4381.固定管板式换热器设计 传热传质学课程设计.doc

《4381.固定管板式换热器设计 传热传质学课程设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4381.固定管板式换热器设计 传热传质学课程设计.doc（30页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 专业课程设计固定管板式换热器设计 院（系、部）：机械工程学院专 业：过程装备与控制工程班 级：姓 名：学 号：指导老师: 2010年 1 月 5 日北京目录一 设计参数2二、热工艺设计21.估算传热面积22.工艺结构尺寸3三、 结构设计63.1结构尺寸参数63.2采用原件材料及数据73.3 折流板73.4接管73.5壳体和封头的设计83.5管板与换热管83.6壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接103.7其他各部件结构11四、强度的计算与校核134.1圆筒计算134.2压力实验应力校核134.3最大工作压力和计算应力134.4封头设计计算134.5管板设计计算144.6 接管、接管法兰以及开

2、孔补强174.7 鞍座强度校核19参 考 文 献21一 设计参数- 壳 程 管 程 设计压力（MPa） 2.61.7 操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口） 设计温度（） 250 75 操作温度（） 220/175（进口/出口） 25/45（进口/出口） 流量（kg/h） 40000 选定 物料（-） 石脑油 冷却水 程数（个） 1 2 腐蚀余度（mm） 3 - 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程石脑油的定性温度为= (220+175)/2=197.5管程流体的定性温度为 t= (45+25)/2=35查石油化工设计手册得设计

3、温度下物料的物理性质参数如下表(其中石脑油按汽油算)：石脑油的物性参数(T=197.5) 水的物性参数（t=35）密度：1=0.71103kg/m3定压比热容:Cp1=2.13J/(kgK)导热率：1=0.218W/(mK)粘度：1=0.6410-3Pas密度：2=993.95kg/m3定压比热容:Cp2=4.174J/(kgK)导热率：2=0.625W/(mK)粘度：2=0.72710-3Pas二、热工艺设计1.估算传热面积1.1计算两流体的平均温度差 先按单壳程、2或2n管程进行计算，其逆流时的平均温度差为：t=162.18k P=0.102 , R=2.25按单壳层，双管程查温差修正系数

4、表得: t=0.99故有效平均温差 tm=ttm逆=0.99162.18=160.56K1.2计算热流量及冷却水的流量 热流量:=qm1cp1t1=40002.13(220-175) =3.834106kJ/h=1065kw 取热损失系数C=0.97,则冷却水吸收的热量：2=C=3.8341060.97=3.719 kJ/h=1033kw冷却水用量：qm2=2/ cp2t2=3.719106/4.174(45-25)=44549.59kg/h1.3估算传热面积初选K=680W/(m2K),由稳态传热基本方程得传热面积:A估=/Ktm=1033000/(680160.56)=9.46m2 2.工

5、艺结构尺寸2.1选择管径和管内流速选用252.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），查换热器设计手册表1-2-7得：公称直径DN（mm）管程数nt（个）管子根数Nt（根）中心排管数管程流通面积（m2）换热面积（m2）换热管长度L(mm)400294110.014821.43000排列形式：正三角形管间距： =32mm折流板间距：2.2计算实际换热面积 实际换热面积 A实际=d(L-2-0.006)n =3.140.025(3-20.05-0.006)94=21.35m2 2.3 计算总传热系数 管内冷却水速度： ui=Qi/Ai=44549.59/(3600993.950.0148)=0.84m/s

6、换热管内经di=d0-2=0.025-20.0025=0.02m 雷诺数：Rei=uidi/=0.840.02993.95/0.000727=22968.86对于湍流，由Dittus Boelter关系式，有传热膜系数：普朗特数： =41740.000727/0.625=4.86由于冷却水要被加热,故取n=0.4管内传热膜系数i=0.0230.625/0.0222968.860.84.860.4=4170.07W/(m2K) 管外传热膜系数换热管呈正三角形排列，根据Kern法当量直径：=流体流过管间最大截面积是壳体内径估算为=0.37=0.216.7=40000/(36007100.0167)

7、=0.94m/s雷诺数：Re=uodo/=0.940.025710/0.00064=26070普朗特数： =21300.00064/0.218=6.25壁温可视为流体平均温度，即：0.55 o=0.36(0.218/0.02) (0.020.64710/0.00064)0.556.251/3 =1389.25W/(m2K)查表GB151-1999管壳式换热器得：管外有机物污垢热阻：/W管内冷却水污垢热阻：/W插入法得到=式中：管外流体传热膜系数，W/(m2K)； 管内流体传热膜系数，W/(m2K)； ,分别为管外、管内流体污垢热阻，(m2K) /W； 管壁厚度，m；管壁材料的导热系数，W/(m

