U型管換熱器設(shè)計說明書

1、流體流里進(jìn)口溫度出口溫度壓力煤油|iot/h|i8or|4orIMPa水?詞0.SMPaQ=817.32KJ；一.熱力計算1.換熱量計算10000詼2皿-傾-如=filTKJ/s2.冷卻劑用量計算IVIP=r(t.-t)FILLL"I817,32LOO。-41&3-也-20彳|=土77KJ/昌|由于水的壓力較之煤油較大，黏度較之煤油也較大，所以選擇水為殼程,煤油為管程。3.換熱面積估算1=/Tj一tg/=1H1(140-20110-61.67t：一一按純逆流時計箕的對數(shù)砰坊走堇溫差游王泵數(shù)£AL-<l>(KP)|_流體的溫降_G、弓_的-40'-

2、冷流體的溫升-t.-t3-40-20冷流體溫升_上一h_如-20兩流體的初始暮二L-弓三前*ifl1-4薜聯(lián)H正聯(lián)招得e?t=0.852A=38.13WAtm=0.85-61.67=52/QA二；傳熱面積估算：'取傳熱系數(shù)：K=450i817.32XIQA二347r450X52,4'取安全系數(shù)0.1:A=38.13mm2-d-U4管徑，管長，管數(shù)確定：由流量確定管數(shù)：11n=20N=4u二管窟床克速疝|vL管程遣體體職流量化換熱管夜胡煤油在管中的流速為0.81,取管程流體流速u三1"龐常用換熱管為巾三25皿與巾二1臧選用外徑"眥I換熱管。管程流體體積流量可由

3、煤油的要求流量的出：k="OO347m3/soUUL=8m0.00347n=9.6n2一0.01514取管數(shù)由換熱面積確定管程數(shù)和管長：由于是U型管換熱器，由GB151-1999管殼式換熱器查得有2,4兩種管程可選。-25mm比38nun9A換熱面SCtiT|n“管歉X一蕾程數(shù)|d口一換熱管外徑疝3頊厄匚匚（布7林考慮到常用管為9m管，為生產(chǎn)加工方便，選用單程管長8m布管限定圓"-390mn圓筒工程直徑DN=400又考慮到單程管長8m會使得換熱器較長，在選取換熱器殼體徑時，盡量選取較大的，以保證安全，因此換熱器部空間較大，故選用較為寬松的正方形排布。換熱管材料由于管程壓力大

4、于0.6MPa不允許使用焊接鋼管，故選擇無縫冷拔鋼管。按照GA151管殼式換熱器1999選取常用管心距的一2m項；分程隔板兩側(cè)管心距按下圖作正方形排列選擇布管限定圓直徑由布管限定圓從GB15"1999»管殼式換熱器中選定工程直徑心三坦絲的卷制圓筒，查得碳素鋼，低合金鋼圓筒最小厚度不得小于8mm高合金鋼圓筒最小厚度不得小于3.5mm圓筒厚度計算：選用殼體材料為現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中壓力容器的常用材料Q345R為一種低合金鋼。按GB150.1.4-2011壓力容器中圓筒厚度計算公式：5IS儲計?Vtnm土一計簞壓力，即岫pi圓筒徑，runl/o/-設(shè)計溫度下原筏材料的許用應(yīng)力，將*-青

5、接肇買套數(shù)計算壓力圓筒徑由選定的圓筒公稱直徑得°頊心皿設(shè)計溫度下的圓筒材料的許用應(yīng)力由選定的材料Q345雙GB150.2中查得|亳'-189MPa焊接接頭系數(shù)。二。.850.5X旬0S=0,6232X189X0.85-0.5由于殼程流體為水，不會產(chǎn)生較嚴(yán)重的腐蝕，選取腐蝕yu量!=2nun又由于Q345R在公稱直徑為400mn可選取得最小厚度為8mm則選擇圓筒厚度為8mm折流板間距：折流板間距一般不小于圓筒徑的五分之一且不小于50mm因此取折流板間距為200mm核算傳熱系數(shù)：由GB15"1999管殼式換熱器得到包括污垢在的，以換熱管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)K的計算

