固定管板式換熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、固定管板式換熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一章 緒論1 研究的目的和意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展， 以能源為中心的環(huán)境、 生態(tài)等問(wèn)題日益加 劇。世界各國(guó)在尋找新能源的同時(shí)， 也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。 強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但能節(jié)約能源、 保護(hù)環(huán)境， 而且能大大節(jié)約投 資成本。換熱器由于其在化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門的廣 泛應(yīng)用，使得換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直以來(lái)受到研究人員的重視， 各種研究成果不斷涌現(xiàn) 1 。換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備 , 在石油、化工、 冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應(yīng)用普遍。在煉油、化工裝置中換熱 器占總設(shè)備數(shù)量的 40%左右,占總投資的 30%一 45%。近年來(lái)隨

2、著節(jié)能 技術(shù)的發(fā)展 ,換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大 , 帶來(lái)了 顯著的經(jīng)濟(jì)效益 2 。目前,在換熱設(shè)備中 , 管殼式換熱器使用量最大。 因此對(duì)其進(jìn)行研 究就具有很大的意義。換熱器換熱過(guò)程是為了實(shí)現(xiàn)下列目的： 通過(guò)減小設(shè)計(jì)傳熱面積 來(lái)減小換熱器的體積和質(zhì)量 提高已有換熱器的換熱能力 使換熱器能在較低額溫差下正常工作 通過(guò)減小換熱器的流體阻力來(lái)減少換熱器的動(dòng)力消耗2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2.1 管程強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展換熱管是管殼式換熱器的主要組成部分， 以下是列舉的集中國(guó)內(nèi) 外新型高效換熱管以及它們的作用2.1.1 螺旋槽管螺旋槽管是一種管壁上具有外凸和內(nèi)凸的異形管 , 管壁上的螺旋 槽能在有相變和無(wú)相變的傳

3、熱中明顯提高管內(nèi)外的傳熱系數(shù) , 起到雙 邊強(qiáng)化的作用。根據(jù)在光管表面加工螺旋槽的類型螺旋槽管有單頭和 多頭之分 , 其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有槽深 e、槽距 p 和槽旋角。美國(guó)、英 國(guó)、日本從 1970 年至 1980 年間對(duì)螺旋槽管進(jìn)行了大量的研究 12.1.2 橫紋管華南理工大學(xué)曾研究過(guò) 1974 年前蘇聯(lián)提出的一種換熱管，研究表明：在相同流速下， 橫紋管的流體阻力較單頭螺旋槽管的流體阻力要小22.1.3 螺旋扁管 梁龍虎 3 經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究 , 表明螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)通常比普通 圓管大幅度提高 , 在低雷諾數(shù)時(shí)最為明顯 , 達(dá) 23 倍; 隨著雷諾數(shù)的 增大, 通常也可提高傳熱系數(shù) 50%以上。

4、這是由瑞士 Allares 公司首 先提出的一種換熱管。 管子具有獨(dú)特結(jié)構(gòu) , 流體在管內(nèi)處于螺旋流動(dòng) , 促使湍流程度。2.1.4 管內(nèi)插入物英國(guó) CalGavin 公司研制一種叫 Heatex 的插入物 , 它由一組延伸 至管壁的圓態(tài)體組成 , 可使管側(cè)傳熱效率提高 215倍4 。該公司還開發(fā)了一種叫 HitranMatrixElements 的花環(huán)式插入物 , 能在不增大壓降的條件下大大提高傳熱系數(shù)。用于液體工況 , 可使管 殼式換熱器管程傳熱效率提高 25 倍; 用于氣體工況 , 可使相應(yīng)值提高 5 倍。此外 , 與正常流速相比 , 這種插入物使換熱管的防垢能力提高 8 10倍52.1

5、.5 內(nèi)翅片管內(nèi)翅片管的特點(diǎn)是通過(guò)在換熱管管內(nèi)擴(kuò)大換熱面積， 強(qiáng)化管內(nèi)傳 熱途徑來(lái)提高換熱效率。該換熱管在 1971 年由美國(guó)提出，日本，俄 羅斯等國(guó)家進(jìn)行過(guò)大量研究， 研究表明： 內(nèi)翅片管的可以使管內(nèi)換熱 系數(shù)提高到光管的 25 倍62.1.6 縮放管縮放管是由依次交替的多節(jié)漸縮段和漸擴(kuò)段構(gòu)成 , 流體在該管結(jié) 構(gòu)的作用下引起湍動(dòng) , 從而提高傳熱效率?？s放管應(yīng)用于單相流的研 究已開展很多。華南理工大學(xué)提出一種改型縮放管 , 將每個(gè)縮放單元 段中的擴(kuò)張段減到最小 , 并采用外凸圓弧、內(nèi)凹弧和直線相連接的方 式。同時(shí)還對(duì)該改進(jìn)型管進(jìn)行自然對(duì)流沸騰換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究 , 表明了改進(jìn)型縮放管的自然

