用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设计说明

用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设计说明用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设计说明书1.传热工艺计算21.1 确定设计方案21.2 定流体的平均温度及物性数据21.3 估算传热面积31.3.1热流体的热量41.3.2 计算冷介质的流量41.4 工艺结构尺寸51.4.1 换热器壳径的确定61.4.2 换热器折流板的尺寸及数量的确定761.4.3 接管规格61.5 换热器核算71.5.1 管程对流传热系数：71.5.2 壳程对流传热系数：81.5.3 总传热系数91.5.4 计算流体阻力102.设计计算122.1 筒体的计算122.1.1 计算条件122.1.2 厚度的计算132.2 .管箱短节的计算132.2.1 计算条件132.2.2 厚度计算142.3 外头盖短节计算142.3.1 计算条件142.3.2 厚度计算152.4 管箱封头计算152.4.1 计算条件162.4.2 厚度计算162.5 外封头盖计算162.5.1 计算条件162.5.2 厚度计算172.6 管板的设计172.6.1 符号说明172.6.2 管板厚度的计算192.6.3 换热管的轴向应力222.6.4换热器与管板连接拉脱力232.7 浮头盖的设计计算232.7.1 管程压力Pt作用下浮头盖的计算232.7.2壳程压力Ps作用下浮头盖的计算282.8开孔补强312.9水压试验校核321.1 设计条件（1） 使煤油从200冷却到35，压力1.0MPa；（2） 冷却剂为水，水压力为0.5MPa；（3） 处理量为12t/h。1.2流动空间及流速的测定 由于循环冷却水较易结垢，为了便于水垢清洗，水走管程，煤油走壳程，换热管选252.5的碳钢无缝钢管管，管内流速取1m/s。1.3 定流体的平均温度及物性数据对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均温度，管程、壳程介质的进出口温度如表2.1所示：表1.1 流体温度参数工艺数据煤油循环水入口温度20025出口温度3535则平均温度： 式中： ，热流体的进、出口温度，； ，冷流体的进、出口温度，.则：煤油的平均温度 水的平均温度 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，如表2.2所示。表2.2 流体物性参数介质密度Kg/m kg/比热KJ/(kg.)粘度pa.sPa.S导热系数 w/m. 水（t=30）995.74.1740.80120.6171煤油（T=117.5）。50）7642.400.5480.10381.3 估算传热面积1.3.1热流体的热量 = =4752000kJ/h =1320kw 1.3.2 计算冷介质的流量 = =113847.6kg/h =31.62kg/s式中 、热流体流量和冷水的流量。两流体的温差 1.3.3 总传热系数(1)管程传热系数 = = (2)壳程传热系数假设壳程传热系数管程污垢热阻 壳程污垢热阻 管壁导热系数 （3）总传热系数 （4）计算传热面积 考虑10%的面积裕度 S = 1.1 = 1.181 = 89.1m21.4工艺结构尺寸1.4.1管径和管内流速的测量换热管选252.5的碳钢无缝钢管管，取管内流速ui=1m/s 1.4.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按照单程计算所需传热管长度按单管程设计过长，宜采用多管程结构，取l=6m管程数 np=Ll=11.26=2双程传热管数取n=2021.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：P=, 因R=16.5点难以在图中找到，可以用1R代替R，PR代替P查图得。采用组合排列的方式，每程内均按正三角排列，隔板间采用正方形排列，因此管心距 t=1.2525=32mm横过管数中心的管数 nc=1.19n=1.19168=171.4.4 换热器壳径的确定采用多管程结构，取管板利用率 则壳体内径 按壳体直径标准系列尺寸圆整所以取为600mm 1.4.2 换热器折流板的尺寸及数量的确定 选取折流板与壳体之间的间隙为3.5mm，因此折流板的直径为： 折流板的直径：= -23.5=593mm 取折流板的间距为：B=0.3D=180 圆缺高度h=0.25D=150折流板的档板数 = =321.4.3 接管规格 A 管程 mm B 壳程 C 接管规格（1）管程：（2）壳程：1.5 