U型管換熱器資料

石化裝備設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)總結(jié)報(bào)告③流量小而粘度大的液體一般以走殼程為宜。該設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為油品，冷流體為原油，油品溫度較高，走管程可以減少熱損失，且原油黏度較大，當(dāng)裝有折流擋板時(shí)，走殼程可以在較低的Re下既能達(dá)到湍流，有利于提高殼程一側(cè)的給熱系數(shù)。故根據(jù)以上原則我們確定原油走管程，油品走殼程。2.2確定物性數(shù)據(jù)油品的定性溫度：℃原油的定性溫度：℃查得油品、原油在各自定性溫度下的各物性數(shù)據(jù)如表（2-1）所示：表2-1物性參數(shù)物料密度ρ比熱kJ/(kgK)導(dǎo)熱系數(shù)λW/(K)粘度μ原油8151.9860.1360.0029油品6302.20.1190.00522.3估算傳熱面積2.3.1熱負(fù)荷在熱損失可以忽略不計(jì)的條件下，兩流體均無(wú)相變的情況下，熱負(fù)荷可由下式計(jì)算[2]:（）式中：——熱負(fù)荷，W——熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s——熱、冷流體的定壓比熱容，kJ/(kgK)——熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃——冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃熱負(fù)荷：W2.3.2傳熱平均溫度差選取逆流流向，先按單殼程考慮，計(jì)算出平均溫差.（2-2）式中——進(jìn)、出口兩端流體溫差中較低一側(cè)的溫差；——進(jìn)、出口兩端流體溫差中較高一側(cè)的溫差；則平均溫差按下式計(jì)算因數(shù)R和P值：(2-3)(2-4)故根據(jù)R、P值，查得溫度校正系數(shù)，符合要求。所以得到℃，因此選用單殼程。2.3.3初算傳熱面積查表值為20～400W/(K),取W/(K)，總傳熱速率方程式[2]：(2-5)式中——估算的傳熱面積，m——假設(shè)的總傳熱系數(shù)，W/(K)——平均傳熱溫度差，℃得：2.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸列管式換熱器結(jié)構(gòu)主要基本參數(shù)包括：公稱直徑、公稱壓力、設(shè)計(jì)溫度、換熱管長(zhǎng)、換熱器規(guī)格、折流板間距及公稱換熱面積等。2.4.1選管子規(guī)格選用中的無(wú)縫鋼管[3]，管長(zhǎng)。2.4.2確定總管數(shù)、管程數(shù)在選定管子的規(guī)格后，可由下式求出總管數(shù)和單程流速[2]：總管數(shù)：(2-6)式中：——總管數(shù)；——管子外徑，m；——管長(zhǎng)，m。故單程流速：（2-7）式中：——總管數(shù)；——管內(nèi)流體的體積流量，m/s；——管內(nèi)流體的適宜流速，m/s;——管子內(nèi)徑，m。故m/s因單程流速較低，為提高傳熱效果考慮采用多管程。油品的黏度為,查得管內(nèi)流速為0.8m/s，所以管程數(shù)為，因此取兩管程2.4.3確定管子在管板上的排列方式由于選用的是多程換熱器，且選用固定管板式換熱器，故采用三角形排列法，管子與管板采用焊接結(jié)構(gòu)。2.4.4計(jì)算殼體內(nèi)徑（2-8）式中：——?dú)んw內(nèi)徑，m；——管子中心距，用焊接方法連接，；——橫過管束中心線的管數(shù)；——換熱器的總管數(shù)；管子按三角形排列：；——管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，m；通常取。由于管中心距：mm；橫過管束中心線的管數(shù)。管束中心線最外層的中心至殼體內(nèi)壁的距離：m所以m按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，取D=700mm因?yàn)椋荛L(zhǎng)徑比合適[2]。2.4.5畫出排管圖根據(jù)殼體內(nèi)徑、管中心距t、橫過管束中心距的管數(shù)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21根管時(shí)，按正三角形排列，可排348根，除去6根拉桿位置，故實(shí)際管子根數(shù)=342根。圖2-1管子排列圖2.4.6計(jì)算實(shí)際傳熱面積S0及過程的總傳熱系數(shù)m2W/(m2k)2.4.7折流板直徑與數(shù)量及有關(guān)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mm切去弓形高度mm折流板數(shù)量取折流板間距=300mm，那么。實(shí)際折流板間距查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)得選用Ф12mm的鋼拉桿[3]，數(shù)量6條，定距管采用與換熱器相同的管子，即鋼管。2.4.8溫度補(bǔ)償圈的選用，故需考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。2.5換熱器校核2.5.1管程壓力降校核（原油走管程）管程壓力降可由一般的摩擦阻力公式求得[2]：（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(shù)，對(duì)于管子，?。弧?lián)殼程數(shù)；——管程數(shù)。據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)=2，串聯(lián)殼程數(shù)=1；對(duì)于的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為。