摘要2換熱器又被叫熱量交換器，是一種把熱流體的熱量傳遞給冷流體的2設備，并且實現化工生產過程中熱量的交換和傳遞不可缺少的設備，在工廠中具有重要的意義。管殼式換熱器具有可靠性高、適應性廣等優點，在各工業領域中得到最為廣泛的應用。U型管式換熱器就是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。折流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設計殼程介質流道，根據介質性質和流量以及換熱器大小確定折流板的多少。管板，就是在圓形鋼板上鉆出比管子外徑一樣略大一些的孔，是換熱器中起到固定管子以及密封介質作用的圓鋼。固定管板換熱器中常用的是U型膨脹節，它具有結構緊湊簡單，補償性好，價格便宜等優點。已知條件為：設計壓力為管程2.0MPa，殼程1.9MPa，工作溫度管程90℃，殼程180℃，設計溫度管程100℃，殼程200℃，管程介質為水，殼程介質為高溫油。依據給定條件，查GB151—1999書第138頁，通過試算法獲得總傳熱系數，所得傳熱面積為73m。考慮到介質特性、其他因素，采用Φ25×2.5的不銹鋼的無縫鋼管作換熱管，本設計采用240根換熱管可滿足換熱量。設定拉桿數量為12，計算得到筒體直徑為DN=700mm。完成了壓降計算、管壁溫度、傳熱系數計算等。強度設計中，依據GB150進行筒體、封頭強度設計及校核，依據流量進行入口接管、出口接管等管口直徑的選擇，依據等面積補強法進行開口補強計算。本設計選擇管板延長兼做法蘭，依據GB151中的彈性支撐假設對管板進行設計和校核，管板與換熱管的連接方式為焊接，拉桿與管板為螺紋連接結構。同時，進行了臥式容器鞍座校核。我設計的U型管換熱器每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區，借助于管箱內的隔板分成進出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應力，結構比浮頭式簡單，但管程不易清洗。關鍵字:

換熱器;U形管

;

折流板

；管板AbstractFor

heat

exchanger

was

called

heat

exchanger

is

akind

of

thethermalfluidheattransfertothecoldfluidequipment,andtherealizationofchemicalproductionintheprocessofheatexchangeandtransmissionofessentialequipment,inthefactoryhasimportantsignificance.Shellandtubeheatexchangerhastheadvantagesofhighreliabilityandwideadaptability,andiswidelyusedinvariousindustrialfields.Utypetubeheatexchangerisashellandtubeheatexchanger,isapetrochemicalequipment,fromthetubebox,shellandtubebundlesandothermajorcomponents,becauseofitsheattransfertubeintoaUshapedandnamed.Baffleplateasthenamesuggestsisusedtochangetheflowdirectionoftheplate,commonlyusedinshellandtubeheatexchangerdesignshellmediumflowchannel,accordingtothenatureofthemediumandflowandthesizeoftheheatexchangertodeterminethenumberofbaffles.Tubeplate,isinthecircularplatedrilledthanthepipediameterasslightlylargerholeischangeintheheatexchangertopipefixingandsealingtheroleofthemediabar.FixedtubesheetforheatexchangerincommonisU-typeexpansionjoint,whichhassimpleandcompactstructure,goodcompensatoryandcheappriceadvantage.Forheatexchangerwascalledheatexchangerisafluidheattransferheattothecoldfluidequipmentandknownconditions:designpressure2.0MPapipes,shell1.9mpa,workingtemperaturetubeprocess90DEGC,shellof180DEGC,designtemperaturetubeprocessatatemperatureof100DEGC,shellside200DEGC,monitormediumforwater,shellsidemediumforhightemperatureoil.Accordingtothegivenconditions,theGB151-1999book138thpages,thetotalheattransfercoefficientwasobtainedbytrialcalculationmethod,theheattransferareawas73m2.Consideringthemediumcharacteristicsandotherfactors,thephi25x2.5stainlesssteelseamlesssteeltube

as

heat

transfer

tube

and

the

design

the

240

tube

can

meet

the

heattransfer.Thenumberof

thesetrodis12,

and

thediameter

ofthecylinder

isDN=1000mm.Thecalculation

ofthepressuredrop,thewall

temperatureandheat

transfer

coefficient

werecompleted.