6、對(duì)流沸騰換熱性能優(yōu)于普通縮放管7陳穎8,9 經(jīng)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算 , 表明該改進(jìn)型縮放管有較好的強(qiáng)化傳熱效果。2.1.7 三維內(nèi)肋管三維內(nèi)肋管是通過(guò)專用的工具經(jīng)過(guò)一定的方法對(duì)普通圓管內(nèi)壁 加工而成的高效強(qiáng)化傳熱元件。 流體在管內(nèi)受到三維肋的作用而使其 熱邊界層的厚度減薄 , 從而提高對(duì)流傳熱膜系數(shù)。在某些煙氣管對(duì)流 換熱中, 三維內(nèi)肋管具有獨(dú)特的自清灰功能 ,李清方10經(jīng)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)煙 氣與三維內(nèi)肋管的對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)光管的 3.2 倍, 比其它強(qiáng)化管如 螺紋管的傳熱效果好。2.2 殼程強(qiáng)化換熱研究進(jìn)展2.2.1 桿式支撐結(jié)構(gòu) 11美國(guó)菲利浦石油公司于 20 世紀(jì) 70 年代, 為改進(jìn)傳統(tǒng)換熱器中管

7、 子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用， 開發(fā)了殼程流體縱流折流桿 式換熱器?？v流形支承結(jié)構(gòu)的特征是殼程流體的流動(dòng)方向與管束平行 這類換熱器基本實(shí)現(xiàn)了殼程、管程流體的完全逆流 , 增大了有效平均 溫差, 提高了傳熱效果。2.2.2 螺旋折流板 12-13從結(jié)構(gòu)上看該換熱器主要包括 2 大類: 一類是沒(méi)有中心管 , 折流 板為非整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu) , 其設(shè)計(jì)原理為 : 將圓截面的特制板安裝 在“虛擬螺旋折流系統(tǒng)”中 , 每塊折流扳占換熱器殼程橫剖面的 1/4, 傾角朝向換熱器的軸線 , 使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng) , 減少了管板與殼體 之間易結(jié)垢的死角 ,從而提高了換熱效率。在氣 -水換熱的情況下 ,

8、傳 遞相同熱量時(shí) , 該換熱器可減少 30% 40%的傳熱面積 , 節(jié)省材料 20%30%。另一類是設(shè)有中心管 , 折流板為整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)。其 設(shè)計(jì)形式是折流板圍繞中心管螺旋纏繞 , 形成整體連續(xù)的螺旋折流板 結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)中報(bào)道較少 , 張正國(guó)等 14和英國(guó)公司 15均有相關(guān) 專利。另外遼寧石油化工大學(xué)陳世醒 16 又提出了一種特殊形式的折流 板。商利艷 17 等分別對(duì)螺旋角為 12、18、 30、 40的單螺旋 板折流換熱器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 , 隨著螺旋角的減小傳熱效果增強(qiáng) 但壓降增大 ,得出螺旋角為 18的綜合性能最好。王樹立 18 等實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明最佳的螺旋角與殼程流體的雷

9、諾數(shù)有關(guān) .2.2.3 空心環(huán)支撐 19 空心環(huán)支承是由華南理工大學(xué)研發(fā)的 , 它是由直徑較小的鋼管截成短 節(jié),均勻分布在換熱管之間的同一截面上 , 呈線性接觸 ,其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。研究表明 , 空心環(huán)管殼式換熱器取代折流板式換熱器使換熱器 鋼材減少 35% 50%,氣體壓降減少 30%40%,已成功應(yīng)用于硫酸工業(yè) 與石化工業(yè)。廣東鶴山市磷肥廠年產(chǎn) 4 104t 硫酸的工業(yè)過(guò)程中 , 應(yīng) 用該換熱器比傳統(tǒng)換熱器節(jié)省換熱面積 50%,節(jié)省鋼材 40%?？招沫h(huán)常 常與強(qiáng)化傳熱管配合使用 ,能夠同時(shí)強(qiáng)化管程、 殼程傳熱 , 可獲得比普 通光管高 80% 100%的傳熱膜系數(shù)。但空心環(huán)支承的擾流作

