管道支架的設(shè)計(jì)及管殼式換熱器設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)

管道支架的設(shè)計(jì)首先我們應(yīng)明確哪類管架應(yīng)該土建專業(yè)設(shè)計(jì),哪類管架應(yīng)該配管專業(yè)設(shè)計(jì)。支承管道的管架通常分為三部分：屬于土建結(jié)構(gòu)部分。習(xí)慣稱之為“管架”或“管廊”，包括內(nèi)管廊和外管廊。管道與土建結(jié)構(gòu)之間相接的各種支、托、吊部分。生根在建筑結(jié)構(gòu)上的各種支架，高度通常在２ｍ以下。通常第一類支架由配管專業(yè)提供條件，由土建專業(yè)設(shè)計(jì)完成；第二類支架通常由配管專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)；第三類支架在建筑物上的預(yù)埋件由土建專業(yè)設(shè)計(jì)，其他部分由配管專業(yè)完成。⒈管道支架的分類及定義按支架的作用分為三大類：承重架，限制性支架和減振架。承重架：用來承受管道的重力及其它垂直向下荷載的支吊架。它又可分為：剛性支吊架、可變支吊架或彈簧吊架、恒力吊架。ａ、剛性支吊架：用于無垂直位移的場合。ｂ、可變支吊架或彈簧吊架：用于有少量垂直位移的場合。ｃ、恒力吊架：用于垂直位移較大的地方。限制性支架：用來阻止、限制或控制管道系統(tǒng)熱位移的支架。它又可分為導(dǎo)向架、限位架和固定架。ａ、導(dǎo)向架：使管道只能沿軸向移動(dòng)的支架，不允許有角位移。ｂ、限位架：允許管子的某一點(diǎn)有角位移，但不允許有線位移。ｃ、固定架：不允許支承點(diǎn)有三個(gè)軸線的全部線位移和角位移。減振架：用來控制或減除重力和熱膨脹作用以外的任何力（如物料沖擊、機(jī)械振動(dòng)、風(fēng)力及地震等外部荷載）的作用所產(chǎn)生的管道振動(dòng)的支架。減振架有彈簧和油壓式兩種類型。⒉水平管道的最大支架間距管道支架間距是指管道的跨度。一般管道的最大支架間距是按強(qiáng)度條件及剛度條件計(jì)算決定，取其較小值。管道支架的設(shè)置使管道形成分段，常見的有幾種典型的形式：ａ、單跨梁（有圖）ｂ、多跨連續(xù)梁（有圖）ｃ、Ｌ形彎管（有圖）ｄ、Ｕ形彎管（有圖）ｅ、三軸向彎管（有圖）①支架間距按強(qiáng)度條件計(jì)算：式中：—管道支架間距，；—管子斷面系數(shù)，，通常管子的斷面系數(shù)公式為；—管道單位長度的重力，單位：；—熱態(tài)下管材受重力荷載部分的許用應(yīng)力，，通常??；—管材在熱態(tài)下的許用拉應(yīng)力。②按剛度條件計(jì)算： 式中：意義同上，—管材在熱態(tài)下的彈性模量，；—管子截面慣性矩，，；—管子在跨中的撓度，。按剛度條件計(jì)算時(shí)的主要因素為撓度值的選取。在裝置內(nèi)的管道，一般選用撓度在１０～２０之間，推薦采用＝１５。對(duì)于裝置外的管道，由于常設(shè)計(jì)成有坡度的管道（２‰～５‰），其撓度采用較大值，可達(dá)３８左右。在公稱直徑６００及以下的碳鋼管道，取＝１５，溫度在３５０℃時(shí)，按剛度條件計(jì)算的值要小于按強(qiáng)度條件計(jì)算的值。因此，當(dāng)撓度較小時(shí)，在常用的管徑范圍及溫度范圍內(nèi)，管支架間距是以剛度條件控制的。當(dāng)工作溫度較高，且管道荷載較大時(shí)，小管道往往是要按強(qiáng)度條件決定支架間距的。管道的最大支架間距在許多參考書中都能查到，注意使用選取時(shí)應(yīng)留有余地。對(duì)于Ｌ形彎管，Ｕ形彎管及三軸向彎管，其允許跨度往往按下式評(píng)定：式中：—各直管段相加后總長。應(yīng)指出管道荷載分布是很重要的問題，特別是在土建設(shè)計(jì)的大跨度的桁架上。管道的荷載分布是與支架間距有關(guān)的，如，大管支架間距較大，有的梁不支承，荷載過于集中在少數(shù)梁上，形成支架設(shè)置與土建結(jié)構(gòu)的計(jì)算不相等，這樣引起梁的超載。管支架設(shè)計(jì)者與土建設(shè)計(jì)者必須溝通設(shè)計(jì)條件，這是不可忽視的問題。⒊垂直管道的支架間距垂直管道支架的設(shè)置，除了考慮承重的因素外，還要考慮防止風(fēng)載引起的共振。在裝置內(nèi)較長的垂直管道多出現(xiàn)在塔類設(shè)備的周圍或多層結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)。對(duì)此類垂直管道設(shè)備的支架間距大致可按不保溫充水的水平管道支架間距進(jìn)行調(diào)整。如，等。高溫垂直管道的支架間距應(yīng)按前值減?。泵祝瑢?duì)每根垂直管，考慮熱膨脹常選用一個(gè)承重架，其余為導(dǎo)向架。如圖⒋裝有波形膨脹節(jié)管道的支架間距根據(jù)美國膨脹節(jié)制造商協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)裝有波形膨脹節(jié)的管道，支架應(yīng)按左圖設(shè)置。式中：—彈性模量，；—慣性矩，；—管道支架間距，；—設(shè)計(jì)壓力，；—膨脹節(jié)的有效面積，—膨脹節(jié)的每波起始的彈性系數(shù)，波；—膨脹節(jié)的每波的軸向行程，波。⒌確定管道支架位置的要點(diǎn)決定管道支架的位置主要考慮以下幾點(diǎn)：承重架距離不應(yīng)大于支架的最大間距。除非采取其他增加管道跨距的措施，否則這一點(diǎn)必須嚴(yán)格執(zhí)行。有壓力脈動(dòng)的管道還要按管道的固有頻率來決定支架間距，避免發(fā)生共振。為保證不發(fā)生共振，通常管道的固有頻率要求在８次／秒以上。管道的固有頻率可按下式求?。菏街校骸獡隙?，；；所以，。梁的支承形式不同，求撓度的公式如下：Ａ、特定連續(xù)架（有圖），式中—；Ｂ、單跨簡支架（有圖）；Ｃ、一端固定一端簡支（有圖）；Ｄ、兩端固定；Ｅ、端點(diǎn)固定的懸臂梁。盡量利用已有的土建結(jié)構(gòu)的構(gòu)件支承，及在管廊的梁柱上支承。做柔性分析的管道，支架位置根據(jù)分析決定，并考慮支承的可能性。在垂直管到彎頭附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段長時(shí)，可在下部增設(shè)導(dǎo)向架。在集中荷載大的管道組成件附近設(shè)承重架。盡量使設(shè)備接口的受力減小?？紤]維修方便，使拆卸管段時(shí)最好不需做臨時(shí)支架。支架的位置及類型應(yīng)盡量減小作用力對(duì)被生根部件的不良影響。⒍管道布置過程中對(duì)支架位置的考慮配管設(shè)計(jì)人員在管道布置的過程中，應(yīng)同時(shí)考慮支架位置及設(shè)置的可能性、合理性、經(jīng)濟(jì)性等。管道走向除了滿足安全生產(chǎn)、工藝要求、操作方便、安裝維修方便外，還應(yīng)考慮：管道盡量集中布置，做聯(lián)合支架，減少分散獨(dú)立的管支架。管道布置應(yīng)靠近可能做支架的點(diǎn)，如靠近建筑物的墻、柱，或沿平臺(tái)下敷設(shè)，以便利用梁柱來支承。盡量利用管道本身的自支承作用。