In

thestrength

design

and

GB150basis

for

cylinder

head

design

and

strength

check,

according

to

theflowofinlet

takeover,outletnozzleandorificediameterselection,onthebasisoftheareafillmethodtoanopeningreinforcementcalculation.Thedesign

selectionofpipeplatetoextend

anddotheflange,basedontheelasticsupportGB151assumption

on

thetubeplatedesign

andcheck,tubeplateandheatexchangertube

connection

for

welding,

tie

rod

and

tube

plate

for

the

threadedconnectionstructure.Atthesametime,thehorizontalvesselsaddlecheck.IdesignedtheUtypetubeheatexchangereachtubeisbentinto

a

Ushape,

both

ends

werefixed

in

thesametubeplate

up

and

down

two

areas,with

thetube

box

ofthepartition

into

theimport

and

export

room

two.Theheatexchangercompletelyeliminatesthethermalstress,simplestructurethanthefloat,butthetubeisnoteasytoclean.Keywords:

Heatexchanger;Baffleplate;Flange;Tube-sheet目

錄第一章綜述

11.11.2

換熱器的發展及用途1換熱器結構形式11.2.11.2.2

換熱器的零部件名稱1換熱器的主要組合部件31.3

間壁式換熱器的類型41.3.11.3.21.3.31.3.41.3.51.3.6

夾套換熱器4沉浸式蛇管換熱器4噴淋式換熱器5套管式換熱器6列管式換熱器6新型高效換熱器81.41.5

換熱器的腐蝕原因及防腐措施11結論12參考文獻12第二章換熱器傳熱工藝計算142.1起始數據142.2定性溫度及確定其物性參數142.3熱量守恒與油流量的計算152.4管程換熱系數計算152.5結構的初步設計：172.6殼程換熱系數計算172.7傳熱系數計算182.82.9

管壁溫度計算19管程壓降計算20第三章U型換熱器結構設計計算213.1換熱管材料及規格的選擇和根數確定213.2管子的排列方式213.3確定筒體直徑213.4筒體壁厚的確定223.5筒體水壓試驗233.6管程標準橢圓形封頭厚度的計算233.7容器法蘭的選擇243.7.1設備法蘭的選擇243.7.2接管法蘭的選擇253.8管板的設計263.9管箱短節壁厚的計算273.10拉桿和定距管的確定283.11折流板的選擇293.11.1選型293.11.2折流板尺寸293.11.3換熱管無支撐跨距或折流板間距293.11.4折流板厚度293.11.5折流板直徑293.12接管及開孔補強303.13分程隔板厚度選取323.14支座的選擇及應力校核323.14.1支座的選擇323.14.2

鞍座的應力校核33第四章結論37參考文獻38致謝40沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述第一章綜述1.1

換熱器的發展及用途能源是當前人類面臨的重要問題之一，能源的開發及轉換利用已成為各國的重要課題之一，而換熱器是能源利用的過程中必不可少的設備，幾乎一切工業領域都要使用它，化工、冶金、動力、交通、航空與航天等一些部門應用尤為廣泛。近幾年由于新技術發展和新能源開發和利用，各種類型的換熱器越來越受到工業界的重視，而換熱器又是節能措施中較為關鍵的設備之一，因此，無論是從工業的發展，還是從能源的高效利用，換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的發展意義。近年來隨著節能技術的快速發展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經濟效益。換熱器分類方式有多樣形式,按照其工作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類型,間壁式換熱器又可分為列管式和板殼式換熱器兩類型,其中列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性,在長期的操作過程中積累了豐富的實用經驗,其設計資料比較齊全,隨著經濟的發展，各種不同型式和種類的換熱器發展都很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現出來。近年來盡管列管式換熱器也受到了新型換熱器的嚴峻挑戰,但由于它具有結構簡單、牢固、操作彈性大、應用材料廣等一些優點,列管式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業中使用的主要類型的換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設備中仍占有顯著的優勢。1.2

換熱器結構形式1.2.1

換熱器的零部件名稱1沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述表1.1序號名稱序號名稱序號名稱1接管法蘭11活動鞍座（部件）21縱向隔板2管箱法蘭12U形換熱管22接管3殼體法蘭13擋管23內導流筒4防沖板14固定鞍座（部件）24圓筒5補強圈15滑到25管箱側墊片6殼體（部件）16管箱墊片26凸形封頭7折流板17管箱圓筒（短節）27雙頭螺柱或螺栓8拉桿18封頭管箱（部件）28放氣口9定距管19分層隔板29螺母10支持板20中間擋板圖1

U型管式換熱器2沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述1.2.2

換熱器的主要組合部件換熱器的主要組合部件有前段管箱、殼體和后端結構（包括管束）三部分組成。詳細分類見圖2。圖2

主要部件的分類及代號3沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述1.3

間壁式換熱器的類型換熱器的分類:（1）按用途分類：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器（2）按冷熱流體熱量的交換方式可分為：混合式、蓄熱式和間壁式（3）主要內容有：1.根據工藝的要求，選擇合適的換熱器類型；2.通過有關計算選擇合適的換熱器規格。1.3.1夾套換熱器夾套換熱器(圖3)的結構：夾套式換熱器的主要用于反應過程的加熱或冷卻，是在容器外壁安裝夾套制成的。優點：結構比較簡單。缺點：傳熱面受容器壁面限制，傳熱系數小。為提高傳熱系數且使釜內液體受熱均勻，可在釜內安裝攪拌器。也可在釜內安裝蛇管。1.3.2

