固定管板管殼式換熱器畢業(yè)設(shè)說明書

1、.目錄摘要2abstract3前言4第一章 換熱器概述51.1 換熱器的應(yīng)用51.2 換熱器的主要分類61.3 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu)111.4 換熱管簡介12第二章 工藝計算132.1 設(shè)計條件132.2 核算換熱器傳熱面積132.3 壓力降的計算182.4 換熱器壁溫計算21第三章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度計算243.1 殼體與管箱厚度的確定243.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計算263.3 水壓試驗323.4 換熱管333.5 管板設(shè)計353.6 折流板413.7 拉桿與定距管433.8 防沖板443.9 保溫層443.10法蘭與墊片443.11 鉤圈式浮頭483.12 分程隔板543.13 鞍座543.14

2、 接管的最小位置56第四章 換熱器的腐蝕、制造與檢驗584.1 換熱器的腐蝕584.2 換熱器的制造與檢驗58第五章 焊接工藝評定625.1 殼體焊接工藝625.2 換熱管與管板的焊接625.3 法蘭與筒體的焊接63第六章 換熱器的安裝、試車與維護(hù)646.1 安裝646.2 試車646.3 維護(hù)65總結(jié)66致謝68參考文獻(xiàn)69附錄浮頭法蘭厚度計算程序70附錄 相關(guān)文獻(xiàn)74.摘要 本設(shè)計說明書是關(guān)于固定管板管殼式換熱器的設(shè)計，主要是進(jìn)行了換熱器的工藝計算、換熱器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計。 設(shè)計的前半部分是工藝計算部分，主要是根據(jù)給定的設(shè)計條件估算換熱面積，從而進(jìn)行換熱器的選型，校核傳熱系數(shù)，計算出實際的

3、換熱面積，最后進(jìn)行壓力降和壁溫的計算。設(shè)計的后半部分則是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的設(shè)計，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型式進(jìn)行設(shè)備內(nèi)各零部件（如接管、折流板、定距管、管箱等）的設(shè)計，包括：材料的選擇、具體尺寸確定、確定具體位置、管板厚度的計算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計算等。最后設(shè)計結(jié)果可通過6張圖表現(xiàn)出來。 關(guān)于固定管板管殼式換熱器設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，設(shè)計說明書中都有詳細(xì)的說明。 關(guān)鍵詞：管殼式換熱器 固定管板 abstractthe design manual is about the pn2.5dn600 floating head heat exchanger, which included technology ca

4、lculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.the first part of design is the technology calculation process. mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat excha

5、nger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . the second half of the design is about the structure and intensity of the design. this part is just on the selected type of

6、heat exchanger to design the heat exchangers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. this part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube she

7、et, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. in the end, the final design results through six maps to display.the each aspects of the floating head heat exchanger has detailed instructions in the design manual.key word:

8、shell-tube heat exchanger, floating head heat exchanger, tube sheet, floating head planting, floating head flange.前言畢業(yè)設(shè)計是完成教學(xué)計劃實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)；是教學(xué)計劃中綜合性最強(qiáng)的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。它對提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識分析和解決實際問題的能力以及培養(yǎng)學(xué)生的工作作風(fēng)、工作態(tài)度和處理問題等方面具有很重要的意義。 本次畢業(yè)設(shè)計的題目是固定管板管殼式換熱器設(shè)計。這次設(shè)計中的主要內(nèi)容為換熱器的工藝計算、換熱器的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計。其中，工藝計算主要是確定換熱器的換熱面

9、積、換熱器的選型、壓降計算、壁溫計算等；而結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計則主要包括：管板厚度計算、換熱管的分布、折流板的選型、開孔補(bǔ)強(qiáng)計算以及各種零部件的材料選擇等。在設(shè)計過程中，我盡量采用較新的國家標(biāo)準(zhǔn)，做到既滿足設(shè)計要求，又使結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低成本，以提高經(jīng)濟(jì)效益為主，力爭使產(chǎn)品符合生產(chǎn)實際需要，適合市場激烈的競爭。同時為了使本次設(shè)計能夠進(jìn)行順利，我在設(shè)計前參閱了許多有關(guān)書籍和英文文獻(xiàn)，并做了一定的摘要。 因為換熱器設(shè)計是屬于壓力換熱容器設(shè)計范疇，與我所學(xué)的課程有緊密的聯(lián)系，所以這次設(shè)計對我的設(shè)計能力有了很大的提高。它不僅使我貫通幾年里所學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論知識，還培養(yǎng)和提高我們工作能力。換熱器在設(shè)計

