固定管板式換熱器畢業(yè)設(shè)計說明書

1、本設(shè)計說明書是是針對固液兩相流降溫?fù)Q熱設(shè)計,據(jù)要求設(shè)計為PN15DN400固定管板式換熱器，主要進(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)計首先根據(jù)給定的設(shè)計條件確定換熱器總體設(shè)計方案-設(shè)計為三組換熱器，然后對于每一級進(jìn)行具體的設(shè)計。每一級的設(shè)計過程為：前半部分為工藝計算，估算換熱面積，計算傳熱系數(shù)，計算出實際的換熱面積，最后進(jìn)行壓力降和壁溫的計算；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。 關(guān)鍵詞：固液兩相流 管殼式換熱器 管

2、板封頭 膨脹節(jié)AbstractThe designis based on the liquid-solid two-phase flow of the design .According to the request it is designed to be the PNDN400 fixed tube head heatexchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structureandintensity of heat exchanger.Design first according to th

3、e given design conditions determine overall design scheme-Design into three groups heat exchange,we start to design for each level then . The design for each level is as follows: the first part of design is the technology calculation process.Mainly, the process of technology calculate is according t

4、o the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, calculateheat 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

5、 and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance controltube, tube boxes. Thispartofdesign mainly include：the choice of materials，identify specific size,identify sp

6、ecific location, the thicknesscalculation oftube sheet, thethickness 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.Key word:Liquid-solid two-phase flow,fixed tube head heatexc

7、hanger, tube sheet, floating headplanting, expansion joint.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)計的題目是液固兩相流降溫問題，針對此問題設(shè)計了三組換熱器。固定管板式換熱器是國能換熱器廠生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，主要用于冷凝器，余熱利用的換熱器等，并且設(shè)計的原始資料及數(shù)據(jù)均來源于工廠中正在設(shè)計的設(shè)備。這次設(shè)計中的主要內(nèi)容為:換熱器的熱力計算、工藝計算、

8、換熱器的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計。其中，熱力計算和工藝計算主要是確定換熱器的換熱面積、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

9、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?nèi)后w合作、相互配合的工作能力。換熱器在設(shè)計過程中為技術(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！目錄摘要1ABSTRACT2前言31 換熱器概述71.1 換熱器的應(yīng)用71.2 換熱器的主要分類71.2.1 換熱器的分類及特點71.2.2 管殼式換熱器的分類及特點81.3 管殼式換熱器特殊結(jié)構(gòu)13

10、1.4 換熱管簡介132 工藝計算152.1 設(shè)計條件15第一級熱力計算15估算換熱量162.2.2 計算換熱器換熱面積162.2.3 總傳熱系數(shù)的計算172.2.4 校核換熱面積：202.3 壓力降的計算212.3.1 管程壓力降212.3.2 殼程的壓力降222.4 換熱器壁溫計算242.4.1 換熱管壁溫計算242.4.2 圓筒壁溫的計算253 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核273.1 殼體與管箱厚度的確定273.1.1 殼體和管箱材料的選擇273.1.2 圓筒殼體厚度的計算273.1.3 管箱厚度計算283.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計算293.2.1 殼體上開孔補(bǔ)強(qiáng)計算293.2.2 前端管箱開孔補(bǔ)強(qiáng)計

11、算313.2.3 排污口和排氣孔開孔補(bǔ)強(qiáng)計算343.3 水壓試驗343.4 換熱管353.4.1 換熱管的排列方式353.4.2 布管限定圓353.4.3 排管363.4.4 換熱管束的分程373.4.5 換熱管與管板的連接373.5 管板設(shè)計373.5.1 管板與殼體的連接373.5.2 管板計算383.5.3.換熱管的軸向應(yīng)力423.5.4. 換熱管與管板連接拉脫力433.5.5 管板重量計算433.6 折流板443.6.1 折流板的型式和尺寸443.6.2 折流板排列443.7 拉桿與定距管463.7.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式463.7.2 拉桿的直徑、數(shù)量及布置463.7.3 定距管47膨脹

12、節(jié)473.9 防沖板49保溫層49法蘭與墊片50523.12 分程隔板及支座523.12.1 支反力計算如下：523.12.2 鞍座的型號及尺寸543.13 接管的最小位置54第四章?lián)Q熱器的腐蝕、制造與檢驗564.1 換熱器的腐蝕564.1.1 換熱管腐蝕564.1.2 管子與管板、折流板連接處的腐蝕564.1.3 殼體腐蝕564.2 換熱器的制造與檢驗564.2.1 總體制造工藝564.2.2 換熱器質(zhì)量檢驗574.2.3 管箱、殼體、頭蓋的制造與檢驗574.2.4 換熱管的制造與檢驗584.2.5 管板與折流板的制造與檢驗584.2.6 換熱管與管板的連接584.2.7 管束的組裝594.

