化工原理課程設(shè)計——煤油冷卻器的設(shè)計

1、中南大學(xué)化工原理課程設(shè)計說明書題目： 煤油冷卻器的設(shè)計 學(xué)院： 化學(xué)化工學(xué)院 班級： 化工0802 學(xué)號： 1505080802 姓名： * 指導(dǎo)教師： 邱運仁 時間： 2010年9月 目錄一.任務(wù)書-2-1.1.題目 1.2.任務(wù)及操作條件 1.3.列管式換熱器的選擇與核算 二.概 述.-3-2.1.換熱器概述 2.2.固定管板式換熱器2.3.設(shè)計背景及設(shè)計要求 三.熱量設(shè)計-5- 3.1.初選換熱器的類型 3.2.管程安排（流動空間的選擇）及流速確定3.3.確定物性數(shù)據(jù)3.4.計算總傳熱系數(shù)3.5.計算傳熱面積四. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.-9-4.1.管徑和管內(nèi)流速4.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)4.3.

2、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)4.4.殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總4.4.折流板4.6.接管4.7.壁厚的確定、封頭4.8.管板4.9.換熱管4.10.分程隔板4.11拉桿4.12.換熱管與管板的連接4.13.防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖(bi型)4.14.膨脹節(jié)的設(shè)定討論五. 換熱器核算.-21-5.1.熱量核算5.2.壓力降核算六.管束振動.-25- 6.1.換熱器的振動6.2.流體誘發(fā)換熱器管束振動機理6.3.換熱器管束振動的計算6.4.振動的防止與有效利用七. 設(shè)計結(jié)果表匯.-28- 八.參考文獻(xiàn).-29- 附：化工原理課程設(shè)計之心得體會-30-一.化工原理課程設(shè)計任務(wù)書1.1.題目煤

3、油冷卻器的設(shè)計 1.2.任務(wù)及操作條件1.2.1處理能力：40t/h 煤油1.2.2.設(shè)備形式：列管式換熱器1.2.3.操作條件(1).煤油：入口溫度160，出口溫度60(2).冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度17，出口溫度30(3).允許壓強降：管程不大于0.1mpa,殼程不大于40kpa(4).煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)=825kg/m3，黏度7.1510-4pa.s，比熱容2.2kj/(kg.)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14w/(m.)1.3.列管式換熱器的選擇與核算1.3.1.傳熱計算1.3.2.管、殼程流體阻力計算1.3.3.管板厚度計算1.3.4.膨脹節(jié)計算1.3.5.管束振動1.3.6.管殼式換熱器

4、零部件結(jié)構(gòu)二.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，換熱器的費用約占總費用的10%20%，在煉油廠約占總費用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)分類類型特點間壁式管殼式列管式固定管式剛性結(jié)

5、構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗帶膨脹節(jié)有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(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)清洗及檢修困難填料函式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)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蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙套管式結(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)器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺旋管式沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱

6、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)崮軅惆迨浇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蓄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。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(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)考慮熱補償。有具有補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個補償圈，當(dāng)外殼和管束的

7、熱膨脹程度不同時，補償圈發(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。這種熱補償方法簡單，但不宜用于兩流體溫度差太大（不大于70）和殼方流體壓強過高（一般不高于600kpa）的場合。1-擋板 2-補償圈 3-放氣嘴圖2.2.1.固定管板式換熱器的示意圖2.3.設(shè)計要求完善的換熱器在設(shè)計和選型時應(yīng)滿足以下各項基本要求：（1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：增大傳熱系數(shù)提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

8、）有利于安裝操作與維修直立設(shè)備的安裝費往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運輸與拆卸，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。在設(shè)計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要了。三.熱量設(shè)計3.4.計算總傳熱系數(shù)3.4.2.熱流量以熱介質(zhì)煤油為計算標(biāo)準(zhǔn)算它所需要被提走的熱量:q=ms1cp1(t1-t2)=40000x2.2x(160-60)=8800kj/h=244

9、4.4kw3.4.3.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，我們有煤油：16060水： 3017從而， 而此時，我們有： 式中：熱流體（煤油）的進(jìn)出口溫度，；冷流體（自來水）的進(jìn)出口溫度，； =0.9610.9符合要求則平均傳熱推動力：tm=tm,逆=0.961x78.6=75.53.4.4.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：qc=8800000/4.185x(30-17) =161750/h3.1.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160，出口溫度60；（2）冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度17，出口溫度30；該換熱器