（2-10）（2-11）由于N/m取mm，那么，可查得，故PaPa，滿足要求。2.5.2殼程壓強(qiáng)降（油品走殼程）當(dāng)殼程無(wú)擋板時(shí)，流體順著管束流動(dòng)，此時(shí)殼程流體壓力降可按下式計(jì)算[2]：（2-12）式中——?dú)こ炭倝毫?，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(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)于液體，=1.15；——?dú)こ虜?shù)。其中流體流經(jīng)管束的壓強(qiáng)降[2]：（2-13）（2-14）式中：——折流板數(shù)目；——橫過管子中心數(shù)；——?dú)こ痰哪Σ料禂?shù)；——管子排列方式對(duì)壓力降的校正因數(shù)；——?dú)こ塘黧w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(duì)壓強(qiáng)降的校正因子，F(xiàn)=0.5，殼程流體的摩擦系數(shù)：，橫過管子中心數(shù)：，折流板數(shù)：（2-15）其中：mm/s故N/mPa故有：<Pa，滿足要求。2.5.3校核總傳熱系數(shù)列管式換熱器面積是以傳熱管外表面積為基準(zhǔn)，在利用關(guān)聯(lián)式計(jì)算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，其計(jì)算公式為[2]：（2-16）式中：——總傳熱系數(shù)W/(mk）；——分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W/(mk）；——分別為管程和殼程的污垢熱阻；mk/w；——導(dǎo)熱率，mk/W；——分別為傳熱管內(nèi)直徑、外直徑，m。其中:（2-17）（2-18）（2-19）式中：——?dú)こ塘黧w傳熱膜系數(shù)，W/(K);——管程流體傳熱膜系數(shù)，W/(K);——?dú)こ塘黧w的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(K);——當(dāng)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(zhǔn)數(shù)。由上述公式則有：W/(K)故：W/(K)一般比值在1.15到1.25之間，本設(shè)計(jì)的換熱器可適用，但傳熱面積稍大的要取更合理的設(shè)計(jì)。第3章?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1筒體部分計(jì)算筒體部分計(jì)算包括筒體厚度計(jì)算以及應(yīng)力的校核3.1.1筒體厚度的計(jì)算根據(jù)工作條件選擇殼程圓筒的材料為Q245R鋼板，在設(shè)計(jì)溫度200℃時(shí)許用應(yīng)力為MPa，常溫時(shí)許用應(yīng)力為MPa，屈服極限MPa。按GB150—2011標(biāo)準(zhǔn)中，殼程圓筒計(jì)算厚度[5]（3-1）式中：——筒體厚度，mm；——外殼內(nèi)直徑，mm；——材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；——焊縫系數(shù)；本設(shè)計(jì)采用雙面焊縫??；——設(shè)計(jì)壓力，MPa；取=1.1MPa——腐蝕裕度，mm。可在mm范圍內(nèi)，根據(jù)流體的腐蝕性而定。本設(shè)計(jì)取mm。故有：mm考慮到安全系數(shù)，以及開孔強(qiáng)度等措施，GB150—2011中規(guī)定當(dāng)殼體內(nèi)徑mm時(shí)，殼體的最小厚度為mm，則取mm即mm。3.1.2殼體圓筒的液壓試驗(yàn)及壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核試驗(yàn)液體為水，試驗(yàn)壓力按GB150—2011或TSGR0004—2009計(jì)算MPa壓力試驗(yàn)時(shí)，圓筒的總體薄膜應(yīng)力按下式[4]：MPa3.2橢圓封頭計(jì)算根據(jù)工作條件選擇封頭的材料為Q245R，在設(shè)計(jì)溫度為200℃時(shí)許用應(yīng)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?shù)，這里由于封頭是標(biāo)準(zhǔn)的，故取.則有：mm取mm，mm?？紤]到安全系數(shù)以及開孔補(bǔ)強(qiáng)等措施，GB150—2011中規(guī)定封頭內(nèi)徑mm時(shí)，最小厚度不小于8mm，筒體厚度為mm，則封頭=10mm在GB150-2011中可查出該封頭的參數(shù)：封頭深度mm，直邊長(zhǎng)h=25mm，筒體名義厚度為mm，封頭容積為m。3.3法蘭的選取查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[6]：（單位為mm）圖3-1甲型平焊法蘭示意圖（凹面）圖3-2甲型平焊法蘭示意圖（凹面）表3-1法蘭參數(shù)表螺柱規(guī)格數(shù)量830790755743742461704623M20323.4管板的選取3.4.1管板計(jì)算初始數(shù)據(jù):殼程圓筒內(nèi)徑；殼壁厚度；管箱厚度；換熱管外徑；壁厚；根數(shù)；間距有效長(zhǎng)度；管箱法蘭外徑；厚度。假設(shè)管板厚度，法蘭部分厚度，延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板。