1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書設(shè)計（論文）題目：煤油冷卻器的設(shè)計設(shè)計（論文）時間：至設(shè)計（論文）進(jìn)行地點(diǎn)：1、設(shè)計（論文）內(nèi)容：對換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，傳熱計算、管、殼程流體阻力計算、管板厚度計算、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。2、設(shè)計（論文）的主要技術(shù)指標(biāo)1處理能力：10萬噸/年煤油2設(shè)備形式：列管式換熱器3操作條件（1）.煤油入口溫度140C,出口溫度40 r（2）冷卻介質(zhì)：白來水 入口溫度 30r 出口溫度40r（3） 允許壓強(qiáng)降： 不大于 100kPa3、設(shè)計（論文）的基本要求1字?jǐn)?shù)文體格式要符合要求 。2概念清晰-內(nèi)容正確-條理分明。3要突出白己的想法和觀占

2、。4材料信息準(zhǔn)確來源要有注明。畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書4、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1夏清，姚玉英,陳常貴,等化工原理M.天津：天津大學(xué)出版社，20012華南理工大學(xué)化工原理教研組.化工過程及設(shè)備設(shè)計M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，19963刁玉瑋,王立業(yè).化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第五版）M.大連：大連理工大學(xué)出版社,20004大連理工大學(xué)化工原理教研室.化工原理課程設(shè)計M.大連：大連理工大學(xué)出版社，19965魏崇光，鄭曉梅.化工工程制圖M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1998 婁愛娟,吳志泉化工設(shè)計M.上海：華東理工大學(xué)出版社，200216化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，20035、進(jìn)度安排及完

3、成情況序號設(shè)計（論文）各階段任務(wù)日期完成情況1查閱畢業(yè)設(shè)計相關(guān)的資料4月11日 4月17日2確定畢業(yè)設(shè)計選題及設(shè)計步驟4月18日4月24日3計算設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)4月25日5月8日4撰寫畢業(yè)論文5月9日 6月19日5準(zhǔn)備畢業(yè)答辯6月20日 6月24日學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 系主任簽名：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。本文引用這三年 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。其中，換熱器是目前應(yīng)用 較為廣泛的換熱設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在相同管束情況下其殼體內(nèi) 徑最小，管程分程較方便。缺點(diǎn)：殼

4、程無法進(jìn)行機(jī)械清洗，殼程檢查困難，殼體 與管子之間無溫差補(bǔ)償元件時會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，即溫差較大時需采用膨脹 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 做為基本構(gòu)件，冷介質(zhì)、余熱介質(zhì)分別在管程與殼程之間流動，以達(dá)到降溫或升 溫的效果。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。通過強(qiáng)度計算合理選擇材料，確保安全運(yùn)行，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低設(shè) 備的制造成本，實(shí)現(xiàn)化工單元操作的最佳化。關(guān)鍵詞：換熱器 管箱 殼體 管板 封頭1.1 題目 -1 -1.2 任務(wù)及操作條件 -1 -1.3列管式換熱器的選擇與核算 -1-2概述 -2 -2.1換

5、熱器概述 -2 -2.2固定管板式 -3 -2.3設(shè)計背景及設(shè)計要求 -4 -設(shè)計背景 -4 -2.3.2 設(shè)計要求 -4 -3熱量設(shè)計 -6 -3.1 初選換熱器的類型 -6 -3.2管程安排（流動空間的選擇）及流速確定 -6 -3.3確定物性數(shù)據(jù) -7 -3.4計算總傳熱系數(shù) -7 -3.4.1 煤油的流量 -7 -3.4.2 熱流量 -7 -3.4.3 平均傳熱溫差 -7 -3.4.4 冷卻水用量 -8 -3.4.5 總傳熱系數(shù)K - 8 -3.5計算傳熱面積 -11 -4機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 -12 -4.1管徑和管內(nèi)流速 -12 -4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) -13-4.3平均傳熱溫差校正及殼程

