【正文】 污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是，依據(jù) 文獻(xiàn) [12]式（ 342）有： hchmcmw hh hthTt 11 ??? ； 式中液體的平均溫度 tm和氣體的平均溫度分別按式（ 344）和（ 345）計(jì)算為： 12 ???????? ttt m ； ? ? ? ? C4040402121 21 ?????? TTT m ； ? ?KmW1 4 4 5 20 ??? hh c ； ? ?KmW3 4 4 5 2 ??? ih hh ； 傳熱管平均壁溫 C)( 344529144540 ?????wt ； 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即 C40??T ； 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 ?????t ； 由于該溫差較小，且殼程壓力較小，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器較為適宜，而且經(jīng)濟(jì)。 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 1) 管程流動(dòng)阻力 依據(jù) 文獻(xiàn) [12]式（ 347）～（ 349）可得： ? ? spsrit FNNPPP ????? ； 式中， ΔPi 為單程直管阻力； ΔPr 為局部阻力； Ns 為殼程數(shù)； ΔPt 為管程總阻力；Fs 為管程結(jié)垢校正系數(shù)，可近似取 。 1?SN ； 4?pN 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 22udlP iii ?? ???； 由17491Re ?i，傳熱管的相對粗糙度 ?， 查莫狄圖?i?，流速 ?u ； ?i? ，所以： ? ?Pa30742 2 ?????? iP ； ? ?Pa7322 22 ?????? uP r ?? ； ? ?Pa3 8 0 67 3 23 0 7 4 ???? tP ； 由于 ? ?Pa1 0 0 0 0 0)(3 8 0 ??? PaP t ，故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 2) 殼程流動(dòng)阻力 根參考文獻(xiàn) [13]，可得橫截面積： ? ?? ?20tm03 32d?????????tBSS PlDPA。 質(zhì)量流速為： ? ?2mskg / ???? SSS AG ?。 m / ??? ?? SG。 當(dāng)量直徑為： ? ?? ?mm27257 8 7 8 222020???????? dPd te。 飽和異丁烷蒸汽粘度為： a3 ???? 。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 所以熱阻為： 666 33e ?? ????? ??? eS dGR。 由文獻(xiàn) [13]圖 可得： ???f 2d8?????????????????? ??????????????????????? wSBeSSS lLDjP ????。 設(shè)壓降為利用進(jìn)口流量進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算值的 50%，忽略粘度矯正，則： Pa2222260 . 0 2 72d21??????????????? ????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????wSBeSfS lLDjP????。 由于殼程壓降 2222Pa100000Pa，故殼程的流動(dòng)阻力也在允許范圍內(nèi)。 換熱器的主要尺寸和計(jì)算結(jié)果 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果如表 21 所示： 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 表 21 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 參數(shù) 管程 殼程 流率 kg/h 17244 2304 進(jìn)出溫度 ℃ 25/35 40/40 壓力 MPa 物 性 定性溫度 /℃ 30 40 密度（ kg/m3） 定壓比熱容 [kJ/（ kgk） ] 粘度 PaS 103 103 熱導(dǎo)率 [W/（ mk） ] 普朗特?cái)?shù) 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 形式 固定管板式 臺(tái)數(shù) 1 殼體內(nèi)徑 mm 500 殼程數(shù) 1 管徑 mm ?? 管心距 mm 32 管長 mm 6000 管子排列 正錯(cuò) 管數(shù)目根 88 折流板數(shù)個(gè) 20 傳熱面積 m2 42 折流板間距 mm 300 管程數(shù) 4 材質(zhì) 碳鋼 主要計(jì)算結(jié)果 管程 殼程 流速 m/s 3 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) [W/（ m2k ） ] 3445 1445 污垢熱阻（ m2k/W） ? ? 