【正文】 開孔直徑 ： id= d + 2C 25 1 2 3 25 7 m m 50 0 m m2 iD? ? ? ? ? ?； 滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。 前端管箱開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計 管 程出入口公稱直徑均為 250mm，按照無縫鋼管厚度系列，可選接管的規(guī)格為 273 11? ? mm，外伸高度為 200mm，接管為 20 號碳鋼管。 421A 2451δ = 1 0 .4 m mD D 6 2 0 3 8 5??? ； 圓整 到標(biāo)準(zhǔn)系列 ， 39。因為2B=710 D? ，則補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。 開孔直徑 ： id= d + 2C 34 9 2 3 35 5m m 50 0 m m2 iD? ? ? ? ? ?； 滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。 殼體開孔補(bǔ)強(qiáng) 設(shè)計 殼程出入口公稱直徑均為 350mm，按照 無縫鋼管 厚度系列，可選接管的規(guī)格為 37714? ? mm， 外伸高度為 200mm， 接管為 20 號 碳鋼管 。開孔 不但削弱了換熱器壁的強(qiáng)度，而且在殼體和接管的連接處 ， 因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給換熱器的安全操作帶來隱患。查 JB/T4746— 2021《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號參數(shù)如下： 表 32 DN1100標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù) DN(mm) 總深度 H(mm) 內(nèi)表面積 A(m2) 容積 V(m3) 封頭質(zhì)量（ kg） 1100 300 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為 14mm。39。39。 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故 Κ1? ，且同上 12C 0, C 2m m??，則計算厚度為： ? ?39。 （ 2）后端管箱厚度計算 由于是浮頭式換熱器設(shè)計，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 （ 1）前端管箱厚度計算 前端管箱為橢圓形管箱，這是因為橢圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。 假設(shè)材料的許用應(yīng)力 ? ?tσ 143? MPa（厚度為 6～ 16mm 時），殼體計算厚度按下式計算為： ? ?cit cΡ D 2. 5 10 00δ = 8. 8m m2 14 3 1 2. 52 σ Ρ? ???? ? ?； 設(shè)計厚度 d2δ = δ + C 8 .8 3 1 1 .8 m m? ? ?； 名義厚度 n d 1δ = δ + C + 8 . 1 0 1 2 mm? ? ? ? ? ?（其中 ? 為向上圓整量）； 查其最小厚度為 12mm，則此時厚度滿足要求，且經(jīng)檢查， ??tσ 沒有變化，故合適。 焊接方式：選為雙面焊對接接頭， 100%無損探傷，故焊接系數(shù) 1?? 。 殼體和管箱材料的選擇 由于所設(shè)計的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇 Q345R 為殼體與管箱的材料。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 第 3 章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度計算 在確定換熱器的 傳 熱面積 和工藝結(jié)構(gòu)尺寸 后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強(qiáng)度計算，主要包括殼體和封頭的厚度 計算、 材料的選擇、管板厚度的計算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計算 ，還有主要構(gòu)件的設(shè)計（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），具體計算如下。 到此換熱器的工藝計算告一段落 。 熱流體側(cè)的壁溫： t h m d h mh31t = T Κ ( + r ) tα12 0 0 1 8 8 ( 0 . 5 2 1 0 ) 7 6 . 8 44651 6 1 . 4 o C??? ? ? ? ? ?? ； 冷流體側(cè)的壁溫： t c m dc mc31t =t + Κ ( +r ) Δ tα185 18 8 ( 0. 52 10 ) 76 .8 427814 4. 5?? ? ? ? ? ?? ℃ ； th tct t + t 16 1. 4 14 4. 5t = 15 322 ???℃?！?