例如：從管廊到某設(shè)備的管道或兩個(gè)設(shè)備間的管道，做到無需另設(shè)支架，既經(jīng)濟(jì)合理，又滿足管道柔性的需求。管道柔性過大時(shí)，應(yīng)增設(shè)支架減小應(yīng)力和振幅，但應(yīng)滿足管道的膨脹要求。使用波紋膨脹節(jié)時(shí)，應(yīng)考慮管內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓推力。如果沒有結(jié)構(gòu)能承受這種推力，就必須采用壓力平衡式的膨脹節(jié)。壓縮機(jī)等動(dòng)設(shè)備的出口管道，應(yīng)設(shè)置合適的支架，避免將振動(dòng)傳給其它管道，鋼結(jié)構(gòu)或建筑物，這些支架從防振的角度，應(yīng)優(yōu)先選用滑動(dòng)支架，而不用吊架，更不易連續(xù)使用多個(gè)吊架。管道應(yīng)靠近生根點(diǎn)，使支架構(gòu)件有良好的剛度及避免承受過大的力矩。立式設(shè)備上部管口接出的管道，從設(shè)備上支承，可使相對(duì)位移盡量小。管道成組布置時(shí)，各管道的支承面應(yīng)取齊，以便設(shè)計(jì)支架。采用彈簧支座或吊架時(shí)，管道與生根構(gòu)件之間應(yīng)有足夠的空間。⒎應(yīng)力分析過程中對(duì)管道支架的考慮應(yīng)力分析與支架設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)配管及土建結(jié)構(gòu)的情況詳細(xì)了解，及對(duì)整個(gè)管道支撐系統(tǒng)進(jìn)行研究，取得一致意見，確定支架的位置及類型。經(jīng)過應(yīng)力計(jì)算，如管道不能滿足要求，應(yīng)首先研究支架是否合理，能否通過限制性支架進(jìn)行調(diào)整，改善各部的應(yīng)力分布。如不可能，應(yīng)增加管道的局部柔性。每次修改需重新計(jì)算，直至通過為止。應(yīng)力分析應(yīng)從比較重要、管徑大、溫度高的管道開始，依次逐個(gè)進(jìn)行。在應(yīng)力分析計(jì)算之前，應(yīng)對(duì)管道支承的布置進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容如下：承重架的間距是否超過最大允許間距。所有支承點(diǎn)是否有可以生根的結(jié)構(gòu)。如果沒有如何解決？采用獨(dú)立的新結(jié)構(gòu)或修改配管。是否有小管與計(jì)算的主管相連接？判斷小管加入計(jì)算的必要性。垂直段管段很長時(shí)，承重架設(shè)在何處并研究支架的類型。支架生根在設(shè)備上時(shí)，支承點(diǎn)隨設(shè)備的熱膨脹發(fā)生位移是否考慮了？由于垂直管的膨脹，研究水平管上的支架脫空的可能性或產(chǎn)生支承點(diǎn)管道應(yīng)力過大的可能性。采用的彈性支架是否合理。采用的限制性支架的位置及類型是否安全合理。⒏對(duì)管道上支托點(diǎn)位置的要求優(yōu)先考慮的支托點(diǎn)，是管子而不是閥門、管道附件、膨脹節(jié)等。因?yàn)楣茏拥耐鈴绞切纬上盗械模欣谑褂脴?biāo)準(zhǔn)圖和通用圖。一般不在水平位置的彎頭、彎管上作支托點(diǎn)，避免局部應(yīng)力增加及影響吸收膨脹的效果；在垂直面上布置時(shí)彎頭上做支承架倒是常見的，但特別重要時(shí)，高溫管道則不希望這么做。支托點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先位于維修或清洗時(shí)不拆卸的直管上。下面講一些典型配管的支架類型及位置。⒐槽、罐類設(shè)備上部接管的支架在（ｂ）圖中應(yīng)考慮Ｂ點(diǎn)位置支架不至于脫空；（ａ）圖中應(yīng)符合垂直管段導(dǎo)向架間距離的要求，對(duì)高溫管段應(yīng)檢查Ａ－Ｂ段柔性。⒑塔類設(shè)備管道的支架（有圖）①Ａ支架通常盡量靠近設(shè)備管口，以減小設(shè)備口和支承點(diǎn)的相對(duì)熱膨脹位移，減小熱膨脹的反力。②如Ａ支架至管口間的管道柔性不夠，可改變管道走向，適當(dāng)增加管道的柔性。③如垂直段較長，Ａ點(diǎn)荷載過大，應(yīng)增設(shè)Ｂ支架承重，Ｂ支架應(yīng)采用彈簧架。下接口管道的承重架位置設(shè)在與管道口相同的標(biāo)高對(duì)熱膨脹有利。⒒泵管道的支架（這里僅講一例）（ａ）圖中ＲＳ－１支架，通?？梢宰龀煽烧{(diào)節(jié)高度的承重架；ＤＳ－１是限位架，使泵入口水平管的軸線保持無偏移；泵口不至于承受過大的彎矩，ＲＳ－２支架為滑動(dòng)架，應(yīng)注意至彎頭的距離如過小將會(huì)脫空。ＤＳ是水平限位架，對(duì)于大型的水泵出口管要注意止回閥關(guān)閉時(shí)的推力的作用。在止回閥及切斷閥附近應(yīng)有堅(jiān)固的支架，以承受水擊及重力荷載。⒓安全閥管道的支架安全閥的管口承受外載引起的彎矩要求盡量小，以免閥體變形，影響閥的性能。當(dāng)支架設(shè)計(jì)時(shí)，除承受管道重力荷載外，還應(yīng)注意泄放流體時(shí)產(chǎn)生的反力及其方向。安全閥出口管第一個(gè)支架應(yīng)盡量生根在剛度較大的結(jié)構(gòu)上。安全閥突然開啟，容易產(chǎn)生振動(dòng)。特別是大口徑、大壓差的安全閥應(yīng)注意防振。出口管為氣液兩相時(shí)，更應(yīng)注意防振及避免水擊。⒔管廊上管道的支架①管廊上管道支架的間距，受到管廊結(jié)構(gòu)的梁及柱間距的限制。小管道支架間距用３ｍ，大管道支架間距用６ｍ，最常用的，對(duì)于小管道的最大允許支架間距小于３ｍ時(shí)，最好利用大管支承小管，或在管廊的梁兩側(cè)另增加懸臂梁。②ａ、固定點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在主梁上，不要設(shè)置在次梁上。（有圖）ｂ、盡量使用固定架兩側(cè)的推力相差不大。（有圖）ｃ、需要設(shè)波紋膨脹節(jié)或π型補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)按可能采用的π型補(bǔ)償器或波紋膨脹節(jié)的補(bǔ)償量確定。（有圖）③在有橫向引出管道的接點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)向架與接點(diǎn)或彎頭的距離不宜太近，以免影響管道的柔性。三種常用的π型補(bǔ)償器形式。（有圖）⒕管道支吊架的設(shè)計(jì)溫度和管道直接接觸的支吊架部分的設(shè)計(jì)溫度取管道內(nèi)部的介質(zhì)溫度，不與管道直接接觸或管道保溫層外側(cè)的支吊架部分的設(shè)計(jì)溫度，取介質(zhì)溫度的１／３或環(huán)境溫度，以二者較高的為準(zhǔn)。⒖管道支架生根的結(jié)構(gòu)型式常見的生根位置有：⑴生根在設(shè)備上；⑵生根在混凝土結(jié)構(gòu)上；⑶生根在墻上；⑷生根在地面上；⑸生根在基礎(chǔ)上；⑹生根在鋼結(jié)構(gòu)上；⑺生根在大管上。⑴在設(shè)備上生根在設(shè)計(jì)從設(shè)備上生根的支架時(shí)，要求在設(shè)備上預(yù)焊生根件。