阻力 Pa 3806 2222 熱流量 kW 200 傳熱溫差 K 傳熱系數(shù) [W/（ m2k ） ] 620 裕度 20% 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 3 換熱器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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、法蘭的計(jì)算和選擇、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算和校核，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： 選材 本換熱器管程部分的溫度在 30℃ 左右，介質(zhì)為冷卻水，殼程部分的溫度在 40℃左右，介質(zhì)為異丁烷，對材料沒有較高的特殊要求，一般的石油化工容器用鋼即可。又因?yàn)樵摀Q熱器的壓力 p=，屬于低壓，所以本設(shè)計(jì)的殼體材料選 用 Q345R，它是低合金鋼，具有良好的焊接性能，機(jī)械性能及成形性能和耐腐蝕性能，是中國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板，質(zhì)量穩(wěn)定，符合本設(shè)計(jì)對材料的要求，具體的化學(xué)成分及性能和冷彎性能描述如下表 31，表 32；管程筒體和封頭均采用 Q345R。 表 31 Q345R 的化學(xué)成分 C iS Mn P S ? ～ ～ .04? .0 表 32 Q345R 的力學(xué)性能和冷彎性能 板厚 b?/MPa s?/MPa ?（﹪） Akv/J. 冷彎試驗(yàn) 6～ 16 510 345 ≥25 ≥31 2da? 17～ 25 490 325 ≥25 ≥31 2da? Q345R 的性能指標(biāo)： 設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力： Mpa189][ ?t? 。 常溫下的許用應(yīng)力： Mpa189][ ?t? 。 參數(shù)選取 焊縫系數(shù)1??（雙面焊， 100﹪探傷） 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 管板與殼體、管箱、換熱管的連接 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu) 由于殼程流體較清潔，且殼體與管子溫差較小，殼程壓力也不高，故采用兩端管板與殼體焊接，其結(jié)構(gòu) 簡單，制造成本低。 管板與管箱的連接結(jié)構(gòu) 固定管板式換熱器的管板兼作法蘭，與管箱的連接形式比較簡單，根據(jù)工藝要求，選擇長頸對焊法蘭連接。查 JB47032021 壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭，法蘭，平面密封面，材料為鍛件 20MnMoⅡ ，其具體尺寸如下表： 表 33 DN500 長頸對焊法蘭尺寸 DN 法蘭 螺柱 對接筒體最小厚度 D D1 D2 D3 D4 ? H h a a1 1? 2 R d 規(guī)格 數(shù)量 500 640 600 565 555 452 38 100 25 17 14 12 22 12 23 M20 24 4 管板尺寸根據(jù)法蘭的相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸確定，最大外徑確定為 640mm，寬度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取 40mm。法蘭重量為 ，管板重量為 80kg。 管箱墊片，依據(jù)管程操作條件，選石棉墊片，其寬度為 14mm，墊片圓角尺寸，取 R=8mm，墊片圓角是為了保證墊片有足夠的強(qiáng)度。 管板與傳熱管的連接結(jié)構(gòu) 換熱管與管板的連接形式，主要有三種： (1)強(qiáng)度脹接 。(2)強(qiáng)度焊接 。(3)脹焊并用。本設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度焊接，其結(jié)構(gòu)簡單，換熱管修補(bǔ)容易。但這種方 法不適用于有較大振動(dòng)及有間隙腐蝕的場合。 焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫能力強(qiáng)，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。當(dāng)管子焊接處有滲漏可以補(bǔ)焊。管子破漏，可以用專門道具劃掉焊縫，重新更換新管子。 管子與管板的焊接其焊縫的剪切斷面應(yīng)不低于管子斷面的 倍。即： ? ?4/ 22020 iddfld ??? ??，強(qiáng)度焊的尺寸見表 33。