6、公式：dowT1K一衣熱素數(shù).帽-冷七二管外流體給熱系數(shù)，峋、r-管流體給熱系數(shù).瞄-r'-271卜如一管汁污垢熱祖.m，r/W.擊-管污垢熱咀,餌二rr"用壑表面表示的管壁熱覽，細(xì)有延伸危面*也包括在*'C/VIn翅化比,采用光管時n-11管外流體給熱系數(shù)：i水導(dǎo)熱系數(shù)七當(dāng)量直徑，qKeo-管外流對雷諾是殼程流體的普朗特數(shù)卜0定佳溫度下的流體*度.Pa,$p,-壁溫下流體的粘度4Xp.5PtX0.866Pt-0.5X擋K=4834X05X0.025X0.866X0t025-.5XyOh(J19二hQ.(H92三(L01/iiun一如口查得定性溫度下流體的粘度為8X1

7、。，Pu，s壁溫下流體的粘度10040017lOOf-0.995j|ReA=-2.12XIU8X10查得殼程流體的普朗克數(shù)查得水的導(dǎo)熱系數(shù)L水一0.6252管流體給熱系數(shù)_i：查得煤油的導(dǎo)熱系數(shù)查得煤油的密度0.12。1=°X10,0157X10=945.18在總傳熱系數(shù)計算公式中,:可看作管外流體的污垢熱阻.-52/17.6X105-1.0.310管流體的污垢熱阻用外表面表示的管壁熱阻|d光營環(huán)瓦in|一一換但管也好導(dǎo)熱善數(shù)，折n筆換熱管m巾查GB15"1999管殼式換熱器得換熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)K=20.XJ0,019I0,019|r=-XIn-I=0.00011|T2X2

8、0.41(),019-2X0.00刃總傳熱系數(shù)：I7.6初選K值為450相對誤差處于相對許可圍壁溫計算：a、號Vt糅=頓"熱-蜘a-+a_j假設(shè)=1105139.715燼.門+945"林=66.3T?換熱面積裕度:壓降計算:(1) 管程阻力計算：AP=AP.+AP+&P管程總阻力,Pa奇1=程祖瓦PP|AP"回轉(zhuǎn)甌力，Pa函二云出口琵管阻力,Pa沿程阻力.'馬可按下式計算2Ip-CJt人真迪BI管庠擦系數(shù)封頭厚度8m楫一圓管徑，褂L管獨*P管流體在平均溫度下的密度.卜、管流體流速,叫5。=管疵體他度椀正因子短節(jié)厚度8mm莫迪圓管摩擦系數(shù)'：

9、莫迪圓管系數(shù)可由管流體雷諾數(shù)得到管流體雷諾數(shù)：11 <1uP0.015X1X8Q0ReT=>40000.?X103管為湍流。茅織創(chuàng)用公式：其中e取0.151£X0,15得上=0,04管箱深度300mm管粘度校正因子取1.0516800XI2AP.=0,04XXX1.05=179200.0152回彎阻力可由下式得到:管春教8800X().91XX10X0,22煤油進(jìn)出口管徑70mm水進(jìn)出口管徑100mm分程隔板厚度8mm管程總阻力：陰=成。,如0竺=芝做監(jiān)£0.。理虹管程壓降符合要求殼程壓降計算：殼程流悚流速,m/sp#克體魚褂.虹二雪量藍(lán)甌in%充繇擦因子|0,