這主要是因?yàn)樵O(shè)備造價(jià)高，制造和檢驗(yàn)要求高，如果現(xiàn)場安裝支架在設(shè)備壁上直接焊接，許多設(shè)備需要重新檢驗(yàn)。對(duì)于經(jīng)過熱處理或應(yīng)力消除的設(shè)備，現(xiàn)場安裝時(shí)，在設(shè)備殼體上焊接應(yīng)被禁止，因?yàn)楹负髿堄鄳?yīng)力會(huì)影響設(shè)備的防腐能力和機(jī)械性能，還可能出現(xiàn)變形。對(duì)于非金屬襯里的設(shè)備，現(xiàn)場焊接會(huì)損壞內(nèi)襯，如橡膠，塑料，玻璃等，從而導(dǎo)致設(shè)備不能使用。常用的預(yù)焊件結(jié)構(gòu)：①在設(shè)備壁上貼鋼板，ａ。（有圖）②單立板，ｂ。（有圖）③帶筋板的立板，ｃ。（有圖）④多筋板與端板，ｄ。（有圖）在支架與預(yù)焊件使用螺栓連接時(shí)，應(yīng)注意各種螺栓適合的工作溫度。通常６～350℃，可使用Ｑ235－Ａ材質(zhì)；351～575℃，應(yīng)用耐熱鋼，如螺栓（35ＣrMo）螺母（45號(hào)）；５～－20℃可使用35CrMoA或16Mn；－21℃以下應(yīng)使用奧氏體不銹鋼作為螺栓材料。另外，應(yīng)盡量在保溫層以外使用螺栓連接，可使用普通材料的螺栓（8.8級(jí)）。貼板結(jié)構(gòu)在鋼板周邊焊接，如板過大受力不好，鋼板超過200×200時(shí)，最好采用左圖結(jié)構(gòu)，用四塊拼成。尤其對(duì)球面圓柱面尤為必要。在設(shè)備上使用三角架，如設(shè)備的兩個(gè)生根件之間殼體又有熱膨脹，而三角架則在環(huán)境溫度下，處理不好，三角架和設(shè)備壁都會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。因此，這種情況應(yīng)盡量不使用三角架。否則需在結(jié)構(gòu)上采取措施。如ａ圖。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)將預(yù)焊件的位置、荷載（力，力矩），預(yù)焊件的尺寸提供給設(shè)備設(shè)計(jì)者，以滿足支架設(shè)計(jì)的要求。⑵在混凝土結(jié)構(gòu)上生根管道布置在建筑物內(nèi)時(shí),管道支架在混凝土結(jié)構(gòu)上生根是常見的.通常采用的方法有:①預(yù)埋鋼板；②型鋼；③套管；④在混凝土結(jié)構(gòu)上鉆孔后用膨脹螺栓固定。預(yù)埋鋼板便于支架安裝，可適應(yīng)施工中較大的位置偏差，廣泛用于柱、梁、樓板、基礎(chǔ)等的表面。預(yù)埋型鋼常用于梁、柱、基礎(chǔ)等的拐角處，這種長條預(yù)埋件，通常用于支架位置不確定時(shí)，還可起到保護(hù)梁、柱的作用。預(yù)埋套管數(shù)量可根據(jù)工程需要，大多數(shù)采用1寸鋼管（DN25），可穿過M20和M24的螺栓以連接支架構(gòu)件。膨脹螺栓用于支架生根，優(yōu)點(diǎn)是不需預(yù)埋，缺點(diǎn)是有時(shí)位置不適合會(huì)碰上混凝土內(nèi)的鋼筋，且不適用于振動(dòng)和有沖擊荷載的場合。為保證生根件有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)將荷載包括力和彎矩，扭矩等應(yīng)提交給土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者，只提供預(yù)埋板的尺寸是不夠的。對(duì)無預(yù)埋件的情況下，可采用雙頭螺柱夾緊型鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，使之抱在柱上。在柱間加梁的情況最好采用牛腿的結(jié)構(gòu)，以免鋼梁受溫度變化對(duì)預(yù)埋件產(chǎn)生過大的力。穿過樓板的垂直管道，需要在樓板面做固定支架時(shí)，常在樓面孔周圍預(yù)埋鋼板，或在開孔附近預(yù)埋套管，用螺栓連接。⑶在墻上生根在墻上生根的支架以懸臂和三角架為主。通常的做法有：墻上預(yù)留孔，砌預(yù)制塊（帶有預(yù)埋鋼板），以及采用膨脹螺栓固定等。①施工比較方便。（有圖）②需要提前做預(yù)制塊，以便砌墻時(shí)使用，受力較好。（有圖）③臨時(shí)轉(zhuǎn)孔安裝膨脹螺栓，只能用于荷載小的場合。（有圖）在墻上生根支架，承載不能過大，應(yīng)注意驗(yàn)算生根點(diǎn)以上的磚墻高度。式中：—需要的填充墻高度，；—管道的垂直荷載，；—混凝土塊寬度，；—混凝土塊厚度，或磚墻厚度，；—懸臂的計(jì)算長度，。生根點(diǎn)沒有足夠的磚墻重量壓住是不安全的。在墻上生根除了考慮混凝土的許用壓應(yīng)力外，還要考慮磚的許用壓應(yīng)力只有10。⑷生根在地面上在水泥鋪砌的地面上做支架生根，由于鋪砌面會(huì)受氣候的影響，容易產(chǎn)生熱脹冷縮而開裂變形，特別是受土壤冰凍層的影響而變形隆起等情況。因此，在地面上生根只限于不重要管道，并有柔性荷載小，地面變形對(duì)管道無影響的條件。⑸在基礎(chǔ)上生根管道支架的荷載較大，（1000N以上），或者管道有振動(dòng)，或?qū)χЪ艿闹С幸蟾邥r(shí)，應(yīng)在基礎(chǔ)上生根。基礎(chǔ)的大小和埋深與荷載，地耐力，凍土深度等有關(guān)，應(yīng)有土建設(shè)計(jì)者決定?；A(chǔ)頂部的生根結(jié)構(gòu)，通常有三種：預(yù)埋鋼板；預(yù)埋地角螺栓；預(yù)留孔，基礎(chǔ)預(yù)留孔的深度一般為20～30倍螺栓的直徑。二次灌漿層的厚度一般在20～30之間。⑹在鋼結(jié)構(gòu)上生根支架在鋼結(jié)構(gòu)上生根是最常見的，通常采用焊接或用螺栓連接于梁或柱上。采用焊接的居多，這對(duì)于設(shè)計(jì)和施工都比較方便、靈活。如果荷載較大，生根部位應(yīng)盡量位于主梁或柱上。若在次梁上應(yīng)靠近梁和柱的接點(diǎn)，以減小梁的變形，應(yīng)盡量避免使梁受扭（有圖）。為避免型鋼的翼緣扭曲，常在受力處增加筋板（有圖）。如果管道荷載較大，可盡量不用懸臂梁，以避免產(chǎn)生不必要的扭矩。在柱上生根經(jīng)常采用懸臂梁或三角架。當(dāng)柱子較細(xì)時(shí)，也要避免受扭曲。在鋼結(jié)構(gòu)上生根不需要預(yù)埋件，但是荷載的條件仍是需要的。否則，土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中缺少部分荷載（特別是大與5000N以上的荷載）是不安全的。另外，彈簧支座或聚四氟乙烯滑動(dòng)板支于梁上時(shí)，常需將梁局部加寬。在靠近螺栓附近，必須采用筋板加強(qiáng)。⑺在大管上生根小管道的支架間距不能太大，有時(shí)在大管與小管一同敷設(shè)時(shí)，可采用大管支承小管的方法。其形式如左圖。圖中小管必須是滑動(dòng)支承。⒗輔助鋼結(jié)構(gòu)支架輔助鋼結(jié)構(gòu)介于管部附著件和被生根件之間，懸臂梁、三角架等結(jié)構(gòu)都屬于輔助鋼結(jié)構(gòu)。