10、過程中為技術(shù)分析與產(chǎn)品開發(fā)可以為設(shè)計者提供一個廣闊的思維想象空間，還能激發(fā)設(shè)計者的創(chuàng)新意識。在設(shè)計過程中，我們可以很好地將所學(xué)的知識加以應(yīng)用，在自己的腦海中鞏固，這是我選擇這個課題的初衷，而事實上我也達(dá)到了預(yù)期的目的。 由于水平有限，在設(shè)計過程中一定存在許多疏漏和不夠合理之處，懇請各位老師和同學(xué)批評指正。特此致謝！第一章 換熱器概述換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，它是化工，煉油、動力、油田儲運(yùn)集輸系統(tǒng)和原子能及其許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的4

11、0-50；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中約占30-40；在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設(shè)備，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70；在制冷機(jī)中，蒸發(fā)器的質(zhì)量要占制冷機(jī)總質(zhì)量的30-40，其動力消耗約占總值的20-30。由此可見，換熱器的合理設(shè)計和良好運(yùn)行對企業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都十分重要。1.1 換熱器的應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為

12、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。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)及傳熱的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。1.2 換熱器的主要分類 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。1.2.1 換熱器的分類及特點(diǎn) 按照傳熱方式的不同，換熱器可分為三類： 1.直接接觸式換熱器 又稱混合式換熱器，它是利用冷、熱流體直接

13、接觸與混合的作用進(jìn)行熱量的交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，不存在傳熱面帶來的熱阻，過熱或腐蝕等問題，接觸面積大，傳熱效率高且反應(yīng)靈敏，常做成塔狀，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。 2.蓄熱式換熱器 在這類換熱器中，也有固體壁面，但兩種流體并非同時而是輪流地和壁面接觸。當(dāng)熱流體流過時，把熱量儲蓄于壁內(nèi)，壁的溫度逐漸升高；而當(dāng)冷流體流過時，壁面放出熱量，壁的溫度逐漸降低，如此反復(fù)進(jìn)行，已達(dá)到熱交換的目的。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜，單位體積傳熱面比較大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。 3.間壁式換熱器 這是工業(yè)中最為廣泛使用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進(jìn)行

14、傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)它又可分為：（1） 管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等；（2） 板面式換熱器：如板式、螺旋板式、板殼式等；（3） 擴(kuò)展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強(qiáng)化的傳熱管等。1.2.2 管殼式換熱器的分類及特點(diǎn) 由于本設(shè)計題目是固定管板管殼式換熱器的設(shè)計，而固定管板管殼式又屬于管殼式換熱器，故特此介紹管殼式換熱器的主要類型以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。殼體多為圓筒形，內(nèi)部放置了由許多管子組成的管束，管子的兩端固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。進(jìn)

15、行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為了增加殼程流體的速度以改善傳熱，在殼體內(nèi)安裝了折流板。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次就稱為一個殼程，而圖1-2-1所示為最簡單的單殼程單管程換熱器。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分為若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程；同樣。為提高管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流

16、程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大。多管程與多殼程可以配合使用。這種換熱器的結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，造價不高，可選用多種結(jié)構(gòu)材料，管內(nèi)清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量較大，高溫高壓條件下也能應(yīng)用，但傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型：

17、（1） 固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖1所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)殼體直徑相同時，可安排更多的管子，也便于分程，同時制造成本較低。除殼程清掃困難和適應(yīng)熱膨脹能力差外，集中了管殼式換熱器的一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，除殼程流體有腐蝕性，易結(jié)垢需要經(jīng)常拆換管束或機(jī)械清掃管束外表面的情況外，應(yīng)盡量采用此型式。歸于管子和殼體溫差超過3050的情況需考慮在殼體上加裝膨脹節(jié)。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進(jìn)行堵管或換管，但無法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗，且

