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　　1、精选优质文档-倾情为你奉上目录1 前言1.1 换热器的应用: 在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。本此设计正是要利用换热器降低油的温度，从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源，带来了额外的经济价值。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，

　　2、因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 固定式管板换热器简介:固定管板式换热器：其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数

　　3、相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。专心-专注-专业2 工艺计算2.1 设计任务书设计类型:固定管板式换热器设计基本参数:换热器的结构与布局由设计确定工作介质: 管程:油 壳程:水 质量流量:6400 Kg/h油入口温度:230 出口温度:180工作压力: 管程 0.75MPa 壳程 0.7MPa其他参数由设计计算确定要求选用合适的材料、元器件和其他零部件等。2.2 设计方案(1) 水温选择：本次设计考虑到经济和设备安全问题，选择水的进口温度为常温20，出口温度为60

　　4、(2) 流程安排：由于本次设计的热流体油的温度较高,而且水的腐蚀性和结垢性高于油，所以选择油走管程,水走壳程。2.3确定物性数据 定性温度：对于一般的轻质油和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程油的定性温度为：T= (110+60)/2=205管程水的定性温度为: t=(20+60)2=40根据定性温度查取有关物性数据，得到油和水的数据分别如下：煤油在205下的物性数据为： 密度 1=686.8 Kg/m3 定压比热容 CP1=2.7436 KJ/(Kg·) 热导率 1=0.135 W/(m·K) 粘度 1=0.682 mPa·s冷却软水

　　5、在40的物性数据为: 密度 2 =992.2 Kg/m3 定压比热容 Cp2=4.174 KJ/(Kg·) 热导率 2=0.634 W/(m·K) 粘度 2=0.653mPa·s2.4 估算传热面积热侧：进口温度T1=230，出口温度为T2=180流量为m1=6400Kg/h；冷侧：进口温度为t1=20，出口温度为t2=60。传热计算（热负荷计算）热负荷：Q=m1CP11(T1-T2)=m2CP22(t2-t1)式中：m2,m1冷热流体的质量流量，kg/s； CP2,Cp1冷热流体的定压比热，J/(kg·k)； t1, t2 冷流体的进、出口温度，k；

　　6、T1,T2热流体的进、出口温度k(1) 热流量依据式Q1=m1Cp1T有Q1=m1Cp1T=6400×2.7436×50= KJ/h=243.87KW(2) 平均传热温度差 先按逆流计算,依下式得：tm=t1-t2lnt1t2=210-120ln=160.82(3) 传热面积 由教材P59页表2-19选取K=160,则估算的传热面积为:AP=Q1Ktm=243.87××160.82=9.48(4) 冷水用量 m2=Q1t2CP2=.174×40=5258.5 Kg/h2.5 工艺结构尺寸(1) 管径和管内流速 选用25×2.5较高级冷

　　7、拔碳钢传热管,取管内流速u=0.2 m/s(2) 管程数与传热管数依据下式确定换热管的单程管字数:ns=V4di2u式中 ns单程管子数 V管程流体的体积流量，m3/s di传热管直径， u管内流体流速，m/sQ1=243.87KWtm=160.82AP=9.48m2=5258.5 Kg/h u=0.2 m/s则 ns=V4di2u=.82×.785×0.022×0.2=41.2142ns=42按单管管程计算,所需长度L=Apd0ns=9.483.14×0.025×42=2.87 m取管长L=1500mm,则Ap=2.871.5=2

　　8、管程Ns=9.483.14×0.025×1.5=80.581 根(3) 平均传热温差校正及壳程数R=T1-T2t2-t1=210--20=1.25P=60--20=0.19按单壳程、双管程结构,查得：t=0.97平均传热温差tm=ttm=0.97×160.82=156.0 (4) 传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。取中心距a=1.25d0，则a=1.25×25=31.2532隔板中心到离其*近的管子中心距离为：S=a2+6=322+6=22则各相邻管的管心距为 t=2S=44,管束的

　　9、分程方法,一程为40根,另外一程为41根排管图如下所示：（5） 壳体内径采用双管程结构，壳体内径可按正方形排列估算。取管板利用率=0.7，则壳体内径为：L=2.87 mL=1500mmAp=2Ns=81根R=1.25P=0.19t=0.97tm=156.0a=32S=22t=44=0.7D=1.05aNT=1.05×.7=361.44按卷制壳体的进级档，取D=400(6) 折流板 本次设计采用单弓形折流板,却弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的1/4,则h为h=0.25D=0.25×400=100取折流板间距B=0.4D=160则折流板的数目为N=DB-1=

　　10、8.378 根但是根据实际接管的位置及布局,*终根据画图所得取N=7 块2.6 换热器核算2.6.1 热流量核算1） 壳程表面传热系数a0用克恩法计算：a0=0.36deRe00.55Pr13w1.14当量直径,按三角形排列计算:de=4×32pt2-4do2do=4×32×0.042-4×0.0322×0.032=0.02m 壳程流通截面积S0=BD1-d0a=0.16×0.41-0.0250.032=0.014壳体流速和雷诺数分别为u0=V0S0=5258.5(3600×992.2)0.014=0.105m/sRe=de

　　11、u0=0.020×0.105×992.20.653×10-3=3190普朗特系数查得Pr=4.31粘度校正w1,则:a0=0.36×0.6340.020×.55×4.3113×10.14=1562.8 W/(K) 2)管内表面传热系数i (无相变)i=0.023idiRe0.8Prn管内流体被冷却,n=0.3管程流速和雷诺数分别为ui=ViSi=6400÷3600÷686.80.785×0.022×81÷2=0.204m/sRe=0.02×0.204686.80.682×10-3=4084.8普朗特系数Pr=2.743×103×0.682×10-30.135=13.86i=0.023×0.1350.020×4084.80.8×13.860.4=389.21W/(K) 3)污垢热阻和管壁热阻 按书上P65可取管外侧污垢热阻 R0=0.26×10-3 K/W管内侧污垢热阻 Ri=1.056×10-3 K/W管壁热阻,碳钢在205的条件下的热导率为w=44.19W/(mK),所以Rw=bw=0.19=5.66×10-5K/W4) 传热总系数

　　13、KC为Kc=1d0idi+Rid0di+Rwd0dm+R0+10算得KC=182W/(K)5) 传热面积裕度传热面积AC为AC=QKtm=243.87××160.82=8.33则该换热器的面积裕度为H=AP-ACAC=9.48-8.338.33=13.6传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。2.6.2 壁温核算按*不利的条件计算，即取两侧污垢热阻为零计算，热力学平衡公式为Q=hAhTm-Tw=cActw-tm热流体的换热面积为 Ah=d0l=7.63热流体的换热面积为 Ac=dil=9.531) 传热管壁温TTw=205-.63×389.21=122.87t

　　14、w=30+×9.53=46.38则热管壁为T=Tw+tw2=84.622) 壳体壁温t由于壳程水的温度不高,可近似取为流体的平均温度,则t=t1+t22=403) 壳体壁温与传热管壁温之差为T=T-t=84.62-40=40.62 该温差比较大,需要设置温度补偿设备,所以采用波形膨胀节进行补偿。2.7 换热器内流体的流动阻力2.7.1 管程阻力PtPt=Pi+PrNSNpFs取管程结垢校正系数FS=1.5直管阻力Pi为Pi=ildiu22=0.048×1.50.02×686.8×0.=51.44 Pa局部阻力Pr为Pr=u22=3×6

　　15、86.8×0.=42.87 Pa则Pt=51.44+42.87×1×2×1.5=282.93 Pa2.7.2 壳程阻力PsPs=P0+PiNSFs其中壳程结垢校正系数Fs=1.15正方形排列，则：NT=1.19NT0.5=1.19×810.5=10.71流通面积S0=BD-NTCd0=0.16×(0.4-10.71×0.02)=0.029管子排列形式对阻力的影响,正三角形取F=0.5壳程流体摩擦因子f0为f0=5×Re0-0.228=5×3191-0.228=0.794壳程流体横过管束的*小流速