13、2.8 管箱、浮頭蓋的熱處理595 焊接工藝評定605.1 殼體焊接工藝605.1.1 殼體焊接順序605.1.2 殼體的縱環(huán)焊縫605.2 換熱管與管板的焊接605.2.1 焊接工藝605.2.2 焊接缺陷615.2.3 法蘭與筒體的焊接616 換熱器的安裝、試車與維護(hù)626.1 安裝626.1.1 場地和基礎(chǔ)626.1.2 安裝前的準(zhǔn)備626.1.3 地腳螺栓和墊鐵626.1.4 其他要求626.2 試車636.3 維護(hù)63總結(jié)64致謝66參考文獻(xiàn)671 換熱器概述過程設(shè)備在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，是在化工、煉油、輕工、交通、食品、制藥、冶金、紡織、城建、海洋工程等傳統(tǒng)部門所必需的關(guān)

14、鍵設(shè)備，而換熱設(shè)備則是廣泛使用的一種通用的過程設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠，約占總投資的35%40%。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。例如，高爐爐氣（約1500）的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。本此設(shè)計正是要利用換熱器降低泥漿的溫度，從而獲取熱量用以供熱，洗澡等。這樣不僅節(jié)約了能源，同時也合

15、理利用了資源，帶來了額外的經(jīng)濟(jì)價值。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)及傳熱極力的研究十分活躍，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。換熱器的分類及特點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，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，熱量傳遞是通過格子磚或

16、填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉(zhuǎn)換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，造成流體的“污染”。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)行傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點它又可分為：（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。管殼式換熱器的分類及特

17、點我們從設(shè)計題目出發(fā)，經(jīng)過查閱資料認(rèn)真思考，認(rèn)為此次設(shè)計的冷卻水可用于三種方式：做飯，供熱和洗澡。因此設(shè)計三組固定管板式換熱器組，而固定管板式換熱器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。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)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

18、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，而上圖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)安裝縱向或橫向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。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

19、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：(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。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

20、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

21、頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易抽出管束，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

22、具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點。(4) 雙重管式換熱器：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

23、。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點。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

24、旋折流板式換熱器：螺旋折流板可以防止死區(qū)和返混，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)混合。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)已使用的新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，沸騰給熱系數(shù)提高1.63.3倍，是蒸發(fā)器、重

25、沸器的理想用管。(3) 表面多孔管：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1.7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

26、、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(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)計特針對這類換熱器中的浮頭式換熱器的工藝設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行介紹。2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 泥漿的部分參數(shù)表參數(shù)單位40100密度(s)kg/m310571057動力粘度()mPa s1615比熱(c)kJ/kg K導(dǎo)熱系數(shù)()W/m K基本參數(shù)：熱側(cè)：進(jìn)口25tons/h，進(jìn)口溫度100；出口40。冷側(cè)：進(jìn)口5tons/h，溫度20；要求出口5tons/h部分加

27、熱至約85，另一部分流量和溫度沒做要求。根據(jù)設(shè)計要求，經(jīng)過查閱資料，我決定將此次設(shè)計為三組換熱器。第一級：冷測流體由10(考慮極限情況下，冬季冷側(cè)水溫為10，此時可以滿足設(shè)計要求)升溫至85，此部分水可以用來做飯等，設(shè)計流量為5tons/h；第二級：冷側(cè)水入口溫度仍為10，出口溫度為75，此部分水可以用來供暖等；第三級：泥漿的出口溫度應(yīng)降為40 ，此時設(shè)計水側(cè)出口溫度為45，此部分水可以直接用來洗澡第一級熱力計算熱側(cè)：進(jìn)口溫度100，流量為25tons/h；冷側(cè)：進(jìn)口溫度為10，進(jìn)口流量為5tons/h，出口溫度為85。2.估算換熱量選擇被冷卻的泥漿走管程，被加熱的水走殼程。這是因為：其一：經(jīng)