8、2K) o iiorr,w1/K=1/1389.25+1/4170.07+1.7610-4+0.0025/73=1.169810-3K=1/1.169810-3=854.82.4 计算总换热面积由稳态传热基本方程：A =/Ktm=1033000/(854.8160.56)=7.526m2（1+25%）=9.41,符合选型要求2.5计算管程压力降管程压力降有三部分组成，可按照如下公式进行计算流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa; -流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa; 流体流经管箱进出口的压力降，Pa; 结构矫正因素，无因次，对252.5mm，取为1.4； 管程数取2； 串联的壳程

9、数取1; 根据伯拉修斯式，Re=3时有： =0.3164/22968.860.25=0.0257 pL=0.0257(2/0.02)(993.950.842/2)=901.21Pa pr=3(iui2/2)=3(993.950.842/2)=1051.997Pa pn=1.5(993.950.842/2)=526Papi=(901.21+1051.997) 1.421+5261=0.005594MPa管程压力降在允许范围内2.6计算壳程压力降采用埃索法计算公式： 式中：-流体横过管束的压力降，Pa; -流体通过折流板缺口的压力降，Pa; 壳程压力降的结垢修正系数，无因此，对液体取1.15;其中

10、： 式中：F管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形F=0.5; 壳程流体摩擦系数，当Re500时，; -横过管束中心线的管子数，对三角形排列; -按壳程流通截面积计算的流速，。 =5.026070-0.228=0.492 0.2(0.37-10.660.025)=0.0207m3=40000/(36007100.0207)=0.756m/s=0.50.49210.66(14+1) 7100.7562/2 =0.00798Mpa143.5-(20.2/0.37) 7100.7562/2=0.006871MPa=（0.00798+0.006871）1.151=0.01708MPa因此，壳程压力降

11、在允许范围内。三、 结构设计3.1结构尺寸参数a)根据换热器公称直径为400mm，选用圆筒作为换热器壳体。壳体圆筒：公称直径DN=400mm，壁厚。b)换热管：外径d=25mm，壁厚，换热管长度，根数n=94，受压失稳当量长度，换热管呈正三角形排列，管间距 。c)管板：刚度削弱系数，强度削弱系数。d)螺栓：数量n=16，规格M27，30mm有效承载面积：（换热器设计手册）e)管箱法兰：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整体钢制管法兰 法兰外径 ，螺栓孔径中心圆直径，法兰厚度C=32mm，管箱圆筒厚度，法兰宽度： 3.2采用原件材料及数据a)换热管材料：碳素钢钢管 20设计温度下的许用应

12、力 设计温度下的屈服点 设计温度下的弹性模量(GB150-89,表15) 管壁温度下的弹性模量 管壁温度下的膨胀系数 b)壳程圆筒材料：碳素钢Q235-B250设计温度下的许用应力 圆筒在壁温下的弹性模量Mpa 圆筒在壁温下的线膨胀系数mm/ c)管板材料：16Mn 250设计温度下的许用应力250设计温度下的弹性模量d)螺栓材料：40Cr（GB150-1989表2-7）常温下许用应力250设计温度下的许用应力e)管箱法兰材料：16Mn由于管箱法兰为长颈对焊法兰，管箱圆筒材料弹性模量取管箱法兰材料的值，根据GB150-1989250下的弹性模量75下的弹性模量f)垫片材料：铁包石棉垫片根据GB

13、150-1998，垫片系数m=2，比压y=11Mpa3.3 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺 高度为： 100mm 折流板数NB=14块3.4接管壳程流体进出口接管： 接管内流速uo=0.756m/s,则接管内径为 圆整后取170mm管程流体进出口接管：接管内流速uo=0.84m/s圆整后取140mm3.5壳体和封头的设计 3.3.1壳体的设计a)圆筒公称直径由计算知，圆筒的公称直径为400mm400mm，采用卷制圆筒。b)圆筒厚度圆筒的最小厚度应按GB150-1989计算，但不得小于表3-1规定。表3-1碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 mm公称直径