懸臂架和三角架a圖是最典型的懸臂架，生根部受彎矩，端部撓度較大，L通常≤500mm；b圖在根部設(shè)加強(qiáng)筋板，可減少根部的彎矩及撓度；c圖為變截面懸梁架，可采用大槽鋼一分為二制作；d圖為三角支架可承受較大的力和力矩，L＞750mm，但一般不大于1500mm。帶水平斜撐的三角架如果水平力較大，常在三角架橫向構(gòu)件同一高度處增加斜水平支撐?？娠@著降低水平彎矩。但應(yīng)注意斜支撐不要碰到其他管道或其他構(gòu)件，并在有牢固的生根點(diǎn)時(shí)方采用。上懸式型鋼支架⒘剛性吊架通常指圓桿吊架。一般在上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)中均為鉸接。當(dāng)管道有水平位移時(shí)，吊桿成傾斜位置，有水平分力。但吊架的水平位移量是有限制的，移動(dòng)范圍和桿長成比例。一般吊桿的轉(zhuǎn)角為2θ，θ角應(yīng)控制在4°以下，以避免吊桿對(duì)管道產(chǎn)生過大的水平力及荷載轉(zhuǎn)移。在有熱膨脹的管道中，經(jīng)常采用較小的偏移量S，（L為拉桿長度）。吊桿的承重應(yīng)留有余地，要考慮圓桿的腐蝕量及鄰近支架轉(zhuǎn)移荷載的可能性。選用圓桿吊架時(shí)，應(yīng)注意各種剛性吊架都有其最小的結(jié)構(gòu)長度。選用時(shí)，總長度應(yīng)大于通用圖中最小結(jié)構(gòu)長度。桿的直徑按荷載決定，10mm以下一般不采用。Q235-A碳鋼吊桿作用拉應(yīng)力宜控制在70以內(nèi)。不宜連續(xù)使用過多的吊架，在有振動(dòng)的管道中不宜使用。圓桿吊架的中部常帶有花藍(lán)螺栓，便于調(diào)節(jié)長度，同時(shí)需配有鎖緊螺母，以免松動(dòng)。⒙滑動(dòng)支架管道下方有可支承的土建結(jié)構(gòu)時(shí)，常選用滑動(dòng)支架，管托是比較經(jīng)濟(jì)且簡單的滑動(dòng)架，常采用T形，H形型鋼及鋼板制造?；瑒?dòng)架有水平摩擦力，對(duì)抑制振動(dòng)優(yōu)于吊架?；瑒?dòng)架多時(shí)，傳遞到固定點(diǎn)上的水平力較大。有時(shí)選用帶聚四氟乙烯滑動(dòng)板的支架，以降低水平摩擦力，一般當(dāng)垂直荷載在1噸以上時(shí)可考慮使用。聚四氟乙烯滑動(dòng)板是工廠生產(chǎn)的專用產(chǎn)品，由聚四氟乙烯板與鋼板制成，安裝在設(shè)備支座及管托等下面。通?？墒褂靡粚?duì)四氟乙烯滑動(dòng)板，或一塊滑動(dòng)板與不銹鋼板配合使用。摩擦系數(shù)：對(duì)不保溫的大口徑（DN300以上）及重要管道的下面應(yīng)焊接防止磨損的保護(hù)板。水平管的管托在支架中屬于標(biāo)準(zhǔn)架，長度是定長的，（300,450）必要時(shí)可特殊加長。管托支耳設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)防止熱態(tài)滑落，對(duì)熱位移較大處的管托應(yīng)仔細(xì)計(jì)算，偏置安裝（與位移方向相反）管托偏置是。穿樓板的熱管道尤其要注意，E值應(yīng)滿足熱位移要求，避免管道與樓面管結(jié)構(gòu)相碰，且不宜小于50mm。彈簧支架應(yīng)與樓面相接，支耳應(yīng)有足夠長度，避免滑落，邊緣最遠(yuǎn)應(yīng)不越過彈簧支架中心20mm.左圖（a）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意h值不宜過大，取值應(yīng)保證摩擦力產(chǎn)生的彎矩在允許的范圍內(nèi)?；瑒?dòng)面以下的構(gòu)件應(yīng)為底部固定結(jié)構(gòu)的柱式架，并可以承受彎矩。另外，設(shè)備口附近的支架應(yīng)優(yōu)先選用（c）圖的形式，避免采用b圖的形式。⒚可變彈簧支吊架管道承重點(diǎn)如有垂直向熱位移，一般要設(shè)彈性支架。彈性架最常用的是變力彈簧吊架和變力彈簧支座。有時(shí)為增加支架的承載能力可將幾個(gè)彈簧并聯(lián)使用（2，4，6，8個(gè)等）。有時(shí)支點(diǎn)的位移變化太大，以致使彈簧的荷載變化率超出了允許范圍，可將幾個(gè)彈簧串聯(lián)使用，每個(gè)彈簧可在給定的荷載變化率的條件下增加了整個(gè)支架總的位移量。（通常串聯(lián)數(shù)不超過2個(gè)）。變力彈簧支吊架的荷載變化率一般控制在25％以下。位移量的大小隨彈簧系數(shù)而變化，所以不能認(rèn)為荷載變化率和彈簧系數(shù)成比例；但一般情況，彈簧系數(shù)越小，荷載變化率越小。荷載變化率越高，彈簧越接近剛性吊桿。相應(yīng)地，對(duì)管道的熱膨脹所產(chǎn)生限制越大。另外，變化率越小，相對(duì)一定的荷載和給定的位移彈簧就越笨重。在一般情況下，彈簧架按熱態(tài)吊零設(shè)計(jì)，即保證管道在熱態(tài)工作狀態(tài)下，按個(gè)支撐點(diǎn)垂直位移為零設(shè)計(jì)。管道在熱態(tài)工況下具有良好的荷載分配。有時(shí)也有特殊設(shè)計(jì)需要，對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)彈簧支架按給定的安裝荷載安裝。彈簧支吊架是依據(jù)熱態(tài)（工作時(shí)）的荷載及垂直向熱位移兩個(gè)條件進(jìn)行選用的。安裝荷載可按下式計(jì)算：（＃）式中：—彈簧常數(shù)；—熱位移量；—工作荷載。每一種K對(duì)應(yīng)一個(gè)彈簧號(hào)，K可以從彈簧系列表中查出。見附錄H。一般和必須在彈簧許用荷載的范圍內(nèi)，約在～之間，并符合荷載變化率的要求。熱位移向上時(shí)，式（＃）中應(yīng)采用正號(hào)；熱位移向下時(shí)，采用負(fù)號(hào)。出廠的產(chǎn)品應(yīng)按設(shè)定設(shè)置，并用卡板卡住彈簧在被壓縮的位置，便于安裝，在運(yùn)行前將卡板除去。垂直向熱位移量采用筆算時(shí)，參見6.5介紹的算法?？勺儚椈杉芟盗杏谢ぴO(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（），或按國際彈簧系列，見，其中幾種結(jié)構(gòu)型式可按需要選用。彈簧吊架因水平位移產(chǎn)生轉(zhuǎn)角的限制要求與剛性吊架相同。轉(zhuǎn)角點(diǎn)的垂直向位移：管道的垂直向熱位移，除了設(shè)備的熱脹所引起的以外，就是垂直管道的熱膨脹，最典型的就是Z型管道。如圖所示，垂直段h的膨脹量為，分配到上水平段為，分配到下水平段為。分配的量與L的三次方成正比。水平管上任一點(diǎn)的垂直向位移：支吊點(diǎn)在水平管上，但水平管的兩端有垂直向位移，常見到下面的三種情況：⑴如圖，一端固定，一端有位移的管段。⑵如圖，管段的兩端均有同向的位移。﹥⒛恒力彈簧架如果支架垂直位移很大，冷態(tài)和熱態(tài)的力又必須保持在較小的變化范圍內(nèi)，這種要求從經(jīng)濟(jì)上考慮已超出了使用可變（變力）彈簧支架的范圍。此時(shí)，應(yīng)采用恒力架。恒力架有彈簧和重錘式兩種型式。恒力彈簧架一般包括一個(gè)或更多的彈簧，彈簧的移動(dòng)通過杠桿或相似的機(jī)械效應(yīng)加以放大。支撐點(diǎn)較大的位移相應(yīng)于彈簧較小的行程變化。