6、數(shù) -13 -4.4 殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總 -14 -441 殼體內(nèi)徑 -14-4.4.2 換熱管的選型匯總 -14-4.5 折流板 -15-4.6 接管 -19-4.6.1 殼程流體進(jìn)出口時接管 -19-4.6.2 管程流體進(jìn)出口時的接管 -19-4.6.3 接管最小位置 -19-4.7 壁厚的確定、封頭 -20 -4.7.1 壁厚 -20-4.7.2 橢圓形封頭 -20-4.8 管板 -21-4.8.1 管板結(jié)構(gòu)尺寸 -21-4.8.2 管板與殼體的連接 -21-4.8.3 管板厚度 -22-4.9換熱管 -22-4.9.1 換熱管的規(guī)格及尺寸偏差 -22-4.9.2 傳熱管排列和分程

7、方法 -22-4.9.3 橫過管束中心線的管數(shù) -23-4.9.4 布管限定圓 -23-4.10 分程隔板 -24-4.10.1 分程隔板尺寸 -24-4.11 拉桿 -25 -4.11.1 拉桿的直徑與數(shù)量 -25 -4.11.2 連接與尺寸 -25 -4.12換熱管與管板的連接 -26 -4.13. 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖（BI型） -27 -4.13.1 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇 -27 -4.14. 膨脹節(jié)的設(shè)定討論 -27 -4.14.1 管壁溫度的估算 -27 -4.14.2 管子拉脫力 -28 -5、 換熱器核算 -29 -5.1熱量核算 -29 -5.1.1 殼程對

8、流傳熱系數(shù) -29 -5.1.2 管程對流傳熱系數(shù) -30 -5.1.3 傳熱系數(shù) K -31 -5.1.4 傳熱面積 S -32 -5.2流動阻力的計算 -32 -管程流動阻力 -32 -5.2.2 殼程流動阻力 -33 -6、管束振動的計算 -35 -6.1換熱器的振動 -35 -6.1.1 撞擊破壞 -35 -6.1.2 擋板損傷 -35 -6.1.3 接頭泄漏 -35 -6.1.4 應(yīng)力疲勞 -35 -6.1.5 冶金失效 -36 -6.1.6 材料缺陷擴(kuò)展 -36 -6.2流體誘發(fā)換熱器管束振動機(jī)理 -36 -漩渦脫落誘導(dǎo)振動 -36 -6.2.2 紊流抖振 -37 -6.2.3 流

9、體彈性激振 -38 -6.3管束振動的計算 -38 -7、設(shè)計結(jié)果表匯 -41 -謝 詞 -43 -參考文獻(xiàn) -44 -1畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書1.1題目煤油冷卻器的設(shè)計1.2任務(wù)及操作條件處理能力：10萬噸/年煤油設(shè)備形式：列管式換熱器操作條件(1) .煤油：入口溫度140 C,出口溫度40 C(2) .冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度 30 C,出口溫度40 C(3) .允許壓強(qiáng)降：不大于100kPa(4) .煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度 825kg/m3 ，黏度7.15 x 10-4Pa.s，比 熱容 2.22kJ/(kg. C )，導(dǎo)熱系數(shù) 0.14W/(m. C)(5) .每年按330天計，每天

10、24小時連續(xù)運(yùn)行1.3列管式換熱器的選擇與核算傳熱計算管、殼程流體阻力計算管板厚度計算1.3.4 U形膨脹節(jié)計算(浮頭式換熱器除外)管束振動管殼式換熱器零部件結(jié)構(gòu)2概述2.1換熱器概述換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用 35%40%。換熱器在其他部門如 動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計和 選擇得到使用、高效的換熱器對降低設(shè)備的造價和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡稱換熱器，是將熱流體的 部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類型按

11、傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，如表2-1所示。表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類類型特點(diǎn)固定管剛性結(jié)構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般w50 C），管間不能清洗式帶膨脹節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力間管列浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難壁殼管填料函外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)式式式式內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場合釜式殼體上部有個烝發(fā)空間用于再沸、烝煮壁雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中間套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻

12、器、冷凝器或預(yù)熱器沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱式螺旋管式噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱板面螺旋板式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作， 有自潔的作用，可用做回收低溫?zé)崮苁絺惆迨浇Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸畜熱式換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合2.2固定管板式因設(shè)計需要，下面簡單介紹一下固定管板式換熱器。固定管板式即兩端管板和殼體連結(jié)成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單造價低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此

13、殼方流體應(yīng)是較為潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩 流體的溫度差較大時，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。有具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱 器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束的熱膨脹程度不同時，補(bǔ)償 圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種熱補(bǔ)償 方法簡單，但不宜用于兩流體溫度差太大（不大于 70 C）和殼方流體壓強(qiáng)過高（一般 不高于600kPa ）的場合。圖2-1固定管板式換熱器的示意圖1-擋板 2-補(bǔ)償圈 3-放氣嘴2.3設(shè)計背景及設(shè)計要求設(shè)計背景在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛地使用各種換熱器，且他們是上述 這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。在

14、化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用 的10%-20%，在煉油廠約占總費(fèi)用的 35%-40%。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能 源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè) 計、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分的活躍。一些新型的換熱器相繼問世。隨 著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱 器自然有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)與性能；所以在換熱器的設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選 擇使用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計要求完善的換熱器在設(shè)計和選型時應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求：（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：增大傳熱系數(shù)提

15、高平均溫差 妥善布置傳熱面等三個方面具體著手。（2 ）安全可靠換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計算時，應(yīng)遵循我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定和鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定等有關(guān)規(guī)定 與標(biāo)準(zhǔn)。（3 ）有利于安裝操作與維修直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。 設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與拆卸，在 廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與 敷設(shè)保溫層。（4 ）經(jīng)濟(jì)合理評價換熱器的最終指標(biāo)是：在一定時間內(nèi)（通常 1年內(nèi)的）固定費(fèi)用（設(shè)備的購 置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)）等的總和為最小。在設(shè)計或 選型時，如果有幾種換熱器都能完成

16、生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要了。3熱量設(shè)計3.1初選換熱器的類型兩流體的溫度變化情況如下：(1 )煤油：入口溫度140 C,出口溫度40 C；(2)冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度 30 C,出口溫度40 C； 該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進(jìn)行冷卻，冬季操作時，其進(jìn)口溫度會降低，考略到這一 因素，估計所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng) 地進(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。3.2管程安排(流動空間的選擇)及流速確定已知兩流體允許壓強(qiáng)降不大于100kPa ;兩流體分別為煤油和自來水。與煤油相比, 水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，

17、若其流速太低，將會加快污 垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)自來水 走管程，而使煤油走殼程。表3-2.列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍流體種類流速/ (m/s )管程殼程一般液體0.530.51.5易結(jié)垢液體>1>0.5氣體530315表3-3.不同粘度液體的流速(以普通鋼壁為例)液體粘度/mPa . s> 15001500 500500 100100 35351V 1最大流速/ (m/s )0.60.751.11.51.82.4由上表，我們初步選用 25 X 2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取Ui=0.5m/sO3.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體

18、和水等低黏度流體， 其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體（煤油）的定性溫度為：T=140 40 =90 C2管程流體（水）的定性溫度為：t=型衛(wèi)035 C。2在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體（冷卻水和煤油）的物性參數(shù)，見下表:密度/ (kg /m3 )比熱容 / ( kJ/kg? C)粘度 / ( Pa?s )導(dǎo)熱系數(shù)/（W/m?C）煤油8252.227.15 X 10-40.14水(35 C)9944.187.25 X 10-40.6263.4計算總傳熱系數(shù)煤油的流量已知要求處理能力為15萬噸煤油每年（每年按330天計，每天24小時連續(xù)運(yùn)行）, 則煤油的流量為：Wh=10000