10、用不如折 流桿支承 , 而且管束固定工藝相對(duì)較復(fù)雜。3 發(fā)展方向管殼式換熱器是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備 , 它具有高的可靠性 和簡(jiǎn)單易用性。特別是在較高參數(shù)的工況條件下 , 管殼式更顯示了其 獨(dú)有的長(zhǎng)處“目前在提高該類換熱器性能所開展的研究主要是強(qiáng)化傳 熱, 適應(yīng)高參數(shù)和各類有腐蝕介質(zhì)的耐腐材料以及為大型化的發(fā)展所 作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。綜上所述,隨著強(qiáng)化傳熱理論的研究 , 加強(qiáng)管殼式換熱 器的改進(jìn), 將高效傳熱管與殼程強(qiáng)化傳熱的支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合是今后換 熱器發(fā)展的一個(gè)重要方向。不僅要重視加強(qiáng)換熱器傳熱元件的研究 而且防腐措施的強(qiáng)化同樣具有舉足輕重的作用 , 綜合考慮各方面因素 生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的換熱

11、器 ,在推動(dòng)生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí) , 也會(huì)獲得較高 的經(jīng)濟(jì)效益。第二章 傳熱工藝計(jì)算2.1 原始數(shù)據(jù)殼程煤油的流量 G1 16000 kg h 殼程煤油的進(jìn)口溫度 t1 120 殼程煤油的進(jìn)口溫度 t1 40 C 殼程柴油的工作壓力 1 0.2MPa 管程冷卻水的進(jìn)口溫度 t2 15 C 管程冷卻水的出口溫度 t2 45 C 管程冷卻水的工作壓力 2 0.25MPa2.2 定性溫度及物性參數(shù)管程冷卻水定性溫度 t2 =(t2 t2 )/2 30 C 管程冷卻水密度查物性表得 2 =995.7 kg m3 管程冷卻水比熱查物性表得 CP2=4.174 KJ Kg C 管程冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)查物性表得 2

12、=0.618 wm C 管程冷卻水的粘度 2 =801.510-6Pa.s 管程冷卻水普朗特?cái)?shù)查物性表得 Pr2=5.41 殼程煤油定性溫度 t1 = t1 Fc(t1 t1 ) =40+0.3(120 40)=64 C 殼程煤油密度查物性表得 1 820 kg 3m 殼程煤油比熱查物性表得 CP1 2.1kJkg C 殼程煤油導(dǎo)熱系數(shù)查物性表得 1 0.13wm C殼程煤油黏度 1 750 10 6Pa s殼程煤油普朗特?cái)?shù)查物性表得 Pr1=1000 1Cp1 1=12.12.3 傳熱量與柴油的出口溫度及柴油的定性溫度取定換熱效率為0.98則設(shè)計(jì)傳熱量 :Q0 G1 C P1t1 t1160

13、00 2.1(120 40)1000 36000.98 1000 / 3600731733.3W冷卻水流量 :G23600731733.3Cp2 (t2 t2)4.174(45-15) 100021036.89Kg/h2.4 有效平均溫度tN t1 t2 t1 t2 120 45 40 15 50 = 45.5 Ct1 ln t1t2t2參數(shù) P：t2t 24515t1t 212015參數(shù) R：120 ln4045 ln315300.286105t1 t1t2 t2120 4045 152.667換熱器按單殼程四管程設(shè)計(jì)， 則查管殼式換熱器原理與設(shè)計(jì)圖 2-6 （ a） 得：溫差校正系數(shù)： 0

14、.75有效平均溫差： tmtN 0.75 45.5 34.13 C2.5 管程換熱系數(shù)計(jì)算參考表 2 7管殼式換熱器原理與計(jì)算 初選傳熱系數(shù)： K0 240 wm C 則初選傳熱面積為：F0K0tm731733.3240 34.13289.34m2 *選用25 2.5 不銹鋼的無(wú)縫鋼管作換熱管。則 管子外徑 d0 0.025m管子內(nèi)徑 di 0.025 2 0.00250.02m管子長(zhǎng)度 l 3m則所需換熱管根數(shù)：NtF089.34d0 l 0.025379.17 =380可取換熱管根數(shù)為 400則管程流通面積為a2Nt4di240044 0.022 0.0314m2 （四管程）管程流速為：

15、2G221036.89a2 3600 995.7 3600 0.03140.187管程質(zhì)量流速為：22995.7 0.187 186.2 kg 2ms管程雷諾數(shù)為 Re2 di995.7 0.187 0.02 464648.015 10 43605 1 0.015t22 0.2100di 0.20.82管程傳熱系數(shù)為：3605 1 0.015 30 0.1870.82.6 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)：查 GB1511999 知管間距按 1.25d 0?。汗苁行呐殴軘?shù)為： Nc 1.1 Nt 1.1 400 22 取 22 根則殼體內(nèi)徑為： Di S Nc 1 4d0 0.032 22 1 4 0.025