10、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，故從安全方便考慮可以采用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器3.3.確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，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= (160+60)/2=110管程流體（水）的定性溫度為：t=（30+17）/2=23.5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/（/m3）比熱容/（kj/kg）粘度/（pas）導(dǎo)熱系數(shù)/（w/m）煤油8252.27.1510-40.14水997

11、.34.1859.2510-40.6063.2.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降分別不大于0.1mpa,40kpa；兩流體分別為煤油和水。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，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）管程殼程冷卻水13.50.51.5一般液體(黏度不高)0.53.00.21.5低黏油0.81.80.41.0高黏油0.51.50.30.8由上表，我們初步選用252.5的碳鋼管，則管內(nèi)徑di

12、=25-2.52=20mm管內(nèi)流速取ui=1.6m/s,從管內(nèi)體積流量為：i =n (/4) 0.021.636300=161750/997.3=162.6m/h解得n=90傳熱面積：a=nd。l=24444.410/(35075.5)=92.5可以求得單程管長l=92.5/3.140.025)=13.09m若選用4.5m長的管，需要4管程，則一臺換熱器的總管數(shù)為490=360根.查化學(xué)工業(yè)出版社第三版譚天恩主編的化工原理附錄十九，可以初步確定換熱器的主要參數(shù)見下表：項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)殼徑d(dn)800mm管尺寸25mm2.5mm管程數(shù)np(n)4管長4.5m管數(shù)n442管排列方式組合式排列中

13、心排管數(shù)nc23管心距32mm管程流通面積si0.0347m 傳熱面積152.7m 注：由于是多程，故為了方便安裝分程板，采用組合式排列跟方便。對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行核算：每程的管數(shù)n1 =n/np=4224=110.5,管程流通面積si =(/4) 0.02110.50.03471與表中的數(shù)據(jù)0.0347相符的很好傳熱面積 a=d0 ln=3.140.0254.5442156.2稍大于表中152.7,這是由于管長的一部分需用于在管板上固定管子，應(yīng)以表中的值為準(zhǔn)由于換熱管是組合式排列，除在分程板兩側(cè)采用正方形排列外，大部分地方采用的是正三角形排列，故中心排管數(shù)可以按照正三角形排列的形式計算：中心排管

14、數(shù) nc 1.1=1.1=2423阻力的計算管程 流速 ui =1.3m/s 雷諾數(shù) rei =280322000 流動形式為湍流 由/d=0.005 rei=28032 帶入經(jīng)驗公式=0.1（/d+ 68/re） 可得i=0.03238 管內(nèi)的阻力損失 pi =i(ui)/2=0.032384.51.3997.30.022=6139.6pa 回彎阻力損失 pr=3(ui) /2=31.3 997.32=2528.2pa則管程內(nèi)總壓降為：pt=(pi +pr)ftnsnp=(6139.6+2528.2) 1.44=48539.7pa=48.54kpa0.1mpa故殼程的壓降滿足題目中的要求殼程

15、 取折流擋板間距為 h=0.2m計算截面積 s0 =h(d-ncd0 =0.2(0.8-240.025)=0.04計算流速 u0 =0.34m/s雷諾數(shù)的計算 re0 = =0.0250.34825(3)=2338re0500摩擦系數(shù)f0 = 5.0/( re0)=5.02338=0.85則折流擋板數(shù) nb =-1=4.50.2-1=22管束的損失p1=ff0nc(nb+1) (u0)=0.50.8524(22+1)8250.34 2= 11187pa缺口損失p2=nb(3.5-)(u0)/2=22（3.5-）8250.34 ）/2=3147pa則殼程損失ps=p1+p2=11187+3147

16、=14334=14.3kpa40kpa即殼程的壓降也滿足題意綜上核算初步認(rèn)為所選的換熱器適用3.4.5.總傳熱系數(shù)k總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值見表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）水（流速為0.91.5m/s）水冷水冷水冷水鹽水有機溶劑輕有機物0.5mpas中有機物=0.51mpas重有機物1mpas水（流速為1m/s）水水溶液2mpas水溶液2mpas有機物0.5mpas有機物=0.51mpas有機物1mpas水水水水水水水水水（流速為0.91.