14、 400固定管板式6 如上表按附加量圆整取最小厚度为10mm表2-2壳体、管箱壳体厚度 mmDN（mm） 材料 壳程或管程公称压力PN,MPa0.61.01.62.54.06.4Q235-A/B/C 8888-40016MnR 888810121Cr18Ni9Ti 44461014 对应壳体、管箱壳体厚度也取10mm3.3.2封头设计按工作原理，设计封头应为受内压的椭圆形封头，采用长轴与短轴比为2的标准型封头。椭圆形封头是由半个椭圆球和具有高度h的圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的还焊缝受到边缘应力的影响。封头厚度（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.3%。由表3-3，

15、取封头厚度为10mm 3.5管板与换热管 3.5.1 管板 3.5.1.1材料：16MnR 3.5.1.2厚度 根据设计要求，当采用先胀后焊连接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕量）见表3-5；取（包括腐蚀裕量）。换热管外径25最小厚度 用于易燃易爆及有毒介质等场合 用于无害介质的一般场合 2.5.1.3布管a) 换热管的排列形式，见图2-3，本设计选择三角形错列形式图2-3布管形式b)换热管中心距换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径。常用换热管外径如换热器设计手册表1-6-16，即表3-6 所示： 根据表中要求选取换热管中心距为S=32mm表3-6 换热管中心距 mm换热管外径d 25

16、换热管中心距S 32分程隔板槽两相邻管中心距 44c)布管限定圆：布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径 表3-7布管限定圆 mm 换热器形式固定管板式、U型管式 浮头式 布管限定圆 表中：b见图2-4，其值按表2-8选取，mm -见图2-4，其值按表2-9选取，mm -见图2-4，mm -固定管板式换热器或U型管换热器管束最外层换热管表面至壳体内壁的最短距离，且不小于10mm 垫片宽度，其值按表2-9选取，mm 图3-4 布管示意图除了考虑布管限定圆直径外，换热管与防冲板间的距离也需考虑。通常，换热管外表面与邻近防冲板表面间的距离，最小为6 mm。换热管中心线与防冲板板厚中心线或上表面之间的

17、距离，最大为换热管中心距的倍。表3-8不同的b值mmb 表3-9 3 4从表中可得：选取b=5mm,mm,=15mm，=10mm ,392-210=372mm d)管程分程：经压力降设计，采用双管程结构。 e)壳程进出口处的布管：应考虑壳体内壁与管束之间的流通面 积和介质进出口管处的流通面积相当。 3.5.2管孔换热器的换热管和管孔直径允许偏差按GB151-1999规定：换热管，管孔a)拉杆孔：拉杆与管板采用螺纹连接螺孔深度：，其中为拉杆螺孔公称直径。b) 管板密封面：管板与法兰连接的结构尺寸及制造、检验要求 等按JB1157-1163-82压力容器法兰的规定。 3.5.3换热管a)换热管长度

18、选用：3000mmb)换热器的规格和尺寸偏差：按GB8164-87输送流体用无缝钢管的规定，常用规格如表3-10表3-10常用换热管的规格和尺寸偏差(材料：碳钢)换热管标准 管子规格高精度、较宽精度 普通精度 外径 厚度 外径偏差 壁厚偏差 外径偏差 壁厚偏差GB/T8163 2.0 +15%GB-9948 2.5 -10% -10%选型 57 3.5 +12% -10%选用普通精度的标准，。3.6壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 管板与壳体连接形式分为两类，一是不可拆的，如固定管板式，管板与壳体使用焊接连接。二是可拆式，如U型管，浮头及填料函式管板式换热器。 3.6.13.6.1.1根据

19、设计要求，换热管与管板的连接采用焊接。3.6.1.2 结构尺寸：按表3-11，3-12的规定表3-11 换热管外伸长度 mm 换热管外径 d16伸出长度 槽 深 K 0.5表3-12换热管外伸长度 mm 换热管规格外径25 换热管最小伸出长度 =1.5 =2.5 槽深 K 23.7其他各部件结构 3.7.1折流板和支持板常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，本设计中采用25%的单弓形折流板，如图2-5图2-5 单弓形介质流动图 3.7.2拉杆、定距管3.7.2.1拉杆的结构形式：常用的拉杆形式有两种，由于换热管的外径等于25mm19mm，故本设计选用拉杆定距结构，如图3-7图3-