10、4AP=0.81GX0.01X0、=3561<0.035VPh殼程壓降符合要求機械設(shè)計一. 管箱設(shè)計計算管箱有封頭，管箱短節(jié)，法蘭，分程隔板等零件組成。1. 封頭設(shè)計與厚度計算。由于橢圓封頭經(jīng)線曲率變化平滑，應(yīng)力分布均勻，且橢圓形封頭較半球形封頭深度小得多，易于沖壓成形，是目前最常用的封頭之一，故次換熱器采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，K=1厚度計算公式為：Pc設(shè)計壓力，MPaDj圓筒內(nèi)徑,mm許用應(yīng)力，MPa口一一焊接接頭系數(shù)Q345RD中查得封頭材料選用與圓筒材料相同的在壓力容器中最常用的材料其在使用溫度下的許用應(yīng)力可由過程設(shè)備設(shè)計附錄189MPa0.5400焊接接頭系數(shù)取0.

11、850.623mm21890.850.50.5又封頭厚度因與筒體厚度相同以減少焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力，最終取封頭2. 厚度為8mm管箱短節(jié)設(shè)計：(1) 管箱短節(jié)厚度設(shè)計：管箱短節(jié)厚度與筒體厚度相同，|8mm(2) 管箱的最小側(cè)深度：由GB1501998規(guī)定：a. 軸向開口的單程管箱，開口中心處的最小深度應(yīng)不小于接管徑的12多管程管箱的側(cè)深度應(yīng)保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當(dāng)操作允許時，也可等于每程換熱管的流通面積。3. 兩程之間的最小流通面積是指管箱被平行于地面的平面所剖開所形成的截面積；每程換熱管流通面積是指同一管程的換熱管管截面所形成的面積之和。由于由計算所求得的

12、管箱深度太小，故根據(jù)各方面需要取300mm分程隔板：由GB151999管殼式換熱器得，分程隔板的最小厚度不應(yīng)小于下表著6mm曲HE1>1蝦。歐xt_四=因分程隔板兩側(cè)無明顯壓差，分程隔板可按上表選取。二. 分程隔板選材為Q235,屬碳素鋼，故取分程隔板厚度為8mm接管管徑設(shè)計：1. 煤油進(jìn)出口管徑：進(jìn)出口管徑可由公式:V液體的體積流量u液體的流速.40.00347d煤油、0.07m2.水進(jìn)出口管徑:40.008140.1m0.91容器法蘭選取與校核由NB/T470202012選取長頸對焊法蘭，密封面采用全平面密封，法蘭采用鍛件，材料選用20號鋼。墊片選擇石棉像膠板，厚度為3mm墊片系數(shù)m

13、=3.50,比壓力y=44.8MPa1.墊片設(shè)計計算墊片壓緊力：由過程設(shè)備設(shè)計查得下列公式計算墊片壓緊力：當(dāng)密封基本寬度、W8.4m時.Dg等于墊片接觸的平埼直徑當(dāng)密封基本寬度如6.偵。時.Dc?f墊片接袖的外徑成去騷k蔓片壓力比，MPa|由NB/T47020-47027-2012查得墊片寬度N=22mm由此的墊片密封基本寬度llmi,墊片有效密封寬度卜=2.53頊=2.53Xpll=X.3珈助，則BT-751-2XH.-JQ-437.22nniIU|F&二HX437.22X&39X418=5,2X10&ND=565mmL=26mm螺栓M24C=26mm-111mmN-

14、156ounR-I2umII=57jiih操作時需要的壓緊力有操作密封比壓引起，由于原始定義m時是取2倍墊片有效接觸面積上的壓緊載荷等于操作壓力的m倍，所以計算時操作密封比壓應(yīng)為為Pj則F廣2們)0面叫如-一操作狀態(tài)下，害要的最小墊片壓'時,N墊K系麴lp_計算壓力，MPaI1I2XnX43了*2X&39X3.5X0.6=48W2N2. 螺栓設(shè)計計算：螺栓材料選擇40Cr。(1) 螺栓載荷：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算：E=5+2X105>ol操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷計算：壓引起的軸向力按下式計算：卜=0.椰商如F=0.785X437.22X0.5-7503