16、 0.772 故內(nèi)徑為 0.8m則長(zhǎng)徑比為 L 3 3.75 （合理）Di 0.8折流板由書可知可以選擇弓形折流板。則弓形折流板的弓高為： h 0.2Di 0.2 0.8 0.16m折流板間距為： B Di 0.8 0.267m33折流板數(shù)量為： nB l 1 3 1 10B 0.2672.7 殼程換熱系數(shù)計(jì)算殼程流通面積為：1 BDid0 0.267s0.81 0.025 0.047m20.032殼程流速為： 1G1 3600160003600820 0.0470.115殼程質(zhì)量流速為：W11 8200.115 94.32s殼程當(dāng)量直徑為：deDi2Ntd0Ntd020.82 400 0.0

17、252 0.039400 0.025殼程雷諾數(shù)為：Re11 1de820 0.115 06 .039 4903.61 1 750 10 6切去弓形面積所占比例按 h 0.2 查得為 0.145 Di殼程傳熱因子由管殼式換熱器原理與設(shè)計(jì)書圖 2-12 可查得： Js 45 管外壁溫度假定值為： 40 C壁溫下油的黏度為：u 0.832 10 3Pa s0.14 0.14黏度修正系數(shù)為：110.750.99110.832殼程換熱系數(shù)為：1 r 30.1311 1 Js 12.1 3 0.99 45 3411 de0.0392.8 傳熱系數(shù)計(jì)算查 GB1511999書第 138 頁(yè)可知：殼程選用煤油

18、、管程選用冷卻水污垢熱阻為：1 0.000172 2 0.000344由于管壁比較薄，管殼層阻力損失都不超過(guò) 0.3 103N/m3所以管壁的熱阻 可 以忽略不計(jì)。所以可以計(jì)算出總傳熱系數(shù)為：1 d0 1 d02di2 di11 0.025 0.0250.000172 0.0003443410.02 1190 0.02274.8wm則傳熱系數(shù)比為：KjK0274.82401.145（ 合理）所以假設(shè)合理。2.9 管壁溫度計(jì)算管外壁熱流溫度計(jì)算為：q1Q0731733.3Nt d0l 400 3.14 0.025 37767.9 w m2 C11管外壁溫度為： tw1 t1 q11 64 776

19、7.9 0.000172 39.8 Cw1 1 1 1 1 341誤差校核： tw1 tw 1 39.8 40 -0.2 C因?yàn)檎`差不大，所以合適。2.10 管程壓降計(jì)算d0 1t w2 t 2 q1di230 7767.9 0.0250.021 0.000344 41.5 C1190壁溫下油的黏度為：w265010 6 Pa s0.14黏度修正系數(shù)： 2801.50.141.03w2650查得管程摩擦系數(shù)為：0.032管程數(shù) nt 4管內(nèi)沿程壓為：W22il nt0.187 995.7234 0.03222di2 995.7 0.02 1.03324.5Pa回彎壓降為：W22224nt0.1

20、87 995.7 2 4 42 995.7278.5Pa取進(jìn)出口處質(zhì)量流速為：WN217502s進(jìn)出口管處壓降為：N2WN22221.517502 1.52 995.72307Pa管程污垢校正系數(shù)為：d21.4管程壓降：d2n2 324.5 278.5 1.4 2307 3151.2Pa2.11 殼程壓降計(jì)算殼程當(dāng)量直徑為：de22Di2 Nt d02220.82 400 0.02520.8 400 0.0250.036 m殼程雷諾數(shù)為：W1de 94.3 0.0364526.4e1175010 6經(jīng)查殼程的摩擦系數(shù)為：0.472管束壓降為： 0 W1Di nb11294.32 0.8 10

21、10.47 580.8Pa0 2 1de12 820 0.0390.99Di Nt d0取進(jìn)口管處質(zhì)量流速為： 1000 kg 2ms22取進(jìn)口管壓降為： N1 WN 2 1.5 1000 1.5 915PaN1 2 1 2 820取導(dǎo)流板阻力系數(shù)為： 522導(dǎo)流板壓降為： d WN1 d 1000 5 3049Pa d 2 1 d 2 820殼程結(jié)垢修正系數(shù) d 1.38殼程壓降為： 1 0 d d N1 1.38 580.8 3047 915 4763.5Pa管程、殼程允許壓降為：2 35000Pa11符合壓降條件第三章 強(qiáng)度計(jì)算3.1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)確定序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)

22、來(lái)源及計(jì)算公式數(shù)值1換熱管外徑d0mmGB151-1999管殼式換熱器252管長(zhǎng)lmmGB151-1999管殼式換熱器30003傳熱面積S2 mA Q 管殼式換熱器設(shè) K tm計(jì)原理89.344換熱管根數(shù)N個(gè)NAd0l4005拉桿d n1個(gè)GB151-1999 管殼式換熱器表 43.4416/86材料GB150-1998鋼制壓力容器20#3.2 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(cè)相鄰中心 距SnmmGB151-1999管殼式換熱器443.3 確定筒體直徑1換熱管中心距SmmGB151-19

