換熱器課程設計

③流量小而粘度大的液體一般以走殼程為宜。故根據以上原則我們確定原油走管程，柴油走殼程。2.2初算換熱器的傳熱面積列管式換熱器可根據生產任務要求，由熱量衡算大致估算出換熱器的傳熱面積。2.2.1熱負荷及冷卻介質消耗量的計算在熱損失可以忽略不計的條件下，兩流體均無相變的情況下，熱負荷可由下式計算:（2-1）式中——熱負荷,W——熱、冷流體的質量流量，kg/s——熱、冷流體的定壓比熱容，kJ/(kgK)——熱流體的進、出口溫度，℃——冷流體的進、出口溫度，℃熱負荷：w原油消耗量：kg/s2.2.2計算平均溫度差，并確定管程數選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫差.（2-2）式中——進、出口兩端流體溫差中較低一側的溫差；——進、出口兩端流體溫差中較高一側的溫差；℃按下式計算因數R和P值：(2-3)(2-4)故：根據R、P值，查溫度校正系數可讀得，溫度校正系數。可見用單殼程單管程合適，因此平均溫度差℃。2.2.3按經驗數值初選總傳熱系數選取w/(mk)2.2.4初算出所需傳熱面積利用總傳熱速率方程式：（2-5）式中——估算的傳熱面積，m——假設的總傳熱系數，w/(mk)——平均傳熱溫度差，℃得：m2.3主要工藝及結構基本參數的計算列管式換熱器結構主要基本參數包括：公稱直徑、公稱壓力、設計溫度、換熱管長、換熱器規(guī)格、折流板間距及公稱換熱面積等。2.3.1換熱器選材換熱管規(guī)格及材質的選定選用Ф25mm×2.5mm鋼管。2.3.2換熱器數量及長度的確定在選定管子的規(guī)格后，可有下式先求出單管程所需的管子數目：（2-6）式中——單程管子根數；——管內流體的體積流量，m/s；——管內流體的適宜流速，m/s；——管子內徑，m。故：管數由上述估算出的管外表面積又可計算出單程管長度：（2-7）則：管長m按商品管長系列規(guī)格，取管長L=6m2.3.3管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。2.3.4計算外殼內直徑（2-8）式中——殼體內徑，m；——管子中心距，用脹接方法連接，；用焊接方法連接，；——橫過管束中心線的管數；管子按正三角形排列：；管子按正方形排列：；——換熱器的總管數；——管束中心線上最外層管中心至殼體內壁的距離，；通常取。由于管中心距mm；橫過管束中心線的管數，取整根。管束中心線最外層的中心至殼體內壁的距離：m所以mm實際值D：mm按殼體直徑標準系列圓整，取D=450mm因為，管長徑比合適.2.3.5畫出排管圖根據殼體內徑、管中心距t、橫過管束中心距的管數及其排列方式，繪制出排管圖，如圖2-1所示。由圖可見，中心排有13根管時，按正三角形排列，可排139根，除去4根拉桿位置，故實際管子根數=135根。圖2-1管子排列圖2.3.6計算實際傳熱面積及過程的總傳熱面積系數mw/(mk)2.3.7折流板直徑、數量及有關尺寸的確定選取折流板與殼體間的間隙為3.0mm，因此：折流板直徑=450-23.0=444mm切去弓形高度mm折流板數量取折流板間距=300mm，那么,取整得塊實際折流板間距mm2.3.8拉桿的直徑和數量與定距管的選定選用Ф12mm的鋼拉桿，數量4條，定距管采用與換熱器相同的管子，即mmmm鋼管。2.3.9溫度補償圈的選用由于，故需考慮設置溫度補償圈。具體結構尺寸可從有關標準查取。2.4管、殼程壓強降的校驗列管式換熱器壓力降的校驗，其目的是校驗流體通過所設計換熱器的壓力降是否符合工藝的要求。若達不到要求是，需調整管、殼程數或折流板間距等，重新計算，直到滿足要求為止。