17、5m/s）水（流速較高時）輕有機物0.5mpas中有機物=0.51mpas重有機物1mpas輕有機物0.5mpas有機溶劑=0.30.55mpas輕有機物0.5mpas中有機物=0.51mpas重有機物1mpas水蒸氣（有壓力）冷凝水蒸氣（常壓或負(fù)壓）冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝有機物蒸氣及水蒸氣冷凝重有機物蒸氣（常壓）冷凝重有機物蒸氣（負(fù)壓）冷凝飽和有機溶劑蒸氣（常壓）冷凝含飽和水蒸氣的氯氣（50）so2冷凝nh3冷凝氟里昂冷凝5826988141163467814290698116467233582198233233465116349582332326465217

18、4534891163107158229085821193291582114349582116311634958174582116317434981411636989307561）.管程傳熱系數(shù)：rei=28032pri=nui= =0.023=174.58i=0.023= nui()=174.58()=5289.9 w/m22）.殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是： =500 w/m2污垢熱阻： rsi=0.000344m2/wrso=0.000172 m2/w管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2/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，以外管為基準(zhǔn)，代入以上

19、數(shù)據(jù)得： =1(+0.000344+0.000172+)=320w/m2 3.5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：與換熱器列出的傳熱面積a=152.7比較有 有近34%的裕度，從阻力損失和傳熱面積來看所選的換熱器適用。四. 機械結(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19mm2mm和25mm2.5mm。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19mm2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體

20、，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，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比一般為425,常用的為610選用252.5的碳鋼管，管長4.5m,速取ui=1.3m/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)：ns=按單程計算，所需傳熱管的長度是：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：則傳熱管的總根數(shù)為：n=npns=2120=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

21、程計算，逆流時：=39.1而此時，我們有：p=r=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：=0.820.8，所以，修正后的傳熱溫度差為：= =39.10.82=32于是，校正后的平均傳熱溫差是32，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； 管心距，mm； 橫過管束中心線的管數(shù)，管子按正三角形排列：=1.1；管子按正方形排列：=1.19，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）d。殼徑的計算值應(yīng)圓整到最接近部

22、頒標(biāo)準(zhǔn)尺寸，見表4.5。所以，代入數(shù)據(jù)我們有： d=32*18+2*（1.01.5）*25 =626651mm取d=600mm4.4.2.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*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*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)

23、置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（圖1-20）和圓盤-圓環(huán)形折流板（圖1-21），弓形折流板又分為單弓形圖1-20（a）、雙弓形圖1-20（b）、三重弓形圖1-20（c）等幾種形式。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1-22（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90的缺口，見圖1-22（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1-22（c）。在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較

24、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1-23。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，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最小折流板間距為殼體

25、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5.5.1所列數(shù)據(jù)。表5.5.1. 折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm300300450450600600750750200250356101040070056101

26、0127001000681012161000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表5.5.2(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5.5.2（右）所列數(shù)據(jù)。殼體直徑/mm4004008009001200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400表4.6.3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=160mm取折流板間距b=0.3d，則：b=0.3650=195mm可取b=200mm因而查表可得：折流板厚度為5mm，支承板厚度為8mm

27、，支承板允許不支承最大間距為1800mm。折流板數(shù)nb=折流板圓缺面水平裝配。4.6.接管4.6.1.殼程流體進(jìn)出口時接管取接管內(nèi)油品流速為u=1.0m/s則接管內(nèi)徑為：d=所以，取標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)徑為80mm。查表得，pn4.0mpa的接管外伸長度為150mm。4.6.2.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：d=取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm。查表得，查表得，pn6.4mpa的接管外伸長度為200mm。4.6.3.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

28、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)計的為帶補強圈的殼程接管，則殼程接管位置的最小尺寸l1可用如下公式計算：l1式子中：補強圈的外圈直徑，mm b管板厚度，mm c補強圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。而且，c4s且c32,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)計的為帶補強圈的管程接管，則管程接管位置的最小尺寸l2可用如下公式計算：l2式子中：補強圈的外圈直徑，mm b管板厚度，mm c補強圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離，mm。而且，c4s且c32,s為殼體厚度。經(jīng)計算易得，管程接管位置的最小