對(duì)每一種彈簧號(hào)的支架其荷載和位移的乘積基本相等或接近。設(shè)計(jì)和制造通常都很嚴(yán)格，調(diào)整位移都可以從刻度上顯示出來，另外恒力彈簧架有安裝位置可調(diào)結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免將恒力架的位移量范圍用在安裝高度的調(diào)解上。高度調(diào)節(jié)不僅在安裝時(shí)需要，而且當(dāng)管道永久變形后也需再作調(diào)整。恒力彈簧架不是完全達(dá)到恒力，通常荷載變化值僅左右。有些產(chǎn)品在現(xiàn)場調(diào)整荷載的范圍可達(dá)到。恒力彈簧架常用上懸式，有時(shí)因地位限制也采用下支式。詳見標(biāo)準(zhǔn)。恒力彈簧架也是按荷載和垂直位移兩個(gè)條件選用，并進(jìn)一步從系列表找出彈簧號(hào)。在標(biāo)準(zhǔn)和中有完整的恒力彈簧架系列。國際上一般是按照制造廠制定的系列表選用。選擇恒力架時(shí)，應(yīng)考慮留有余地，即：全程不偏差不超過，包括摩擦力在內(nèi)。恒力彈簧吊架的結(jié)構(gòu)圖見附錄I。荷載超過系列范圍可采用并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，位移超過系列范圍可采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)管殼式換熱器設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：熱能與動(dòng)力工程專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)老師：小組成員： 目錄TOC\o"1-3"\h\u9848第一章設(shè)計(jì)任務(wù)書 23974第二章管殼式換熱器簡介 316042第三章設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟 5131第四章工藝計(jì)算 6252374.1物性參數(shù)的確定 6177254.2核算換熱器傳熱面積 7173144.2.1傳熱量及平均溫差 7211294.2.2估算傳熱面積 920478第五章管殼式換熱器結(jié)構(gòu)計(jì)算 11163365.1換熱管計(jì)算及排布方式 11173335.2殼體內(nèi)徑的估算 13230835.3進(jìn)出口連接管直徑的計(jì)算 1471165.4折流板 1417806第六章?lián)Q熱系數(shù)的計(jì)算 20172256.1管程換熱系數(shù) 20174766.2殼程換熱系數(shù) 2020798第七章需用傳熱面積 2316194第八章流動(dòng)阻力計(jì)算 25103178.1管程阻力計(jì)算 25159018.2殼程阻力計(jì)算 262886總結(jié) 29第一章設(shè)計(jì)任務(wù)書煤油冷卻的管殼式換熱器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)用冷卻水將煤油由140℃冷卻冷卻到40℃的管殼式換熱器，其處理能力為10t/h，且允許壓強(qiáng)降不大于100kPa。設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、設(shè)備形式：管殼式換熱器2、操作條件（1）煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃（2）冷卻水介質(zhì)：入口溫度26℃，出口溫度40℃第二章管殼式換熱器簡介管殼式換熱器是在石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器?？v然各種板式換熱器的競爭力不斷上升，管殼式換熱器依然在換熱器市場中占主導(dǎo)地位。目前各國為提高這類換熱器性能進(jìn)行的研究主要是強(qiáng)化傳熱，提高對(duì)苛刻的工藝條件和各類腐蝕介質(zhì)適應(yīng)性材料的開發(fā)以及向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展所作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。強(qiáng)化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)，主要是通過強(qiáng)化管程傳熱和殼程傳熱兩個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)。目前，管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴(kuò)展表面；用添加內(nèi)物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并增加其抗污垢能力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動(dòng)分布，充分利用傳熱面積。管殼式熱交換器（又稱列管式熱交換器）是在一個(gè)圓筒形殼體內(nèi)設(shè)置許多平行管子（稱這些平行的管子為管束），讓兩種流體分別從管內(nèi)空間（或稱管程）和管外空間（或稱殼程）流過進(jìn)行熱量交換。在傳熱面比較大的管殼式熱交換器中，管子根數(shù)很多，從而殼體直徑比較大，以致它的殼程流通截面大。這是如果流體的容積流量比較小，使得流速很低，因而換熱系數(shù)不高。為了提高流體的流速，可在管外空間裝設(shè)與管束平行的縱向隔板或與管束垂直的折流板，使管外流體在殼體內(nèi)曲折流動(dòng)多次。因裝置縱向隔板而使流體來回流動(dòng)的次數(shù)，稱為程數(shù)，所以裝了縱向隔板，就使熱交換器的管外空間成為多程。而當(dāng)裝設(shè)折流板時(shí)，則不論流體往復(fù)交錯(cuò)流動(dòng)多少次，其管外空間仍以單程對(duì)待。管殼式熱交換器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，選材范圍廣，處理能力大，還能適應(yīng)高溫高壓的要求。雖然它面臨著各種新型熱交換器的挑戰(zhàn)，但由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然居于優(yōu)勢地位。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(shí)，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：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、雙重管式換熱器及填料函式換熱器。第三章設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，如果只作簡單估算，或盲目加大傳熱面積的安全系數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)。只有進(jìn)行比較詳細(xì)的計(jì)算，才能使投入運(yùn)行的熱交換器，在安全和經(jīng)濟(jì)方面得到可靠保證。