圖(3)沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管換熱器(圖4)結構：這種換熱器多以金屬管子繞成，或制成各種與容器相適應的情況，并沉浸容器內的液體中。優點：結構簡單，便于防腐，能承受高壓。缺點：由于容器體積比管子的體積大得多,因此管外流體的表面傳熱系數較小。4沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述1.3.3

圖（4）噴淋式換熱器噴淋式換熱器(圖5)圖(5)結構：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來，沿管表面流下來，被冷卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進行換熱。在下流過程中，冷卻水可收集再進行重新分配。優點：結構簡單、造價便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好缺點：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。5沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述用途：用于冷卻或冷凝管內液體。1.3.4套管式換熱器套管式換熱器(圖6)圖(6)結構：由不同直徑組成的同心套管，可根據換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。優點：結構簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數較大，能保持完全逆流使平均對數溫差最大，可增減管段數量應用方便。缺點：結構不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。用途：廣泛用于超高壓生產過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。1.3.5列管式換熱器列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用。優點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。結構：殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。根據所采取的溫差補償措施，列管式換熱器可分為以下幾個型式。6沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述（1）固定管板式(圖7)圖(7)1—列管

2—膨脹節殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C，加補償圈，也稱膨脹節，當殼體和管束之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應它們之間的不同的熱膨脹。特點：結構簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產生垢層和腐蝕的介質。（2）浮頭式(圖8)1—分程板（管程隔板）

2—殼程隔板

圖(8)3—內封頭（浮頭）兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應力。特點：結構較為復雜，成本高，消除了溫差應力，是應用較多的一種結構形式。（3）U型管式(圖9)7沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述1—列管

圖(9)2—隔板把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。特點：結構較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。1.3.6新型高效換熱器1.螺旋板式換熱器(圖10)8沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述

圖(10)2.

結構：螺旋板式換熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制成螺旋狀而構成的。換熱時，冷、熱流體分別進入兩條通道，在器內作嚴格的逆流流動。(11)板式換熱器圖9

圖(11)沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述結構緊湊，占用空間小

很小的空間即可提供較大的換熱面積，不需另外的拆裝空間；相同使用環境下，其占地面積和重量是其他類型換熱器的1/3～1/5。3.板翅式換熱器(圖12)圖(12)在兩塊平行金屬板之間夾入波紋狀金屬翅片，兩邊以側條密封，組成一個單元體；將各單元體進行不同的疊集和適當地排列，再用釬焊予以固定，形成逆流、并流和錯流的板翅式換熱器組裝件(芯部或板束)；將帶有進、出口的集流箱焊接到板束上。特點：傳熱效果更好、結構更為緊湊。4.熱管式換熱器(圖13)10沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述圖(13)結構及工作原理：將一根金屬管的兩端密封，抽出不凝性氣體，充以一定量的某種工作液體而成。當熱管的一端被加熱時，工作液體受熱沸騰汽化，產生的蒸汽流至冷卻端冷凝放出冷凝潛熱，冷凝液沿著具有毛細結構的吸液芯在毛細管力的作用下回流至加熱段再次沸騰汽化，工作介質如此反復循環，熱量則由熱管的軸向由加熱端傳至冷卻端。1.4