/w； mmT, t —— 分別為熱、冷流體的的平均溫度，℃； ioT, T —— 分別為熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃； iot, t —— 分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃； mt? —— 流體的有效平均溫差，℃； α —— 以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計算的給熱系數(shù)， W/（ m178。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 換熱器壁溫計算 換熱管壁溫 t 計算 符號說明： Κ —— 以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計算的總傳熱系數(shù)， W/（ m178。1 6 8 5 0 . 2 2Δ P 0 . 3 0 . 3 1 2 7 . 3 ( 2 9 1 ) 1 2 6 32?? ? ? ? ? ? ? Pa； 239。 bo2b i2l ρuΔ P = N (3 .5 )D2； 式中： F —— 管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)，對三角形排列 F ? 。 239。1ΔP —— 流體橫過管束的壓力降， Pa； 39。39。由于流動的復(fù)雜性，要準(zhǔn)確地分析影響這種復(fù)雜流動的各種因 素，精確地計算壓力降是相當(dāng)?shù)睦щy。盡管管束為直管，但流動卻變得復(fù)雜化。 由 Re=2365，傳熱管相對粗糙度 ，查λ Re 雙對數(shù) 坐標(biāo)圖得λ = 2 2i1i i ρ ul 6 8 0 5 1 . 2P ( ) = 0 . 0 4 6 9 5 5 . 2 P ad 2 0 . 0 2 2? ?? ? ? ?； 2 2i2 ρ u 8 0 5 1 . 2P = 3 ( ) = 3 1 7 3 8 . 8 P a22 ?? ? ?； iΔ P (6 9 5 5 . 2 1 7 3 8 . 8 ) 1 . 4 6 1 7 3 0 3 0P a 0 . 0 7 3 M P a? ? ? ? ? ? ?； 經(jīng)查， 管程 壓力降 在允許的范圍內(nèi) 。 壓力降的計算 流體流經(jīng)換熱器因流動引起的壓力降，可按管程壓降和殼程壓降分別計算。039。 校核換熱面積 實際傳熱面積： 639。 校核平均溫差 與平均溫差有關(guān)參數(shù)的計算如下： 1221T T 30 0 10 0R = 5t t 10 1 69???? ； 2111t t 10 1 69P= = 0. 13 9T t 30 0 69? ?? ； 根據(jù) R、 P 值， 按單殼程、 6 管程， 查溫度校正系數(shù)圖可得溫度校正系數(shù) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 Δtφ ? ，因此 ， 有效平均溫度差為： 39。 0. 8 1 / 3i 0. 14 0α = 0. 02 7 23 65 .3 18 3. 4 1. 05 56 40. 02? ? ? ? ? W/（ m2﹒ K）； 故管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù) iα 為： 39。iα 計算如下： 由于 iaμ2μ ，故原油為高黏度的流體，故應(yīng)用 SiederTate 關(guān)聯(lián)式： 39。 88=； 管程流速 ： i 9540 0 / ( 3600 805 )u m / ???； 雷諾數(shù)： i i i 3idu ρ 0 .0 2 1 .1 9 8 0 5Re = 2 3 6 5 .3μ 8 .1 0 1 0 ??????； 可知流體處于過渡流狀態(tài)； 33p i iic μ 3 . 1 7 1 0 8 . 1 0 1 0P r = 1 8 3 . 4λ 0 . 1 4 0 ?? ? ???； 當(dāng)流體在管內(nèi)流動為過渡流的時候，對流傳熱系數(shù)可先按湍流的公式計算，然后把計算結(jié)果乘以校正系數(shù) f，即可得到過渡流下的對流傳熱膜系數(shù)。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 （ 1） 管程流體傳熱膜系數(shù) iα 管程流體流通截面積 ： si=179。 1000=200mm； 取 B=200mm 折流板數(shù)目 NB 6000N 1 29b 200? ? ?； 總傳熱系數(shù) K 的校驗 管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用 關(guān)聯(lián)式計算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù) K 的計算公式如下： o o oso sio w m i i ibd d d11= + R + + R +K α λ dd α d； 式中： K—— 總傳熱系數(shù)， W/（ m2﹒ K）； iα 、 Oα —— 分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)， W/（ m2﹒ K）； siR 、 soR —— 分別為管程和殼程的污垢熱阻， m2178。 1000=250mm； 故取 h=250mm。取管板利用率η =，則殼體直徑為 tD 1 . 0 5 P n / η 1 . 