【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。由已知設計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；按單管程設計，傳熱管過長，根據(jù)本設計實際情況，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列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：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行機械清洗。，根據(jù)換熱管外徑查管殼式換熱器設計手冊GB151表12[12]可得換熱管中心距S=25mm；分程隔板槽兩側相鄰管中心距。 殼體內(nèi)徑 采用二管程結構，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)，同時減少結垢。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。管子正方形排列時當量直徑 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 式中計算得 （4）傳熱面積 %的裕量。 換熱器的機械設計計算 換熱流程設計采用1殼程2管程的換熱器。由于換熱器尺寸較大，可以用一臺，未考慮采用多臺組合使用。管程分程隔板采用十字型結構，其主要優(yōu)點是布管緊密。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度外，當采用脹管法固定時，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，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)設計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力，已知殼程設計溫度為415℃，根據(jù)碳鋼板許用應力，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液壓試驗對于內(nèi)壓容器，耐壓試驗的的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。水壓試驗壓力 MPa式中 耐壓試驗壓力，MPa； 壓力容器的設計壓力，MPa ； 耐壓試驗壓力系數(shù)；對于鋼和有色金屬，液壓試驗時。壓力 試驗允許通過的應力水平 [s]T163。 ss =試驗壓力下圓筒的應力sT = = 由于sT163。 [s]T，所以所設計殼體滿足條件。， 前端管箱筒體計算（1）由給定條件知、管程的設計壓力MPa；焊接接頭系數(shù)；設計溫度；腐蝕裕量。在此筒體的材料選擇Q345R設計溫度需用應力MPa，鋼板負偏差，腐蝕余量。筒體簡圖如下：圖2 筒體簡圖 計算厚度可知筒體內(nèi)徑mm查《化工壓力容器設計——方法、問題和要點》時浮頭式換熱器筒體的名義厚度mm所以有效厚度（2）液壓實驗對于內(nèi)壓容器，耐壓試驗的的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。 實驗壓力值MPa 壓力試驗下允許通過的應力水平 MPa 實驗壓力下圓筒的應力 MPa校核 所以符合要求。（3）壓力和應力計算 筒體的最大允許工作壓力 MPa 筒體設計溫度下的計算應力 MPa MPa 校核 所以滿足要求。 前端管箱封頭的設計計算 前端封頭采用標準橢圓封頭原因如下： 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準橢圓封頭最合理。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、低壓容器中應用較多的封頭之一。在此選擇標準橢圓形封頭。 已知條件：計算壓力 MPa，內(nèi)徑1000毫米，板材Q345R. 設計溫度許用應力163MPa 標準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 浮頭設計計算根據(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)表序號項目單位數(shù)值序號項目單位數(shù)值1mm85布管限定圓直徑931mm2mm56封頭球面內(nèi)半徑Rt 800mm3mm2074mm8 管板的設計計算管板是管殼式換熱器的主要部件。管板的設計是否合理對確保換熱器的安全運行、節(jié)約金屬材料，降低制造成本是至關重要的。由于管板受力情況復雜，影響管板強度因素很多，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，因此正確地進行管板分析是比較復雜的。在不同的假定下，可得到各種不同計算方法各計算結果，在此采用GB151標準[12]中管板計算方法來設計計算管板。（1） 結構如圖所示，圖5 管板簡圖對于正方形排列，布管簡圖如圖6。圖6 布管簡圖本設計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。結構如GB1511999圖18 a[12]型管板所示。在布管區(qū)內(nèi)，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，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； 隔板槽兩側相鄰管中心距，mm； 沿隔板槽一側的排管根數(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《管殼式熱交換器設計手冊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《管殼式熱交換器設計手冊GB151》[12]表33取。則 接管計算由于各種工藝和結構上的要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管。開孔以后，除削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結構的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設計必須充分考慮開孔的補強問題。接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；對于不能利用接管（或接口）進行放氣和排液的換熱器，就在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm；立式換熱器可設置溢流口。 接管直徑計算：殼程流體進出口接管：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 其他結構選擇 （1）換熱器支座選擇和設計 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 在本換熱器設計過程中，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構：臥式設備一般采用兩個鞍座。這是因為基礎水平高度有可能不一致，如果使用多個支座，將會造成支座反力分布不均勻，從而引起設備的局部應力增大，因此采用兩個支座。采用雙支座時，一個鞍座為固定支座，地腳螺栓為圓孔；另一個鞍座為活動支座，地腳螺栓為長圓孔，配合兩個螺母，第一個螺母擰緊后，倒退一圈，然后再用第二個螺母鎖緊。這樣，可以使設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，雙鞍座臥式容器可近似看成支承在兩個鉸支點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準，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，雙鞍座臥式容器可近似看成支承在兩個鉸支點上受均布載荷的外伸簡支梁。在此次設計中我們對注滿水時的靜重情況進行校核計算。根據(jù)GB150鋼制壓力容器鞍座設計標準、公稱直徑為1000mm的容器、其鞍座的尺寸結構見表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 鞍座的尺寸結構（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。法蘭應該是個組件，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、目前最新的標準為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計的換熱器公稱直徑為1000mm，,參考設計標準應當選擇對焊法蘭。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構形式分類。 ?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構形式進行劃分。本設計采用對焊法蘭。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，不能只按標準選取。?接管法蘭 管箱接管采用平頸對焊法蘭。（3）防沖與導流 管程設置防沖板的條件當管程采用軸向入口接管或換熱管內(nèi)流體流速超過時，應設置防沖板，以減少流體不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。因為本設計管內(nèi)水流速為，所以不需要設計防沖擋板。 換熱器主要工藝結構參數(shù)和計算結果一覽表表7 換熱器主要工藝結構參數(shù)和計算結果一覽表參數(shù)管程殼程流率/（kg/h)溫度(進/出）℃30/38物性參數(shù)定性溫度/℃ 密度/(kg