【導(dǎo)讀】板厚度計算、換熱器厚度及內(nèi)經(jīng)、管束振動、管殼式換熱器零部件結(jié)構(gòu)等等。，內(nèi)容正確，條理分明。這篇論文主要介紹的是換熱器機(jī)械計算等相關(guān)的設(shè)計過程。學(xué)過的書本知識及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對換熱器的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。換熱器是目前許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。徑最小，管程分程較方便。節(jié)或波紋管等補(bǔ)償元件以減小溫差應(yīng)力。我設(shè)計的換熱器內(nèi)部以換熱管和折流板。換熱器由筒體、管箱、封。頭、支座、換熱管、折流板、管板及接管、法蘭等組成。備的制造成本，實(shí)現(xiàn)化工單元操作的最佳化。

　　

【正文】 的管數(shù) ? ? 4 ???? Nn c 布管限定圓 布管限定圓為管束的最外層換熱管中心圓直徑，固定管板式換熱器的布管限定圓如下可得： dm=Di2b3=60028=584 mm 式子中， Di——筒體內(nèi)直徑， mm 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 b3——大 小為 ，且大于 8mm 分程隔板 分程隔板尺寸 經(jīng)查表，分程隔板的尺寸如下表： 表 47 分隔板尺寸 公稱直徑 DN/mm 隔板最小厚度 ? /mm 碳素鋼 600 8 管子和分程隔板的連接 分程隔板有單層和雙層兩種，單層隔板與管板的密封結(jié)構(gòu)如圖 46 所示，隔板的密封面寬度最小為（ S+2） mm。隔板材料與封頭材料相同。雙層隔板的結(jié)構(gòu)見圖 47，雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。 拉桿 拉桿的直徑與數(shù)量 各種換熱器的直徑和拉桿數(shù)，可參見下表選用。 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 表 48 拉桿直徑和拉桿數(shù) 殼體直徑 /mm 拉桿直徑 /mm 最少拉桿數(shù) 殼體直徑 /mm 拉桿直徑 /mm 最少拉桿數(shù) 200～ 250 10 4 1100 12 8 273， 400， 500， 600 12 4 ＞ 1250 12 10 800， 1000 12 6 經(jīng)查表易得，拉桿數(shù)為為 4，直徑為 12 連接與尺寸 拉桿示意圖如下所示： 經(jīng)查表，拉桿尺寸如下： 表 49 拉桿尺寸 拉桿公稱直徑 nd /mm 數(shù)量 基本尺寸 拉桿直徑 d/mm aL /mm bL /mm b /mm 12 4 12 15 ≧ 50 拉桿孔示意圖如下所示： 12nd mm? , 2 12 18nl d m m? ? ? ? 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 換熱管與管板的連接 管子與管板的連接是管殼式換 熱器制造中最主要的問題。對于固定管板換熱器，除要求連接處保證良好的密封性外，還要求接合處能承受一定的軸向力，避免管子從管板中拉脫。 管子與管板的連接方法主要是脹接和焊接。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 410 所示。當(dāng)溫度升高時，材料的剛性下降，熱膨脹應(yīng)力增大，可能引起接頭的脫落或松動，發(fā)生泄露。一般認(rèn)為焊接比脹接更能保證嚴(yán)密性。對于碳鋼或低合金鋼，溫度在 300℃ 以上，蠕變會造成脹接殘余應(yīng)力減小，一般采用焊接。 焊接接口的形式見圖 411。圖 411（ a）的結(jié)構(gòu)是常用的一種；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滯留的液體，可采用圖 411（ b）的結(jié)構(gòu)；為了不使小直徑管子被熔融的金屬堵住管口，則可改成圖 411（ c）的結(jié)構(gòu)；圖 411（ d）的形式適用于易產(chǎn)生熱裂紋的材料，但加工量大。 脹接和焊接方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在有些情況下，如對高溫高壓換熱器，管子與管板的連接處，在操作時受到反復(fù)熱變形、熱沖擊、腐蝕與流體壓力的作用，很容易遭到破壞，僅單獨(dú)采用脹接或焊接都難以解決問題，如果采用脹焊結(jié)合的方法，不僅能提高畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 連接處的抗疲勞性能，還可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。目前脹 焊結(jié)合的方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。 換熱管規(guī)格 外徑 ? 壁厚 /mm 換熱管最小伸出長度 最小坡口深度 3l /mm 1l /mm 25? 2 . 