29、尺寸為：140mm。4.7.壁厚的確定、封頭4.7.1.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8mm4.7.2.橢圓形封頭示意圖如下：查表可得其尺寸數(shù)據(jù)，見下表公稱直徑dn（mm）曲面高度（mm）直邊高度（mm）碳鋼厚度（mm）內(nèi)表面積 a 容積 v 質(zhì)量mkg600150258043740035327474.8.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。4.8.1.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：公稱直徑dbcd螺栓孔數(shù)600730690598

30、645361023284.8.2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。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1-15，其中圖1-15（a）形式是在管板上開槽，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1-15（b）形式，其焊接時較難調(diào)整。4.8.3.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

31、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，其最小厚度可按表4.8選用?？紤]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4.8. 管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm25323857管板厚度/mm3/4222532換熱管的外徑為25mm，因而管板厚度取為3/4=18.75，取上述的最小厚度20mm。4.9.換熱管4.9.1.換熱管的規(guī)格及尺寸偏差經(jīng)過查表，對于碳鋼、低合金鋼的換熱管的規(guī)格及尺寸偏差見下表：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

32、143022.50.2+12%低合金鋼gb9948-10%4.9.2.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1-9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，則需采取組合排列，圖1-10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。

33、圖4.4.管子在管板上的排列方式和組合排列示意圖采用組合排列法，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2532444.9.3橫過管束中心線的管數(shù)nc=4.9.4.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下可得：dm=di-2b3=600-2*8=584mm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4.10.1分程隔板尺寸經(jīng)查表，分程隔板的尺寸如下表：公稱直徑 dn/mm隔板最小厚度/mm碳素鋼60084.10.2.管子和

34、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1-18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1-19，雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。4.11拉桿4.11.1.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5.11.1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)2002501041100128273，400，500，60012412501210800，1000126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：經(jīng)查表，拉桿尺

35、寸如下：拉桿公稱直徑/mm數(shù)量基本尺寸拉桿直徑d/mm/mm/mm/mm1241215502.0拉桿孔示意圖如下所示：,4.12.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。脹接是靠管子的變形來達(dá)到密封和壓緊的一種機械連接方法，如圖1-13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以上，蠕變會造成脹接殘余應(yīng)力減小，一般

36、采用焊接。焊接接口的形式見圖1-14。圖1-14（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1-14（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1-14（c）的結(jié)構(gòu)；圖1-14（d）的形式適用于易產(chǎn)生熱裂紋的材料，但加工量大。脹接和焊接方法各有優(yōu)缺點，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

37、得到比較廣泛的應(yīng)用。換熱管規(guī)格外徑壁厚/mm換熱管最小伸出長度最小坡口深度/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擇因為水u=3.0m/s，煤油流量 ,所以管程和殼程都不設(shè)防沖板或?qū)Я魍病?.13.2.鞍式支座(bi型)：4.14.膨脹節(jié)的設(shè)定討論4.14.1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：中，to，ti，tw分別為殼程，管程流體的平均溫度和壁溫。采用試差法最終求得tw=78.04.14.2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

38、表：管子殼體操作壓力，mpa1.01.0壁溫，78.035材料1010線膨脹系數(shù)1/11.8*10-611.8*10-6彈性模量，mpa0.21*1060.21*106尺寸，mm25*2*6000600*6管子數(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：其中，f=0.866a2=396.16mm2，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：其中，而同時，at=因而，管子拉脫力在許用范圍之內(nèi)，不許用安裝膨脹節(jié)。五.換熱器核算5.1熱量核算5.1.1殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形的折流板，可采用克

39、恩公式：計算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得：= =0.020m殼程流通截面積：so= =0.01969m殼程流體流速為： = =0.2167m/s雷諾準(zhǔn)數(shù)為：reo=普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：pro= nu=0.36re。物料被冷卻，粘度校正取1， 將數(shù)值代入上式： =693w/m25.1.2管程對流傳熱系數(shù) =自來水被加熱，n取0.4，代入已得數(shù)值，有： 管道流通面積：si=0.7850.022=0.03768m2管程流體流速：ui=雷諾準(zhǔn)數(shù)為rei=普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：pri= =2748 w/m25.1.3傳熱系數(shù)k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：

40、 rsi=0.000344m2/wrso=0.000172 m2/w還有，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2/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 = =390w/m2所以，k的裕度為:h=21.88%5.1.4傳熱面積s由k計算傳熱面積=該換熱器的實際傳熱面積為：sp= =3.140.025（6-0.06）（232-16） =100m2則該換熱器的面積裕度為：h=32.9%5.2流動阻力的計算因為殼程和管程都有壓力降的要求，所以要對殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。5.2.1管程流動阻力管程壓力降的計算公式為：rei=13670（前面已