20、7拉杆定距管结构 3.7.2.2拉杆的尺寸：如图3-8图3-8表3-16拉杆的尺寸 mm拉杆直径d拉杆螺纹公称直径 10 10 13 121215161620 a)拉杆尺寸通过图3-8，表3-16确定b) 拉杆的长度L按换热器管长需要设定 c) 拉杆的布置应尽量布置在管束的外边缘 3.7.2.3 拉杆的直径和数量：按表3-17，表3-18选用表3-17 拉杆直径选用表 mm 换热管外径d 25 拉杆直径 16 表3-18拉杆数量选用表拉杆直径d公称直径DN 16 4取拉杆直径为16mm，拉杆数量为4. 3.7.3防冲板根据设计要求，在壳程设置防冲板，以减少气流的不均匀分布和对换热管管端的冲蚀。

21、防冲板表面到圆筒内壁的距离，一般为接管外径的1/41/3，取距离为50mm；防冲板的直径和边长，应大于接管外径50mm，取防冲板直径为250mm；防冲板的最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm，取厚度为6mm。防冲板的固定形式：a) 防冲板的两端焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上； b) 防冲板焊在圆筒上； c) 用U形螺栓将防冲板固定在换热管上。 3.7.4沉降管设计由，得根据实际情况选下沉管为2739.5，管子材料为A3钢。 3.5换热管下箱设计材料：16MnR厚度：，管箱长度：l=800mm，管箱内径： 3.7.6座选取按JB4712选用BI型，120包角，焊接

22、，单筋，带垫板。四、强度的计算与校核下面对换热器各部件进行强度设计计算与校核: 4.1圆筒计算圆筒由钢板卷制而成，故查得钢壁厚为10mm，则内径为380 mm。 取焊缝系数=0.85，筒体计算厚度按下式计算:设计厚度：名义厚度：根据钢材规定名义厚度要6mm，所以取到有效厚度：其中C1为GB709钢板负偏差，C2=3mm为题目所给设计参数。4.2压力实验应力校核液压试验的试验压力由GB150-1989式（1-5）确定： ,取两者中的较大值。 -设计温度下的材料许用应力，Mpa； 实验温度下的材料许用应力， Mpa。 压力实验时，圆筒的薄膜应力按下式计算： 在进行液压试验时，圆筒的薄膜应力不得超过

23、试验温度下材料屈服点的90，即，符合要求。4.3最大工作压力和计算应力 最大许用工作压力： 设计温度下的圆筒筒壁计算应力按下式计算： ，满足应力要求。4.4封头设计计算受内压的标准椭圆形封头厚度按下式计算（GB150-1989，式5-2） 封头设计壁厚：按GB6654-1996 ，钢板负偏差：C1=0.6mm封头名义厚度：根据钢材规定名义厚度要5mm，所以取到封头有效厚度：椭圆形压力按下式确定（GB150-1989，式5-3）：4.5管板设计计算 4.5.1换热管稳定许用应力 换热管的回转半径 查GB151-1989附录H管子特性表： 系数：换热管受压失稳当量长度： 从而有：所以换热管的稳定需

24、用应力为： 4.5.2结构参数的计算a) 垫片压紧力作用中心圆直径DG参照JB4705-92非金属软垫片标准，取垫片内径404mm，外径444mm，垫片宽度N=40mm。查表9-1中1-a得：当b06.4mm时，b=垫片压紧力作用中心圆直径：b) 面积计算 隔板槽两侧换热管之间管排中心距Sn=32mm 邻近隔板槽一侧的一排换热管根数=12，管间距S=32 mm 对于三角形排列，布管区未能被换热管支承的面积: 壳程圆筒内径面积：壳程圆筒金属横截面积： 查GB151-1989附录H，一根换热管金属横截面积a=144.51mm2。则有：na=94144.51=13583.94mm2管板开孔后面积：

25、mm2c)管板布管区域当量直径管板区域面积： 布管区当量直径： 管板布管区当量直径与壳体内径之比：d)系数计算 按GB150第7章，查表7-5，壳体法兰应力参数Y=4.75 4.5.3法兰力矩算基本法兰计算力矩Mm：查GB150-89表7-2得： y=11，m=2.0 预紧状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算： 操作状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算： 预紧状态下需要的最小螺栓面积按下式计算： 操作状态下需要的最小螺栓面积按下式计算： 需要的螺栓面积取较大值，即实际使用的螺栓总面积：法兰力矩的力臂：基本法兰力矩： 4.5.4管程压力操作工况下法兰力拒Mp 螺栓中心至作用位置处的径向距离: 螺栓中