19、0t/（330 X 24） =12626kg/hWh熱流體的流量，kg/h ;熱流量由以上的計算結(jié)果以及題目已知，代入下面的式子，有：Q=WhCph（T2）=12626kg/h X 2.22kJ/ kg?°CX （14040） C=778603W平均傳熱溫差計算兩流體的平均傳熱溫差暫時按單殼程、多管程計算逆流時，我們有從而,而此時，我們有:(14040)(4030)In140404030t2t14030T1t114030T1T214040t2t1403039.1 CP0.09R10tm式中 Ti, T2熱流體（煤油）的進(jìn)出口溫度， K或C；ti, t2冷流體（自來水）的進(jìn)出口溫度，

20、K或C；由圖4-19 （參見天津大學(xué)出版社的化工原理（上冊修訂版）233頁）可查得:t =0.82 > 0.8，所以，修正后的傳熱溫度差為：tm=tm' t=39.1 X 0.82=32 C冷卻水用量由以上的計算結(jié)果以及已知條件，很容易算得：Q2802972Wc=67056.7 kg/hCpc（t2 tj 4180（40 30）總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值見表 3-4，有關(guān)手冊中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，可供設(shè)計時參考。選擇時，除要考慮流體的物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類型。表3-4總傳熱系數(shù)的選擇管程殼程總傳熱系數(shù)/W/（m3 C）水（流速為0.91.5m/s

21、 ）水（流速為0.91.5m/s）582698水水（流速較咼時）8141163冷水輕有機(jī)物 i< 0.5mPa s467814冷水中有機(jī)物 1 =0.51mPa s290698冷水重有機(jī)物 i> 1mPa s116467鹽水輕有機(jī)物 i< 0.5mPa s233582有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑1 =0.3198233輕有機(jī)物 卩 0.5mPa s0.55mPa s233465中有機(jī)物=0.5輕有機(jī)物 i< 0.5mPa s1163491mPa s中有機(jī)物 1 =0.51mPa s58 233重有機(jī)物1mPa s重有機(jī)物 i> 1mPa s23264652水（流速為1m/s

22、）水烝氣（有壓力）冷凝17453489水水烝氣（常壓或負(fù)壓）冷凝11631071水溶液2mPa s水蒸氣冷凝5822908水溶液i> 2mPa s水蒸氣冷凝5821193有機(jī)物 i< 0.5mPa s水蒸氣冷凝291582有機(jī)物1 =0.51mPa s水蒸氣冷凝114349有機(jī)物i> 1mPa s水蒸氣冷凝5821163水有機(jī)物蒸氣及水蒸氣冷凝116349水重有機(jī)物蒸氣（常壓）冷凝58 174水重有機(jī)物蒸氣（負(fù)壓）冷凝5821163水飽和有機(jī)溶劑蒸氣(常壓)冷凝174 349水含飽和水蒸氣的氯氣 (V 50 C)總傳熱系數(shù)/W/( m3 C)管程殼程水SO 2冷凝814 11

23、63水NH3冷凝698 930水氟里昂冷凝756(1).管程傳熱系數(shù):Rei皿°.°2 °5 994 任70i0.000725竺 4180 O.。00725 4.84i 0.626a0.02丄()0.8(泄)0.4idiii0.0LRe0'8 Pr0.4 di0.6260.80.40.02313670 4.840.02=2753 W/m 2? C(2).殼程傳熱系數(shù):假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是：。=500 W/m 2? C污垢熱阻：Rsi=0.000344m 2C /WRso=0.000172 m 2C /W管壁的導(dǎo)熱系數(shù):=45 m 2 C /W管壁厚度：b=

24、0.0025內(nèi)外平均厚度:dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得1do bdoRsiidididi=1 - 0.00312 =320W/m 2? °C3.5計算傳熱面積由以上的計算數(shù)據(jù)，代入下面的公式，計算傳熱面積:S'77860376.0m2K tm 320 32考慮15%的面積裕度，貝U:S 1.15S' 87m24機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1管徑和管內(nèi)流速換熱器中最常用的管徑有 ©19mmX 2mm 和（25mmX 2.5mm。 小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳

25、熱面積的金屬耗量更少。所以，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下， 采用©19mmx 2mm 直徑的管子更為合理。如 果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子。標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有 1500mm , 2000mm , 3000mm , 6000mm 等。當(dāng)選用 其他尺寸的管長時，應(yīng)根據(jù)管長的規(guī)格，合理裁用，避免材料的浪費(fèi)選用©25 X 2.5的碳鋼管，管長6m，管內(nèi)流速取u i=0.5m/s4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和流速，可以確定單程傳熱系數(shù):nsVdi2Ui467056.7/(3600 994)20.785 0.020.5119.4120(

26、根)按單程計算，所需傳熱管的長度是:Sd°ns1073.14 0.025 12011.4 m若按單程管計算，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長l=6m，則該傳熱管程數(shù)為：L 11 4Np -2(管程)l 2則傳熱管的總根數(shù)為：N=NpXns=2 X 120=240 (根)4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)由前面的計算已求得，按單殼程、多管程計算，逆流時：tm'=(140 40) (40 30)39 1 c,140 40.ln40 30而此時，我們有:P=t140 30140 300.09R=Tt2Tt1140 4040 30由（參見天津大學(xué)出版社的化工原理（上冊修訂版）

27、233頁）可查得：t=0.82 > 0.8，所以，修正后的傳熱溫度差為：tm= tm' t =39.1 X 0.82=32 C于是，校正后的平均傳熱溫差是 32 C,殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為2。4.4殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總4.4.1 殼體內(nèi)徑采用多管程（2管程）結(jié)構(gòu)，D=a （b-1 ） +2e式中D殼體內(nèi)徑，mm ；a管心距，mm ；b 橫過管束中心線的管數(shù)，管子按正三角形排列：b 1.仁n ;管子按正方形排列：b 1.19、n，n為換熱器的總管數(shù)；e管束中心線上最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取e= （11.5 ）do。殼徑的計算值應(yīng)圓整到最接近部頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，所以，代入數(shù)據(jù)

28、我們有：D=32 X 18+2 X（ 1.01.5 ） X 25=626651 mm取 D=600mm換熱管的選型匯總根據(jù)以上的計算可以得到如下的計算結(jié)果：DN， mm600管程數(shù)2殼程數(shù)1管子規(guī)格©25 X 2.5管子根數(shù)240中心排管數(shù)19管程流通面積，m20.03768換熱面積，m2100換熱器長度，mm6000通過查表，可以發(fā)現(xiàn)下面的結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器和所需的比較接近，故而選擇該種換熱器：DN， mm600管程數(shù)2殼程數(shù)1管子規(guī)格©25 X 2.5管子根數(shù)232中心排管數(shù)16管程流通面積，m20.0364換熱面積，m2107.5換熱器長度，mm60004.5折流板設(shè)置

29、折流板的目的是為了提高流速， 增加湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形圖4-1 (a)、雙弓形圖4-1 (b)、三重弓形圖4-1 (c)等幾種形式。 圖4-1弓形折流板圖42單弓形折流板單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度 h為殼體公稱直徑Dg的15%45%， 最好是20%，見圖4-2 (a);在臥式冷凝器中，折流板底部開一 90 °的缺口，見圖 4-2 (b )。高度為1520mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分 過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時可采用帶堰的折流板，見圖4-2 (c)。

30、在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會 有一部分液體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙 弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點(diǎn)考慮，有些換熱器（如冷凝器）不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱 器的剛度，防止管子振動，實(shí)際仍然需要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按 折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板 間的距離，其結(jié)構(gòu)形式可參見圖4-3。點(diǎn)焊% L圖4-3折流板安裝囹由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm ，150mm ，200mm ， 300