28、計算知水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥漿的，水走殼程完全可以滿足換熱的需要；其二：傳熱系數(shù)大的水走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少散熱損失，同時還可以減少熱應(yīng)力；其三：殼程里面有折流板，管束等易于形成死角，不利于清洗，如果泥漿走管程則，只用用水泵就可以方便的清洗管束內(nèi)部。水的物性參數(shù):入口溫度為10，出口為85。用內(nèi)插法求得，水的平均密度o=989kg/m3 ；動力粘度o=0.5754mPa s；比熱co=4.17kJ/kg K；導(dǎo)熱系數(shù)o=0.645 W/mK；Pro=3.73。計算換熱器換熱面積(1) 傳熱計算（熱負(fù)荷計算）熱負(fù)荷：Q=coo(T2O-T1O)=cii(T1i-T2i) (2-1

29、)式中：mo,mi冷熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；co,ci冷熱流體的定壓比熱，J/(kg·k)；T1O, T2O 冷流體的進(jìn)、出口溫度，k；T1i,T2i熱流體的進(jìn)、出口溫度k對于水有：QO=4.174×5÷3.6×75×103=4.35×105W對于泥漿而言由于其降溫較少，參數(shù)變化不是太大，因此可以先用100時的物性參數(shù)進(jìn)行估算有：3.882×103×25÷3.6×（100-T2i）=4.35×105可解得：T2=83.86考慮傳熱損失其圓整為T2i=83。，用內(nèi)插法可求得泥漿的物性

30、參數(shù)為：密度 i=1057kg/m3； 動力粘度i=15.14mpa.s ；比熱容ci=3.876kJ/kg K；導(dǎo)熱系數(shù)i=0.692W/mK因此，泥漿的換熱量:Qi=ci,miT1i-T2i=3.876×25÷3.6×17=4.58×105W(2)有效平均溫差tm的計算選取逆流流向，這是因為逆流比順流的傳熱效率高。其中為t1較小的溫度差，t2為較大的溫度差。t1=100-85=15t2=83-10=73因為t1t2=4.87>2，故采用對數(shù)平均溫度差，則 tm=t1-t2ln(t1/t2）=73-15ln（73/15）=36.7（2-2）總傳熱

31、系數(shù)的計算管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用關(guān)聯(lián)式計算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù)K的計算公式如下：1K=1ho+Rso+bdowdm+Rsidodi+dohidi（2-3）式中：K總傳熱系數(shù)，W/（K）；hi、ho分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W/（K）；Rsi、Rso分別為管程和殼程的污垢熱阻，·K/w；di、do、dm分別是傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m；w傳熱管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（K）；b-傳熱管壁厚，m。1) 管程流體傳熱膜系數(shù)hi其計算過程如下：設(shè)計流速ui=1m/s； Rei=diuiii=1×0.026×

32、10570.01514=1815.2<2300(2-4) 可知流體處于層流狀態(tài)； Pri=ciii=3876×0.015140.692=84.8 (2-5)當(dāng)流體在管內(nèi)流動為過層流的時候，應(yīng)用齊德-泰特(Sieder-Tate)公式進(jìn)行計算長l的管道的平均Nu數(shù):Nu=1.86×ReiPril/d13(fw)0.14 (2-6)此式中的定性溫度為流體的平均溫度，特征長度為管徑。管長L= 3m，管徑d=0.026m，工程上，當(dāng)液體被加熱時，取fw=1.05，當(dāng)液體被冷卻時，取fw=0.95，而管程泥漿被冷卻，所以fw取0.95。 Nui=1.86×ReiPri

33、l/d13(fw)0.14=1.86×（1815.2×84.83/0.026)1/3×(0.95)1/3 =20.8 故管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù)hi為： hi=Nuiod20.3×0.6920.026=540.3Wm2K (2-7)2) 殼程流體傳熱膜系數(shù)ho：其計算過程如下：換熱器內(nèi)需裝弓形折流板，根據(jù)GB151-1999可知，折流板最小的間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的1/5，且不小于，故根據(jù)固定管板式換熱器折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)，可取折流板間距l(xiāng)b=500mm。 因為殼體選擇為卷制圓筒，根據(jù)GB150-1999可知殼體內(nèi)徑Di=DN=400mm。管間流速是根據(jù)流

