南京工業(yè)大學(xué) 化工原理課程設(shè)計

1、南 京 工 業(yè) 大 學(xué) 材料工程基礎(chǔ)課程設(shè)計 設(shè)計題目:列管式換熱器設(shè)計專 業(yè):高分子材料與工程 班 級學(xué) 號:姓 名:日 期: 2012年 6月 18日 6月 29日 指導(dǎo)教師:葉旭初設(shè)計成績:日 期: 6月 29日目 錄設(shè)計任務(wù)書 3一 設(shè)計題目 3二 設(shè)計任務(wù)及操作條件 3三 設(shè)計要求及內(nèi)容 3 第 1章 設(shè)計方案簡介 4 1.1 概述 4 1.2 方案設(shè)計和擬定 5 1.3 確定設(shè)計原則 7 第 2章 固定式換熱器的設(shè)計計算 7 2.1 設(shè)計計算基本步驟 7 2.2 確定列管換熱器的形式 8 2.3 初選換熱器規(guī)格 9 第 3章 列管式換熱器的設(shè)計校核 11 3.1 換熱器核算 11

2、3.2 換熱器壓強(qiáng)降核算 13 第 4章 輔助設(shè)備的計算與選擇 15 4.1折流板 15 4.2 接管 18 4.3 壁厚的確定、封頭 18 4.4.管板 20 4.5換熱管 21 4.6分程隔板 22 4.7拉桿 23 4.8換熱管與管板的連接 24 4.9 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖 (BI型 254.10膨脹節(jié)的設(shè)定討論 26 4.11換熱器設(shè)計主要結(jié)構(gòu)尺寸一覽表 26 第 5章 附圖 28 4.1 工藝流程圖 28 4.2 主體設(shè)備工藝圖 28 第 6章 設(shè)計小結(jié) 29 參考文獻(xiàn) 30列管式換熱器設(shè)計任務(wù)書(一設(shè)計題目列管式換熱器設(shè)計(二設(shè)計任務(wù)及操作條件1、處理能力 列管

3、式換熱器設(shè)計2、設(shè)備型式 列管式換熱器3、操作條件(1釜殘液:硫酸混合液,入口溫度 20,出口溫度 80(2加熱介質(zhì):蒸汽,入口溫度 120,出口溫度 100(3換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降:不大于 0.4M Pa(4重油平均溫度下的物性參數(shù): (三設(shè)計要求及內(nèi)容(1根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確認(rèn)設(shè)計方案(2初步確認(rèn)換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸(3核算換熱器的傳熱面積和管 , 殼程流體阻力(4確認(rèn)換熱器的工藝結(jié)構(gòu)(5繪制列管式換熱器的工藝流程圖及主體設(shè)備工藝圖列管式換熱器設(shè)計說明書第 1章 設(shè)計方案簡介1.1 概述列管式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備,設(shè)計資料和數(shù)據(jù)比較完善,目 前在許多國家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)

4、,列管式換熱器在換熱效率,緊湊型性和金屬消耗等方面 不及其他新型換熱器,但由于它有結(jié)構(gòu)牢靠,使用性大,材料廣泛等獨特特點,因而在 各種換熱器的競爭中占有絕對優(yōu)勢1.1.1列管式換熱器的優(yōu)點列管式換熱器列管式換熱器又稱管殼式換熱器,是目前石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛 的一種換熱器。它與其它換熱器相比,主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大,傳熱 效果好,結(jié)構(gòu)比較簡單,處理能力大,適應(yīng)性強(qiáng),操作彈性大,尤其在高溫、高壓和大 型裝置中應(yīng)用更為普遍。1.1.2 列管式換熱器種類列管式換熱器種類很多,目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分,主要有 以下幾 種:浮頭式換熱器、固定式換熱器、 U 型管換熱器、填料式換