41、求），為湍流。取關(guān)閉粗糙度查另外，式子中：殼程數(shù)ns=1管程數(shù)np=2代入公式中，有：=（368.3+1289.0）12=3314.6pa100kpa5.2.2殼程流動阻力 由于殼程流體的流動狀況比較地復(fù)雜，所以計算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計算殼程壓力降：殼程壓力降埃索法公式為：流體橫過管束的壓力降，pa；流體通過折流擋板缺口的壓力降，pa；fs殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，無因次，對于液體取1.15，對于氣體取1.0；ns殼程數(shù)；而=0.139，nc=19，nb=29,uo=0.20m/s。f管子排列方法對壓力降的校正系數(shù)，對正三角形排列，f=0.5，對正方

42、形斜轉(zhuǎn)45o排列，f=0.4，正方形排列，f=0.3;fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)re500時，nc橫過管束中心線的管子數(shù)，對正三角形排列ncnb折流擋板數(shù)代入數(shù)值得：=0.50.1391930825=653.6pa而，其中h=0.2m，d=0.65m，nb=29,d殼徑，mh折流擋板間距，mdo換熱器外徑，muo按殼程流通截面積s計算的流速，而s=h（d-ncdo）代入數(shù)值得： =29（3.5-） =1380pa對于液體=1.15，于是我們有：=1.151（1380+653.6）=2317pa100kpa經(jīng)過以上的核算，我們發(fā)現(xiàn)，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。六.管束振動的計算6.1換熱器

43、的振動隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，管殼式換熱器逐漸趨于大型化，并且，由于換熱器尺寸和管束支撐間距的增大，以及流體流速的增大、運行工況不穩(wěn)定等因素影響，經(jīng)常引起換熱器管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動，造成換熱器的局部失效甚至整體報廢，所以應(yīng)想法預(yù)防振動。只有當(dāng)流體誘發(fā)振動的頻率與傳熱元件的固有頻率一致或相當(dāng)接近時,傳熱元件的振幅激增,才導(dǎo)致破壞。通常,傳熱管是換熱器中撓性最大的部件,對振動也最敏感。在管殼式換熱器的殼程中，流體橫向流過管束時，流體誘發(fā)震動的主要原因是:卡門漩渦（有聲震動或無聲震動）、紊流抖動（有聲震動或無聲震動）、流體彈性不穩(wěn)定。大多數(shù)振動破壞都是換熱器管束的機械損壞，主要的

44、有以下幾點:6.1.1撞擊破壞當(dāng)管子振動的振幅大到足以使相鄰管子互相撞擊,或邊緣管不斷擊打殼體,在管子的撞擊部位將產(chǎn)生特有的菱形磨損形式,管壁不斷減薄而至最后開裂。6.1.2擋板損傷為了便于安裝,一般擋板開孔較管子直徑略大,當(dāng)擋板較薄時,管子振動會在管壁與擋板孔邊緣之間產(chǎn)生較高的接觸力,對管子有一種鋸割作用,短時間內(nèi)即可將管子切開發(fā)生局部失效。6.1.3接頭泄漏管子與管板的連接處是換熱器中十分重要的結(jié)構(gòu),然而在工程實際中,由于管子振動使管子與管板連接處受力較大,從而導(dǎo)致脹接或焊接點的損壞,造成泄漏。6.1.4應(yīng)力疲勞管子振動的振幅較大時,管子反復(fù)彎折的扭彎應(yīng)力較高,長時間的連續(xù)振動會使管子斷裂

45、。這種損傷還會由于腐蝕作用而加速。6.1.5冶金失效振動使換熱管產(chǎn)生交變應(yīng)力,導(dǎo)致管子表層的氧化層脫落,管子表面留下坑點。在坑點處引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致管子失效,縮短了管子壽命。6.1.6材料缺陷擴展振動所引起的應(yīng)力脈動會使管材中的微觀缺陷擴展,以致產(chǎn)生大裂紋,最終使管子受到破壞。另外，橫流流動與激振機理與流體介質(zhì)還有一定的關(guān)系，具體見下表：表6.1.6. 橫流流動與激振機理與流體介質(zhì)關(guān)系表流動情況漩渦分離湍流抖振流體彈性不穩(wěn)定性聲共振液流中可能發(fā)生可能發(fā)生重要-氣流中不能發(fā)生可能發(fā)生重要重要兩相流中不可能發(fā)生不重要重要不大可能 因為所涉及的是煤油與冷卻水，均是液體，和湍流抖振漩渦分離、湍流抖振、