換熱器的腐蝕原因及防腐措施煉油工業中，換熱器的應用十分廣泛，其重要性也是顯而易見的，換熱設備利用率的高低直接影響到煉油工藝的生產效率以及成本的費用等問題。據統計換熱器在化工建設中約占投資的1/5,因此換熱器的利用效率及壽命是值得研究的重要課題。由換熱器的損壞原因來看，腐蝕是一個非常重要的原因之一，而且換熱器的腐蝕是大量的普遍存在的問題，能夠解決好腐蝕問題，就等于解決了換熱器損壞的根本原因。要想防止換熱器的腐蝕發生，就得弄清楚腐蝕的根源問題，換熱器的腐蝕的原因有兩中：1.換熱器用材的選擇，2.換熱器的金屬腐蝕換熱器幾種常見的腐蝕破壞類型1.均勻腐蝕在整個暴露于介質的表面上，或者在較大的面積上產生的，宏觀上均勻的腐蝕破壞叫均勻腐蝕。2.接觸腐蝕兩種電位不同的金屬或合金互相接觸，并浸于電解質溶解質溶液中，它們之間就有電流通過，電位正的金屬腐蝕速度降低，電位負的金屬腐蝕速度增加。3.選擇性腐蝕合金中某一元素由于腐蝕，優先進入介質的現象稱為選擇性腐蝕。4.孔蝕集11沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述中在金屬表面個別小點上深度較大的腐蝕稱為孔蝕，或稱小孔腐蝕、點蝕。5.縫隙腐蝕在金屬表面的縫隙和被覆蓋的部位會產生劇烈的縫隙腐蝕。6.沖刷腐蝕是由于介質和金屬表面之間的相對運動而使腐蝕過程加速的一種腐蝕。7.晶間腐蝕晶間腐蝕是優先腐蝕金屬或合金的晶界和晶界附近區域，而晶粒本身腐蝕比較小的一種腐蝕。8.應力腐蝕破裂（SCC）和腐蝕疲勞SCC是在一定的金屬一介質體系內，由于腐蝕和拉應力的共同作用造成的材料斷裂。9.氫破壞金屬在電解質溶液中，由于腐蝕、酸洗、陰極保護或電鍍，可以產生因滲氫而引起的破壞。冷卻介質對金屬腐蝕的影響工業上使用最多的冷卻介質是各種天然水。影響金屬腐蝕的因素很多，對幾種常用金屬的影響：1.溶解氧水中的溶解氧是參加陰極過程的氧化劑，因此它一般促進腐蝕。2.其他溶解氣體在水中無氧時CO2將導致銅和鋼的腐蝕，但不促進鋁的腐蝕。3.硬度一般說來，淡水的硬度增高對銅、鋅、鉛和鋼等金屬的腐蝕減小。4.pH值鋼在pH>11的水中腐蝕較小，pH<7時腐蝕增大。5.離子的影響氯離子可以破壞不銹鋼等鈍化金屬的表面，誘發孔蝕或SCC。6.垢的影響淡水中的CaCO3垢。CaCO3垢層對傳熱不利，但是有利于防止腐蝕。1.5

結論計,

換熱器是化工、石油、能源等各工業中應用相當廣泛的單元設備之一。據統在現代化學工業中換熱器的投資大約占設備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設備的40%

左右,

海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調查表明,

雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導地位約64%

。新型換熱元件與高效換熱器開發研究的結果表明,列管式換熱器已進入一個新的研究時期,

無論是換熱器傳熱管件,

還是殼程的折流結構都比傳統的管殼式換熱器有了較大的改變,其流體力學性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究,主要包括管程結構和殼程結構強化傳熱的發展。12沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第一章

綜述參考文獻[1][2][3]

GB150-1998GB151-1999JB/T4737-95

《鋼制壓力容器》《鋼制管殼式換熱器》《橢圓形封頭》.北京：機械工業出版社，1996[4][5][6][7]

JB/T4717-92《U型管式換熱器型式與基本參數》錢頌德主編.《換熱器設計手冊》.北京：化學工業出版，2002.8化工部設備設計技術中心站毛希瀾.《化工設備設計全書（換熱器設計）》《化工設備設計全書》編輯委員會編，化工設備設計全書——換熱器，化學工業出版社，2003年5月第一版13沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算第二章換熱器傳熱工藝計算2.1起始數據殼程油的進口溫度：

t

，1=180℃，t

,,殼程油的出口溫度：

1

=120℃,t,,tth殼程油的工作壓力：P1=1.,t,,tth管程水的進口溫度：=20℃管程水的出口溫度：=90℃管程水的工作壓力：P2=2.0MPa殼程油的流量：G1=110=110000Kg/h2.2定性溫度及確定其物性參數①殼程：殼程油的定性溫度：t1=150℃查表得殼程油的密度：ρ1=730Kg/m3查表得殼程油的比熱：Cp1=2.6KJ/(Kg·

℃)查表得殼程油的導熱系數：λ1=0.097w/(m·℃)殼程油的粘度：μ1=378.5×10-6Pa·s查表得殼程油的普朗特系數：Pr1=10.14②管程：管程油的定性溫度：t2=55℃查表得管程油的密度：ρ2=985.65Kg/m3查表得管程油的比熱：CP2=4.176Kg/(Kg·℃)查表得管程油的導熱系數：λ2=0.654w/(m·℃)查表得管程油的粘度：μ2=509.1×10-6Pa·s14沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算查表得管程油的普朗特系數：Pr2=3.262.3熱量守恒與油流量的計算,,,tt,,,Cp2(t,,,tt,,,Cp2(tt),,,,,,,,,ttln（),,,tt,,,,,ttP===0.4375,,,,,,tt參數：R===0.86其設計傳熱量：Q0=G1×Cp1×(－)×η×1000/3600=110000×2.6×(180－120)×0.98×1000/3600=4671333W則管程苯流量為：Q0G2==3600×467133/4.174×（90-20）×1000=57556.3Kg/h2.4有效平均溫度的公式計算-[(t2t1)(t2t1)]△tn==91.44℃其中有關參數的計算t1t118020t2t29020加熱器器按照單殼程雙管程設計差《管程式換熱器原理與設計》圖2-6（a），得：溫差校正系數∮=0.908有效平均溫差：△tm=∮△tn=0.908×91.44=83℃2.4管程換熱系數計算參考表2—7《管殼式換熱器原理與計算》15沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算K

