毕业设计（论文）-流量为1750kg每小时的固定管板式换热器设计（全套图纸）

摘要换热器可按照其结构形式分类有固定管板式换热器；填料函式换热器；浮头式换热器；U形管换热器。固定管板式换热器类属于管壳式换热器，是管壳式换热器的一种标准结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器1。这类换热器拥有许多特点结构简易，紧凑，适用面很广泛，安全系数很高，选料面可以很广，成本很低廉，换热表面的清洗也极为方便。因为固定管板式换热器可以承受比较高的温度和比较高的操作压力，所以在大型换热器和高温高压换热器中，占首要地位。固定管板式换热器有许多特点，最突出的特点是锻件少、比较便宜、密封性能好。由于它的壳程无法机械清洗，所以管子腐蚀后会和壳体一起报废，设备的寿命就会降低2。所以当所需流量不同时，需要根据不同的流量设计不同的换热器。全套图纸，加153893706首先根据给出的设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳程和管程的材料，然后根据物料的性质和传热的面积来确定换热管的材料，尺寸和根数。根据换热管的根数确定换热管的排列，并根据换热管的排列和长度来确定筒体直径以及折流板的选择。通过对容器的内径和内外压的计算来确定壳体和封头的厚度并进行强度的校核。然后是对换热器各部件的零部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，钩圈及浮头法兰的设计计算与校核和管子拉脱力的计算。并且还包括管板的结构设计、防冲挡板、滑道结构的设计以及支座设计。结构设计中的标准件可以按照国家标准根据设计条件直接选取，非标准件，设计完结构后必须进行相应的应力校核。通过查阅GB1502011钢制压力容器和GB1511999管壳式换热器以及GB和JB等标准以及查看设计要求，我对固定管板式换热器进行了结构设计和CAD绘图。进行了标准件的选取，零件间连接结构的设计，零件材料的选择以及厚度的计算。其中包括了筒体壁厚、封头壁厚、管板壁厚和管箱壁厚的计算，管子拉脱力和稳定性校核，接管、法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计，管板、折流板以及换热管之间的连接的结构设计，壳体与管板之间的连接处的设计。随着经济的发展，现有的科技成果为我们的生活带来了很大的方便，换热器的设计技术也在不断地更新，以后的应用前景将会更加美好。根据设计要求，绘制了一张总装配图和两张零部件图。关键词换热器；结构；计算；校核ABSTRACTHEATEXCHANGERACCORDINGTOITSSTRUCTUREFORMCANBEDIVIDEDINTOFIXEDTUBEPLATEHEATEXCHANGERSTUFFINGBOXHEATEXCHANGERFLOATINGHEADHEATEXCHANGERUTUBEHEATEXCHANGER3FIXEDTUBEPLATEHEATEXCHANGERTUBEANDSHELLHEATEXCHANGER,TUBEHEATEXCHANGERISAKINDOFTYPICALSTRUCTURE,ALSOISAKINDOFHEATEXCHANGERISAPPLIEDMOREWIDELYTHISKINDOFHEATEXCHANGERWITHMANYFEATURESSIMPLESTRUCTURE,COMPACT,WIDELYAPPLICABLE,HIGHSAFETYCOEFFICIENT,THEMATERIALWIDELY,LOWCOST,SOTHEHEATEXCHANGESURFACECLEANINGISEXTREMELYCONVENIENTDUETOTHEFIXEDTUBEPLATEHEATEXCHANGERCANWITHSTANDHIGHTEMPERATUREANDHIGHPRESSUREOPERATION,SOINTHELARGESCALEHEATEXCHANGERWITHHIGHTEMPERATUREANDHIGHPRESSUREHEATEXCHANGER,DOMINATEFIXEDTUBEPLATEHEATEXCHANGERHASMANYFEATURES,THEMOSTOUTSTANDINGCHARACTERISTICISLESSFORGINGS,CHEAPER,SEALEDPERFORMANCEISGOODDUETOTHESHELLSIDECANNOTMECHANICALCLEANING,SOAFTERTHEPIPECORROSIONWILLBESCRAPPED,ALONGWITHSHELLWILLREDUCEEQUIPMENTLIFE4SOWHENTHEFLOWISNOTREQUIREDATTHESAMETIME,NEEDACCORDINGTOTHEDIFFERENTHEATEXCHANGEROFDIFFERENTFLOWDESIGNFIRSTACCORDINGTOTHEGIVENTEMPERATUREANDDESIGNPRESSURETODETERMINETHESTRUCTUREOFDEVICEANDTHESHELLSIDEANDTUBESIDEOFTHEMATERIAL,THENACCORDINGTOTHEMATERIALPROPERTIESANDTHEHEATTRANSFERAREATODETERMINETHEHEATEXCHANGETUBEMATERIAL,SIZE,NUMBEROFROOTACCORDINGTOTHEROOTOFTHEHEATEXCHANGETUBE,THENUMBEROFHEATEXCHANGETUBEARRANGEMENT,ANDACCORDINGTOTHEARRANGEMENTOFHEATEXCHANGETUBETODETERMINECYLINDERDIAMETERANDLENGTH,ANDTHECHOICEOFTHEBAFFLEPLATETHROUGHTHECONTAINERINNERDIAMETERANDTHEINTERNALANDEXTERNALPRESSURECALCULATIONTODETERMINETHETHICKNESSOFTHESHELLANDHEADANDINTENSITYANDTHENTOVARIOUSCOMPONENTSOFTHEHEATEXCHANGERSTRENGTHDESIGNOFTHEPARTSANDCOMPONENTSHAVETHECHOICEOFTHEFLANGEANDDESIGNCALCULATIONANDCHECKING,HOOKRING,ANDTHECALCULATIONINTHEDESIGNOFFLOATINGHEADFLANGEANDTHECHECKINGANDCALCULATIONOFTHEFORCEOFTUBEPULLEDOFFINCLUDESTHESTRUCTUREDESIGNOFTUBESHEET,PREVENTTHEIMPACTDAMPER,THEDESIGNOFTHETRACKSTRUCTUREANDSUPPORTDESIGN5THESTRUCTUREDESIGNOFSTANDARDPARTSCANBEREFERENCETONATIONALSTANDARDSACCORDINGTOTHEDESIGNCONDITIONSOFDIRECTSELECTIONAFTERNONSTANDARDPARTS,DESIGNTHESTRUCTUREMUSTBECORRESPONDINGSTRESSCHECKINGBYLOOKINGATGB1502011“STEELPRESSUREVESSEL“ANDTHETUBEANDSHELLHEATEXCHANGERANDGB1511999GBANDJBSTANDARDANDVIEWTHEDESIGNREQUIREMENTS,IFIXEDTUBEPLATEHEATEXCHANGERFORTHESTRUCTUREDESIGNANDCADDRAWINGCONNECTIONBETWEENTHESELECTIONOFSTANDARDPARTS,PARTSOFTHESTRUCTUREOFTHEDESIGN,THESELECTIONOFCOMPONENTMATERIALSANDTHETHICKNESSOFTHECALCULATIONINCLUDINGTHECYLINDERBODYWALLTHICKNESS,HEADWALLTHICKNESSANDPIPEWALLTHICKNESSANDTHECALCULATIONOFWALLTHICKNESS,TUBEPULLEDOFFFORCEANDSTABILITYCHECKING,TAKEOVER,FLANGE,SELECTIONOFCONTAINERFLANGE,BEARINGANDOPENINGREINFORCEMENTDESIGN,TUBEPLATE,BAFFLEPLATEANDTHECONNECTIONBETWEENTHESTRUCTUREDESIGNOFHEATEXCHANGETUBE,THEDESIGNOFTHEJUNCTIONSBETWEENTHESHELLANDTUBEPLATEWITHTHEDEVELOPMENTOFECONOMY,THEEXISTINGSCIENTIFICANDTECHNOLOGICALACHIEVEMENTSBROUGHTGREATCONVENIENCEFOROURLIFE,THEDESIGNOFHEATEXCHANGERTECHNOLOGYISALSOINCONSTANTUPDATES,FUTUREAPPLICATIONPROSPECTWILLBEMOREBEAUTIFULACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS,TODRAWAGENERALASSEMBLYDRAWINGANDTHETWOPARTSDRAWINGKEYWORDSHEATEXCHANGERSTRUCTURECALCULATIONCHECK目录第一章绪论111换热器概述112换热器类型1121卧式壳程换热器1122卧式管程换热器2123立式壳程换热器2124管内向下流动的立式管程换热器3125向上流动的立式管程换热器313换热器发展前景414固定管板式换热器总体设计415本文研究内容5第二章工艺计算621设计条件622确定物性数623换热器的类型与流动空间的确定624估算传热面积7241二甲胺蒸气用量7242热负荷