34、體流過管間最大截面積計算：As=lbDi1-doPt(2-8)其中：do管外徑，即32，pt為換熱管中心距，此時選擇換熱管在管板上的排列方式為正三角形排列，因為換熱管間距都相等，故在相同的管板面積上可排列更多的管束，與正方形排列相比，傳熱系數(shù)更高。同時這樣便于機(jī)械清洗，查GB151-1999得Pt=40mma2+b2=c2As=lbDi1-doPt=0.5×0.4×1-3240=0.04m2； uo=miiAs=5/3.6989.13×0.04=0.035m/s；(2-9)當(dāng)換熱管呈三角形排列時，其當(dāng)量直徑de為：de=4×(32pt2-4do2)do=

35、4×(32×0.042-4×0.0322)×0.032=0.02（2-10）此時：Re=deuooo=0.023×0.035×9890.5754×10-3=1389.7（2-11） Pro=3.73故可用Zhukauskas關(guān)聯(lián)式法求ho，即：Nuo=0.35s1s20.2Re0.6Pr0.36(prfprw)0.25 (2-12)=0.35×(2/3)0.2×1389.70.6×3.730.36×1 =44.48故殼程流體傳熱膜系數(shù)ho為：ho=Nuoid=44.48×0.

36、6450.023=1242W/（m2K） (2-13) hi與ho都已經(jīng)算出，而dm=di+do2=32+262=29mm，同時查傳熱學(xué)第四版492頁表10-1得： Rso=1.76×10-4m2.K/WRsi =5.28×10-4m2.K/W管壁熱導(dǎo)率為w=49.8W/(m.K)，K=11ho+Rso+bdowdm+Rsidodi+dohidi =11242+1.76×10-4+0.003×0.03249.8×0.029+5.28×10-4×0.0320.026+ 0.0320.026×540.3 =251.5W

37、/(m.K)2.2.4校核換熱面積：一臺換熱器實際傳熱面積：Ao=dol*n(2-14)其中，do為管子外徑0.032m,l為管子的長度3m，n為一臺換熱器管子的總數(shù)，為48.因此，算得：Ao=14.48m2實際需要換熱面積A1=QKT=4.58×105251.5×37=49.6m2(2-15)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10%-25%，此時去富裕度為1.15.故，此級換熱器需要的殼程數(shù)為n1=A1Ao×1.15=1.15×49.614.48=3.94(2-16)因此，第一級換熱器一共需要四個相同的換熱器串聯(lián)成一換熱器組，由

38、于差別較小，下一級換熱器進(jìn)口溫度不用校核。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。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：P=（Pl+Pr+Pn） （2-17） 其中：Pl流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； Pr流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； Pn流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，Pa；Np管程數(shù)；串聯(lián)的殼程數(shù)。其中，Pl、Pr、Pn的計算式如下：Pl=ildiiui22; (2-18) Pr=4iui22Np； (2-19) Pn=1.5（iui22） (2-20) 式中：ui管內(nèi)流速，；di管內(nèi)徑，；管子總長，；i

39、摩擦系數(shù)，無量綱，可由下式求取；管內(nèi)流體密度，。由于Re=1815.2，在Re=3×103-3×106范圍內(nèi)，故可采用下面公式求?。?i=64Re；所以Pl=641815.2×3×40.026×10572×1=8600.2pa；Pr=4×10572×4=8456pa； Pn=1.5×10572=792.8pa；P=4×8600.2+8456+792.8=7.14×104pa；經(jīng)查，可知每臺換熱器合理的壓力降小于1.8×105Pa，由此可知上述壓力降符合要求。殼程的壓力降當(dāng)殼程

40、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。下面通過埃索法來計算：Po=(P1+P2)FsNs(2-21)式中：P1流體橫過管束的壓力降，Pa；P2流體通過折流板缺口的壓力降，Pa；殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無因次，對液體可取1.15；對氣體可取1.0。其中：P1=Ff0ncNb+1uo22;(2-22)P2=Nb3.5-2lbDiuo22；(2-23)式