0

500

w

mCQ4671333Q46713330則初選傳熱面積為：K0tm50083

2=112.56m2選用

25

2.5

不銹鋼的無縫鋼管作換熱管。d=25mm則

管子外徑

0N

t

F113管子內徑di=20mmF113管子長度L=6000mm則所需換熱管根數：d0l

314×0025×6可取換熱管根數為

240a

根Nt

d

2

240

20.022

0.038m

2則管程流通面積為2管程流速為：

22

2Ga2

2

43600

i

2986

4575563600

0.038kg

m

s

（兩管程）管程質量流速為：

W

2

2

2

986421

m

2

sRe

2

2

di

9860.50.02510

19720管程雷諾數為管程

傳

2

0.8

染

系

數

0.8

為

：

2

0.2360010.015t0.2100di

2

2

0.2360010.015900.8330.21000.015

6740166沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算2.5結構的初步設計：查GB151—1999知管間距按1.25d管間距為：S=1.25×0.025=0.031m

0

取：取

管束中心排管數為：18根

N

c

1.1

N

t

1.1

240

18則殼體內徑為：故內徑為0.7mL

Di6

S

N

c

1

4d

0

0.031

18

1

4

0.025

0.627則內徑比為

Di

0.7

8.6

（合理）D0.7折流板間距為：BD0.7折流板間距為：B0.35ml6BB0.35則弓形折流板的弓高為：h0.2Di0.20.70.14m22折流板數量為：實際取15塊2.6殼程換熱系數計算f1

BD

i

1

d

0

0.35

0.7

1

0.0250.025

0.05m

2殼程流通面積為：

G1

3600

s

110000

0.031m

1殼程流速為：

1

f1

3600

730

0.05

0.84kg

s殼程質量流速為：

W1

1

1

7300.84613.2

m

2

sd

e

D

2i

Ntd

20

0.7

2

240

20.0252

0.0567殼程當量直徑為：

Ntd0

240

0.02517沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算殼程雷諾數為：

Re

1

11d1

e

h

7300.840.056737910

91737切去弓形面積所占比例按

Di

0.2查得為0.14560.1460.140.9377管外壁溫度假定值為：壁溫下油的黏度為：黏度修正系數為：殼程換熱系數為2.7傳熱系數計算3311K1d3311K1d1d10.0190.0190.0001720.000172819.440.0156740*0.015wKj則傳熱系數比為：1.11(合理)則油側污垢熱阻為：10.00017220.000172由于管壁比較薄，管殼層阻力損失都不超過0.3×10N/m所以管壁的熱阻可以忽略不計。所以可以計算出總傳熱系數為：1i2imCK0500所以假設合理。18沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算2.8管壁溫度計算管外壁熱流溫度計算為：

q1

N

Q0t0

240

46713333.140.025

6

41325w

m

2

C管

1外1

壁

溫1

度

為

：t

w1

t

1

q1

1

1'

150

41325

419.90

0.0001720.000172

104.9C誤差校核：

t

w1

t

w1

104.91004.9C2D2DN殼程當量直徑為：de

t

d

20

0.7

2

4060.019

2

=0.0445mWd

N

t

d

0

4060.019殼程雷諾數為：Re1

1

1

e

6380.3691010

139582經查殼程的摩擦系數為：12

0.42

2管束壓降為：0

WW

Dinb

1

1

314.8

0.718

0.42

4121Pa

21

d

e

1

2715

0.0445

12取進口管處質量流速為：10002WN2

kg

m

2

s1000

2

1.5取進口管壓降為：

N1

21

1.5

2715

1049Pa取導流板阻力系數為：W

d2

5

1000

2導流板壓降為：d

N121

d

715

56993Pa殼程結垢修正系數

d

1.38殼程壓降為：1

0d

d

N1

1.3841216993104913729Pa管程、殼程允許壓降為：1235000Pa1122符合壓降條件19沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第二章換熱器傳熱工藝計算2.9管程壓降計算t

w2

t

2

q1

dd

0

1

2

9028996

0.0190.015

16740

0.000172

102Ci

2

3壁溫下油的黏度為：2

w22

0.143100.14

333310

0.14

1

w2

310

33222t2i2管程數nt2管內沿程壓為：22di2W2

220.012222679320.012228150.015167942

1380Pa回彎壓降為：b

2

2

4nt

2815kg

2263Pa取出口處質量流速為：W

N2

210002WN2

m

2

s1000

2進出口管處壓降為：N2

2

2

1.5

2815

1.58402Pa管程污垢校正系數為：則管程壓降：

d2

1.22

i

b

d2

n2

138022631.2840212773.6Pa20沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算第三章U型換熱器結構設計計算3.1換熱管材料及規格的選擇和根數確定序號項目符號單位數據來源及計算公式數值1換熱管外徑d0mmGB151--1999《管殼式換熱器》252管長lmmGB151--1999《管殼式換熱器》60003傳熱面積Sm2AKtm《管殼式換熱器設計原理》112.564換熱管根數N個Ndl02403.2管子的排列方式1正三角形排列GB151-1999《管殼式換熱器》圖112換熱管中心距SmmGB151-1999《管殼式換熱器》323隔板板槽兩側相鄰中心距SnmmGB151-1999《管殼式換熱器》1003.3確定筒體直徑21沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算123456