换热器核算核算总传热系数61.5.1 管程对流传热系数： 管程流通面积： Si =4d2ns=40.0202101=0.0317m2管程流体流速： ui=wi3600Sii=113847.636000.0317995.7=1.0m2 = =1.5.2 壳程对流传热系数： 取换热器列管的中心距=壳程流通截面积为： = = 壳程流体流速及其雷诺数： = =当量直径： 雷诺数： = =12.67粘度校正，壳程煤油被冷却，取 = =1.5.3 总传热系数管壁热阻可忽略管内，外侧污垢热阻分别为： 总传热系数k0为： =330/m2 k =267.4 计算传热面积 实际传热面积 该换热器的面积裕度为： H=S-S1S1100%=95.2-71.471.4100%=33% 传热面积裕度足够，能够完成生产任务。1.5.4 计算流体阻力 核算管程和壳程的压强降A 管程压力降公式： = 式中 ： =1.5 ， = 2, (内径)= =1 =3 =所以为湍流。管壁的粗糙度：= 0.1 得 关系 =0.032所以管程压力降为： = =4.4KPa6.4 =12.5 mm =679-212.5 =654mm =0.85 =2023.142.525-2.5 =35678mm2 =245632-2022524 =146475mm2 =0.24管子回转半径： i=14d2-d-2t2 =14252-25-22.52 =3.75mm换热管材料10钢 弹性模量ET=1.91105MPa管板材料为Q345R 弹性模量为Ep=1.91105MPa系数 Cr= =169.6设管板厚度 =50mm Et=191103 MPa =6000-250 =5900mm =19110335678/5900559 =2066MPa =0.4 Ep=191103 MPa = 2066/0.4191103 =0.027 换热管受压失稳当量长度 lcr=300mm = (1-3003.752169.6) =50 MPa Ps=1.0 MPa , Pt=0.5 MPa 取Pd = | Ps | 或Pd =| Pt |较大值 Pd=1.0 MPa =1.0/(1.50.4109)=0.0194=0.0271/3/0.01941/2 =2.15 1/t=1/0.85 1.17 查图23得到C=0.36 查图24得到Gwe=4.2 管板计算厚度 =28mm 管板规定的最小厚度 min 0.75d =0.7525 =18.75mm 壳程腐蚀裕量 3mm或结构开槽深度0.5mm 管程腐蚀裕量 3mm或分程隔板槽深度 5mm 取3=5mm 2=3mm 123 =36mm 所以取管板厚度管=45mm 2.6.3 换热管的轴向应力一般情况下，应按下列三种工况分别计算换热管的轴向应力只有壳程设计压力Ps，管程设计压力Pt=0时，=1.0 MPa =1/0.341.0-1.06.0245632146475 =-26.6 MPat0时，|t |0时，t tt 符合要求壳程设计压力Pt和管程设计压力Ps同时作用时=1.0-0.5(1+0.24)=0.38MPa=-19.5 MPat0时，t 6.4 =8 mm =594-28 =578mm =6.285783.514.31.0=181673 N =0.7855782 =262256N =650467 NF + Fp = 443929 N =443929/200=2220mm2 =650467/ 210=3097mm2Am=Am1或Am2 取两者中的最大值Ap =3097 mm2螺栓根径 dmin=20 mm =323.1420204 =10048 mm2 =0.53097+10048210 =1380225 N封头边缘处球壳中面切线与法兰环的夹角 = （0.5570）/(5000.510） = 34.3操作情况下法兰的受力 =0.78557021.0 =255046 NFG =Fp=181673 NFT =F -FD =7210 N =373883 N力臂 =33.5 mm= 29.5 mm=31.5 mm设法兰厚度f=60 mm,l=10 mm =60/2-10/234.3-10 =13.9 力矩 =8544041 Nmm =5359353.5 Nmm =227115 Nmm =5196973.7 Nmm 操作情况下法兰总力矩 =19327483.2Nmm预紧螺栓时法兰的受力1380225 N力臂 =0.5637-578 =29.5 mm力矩 =40716637 Nmm法兰材料为锻件 Q345R f=189MPa ft=189MPa =3.16 操作状态 =2038.7mm2预紧状态 =4294mm2操作状态下的法兰厚度 =48.4 mm预紧状态下的法兰厚度 = =66 mm法兰厚度取与中的大者，所以=66mm壳体法兰:选择DN600带径对焊钢制管法兰接管法兰DN150整体钢制管法兰2.7.2壳程压力Ps作用下浮头盖的计算a.