5、熱器等。1浮頭式換熱器(代號 F 浮頭式換熱器兩端的管板,一端不與殼體相連,該端稱為浮頭。管子受熱時,管束 連同浮頭可以沿軸向自由伸縮,完全消除了溫差應(yīng)力。 圖 1 浮頭式列管換熱器1管程隔板; 2殼程隔板; 3浮頭浮頭式換熱器的特點是一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼體內(nèi) 自由移動。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的,管束可以抽出,便于清洗管間和 管內(nèi)。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價高,在運行中浮頭處發(fā)生泄漏,不易處理。浮頭式換熱 器是適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。2固定管板式換熱器 (代號 G固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體,當(dāng)兩流體的溫度相差較大時,在外

6、 殼的適當(dāng)位置上焊上一個補(bǔ)償圈。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時,補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性 形變來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力而引起的熱膨脹。固定管板式換熱器主要由外殼、管板、管束、 封頭壓蓋等部件組成。結(jié)構(gòu)特點是在殼體上設(shè)置管束,管束兩端用焊接的方法將管子固 定在管板上,兩端管板直接和殼體焊接在一起,殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上,管板 外圓周和封頭用螺栓緊固,管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器 管程可以用隔板分成任何程數(shù)。這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜,但殼程清洗困難,對于較臟或有腐 蝕性的介質(zhì)不宜采用。固定板式換熱器的優(yōu)點可歸結(jié)為:旁路滲流較小。 造價低。 無內(nèi)漏。缺點是殼體和管壁的溫差

7、較大,易產(chǎn)生溫差力,殼程無法清洗,管子腐蝕后 連同殼體報廢,設(shè)備壽命較低,不適用于殼程易結(jié)垢場合。3 U 型管式換熱器(代號 Y 這類換熱器只有一個管板,管程至少兩程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨脹。其 缺點是管子內(nèi)壁清洗困難,管子更換困難,管板上排列的管子少。4填料式換熱器這類換熱器管束一斷可以自由膨脹,結(jié)構(gòu)比浮頭式換熱器簡單,造價也較低。但殼 程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能,殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。1.2方案設(shè)計和擬定1.2.1 流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則(1不清潔或易結(jié)垢的流體宜走容易清洗的一側(cè)。對于直管管束,宜走管程;對于U 形管管束,宜走殼程。(2腐蝕性流體宜走管程

8、,以免殼體和管束同時被腐蝕。(3壓力高的流體宜走管程,以避免制造較厚的殼體。(4為增大對流傳熱系數(shù),需要提高流速的流體宜走管程,因管程流通截面積一般比殼程的小,且做成多管程也叫容易。(5兩流體溫差較大時,對于固定管板式換熱器,宜將對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程,以減小管壁和殼體的溫差,減小熱應(yīng)力。(6蒸汽冷凝宜在殼程,以減小排除冷凝液。(7需要冷卻的流體宜選殼程,便于散熱,以減少冷卻劑用量。但是溫度很高的流體,其熱能可以利用,宜選管程,以減少熱損失。(8黏度大或者流量較小的流體宜走殼程,因有折流擋板的作用,在低Re下(Re>100即可達(dá)到湍流。以上原則中,可能有時是相互矛盾的,在實際使用中不

9、能同時滿足要求。所以,在實際的設(shè)計中,應(yīng)該認(rèn)真調(diào)查研究,對具體情況做出具體分析,抓住主要方面進(jìn)行設(shè)計。1.2.2 流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速,將加大對流傳熱系數(shù),減少污垢在管子表面上沉積的可能性,即降低了污垢熱阻,使總傳熱系數(shù)增大,從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加,又使流體阻力增大,動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。下表為列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍:流體種類流速/m²s-1管程殼程低粘度液體0.53 0.21.5易結(jié)垢液體>1 大于0.5氣體530 215下表為不同粘度的流體流速范圍(以普通鋼管為例:液體粘度/mPa ²s最大