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖 (BI型 ) 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇 因?yàn)樗?u≤ ，煤油流量 222 ./2 2 3 01 2 8 smkgV ????? ,所以管程和殼程都不設(shè)防沖板或?qū)Я魍病? 管壁溫度的估算 由于管壁熱阻一般可以忽略，故可以認(rèn)為管內(nèi)外壁的溫度是相同的，由此可以得到以下的關(guān)系：sioiwsoowoRttRtt???????11中， to， ti， tw分別為殼程，管程流體的平均溫度和壁溫。采用試差法最終求得 tw=℃ 管子拉脫力 本換熱器的管子及殼體均采用 10 號碳鋼，由此可得下表： 管子 殼體 操作壓力， Mpa 壁溫， ℃ 35 材料 10 10 線膨脹系數(shù) 1/℃ 106 106 彈性模量， Mpa 106 106 尺寸， mm 2526000 6006 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 管子 殼體 數(shù) 252 管間距 32 脹接長度， mm 29 許用拉脫力， Mpa 4 管子排布方式 正三角形 在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力為： ldpfq op ?? 其中， f==，則 qp= 在溫差應(yīng)力作用下，每平方米脹接周 邊所產(chǎn)生的力為： ? ?ld ddqtoiot 4 22 ?? ? 其中， ? ?ststAAttEt ??? 1?? 而同時， ? ? 22 ??? NddAiot ? 21 5 2 7 36).66 0 0()( mmSSDAs ????? ?? M p aqM p a t , ???則， 脫力為的方向相反，故而總拉和由于 pt qq Mpqq tp )(q ??? 因而，管子拉脫力在許用范圍之內(nèi)，不許用安裝膨脹節(jié)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 換熱器核算 熱量核算 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形的折流板，可采用克恩公式： 00 0 . 3 6 eedua d ????? ? ?? wc（ ） （ ） （ ） 計算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得： 342ed???2 00（ t d ）4d= )3(4 22??? = 殼程流通截面積： ?????? ???? 0 3 0 2 . 6 50 . 1 5)tdB D ( 1S oo = 殼程流體流速為： 01 96 )82 536 00/(12 62 600000 ???? AqAqu mv ? =雷諾準(zhǔn)數(shù)為 ： ????? o oooo uud ? 普蘭特準(zhǔn)數(shù)為： = 0 0 0 71 0 ???? ooc? ? )(wNu ??? 。物料被冷卻，粘度校正 ?? w（ ）取 1， 將數(shù)值代入上式： 00 0 . 3 6 eedua d ????? ? ?? wc（ ） （ ） （ ） 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 = CmW / ???? 管程對流傳熱系數(shù) i? = 0 .0 2 3 iiud ni Pd C（ ） （ ）ρ μλ μ λ 自來水被加 熱， n 取 ，代入已得數(shù)值，有： 管道流通面積： 22 0 3 7 6 mS i ??? 管程流體流速： smu i /4 9 3 7 6 )9 9 43 6 0 0/( 7 0 5 6 ??? 雷諾準(zhǔn)數(shù)為 1 3 6 2 80 0 0 7 2 9 9 44 9 ????i 普蘭特準(zhǔn)數(shù)為： 8 4 8 2 0 0 0 7 2 1 8 0Pr ???i 8 4 8 3 6 2 ????i? =2748 W/m2 ℃ 傳熱系數(shù) K 根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在 (GB15199P140141)選取污垢熱阻： 污垢熱阻： Rsi=℃ /W Rso= m2℃ /W 還有，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： ? =45 m2℃ /W 管壁厚度： b= 內(nèi)外平均厚度： dm= 在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 osoioiosiiio RdbdddRddK???11 ????? =6 9 310 0 0 1 7 2 2 0 2 0 2 0 2 0 0 3 4 7 4 8 0 2 1??? ????? =390W/m2 ℃ 所以， K 的裕度為 : h= 320320390? =% 傳熱面積 S 由 K 計算傳熱面積 S39。 mQSmKt? ? ???折39。 39。 = 27632320778603 m?? 