31、mm ，450mm ，600mm ，800mm ， 1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的 20%或50mm，取其中較大值。允許的最大 折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當(dāng)換熱器內(nèi)流體無相變時，其最大折流板間距不 得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜系 數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小，殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設(shè)備成本， 故此間隙要 求適宜折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表4-1所列數(shù)據(jù)表4-1折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm<

32、300300 450450 600600 750> 750200 2503561010400 70056101012700 100068101216> 1000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表4-2（左）中所列數(shù)據(jù)。支承板允許不支承的最大間距可參考表 4-2 （右）所列數(shù)據(jù)殼體直徑/mmv 4004008009001200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400表4-2支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，取弓形折流圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：h=160 mm取折

33、流板間距B=0.3D，則:B=0.3 X 650=195 mm可取 B=200 mm因而查表可得：折流板厚度為 5mm，支承板厚度為8mm，支承板允許不支承最大間距為1800mm折流板數(shù)Nb傳熱管長折流板間距6000 12(塊)折流板圓缺面水平裝配。4.6接管殼程流體進(jìn)出口時接管取接管內(nèi)油品流速為u=1.0 m/s則接管內(nèi)徑為:12626 /(3600 825)3.14 1.00.074m所以，取標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)徑為80mm。查表得，PN<4.0MPa 的接管外伸長度為150mm管程流體進(jìn)出口時的接管取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s ，則接管內(nèi)徑:0.15m|4 67056.7/(3600

34、994) d ,3.14 1.5取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm。查表得，查表得，PN<6.4MPa的接管外伸長度為200mm接管最小位置換熱器設(shè)計之中，為了使換熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)出口接管應(yīng)盡量靠近 兩端的管板，而管箱的進(jìn)出口盡量靠近管箱法蘭，從而減輕設(shè)備重量。所以，殼程和 管程接管的最小位置的計算就顯得很必要了。（1）殼程接管位置的最小尺寸所設(shè)計的為帶補(bǔ)強(qiáng)圈的殼程接管，則殼程接管位置的最小尺寸L1可用如下公式計, DhLi > H (b 4) C2式子中：Dh補(bǔ)強(qiáng)圈的外圈直徑，mm ;b管板厚度，mm ；C補(bǔ)強(qiáng)圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。而且，C > 4S且C

35、 > 32 , S為殼體厚度。經(jīng)計算易得，殼程接管位置的最小尺寸為：120mm。(2)管程接管位置的最小尺寸所設(shè)計的為帶補(bǔ)強(qiáng)圈的管程接管，則管程接管位置的最小尺寸L2可用如下公式計算：. DhL2 > H (b 4) C2式中 Dh補(bǔ)強(qiáng)圈的外圈直徑， mm ;b管板厚度，mm ；C補(bǔ)強(qiáng)圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。而且，C > 4S且C > 32，S為殼體厚度。經(jīng)計算易得，管程接管位置的最小尺寸為：140 mm。4.7壁厚的確定、封頭壁厚查GB151-99P21 表8得圓筒厚度為：8 mm查JB/T4737-95 ，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即 8 mm橢圓形

36、封頭查表可得其尺寸數(shù)據(jù)，見下表表4-3橢圓形封頭的尺寸公稱直徑DN （ mm）曲面咼度h1 （mm ）直邊高度h2 （mm ）碳鋼厚度S（mm ）內(nèi)表面積A2 m容積V2 m質(zhì)里mkg6001502580 . 43740. 035327 . 474.8管板管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要的受壓器件。管板結(jié)構(gòu)尺寸查（化工單元設(shè)備設(shè)計P25-27 ）得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸如下表表4-4固定管板式換熱器的管板主要尺寸:公稱直徑DDiD3D4bcd螺栓孔數(shù)60073069059864536102328管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法

37、。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異，前者的結(jié)構(gòu)見圖4-4，其中圖4-4 （a）形式是在圖4Y兼件法竺的管板管板上開槽，殼體嵌入后進(jìn)行焊接，殼體 對中容易，施焊方便，適合于壓力不高、 物料危害性不高的場合；如果壓力較高， 設(shè)備直徑較大，管板較厚時，可采用圖4-4（b）形式，其焊接時較難調(diào)整。483管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計與管板上的孔數(shù)、孔徑、 孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計算過程較為復(fù)雜，而且從不同角度 出發(fā)計算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足 密封性即可。對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚

38、度可按表4.8選用考慮到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動等原因，建 議最小厚度應(yīng)大于20mm。表4-5管板的最小厚度換熱器管子外徑d /mm70< 25323857管板厚度/mm3d°/4222532換熱管的外徑為25mm，因而管板厚度取為3d0/4=18.75 ，取上述的最小厚度20mm4.9換熱管換熱管的規(guī)格及尺寸偏差經(jīng)過查表得表4-6碳鋼、低合金鋼的換熱管的規(guī)格及尺寸偏差材料換熱管標(biāo)準(zhǔn)管子規(guī)格高精度、較高精度偏差外徑，mm厚度，mm外徑偏差，mm壁厚偏差，mm碳鋼GB/TB8163仝 143022.5± 0.2+12%低合金鋼GB994

39、8-10%傳熱管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的為圖 4-5所示的（a）、（b）、（c）、（d）四種, 即正三角形排列（排列角為30 °）、同心圓排列、正方形排列（排列角為90 °）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45 °）。當(dāng)管程為多程時，貝嚅采取組合排列，圖（e）為二管 程時管小組合排列的方式之一。正三角形的排列方式可在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍， 但管外不易機(jī)械清洗。為了便于清洗管子外表面上的污垢，可采用正方形與轉(zhuǎn)角正方 形排列的管束。在小直徑的換熱器中，常用同心圓排列，在相同直徑的管板上所排列 的管數(shù)比按正三角形排列還多。o &#

40、169; o(b)O O O0 0-0Q G O 0 S O（c）（d）圉4 5管于在管檢上的椰列育式和組合種劉示總圖采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列換熱管的中心距經(jīng)查表可得：（mm ）換熱管外徑d換熱管中心距分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距253244橫過管束中心線的管數(shù)nc 1.19 . N 1.19 240 18.4 19 根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dm=Dj-2b 3=600-2 X 8=584 mm式子中，Di筒體內(nèi)直徑，mmb3大小為0.25d，且大于8mm4.10分程隔板分程隔板尺寸經(jīng)查表，分程隔

41、板的尺寸如下表：表4-7分隔板尺寸公稱直徑隔板最小厚度/mmDN/mm碳素鋼6008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 4-6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4-7， 雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。圖46隔板與管板之間的密封圖雙層隔板與官板的密到4.11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。表4-8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 2501041100128273 , 400 , 500 , 600

42、124800 , 1000126> 12501210經(jīng)查表易得，拉桿數(shù)為為4，直徑為124.11.2 連接與尺寸拉桿示意圖如下所示：圖4-2拉稈示意圖經(jīng)查表，拉桿尺寸如下:表4-9拉桿尺寸拉桿公稱直徑dn /mm數(shù) 量基本尺寸拉桿直徑d/mmLa/mmLb/mmb/mm1241215仝502.0拉桿孔示意圖如下所示:dn 12mm, l21.5dn 1.5 12 18mm4.12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

43、。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4-10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 C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4-11。圖4-11(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4-11 (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4-11 (c)的結(jié)構(gòu)；圖4-11(d)的形式適用于易產(chǎn)生熱裂紋的材料，但加工量大。（C）圖410脹接前后

44、示意圖(d)圖AM焊接的形式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 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)格換熱管最小伸出長度最小坡口深度外徑壁厚/mm”1 /mm/mm252.51.524.13.防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖（BI型）4.13.1 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇因?yàn)樗?u < 3.0m/s，煤油流量 V2825 1

