【文章內(nèi)容簡介】 0/25M2V220/25M2V220/25M2V220/25M2V220/25M2V220/25M2V220/25M2V220/25配用電機(KW)2345678充瓶壓力(MPa) 表3 各種型號溶解乙炔設備技術參數(shù)表根據(jù)物料衡算可知，所以選擇型號為NRY80的乙炔發(fā)生器。 換熱器的選型與設計本設計從生產(chǎn)實際出發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)能力的需求，選擇合適的換熱器類型，然后根據(jù)具體生產(chǎn)工況，按相關設計規(guī)范，進行基于整體結構的工藝設計，再對相關輔助部件進行機械設計，最終設計出一臺滿足要求的換熱器。浮頭式換熱器[11]是管殼式換熱器系列中的一種，它的特點是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗。 確定設計方案 兩流體溫度變化情況：熱流體是乙炔， oC，出口溫度40oC；冷流體（循環(huán)水）進口溫度30 oC。 定性溫度和物性參數(shù)計算水的定性溫度： 水的密度：ρ2=水的比熱：Cp2=℃水的導熱系數(shù)：k2=℃ 水的粘度：μ2=106 Pas水的普朗特數(shù)：Pr2=乙炔的定性溫度： 乙炔密度：ρ1= kg/m3乙炔比熱：Cp1= kJ/kg℃乙炔導熱系數(shù)：k1= W/m℃乙炔粘度：μ1=104 Pas乙炔普朗特數(shù)：Pr1= 核算換熱器傳熱面積 有效平均溫差計算 由于逆流的傳熱效果比并流好，故在此選用逆流操作 逆流平均溫差參數(shù)R: 參數(shù)P： 查GB151圖F2（b）[12],可得溫差校正系數(shù)： ，則有效平均溫差在此溫度下水的密度為：水的比熱容：Cp2=℃由于溫差校正系數(shù)，同時殼程流體流量亦較大，故取單殼程較合適。 查相關資料取總傳熱系數(shù) 計算熱負荷 乙炔氣計算，即 式中：m1——乙炔的流量，m3/h； CP1——乙炔的比熱，kJ/kg℃； T1——乙炔進口溫度，℃； T2——乙炔出口溫度，℃； 計算冷卻用水量 忽略熱損失，則水的用量為 kg/s=kg/h式中：m2——水的質(zhì)量流量，kg/h； CP2——水的比熱，kJ/kg℃； T1——水進口溫度，℃； T2——水出口溫度，℃； 估算傳熱面積 m2式中：K——總傳熱系數(shù)，W/(m2℃)； tm——有效平均溫差，℃； Q——熱負荷，kw；考慮15%的面積裕度， m2 工藝結構尺寸 管徑和管內(nèi)流速 對一定的傳熱面積而言，傳熱管徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。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