18、難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，因此為了減少溫差應(yīng)力，通常需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來降低管束與殼體中的溫差應(yīng)力。（2） 浮頭式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖2所示。管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭管板上，浮頭管板夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈之間，形成可在殼體內(nèi)自由移動的浮頭，故當(dāng)管束與殼體受熱伸長時，兩者互不牽制，因而不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易

19、抽出管束，故管內(nèi)管外都能進(jìn)行清洗，也便于檢修。由上述特點(diǎn)可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動和溫差大的場合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、造價更高。（3） u型管式換熱器：其結(jié)構(gòu)可參見圖3。一束管子被彎制成不同曲率半徑的u型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個管箱。因為管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好讓不易結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過。由于彎管的外側(cè)管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故u型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點(diǎn)。 （4） 雙重

20、管式換熱器：將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器，其結(jié)構(gòu)可以參看圖4。管程流體（b流體）從管箱進(jìn)口管流入，通過內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返回，通過內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價較高。（5） 填料函式換熱器：圖5為填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點(diǎn)。

21、由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，造價也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過大。1.3 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu)包括有雙殼程結(jié)構(gòu)、螺旋折流板、雙管板等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將使換熱器擁有更高的工作效率。（1） 雙殼程結(jié)構(gòu)：在換熱器管束中間設(shè)置縱向隔板，隔板與殼體內(nèi)壁用密封片阻擋物流內(nèi)漏，形成雙殼程結(jié)構(gòu)。適用場合：管程流量大殼程流量小時，采用此結(jié)構(gòu)流速可提高一倍，給熱系數(shù)提高11.2倍；冷熱流體溫度交叉時，但殼程換熱器需要兩臺以上才能實現(xiàn)傳熱，用一臺雙殼程換熱器不僅可以實現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。（2） 螺旋折流板式換熱器：螺旋折流板可以防止死區(qū)和返混，

22、壓降較小。物流通過這種結(jié)構(gòu)換熱器時存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場合。（3） 雙管板結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加一個管板，形成的雙管板結(jié)構(gòu)用于收集泄漏介質(zhì)，防止兩程介質(zhì)相混合。1.4 換熱管簡介換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，采用高效傳熱元件是改進(jìn)換熱器傳熱性能最直接有效的方法。國內(nèi)已使用高效的換熱管有以下幾種：（1） 螺紋管：又稱低翅片管，用光管軋制而成，適用于管外熱阻為管內(nèi)熱阻1.5倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結(jié)垢物料的換熱。（2） t形翅片管：用于管外沸騰時，可有效降低物料泡核點(diǎn)，沸騰給熱系數(shù)提高1.63.3倍，是蒸發(fā)器、重沸器的理想用管。（3） 表面多孔管

23、：該管為光管表面形成一層多孔性金屬敷層，該敷層上密布的小孔能形成許多汽化中心，強(qiáng)化沸騰傳熱。（4） 螺旋槽紋管：可強(qiáng)化管內(nèi)物流間的傳熱，物料在管內(nèi)靠近管壁部分流體順槽旋流，另一部分流體呈軸向渦流，前一種流動有利于減薄邊界層，后一種流動分離邊界層并增強(qiáng)流體擾動，傳熱系數(shù)提高1.31.7倍，但阻力降增加1.72.5倍。（5） 波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，管內(nèi)、管外都有強(qiáng)化傳熱的作用，但波紋管換熱器承壓能力不高，管心距較大而排管少，殼程短而不易控制。 管殼式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有悠久的歷史，而且管殼式換熱器被當(dāng)作一中傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用。尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門

24、所使用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍處于主導(dǎo)地位，因此本次畢業(yè)設(shè)計特別針對這類換熱器中的固定管板換熱器的工藝設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行介紹。第二章 工藝計算 在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需要的傳熱面積。工藝設(shè)計中包括了熱力設(shè)計以及流動設(shè)計，其具體運(yùn)算如下所述：2.1 設(shè)計條件表2-1 水與水的操作參數(shù)冷水熱水設(shè)計壓力（mpa）進(jìn)口溫度（c）出口溫度（c）流 量（kg/s）進(jìn)口溫度（c）出口溫度（c）流 量（kg/s）25353070508 1.013 表2-2 水的物性參數(shù)名稱平均溫度（）比熱kj/kgk導(dǎo)熱系數(shù)w/（mk）密度kg/ m3粘度/mpas熱阻（*10