41、中：F管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)，對三角形排列F=0.5,對正方形排列F=0.3，對轉(zhuǎn)置正方形排列F=0.4；fo殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時， fo=5.0R_e-0.228(2-24)橫過管束中心線的管子數(shù)，對三角形排列nc=1.1Nt；對正方形排列nc=1.19Nt；Nt為一臺換熱器的中管子的總數(shù)。uo按殼程流通截面AO計算的流速，ms；Nb折流板的數(shù)量。其中：A0=lbDi-ncdo=lbDi-1.1Ntdo(2-25)=0.5×0.4-1.148×0.032=0.078m2因此uo=mhhAO=5/3.6989×0.078=0.018m/

42、s；(2-26) fo=5.0×1389.7-0.228=0.96nc=1.1Nt=1.1×48=7.62Nb=l-0.1lb-1=3-0.10.5=4.8，取整為5。則有：P1=0.5×0.96×7.62×6×989×0.01822=3.52pa;P2=5×3.5-2×0.50.4×989×0.01822=0.8 Pa;Po=(3.52+0.8)×1.15×4=19.9Pa由于殼程壓降很小，如上計算所示，可知此時的壓力降在合理范圍之類，這樣設(shè)計合理。2.4 換熱器

43、壁溫計算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·）；Rsi、Rso分別為管程和殼程的污垢熱阻，·K/w； Tm、tm分別為熱、冷流體的的平均溫度，； T1O, T2O 冷流體的進(jìn)、出口溫度，k； T1i,T2i熱流體的進(jìn)、出口溫度k; tm流體的有效平均溫差，； hi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：tth=Tm-K(1hi+)tm（2-27）=91.5-251.5×(1540.3+5.28×10-4)×36.7=69.5；冷流體側(cè)的壁溫：ttc=tm+K(1ho+)

44、tm（2-28）=47.5+251.5×(11242+1.76×10-4)×36.7=56.6所以tt=tth+tc2=69.5+56.62=63.1。（2-29）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：tm=47.5.殼程: 水管程:泥漿水的物性參數(shù):o =989kg/m3o=0.5754mPasco=4.17kJ/kg Ko=0.645W/mKPro=3.73QO=4.35×105WT2i=83泥漿的物性參數(shù)：i=1057kg/m3i=15.14mpa.sci=3.876k/(kgk)i=0.692W/mKQi=4.

45、58×105Wt1=15t2=73tm=36.7Rei=1815.2Pri=84.8Nui=20.8hi=540.3w(m2.k)lb=500mmDi=DN=400mmdo=32mmPt=40mmAs=0.04m2uo=0.035m/sde=0.023Re=1389.7Nuo=44.48ho=1242w(m2.k)dm=29mmRso=1.76×10-4W/m2.KRsi =5.28×10-4W/（m2K）K=251.5 W/m·KAo=14.48m2A1=49.6m2n1=3.94Pl=8600.2paPr=8456pa Pn=792.8paP=7.1

46、4×104paF=0.5A0=0.078m2uo=0.018m/snc=7.62Nb=5P1=3.52paP2=0.8 PaPo=19.9Patth=69.5ttc=56.6tt=63.1tm=47.5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。附于下面：表2-2 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)管程平均通道面積（c）弓形折流板缺口弓高（）4004848148150表2-3第二級和第三級計算數(shù)據(jù)如下表所示:名 稱第二組第三組名 稱第二組第三 組熱側(cè)流量（t/h）

47、2525 冷側(cè)流量（t/h）5進(jìn)口溫度()836進(jìn)口溫度()1010出口溫度()40出口溫度()7545泥漿傳熱系數(shù)(w/m2.k）水的傳熱系數(shù)(w/m2.k）2348泥漿流速（m/s）11水的流速（m/s）總傳熱系數(shù)(w/m2.k）248.9273.3有效平均溫度()換熱量（kw）389762換熱面積（m2）管程數(shù)44殼程數(shù)58 管程壓降（Pa）沿程壓降8745.7殼程壓降殼（Pa）橫掠管束壓降回彎阻力84568456過折流板壓降進(jìn)出口阻力792.8792.7熱側(cè)壁溫()冷側(cè)壁溫()平均壁溫()平均壁溫()3 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核在第一部分進(jìn)行工藝計算結(jié)束后,應(yīng)主要包括殼體和封頭的厚度計

