【正文】 t exchanger evaporator。 process design。 總傳熱系數(shù)校核 ................................ 錯誤 !未定義書簽。 壁溫核算 ....................................... 錯誤 !未定義書簽。 管程壓力降 ................................ 錯誤 !未定義書簽。 4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度校核 ............................................... 12 殼體設(shè)計和強(qiáng)度計算 ........................................... 12 折流板的設(shè)計 ................................................. 13 拉桿設(shè)計 ..................................................... 13 管箱短節(jié)設(shè)計 ................................................. 13 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................ 13 前端管箱封頭設(shè)計 ........................................ 16 管箱法蘭 ................................................ 16 封頭強(qiáng)度計算 ............................................ 16 殼體后端封頭設(shè)計 ............................. 錯誤 !未定義書簽。換熱器是煉油、動力、原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。隨著石油化工行業(yè)的飛速發(fā)展，對換熱器的性能要求越來越高，換熱器在總投資中所占的比重也越來越大，通常在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的 1020%。 換熱器的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究越來越活躍，一些高新型高效換熱器相繼問世。換熱器的類型也非常多，性能各異，各具特點，可以適應(yīng)絕大多數(shù)工藝過程對換熱器的要求。 換熱器簡介 換熱器隨著使用目的的不同，可以把它分為：熱 交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等。在化工生產(chǎn)過程中，換熱器還經(jīng)常作為一個單獨的化工設(shè)備使用，有時候又把它作為某工藝設(shè)備中的一個組成部分如精餾塔底部的再沸器，氨合成塔中的下部熱交換器等等。其中直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易等特性，但是在換熱過程中，有高溫流體和低溫流體互相混合或者部分混合使其在應(yīng)用上受到了一定的限制。間壁式 換熱器在結(jié)構(gòu)上又可分為管式換熱器和板式換熱器。不同的 2 換熱器當(dāng)然也有各自不同的優(yōu)缺點，在使用時應(yīng)該合理使用。各種新型換熱器層出不窮，不僅帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，也很大程度上降低了企業(yè)的成本。在地?zé)帷⑻柲?、核能、余熱回收、風(fēng)能的利用上，各國政府都加大了投入資金。 換熱器的發(fā)展也朝著精確性，大型化和 PC 化發(fā)展。因此，物性模擬一直成為傳熱界的重點研究課題。而各種新型換熱技術(shù)也在向計算機(jī)軟件靠攏，各種流體模擬和換熱器的設(shè)計軟件也相繼問世，使設(shè)計者們在換熱器的設(shè)計和各種實驗當(dāng)中更加的精確和方便。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。這種形式也是石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的形式。設(shè) 計者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力計算，使所設(shè)計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。以免造成安全隱患。 經(jīng)濟(jì)合理：換熱器評價的最終指標(biāo)是：在一定時間內(nèi)（通常為 1 年）固定費用（設(shè)備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最 小。 