46、流體彈性不穩(wěn)定性這三者相關(guān)性較大，便主要從這三方面進(jìn)行分析。6.2流體誘發(fā)換熱器管束振動機理管殼式換熱器管束振動主要是由殼程流體流動所引起的,而管程流體流動的影響可忽略不計。產(chǎn)生振動的振源為流體穩(wěn)定流動產(chǎn)生的振動,流體速度的波動,通過管道或其它連接件傳播的動力機械振動等,橫向流是流體誘導(dǎo)管束振動的主要根源。6.2.1漩渦脫落誘導(dǎo)振動卡門漩渦頻率按下面的公式確定：fv=st式子中：fv卡門漩渦頻率，hzst斯特羅哈數(shù)，無因次，對于按正三角形與正方形排列的管束，可根據(jù)節(jié)徑比xp=s/do計算，st=1/1.16xp，經(jīng)計算，所設(shè)計的換熱器的st =0.6735v橫流速度，m/sdo換熱管外徑，ms

47、換熱管的中心距，m由此可見，當(dāng)管束直徑一定時，流速越大，流體誘導(dǎo)頻率越大，當(dāng)漩渦脫落頻率接或等于管束的固有頻率時，就會產(chǎn)生強烈的振動。6.2.2紊流抖振紊流抖振是一個由隨機力作用的衰減振動,管子僅在其固有頻率附近產(chǎn)生響應(yīng),振動的峰值出現(xiàn)在脈動力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。脈動力的主頻率fb為：式中: fb紊流脈動的頻率,hzu相鄰兩管間的流體平均速度,m/sd0管子的外徑,mt管束的橫向管間距,ml兩個連續(xù)管排間的中心線距離,m紊流脈動的頻率范圍較寬且具有很強的隨機性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動不很規(guī)律,較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因,而是產(chǎn)生流體彈性激振的重要

48、因素。通常認(rèn)為，當(dāng)管子間距較小時，由于沒有足夠的空間產(chǎn)生漩渦分離，紊流的影響是主要的。當(dāng)管子間距與管徑之比小于1.5時，漩渦分離一般不會引起管子大幅度振動。6.2.3流體彈性激振換熱器內(nèi)密集的管束中,任何一根管子的運動都會改變周圍的流場。流場的改變則使作用在相鄰管子上的流體發(fā)生相應(yīng)的改變,從而使受力作用的管子發(fā)生振動,從而進(jìn)一步改變了作用在其中的流體力。一根管子的位移會對相鄰的管子施加流體力而使其也產(chǎn)生位移。這種流體力與彈性位移的相互作用就叫做流體彈性激振。它一般是在已有其它機理誘發(fā)起管子運動的情況下產(chǎn)生的。其特點是流體速度一旦超過某一臨界速度值并稍有增加時,振幅即有大幅度增加,若阻尼不太大時

49、,形成的振幅將一直增大到管子互相碰撞。這種振動在流體速度減小到遠(yuǎn)低于初始速度時仍會持續(xù)。管束發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定時候的臨界橫流速度vc可以按下面的公式進(jìn)行計算：式子中：質(zhì)量阻尼參數(shù)，無因次，可按公式進(jìn)行計算；do換熱器的外徑，m：fn換熱管的固有頻率，hz；kc比例系數(shù)研究表明,流體速度較低時,振動可能由漩渦脫落或紊流抖振引起,而在速度較高區(qū)域,誘發(fā)振動機理主要是流體激振。6.3管束振動的計算通過以上管束振動的分析可知，管子的振動與管子的系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)的阻尼和流體流動特性等因素有關(guān)。在換熱器中，換熱管兩端與管板連接，中間由等間距布置的多個折流板支撐，但靠近兩端管板的折流板與管板之間的跨距比中間跨距要大。換熱管與管板之間不論采用焊接、脹接或脹接焊接并用，都不能發(fā)生振動和位移，因而在固有頻率分析時可看作剛性固定