10、流速/m ²s -1液體粘度/mPa ²s最大流速/m ²s -1>1500 0.6 10035 1.5 1000500 0.75 351 1.8 5001001.1<12.41.2.3 選擇列管式換熱器的類型兩流體溫度變化情況,冷流體進(jìn)口溫度20,出口溫度80;蒸汽進(jìn)口溫度120,出口溫度接近100,該換熱器用蒸汽來加熱混合液,考慮到清洗等各方面的因素,初步確定為固定式的列管式換熱器。 1.2.4 換熱器材質(zhì)的選擇對于列管式換熱器,首先根據(jù)換熱流體的腐蝕性或其他特性選擇其結(jié)構(gòu)材料,同時具有耐熱性、高強(qiáng)度、及耐腐蝕性的材料很少。目前常用的金屬材料有碳鋼

11、、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等,金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好,但價格高且稀缺,盡量少用,本次設(shè)計中采用的材料為不銹鋼。 1.2.5 流動空間及管子規(guī)格及排列方法對一定的傳熱面積而言,傳熱管徑越小,換熱器單位體積的傳熱面積越大。對清潔的流體,管徑可取小些,而對粘度較大或易結(jié)垢的流體,考慮灌輸?shù)那鍧嵎奖慊虮苊夤茏佣氯?管徑可取大些。目前我國試行的系列標(biāo)準(zhǔn)中,管徑有19mm ³2mm 、25mm ³2mm 和25mm ³2.5mm 等規(guī)格。管板上管子的排列方法常用的有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等。1.2.6 殼體有圓缺形折流

12、擋板時對流傳熱系數(shù)的計算對關(guān)外裝有切去25%(直徑的圓缺形折流擋板時,可用圖4-53求取對流傳熱系數(shù)。 當(dāng)Re >10000時,用下式計算比較簡便0.8=0.023(p nC du d 流體被加熱時,n=0.4:流體被冷卻,n=0.3蒸汽在水平管外冷凝的對流傳熱系數(shù)231/42/30=0.725(g r n d t 管子的當(dāng)量直徑管子正方形排列時,(0202/44d d t d e -=管子正三角形排列時,(0202/4234d d t d e -=1.2.7管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)較多時,有時會使管內(nèi)流速變低,因而對流傳熱系數(shù)較小,為了提高管內(nèi)流速,可采

13、用多管程。但是程數(shù)過多,導(dǎo)致管程流體阻力加大,增加動力費用,同時多程會使平均溫度差下降,使管板上可利用得面積減少,設(shè)計時應(yīng)全面考慮。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中的管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時,通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。第2章 列管式換熱器的設(shè)計計算2.1 設(shè)計計算基本步驟列管式換熱器的尺寸與其結(jié)構(gòu)形式有關(guān),步驟大概如下: 確定流體兩端溫度,選擇列管式換熱器的形式; 換熱器的熱負(fù)荷計算; 確定流體的流動途徑,計算定性溫度,確定物性數(shù)據(jù); 計算平均溫差,如果溫差校正系數(shù)0.8,應(yīng)增加值,使其不小于0.8; 依據(jù)生產(chǎn)實際情況或經(jīng)驗之范圍,選擇合適的總傳熱系數(shù)K ; 初估傳熱面積; 選擇

14、管子尺寸(管子直徑; 計算管子數(shù)和管長,對管子進(jìn)行排列,確定殼體直徑; 根據(jù)管長與殼體直徑的比值,確定管程數(shù); 計算管程和殼程壓力降,若壓力降不符合要求,調(diào)整流速,再確定管程數(shù)或折流板的間距,或選擇另一個規(guī)格的換熱器,重新計算壓力降直至滿足要求為止;11 計算管程和殼程的對流傳熱系數(shù),確定污垢熱阻,計算得到總傳熱系數(shù)K ,比較初設(shè)值K 與計算值K ,若K K =1.151.25,則初選或初步設(shè)計的換熱器合適;如果不滿足上述要求,用計算值代替初設(shè)值,從步驟6起,重復(fù)以上計算,直至滿足要求為止。2.2 確定列管換熱器的形式2.2.1 確定流體通入空間 混合液走殼程,蒸汽走管程2.2.2 確定流體的