換熱管中心距換熱管根數分程隔板厚管束中心排管的管數筒體直徑實取筒體公稱直徑

N'SN'ncD1DN

mm根mm根mmmm

GB151-1999《管殼式換熱器》表12Nc=1.1NDi=S(NC-1)+4d0考慮防沖板向上取

32240101870010003.4筒體壁厚的確定序號項目符號單位數據來源及計算公式結果1工作壓力MPa給定1.92筒體材料GB150-1998《鋼制壓力容器》Q245R3設計溫度材料的許用應力tMPaGB150-1998《鋼制壓力容器》1674焊接接頭系數《過程裝備設計》0.855殼程設計壓力cMPac1.12.096筒體計算厚度mm2tDic7.287設計厚度dmmdC29.288名義厚度n'mmndC11022沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算9實取名義厚度nmmGB151-1999《管殼式換熱器》表8810負偏差C1mm《過程裝備設計》011腐蝕余量C2mm《過程裝備設計》212計算厚度emmenC1C2813設計厚度下圓筒的計算應力tMPatcD2iee131.6714校核tMPatt179.8合格15設計溫度下圓筒的最大許用工作壓力wMPaw2etie2.33.5筒體水壓試驗序號項目符號單位根據來源及計算公式數值1試驗壓力TMPaT1.25ct2.62圓筒薄膜應力TMPattD2iee164.43校核0.9s240.9MPaT合格3.6管程標準橢圓形封頭厚度的計算23沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算序號123

項目設計壓力材料材料許用應力

t符號tc

單位MPaMPa

根據來源及計算公式c1.1GB150-1998《鋼制壓力容器》GB150-1998《鋼制壓力容器》

數值2.2Q245R16745678910111213

焊接接頭系數封頭計算厚度設計厚度名義厚度實取名義厚度有效厚度設計厚度下封頭的計算應力校核設計溫度下封頭的最大許用工作壓力w

't'tdnnePw

mmmmmmmmmmMPa0.9MPa合格

Dt'DDt'Dciestt420.5cdC2ndC1GB151-1999《管殼式換熱器》表8enC12e240.9MPa2Die

0.857.89.810881392.33.7容器法蘭的選擇DN1000mm3.7.1DN1000mm按其條件

110110C24

設計壓力

2.5MP由《壓力容器法DD4tDD4t1螺柱規格螺柱數量119511401098108810856815542211830M2736DNA/BDKLThC法蘭理論重量200221.5/2193603101226M2430244/24417.4DNA/BDKLThC法蘭理論重量

第三章

u型換熱器結構設計計算蘭》選擇乙型平焊法蘭，相關參數如下：DD123DH

單位（mm）aa

d由《壓力容器法蘭》選擇相應墊片：非金屬軟墊片其相應尺寸為：D=1087mmd=1037mm厚度

JB/T4704—20003mm3.7.2接管法蘭的選擇64Ga80064Ga8009863.143600d197.2mm646800010則d173mmd173mm則同理故取a=b=200mm故取公稱直徑dN2200mm公稱壓力為N22.5MPa2〉殼程接管的公稱直徑相同設為d，設進出口質量流量為1.5m/s8008003.143600d故取公稱直徑dN1200mm公稱壓力為N12.5MPa由《鋼制管法蘭，墊片，緊固件》選擇帶頸對焊法蘭n

B1

a.b相關參數如下由《鋼制管法蘭，墊片，緊固件》選擇帶頸對焊法蘭n

B1

c.d相關參數如下25序號項目符號序號項目符號單位數據來源和計算公式數值D12筒體內徑橫截面積Amm2A=πD12/43846503筒體厚度smm84圓筒內殼壁金屬截面積Asmm2Ass（D1+s）177945管子金屬總截面積namm2na=ntdt7.65×1046換熱管根數n4067換熱管外徑dmm19t9換熱管材料的彈性模量EtMPaGB150-1998表F518500011沿一側的排管數n'20312布管區內未能被管支撐的面積Admm2Adn'SSn0.866S82976.2513管板布管區面積Atmm2At0.866nS2Ad302723.75