　　16、为u0u0=V0S0=5258.×992.20.029=0.05 m/sP0=Ff0NTCNB+1u022=47.46 PaPi=NB3.5-2BDu022=26.78 Pa则：Ps=47.46+26.78×1.15×1=85.37 Pa(3) 总阻力为P=Pt+Ps=282.93+85.37=368.30 PaD=400h=100B=160N=7 块de=0.02mS0=0.014u0=0.0105m/sRe=3190Pr=4.31w1a0=1562.8W/(K) n=0.3ui=0.204m/sRe=4084.8Pr=13.86i=389.21W/(

　　17、K) R0=0.26×10-3K/W Ri=1.056×10-3 K/W Rw=5.66×10-5K/W KC=182W/(K)AC=8.33H=13.6Ah=7.63Ac=9.53Tw=122.87tw=46.38T=84.62t=40T=40.62FS=1.5Pi=51.44 PaPr=42.87 PaPt=282.93 PaFs=1.15NT=10.71S0=0.029F=0.5f0=0.794u0=0.05 m/sP0=47.46 PaPi=26.78 PaPs=85.37 PaP=368.30 Pa2.8 换热器的主要结构尺寸和计算结果到此换热器的工艺计

　　18、算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，其计算结果如下表2-1所示：表2-1参数管程（油）壳程（软水）流率/(kg/h).5进/出口温度/230//60压力/MPa0.1010.101物性定性温度/密度/(kg/)686..2定压比热容/(kJ/(kg·K)2..174粘度/(Pa·s)0.682×10-30.653×10-3热导率/W/(m·K)0.1350.634普朗特系数13.864.31续表2-1设备机构参数形式固定管板式台数1壳体内径/400壳

　　19、程数1管径/25×2.5管心距/32管长/1500管子排列管数目/根81折流板数/ 个7传热面积/9.48折流板间距/160管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.2040.105表面传热系数/(W(·K)389..8污垢热阻/(·K/W)0..阻力/MPa282.9385.37热流量/kW243.87传热温差/K40.62传热系数/(W(·K)182裕度/13.63 换热器结构设计与强度校核在**部分进行工艺计算结束后,应进行下一步:开始换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算。这一过程主要包括壳体和封

　　20、头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、接管计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆、膨胀节等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下：3.1 壳体与管箱厚度的确定 根据计算得出的软水进出口温度，选择设计温度为80；设计压力为1.0Mpa。3.1.1 壳体和管箱材料的选择 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含

　　21、碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。3.1.2 圆筒壳体厚度的计算及校核焊接方式：选为双面焊对接接头，全部进行无损探伤，故焊接系数=1.0；根据GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对16MnR钢板其：C1=0.6;C2=2材料在80的许用应力T=170MPa（厚度为616mm时）壳体计算厚度按下式计算为：=PcDi2t-Pc=400×1.02×170×1.0-1.0=1.18设计厚度为： d=+C2=1.18+2=3.18mm 名义厚度n=d+C1+=4mm(其中为向上圆整量) 查其*小厚度为6

　　22、mm，则此时厚度不满足要求,取n=6mm有效厚度为e=n-C1-C2=6-0.6-2=3.4 mm水压试压压力为PT=1.25PCt=1.25×1.0×=1.25 MPa所选材料的屈服应力为s=345 MPa水压试压应力T=PTDi+e2e=1.25×(400+3.4)2×3.4=74.15 MPa水压试压应力校核T=74.15 MPa<0.9s=0.9×325×1.0=292.5 MPa即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。=1.0C1=0.6;C2=2T=170MPa=1.18mmd=3.18mmn=6mme=3.4

