【導(dǎo)讀】《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，機(jī)械工業(yè)出版社；《化工設(shè)備》丁作明等編；《機(jī)械制圖》，清華大學(xué)出版社；GB150—2021《壓力容器》；《化工原理》，天津大學(xué)出版社；GB151—1999《管殼式換熱器》；換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。本次是設(shè)計(jì)列管式。目的是為了掌握列管式換熱器的結(jié)構(gòu)，以及設(shè)計(jì)。首先根據(jù)物料介質(zhì)的特點(diǎn)選取換熱器的類型，此次選用的是固定管板式換熱器。的選型，換熱面積計(jì)算，壓強(qiáng)降、傳熱系數(shù)的核算）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（換熱器主要件的材料選用，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)）、強(qiáng)度校核等。

　　

【正文】 lLNp? （ 25） ??pN 故管程數(shù)取 4 程。 管子總數(shù)： snN 4? （ 26） 112294 ???N （根） 換熱器的殼徑： 12)1( bntD c ??? （ 27） 式中 D— 殼體內(nèi)徑； t— 管心距（正三角形排列）； nc— 橫過管束中心線的管子數(shù)； b1— 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取 b1= 0)~1( d m； 又因?yàn)椋? ???? Nn c 根 （ 28） 所以 4 2 7252)112(32 ?????D mm； 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 經(jīng)過圓整 D 取 450 mm。 因此 D=450 mm， n=112，傳熱面積 S= m2. 此數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)型 固定管板式換熱器中 管程為 4 管程，公稱壓力為 。殼徑為 450mm，管子 ,?? ， L=3m 的參數(shù)相似。故可以選取這個(gè)型號的換熱器進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。 參數(shù)如表22： 表 22 殼徑 /mm 450 管子尺寸 /mm ?? 公稱壓強(qiáng) /MPa 管長 /m 3 公稱面積 /m2 管子總數(shù) 104 管程數(shù) 4 管子排列方式 正三角形排列 實(shí)際傳熱面積 mdLnS ?? ? ， 總傳熱系數(shù) K= 330??tSQ W/( m2℃ )。 壓強(qiáng)降的核算 1) 管程流動(dòng)阻力 spsrit FNNPPP )( ????? （ 29） 殼程數(shù) 1?sN ；管程數(shù) 1?pN ；管程結(jié)垢校正系數(shù) sF 近似取為 。 管程流通面積 222 mN ndA pii ????? ?? (210) smAV isi /)0 0 8 1 1 3 03 6 0 0/(2 7 7 7 8/ ?????? (211) ????? ? pud iii (212) 換熱器管程局部阻力： 設(shè)管壁粗糙度 ?? ，則 ??id?， iRe 已在上一節(jié)求出為 10202 由參考文獻(xiàn)《化工原理》可查的 i? =,所以 流體流經(jīng)傳熱管直管阻力： 緒論 22 22udlP iii ???? 182 22 2 ????? Pa （ 213） 22uPr ???? （ 214） 式中局部阻力 ? 是系數(shù)一般取為 3 9342 2 ????? rP Pa 所以：管程流動(dòng)阻力： )9341822( ??????? tP Pa 壓力降很小，滿足設(shè)計(jì)要求。 2) 殼程流動(dòng)阻力 ? ? ssios NFPPP ????? （ 215） 對于氣體殼程結(jié)垢校正系數(shù) ?sF ；殼程數(shù) sN =1。 流體流過管束的阻力： ? ? 21 2uNNFfP bTCoo ???? （ 216） 對于正三角形排列 F = ， 12104 ??? nn c 取折流板間距 h=150mm。折流板數(shù)取 NB=19 殼程流通面積 20 2 2 )0 2 ()( mdnDhA oco ?????? smo /)0 2 2 6 0 0/(1 1 3 7 6 ????? 1 4 4 3 ?????? ?pud ooo 4 4 3 2 2 2 ????? ??oof 所以： ? ? 6472 2 ???????? oP Pa 流體流過折流板缺口的阻力： 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 5182 22 ???????? ?????????? ??? uD BNP Bi ? Pa （ 217） 殼程總阻力： ? ? 1 3 4 1 86 4 7 ?????? sP Pa 滿足要求。 總傳熱系數(shù)的核算 1) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) )(wed ???? ? （ 218） 因換熱管采用正三角形，殼程的當(dāng)量直徑 ed ： . )(4)4(4 220202?? ??????? d dtd e ?? m （ 219） 殼程流通截面積： ) ()1( 00 ??????? tdhDS m2 （ 220） ? 殼程流速： 11376 ????? oo SVu m/s 雷諾數(shù)： 5 ?? ???? ?? ?du （ 221） 普郎特?cái)?shù)： 2Pr 5 ????? ???pc （ 222） 介質(zhì)為液體被冷卻取 )/( ?w?? 緒論 24 ? 11 ??????o? W/( m2℃ ） 2) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) nii d ???? ?? （ 223） 由式（ 212） 8171Re ?? c ciii ud ? ? 由于 4000 ??Re 10000，校正系數(shù) ???? i? 2 ????? ?iicpi C ? ? （ 224） 因?yàn)榱黧w是被加熱的 n 取為 。 ??????i? W/( m2℃ ） 污垢熱阻和管壁熱阻，有 GB151 可取為 ???SoR m2℃ /W ???iSR m2℃ /W 管壁熱阻可忽略。 由總傳熱系數(shù)計(jì)算公式： oSioSiioo oi RddRddK ?? 11 ???? （ 225） 所以： 2 5 7 62025202 7 5 81 14????????oK =407W/( m2℃ ) 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 由于 ??KK o ，在范圍 ~ 之間，滿足條件。 則計(jì)算傳熱面積： ????? mc tK QA m2 實(shí)際傳熱面積為： mdLnS ?? ? 