45、.25212892230kg/m.s2,所以管程和殼程都不設(shè)防沖板或?qū)Я魍病?.14.膨脹節(jié)的設(shè)定討論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：卜tW卜ti中，to, ti, tw分別為殼程，管程流體的平均溫度和壁1 1RsoRsioo溫。采用試差法最終求得tw=78.0 C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，Mpa1.01.0壁溫，C78.035材料1010線膨脹系數(shù)1/ C11.8 X 10-611.8 X 10-6彈性模量，Mpa0.21 X 1060.21 X 106尺寸，mm25 X

46、 2 X 6000600 X 6管子殼體數(shù)252管間距32脹接長度，mm29許用拉脫力，Mpa4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:pf dol其中，f=0.866a 2=396.16mm 2，則qp=0.0174Mpa在溫差應(yīng)力作用下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力為:4t dodiqt4dol其中，tE tt ts1 As而同時，2 2Atdodi .N 31792.54As(D S)S(600 6).615273mm2貝 V,t 23.08Mpa,qt 1.79Mpa由于qt和qp的方向相反，故而總拉 脫力為q (qp qt)4.0Mp因而，管子拉脫力在許用范圍之

47、內(nèi)，不許用安裝膨脹節(jié)。5、換熱器核算5.1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：ao 0.36 ( deU)(匯)(一)dew計算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得:ded0a/3224(0.0320.785 0.025 )2=0.020m3.140.025殼程流通截面積:SoBD(1 -空)t0.15 0.65 1凹25 =0.01969m0.032殼程流體流速為:U0qv0A0q m0A012626/(36000.0196982包=0.2167m/s雷諾準(zhǔn)數(shù)為Re。d°Uo0.025 0.2167 825§251Uo0.000715普蘭特準(zhǔn)數(shù)為:Co2

48、220 0.0007150.1411.34。物料被冷卻，粘度校正()0'14取1,將數(shù)值代入0.551/3/、0.14Nu 0.36 Re Pr ()w上式:a00.36 (業(yè)deCP1= 0.36 0140 62510.55 11.343693W/m20C0.02管程對流傳熱系數(shù)= 0.023-()0(蟲)di 口入自來水被加熱，n取0.4，代入已得數(shù)值，有:管道流通面積：0.785 0.022 2400.03768m22管程流體流速:Ui67056.7/(3600 994)0.497m/s0.03768雷諾準(zhǔn)數(shù)為Rei°.°2 °.497 994136

49、280.000725普蘭特準(zhǔn)數(shù)為:Pri4180 O'0007254.84880.6260.0230.6260.02136280.8 4.84880.4 =2748 W/m 2 C傳熱系數(shù)根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB151-99P140-141) 選取污垢熱阻:污垢熱阻：Rsi=0.000344m 2C /WRso=0.000172 m 2C /W還有，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)：=45 m 2 C /W管壁厚度：b=0.0025內(nèi)外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得d。dobdoRsiididi di=0.0252748 0.020.0003440.0250.0

50、20.0025 0.02545 0.02250.000172=390W/m 2 C所以，K的裕度為:h=390320=21.88%傳熱面積S由K計算傳熱面積SQIKtm折2m 88.4946m32074J219.79該換熱器的實(shí)際傳熱面積為:Sp d°L(N nJ=3.14 X 0.025 x(6-0.06 ) x( 232-16 )=100 m 2則該換熱器的面積裕度為：H= S-S = 100 76 32.9% S765.2流動阻力的計算因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊螅砸獙こ毯凸艹痰膲毫捣謩e進(jìn)行核算管程流動阻力管程壓力降的計算公式為:pi ( P1P2)NsNpRei=13670 (前面已求)，為湍流。0 1取關(guān)閉粗糙度0.1mm,相對粗糙度為一0-0.005di 20查Re關(guān)聯(lián)圖，可得摩擦因數(shù):0.035,P1l 2 U 2di°.°35 0.0220.497368.3PaP23 9940.49721289Pa另外，式子中:殼程數(shù)Ns=1管程數(shù)Np=2代入公式中，有：Pi ( PiP2)NsNp=(368.3+1289.0) X 1 X2=3