25、-3）k/w冷水304.1740.618995.70.80117.2 熱水604.1780.659983.20.47034.42.2 核算換熱器傳熱面積2.2.1 流動空間的確定選擇熱水走殼程，冷水走管程。這是因為：被冷卻的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力。2.2.2 初算換熱器傳熱面積2.2.2.1 傳熱計算（熱負(fù)荷計算） 熱負(fù)荷： 式中：冷熱水的質(zhì)量流量，kg/s； 冷熱水的定壓比熱，j/(kgk)； 冷水的進(jìn)、出口溫度，k； 熱水的進(jìn)、出口溫度，k。理論上，=，實際上由于熱量損失，通常熱負(fù)荷應(yīng)該取max（，）。=304.174(35-25

26、)=352.2kw84.178（70-50）=668.48kw 故668.48kw 2.2.2.2 有效平均溫差的計算選取逆流流向，這是因為逆流比并流的傳熱效率高。其中為較大的溫度差，為較小的溫度差。 70-35=35 50-25=25； 因為 1.40.8，因此有效平均溫度差為： 。2.2.5 校核換熱面積：實際傳熱面積：；校核：；為了保證換熱器的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于或等于15%-25%，由上可知所選換熱器面積滿足要求。2.3 壓力降的計算 流體流經(jīng)換熱器因流動引起的壓力降，可按管程壓降和殼程壓降分別計算。2.3.1 管程壓力降管程壓力降有三部分組成，可按下式進(jìn)行計算：其中：

27、流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，； 流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，； 流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，； 式中為管程壓降結(jié)垢校正系數(shù)，可查有關(guān)資料。對一般液體，當(dāng)垢阻w時： 管子， 管子， 如垢阻更大或更小時，值可在上述基礎(chǔ)上增減；對于氣體， 由于水的垢阻為0.000172，則取各項壓降的計算式如下： 式中：管程質(zhì)量流速； 管內(nèi)徑，； l管長，； 管程進(jìn)出口管咀質(zhì)量流速； 圓管摩擦系數(shù)，由參考文獻(xiàn)可查圖 1-19 得0.03； 管內(nèi)流體密度，； 管程數(shù)；管程流體粘度校正系數(shù)，流體被加熱則取1.05；所以； ； ；經(jīng)查，可知每臺換熱器合理的壓力降為mpa，由此可知上述壓力降符合要求。2

28、.3.2 殼程的壓力降 當(dāng)殼程裝上折流板后，流體在管外流動為平行流和錯流的耦合。盡管管束為直管，但流動卻變得復(fù)雜化。由于制造安裝公差不可避免地存在間隙，因而會產(chǎn)生泄漏和旁流，而流體橫向沖刷換熱管引起的旋渦，也使流動變得更加復(fù)雜。由于流動的復(fù)雜性，要準(zhǔn)確地分析影響這種復(fù)雜流動的各種因素，精確地計算壓力降是相當(dāng)?shù)睦щy。 下面通過寇恩公式來計算： 式中：流體橫過管束的壓力降，； 流體通過折流板缺口的壓力降，； 殼程進(jìn)出口管咀的壓降，; 殼程壓降結(jié)垢校正系數(shù)，由參考文獻(xiàn)的附錄 14可查的結(jié)果為1.28各項壓降可用以下公式計算： 式中：殼程流體的質(zhì)量流速，kg/s; 殼程導(dǎo)流板和進(jìn)出口處質(zhì)量流速，kg/

29、s 殼程流體的圓管摩擦系數(shù) ，根據(jù)參考文獻(xiàn)可查圖 5-41得0.32； ,殼程流體的粘度校正系數(shù)取為0.95； 殼程流體質(zhì)量密度； 殼體內(nèi)徑，m； 折流板數(shù)； 管子外徑； 導(dǎo)流板阻力系數(shù)，按取為6； 橫過管束中心線的管子數(shù)，對三角形排列； 按殼程流通截面計算的流速，；其中： 0.0215因此 ； ； ，取整為9。則有： 可知此時的壓力降在的合理范圍之內(nèi)。2.4 換熱器壁溫計算2.4.1 換熱管壁溫計算符號說明：以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計算的總傳熱系數(shù)， w/（m）； 污垢熱阻，/w； 分別為熱、冷流體的的平均溫度，； 分別為熱流體的進(jìn)、出口溫度，； 分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，； 流體的有效平均

