.固定管板式换热器设计 传热传质学课程设计

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=162.18kP=0.102 , R=2.25按单壳层，双管程查温差修正系数表得: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)=9.46m22.工艺结构尺寸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=21.35m22.3 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)=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/(m2K) 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； 串联的壳程数取1; 根据伯拉修斯式，Re=3时有：=0.3164/22968.860.25=0.0257pL=0.0257(2/0.02)(993.950.842/2)=901.21Papr=3(iui2/2)=3(993.950.842/2)=1051.997Papn=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：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=0.4920.20.025)=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GB150-1998，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 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，取封头厚度为10mm3.5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。根据设计要求，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3-7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。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，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：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1589.3453.54Mpa 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有效长度：b)管子加强系数Kc)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： 4.7.2 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