15、定性溫度、物性數(shù)據(jù):可取流體進(jìn)出口溫度的平均值 T 1=120,T 2=100;t 1=20,t 2=-80殼程油的定性溫度為20+80=502t C 管程流體水的定性溫度為120+100=1102T C 兩流體溫差 =110-50=60T t C -由于兩流體溫差較大,故選用固定式列管換熱器。根據(jù)定性溫度,分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:物 性 流 體 溫度(kg/m 3Cp (kJ/.(Pa.s (W/m·混合液 50 1114 3.997 0.49×10-3 0.534 蒸汽110951.04.2332.59×10-40.6852.3 初選換熱器規(guī)

16、格2.3.1 計算熱負(fù)荷Q362p2218000=3.9971060=1.2103600m Q q C T W 忽略換熱器的熱損失,水的流量可由熱量衡算求得,即6m16312 1.210q =0.524/r+C (T -T 2.20510+4.23310(120-100p s Q kg s2.3.2 平均對數(shù)溫度差逆流時有 蒸汽: 120 錯誤!未找到引用源?；旌弦? 80 20逆流溫差為:1212t -t 80-40=57.7t 80ln ln40t m t C 逆其中t 1=T 1-t 2,t 2=T 2-t 1 2.3.3 計算平均傳熱溫差、校正系數(shù)平均溫差為:2111t -t 60=0

17、.6-t 100P T =122120=0.33t t 60T T R -按單殼程,偶數(shù)管程結(jié)構(gòu),查溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表得,=0.950.8>,故可選用單殼程的固定換熱器。 則平均傳熱溫差m m t =t =0.9557.7=54.8C 逆 2.3.4 估算傳熱面積根據(jù)管內(nèi)為水蒸汽,管外為混合液,K 值范圍約為8501700 W/(m 2·,求傳熱面積需要先知道K 值,初選傳熱系數(shù)K 估=1300W/(m 2·則 62m 1.210=16.8m t 130054.8Q A K 估估2.3.5 初選換熱器規(guī)格由上述計算及換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)初選固定式換熱器,初步選取的非正常

18、換熱器規(guī)格 2.3.6 試選型號1.管徑和管內(nèi)流速 選用252mm 不銹鋼,取管內(nèi)流速=0.5/i u m s1=0.021d m ,2=0.025d m2.管程數(shù)和傳熱面積 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)220.524/951.0=40.7850.7850.0210.5v s i q n d u 3.按單程管計算,所需的傳熱管長度為22s16.8=53.5m d n 0.7850.0210.5A L =估4.按單管程設(shè)計,傳熱管過短宜采用單管程結(jié)構(gòu),根據(jù)本設(shè)計實際情況,采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,現(xiàn)取傳熱管長l=0.70m ,則該換熱器的管程數(shù)為p 53.5=76l 0.70L N =(管程由于

19、管程數(shù)太多,固分程兩個換熱器串起來傳熱,所以一個換熱器的管程數(shù)位385.傳熱管總根數(shù) =438=152T N (根 6.傳熱管排列和分程方法,每程內(nèi)均按正方形排列 取管心距2t=1.25d =1.2525=31.2532mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離 t=+6=22mm 2S各程相鄰管的管心距為44mm7.殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),殼體內(nèi)徑可按式(3-19估算,則殼體內(nèi)徑為i c =t n -1+2e=3214-1+225=466mm D ( 可去D=500mm c c n n =1.19=1.1915214N 橫過管束中心線的管數(shù),管子按正方形排列2e mm e=115d 管束中心線

20、最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離,;通常取(.=1.025=25m 8.折流板 折流擋板間距 h=0.3=0.3500=150mm D , 折流板數(shù)l 0.70=-1=-13h 0.15B N 塊初選的固定式換熱器的主要參數(shù)項目數(shù)據(jù) 項目數(shù)據(jù) 殼徑D(DN 500mm 管尺寸 25mm ³2.0 mm管程數(shù)Np (N 38 管長(L 0.7m 管數(shù)n 152管排列方式 正方行排列公稱面積16.82m第3章 列管式換熱器的設(shè)計校核3.1 換熱器核算3.1.1 校核總傳熱系數(shù)K 管程蒸汽的對流傳熱系數(shù)1管程蒸汽的流速為:m111221q /0.524/951.0u =0.4/40.7850.