30、溫差，；以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計算的給熱系數(shù)， w/（m）。熱流體側(cè)的壁溫： ；冷流體側(cè)的壁溫： ；所以 。2.4.2 圓筒壁溫的計算由于圓筒外部有良好的保溫層，故殼體壁溫取殼程流體的平均溫度：。到此換熱器的工藝計算告一段落，其中工藝計算的主要目的是計算出其換熱面積，選出相應(yīng)的換熱器型式，因此，接下來應(yīng)該是進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強(qiáng)度計算。 表2-3 所選固定管板式換熱器規(guī)格dnpn管長管程數(shù)換熱管規(guī)格計算傳熱面積管程出入口公稱直徑，殼程出入口公稱直徑，mmmpam4002.52117.68080表2-4 工藝計算常用參數(shù)公稱直徑（mm）管程中心排管數(shù)換熱管數(shù)弓形折流板缺口弓高（）400112

31、11380管程：冷水殼程：熱水 352.2kw668.48kw668.48kw352530=1500w/（）14.917.60.96m/s238675.44656w/（k）2004000.01750.5m/s2614933496w/（k）m2k/w m2k/w42.9w/mk1516w/mk1.02 第三章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度計算 在確定換熱器的換熱面積后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強(qiáng)度計算，主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接

32、等），具體計算如下。3.1 殼體與管箱厚度的確定 根據(jù)給定的流體的進(jìn)出口溫度，選擇設(shè)計溫度為50；設(shè)計壓力為2.5mpa。3.1.1 殼體和管箱材料的選擇 由于所設(shè)計的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇16mnr為殼體與管箱的材料。16mnr是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。3.1.2 圓筒殼體厚度的計算焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數(shù)；根據(jù)gb6654壓力容器用鋼板和g

33、b3531低溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定可知對16mnr鋼板其。假設(shè)材料的許用應(yīng)力mpa（厚度為616mm時），殼體計算厚度按下式計算為：；設(shè)計厚度；名義厚度（其中為向上圓整量）；查其最小厚度為8mm，則此時厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。3.1.3 管箱厚度計算 管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；且前端管箱與后端管箱的形式相同，故此時管箱的厚度計算如下： 管箱為橢圓形管箱，這是因為橢圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。此時選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故，且同上，則封頭計算厚度為：； 設(shè)計厚度；名義厚度（為向上圓整量）； 經(jīng)檢查，沒有變化，故合適 短節(jié)部分的厚度同

34、封頭處厚度，為10mm。3.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計算 在該臺固定管板管殼式換熱器上，殼程流體的進(jìn)出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進(jìn)入，而從后端管箱流出，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，會給換熱器的安全操作帶來隱患。因此此時應(yīng)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)的計算。 由于管程與殼程出入口公稱直徑均為80mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為，接管的材料選為20號鋼。3.2.1 殼體上開孔補(bǔ)強(qiáng)計算3.2.1.1 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別：補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)gb150表8-1，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是，本開孔外徑為88mm，因此不需要

35、另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。開孔直徑，滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。3.2.1.2 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計算： 強(qiáng)度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計算： ；3.2.1.3 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度b： =168有效高度：（a）外側(cè)有效高度為： ；（b）內(nèi)側(cè)有效高度為： =0；3.2.1.4 有效補(bǔ)強(qiáng)面積殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度：則多余的金屬面積為： ； 接管多余金屬面積： 接管計算厚度： ； 接管多余金屬面積： ；接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）：；有效補(bǔ)強(qiáng)面積：；由于則不需要另外補(bǔ)強(qiáng)面積。3.2.2 管箱開孔補(bǔ)強(qiáng)計算3.2.2.1 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判