該換熱器的實(shí)際傳熱面積為： )( cop nNLdS ?? ? =（ ） （ 23216） =100 m2 則該換熱器的面積裕度為： H= SSSp? = ??7676100 % 流動阻力的計算 因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，所以要對殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。 管程流動阻力 管程壓力降的計算公式為： ps NNpppi )( 21 ????? Rei=13670（前面已求），為湍流。 取關(guān)閉粗糙度 20 , i ?? ?? 相對粗糙度為mm 查 ，關(guān)聯(lián)圖，可得摩擦因數(shù) :e ?? ?? R 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 a1 2 8 924 9 9 432u3p 6 824 9 9 60 3 lp222221iPP????????????????? 另外，式子中： 殼程數(shù) Ns=1 管程數(shù) Np=2 代入公式中，有： ps NNpppi )( 21 ????? =（ +） 12 =100kpa 殼程流動阻力 由于殼程流體的流動狀況比較地復(fù)雜，所以計算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計算殼程壓力降： 殼程壓力降埃索法公式為： 0 ssP F N? ? ? ?? 12（ P + P ）39。39。 式中 1p? ——流體橫過管束的壓力降， Pa； 2p? ——流體通過折流擋板缺口的壓力降， Pa； Fs——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，無因次，對于液體取 ，對于氣體取 ； Ns——?dú)こ虜?shù)； 而 2 0. 2281 0 5 R e 232ccP F f N F f N? ?? ? ? ? ?0B u（ N +1 ） ， 其 中 ， ，39。=， nc=19，NB=29,uo=。 F——管子排列方法對壓力降的校正系數(shù)，對正三角形排列， F=，對正方形斜轉(zhuǎn) 45o 排列， F=，正方形排列， F=。 fo——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng) Re﹥ 500 時， )(Re5 ?? ofo 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 nc——橫過管束中心線的管子數(shù)，對正三角形排列 nc NB——折流擋板數(shù) 代入數(shù)值得： Pap 5 2 530191 3 39。 21 ???????? 而 2)(39。 202 uDhNp B ????，其中 h=， d=， NB=29, 式中 D——?dú)剑?m h——折流擋板間距， m do——換熱器外徑， m uo——按殼程流通截面積 S 計算的流速，而 S=h（ Dncdo） 代入數(shù)值得： 202 B upN ??? 2h（ ）D239。 =29（ ? ） 2 2? =1380Pa 對于液體 sF =，于是我們有： 0 ssP F N? ? ? ?? 12（ P + P ）39。39。=1（ 1380+） =2317Pa＜ 100kpa 經(jīng)過以上的核算，我們發(fā)現(xiàn)，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。 畢業(yè)設(shè)計（論文）用紙 管束振動的計算 換熱器的振動 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，管殼 式換熱器逐漸趨于大型化，并且，由于換熱器尺寸和管束支撐間距的增大，以及流體流速的增大、運(yùn)行工況不穩(wěn)定等因素影響，經(jīng)常引起換熱器管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動，造成換熱器的局部失效甚至整體報廢，所以應(yīng)想法預(yù)防振動。 只有當(dāng)流體誘發(fā)振動的頻率與傳熱元件的固有頻率一致或相當(dāng)接近時 ,傳熱元件的振幅激增 ,才導(dǎo)致破壞。通常 ,傳熱管是換熱器中撓性最大的部件 ,對振動也最敏感。在管殼式換熱器的殼程中，流體橫向流過管束時，流體誘發(fā)震動的主要原因是 :卡門漩渦（有聲震動或無聲震動）、紊流抖動（有聲震動或無聲震動）、流體彈性不穩(wěn)定。大多數(shù)振動 破壞都是換熱器管束的機(jī)械損壞，主要的有以下幾點(diǎn) : 撞擊破壞 當(dāng)管子振動的振幅大到足以使相鄰管子互相撞擊 ,或邊緣管不斷擊打殼體 ,在管子的撞擊部位將產(chǎn)生特有的菱形磨損形式 ,管壁不斷減薄而至最后開裂。 擋板損傷 為了便于安裝 ,一般擋板開孔較管子直徑略大 ,當(dāng)擋板較薄時 ,管子振動會在管壁與擋板孔邊緣之間產(chǎn)生較高的接觸力 ,對管子有一種鋸割作用 ,短時間內(nèi)即可將管子切開發(fā)生局部失效。 接頭泄漏 管子與管板的連接處是換熱器中十分重要的結(jié)構(gòu) ,然而在工程實(shí)際中 ,由于管子振動使管子與管板連接 處受力較大 ,從而導(dǎo)致脹接或焊接點(diǎn)的損壞 ,