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 表 33 強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)尺寸 換熱管外徑規(guī)格 （外徑 壁厚） 10 14 2 19 2 25 32 3 383 453 57 伸出長度 l1 + 1+ + + 3+ 注： ，可以適當(dāng)加大管板焊縫破口深度，以保證焊腳高 l2 不小于 倍管壁厚度。 ， l1 值可適當(dāng)調(diào)整。 其他零部件結(jié)構(gòu) 管程 因?yàn)楣艹探橘|(zhì)清潔，且壓力不高，故采用 B 型管箱（封頭管箱），如下圖 31 示 圖 31 管箱結(jié)構(gòu)示意圖 分程隔板 分程隔板和管板上的溝槽結(jié)構(gòu) 如下，隔板材料一般采用與管箱相同的材料，每一程隔板上開約 φ6mm 的排放孔，以便排除每一程的殘液。分程隔板的密封長度應(yīng)比較短，減少泄露和用料。分程隔板槽型要簡單。分程隔板除了要滿足換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小厚度外，還要滿足隔板兩側(cè)的壓差。管板上的分程隔板槽見下圖。槽深一般不小于 4mm，碳鋼的槽寬為 12mm。槽的拐角處的倒角 45℃ ，倒角寬度為分程墊片的圓角半徑 R 加 1～ 2mm。拐角的另一側(cè)轉(zhuǎn)角為 R=7。墊片的拐角為圓弧型過度，使墊片有足夠的強(qiáng)度，一般圓角半徑 R=10mm。本設(shè)計(jì)所采用的分程隔板結(jié)構(gòu)如下圖 32所示。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 管板隔板墊片 圖 32 分程隔板示意圖 拉桿 拉桿通常有兩種形式，一種為拉桿和折流板焊接形式，一般用于換熱管外徑小于或等于 14mm 的管束。另一種為拉桿定距管結(jié)構(gòu)形式，一般用于換熱管外徑大于或等于 18mm 的管束。本設(shè)計(jì)即采用后一種形式。拉桿一般盡量均勻布置在管束外邊緣。任何一塊折流板不小于 3 個(gè)支承點(diǎn)。拉桿直徑如下表 35 所示。 表 36 拉桿直徑 換熱管外徑 d 10≤d≤14 14＜ d＜ 25 25≤d≤57 拉桿直徑 dn 10 12 16 拉桿的長度按需要確定。拉桿的連接尺寸見圖 36，連接尺寸表見表 37. 圖 36 拉桿的連接尺寸 拉桿的數(shù)量由換熱器的公稱直徑來確定，初次設(shè)計(jì)取拉桿數(shù)量為 4 個(gè)。 表 37 拉桿的連接尺寸 拉桿直徑 d 螺紋公稱直徑 dn la lb b 10 10 13 ≥40 12 12 15 ≥50 16 16 20 ≥60 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 排氣口與排液口 在換熱器的管程與殼程，為了回收或排除介質(zhì)，空氣及凝液，在管板或靠近管板的殼體上設(shè)置排氣口和排液口。排氣口和排液口的大小，一般不小于 φ15mm。臥式換熱器的殼程排氣和排液口設(shè)置的位置分別在上部和底部。 膨脹節(jié) 由于壓力和溫差都較小，故選用波形膨脹節(jié)（ U 形膨脹節(jié)）較為合適。波形膨脹節(jié)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、補(bǔ)償性能好、價(jià)格便宜而得到廣泛應(yīng)用，其補(bǔ)償能力和使用壓力與材料有關(guān)，當(dāng)要求補(bǔ)償能力較大時(shí)，可采用多個(gè)波形膨脹節(jié)，或在設(shè)備組裝時(shí)預(yù)先將波形膨脹節(jié)進(jìn)行預(yù)壓。為減小波形膨脹節(jié)的流動(dòng)阻力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在臥式換熱器的液體流動(dòng)方向焊一作導(dǎo)流作用的襯板，以減小流體阻力。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 4 換熱器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及其校核 筒體的計(jì)算 由于換熱器為內(nèi)壓容器，故可以采用內(nèi)壓容器的設(shè)計(jì)方法來確定其壁厚，根據(jù)內(nèi)壓薄壁容器 “彈 性失效 ”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，查閱文獻(xiàn) [13]式（ 413），則殼體壁厚的計(jì)算公式為： ? ? ct ic PDP ?? ??? 2 ； 由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)溫度 40℃ ，設(shè)計(jì)壓力 Pc=，查閱文獻(xiàn) [1]選低合金結(jié)構(gòu)鋼板 Q345R（控軋）卷制，該材料在 40℃ 時(shí)的許用壓力 Mpa189][ ?t? ，查閱文獻(xiàn) [13]表 43，取焊縫系數(shù)?，腐蝕裕量 C2=2mm，則： 計(jì)算厚度 ???? ??? ； 設(shè)計(jì)厚度 ????? Cd ?? ； 名義厚度 ???? 21 CCdn ?圓整 =+2+