換熱器一般的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟如下：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)搜集有關(guān)的原始資料，并選定熱交換器類型等。確定定性溫度，并查取物性數(shù)據(jù)。由熱平衡計(jì)算熱負(fù)荷及熱流體或冷流體的流量。選擇殼體和管子的材料。選定流動(dòng)方式，確定流體的流動(dòng)空間。求出平均溫差。初選傳熱系數(shù)K0，并初計(jì)算傳熱面積F。設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)包括：選取管徑和管程流體流速；確定每程管數(shù)、管長、總管數(shù)；確定管子排列方式、管間距、殼體內(nèi)徑和連接管直徑等；確定殼側(cè)程數(shù)及折流板的數(shù)目、間距、尺寸等殼程結(jié)構(gòu)尺寸；初確定傳熱面積。管程換熱器計(jì)算及阻力計(jì)算。當(dāng)換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于初選傳熱系數(shù)且壓降小于允許壓降時(shí)，才能進(jìn)行下一步計(jì)算。殼程換熱計(jì)算。根據(jù)采用結(jié)構(gòu)，假定壁溫和計(jì)算換熱系數(shù)。校核傳熱系數(shù)和傳熱面積。根據(jù)管、殼程換熱系數(shù)及污垢熱阻、壁面熱阻等，算出傳熱系數(shù)K及傳熱面積F。核算壁溫。要求與假定的壁溫相符。（13）計(jì)算殼程阻力，使之小于允許壓降。第四章工藝計(jì)算在換熱器設(shè)計(jì)中，根據(jù)所選換熱器類型和所給已知條件，計(jì)算出煤油的流速和水的流速等，然后計(jì)算出傳熱面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了物性數(shù)據(jù)的確定、傳熱量及平均溫差、初選傳熱系數(shù)、估算傳熱面積其具體運(yùn)算如下所述。4.1物性參數(shù)的確定表3-1水和煤油的操作參數(shù)冷卻水煤油進(jìn)口溫度（℃）出口溫度（℃）進(jìn)口溫度（℃）出口溫度（℃)264018040定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可以取流體進(jìn)出口溫度的平均值。煤油的定性溫度為：（1）水的定性溫度：（2）由定性溫度條件下查物性表得出水與煤油的物性參數(shù)，如比熱、密度、黏度導(dǎo)熱系數(shù)。所查結(jié)果見表2-2：表3-2水與煤油的物性參數(shù)名稱定性溫度比熱密度黏度導(dǎo)熱系數(shù)水334.174994.70.00074220.6623煤油1102.432758.320.00051250.10264.2核算換熱器傳熱面積選擇熱水走殼程，冷水走管程。這是因?yàn)椋罕焕鋮s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。由煤油的每小時(shí)產(chǎn)量(一天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）可以計(jì)算出煤油流量：（3）式中M表示煤油的年產(chǎn)量；M1表示煤油流量；t表示時(shí)間。煤油的普朗特常數(shù)：（4）式中Pr1表示煤油的普朗特常數(shù)；μ1表示煤油的黏度；cp1表示煤油的比熱；λ1表示煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。水的普朗特常數(shù)：（5）式中Pr2表示煤油的普朗特常數(shù)；μ2表示煤油的黏度；cp2表示煤油的比熱；λ2表示煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。4.2.1傳熱量及平均溫差一般情況下，工程上常用熱損失系數(shù)ηc來估算損失的熱量。ηc通常取0.02～0.03。ηL取用0.98。由上面的計(jì)算結(jié)果和已知條件代入下式可以得出煤油的傳熱量：（6）式中Q表示傳熱量；M1表示煤油流量；ηL熱負(fù)荷修正系數(shù)。由以上的計(jì)算結(jié)果及已知條件，可以計(jì)算出冷卻水量：（7）式中M2代表冷卻水量；cp2代表水的比熱；計(jì)算兩種流體的平均傳熱溫差時(shí)按單殼程，兩管程計(jì)算。按逆流設(shè)計(jì)換熱器：煤油180℃ 40℃水40℃26℃從而，(8)溫差修正系數(shù)Ψ取決于兩個(gè)無量綱參數(shù)P及R：（9）（10）式（9）中，參數(shù)R具有兩種流體熱容量之比的物理意義。式（10）中參數(shù)P的分母表示換熱器中水理論上所能達(dá)到的最大升溫，因而P的值代表該換熱器中水的實(shí)際升溫與理論上所能達(dá)到的最大升溫之比。所以，R的值可以大于1或小于1，但P的值比小于1。（11）式中Ψ表示溫度修正系數(shù)。（12）式中Δt1m,c表示有效平均溫差。4.2.2估算傳熱面積根據(jù)題意，初選傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)的選擇依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值表3-3表3-3傳熱系數(shù)的選擇依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值表熱交換器型式熱交換流體傳熱系數(shù)備注內(nèi)側(cè)外側(cè)管殼式（光管)氣氣高壓氣氣高壓氣清水清水高粘度液體高溫液體低粘度液體氣高壓氣氣清水清水清水水蒸氣冷凝清水氣體清水10～35170～160170～45020～70200～7001000～20002000～4000100～30030200～450常壓20～30Mpa20～30Mpa常壓20～30Mpa液體層流液體層流根據(jù)表3-3初選傳熱系數(shù)K0=240W/(m2.℃)由以上的計(jì)算結(jié)果及已知條件可以估算出傳熱面積：（13）式中表示估算的傳熱面積；K0表示初選傳熱系數(shù)；Δtm表示有效平均溫差；Q表示傳熱量。由于85.1412㎡面積過大，所以需要兩臺(tái)換熱器，才能符合工業(yè)設(shè)計(jì)要求。實(shí)際的傳熱面積要考慮一定的裕度，此換熱器考慮的裕度為10%。則一臺(tái)換熱器面積為51㎡。第五章管殼式換熱器結(jié)構(gòu)計(jì)算5.1換熱管計(jì)算及排布方式管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，它的材料應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度和流體腐蝕性、流體對(duì)材料的脆化作用及毒性等決定，可選用碳鋼、合金鋼、銅、石墨等。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時(shí)，對(duì)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，單位傳熱面的金屬秏量更少。所喲，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用較小直徑的管子。