第三章

u型換熱器結構設計計算250

219.1/219

360

310

12

26

M24

30

244/244

17.43.8管板的設計計算A計算A、、na、K、、、、、Q、、、、P；本設計為管板延長部分兼作法蘭的形式，即GB151-1999項目5.7中scrctstt1

筒體內徑

mm

7008

換熱管壁厚

mm

210

換熱管有效長度

L

mm

284026沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算14

管板布管區當量直徑

Dt

mm

Dt=

4At/π

62015161718

換熱管中心距隔板槽兩側相鄰管中心距管板布管內開孔后的面積系數

SSnA1

mmmmmm

2

GB151-1999GB151-1999A1=And=A1/A

2

/4

25382695370.719

殼體不帶膨脹節時換熱管束與圓筒剛度比

Q

Q=

Et

×na/

Es

As

0.820212223

殼程圓筒材料的彈性模量系數系數系數

Ess

=/A=/A=0.40.61Q1s

/

1900000.2815.82.51224

管板不管區當量

tPt

t

=0.4

1

0.6Q

/

0.89252627

直徑與殼程圓筒內徑比管子受壓失穩當量長度設計溫度下管子受屈服強度管子回轉半徑

tLcrtsi

mmMPamm

Pt=Dt/DiGB151-1999圖32GB150-1998表F2

20081336.353.9管箱短節壁厚的計算27序號項目序號項目符號單位數據來源及計算公式數值徑dn432拉桿數量GB151-1999《管殼式換熱器》表4483定距管規格GB151-1999《管殼式換熱器》取192管板端螺紋長度Ld45折流板Ls45

第三章

u型換熱器結構設計計算序號項目符號單位數據來源及計算公式數值1設計壓力cMPac1.11.762選材GB150-1998《鋼制壓力容器》選Q345R3計算厚度mm2tDic4.34設計厚度dmmdC26.35名義厚度n'mmn'dC17.36實取名義厚度nmm87有效厚度emmenC7注：其符號意義及取值同筒體壁厚計算的符號及意義。水壓試驗比較筒體的水壓試驗和短節的水壓試驗同樣可以滿足要求。3.10

拉桿和定距管的確定1

拉桿直

mm

GB151-1999《管殼式換熱器》表

12n4

拉桿在

mm

GB151-1999《管殼式換熱器》表

505

拉桿在

mm

GB151-1999《管殼式換熱器》表

1528沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算6

端螺紋長度拉桿上倒角高

b

mm

GB151-1999《管殼式換熱器》表45

2.03.11折流板的選擇3.11.1選型根據GB151—1999《管殼式換熱器》圖板。3.11.2折流板尺寸

37

選擇單弓形水平放置的折流缺口弦高

h

值，一般取

0.20~0.45

倍的圓筒內直徑，取h0.2d

i

0.20.70.14m3.11.3換熱管無支撐跨距或折流板間距由GB151—1999表42知，但換熱管為外徑192鋼管時，換熱管的最大無支撐跨距為l1500mm，且折流板最小間距一般不小于圓筒內直徑五分之一且不小于50mm由傳熱計算得到折流板間距B350mm3.11.4折流板厚度由GB151—1999表34，DN700mm

l1500mm查得折流板最小厚度為

10mm，實取折流板厚度

10mm由GB151—1999表36查得管孔直徑為19.6mm

允許偏差為0~0.4mm3.11.5折流板直徑由GB151—1999表偏差為0.8~0mm

41

查得折流板名義外直徑為DN695.5mm

允許29沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算3.12接管及開孔補強補強及補強方法判別補強判別由

GB150—1998

表

8—1

知當滿足下列所有條件時不另行補強。D本凸形封頭開孔直徑d202mmD本凸形封頭開孔直徑d202mm350mm滿足等面積法開孔和的兩倍；2〉接管公稱直徑小于或等于89mm3〉接管最小壁厚滿足表8—1要求（GB150—1998p75）由于接管200mm的公稱直徑大于89mm所以要補強，但由于設計的筒體或封頭的厚度遠大于理論厚度，所以要進行計算看是否要進行補強。補強計算方法判別開孔直徑ddi2C20021202mm2補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算開孔所需補強面積強度削弱系數fr

trntr

1.0接管有效厚度

et

nt

l211mm

2開孔所需補強面積Ads2有效補償范圍

et

1f

r

2028.581733.16mm有效寬度取值

Bd2

n

2

nt

35021021.9370mm故取B420mm有效高度外側有效高度

30沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算h1

d

nt

2021.919.6mm故h1

20mm內側有效高度h2dnth20故取h20有效補強面積

2021.920mm封頭多余金屬面積封頭有效厚度enC817mm封頭多余金屬面積A1Bde2et接管多余金屬面積

e

1f

r

23020210.2816.8mm

22A2

2h1

et

t

f

r

2h

2

et

C

2

f

r

223.92.51.5744.45mm其中t

cdt

i

1.76200

3.14mm2nc

21700.851.761A21A26.06.036.0mm2有效補強面積AeA1A2A316.844.4536.097.25mm所需另行補強面積

2

2A4

AA1

A2

A32939.297.252842mm'擬采用補強圈補強'補強圈設計根據接管公稱直徑外徑D400mm內徑

DN200

選補強圈，參照補強圈標準31

JB/T4736

取補強圈序號項目符號序號項目符號單位數值1公稱直徑DNmm7002允許載荷QKN170h4底板l1mm640b11mm105腹板2mm8l3b2mm140b3mm2003