球冠形封头的计算厚度 假设=10mm =10-3 =7mm有钢材标准规格，可取n=8 mm Ro/e=616/8=77 A=0.125/（Ro/e）=0.125/77=0.00162查JB150的B=77MPa,此时的许用应力为 ： 1.011.0 故=10合适操作情况下法兰总力矩 =384650（70-42.3）+63293（56.15-42.3）- 7496988 =403442505 N =23536089/（189700）（895+700）/(895-700） =1455mm2fp= =40.5mm根据上述内压外压的计算可知，浮头式法兰的计算厚度为f=76mm 2.8折流板设计 为方便选材，可选用折流板的材料为Q345R，由前可知弓形折流板缺口高度为150mm，折流板间距为280 mm，数量32个，由GB151可知弓形折流板的最小厚度5mm，故此时可选其厚度为6mm，同时查GB151可知折流板的名义直径为DN-4.5=595.5mm2.9钩圈 根据GB 151，选用B型钩圈2.10鞍座根据T4712选择鞍座型号DN600.120.包角重型带垫板鞍式支座公称直径DN允许载荷Q(KN)鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距L2鞍座质量（kg）增加到100mm高度增加的质量（kg）L1B112L3B33弧长B44e60016520055015010830012087102006364002452.11开孔补强（1）管程：（2）壳程： 补强判断：根据GB150的规定不进行补强的最小直径为89mm，厚度6mm，因此只需要接管进行补强计算。设计压力 P=1MPa设计温度 t=200接管规格 1594.5 封头名义厚度 n =8mm厚度附加量 C =3mm焊接系数 =0.85短接材料 Q345R其设计温度下的许用应力 t=183MPa钢管材料 10钢其设计温度下的许用应力 nt=108 MPa开孔直径 =150+23 =156mm d 0.5 Di=350mm强度削弱系数 =108/183=0.59接管有效厚度 =4-3 =1mm开孔所需补强面积 =800.5mm2有效厚度 =2156 =312mm =156+28+28=188mm取两者大值B =312mm外侧有效高度 h1= = =35.3mm接管实际高度 h1=50mm取两者较小者 h1=35.3mm内侧有效高度 h2= = =35.3mm接管的实际内伸高度 h2=0取两者较小者 h2=0 =156（8-5）-25（8-5）（1-0.59） =455.7mm2接管的计算厚度 t= =1150/（21080.85-1） =0.82mm =235.3（5-0.82）0.59 =174.1mm2A3=焊接金属截面面积（取焊脚为6mm） =20.566 =36mm2 Ae=A1+A2+A3 =665.8mm2 A eD2,则补强圈在有效地范围之内。补强的厚度为： =A4D2-D1=134.7136=1.0mm2.12水压试验校核设计压力 P =1.0MPa Q345R 在试验温度下的许用应力 =189MPaQ345R 在设计温度下的许用应力 t=183MPaQ345R 在试验温度下的屈服点 s=325MPaa.筒体的应力校核 =1.251.01.03 =1.25MPa =1.25（700+8）16 =55.3MPa 0.90.85345=263.925MPa.符合要求b.管箱短节的应力校核 =1.251.01.03 =1.25MPa =1.25（700+8）16 =55.3MPa =0.90.85345=263.925MPa符合要求c.外头盖短节的应力校核 =1.251.01.03 =1.25MPa =1.25（800+8）16 =63.13MPa =0.90.85345=263.925MPa符合要求d.管箱封头的应力校核 =1.251.01.03 =1.25MPa =1.25(600+0.58)16 =47.1MPa =0.90.85345=263.925MPa符合要求e.外头盖封头的应力校核 =1.2511.03 =1.25MPa =1.25(800+0.58)16 =62.8MPa=0.90.85345=263.925MPa符合要求.f.封头的应力校核内压作用下 =1.250.51.03 =0.75 MPa =0.75(1.15700+8)16 =38.1 MPa=0.90.85345=263.925MPa符合要求外压作用下 =1.251.01.03=1.25MPa=1.25(1.15700+8)16 =63.5 MPa=0.90.85345=263.925MPa符合要求