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)選用較大直徑管子。表4-1換熱管的規(guī)格及排列方式/mm換熱管外徑×壁厚排列形式管心距碳素鋼，低合金鋼不銹耐酸鋼25×2.525×2正三角形3219×219×225在此，選用?25×2.5的碳鋼管，采用無縫焊接工藝。管程內(nèi)水流速可以在表4-2選用：表4-2熱交換器內(nèi)常用流速范圍m/s流體流體管程殼程循環(huán)水新鮮水低粘度油高粘度油氣體1.0～2.00.8～1.50.8～1.80.5～1.55～300.5～1.50.5～1.50.4～1.00.3～0.82～15管程內(nèi)水的流速選用ω2=1m/s。由以上計(jì)算結(jié)果可以算出管程所需流通截面:(14)式中At表示管程流通面積；M2表示冷卻水量；ρ2表示水的密度；ω2表示管程內(nèi)水流速。根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和管程所需流通截面積，可以單程管數(shù)：（15)式中At表示管程所需流通面積；di表示傳熱管的內(nèi)徑。管子在管板上的排列方式最常見的如圖4.1（a）、（b）、（c）、（d）所示四種，即正三角形排列（排列角為30度）、轉(zhuǎn)角三角形（排列角為60度）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45度）、正方形排列（排列角為90度）。當(dāng)管程為多程時(shí)，則需要采取組合排列。設(shè)計(jì)的換熱器的管程為2，則應(yīng)采取組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。（a）（b）（c）（d）圖4.1管子的排列方式根據(jù)表4-1選取正三角形排列為管子的排列方式。表4-3換熱管中心距換熱管外徑192022253032352526283238404438404244505256選取管中心距s=32㎜，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距LE=44㎜。由管中心距可以計(jì)算出平行于流向的管距以及垂直于流向的管距。平行于流向的管距：（16）垂直于流向的管距：（17）由管子布置圖可知每程管子數(shù)為57根；由管子布置圖可以計(jì)算出管束中心至最外層管中心距為0.161m。管束外緣直徑：（18）傳熱管的總根數(shù)：（19）因換熱器是按單殼程，兩管程設(shè)計(jì)的，所以按兩管程計(jì)算，所需傳熱管的長度是：（20）式中d0表示管內(nèi)徑，d0=0.025m；Zt=2表示兩管程。按標(biāo)準(zhǔn)管長6m。5.2殼體內(nèi)徑的估算殼體內(nèi)徑可以用下述公式粗估：（21）（22）（23）當(dāng)管子按正三角形排列時(shí)，可以按上述公式計(jì)算：（24）式中Ds表示殼體內(nèi)徑；nt表示傳熱管根數(shù)；s表示管中心距；d0傳熱管外徑。計(jì)算得到的內(nèi)徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，按照鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)可確定：殼體內(nèi)徑=0.5m。目前所采用的換熱管長度與殼體直徑比，一般在4～25㎜之間：（25）式中表示傳熱管長度；Ds表示殼體內(nèi)徑。所以換熱器的殼體內(nèi)徑和管子長度符合設(shè)計(jì)要求。5.3進(jìn)出口連接管直徑的計(jì)算確定連接管直徑的基本公式仍可用連續(xù)性方程，經(jīng)簡化可以用以下公式：（26）將（26）式結(jié)果圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)管徑，取?150×5。5.4折流板流動(dòng)外，還有支撐管束、防止管束振動(dòng)和彎曲的作用。它的裝設(shè)不如縱向隔板那樣困難，而且裝設(shè)后可使流體橫向流過管束，故此獲得普遍應(yīng)用。折流板的常用形式有：弓形折流板、盤環(huán)形折流板兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。在弓形折流板中，流體流動(dòng)中的死角較小，結(jié)構(gòu)也簡單，因而用的最多。而盤環(huán)形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便清洗，一般在壓力較高和物料比較清洗場合。在此，換熱器設(shè)計(jì)中，折流板形式選弓形。弓形折流板的缺口和板間距的大小是影響傳熱效果和壓降的兩個(gè)重要因素。弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時(shí)與橫過管束時(shí)的流速接近，缺口大小是按切去的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)徑百分?jǐn)?shù)確定的。缺口弦高一般為殼體內(nèi)徑的20%～45%。為了防振并能夠承受拆換管子時(shí)的扭拉作用，折流板須有一定厚度，該值在GB-1999中具體規(guī)定見表4-4表4-4折流板和支持板的最小厚度㎜公稱直徑換熱管無支撐跨距≤300>300～600>600～900折流板或支撐板最小厚度<400400～≤700344556折流板厚度取6㎜。折流板的材料應(yīng)比管子軟，較硬會(huì)磨損管子，導(dǎo)致管子破裂。若材料過軟，則使管子磨損折流板，將相鄰管子間部分磨損，形成穿有數(shù)根管子的大孔，使這些管子失去了這一位置的折流板支撐，引起自振頻率降低，從而使管子易振進(jìn)而損壞。故此，材料取用14Cr1MoR。折流板缺口弦高度：（27）由折流板缺口弦高度和殼體內(nèi)徑可以計(jì)算出折流板的圓心角：折六班圓心角=120度。表4-5折流板間距/mm公稱直徑管長折流板間距≤500≤30001002003004506004500～6000—600～8001500～6000150200300450600折流板數(shù)目：（28）式中Nb表示折流板數(shù)目。折流板上的管孔數(shù)為112個(gè)，由國家標(biāo)準(zhǔn)可知，折流板上管孔直徑dH=0.0254m，折流板直徑Db=0.4955m。由管子排布圖可知：通過折流板上的管子數(shù)為99根，這流管缺口處管子數(shù)為18根。弓形折流板的缺口高度應(yīng)保證流體在缺口處的流通截面積與流體在兩折流板間錯(cuò)流的流通面積接近，以免因流動(dòng)速度變化引起壓降。當(dāng)選好殼程流體流速后，就可以確定保證流速所需的流通截面積。由上面的計(jì)算出的已知結(jié)果可以由下面的方程式求得折流板的缺口面積：（29）式中Awg表示折流板缺口面積；Ds表示殼體外徑；θ表示折流板圓心角。錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)：（30）式中Fc表示錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分比；Ds表示殼體外徑；DL表示殼體內(nèi)徑；h表示缺口弦高度。