23、99 管殼式換 熱器表 12322換熱管根數(shù)n根4003分程隔板厚mm同上104管束中心排管的管數(shù)Nc根同上225筒體直徑Dimm同上7726實(shí)取筒體直徑DNmm考慮防沖板向上取8003.4 筒體壁厚的確定序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算公式結(jié)果1工作壓力MPa給定0.252材料GB150-1998 鋼制壓力 容器Q235R3材料許用應(yīng)力tMPaGB150-1998 鋼制壓力 容器2354焊接接頭系數(shù)過(guò)程裝備設(shè)計(jì)0.855殼程設(shè)計(jì)壓力cMPac 1.10.2756筒體計(jì)算厚度mmcDi2 t c0537設(shè)計(jì)厚度dmmdC22.538名義厚 度nmmn dC13.539實(shí)取名義厚度nmmGB151

24、-1999 管殼式換 熱器表 8610負(fù)偏差C1mm過(guò)程裝備設(shè)計(jì)111腐蝕余量C2mm過(guò)程裝備設(shè)計(jì)212計(jì)算厚度emme n C1 C2313設(shè)計(jì)厚 度下圓 筒的計(jì) 算應(yīng)力tMPat c Di e2e35.514校核tMPatt263.9 合格15設(shè)計(jì)溫 度下圓 筒的最 大許用 工作壓 力wMPa2 e t wDie1.243.5 液壓試驗(yàn)序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位根據(jù)來(lái)源及計(jì)算公 式數(shù)值1試驗(yàn)壓力TMPa1.25 c Tt0.412圓筒薄膜 應(yīng)力TMPat Di e t t 2 e41.23校核0.9 s 263.9MPa T 合格3.6 封頭厚度的計(jì)算序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位根據(jù)來(lái)源及計(jì)算公式數(shù)值1設(shè)計(jì)壓力

25、cMPac 1.10.2752材料GB150-1998鋼制壓力 容器Q235R3材料許用應(yīng)力tMPaGB150-1998鋼制壓力 容器2354焊接接頭系數(shù)過(guò)程裝備設(shè)計(jì)0.855封頭計(jì)算厚度mmcDi2 t 0.5 c0.536設(shè)計(jì)厚度dmmd C22537名義厚度nmmn dC13.538實(shí)取名義厚度nmmGB151-1999管殼式換熱器表 869有效厚度emme n C1510設(shè)計(jì)厚度下封頭的計(jì)算應(yīng)力tMPat c Die2e35.511校核0.9 s 263.9MPa t12設(shè)計(jì)溫度 下封頭的 最大許用 工作壓力PwMPa4 e t w2Die1.2513w 合格3.7 法蘭的選擇3.7.

26、1 設(shè)備法蘭的選擇按其條件 DN 800mm設(shè)計(jì)溫度 120 C 設(shè)計(jì)壓力 0.25MPa 由壓力容器法DD1D2D3D4螺柱規(guī)格螺柱數(shù)量81578075074073736M1628蘭選擇甲型平焊法蘭，相關(guān)參數(shù)如下：?jiǎn)挝唬?mm ）由壓力容器法蘭選擇相應(yīng)墊片：非金屬軟墊片 JB/T4704 2000 其相應(yīng)尺寸為： D=739mm d=703mm 3mm3.7.2 接管法蘭的選擇1管程接管的公稱直徑相同設(shè)為 d ，設(shè)進(jìn)出口質(zhì)量流量為 1000 kg 2 ms則da4 21036.89 1061000 3.14 3600 86.25mm同理 db 86.25mm故取 a =b=100mm故取公稱

27、直徑dN2 100mm公稱壓力為 N 2 2.5MPa2 殼程接管的公稱直徑相同設(shè)為 d ，設(shè)進(jìn)出口質(zhì)量流量為 1000 kg 2 ms64 16000 106則 dc75.2mmc 1000 3.14 3600同理 dd 75.2mm故取公稱直徑 dN1 80mm 公稱壓力為 N1 2.5MPa由鋼制管法蘭，墊片，緊固件選擇板式平焊法蘭 a.b 相關(guān)參數(shù)如下DNA/ BDKnLThCB1法蘭理論重量100114.210170418M1618143.17.43/5/108135由鋼制管法蘭，墊片，緊固件選擇板式平焊法蘭 c.d 相關(guān)參數(shù)如下DNA/ BDKnLThCB1法蘭理論重量8088.9