15、1N最小螺栓載荷按下式計算：W=C百ID口-75031+18102=12313姓(2) 螺栓面積：螺栓面積按下列規(guī)定確定a.預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按下式計算：II3尚叭一一室溫下螺栓材料的許用應(yīng)力從GB150.2查得40Cr在室溫下的許用應(yīng)力l£o7b=19()MPa5,2X1052%=&=對53皿操作狀態(tài)下所需的最小螺栓面積按下式計算:俱3：設(shè)計.黑夏下螺栓材費的許用應(yīng)力,MPa從GB150.2查得40Cr在40。下的許用應(yīng)力：o*=186MPa123433.Ap=-661m取其中面積較大者(3) 螺栓設(shè)計載荷螺栓設(shè)計載荷按下列規(guī)定確定：a. 預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計載荷按下

16、式計算:w=Lb. 操作狀態(tài)螺栓設(shè)計載荷按下式計算:需要的螺栓總面根，ruiT梢實際使用的螺栓總面枳.innr由所需螺栓直徑和個數(shù)：政一一螺紋根役或噓檜最小鼓甌直徑，響11一一螺栓個捌此處需要確定直徑與個數(shù)其中之一的數(shù)值，由筒體外徑查NB/T4702047027-2012得螺栓使用個數(shù)為20X3*53將其帶入上式艱=由NB/T47020470272012查得所用螺栓為M20螺栓符合要求。3. 法蘭選用與校核(1)法蘭的相關(guān)標(biāo)注如下圖由NB/T47020-47027-2012查得長頸對焊法蘭如下圖所示:其中：|法藝外徑D二540m螺-JL中心匿宜企D=密封畫外徑&-155mm是厚度T=3

17、4nnI法蘭高度H=955|波蘭鎮(zhèn)高h(yuǎn)二|法蘭或L蘭處i法星簸&312umi孔直徑d=23mni過渡圓角R=LAmiIK-N5-444(2)由上述數(shù)據(jù)可得Lk=L4+0.55=39ilul板+UL(3) 預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩按下式計算:需的螺栓總面積，mm'L一一實際便用的螺栓的面積.inm：!(4) 由機械設(shè)計手冊查得M20的小徑為17.29mm由此可得實際使用的螺栓總面積A*=17.292X0.25XnX20=4695制/2653+46957Ma=X196X48=3,1X10NmII(5) 操作狀態(tài)的法蘭力矩計算：2作用于法蘭徑截面上壓引起的軸向力I由下式計算：上=0首Fa

18、=0.785X1002X0.5=62800壓引起的總軸向力F與經(jīng)截面上的軸向力之差*按下式計算:Ft=FKp-70502-62800=花。2呵法蘭力矩按下式計算：M廣哪"Ld凸%=39X62800+48X4.5X10,十49X7702=2.1X1(/(16Mn(6) 法蘭材料選取管法蘭一般選用鍛件或鑄件，不推薦鋼板制造因此選用(7) 法蘭設(shè)計力矩法蘭設(shè)計力矩按下式計算并去最大值代E設(shè)計溫度下法蘭才料的許用應(yīng)力,山4窒溫下法蘭豺料的許用應(yīng)力，MPar產(chǎn),由過程設(shè)備設(shè)計查得'""一150MPa/o£=l7KMPa%=3X10氣，"=2.4X

19、IOS-inn則4x。七皿(8) 法蘭應(yīng)力a）軸向應(yīng)力按下式計算:U2d.=ii6n】V0o'i瓦=法頊新小端有成厚宣.mm&L法蘭頸部大增有效厚度.皿得由于土糾,以墅代替也Di=D：*6/400"=10857由GB150.3-2011查得TT,U可由參數(shù)K從GB150.3-2011查得K法蘭外徑與經(jīng)的比值VtlT=1.78f=0.118U=7.28Z=3.43Y=6.630.95一=0,017biU21.282adj=ho=X57X8=61761mm管板厚度24mm管板直徑473mm31X0.017+I必1/78+617610.UKX土4X1O7-=19.55MKa