設(shè)計題目 工藝條件： 已知條件 殼程 管程 工作壓力（ MPa） 進(jìn)口溫度（℃） 55 33 出口溫度（℃） 43 操作介質(zhì) 透平油 循環(huán)水 流量 (kg/h) 72020 142020 4 2. 傳熱工藝計算 傳熱工藝設(shè)計是通過已知條件，通過介質(zhì)定性溫度下的物性，算出熱流量 Q，估算出傳熱面積，確定管徑和管子排列方式之后對換熱器的各個參數(shù)進(jìn)行核算，包括傳熱系數(shù)核算、換熱面積核算和壁溫核算等內(nèi)容。 介質(zhì)定性溫度物性 殼程物質(zhì)透平油，定性溫度 492 4355 ???mT℃ ,管程冷卻水定性溫度定為 33℃。 循環(huán)水物性：密度 3/994 mkg ，粘度 smpa? ,定壓比熱： kkgkj ?/ ，導(dǎo)熱系數(shù) : ℃?mw/ 。 估算換熱面積 假設(shè)總傳熱系數(shù)為 kmw ?2/100 ,可以估算實際傳熱面積 mTKAQ ???? 。 管徑和流速的選擇 ： 由管子的規(guī)格，選取 ?? ，由表選擇循環(huán)水流速 3m/s，再通過管程的流量可以求得管子數(shù) 管子數(shù) 36842 ???? ?? dVN（根） 因為透平油易結(jié)垢，所以選擇 U 型管換熱器，管程數(shù)為 2，所以管板需要布置 368 根。 正方形排列的傳熱管使用比較少，但便于管外表面進(jìn)行機(jī)械清洗。在小直徑的換熱器中，其可排下的管數(shù)比三角形還多。這種排列法幾乎只用于空分設(shè)備上。其 優(yōu)點是在同一管板面積上，可以排列比較多的傳熱管，管外傳熱系數(shù)較高，流動阻力也相對較大。當(dāng)管束的管數(shù)超過 127 根時候，就必須在最外排管子和殼體間的弓形部分另排管子。 本設(shè)計采用正三角行排管。 6 布管圖 依據(jù)單程換熱器管長公式，由換熱面積可以求得管長 2 7 1 1 5 10 ??????? dn Al ? 。 平均溫差校核 335 .83 3455 ??? 冷流體溫升熱流體溫降R 3355 335 . 83 ??? 兩流體最初溫差 冷流體溫升P 查表得溫差系數(shù)α = 所以 ???? mT ℃ 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 ，且殼體流體流量較大，所以采用單殼程。 傳熱面積校核、熱流密度核算 校核傳熱面積： TmKF ?? .Q39。 面積裕度 % 1 4 9 .11 6 2 .5 ? 可以說明該換熱器滿足要求 壁溫核算 在操作初期，管外熱阻較小，殼體和傳熱管之間壁溫差可能較大，應(yīng)該最不利的操作 條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管溫差。 m ??????? TT 殼程 39。 管程壓力降 由《換熱器設(shè) 計手冊》 1347， 1348， 1349 sptrli NNFPPP )( ????? lP? 直管因摩擦引起的壓力降 rP? 流體經(jīng)回彎管中摩擦引起的壓降 pN :管程數(shù) 2 tF :結(jié)構(gòu)校正因子 取 。 殼程壓力降 由《換熱器設(shè)計手冊》式 1376， 1377， 1378: ss NFPPP ）（ 39。 210 ????? 2139。202 ??）（ ibb DlNP ??? sF :殼程壓力降結(jié)垢修正系數(shù)液體取 ，氣體 F :管子排列方法壓力降修正系數(shù)，三角形 F= 0f :殼程流體摩擦系數(shù)。 21 ???????? 6 0 42 5 8 39。 殼體設(shè)計和強(qiáng)度計算 根據(jù)換熱器殼體類型，考慮到操作難度，換熱介質(zhì)和造價費用，選擇 U 型管換熱器 因為殼體公稱直徑大于 400mm，使用板材卷制殼體和管箱殼體，材料采用Q245R，按照有關(guān)表格，此次設(shè)計 U型管殼體壁厚取 8mm，其中都包括厚度附加量 C2=3mm。則 設(shè)計厚度 ? = PDPc it c2[ ]? ?? = 計算厚度 +3= 有效厚度 ?e =?n C1 C2= 5mm 水壓實驗： PT = [][]??t = MPa 所選材料的屈服應(yīng)力為 235MPa 水壓試驗應(yīng)力校核 ?T = p DT i ee.( ).??? ?2 = MPa 13 試驗壓力允許通過的壓力水平為 ???T? ?s = 水壓強(qiáng)度滿足要求。結(jié)構(gòu)比較簡單，一般的標(biāo)準(zhǔn)換熱器都采用弓形支持板。切口高度一般是直徑的2025%為宜，而板間距 B 的選取最好使殼體直徑處的管間流動面積與支持板切口處的有效流動面積近似相等。而上述原則下確定的尺寸 h 和 B 并不是絕對的，應(yīng)考慮制造、安裝以及實際情況進(jìn)行圓整以及調(diào)整為適于公稱加工的尺寸。 