36、別：補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)gb150表8-1，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是，本開孔外徑為88mm，因此不需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。開孔直徑，滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。3.2.2.2 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計算： 強(qiáng)度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計算： ；3.2.2.3 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度： 有效高度：（a）外側(cè)有效高度為： ；（b）內(nèi)側(cè)有效高度為： ；3.2.2.4 有效補(bǔ)強(qiáng)面積管箱多余金屬面積： 管箱有效厚度：則多余的金屬面積為： 接管多余金屬面積： 接管計算厚度：； 接管多余金屬面積： 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）：；有效補(bǔ)強(qiáng)面積： ； 由

37、于則不需要另外的補(bǔ)強(qiáng)面積。3.3 換熱管 換熱管外形有光管,翅片管或螺紋管兩類常見形式，以求經(jīng)濟(jì)易得和安裝，檢修，清晰方便一般情況應(yīng)盡量采用光管，管徑小單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量少，傳熱系數(shù)高，因此所選換熱管的規(guī)格為，材料選為20號鋼管長2m。3.3.1 換熱管的排列方式換熱管在管板上的排列，應(yīng)力求均布，緊湊，并考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求，有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點(diǎn)：正三角形排列：最常用，傳熱系數(shù)高，排列緊湊，管外流體湍流程度高；正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。在此，綜合各種排列方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇

38、正三角形排列。查gb151-1999可知，換熱管的中心距s=32mm，由于換熱管管間需要進(jìn)行機(jī)械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離（s-d）不宜小于6mm。3.3.2 布管限定圓布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，本設(shè)計為固定管板式熱交換器可由下式確定：且不小于8則有取為所以3.3.3 排管排管時須注意：拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處布置拉桿，其間距小于或等于700mm。拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距的（0.51.5）范圍內(nèi)。3.3.4 換熱管與管板的連接 管子在管板上的固定方法應(yīng)能保證連接牢固，換熱管與管板的連接方式有脹管法與焊接法。 脹管法主要適

39、用于設(shè)計壓力小4.0mpa；設(shè)計溫度300，則對易燃，易爆，高溫，高壓的流體多用焊接法；操作中無劇烈振動、無過大的溫度波動及無明顯應(yīng)力腐蝕等場合。 除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場合。 脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場合。在此，根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度及操作狀況選擇換熱管與管板的連接方式為脹管法。3.4 管板設(shè)計 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來固定換熱管束，并作為換熱器兩端的間壁將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。由參考文獻(xiàn)可查表5-5

40、脹接管板最小厚度得：管板厚度固定管板式，兼作法蘭。有關(guān)尺寸參數(shù)可參考參考文獻(xiàn)附錄21得出：d=515mm,b=30mm.3.5 折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使管程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結(jié)構(gòu)，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常見的折流板形式為弓形和圓盤圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，但是工程上使用較多的是單弓形折流板。3.5.1 折流板的型式和尺寸此時選用單弓形折流板，上下方向排列，這樣可造成液體的劇烈擾動，增大傳熱膜系數(shù)。為方便選材，可選折流板的材料選為16mnr，由前可知，弓形缺口高度為

41、80mm，折流板間距為200mm，數(shù)量為10塊，查gb151-1999可知折流板的最小厚度為4mm，故此時可選其厚度為5mm。同時查gb151-1999可知折流板名義外直徑為。3.5.2 折流板排列該臺換熱器折流板排列示意圖如下所示： 3.5.3 折流板的布置一般應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口管，其余折流板按等距離布置?？拷馨宓恼哿靼迮c管板間的距離應(yīng)按下式計算： ；其中：殼程接管位置的最小尺寸，mm； 管板的名義厚度，mm； 為防沖板長度，若無防沖板時，應(yīng)為接管的內(nèi)徑，mm；3.5.4 折流板相關(guān)數(shù)據(jù) 通過參考文獻(xiàn)可得出以下結(jié)論：折流板外圓直徑400mm；折流板切去部分的弓形高度，80mm；管孔直徑，25mm；拉桿孔直徑，12mm；管孔數(shù)量113；拉桿孔數(shù)量4；折流板厚度，5mm。3.6 拉桿與定距管3.6.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式常用拉桿的形式有兩種：（1） 拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外