換熱器課程設(shè)計(jì)

③流量小而粘度大的液體一般以走殼程為宜。故根據(jù)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(jù)生產(chǎn)任務(wù)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(fù)荷及冷卻介質(zhì)消耗量的計(jì)算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:（2-1）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：w原油消耗量：kg/s2.2.2計(jì)算平均溫度差，并確定管程數(shù)選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，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；℃按下式計(jì)算因數(shù)R和P值：(2-3)(2-4)故：根據(jù)R、P值，查溫度校正系數(shù)可讀得，溫度校正系數(shù)?？梢?jiàn)用單殼程單管程合適，因此平均溫度差℃。2.2.3按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)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(shè)的總傳熱系數(shù)，w/(mk)——平均傳熱溫度差，℃得：m2.3主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算列管式換熱器結(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。2.3.1換熱器選材換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定選用Ф25mm×2.5mm鋼管。2.3.2換熱器數(shù)量及長(zhǎng)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(shù)目：（2-6）式中——單程管子根數(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：管數(shù)由上述估算出的管外表面積又可計(jì)算出單程管長(zhǎng)度：（2-7）則：管長(zhǎng)m按商品管長(zhǎng)系列規(guī)格，取管長(zhǎng)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(jì)算外殼內(nèi)直徑（2-8）式中——?dú)んw內(nèi)徑，m；——管子中心距，用脹接方法連接，；用焊接方法連接，；——橫過(guò)管束中心線的管數(shù)；管子按正三角形排列：；管子按正方形排列：；——換熱器的總管數(shù)；——管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，；通常取。由于管中心距mm；橫過(guò)管束中心線的管數(shù)，取整根。管束中心線最外層的中心至殼體內(nèi)壁的距離：m所以mm實(shí)際值D：mm按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，取D=450mm因?yàn)椋荛L(zhǎng)徑比合適.2.3.5畫出排管圖根據(jù)殼體內(nèi)徑、管中心距t、橫過(guò)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(jiàn)，中心排有13根管時(shí)，按正三角形排列，可排139根，除去4根拉桿位置，故實(shí)際管子根數(shù)=135根。圖2-1管子排列圖2.3.6計(jì)算實(shí)際傳熱面積及過(guò)程的總傳熱面積系數(shù)mw/(mk)2.3.7折流板直徑、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=450-23.0=444mm切去弓形高度mm折流板數(shù)量取折流板間距=300mm，那么,取整得塊實(shí)際折流板間距mm2.3.8拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定選用Ф12mm的鋼拉桿，數(shù)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(bǔ)償圈的選用由于，故需考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。具體結(jié)構(gòu)尺寸可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查取。2.4管、殼程壓強(qiáng)降的校驗(yàn)列管式換熱器壓力降的校驗(yàn)，其目的是校驗(yàn)流體通過(guò)所設(shè)計(jì)換熱器的壓力降是否符合工藝的要求。若達(dá)不到要求是，需調(diào)整管、殼程數(shù)或折流板間距等，重新計(jì)算，直到滿足要求為止。2.4.1管程壓強(qiáng)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(shù)，對(duì)于25mm2.5mm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)=1，串聯(lián)殼程數(shù)=1；對(duì)于25mm2.5mm的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為。換熱器為單程管，；流體流經(jīng)直管段（包括進(jìn)、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(qiáng)將滿足要求。2.4.2殼程壓強(qiáng)降（柴油走殼程）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：（2-11）式中——?dú)こ炭倝毫?，Pa；——流體流過(guò)管束的壓力降，Pa；——流體流過(guò)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；對(duì)于氣體或可凝蒸汽，=1.0；——?dú)こ虜?shù)。其中流體流經(jīng)管束的壓強(qiáng)降：（2-12）（2-13）式中——折流板數(shù)目；——橫過(guò)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(guò)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（正三角形排列）殼程流體的摩擦系數(shù)：橫過(guò)管子中心數(shù)：折流板數(shù)：（2-14）其中：mm/s故N/mN/m故有：Pa<30kPa2.5總傳熱系數(shù)的校驗(yàn)通過(guò)校驗(yàn)總傳熱系數(shù)，使之與初選的傳熱系數(shù)的比值盡量接近1.15至1.25之間。2.5.1的查取管外側(cè)污垢熱阻mk/w管內(nèi)測(cè)污垢熱阻mk/w管壁熱阻碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45w/(mk），則：mk/w2.5.2的計(jì)算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：（2-15）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，w/(mk）；——導(dǎo)熱率，mk/w；——分別為傳熱管內(nèi)直徑、外直徑，m。其中:（2-16）（2-17）（2-18）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/(mk）故w/(mk）因?yàn)楸戎翟?.15到1.25之間，所以合適。2.6列出所涉及換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)表2-1換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)外殼直徑：換熱面積：換熱管數(shù)：N=135根管長(zhǎng)：管子規(guī)格：管中心距：管子排列方式:正三角形管程數(shù)：1殼程數(shù)：1折流板數(shù)量：塊折流板間距：h=295mm拉桿數(shù)量：4根拉桿直徑：mm定距管：與換熱器相同規(guī)格通過(guò)管板中心的管字?jǐn)?shù)：n=13根

第3章?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表3-1換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)材料內(nèi)徑管長(zhǎng)管數(shù)管程數(shù)焊縫系數(shù)封頭深度3.1筒體部分計(jì)算筒體部分計(jì)算應(yīng)包括筒體厚度的計(jì)算以及應(yīng)力校核。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175℃時(shí)需用應(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（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?。弧O(shè)計(jì)壓力，MPa；——腐蝕裕度，mm。可在1~8mm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(kāi)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殼程圓筒的液壓試驗(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：MPa3.2橢圓封頭厚度根據(jù)工作條件選擇封頭的材料為Q245R，在設(shè)計(jì)溫度為175℃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。考慮到安全系數(shù)，以及開(kāi)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(shù)：封頭深度mm，直邊長(zhǎng)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)和尺寸如表3-3：表3-3支座尺寸參數(shù)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(zhì)量，kg增加10mm增加的質(zhì)量kg弧長(zhǎng)帶墊板不帶墊板4506020042012088968540200648290161033.6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(guò)100mm，所以取伸出長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

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已知。4.1.1設(shè)備自重設(shè)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(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(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。4.2.2.1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MPa4.2.2.2跨中截面最低點(diǎn)的軸向應(yīng)力MPa軸向應(yīng)力校核：MPaMPaMPa可見(jiàn)。滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。4.3鞍座處的切向剪應(yīng)力校核因，未被封頭加強(qiáng)的圓筒，且在鞍座平面上無(wú)加強(qiáng)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(yīng)力.校核：MPa均滿足強(qiáng)度要求。4.4鞍座處筒體周向應(yīng)力驗(yàn)算4.4.1鞍座板（不做加強(qiáng)板）的應(yīng)力驗(yàn)算4.4.1.1筒體最低的周向應(yīng)力，其中：故 MPa滿足MPa。4.4.1.2鞍座邊角處的周向應(yīng)力由于則顯然滿足MPa。4