20、1.06X22：X400b）徑向應(yīng)力按下式計算：33-代+IXL13°R=-7<1.33X34X0,017+I?X11X10?o:-120.29MI能L06X31X408c）環(huán)向應(yīng)力按下式計算：丫虬%=Pn一如646.63X14X1（/oT=3.43X120.29=65.35MPa34X108（9）應(yīng)力校核a）軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力校核合格b）徑向應(yīng)力“R=120,29MPa頃4. 徑向應(yīng)力合格折流板厚度5mm環(huán)向應(yīng)力合格d）組合應(yīng)力管板設(shè)計計算(1) 管板形式選擇：管板形式選擇a型：管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。管板形式如下圖：拉桿直徑12mm拉桿長度8000mm(2) 管

21、板計算按照GB151999管殼式換熱器中a型連接方式管板的計算步驟進(jìn)行下列計算。a)根據(jù)布管尺寸計算七拉桿螺紋公稱直徑12mmILb一Inm虹=50mmb=21H1H*。一在布管區(qū)圍，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支撐的面積，對于正方形排布沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)E一一換熱管中心距.uns=板槽明側(cè)相鄰暨中心距,皿Adl=6X25X飩-2矽=Ar管板布管區(qū)面粗，伽"正方形排布：Ar=2nS2+A.Itj_9L=2X10X252+1&50=51950ml2Dt-管板布管區(qū)當(dāng)量直征，m1A/IX519502k=257Itab）計算"t,以/pt查圖或查表得到

22、忙|口七二布營區(qū)當(dāng)量直徑與直徑2R乏比|Pt=1c）管板材料選擇管板材料選擇壓力容器中常用的Q345Bd）管板計算厚度I扃文o.SS=0.82X423.82X=15.48rm7。.4X189e）換熱管軸向應(yīng)力一研a報換熱管管壁金屬的橫截面枳，mJ燈一換熱管外窯石a-jt（0.0I92-0.01前=0,00043nX(X019心-*o.ooq43川用服otWfo4=189MPh(3) .管板名義厚度根據(jù)GB151999管殼式換熱器，管板的名義厚度不小于下列三者之和：I .管板的計算厚度或最小厚度，取較大值.殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開槽深度，取較大值.管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，取較大值由于墊片寬度為

23、3mm則開槽取4mm殼程側(cè)隔板槽深4mm管程隔板槽深4mm=成6+4+4=23.圓整為24mm(4) .管板直徑根據(jù)容器法蘭相關(guān)參數(shù)需要，取管板直徑D=473mm考慮到金屬的熱膨脹尺寸，可由微小負(fù)偏差，但不允許有正偏差。.管板連接設(shè)計由之前熱力計算部分以確定布管方式選用正方形排布，布管限定圓直徑5. 理畫，由GB151999管殼式換熱器，查得對于19X2nwi換熱管的管孔直徑為19-25mm,正偏差O.5irnn,負(fù)偏差為0,管孔直徑為入in*E折流板設(shè)計計算：折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是根據(jù)工藝過程與要求來確定，折流板的作用主要是為了增加管間流速，提高傳熱效果。同時設(shè)計折流板對于臥式換熱器的換熱管有

24、一定支撐作用，當(dāng)換熱管過長，而管子承受的壓應(yīng)力過大時，在滿足換熱器殼程允許壓降的情況下，增加折流板的數(shù)量，減小折流板的間距，對緩解換熱管的受力形況和防止流體流動誘發(fā)振動有一定作用。(1) 折流板缺口高度弓形折流板缺口高度使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占圓筒直徑的百分比確定，單弓形折流板缺口見下圖，缺口弦高h(yuǎn)，宜取0.200.45倍的圓筒直徑。水字律有««畢弓港取折流板缺口弦高h(yuǎn)為0.25倍的圓筒徑，即h-0.25X400lOOrnn折流板厚度之前熱力計算中已經(jīng)確定折流板間距為200mm查得徑400mm的圓筒折流板最小厚度為4mm取折流板厚度