28、190150418M161877.517.4/ 89/ 783.8 、管板的設(shè)計(jì)管板尺寸的確定及強(qiáng)度計(jì)算 :本設(shè)計(jì)為管板延長(zhǎng)部分兼作法蘭的形式，即 GB151-1999項(xiàng)目 5.7 中，圖 18 所示 e 型連接方式的管板。A、確定殼程圓筒、管箱圓筒、管箱法蘭、換熱管等元件結(jié)構(gòu)尺寸及管板的 布管方式；以上項(xiàng)目的確定見(jiàn)項(xiàng)目一至七。B、計(jì)算 A 、 As 、 na 、Kt、 cr 、Ac、Dt、 、Q、 s、 、 t、Pt；序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值1筒體內(nèi)徑Dimm8002筒體內(nèi)徑橫截面積A2 mmA= D12 /45026553筒體厚度smm64圓筒內(nèi)殼壁金屬截面積As2 mmAs

29、s（ D1+ s）151925管子金屬總截面積na2 mmna =n t d t706866換熱管根數(shù)n4007換熱管外徑dmm258換熱管壁厚tmm2.59換熱管材料的彈性模量EtMPaGB150-1998表 F518500010換熱管有效長(zhǎng) 度Lmm292011沿一側(cè)的排管 數(shù)n20012布管區(qū)內(nèi)未能 被管支撐的面 積Ad2 mmAd nS Sn 0.866S104243.213管板布管區(qū)面 積At2 mm2At 0.866nS2 Ad458956.814管板布管區(qū)當(dāng) 量直徑DtmmDt = 4At /764.4415換熱管中心距SmmGB151-19993216隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn

30、mmGB151-19994417管板布管內(nèi)開孔后的面積A12 mm2A1=A n d2 / 4306305.518系數(shù)=A1/ A0.6119殼體不帶膨脹節(jié)時(shí)換熱管束與圓筒剛度比QQ=Et na/ EsAs3.220殼程圓筒材料EsGB150-1998表 F5190000的彈性模量21系數(shù)=na / A10.2122系數(shù)ss =0.4 0.6 1 Q /4.423系數(shù)tt =0.4 10.6 Q /6.524管板布管區(qū)當(dāng) 量直徑與殼程 圓筒內(nèi)徑比PtPt=Dt / Di0.9625管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度LcrmmGB151-1999圖 32200826設(shè)計(jì)溫度下管子受屈服強(qiáng)度t sMPaGB15

31、0-1998表 F2232.527管子回轉(zhuǎn)半徑imm8C. 對(duì)于延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板，計(jì)算 Mn 和Mp序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值1墊片接觸寬度NmmGB150-1998表 9-1252墊片基本密度寬度B0mmB0 =N/212.53墊片比壓力yMPaGB150-1998表 9-2114墊片系數(shù)m2.05墊片有效密封寬度bmmB=2.53 B096墊片壓緊力作用中心圓直徑DGmmDG =D-2b6267預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaNWa =3.14 DG b y194598.368操作狀態(tài)下需要的WpN2Wp =(0.78D G Pc 最小螺栓載荷0.56.28 DGby)1

32、27126.59常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力bMPaGB150-1998表 F4272.510預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積Aa2 mmAa=Wa / b714.111操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積Ap2 mmAp= Wp/ b466.512需要螺栓總截面積Am2 mmAm =maxAa ， Ap714.113法蘭螺栓的中心圓直徑Dbmm68014法蘭中心至 Fc 作用處的徑向距離LGmmLG =(Db- D G)/22715基本法蘭力矩MmN mmMm = Am LGb5253990.7516筒體厚度0mm617法蘭頸部大端有效厚度1mm1 =1.75 010.518螺栓中心至法蘭頸 部與法蘭背面交

33、的 徑向距離LAmmLADb Di / 2 129.519螺栓中心處至 FT 作 用位置處的徑向距 離LTmmLT = ( LA+LG + 1)/233.520作用于法蘭內(nèi)徑截 面上的流體壓力引 起的軸向力FDN2FD =0.785 D12 Pc49311.421流體壓力引起的總 軸向力與作用于法 蘭內(nèi)徑截面上的流 體壓力引起的軸向 力差FTNFT=F - FD7520.922操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓力FGNFG =6.28 DG bmPc9613.223法蘭操作力矩MpN mmMp=FDLD +FTLT +FG LG62.48 10624螺栓中心距 FD作用處的徑向距離LDmmLD =0.