拉桿設(shè)計 支持板一般均采用拉桿與定距管等元件與管板固定，本設(shè)計固定方式采用螺紋焊接方式。 根據(jù) GB1511999 換熱管外徑 25 的拉桿直徑為 16mm，表 44 可以查得拉桿數(shù)為 6根。 管箱短節(jié)設(shè)計 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計 管箱的作用是把管道來的管程流體均勻分部到各傳熱管把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。 管箱結(jié)構(gòu)分類： 14 A 型：裝有盲板，清洗管程只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個管箱。 B 型：用于單程或者多程管箱，優(yōu)點 是結(jié)構(gòu)簡單，便于制作，適用高壓，清潔介質(zhì)，造價低廉，且橢圓封頭受力情況比平端蓋好，缺點是檢查管子和清洗管程必須拆下連接管道和管箱，但這種形式用得最多。 C 型：多管程換熱器的介質(zhì)返回管箱。 結(jié)合本設(shè)計具體情況采用 B型管箱 管箱長度，除考慮流通面積、各相鄰焊縫之間的距離外，還應(yīng)考慮管箱中內(nèi)件的焊接和清洗。 管箱長度，除考慮流通面積、各相鄰焊縫之間的距離外，還應(yīng)考慮管箱中內(nèi)件的焊接和清洗。對于 B 型管箱，由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》公式 )(439。39。 2g m i n ???? ???L 5382561502532260039。 m i n ???????gL 取 gmin39。39。 強(qiáng)度計算： 由之前的計算知，殼體和管箱殼體外徑為 600mm，選取管箱材料與筒體材料相同為 Q245R，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T32742020，熱軋、正火鋼板。 計算壁厚 ? = PDPc it c2[ ]? ?? = 設(shè)計壁厚 取腐蝕裕量 C2=3mm。 16 有效厚度 ?e =?n C1 C2= 5mm PT = [][]??t = MPa M P aSe SeDiT )(P T ???? M p aM p a s 7 2 . 8 0 ???? ?? 強(qiáng)度滿足要求。材料選用與筒體相同的材料 Q245R，厚度 t=8mm，其結(jié)構(gòu)如下圖 44所示： 圖 44 封頭結(jié)構(gòu) 封頭參數(shù)： 根據(jù)《 GB/T 251982020》表 ，當(dāng) H=175mm，mmDN 600?時，iD， 所以 mmDHh i 25460 017 542 ????? mmh 15025175h21 ????? 管箱法蘭 管箱法蘭按 NB/T470212020 選擇標(biāo)準(zhǔn)件 ,材料 16Mn。則 此時負(fù)偏差為 C1=1mm，則 mmCS d ???? 名義壁厚 可取名義壁厚與筒體相同為 8mm。 管板設(shè)計 管板是換熱器的主要部件。 97 年之前我們國家都沒有自己的管板設(shè)計計算公式， 1967 年頒布的《鋼制化工容器設(shè)計規(guī)定》中關(guān)于管板的厚度計算也是引用的英國的計算公式。而這些管板的強(qiáng)度計算公式大多可以概括為以下幾種： （ 1）將管板看作廣義彈性基礎(chǔ)上受均布載荷的圓板，最大彎矩取決邊緣的支承，載荷的大小和幾何尺寸等等因素。 （ 3）讓換熱管保持一定的剛度來為管板的支承，管板看作在固 定支承下的平板，管板的厚度取決管板沒有布管的面積，按照平板計算來計算其強(qiáng)度。知道現(xiàn)在也沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。使管板的支承情況比較符合實際，但是在推導(dǎo)過程中，還存在一些問題，有待進(jìn)一步的提高和改進(jìn)。在管板的設(shè)計中主要是選定合適的結(jié)構(gòu)后進(jìn)行結(jié) 構(gòu)尺寸的確定和強(qiáng)度尺寸的計算。 選擇普通平管板，采用管板延長兼做法蘭的結(jié)構(gòu)，這種形式的管板，先要確定殼體的內(nèi)徑，再依照確定的設(shè)計壓力和殼體的內(nèi)徑在選擇或者設(shè)計法蘭，然后根據(jù)法蘭的相應(yīng)尺寸來確定管板的最大外徑，密封面的位置、寬度、螺栓直徑、位置和螺栓使用數(shù)量等。 管板與殼體的連接 管板與殼體的連接與換熱器的形式密切相關(guān)。 （ 1） 不可拆連接方式 在固定管板式換熱器 中，兩端的兩塊管板在通常情況下是直接焊在殼體上，并 20 且兼作法蘭的作用。當(dāng)然，如果把焊接結(jié)構(gòu)改為角焊縫為單面對接焊，則是有利于焊接質(zhì)量的顯著提高的，可用于殼程設(shè)計壓力較高的場合，但是這種結(jié)構(gòu)焊接時不易調(diào)整。 （ 2）可拆連接方式 一般