25、為5mm折流板管孔由GB1511999管殼式換熱器規(guī)定，管孔直徑d-+0.7-19+0.7-19.7wi允許正偏差為0.3，負(fù)偏差為0,即管孔為折流板的固定折流板的固定一般采用拉桿與定距管等原件與管板固定，其固定形式由一下幾種：采用全焊接法，拉桿一段插入管板并與管板固定，每塊折流板與拉桿焊接固定。拉桿一段用螺紋擰入管板，每塊折流板之間用定距管固定，每一拉桿上最后一塊折流板與拉桿焊接螺紋與焊接相結(jié)合，拉桿一端用螺紋擰入管板，然后將折流板焊接在拉桿上拉桿的一端用螺紋擰入管板，中間用定距管將折流板固定，最后一快折流板用兩螺母鎖緊并點焊固定。這里選擇d.作為折流板固定的方法。6. 拉桿與定距管(1)

26、拉桿直徑和數(shù)量由GB1511999規(guī)定，對于換熱管外徑I1<25取拉桿直徑一1土，拉桿數(shù)量取4。拉桿長度按需要選取，取拉桿長度為8000mm(2) 拉桿尺寸桿長度按需要選取，取拉桿長度為8000mm拉桿尺寸可有下圖和下表選擇取拉桿螺紋公稱直徑拉桿布置拉桿布置應(yīng)盡量均勻布置在管束的外緣，且任何折流板不應(yīng)少于3跟拉桿。定距管選擇定距管選擇材質(zhì)與換熱管相同的不銹鋼管。定距管長度為200mm尺寸選擇與換熱管相同的.6.接管法蘭選取接管法蘭由HG20592取，之前以確定接管徑為心岫d膈-袖m選取帶頸平焊法蘭。密封形式為凸面密封。查得法蘭各參數(shù)如下：水進(jìn)出口法蘭：圖8M2帶有平煌銅制管法蘭*一、螺栓

27、：M16,一對顧,|-40nn煤油進(jìn)出口法蘭:M16,；二.筮咬I)-200hm,K-IfiOrniL,1一一口-B,螺栓:7. B卯.5m：i,叫二LlSnim,|R二6nun|,H=3linn接管外伸計算8. L3h十、十6*15|管外伸長，度,碩h接管法蘭厚度，岫虹=建管法蘭摞母度.rum查程另出口法蘭峪-管程進(jìn)出口淡蘭外=14.8囪5二一保溫怎糜點需保溫睬（P,1帥1得坦二19.B煩，L殼=49.8血綜合考慮安裝等方面的問題最終選定煤油與水進(jìn)出口管的伸出長度均為100mm開孔補強由過程設(shè)備設(shè)計得在厚度大于6mm接管外徑小于89mmW可以不用補強。因此，管箱部分不用補強。只需計算圓筒部分的補強面積（1）對受壓的圓筒，所需的補強面積：|4-d&+2&-f）匚一一開圣消弱性雷鮑弛面積.顧°H開孔直徑，圓形孔等于接管直徑加2俗的厚度,5一殼體開口處的計尊犀度,£JU：i接管有效厚度*nm|一強度半乾是歌，等于i堂溫度廿管坦凹?xì)んw.|材料許用應(yīng)力乏正，當(dāng)該值天于【0時取L0由于殼體材料與接管材料相同，J二°A-100X0.623-62.3mnX（2）有效補強圍有效寬度B按下式計算：（取較大值）B=2d=d+26+26mJIIB