34、5 （Db-Di ）40D、假定管板的計(jì)算厚度為，然后按結(jié)構(gòu)要求確定殼體法蘭厚度f(wàn) ，計(jì)算 K，k、和 Kf 。序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值1假定管板計(jì)算厚 度mm402殼體法蘭厚度f(wàn)mm323管板材料彈性模 量EpMPaGB150-1998表 F53190104換熱管材料的彈性模量EtMPaGB150-1998表 F53191105管板剛度削弱系 數(shù)GB151-19990.46換熱管有效程度Lmm29207管板強(qiáng)度削弱系Gb151-19990.4數(shù)8管子金屬總截面 積na2 mm37444.59換熱管加強(qiáng)系數(shù)KK=（ 1.318 D1 /4.21Et na（ EpL） 0.510管

35、板布管區(qū)的當(dāng) 量直徑與殼程圓 筒內(nèi)徑之比PtPt =Dt/ D10.92811管板周邊布管區(qū)的無(wú)量綱參數(shù)kk=K（ 1- Pt ）0.30312管束模數(shù)KtMPaKt=Et na / （L3174.613殼體法蘭材料彈性模量Ef MPaGB150-1998表 F519010314殼體圓筒材料彈性模量EsGB150-1998表 F5319010315殼體法蘭寬度bfmmbf = Df D1 /257.516系數(shù)GB151-1999圖 260.000417殼體法蘭與圓筒的選裝剛度KfMPa1 2Ef bf K f = f f f 12Di bf32 f 3 Es Di Es 9.69418旋轉(zhuǎn)剛度

36、無(wú)量綱參數(shù)KfKf = K f / （4Kt）0.0024E、由 GB151-1999 P51圖 27 按照 K和Kf 查m1 ，并計(jì)算 值，由圖 29 按照 K和 K f 查 G2 值序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù) 據(jù)來(lái)源和計(jì) 算公 式數(shù)值1管板第一矩系數(shù)m1GB151-1999圖 270.152系數(shù)=m1 / （ K K f ）14.83系數(shù)G2GB151-1999圖 292.2F、計(jì)算 M1，由 GB151-1999圖 30按照 K和 Q查G3 ，計(jì)算 ， M 、 Mf序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值1管箱法蘭 材料的彈 性模量EfMPaGB150-1998表 F531911032管箱法蘭 厚

37、度f(wàn)mmJB/T4702-2000323系數(shù)GB151-1999圖 260.00044管箱圓筒 與法蘭的 旋轉(zhuǎn)剛度 參數(shù)KfMPaKf = 1 2Efbf（2 f”）3 Eh ” f 12 Di bf Di h9.6945管板邊緣 力矩的變 化系數(shù)MM =1/ （ K f / Kf + ）0.986法蘭力矩變化系數(shù)MfM f =Kf M / Kf 0.987管板第二彎矩系數(shù)m2GB151-1999圖 28（a）2.95G、按殼程設(shè)計(jì)壓力 Ps ，而管程設(shè)計(jì)壓力 Pt =0，膨脹變形差 r ，法蘭力矩的的危 險(xiǎn)組合（ GB151-1999項(xiàng)目 5.7.3.2 分別討論）a、只有殼程設(shè)計(jì)壓力 Ps

38、 ，而管程設(shè)計(jì)壓力 Pt =0，不計(jì)膨脹節(jié)變形差（即 r=0）序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值1當(dāng)量 壓力組合PcMPaPc Ps0.332有效 壓力組合PaMPaPasPsr Et1.4523基本 法蘭 力矩系數(shù)Mm3Mm 4Mm /Di3 Pa0.0344管程 壓力 下的 法蘭 力矩系數(shù)MpM p 4M p /Di 3 Pa0.0165管板 邊緣 力矩系數(shù)MM M m M M10.0376管板 邊緣 剪切系數(shù)vvM0.54767管板 總彎矩系數(shù)mm m1 v m2 / 1 v1.08系數(shù)G1G1 maxGLe,GL10.329殼體 法蘭 力矩系數(shù)MwsM wsM mM t M1-3-

39、2.622 1010管板 徑向 應(yīng)力系數(shù)r=1 1 v G1 r =4 Q G20.02311管板 的徑rMPa2r r Pa /D1 /1183向應(yīng)力12管板 布管 區(qū)周 邊外 徑向 的應(yīng) 力系數(shù)rr 3 1 v m/4K Q G20.05813管板 布管 區(qū)周 邊外 徑向 的應(yīng) 力rMPa2r r Pa /Di1 K m K22 m / 2m22.2414管板 布管 區(qū)周 邊剪 切應(yīng) 力系 數(shù)pp 1 v /4 Q G20.0715法蘭 的外徑與 內(nèi)徑之比KK D0 / D11.1916系數(shù)YGB150-1998表 9-510.7517殼體 法蘭應(yīng)力fMPaf 4 Y M ws Pa D1