21、0214sm s d n 管程雷諾數(shù)為:41111-410.0210.4951.0=3.0810(2.5910e d u R 湍流普朗特準(zhǔn)數(shù)為:3-4p11r1 4.23310 2.5910=1.60.685C P 對流傳熱系數(shù)為:232361/41/4212/32/3-4c 2g r 951.09.810.685 2.20510=0.725=0.725(=7332/(n 12 2.59100.02520W m Cd t ( 殼程混合液的對流傳熱系數(shù)2 殼程最大流通截面積22d 25=h 1-=015051-=0.0164m t 32S D (.(殼程混合液流速為:2m 225u =q /=0

22、.3m /s 11140.0164(S 由正方角形排列的當(dāng)量直徑:22222e 24t -d 40032-078500254d =0.027md 3.140.025(.殼程雷諾數(shù)為:4e 22e2-32d u0.02711140.3=1.9100.4910R 普朗特準(zhǔn)數(shù)為:3-3p 22r2 3.997100.4910=3.670.534C P 因為當(dāng)Re >10000時,故可用下式計算0.8=0.023(p nC du d 2=3390W /m (K 總傳熱系數(shù) K 管壁厚度b=0.002污垢熱阻:-42si =0.8610m /R K W (蒸汽混合液的熱阻為0不銹鋼熱導(dǎo)率 =16.

23、5/m W K 22si 0m11bd d 11+d d R K =+ 則K -4210.0020.0250.025=+0.8610+339016.50.023733254.8=1551/m W K 選用該換熱器時,要求過程的總傳熱系數(shù)為1300W/(m 2·K,在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下,計算出的總傳熱系數(shù)K=1551W/(m 2·K,因此,所選擇的換熱器的安全系數(shù)為:1551-1300=100%=19.3%1300其在10%25%間,故該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。 3.1.2 壁溫核算因管壁很薄,且管壁熱阻很小,故管壁溫度可按下式計算m m hhT /t /1/1

24、/c w c t +=+式中兩流體的平均溫度T m 和t m 分別為m 120+100=1102T C m 20+80t =502C 代入數(shù)據(jù),得傳熱管平均壁溫為w 110/7332+50/3390t =69C1/73321/3390+殼體壁溫,可近似取殼程流體的平均溫度,即T=50 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為=69-50=19C t 故可選用固定式換熱器。3.2換熱器壓強(qiáng)降核算3.2.1 管程壓強(qiáng)降計算(p s t i N N F P P P 21+= 上式中 殼程數(shù)1=s N ,管程數(shù),=38p N4.1=t F ,21112iu l P d = ,22222u P =由41=3.0810

25、e R ,傳熱管相對粗糙度0.10.0047620=,查莫狄圖摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系得=0.029i ,流速=0.4/i u m s ,3=951.0/kg m ,所以210.70951.00.4=0.029=73.50.0212ap P 22951.00.4=3=228.22a p P (p s t i N N F P P P 21+=4a =(73.5+228.24 1.4138=16053P 410a P <管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。 3.2.2 殼程壓強(qiáng)降計算(''12i t s P P P F N =+1=s N ,1=t F .15流體流經(jīng)管束

26、的阻力: 摩擦系數(shù)f o Re o >500時-0.2284-0.2280e2f =5.0R =5.01910=0.53(.管子為正方行排列取F=0.3 ,c n =14折流擋板間距h=150mm ,折流擋板數(shù)l 0.70N =-1=-1=3h 0.15B ,(2122'1u N n Ff P B c o +=211140.3=0.30.531442=446.36a P 流體流過折流板缺口的阻力:2h 25.322'2u D N P B -= =20.311140.33(3.5-=436.130.52aP (s t o N F P P P ''21+= =