各零件材料在設(shè)計(jì)溫度時(shí)的物理參數(shù)，機(jī)械性能如下：殼體材料：Q245R彈性模量：線膨脹系數(shù)：換熱管材料：Q245R彈性模量：線膨脹系數(shù)：管屈服極限封頭法蘭材料：15CrMo彈性模量管板材料：15CrMo彈性模量法蘭材料：15CrMo彈性模量許用應(yīng)力：殼程圓筒：換熱管：管箱封頭法蘭：管板：3.4.2幾何物理系數(shù)計(jì)算殼程圓筒內(nèi)徑面積管板開孔后面積殼程圓筒金屬橫截面積換熱管金屬截面積管板布管區(qū)面積（三角形排列）管板布管區(qū)當(dāng)量直徑管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比系數(shù)管束模數(shù)：管束加強(qiáng)系數(shù)：（?。┕馨逯苓叢徊脊軈^(qū)無(wú)景綱寬度：3.4.3強(qiáng)度影響系數(shù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)剛度殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)：法蘭力矩基本法蘭力矩：管程壓力作用時(shí)的法蘭力矩GB150.3—2011式7-14確定：按，；查得，；按，；查得，系數(shù)：管板邊緣力矩變化系數(shù)法蘭邊緣力矩變化系數(shù)危險(xiǎn)組合表3-2危險(xiǎn)組合殼程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力MPa管程設(shè)計(jì)壓力管程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力管程設(shè)計(jì)壓力MPa不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差0.001160.0011661.8261.825.4367.3-5.456.420.0680.00545-0.068-0.00650.0700.00815-0.06530.00921.0300.119-0.9520.1341.5000.394-54.64-0.249由，查圖7-6得0.240.1由，查圖7-6得0.0220.032管板徑向應(yīng)力系數(shù)0.02310.0053管板徑向應(yīng)力系數(shù)0.000050.00172管板周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)0.1370.0199管板周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)-0.118-0.0127管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)0.09630.053管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)0.000230.054校核管板、殼體法蘭、換熱管、殼程圓筒以及拉脫應(yīng)力。殼程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力管程設(shè)計(jì)壓力管程壓力作用下殼程設(shè)計(jì)壓力管程設(shè)計(jì)壓力不計(jì)膨脹差計(jì)入脹脹差不計(jì)膨脹差計(jì)入膨脹差管板徑向應(yīng)力管板徑向應(yīng)力管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力殼體法蘭應(yīng)力殼體法蘭應(yīng)力換熱管軸向應(yīng)力換熱管軸向應(yīng)力殼程圓筒軸向應(yīng)力殼程圓筒軸向應(yīng)力拉脫應(yīng)力拉脫應(yīng)力3.5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結(jié)構(gòu)和尺寸如表3-3[7]：表3-3鞍式支座參數(shù)表公稱直徑DN允許載荷KN高度h底板腹板700170200640150108筋板墊板鞍座質(zhì)量，kg弧長(zhǎng)帶墊板不帶墊板350120883024065630213.6接管伸出長(zhǎng)度：由經(jīng)驗(yàn)可知，保溫?fù)Q熱器保溫厚度不超過100mm，所以取伸出長(zhǎng)度mm且殼程和管程一樣。管程接管(原油)[高粘度液體0.5～1.0m/s]，取m/smm取mm則m/s，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。殼程接管（油品）[高粘度液體0.5～1.0m/s]，取m/smm取mm，則m/s，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]。第4章?lián)Q熱器的強(qiáng)度校核4.1計(jì)算容器重量載荷的支座反力4.1.1設(shè)備自重筒體重：N封頭重：N熱器重：附件重：N則設(shè)備自重：N4.1.2充滿介質(zhì)時(shí)液體介質(zhì)重量液體介質(zhì)的重量等于殼程液體的質(zhì)量與管程液體的質(zhì)量之和，即：N4.1.3作用于每個(gè)支座上的反力N<60kN故支座選擇合理。4.2筒體軸向應(yīng)力驗(yàn)算4.2.1軸向彎矩計(jì)算已知：，，，鞍座截面處的彎矩跨中截面處彎矩4.2.2軸向應(yīng)力的計(jì)算由上面的計(jì)算結(jié)果可知跨中截面彎矩遠(yuǎn)大于鞍座截面處的彎矩，所以不考慮鞍座處的“偏塌”現(xiàn)象，因此只計(jì)算跨中截面的軸向應(yīng)力即可。跨中截面最高點(diǎn)的軸向應(yīng)力因?yàn)槭莾?nèi)壓操作，所以不考慮則MPa跨中截面最低點(diǎn)的軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力校核：MPaMPa