面積裕度： % ????? c cp A AAH （ 226） 面積裕度在 15%～ 25%之間，滿足設(shè)計(jì)要求 緒論 26 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果表 表 23 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果表 參數(shù) 殼程 管程 流率（ m3/h) 11376 27778 進(jìn) /出溫度 /℃ 130/110 80/90 設(shè)計(jì)壓力 /MPa 物 性 設(shè)計(jì)溫度 /℃ 150 90 密度 /(kg/m3) 430 定壓比熱容 /(kJ/( kg℃ ) 4252 3483 黏度 /(Pas) 105 102 熱導(dǎo)系數(shù) / W/(m℃ ) 普朗特?cái)?shù) 設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 形式 固定管板 臺數(shù) 1 殼體內(nèi)徑 / mm 450 殼程數(shù) 4 管徑 / mm ? 25 管心距 32 管長 / mm 3000 管子排列 正三角形 管數(shù)目 /根 104 管程數(shù) 1 傳熱面積 /m2 主要計(jì)算結(jié)果 殼程 管程 流速 /(m/s) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) / W/(m2℃ ) 1158 1276 污垢熱阻 / (m2℃ )/ W 104 104 熱流量 /kW 268731 傳熱溫差 /℃ 傳熱系數(shù) / W/(m2℃ ) 407 裕度 /% % 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 第三章 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要確定有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、零件之間的聯(lián)接等，比如，封頭結(jié)構(gòu)尺寸；接管與筒體的連接管板結(jié)構(gòu)尺寸確定；折流板尺寸、間距確定；管板與換熱管的聯(lián)接；管板與殼體、管箱的聯(lián)接；管箱結(jié)構(gòu)；法蘭與墊片等等。 設(shè)計(jì)條件 表 31 換熱器管、殼程的設(shè)計(jì)、工作壓力與設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)壓力 MPa 工作壓力 MPa 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 管程 90 殼程 150 封頭設(shè)計(jì) 封頭選擇標(biāo)準(zhǔn)型封頭 EHA 型。材料選 用 Q245R。結(jié)構(gòu)入圖 31 圖 31 封頭 的設(shè)計(jì) 根據(jù)工作壓力為 ，管程設(shè)計(jì)溫度 90℃ ，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推薦選用長短軸比值為 2 的標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭。材料選用與筒體相同的 Q245R。設(shè)計(jì)溫度下的 ??t? ， ? ? 147?t? MPa，取焊縫系數(shù)為 ?? ，腐蝕裕量 ?C mm，厚度負(fù)偏差 ` ?C mm。 封頭計(jì)算 厚度由下式： ? ? ????? ???? ct ic PDP??? mm （ 31） 封頭設(shè)計(jì)厚度： ????? Cd ?? mm 緒論 28 封頭名義厚度： ??????? 圓整圓整Cdn ?? mm 內(nèi)徑為 450 mm 使厚度不的小于 6 mm。所以取封頭名義厚度： 6?n? mm 封頭有效厚度： ??????? CCne ?? mm 參照 JB/T4737， 封頭尺寸如表 32： 表 32 封頭尺寸表 公稱直徑 /DN mm 曲面高度/1h mm 直邊高度 /2h mm 名義厚度 n? / mm 450 138 25 6 封頭與筒體的連接 封頭與筒體連接如圖 32 圖 32 封頭與筒體連接 管箱短節(jié) 選用與封頭一樣的材料 Q245R，短節(jié)厚度 計(jì)算按式（ 31），設(shè)計(jì)溫度下的 ? ? 147?t? MPa，取焊縫系數(shù)為 ?? ，腐蝕裕量 ?C mm，厚度負(fù)偏差` ?C mm。 ? ? 450062 ???? ???? ct ic PDP ??? mm （ 32） 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 短節(jié)設(shè)計(jì)厚度： ????? Cd ?? mm 短節(jié)名義厚度： ??????? 圓整圓整Cdn ?? mm 內(nèi)徑為 450 mm 使厚 度不的小于 6 mm。所以取短節(jié)名義厚度： 6?n? mm 短節(jié)有效厚度： ??????? CCne ?? mm 分程隔板 按 GB1511999，表 6 有， DN mm600? 時(shí)。材料為 Q245R 的分程隔板最小厚度取 8mm。 筒體 由 GB15199 規(guī)定，低合金鋼筒體的最小厚度不得小于 6mm。取 ?C mm，12?C mm，焊接接頭系 數(shù)取為 。 筒體計(jì)算厚度由下式計(jì)算： ? ? ??? ????? ct ic PDP ??? mm （ 33） 厚度附加量： C= 21 CC? =+1= mm 由以上計(jì)算可知計(jì)算出的厚度小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小厚度，所以筒體厚度取為 6mm。 有效厚度： ????? Cne ?? mm 名義厚度： 6?n? mm。 換熱管 換熱管的規(guī)格為 ?? ，材料選為 S30408 號鋼 。 換熱管的排列方式 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 ,換熱系數(shù)大，在緒論 30 相同的截面積下可以排列更多換熱管； 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)。如圖 32 圖 33 在此，選擇正三角排列，主要是考慮這種排列排列緊湊，管外流體湍流程度高 ,換熱系數(shù)大，在相同的截面積下可以排列更多換熱管，換熱效果好。 查 GB1511999 可知，換熱管的中心距 S=32mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距為 44mm。 排管與分程 如圖所示 圖 34 換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并用。 強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小 于 ；設(shè)計(jì)溫度 小于 200℃ ；操作中無劇烈振動(dòng)、無過大的溫度波動(dòng)及無明顯應(yīng)力腐蝕等場合。 除了有較大振動(dòng)及有縫隙腐蝕的場合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場合。脹