27、(446.36+436.13=1015P a <5 0.410aP殼程流動阻力也比較適宜。由上面計算可知,該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)降均滿足題設(shè)要求,故所選換熱器合適。浮頭式換熱器部分零件數(shù)和本質(zhì)管箱碳鋼定矩管25 2.0碳鋼拉桿12碳鋼折流板10碳鋼換熱器252.0不銹鋼支座碳鋼緩沖板不銹鋼管程隔板不銹鋼第4章輔助設(shè)備的計算與選擇4.1.折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高流速,增加湍動,改善傳熱,在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常用的有弓形折流板(圖1-20和圓盤-圓環(huán)形折流板(圖1-21,弓形折流板又分為單弓形圖1-20(a、雙弓形圖1-20(b、三重弓形圖1-20(c等幾種形式。 單

28、弓形折流板用得最多,弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑Dg的15%45%,最好是20%,見圖1-22(a;在臥式冷凝器中,折流板底部開一90°的缺口,見圖1-22(b。高度為1520mm,供停工排除殘液用;在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭,這時可采用帶堰的折流板,見圖1-22(c。 在大直徑的換熱器中,如折流板的間距較大,流體繞到折流板背后接近殼體處,會有一部分液體停滯起來,形成對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病,宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點考慮,有些換熱器(如冷凝器不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱器的剛度,防止管子振動,實際仍然需要設(shè)置

29、一定數(shù)量的支承板,其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離,其結(jié)構(gòu)形式可參見圖1-23。由于換熱器是功用不同,以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同,折流板間距也不同,其系列為:100mm,150mm,200mm,300mm,450mm,600mm,800mm,1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm,取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān),當(dāng)換熱器內(nèi)流體無相變時,其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑,否則流體流向就會與管子平行而不是垂直于管子,從而使傳熱膜系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小,殼程流體介質(zhì)

30、由此泄漏的量越少,即減少了流體的短路,使傳熱系數(shù)提高,但間隙過小,給制造安裝帶來困難,增加設(shè)備成本,故此間隙要求適宜。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān),見表5.5.1所列數(shù)據(jù)。表5.5.1. 折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm300 300450 450600 600750 >750200250 3 5 6 10 10 400700 5 6 10 10 12 7001000 6 8 10 12 16 >1000 6 10 12 16 16 支承板厚度一般不應(yīng)小于表5.5.2(左中所列數(shù)據(jù)。支承板允許不支承的最大間距可參考表5.5.2(右所列數(shù)據(jù)。 表4.

31、6.3支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距經(jīng)選擇,我們采用弓形折流板,取弓形折流圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為:h=125mm取折流板間距B=0.3D ,則: B=0.3³500=150mm 可取B=150mm因而查表可得:折流板厚度為6mm ,支承板厚度為6mm ,支承板允許不支承最大間距為1800mm 。折流板數(shù) l 0.70=-1=-13h 0.15B N 塊折流板圓缺面水平裝配。 4.2.接管4.2.1.殼程流體進(jìn)出口時接管 取接管內(nèi)油品流速為u=0.3m/s則接管內(nèi)徑為:4418000/36001114d=0.14m u 3.140.3V (所以,取標(biāo)準(zhǔn)

32、管的內(nèi)徑為150mm 。查表得,PN<4.0MPa 的接管外伸長度為200mm 。 4.2.2.管程流體進(jìn)出口時的接管取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=0.4m/s ,則接管內(nèi)徑:40.524/951.0=0.0423.140.4d m 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm 。查表得,查表得,PN<6.4MPa 的接管外伸長度為80mm 。殼體直徑/mm <400400800 9001200 管子外徑/mm 19 2538 57支承板厚度/mm6810最大間距/mm15001800250034004.2.3.接管最小位置換熱器設(shè)計之中,為了使換熱面積得以充分利用,殼程流體進(jìn)出口接管應(yīng)盡量靠近兩端的管板,