40、 f 27.918換熱 管的 軸向應(yīng)力tMPat=1 Pc G2 vQ PaQ G 20.99819殼程 圓筒 的軸 向應(yīng) 力cMPac= A 1 v Pa c As Q G26.4920一根 換熱 管管 壁金 屬的 橫界 面積a2 mmna an176.621換熱 管與 管板 連接 的拉 托應(yīng) 力qMPaa q t adl0.061b、只有殼程設(shè)計(jì)壓力，而管程設(shè)計(jì)壓力 Pt=0，并且計(jì)入膨脹變形差。序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值1殼程圓 筒材料 線膨脹 系數(shù)as1/ 0CGB150-1998-611.62 102換熱管 材料線 膨脹系 數(shù)at1/ 0CGB150-1998-610.8

41、8 103換熱管 與殼程 圓筒的 膨脹變 形差rr at tt t0 as ts t0-4-6.476 104沿長(zhǎng)度 平均的 殼程圓 筒金屬 溫度ts0C工藝給定1605沿長(zhǎng)度平均的tt0C工藝給定110換熱管 金屬溫 度6制造環(huán)境溫度t0207當(dāng)量壓力組合PcMPaPc Ps Pt 10.338有效壓力組合PaMPaPa s Ps t Pt r Et-23.7079基本法 蘭力矩 系數(shù)Mm3M m 4M m /D13 Pa-0.002110管程壓 力下的 法蘭力 矩系數(shù)Mp3M p 4M p /D13 Pa-4-9.79 1011管板邊 緣力矩 系數(shù)MM M m M M1-35.334 10

42、12管板邊 緣剪切 系數(shù)vvM0.078913管程總 彎矩系 數(shù)mm m1 v m2 / 1 v0.36614系數(shù)G1G1 =maxGle ， Gl10.215殼體法蘭力矩MwsM wsM m M t M1-3-3.1962 10系數(shù)16管板徑 向應(yīng)力 系數(shù)rr 1 v G1 /4 Q G2-39.99 1017管板的 徑向應(yīng) 力rMPar r Pa D1839318管板布 管區(qū)周 邊外徑 向的應(yīng) 力系數(shù)rr 3 1 v m/4KQ G20.01319管板布 管區(qū)周 邊外徑 向的應(yīng) 力rMPa2r r Pa/ D11 K m K 22 m / 2m33.1520管板布 管區(qū)周 邊的剪 切應(yīng)力

43、系數(shù)TpTp 1 v /4 Q G20.0521管板布 管區(qū)周 邊的剪 切應(yīng)力TpMPaTp Tp PaD1259822換熱管 的軸向 應(yīng)力tMPa1 G 2 vQ t = Pc- 2 PaQ G 2-39.1423換熱管 與管板 連接的 拉托應(yīng) 力qMPaa q t adl-2.38c、只有管程設(shè)計(jì)壓力 Pt ，而殼程設(shè)計(jì)壓力 Ps=0，不計(jì)膨脹節(jié)變形差時(shí)：序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值備注1當(dāng)量壓力組合PcMPaPc Ps Pt 1-0.4662有效壓力組合PaMPaPa=sPt+rEt-2.503管板邊緣力矩系數(shù)MM M m M M10.0234管板邊緣剪切系數(shù)vvM0.345管

44、板總彎矩系數(shù)mm m1 v m2 / 1 v0.866系數(shù)G1G1 maxGLe,GL10.23757管板的徑向應(yīng)力rMPar r Pa /2D1 / 2-13.3t1.5 rr8管板布管區(qū)rr 3 1 v m/ 4K0.038周邊外徑向的應(yīng)力系數(shù)Q G29管板布管區(qū) 周邊外徑向 的應(yīng)力rMPar r Pa /2 D1r 1 Km K22 m /2m-4.25t1.5 rr10管板布管區(qū) 周邊的剪切 應(yīng)力系數(shù)TpTp 1 v /4 Q G20.06211管板布管區(qū) 周邊的剪切 應(yīng)力TpMPaTp Tp Pa /D1-3.4t0.5 r12換熱管的軸向應(yīng)力tMPat=1 Pc- G2 vQ Pa

45、Q G20.23t r13殼程圓筒的軸向應(yīng)力cMPa1vc =A/As Pac Q G2-9.67t r14換熱管與管 板連接的拉 托應(yīng)力qMPaa q t dl-0.5880.5trrd、只有管程設(shè)計(jì)壓力 Pt ，而殼程設(shè)計(jì)壓力 Ps=0，同時(shí)計(jì)入膨脹變形差時(shí)：序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算公式數(shù)值備注1換熱管與殼 程圓筒的膨 脹變形差rr at tt t0 as ts t0-4-6.47 10-42當(dāng)量壓力組PcMPaPc Ps Pt 1-0.466合3有效壓力組合PaMPaPa s Ps t Pt r Et-28.484基本法蘭力矩系數(shù)MmM m 4M m /D1 Pa-61727105管板邊緣力矩系數(shù)MM M m M M1-34.96 10-36管板邊緣剪切系數(shù)vvM0.07347管程總彎矩系數(shù)mm m1 v m2