長e帶墊板100030720076017012817018081180270840600579表5 鞍座的尺寸結(jié)構(gòu)（2） 法蘭選擇壓力容器法蘭是壓力容器的常用部件，是連接壓力容器部件的基本元件。法蘭應(yīng)該是個(gè)組件，包括法蘭墊片和連接螺栓或螺柱以及螺母。其作用是使不同的受壓元件組合在一起，同時(shí)保證連接部位不產(chǎn)生泄露。我國的壓力容器法蘭自成體系、目前最新的標(biāo)準(zhǔn)為JB/T470047072000壓力容器法蘭[14]。下表為壓力容器法蘭分類表。表6 壓力容器法蘭分類表本次設(shè)計(jì)的換熱器公稱直徑為1000mm，,參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)選擇對焊法蘭。壓力容器的法蘭分類種類很多。按法蘭的材料可分為：鋼制法蘭、有色金屬法蘭。其他還有按制造工藝分類和按結(jié)構(gòu)形式分類。 ?殼體法蘭 我國壓力容器行業(yè)，壓力容器法蘭分類主要按結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行劃分。本設(shè)計(jì)采用對焊法蘭。殼體接管采用平頸對焊法蘭，由于管箱、殼體、浮頭箱直徑都不一樣，因此在選用法蘭時(shí)，不能只按標(biāo)準(zhǔn)選取。?接管法蘭 管箱接管采用平頸對焊法蘭。（3）防沖與導(dǎo)流 管程設(shè)置防沖板的條件當(dāng)管程采用軸向入口接管或換熱管內(nèi)流體流速超過時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)管內(nèi)水流速為，所以不需要設(shè)計(jì)防沖擋板。 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果一覽表表7 換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程流率/（kg/h)溫度(進(jìn)/出）℃30/38物性參數(shù)定性溫度/℃ 密度/(kg