0 5 3 2 5 2 8 / 0 . 6 9 9 7m m? ? ? ? ?； 取 D=1000mm。 6=528 （ 3）殼體直徑 采用多管程結(jié)構(gòu)， 換熱管采用正方形排列法，查 GB1511999 可知管心距Pt=32，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距為 44mm。 = = 33π d N 88 m???； 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。 （碳鋼），取管內(nèi)流速 ui=。239。 1 2 2 1m1221( T t ) ( T t ) ( 300 101 ) ( 100 69)t t 300 101lnln 100 69T t? ? ?? ? ???℃ ； （ 3） 按經(jīng)驗值初選總傳熱系數(shù) K估 查表選得 K估 =180W/（㎡﹒℃）； （ 4）初算出所需的傳熱面積 39。mt 的計算 選取逆流流向，這是因為逆流比并流的傳熱效率高。 cQ = 9 5 4 0 0 3 . 1 7 ( 1 0 1 6 9 ) 9 6 7 7 3 7 6k J / h = 2 6 8 8 k W? ? ?； hQ 2 3 1 8 4 2 . 8 9 ( 3 0 0 1 0 0 ) 1 3 4 0 0 3 5 2 k J / h 3 7 2 2 k W? ? ? ? ?； 故 Q 3722kW? 。 k)； ti， to—— 冷流體的進(jìn)、出口溫度， k； Ti， To—— 熱流體的進(jìn)、出口溫度， k。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 估 算換熱器傳熱面積 39。 K/w 原油 85 805 煤 油 200 685 初 算換熱器傳熱面積 流動空間的確定 選擇被冷卻的 煤油 走殼程，被加熱的原油走管程。 S 熱阻（ 179。 ℃ ） 密度 kg/ m3 粘度（ 179。 30 0 10 0 2021T ???℃ ； 69 10 1 852t ???℃ ； 表 22煤油 與原油的物性參數(shù) 名稱 平均溫度（℃） 比熱kJ/kg178。 C） 出口溫度 （ 176。 C） 出口溫度（ 176。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 2 章 工藝計算 在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需要的傳熱面積。 管殼式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有悠久的歷史，而且管殼式換熱器被當(dāng)作一中傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用。 螺旋槽紋管：可強(qiáng)化管內(nèi)物流間的傳熱，物料在管內(nèi)靠近管壁部分流體順槽旋流，另一部分流體呈軸向渦流，前一種流動有利于減薄邊界層，后一種流動分離邊界層并增強(qiáng)流體擾動，傳熱系數(shù)提高 ～ 倍，但阻力降增加 ～ 倍。 T 形翅片管：用于管外沸騰時，可有效降低物料泡核點，沸騰給熱系數(shù)提高～ 倍，是蒸發(fā)器、重沸器的理想用管。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 換熱管簡介 換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，采用高效傳熱元件是改進(jìn)換熱器傳熱性能最直接有效的方法。物流通過這種結(jié)構(gòu)換熱器時存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場合。適用場合：①管程流量大殼程流量小時，采用此結(jié)構(gòu)流速可提高一倍，給熱系數(shù)提高 1～ 倍；②冷熱流體溫度交叉時，但殼程換熱器需要兩臺以上才能實現(xiàn)傳熱，用一臺雙殼程換熱器不僅可以實現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu) 包括有雙殼程結(jié)構(gòu)、螺旋折流板、雙管板等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將使換熱器擁有更高的工作 效率。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭之間， 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 用螺栓連接。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價較 高。管程流體（ B 流體）從管箱進(jìn)口管流入，通過內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返回，通過內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。由于彎管的外側(cè)管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故 U型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點。因為管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)力。