　　23、mmPT=1.25 MPas=345 MPaT=74.15 MPa3.1.3 管箱厚度计算及校核此时选用标准椭圆形封头，材料为16MnR,故K=1，且同前面一样，其中C1=0.6mm;C2=1mm，采用双面焊对接接头，部分进行无损探伤的焊接形式，取=0.85材料在205的许用应力为T=156 MPa则封头计算厚度为：h=KPcDi2t-0.5Pc=1×1.0×4002×156×0.85-0.5×1.0=1.51mm设计厚度 dh=h+C2=1.51+2=3.51mm 名义厚度 nh=dh+C1+=5 mm （为向上圆整量）； 考虑到和法兰及管板

　　24、连接的*小厚度取nh=6 mm有效厚度ne=nh-C1-C2=6-0.6-2=3.4 mm水压试压压力PnT=1.25PCt=1.25×1.0×=1.36 MPa水压试压应力为nT=PnTDi+ne2ne=1.36×(400+3.4)2×3.4=80.68 MPa水压试压校核nT=80.68 MPa<0.9s=0.9×325×0.85=248.625 MPa 即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。K=1C1=0.6mm;C2=1mm=0.85T=156 MPah=1.51mmdh=3.51mmnh=6 mmne=3.4 m

　　25、mPnT=1.36 MPanT=80.68 MPanT<0.9s查JB/T钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下表3-1：表3-1 DN400标准椭圆形封头参数DN(mm)总深度H(mm)直段长度l(mm)内表面积A()容积(m3)封头质量（）...7 封头处的厚度同前管箱短节部分的厚度一样,为6mm。3.2 隔板 隔板与管箱采用角接焊,与管板进行开槽密封连接。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，槽宽为12mm，且分程隔板的*小厚度为8mm。焊接方式如下图3-1所示:图3-13.3接管设计3.3.1 壳程接管(1) 壳程接

　　26、管公称直径DN壳程进出口接管:取接管内软水的流速为u1=2 m/s则直径为:d1=4qvu1=4×5258.×992.23.14×2=0.306 m按照钢管厚度系列，取公称直径DN=32 mm可选接管的规格为32×3，接管的材料选为20号钢。u1=2 m/sDN=32 mm(2) 接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径，公称压力可查HG钢制管法兰、垫片、紧固件，选择板式平焊钢制管法兰，其具体尺寸如下表3-2所示：表3-2法兰参数公称直径DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺

　　27、栓孔数量n螺栓THM具体形式如图3-2所示：图3-2(3) 接管高度(伸出长度)L=h+h1+l=16+10.8+10+30=66.8 mm圆整,取L=70 mmL=70 mm3.3.1 管程接管(1) 管程接管公称直径DN壳程进出口接管:取接管内软水的流速为u2=2 m/s则直径为:d2=4qvu2=4××686.83.14×2=0.406 m按照钢管厚度系列，取公称直径DN=40 mm可选接管的规格为40×2.5，接管的材料选为20号钢。u2=2 m/sDN=40 mm(2) 接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径，

　　28、公称压力可查HG钢制管法兰、垫片、紧固件，选择板式平焊钢制管法兰，其具体尺寸如下表3-3所示：表3-3法兰参数公称直径DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓THM(3) 接管高度(伸出长度)L=h+h1+l=16+10.8+10+30=66.8 mm圆整,取L=70 mm3.3.2 排液口、排气口 排液口和排气口的公称直径大小一般不小于15 mm,本次采用的公称直径为30 mm。L=70 mm3.4 开孔补强根据GB150-2011，允许不另行补强的*大接管外径是=89 mm，本次设计的壳程接管、管程接管、排液口和排气口均小于=89 mm，因此不需要另行考虑开孔补强问题。3.5 法兰与垫片3.5.1管箱法兰与封头法兰管箱与法兰、封头与法兰均采用对接焊，查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，平面密封面，材料为锻件20MnMo，其结构如图3-3，其具体尺寸如下表3-4：（单位为mm）图3-3表3-4 DN400长颈对焊法兰尺寸DN法兰螺柱对接筒体*小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量

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