26、心至作用位置处的径向距离：螺栓中心至作用位置处的径向距离： 作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力： 流体静压总轴向力-作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力： 法兰垫片压紧力： 法兰操作力矩： 4.5.5换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差Y假定换热器制造环境温度为15 89.345 3.54Mpa 4.5.6管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数 法兰宽度： , ， 查GB151-1999 图26得 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数：其中法兰材料：采用16Mn弹性模量（根据插入法） , 4.5.7管子加强系数a)已知管板名义厚度，管板腐蚀余量：管板壳程侧焊接结构槽深3mm管板有效厚度，即校核中的计算厚度换热管的

27、有效长度：b)管子加强系数K c)管板周边不布管区无量纲宽度4.5.8旋转刚度无量纲参数 a)壳体法兰与圆筒旋转刚度参数 已知壳体法兰管板延长部分厚度,壳体厚度， 查GB151-1989图3-15， b)旋转刚度无量纲参数管束模数：c)确定系数由K=3.69,=0.032 查GB151 图3-16，管板第一弯矩系数：,图3-18，K=3.69，Q=0.96，查GB151图3-17，管板第二弯矩系数：图3-19， 法兰力矩折减系数：令管板边缘力矩变化系数：法兰力矩变化系数：=0.6784.6 接管、接管法兰以及开孔补强 4.6.1 壳程接管、法兰由热流体的参数：取0.11可得接管直径：取接管伸出

28、长度150mm，即需要两个 4.6.2 管箱接管、法兰由冷流体的参数：取0.11可得接管直径：取接管伸出长度150mm，即需要两个的接管法兰 4.6.3 以壳程开孔补强为例进行计算筒体：Q235-B 接管：20R 补强圈：16MnR 开孔直径：用等面积法补强：开孔所需补强面积： (1)有效宽度B，取两者中的大者 取大者，所以 (2)有效高度 a.外侧高度：取两者中较小者 b.内侧高度：取两者中较小者 (3)有效补强面积 a.圆筒多余金属面积 圆筒有效厚度： 圆筒多余金属面积： b.接管多余面积 接管计算厚度： 接管多余的面积： c.补强区焊缝面积（焊脚取4.5mm） d.有效补强面积： 需另行

29、补强面积： (4)补强圈设计 a.补强圈外径应不大于有效宽度，取 b.补强圈厚度： 根据设计实践知，我们可以直接采用被补强壳的板材，并取补强圈外径B=2d进行补强，既可满足要求，以省略各项补强面积的计算，也可得到偏于安全的设计结果。所以下面的补强中采用这种方法。 4.6.3 管程开孔补强补强厚度取大值：取,所以管程补强圈尺寸为：，4.7 鞍座强度校核 4.7.1 计算鞍座反力 (1)计算质量a.圆筒质量： 式中：为圆筒材料密度b.管箱壳体质量：c.管板质量：282.8kgd.封头质量：e.换热管质量：f.折流板质量：g.其它附件质量：h.充液质量：i.设备最大质量：(2)计算鞍座支反力： 4.

30、7.2 计算圆筒轴向弯矩简体简化梁长3000mm，鞍座中心线到椭圆形封头距离(1)圆筒中间处截面的弯矩： (2)鞍座处截面上的弯矩： 4.7.3 计算圆筒轴向应力(1)由于弯矩引起的轴向应力a.在圆筒中间截面上最高点处： ， 最低点处： b.在鞍座处圆筒截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 最高点处：由GB150表（8-1）， 最低点处：由GB150表（8-1）， (2)设计压力引起的轴向应力： 4.7.4 轴向应力组合与校核a.轴向拉应力： 最大轴向拉应力：b.轴向压应力：,最大轴向压应力：c.轴向应力校核：许用轴向拉应力：，轴向许用压缩压力：，其中轴向许用压缩应力按GB150确定 根据A

31、值和材料，查GB150， 4.7.5 计算圆筒、封头切向应力因，圆筒和封头切向力按GB150下式计算 4.7.6 计算圆筒、封头周向应力a.鞍座处横截面最低点处周向应力 式中：，考虑容器焊在鞍座上； ，由GB150查得； ，鞍座宽度 b.在鞍座边角处的周向应力 因，按GB150中下式计算： 参 考 文 献1.钱颂文.换热器设计手册S化学工业出版社，2002.2.GB150-1998钢制压力容器S.3.GB151-1999管壳式换热器S.4.蔡纪宁, 张秋翔. 化工设备机械基础课程设计指导书M. 北京化学工业出版社, 2000.5.匡国柱, 史启才. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京化学工业出版社, 2002.6.国家质量技术监督局.JB/T9112-9124钢制管法兰S,2000.7.王松汉.石油化工设计手册S.化学工业出版社