33、而管箱的進(jìn)出口盡量靠近管箱法蘭,從而減輕設(shè)備重量。所以,殼程和管程接管的最小位置的計算就顯得很必要了。1.殼程接管位置的最小尺寸所設(shè)計的為帶補(bǔ)強(qiáng)圈的殼程接管,則殼程接管位置的最小尺寸L1可用如下公式計算:L1CbDH+-+4(2式子中:HD補(bǔ)強(qiáng)圈的外圈直徑,mmb管板厚度,mmC補(bǔ)強(qiáng)圈外緣至管板與殼體焊縫之間的距離,mm。而且,C4S且C32,S為殼體厚度。經(jīng)計算易得,殼程接管位置的最小尺寸為:80mm。2. 管程接管位置的最小尺寸所設(shè)計的為帶補(bǔ)強(qiáng)圈的管程接管,則管程接管位置的最小尺寸L2可用如下公式計算:L2CbDH+-+4(2式子中:HD補(bǔ)強(qiáng)圈的外圈直徑,mmb管板厚度,mmC補(bǔ)強(qiáng)圈外緣至

34、管板與殼體焊縫之間的距離,mm。而且,C4S且C32,S為殼體厚度。經(jīng)計算易得,管程接管位置的最小尺寸為:90mm。4.3.壁厚的確定、封頭1、根據(jù)GB151-99P21表8,選定圓筒厚度為8mm2、橢圓形封頭(JB/T4737-95: 公稱直徑/mm曲面高度/mm 直邊高度/mm 厚度/mm 內(nèi)表面積/m 2 容積 /m 3 質(zhì)量 /kg 固定式50012525110.33180.024226.624.4.管板管板除了與管子和殼體等連接外,還是換熱器中的一個重要的受壓器件。 4.4.1.管板結(jié)構(gòu)尺寸查(化工單元設(shè)備設(shè)計P25-27得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸:公稱直徑 D1D 3D 4

35、Db c d 螺栓孔數(shù) 600730 690 598 645361023284.4.2管板與殼體的連接 在固定管板式換熱器中,管板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異,前者的結(jié)構(gòu)見圖1-15,其中圖1-15(a 形式是在管板上開槽,殼體嵌入后進(jìn)行焊接,殼體對中容易,施焊方便,適合于壓力不高、物料危害性不高的場合;如果壓力較高,設(shè)備直徑較大,管板較厚時,可采用圖1-15(b 形式,其焊接時較難調(diào)整。4.4.3.管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重,管板設(shè)計與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān),其計算過程較為復(fù)雜,而且從不

36、同角度出發(fā)計算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小,其厚度只要滿足密封性即可。對于脹接的管板,考慮脹接剛度的要求,其最小厚度可按表4.8選用?？紤]到腐蝕裕量,以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動等原因,建議最小厚度應(yīng)大于20mm 。表4.8. 管板的最小厚度換熱器管子外徑0d /mm25 32 38 57 管板厚度/mm30d /4222532換熱管的外徑為25mm ,因而管板厚度取為30d /4=18.75,取上述的最小厚度20mm 。4.5.換熱管4.5.1.換熱管的規(guī)格及尺寸偏差經(jīng)過查表,對于碳鋼、低合金鋼的換熱管的規(guī)格及尺寸偏差見下表: 材料換熱管標(biāo)準(zhǔn)管子規(guī)格

37、高精度、較高精度偏差外徑,mm厚度,mm 外徑偏差,mm壁厚偏差,mm 碳鋼 GB/TB8163 143022.5±0.2+12% 低合金鋼GB9948-10%4.5.2.傳熱管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的為圖1-9所示的(a 、(b 、(c 、(d 四種,即正三角形排列(排列角為30°、同心圓排列、正方形排列(排列角為90°、轉(zhuǎn)角正方形排列(排列角為45°。當(dāng)管程為多程時,則需采取組合排列,圖1-10為二管程時管小組合排列的方式之一。正三角形的排列方式可在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù),故用的最為普遍,但管外不易機(jī)械清洗。為了便于清洗管

38、子外表面上的污垢,可采用正方形與轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。在小直徑的換熱器中,常用同心圓排列,在相同直徑的管板上所排列的管數(shù)比按正三角形排 列還多。圖4.4.管子在管板上的排列方式和組合排列示意圖采用組合排列法,即每程均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。換熱管的中心距經(jīng)查表可得:(mm換熱管外徑d 換熱管中心距分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距25 32 444.5.3橫過管束中心線的管數(shù)=438=152TN(根4.5.4.布管限定圓布管限定圓為管束的最外層換熱管中心圓直徑,固定管板式換熱器的布管限定圓如下可得:dm=Di-2b3=500-2*8=484m式子中,Di筒體內(nèi)直徑,mmb3大小為0.