第三章

u型換熱器結構設計計算d

'

215mm'A18424補強圈厚度為8.5mm'A18424補強圈厚度為8.5mm'Dd400215考慮鋼板負偏差并經圓整，取補強圈名義厚度為

'n

10mm3.13分程隔板厚度選取根據GB151-1999《管殼式換熱器》，分層隔板厚度取10mm3.14

支座的選擇及應力校核3.14.1支座的選擇根據《鋼制管法蘭

墊片

緊固件

》

JB/T471292鞍式支座的選擇重型BI型焊制鞍式支座（表7）當DN700mm取鞍式支座的相關尺寸如下：3

鞍座高度

mm

200mm

1506

筋板

mm

350mm

1032b4mmb4mm3504emm368螺栓間距l2mm4609帶墊板鞍座質量Mkg2811型號BI7007墊板

弧長

第三章mm

u型換熱器結構設計計算830mm

610

包角

1203.14.2鞍座的應力校核（1）原始數據表序號1234567

項目設計壓力設計溫度物料密度筒體內徑筒體長度公稱厚度厚度附加量

符號TDiLnC

3單位3MPaCkgmmmmmmmmm

數值1.762008151000641210289101112

鞍座型號鞍座中心線離封頭切線的距離鞍座腹寬腹板厚度鞍座包角

BIAbb0

mmmmmm°

F，S型各一個3800270812014

13

容器與封頭的許用應力

t容器與封頭的材料t

MPa

Q245R

1403316鞍座材料許用應力16鞍座材料許用應力tMPa11317容器自重M1kg830718物料重量M2kg502419總重量Mkg1333115

鞍座材料

第三章

u型換熱器結構設計計算Q245B（2）校核計算序號123456

項目支座反力系數系數系數筒體在支座跨中截面處的彎矩筒的支座截

CMM符號CMMF1C2C312

單位NNmmNmm

C1

1FMg211FMg212LL4H414HC122RHCFAAR23L3L2RiLM1FC1LAi

2

數值666550.0061.050.093227645665737

面的彎矩跨中截面處

MPa

M

2

C2

1

L

C3M1

A

C2

3.68

的軸向應力（最高點）跨中截面處

1

1

Ri

e

3.6

2

MPa

2

PRi

M2

19

的軸向應力（最低點）系數

A

2

2

Ri

e

0.0006A

0.094Rie34沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算101112

系數軸向許用壓縮應力

ac比較

1

MPaMPa2

ac

GB150－1998圖6-3acB128MPa，驗算合格

137137筒體和封頭中的切向剪應力13系數K14切向剪應力15橢圓形封頭K的形狀系數16封頭內壓引起應力17

MPaMPa

t

KFLKFL2A4HieKPD3標準橢圓形封頭K1.02e

1.7131.069比較

max

0.8,

max

1.25t

h

，驗算合格18

鞍座截面筒

筒體的周向應力MPa

5

K

5

F

-0.64體最低處的周向應力

eb

21920

系數筒體有效寬

Kb

mm

《過程裝備設計》表5-3

0.76047621

度鞍座邊角處

MPa

b

b

2

FF

Ri12K

e6

FRi2

-2.78筒體的周向應力

4eb

2

L

e2223

系數

K

比較

5

t,t

6

t《過程裝備設計》表5-3t1.25，驗算合格。

0.062425

系數鞍座承受水

KF

'鞍座腹板應力'《過程裝備設計》表5-5N

0.2045938.09平分力

Fs

KF26

鞍座計算高度

H

mm

取實際高度

30035沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第三章

u型換熱器結構設計計算2728

鞍座有效斷

取H

's

和

R=267R=267中較小者為HMPa

's

，即HS=300Fs

1.3429

面平均應力

2

2

9

Hsb

o比較

9

3

sa

3

11375.33，驗算合格36沈陽化工大學科亞學院學士學位論文

第四章

結論第四章結論通過被課題的學習與研究，基本完成了U型管式換熱器的設計任務，收獲頗豐，雖然設計任務完滿完成，但是設計中尚有需要改進和完善之處。成果：（1）通過設計過程對過去學到的專業知識進行了系統的回顧和學習；（2）較全面的了解和學習了U型管式換熱