2.4.1管程壓強降（原油走管程）管程壓力降可由一般的摩擦阻力公式求得：（2-9）式中——管程總壓力降，Pa；——分別為單程直管阻力與局部阻力，Pa；——校正系數，對于25mm2.5mm管子，??；——串聯殼程數；——管程數。據上述結果可知：管程數=1，串聯殼程數=1；對于25mm2.5mm的換熱管，結構校正系數為。換熱器為單程管，；流體流經直管段（包括進、出口）的壓力降為(2-10)由于N/m取mm，那么，可查得，故N/mPa<30kPa管程流體壓強將滿足要求。2.4.2殼程壓強降（柴油走殼程）當殼程無擋板時，流體順著管束流動，此時殼程流體壓力降可按下式計算：（2-11）式中——殼程總壓力降，Pa；——流體流過管束的壓力降，Pa；——流體流過折流板缺口的壓力降，Pa;——結垢校正系數，對于液體，=1.15；對于氣體或可凝蒸汽，=1.0；——殼程數。其中流體流經管束的壓強降：（2-12）（2-13）式中——折流板數目；——橫過管子中心數；——殼程的摩擦系數；——管子排列方式對壓力降的校正因數；——殼程流體橫過管束的最小流速，m/s；——折流板間距，m。由于，管子排列方式對壓強降的校正因子，F=0.5（正三角形排列）殼程流體的摩擦系數：橫過管子中心數：折流板數：（2-14）其中：mm/s故N/mN/m故有：Pa<30kPa2.5總傳熱系數的校驗通過校驗總傳熱系數，使之與初選的傳熱系數的比值盡量接近1.15至1.25之間。2.5.1的查取管外側污垢熱阻mk/w管內測污垢熱阻mk/w管壁熱阻碳鋼在該條件下的熱導率為45w/(mk），則：mk/w2.5.2的計算列管式換熱器面積是以傳熱管外表面積為基準，在利用關聯式計算總傳熱系數也應以管外表面積為基準，其計算公式為：（2-15）式中——總傳熱系數w/(mk）；——分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數，w/(mk）；——分別為管程和殼程的污垢熱阻，w/(mk）；——導熱率，mk/w；——分別為傳熱管內直徑、外直徑，m。其中:（2-16）（2-17）（2-18）式中——殼程流體傳熱膜系數，W/(K);——管程流體傳熱膜系數，W/(K);——殼程流體的導熱系數，W/(K);——當量直徑；m；——流體在定性溫度下的粘度，PaS;——流體在壁溫下的粘度，PaS；Pr——普蘭特準數。由上述公式則有：w/(mk）故w/(mk）因為比值在1.15到1.25之間，所以合適。2.6列出所涉及換熱器的結構基本參數表2-1換熱器的結構基本參數外殼直徑：換熱面積：換熱管數：N=135根管長：管子規(guī)格：管中心距：管子排列方式:正三角形管程數：1殼程數：1折流板數量：塊折流板間距：h=295mm拉桿數量：4根拉桿直徑：mm定距管：與換熱器相同規(guī)格通過管板中心的管字數：n=13根

第3章換熱器的結構設計表3-1換熱器的結構參數材料內徑管長管數管程數焊縫系數封頭深度3.1筒體部分計算筒體部分計算應包括筒體厚度的計算以及應力校核。3.1.1筒體厚度的計算根據工作條件選擇殼程圓筒的材料為Q245R鋼板，在設計溫度175℃時需用應力為MPa，常溫時許用應力為MPa，屈服極限MPa。按GB150——2011標準中，殼程圓筒計算厚度（3-1）式中——筒體厚度，mm；——外殼內直徑，mm；——材料在設計溫度下的許用應力，MPa；——焊縫系數；本設計采用雙面焊縫??；——設計壓力，MPa；——腐蝕裕度，mm?？稍?~8mm范圍內，根據流體的腐蝕性而定。本設計取mm。