缺口處管子所占面積：（31）式中d0表示傳熱管外徑；nt表示傳熱管的總管子根數(shù)；Fc表示錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)。流體在缺口處流通面積：（32）式中Ab表示流體在缺口處流通面積；Awg表示折流板缺口面積；Awt表示缺口處管子所占面積。流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積：(33)式中Ac表示兩折流板間錯(cuò)流流通截面積；Ds表示殼體內(nèi)徑；DL表示管束外圓直徑；d0表示傳熱管外徑；s表示管中心距。殼程流通截面積：（34）式中As表示殼程流通面積；Ab表示流體在缺口處流通面積；Ac表示流體在兩折流板間錯(cuò)流流通面積。殼程接管直徑：（35）式中D1表示殼程接管直徑；As表示殼程流通面積。將（37）式結(jié)果圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)管徑，取?203×6。由管子布置圖，可以知道錯(cuò)流區(qū)一排管束：Nc=12根。每一缺口內(nèi)的有效錯(cuò)流管排數(shù)：（36）式中Ncw表示每一缺口內(nèi)的有效錯(cuò)流管排數(shù)；h表示缺口弦高度；sp表示平行于流向的管距。在<1-2>管殼式換熱器設(shè)計(jì)中，可使旁通流道數(shù)為1，取旁通擋板數(shù)為3對(duì)。錯(cuò)流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)：（37）式中Fbp表示錯(cuò)流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)；Ds表示殼體內(nèi)徑；DL表示管束外圓直徑；NE表示旁流通道數(shù)；Ac表示流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積。一塊折流板上管子和管孔間泄面積：（38）式中Atb表示一塊折流板上管子和管孔間泄面積；d0表示傳熱管外徑；dH表示折流板管孔直徑；Fc表示錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)；nt表示傳熱管總根數(shù)。折流板外緣與殼體內(nèi)壁間泄面積：（39）式中Asb表示折流板外緣與殼體內(nèi)壁間泄面積；Ds表示殼體外徑；Db表示折流板直徑；h表示缺口弦高度。第六章?lián)Q熱系數(shù)的計(jì)算6.1管程換熱系數(shù)管程的雷諾數(shù)：（40）式中Re2表示管程的雷諾數(shù)；ω2表示管程內(nèi)水流速；ρ2表示水的密度；μ2表示水的黏度；di表示傳熱管的內(nèi)徑。管程換熱系數(shù)：（41）式中α2表示管程換熱系數(shù)；λ2表示水的導(dǎo)熱系數(shù)；di表示傳熱管內(nèi)徑；Re2表示管程的雷諾數(shù)；Pr2表示水的普朗特?cái)?shù)。6.2殼程換熱系數(shù)殼程雷諾數(shù)：（42）式中Re1表示殼程雷諾數(shù)；M1表示煤油流量；d0表示傳熱管的外徑；Ac表示流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積。假定殼程流體全部錯(cuò)流流過管束，在此理想管束中純錯(cuò)流時(shí)的柯爾本傳熱因子，可由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》圖2.28查出：理想管束傳熱因子js=0.007。折流板缺口校正因子jc可由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》圖2.29查出：折流板缺口校正因子jc=10.25。(43)(44)式中Asb表示折流板外緣與殼體內(nèi)壁間泄面積；Atb表示一塊折流板上管子與管孔間泄面積；Ac表示流體在兩折流板之間錯(cuò)流流通面積。折流板泄露影響的校正因子是等式（43）和（44）的函數(shù)，可由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》圖2.30查取折流板泄露影響的校正因子jl=0.87。管束旁通影響的校正因子jb，它是Fbp和Nss/Nc（Nss為每一錯(cuò)流區(qū)內(nèi)旁路擋板對(duì)數(shù)，Nc為錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管排數(shù)）的函數(shù)，可由可由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》圖2.31查取jb=0.94。殼程傳熱因子：（45）式中j0表示殼程傳熱因子；jb表示管束旁通影響的校正因子；jl折流板泄露影響的校正因子；jc表示折流板缺口校正因子；js表示理想管束傳熱因子。殼程質(zhì)量流速：（46）式中Gs表示殼程質(zhì)量流速；M1表示煤油流量；As表示殼程流通截面積。假定殼側(cè)壁面溫度tw=55℃。壁溫下的煤油黏度μw1，查物性表μw1=0.001203Kg/(㎡＊s)。殼側(cè)換熱系數(shù)：（47）式中α1表示殼側(cè)換熱系數(shù)；j0表示殼程傳熱因子；Gs表示殼程質(zhì)量流速；cp表示定性溫度下的煤油比熱；Pr表示定性溫度下的煤油普朗特常數(shù)；μ表示定性溫度下的煤油黏度；μw1表示定性壁溫下煤油的黏度。第七章需用傳熱面積表6-1水的污垢熱阻經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)m2*℃/W水的種類加熱流體溫度≤115℃加熱流體溫度116～205℃水溫≤52℃水溫≥53℃水速≤1m/s水速>1m/s水速≤1m/s水速>1m/s干凈的軟水自來水井水0.000170.000170.000170.000170.000170.000170.000340.000340.000340.000340.000340.00034表6-2煤油油品及溶液的污垢熱阻經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)㎡＊℃/W種類污垢熱阻粗煤油成品煤油0.000430.00017～0.00026換熱器設(shè)計(jì)中使用的冷卻水為自來水。由表6-1可知冷卻水的污垢熱阻rs2=0.00017㎡＊℃/W。由表6-2，可選成品煤油的污垢熱阻rs1=0.00025㎡＊℃/W。校正傳熱系數(shù)：（48）式中K表示校正傳熱系數(shù)；α1表示殼側(cè)換熱系數(shù)；rs1表示成品煤油污垢熱阻；rs2表示冷卻水污垢熱阻；d0表示傳熱管外徑；di表示傳熱管內(nèi)徑。由以上計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算出傳熱面積：（49）式中Q表示傳熱量；K表示校正傳熱系數(shù)；Δtm表示有效平均溫差。（50）由等式（50）可知換熱器設(shè)計(jì)面積符合設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)殼側(cè)壁溫：（51）式中tw1表示檢驗(yàn)殼側(cè)壁溫；tm1表示煤油定性溫度；K表示校正傳熱系數(shù)；α1表示殼側(cè)換熱系數(shù)；rs1表示成品煤油污垢熱阻；Δtm表示有效平均溫差。第