39、25d,且大于8mm4.6.分程隔板4.6.1分程隔板尺寸經(jīng)查表,分程隔板的尺寸如下表:公稱直徑DN/mm 隔板最小厚度/mm 碳素鋼 50084.6.2.管子和分程隔板的連接分程隔板有單層和雙層兩種,單層隔板與管板的密封結(jié)構(gòu)如圖1-18所示,隔板的密封面寬度最小為(S+2mm 。隔板材料與封頭材料相同。雙層隔板的結(jié)構(gòu)見圖1-19,雙層隔板具有隔熱空間,可防止熱流短路。 4.7拉桿4.7.1.拉桿的直徑與數(shù)量各種換熱器的直徑和拉桿數(shù),可參見下表選用。表5.11.1拉桿直徑和拉桿數(shù)殼體直徑/mm 拉桿直徑/mm 最少拉桿數(shù)殼體直徑/mm 拉桿直徑/mm 最少拉桿數(shù) 200250 10 4 110

40、0128273,400,500,600 12 4 >1250 12 10800,1000126經(jīng)查表易得,拉桿數(shù)為為4,直徑為124.7.2.連接與尺寸拉桿示意圖如下所示: 經(jīng)查表,拉桿尺寸如下: 拉桿公稱直徑n d /mm數(shù)量 基本尺寸拉桿直徑d/mm a L /mm b L /mm b /mm1241215502.0拉桿孔示意圖如下所示: 12n d mm =,2 1.5 1.51218n l d mm =4.8.換熱管與管板的連接管子與管板的連接是管殼式換熱器制造中最主要的問題。對于固定管板換熱器,除要求連接處保證良好的密封性外,還要求接合處能承受一定的軸向力,避免管子從管板中拉脫

41、。管子與管板的連接方法主要是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達(dá)到密封和壓緊的一種機(jī)械連接方法,如圖1-13所示。當(dāng)溫度升高時,材料的剛性下降,熱膨脹應(yīng)力增大,可能引起接頭的脫落或松動,發(fā)生泄露。一般認(rèn)為焊接比脹接更能保證嚴(yán)密性。對于碳鋼或低合金鋼,溫度在300以上,蠕變會造成脹接殘余應(yīng)力減小,一般采用焊接。焊接接口的形式見圖1-14。圖1-14(a 的結(jié)構(gòu)是常用的一種;為了減少管口處的流體阻力或避免立式換熱器在管板上方滯留的液體,可采用圖1-14(b 的結(jié)構(gòu);為了不使小直徑管子被熔融的金屬堵住管口,則可改成圖1-14(c的結(jié)構(gòu);圖1-14(d的形式適用于易產(chǎn)生熱裂紋的材料,但加工量大。 脹接和焊接方法各有優(yōu)缺點,在有些情況下,如對高溫高壓換熱器,管子與管板的連接處,在操作時受到反復(fù)熱變形、熱沖擊、腐蝕與流體壓力的作用,很容易遭到破壞,僅單獨采用脹接或焊接都難以解決問題,如果采用脹焊結(jié)合的方法,不僅能提高連接處的抗疲勞性能,還可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕,提高使用壽命。目前脹焊結(jié)合的方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。換熱管規(guī)格外徑壁厚/mm 換熱管最小伸出長度最小坡口深度3l/mm1l/mm252.5 1.5 24.9.防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖(BI型4.9.1.鞍式支座(BI型: 4.10. 膨脹節(jié)的設(shè)定討論4.10.1管壁溫度的估算由于管壁熱阻一般可以忽略,故可以認(rèn)為管內(nèi)