故有：mm考慮到安全系數，以及開孔強度等措施，GB150—2011中規(guī)定當殼體內徑mm時，殼體的最小厚度為mm，則取mm即mm。3.1.2殼程圓筒的液壓試驗及壓力試驗時應力校核試驗液體為水，試驗壓力按GB150—2011或TSGR0004—2009計算MPa壓力試驗時，圓筒的總體薄膜應力按下式：MPa3.2橢圓封頭厚度根據工作條件選擇封頭的材料為Q245R，在設計溫度為175℃時許用應力為MPa。按GB150—2011中，封頭壁厚公式(3-2)式中——封頭厚度，mm?！螤钕禂担@里由于封頭是標準的，故取.則有：mm取mm，mm?？紤]到安全系數，以及開孔補強等措施，GB150—2011中規(guī)定封頭內徑mm時，最小厚度不小于8mm而筒體厚度為mm，則封頭取mm，mm。在GB150—2011中可查出該封頭的參數：封頭深度mm，直邊長mm，筒體名義厚度為mm，封頭容積為m。3.3管板選取由MPamm則選取如下表3-1中的規(guī)格管板：表3-1管板參數56553050044748745012518M162028383.4法蘭選取圖3-1法蘭（a）圖3-2法蘭（b）查JB4700-2000壓力容器法蘭可選甲型平焊法蘭其具體尺寸如表3-2：（單位為mm）。表3-2法蘭參數5655305004904873418M16243.5鞍式支座選擇重型（B型）鞍式支座，120包角重型帶墊板式不帶墊板鞍式支座結構和尺寸如表3-3：表3-3支座尺寸參數公稱直徑DN允許載荷Q(KN)鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距鞍座質量，kg增加10mm增加的質量kg弧長帶墊板不帶墊板4506020042012088968540200648290161033.6接管伸出長度：由經驗可知，保溫換熱器保溫厚度不超過100mm，所以取伸出長度mm且殼程和管程一樣。殼程接管(原油)[高粘度液體0.5～1.0m/s]取m/smm取mm則：m/s符合標準規(guī)定殼程接管（柴油）[低粘度液體1.5～3.0m/s]取m/smm取mm則：m/s符合標準規(guī)定

第4章換熱器的強度校核4.1計算容器重量載荷的支座反力已知。4.1.1設備自重設備自重包括筒體重、封頭重、熱管重、和附件重。筒體重：N封頭重：N熱管重：N附件重：N則設備自重：N4.1.2充滿介質時液體介質重量液體介質的重量等于殼程液體的質量與管程液體的質量之和，即：N4.1.3作用于每個支座上的反力N<60kN故支座選擇合理。4.2筒體軸向應力驗算4.2.1軸向彎矩計算4.2.1.1鞍座截面處的彎矩：（4-1）式中——鞍座截面處彎矩，Nm；——封頭深度，m。由4-1式有：4.2.1.2跨中截面處彎矩：(4-2)由4-2式有：4.2.2軸向應力的計算由上面的計算結果可知跨中截面彎矩遠大于鞍座截面處的彎矩，所以不考慮鞍座處的“偏塌”現象，因此只計算跨中截面的軸向應力即可。4.2.2.1跨中截面最高點的軸向應力因為是內壓操作，所以不考慮則MPa4.2.2.2跨中截面最低點的軸向應力MPa軸向應力校核：MPaMPaMPa可見。滿足強度及穩(wěn)定性要求。4.3鞍座處的切向剪應力校核因，未被封頭加強的圓筒，且在鞍座平面上無加強圈的圓筒。鞍座包角。則查GB150—2011可得,,,,,.故MPa由于不存在，故不存在切向剪應力.校核：MPa均滿足強度要求。4.4鞍座處筒體周向應力驗算4.4.1鞍座板（不做加強板）的應力驗算4.4.1.1筒體最低的周向應力，其中：故 MPa滿足MPa。4.4.1.2鞍座邊角處的周向應力由于則顯然滿足MPa。4