48、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、膨脹節(jié)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200；設(shè)計壓力為1.5Mpa。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

49、少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。圓筒殼體厚度的計算焊接方式：選為雙面焊對接接頭，局部無損探傷，故焊接系數(shù)=0.85；根據(jù)GB6654壓力容器用鋼板和GB3531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：=PcDi2t-Pc=1.5×4002×125×0.85-1.5=2.85mm；(3-1)設(shè)計厚度為：d=+C2=2.85+2=4.85mm；(3-2)名義厚度n=d+C1+=6mm(其中為向上圓整量)；(3-3)查其最小厚度為6mm，則此時厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒有變化，故合適

50、。=0.85=2.85mmd=4.85mmn=6mm管箱厚度計算管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；且由于前端管箱與后端管箱的形式不同，故此時將前端管箱和后端管箱的厚度計算分開計算。前端管箱厚度計算:前端管箱為橢圓形管箱，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，則封頭計算厚度為：h=KPcDi2t-0.5Pc=1×1.5×4002×125×400-0.5×1.5=2.83mm ； (3-4)設(shè)計厚度 dh=h+C2=2.83+2=4.83mm ; (3-5)名義厚度nh=dh+

51、C1+=4.83 mm （為向上圓整量）； 經(jīng)檢查，沒有變化，故合適h=2.83mmdh=4.83mmnh=4.83 mm查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號參數(shù)如下：表3-1 DN400標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A()容積(m3) 封頭質(zhì)量（）400125115短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為6mm。3.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計算在該臺固定管板式換熱器上，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，而后端管箱上則有排污口和排氣口，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

52、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100mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為108×4，接管的材料選為20號鋼。殼體上開孔補(bǔ)強(qiáng)計算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159mm，因此需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。開孔直徑d=di+2C=100+2×2=104mm<Di2=200mm， (3-6)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。2) 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計算：強(qiáng)度削弱系數(shù)； (3-7)接管有效厚度et=nt-C

53、=4-2=2mm ;(3-8)開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計算：A=d+2et1-fr (3-9) =104×2.85+2×2.85×2×(1-0.688) =300mm2 ；3) 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍B=2d=2×104=208mmd+2n+2nt=104+2×6+2×4=124mm (3-10)=208mm有效高度：（a）外側(cè)有效高度為：h1=dnt=2×104=20.4mm實際外伸長度為200mm=20.4mm(3-11)（b）內(nèi)側(cè)有效高度為：h2=mindnt=2×104=20.4mm實際內(nèi)伸長度為0mm=0m

54、m ;(3-12)4) 有效補(bǔ)強(qiáng)面積殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度：c=n-C=6-2=4mm ;(3-13)則多余的金屬面積為：A1=Bh-dhhe-h-2hehe-h(1-frh)(3-14)=(208-104)×4-2.85-2×2×4-2.85×0.312 =118.16mm2接管多余金屬面積： 接管計算厚度：t=Pcdi2nt-Pc=1.5×1002×86×0.85-1.5=1.04mm ;(3-15) 接管多余金屬面積：A2=A2h=2h1et-tfr+2h2(et-C2)fr(3-16) =2×20

55、.4×2-1.04×0.688+0 =26.95mm2 ;接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為4mm）：A3=2×12×4×4=16mm2 ;(3-17)有效補(bǔ)強(qiáng)面積：Ae=A1+A2+A3=118.16+26.95+16=116mm2 (3-18)5) 另需補(bǔ)強(qiáng)面積:A4=A-(A1+A2+A3)=300-161.11=138.89mm2 ;(3-19) 擬采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)接管公稱直徑DN100，參照J(rèn)B/T4736-2002補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)選取補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑D2=200mm，內(nèi)徑D1=110mm（選用E型坡口）。因為B=208>D2，則補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度為：'=A4D2-D1=138.8990=1.54mm ;(3-20)考慮鋼板負(fù)偏差并經(jīng)圓整（一般設(shè)計時都是向上圓整