计算7243计算有效平均温度差7244估算传热面积8245选工艺尺寸计算8246管程数和传热管数8247平均传热温差的校正以及壳程数的选取9248管子排列10249管心距112410壳体内径112411折流板122412换热器核算及壳程表面传热系数122413管内表面传热系数132414污垢热阻和管壁热阻142415传热系数142416传热面积裕度152417传热管和壳体壁温核算152418压降校核162419壳程流体阻力1725换热器主要结构尺寸和计算结果18第三章结构设计1931壳体、管箱壳体和封头的设计19311壁厚的确定19312管箱法兰和垫片确定20313箱壳体壁厚的确定20314标准椭圆封头的厚度确定2032管板与换热管设计2133进出口的设计22331接管的设计22332接管外伸长度22333排气、排液管23334壳程接管位置的最小距离23335管箱接管尺寸的最小位置2334折流板或支持板尺寸24341折流板缺口高度和最小厚度24342折流板和折流板孔径24343折流板直径及允许偏差24344折流板的布置及质量计算2535防冲挡板2536拉杆与定距管25361拉杆的尺寸25362拉杆的直径和数量26363拉杆的位置、定距管尺寸及鞍座选用26第四章强度计算2741壳体、管箱壳体和封头校核27411对壳体进行强度校核27412压力试验强度校核27413管箱壳体校核27414压力试验强度校核27415对椭圆封头进行强度校核28416压力试验强度校核2842接管开孔补强28421蒸汽进出口的接管有关参数的选定28422有效补强范围的确定29423有效补强面积29424冷却水进出口的接管有关参数的选定30425开孔处所需的最小补强面积30426有效补强范围的确定30427有效补强面积3143膨胀节31431管子拉脱力计算31432膨胀节设置计算3144管板校核33441结构尺寸参数33442壳程圆筒材料和换热管材料34443管板、法兰、螺栓、垫片材料35444管子的许用应力35445垫片压紧力作用中心圆直径和面积36446管板布管区当量直径和系数计算36447基本法兰力矩37448管程压力操作工况下法兰力矩37449换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差374410管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数384411管子厚度和加强系数384412管板周边无量纲宽度和壳体法兰参数384413旋转刚度无量纲参数、确定系数394414设计条件不同危险组合土况的应力计算394415四种危险工况的各种应力计算与校核4145设计值总汇41第五章结论42参考文献43致谢44沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章绪论1第一章绪论11换热器概述换热器的定义是将热流体的一部分热量传递给冷流体的设备，又叫做热交换器。换热器在生活中应用广泛，在正常生活中汽轮机装置中的凝汽器还有日常生活中的取暖用的暖气散热片以及航天火箭上的油冷却器等，都叫做换热器。换热器还广大运用于化工工业，石油，动力和原子能等工业部门6。换热器的主要作用是保证介质在工艺过程中所要求的特定温度，同时也是其中之一的主要设备在提高能源利用率方面。在节能技术改革中，换热器具有的作用表现在两大方面一方面在生产工艺流程中明显能减少能源的消耗的办法是使用大量的换热器的效率；第二方面可以明显提高设备的热效率的方法是用换热器来收回工业余热。列管式换热器的应用己经有了很久远的历史，而且列管式换热器作为一种传统的标准换热设备，应用于很多化工部门。尤其应用于化工设备，石油设备，能源设备等部门使用的换热设备，在这些部门中，列管式换热器仍处于首要地位，列管式换热器中所用的换热表面可以是带肋片的扩展表面、简单的光管或经开槽、波纹或其他特殊方式处理后的强化表面。本次毕业设计特针对这类换热器中的卧式壳程换热器的结构和工艺计算进行了介绍。12换热器类型列管式换热器有卧式换热器与立式换热器两种类型。壳程和管程都可以走被冷凝的工艺蒸汽，其中卧式壳程换热和立式管程换热是最常用的形式。接下来我将介绍几种常见的换热器。121卧式壳程换热器如下图11所示是卧式壳程换热器。在卧式壳程换热器的壳程上有物流进出口接管和冷凝液排出口。在壳程蒸汽入口处安有防冲板，防冲板的作用是将蒸汽对管束的直接冲击降低，为了减小阻力，防冲板周围应留有足够的空间。横向弓形折流沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章绪论2板或支承板圆缺面在壳程中可以水平安装也可以垂直安装，如图11，对于折流板水平安装时，为了防止流体短路，切去的圆缺高度不应大于壳体内径35，而折流板的间距应在壳体内径的35和壳体内径的2倍之间。折流板的下缘开有槽口，这是为了排出冷凝液。水平安装这种方式可以造成强烈扰动在流体中扩散，这种方式传热效果最好。为了便于排出冷凝液选择折流板垂直安装的，圆缺高度应被切去最后为为壳体内径的50。弓形的折流板圆缺面水平安装或者垂直安装时，随着蒸汽的冷凝，折流板的间距应随之减小，传热的效果就会因此增加。在冷凝的表面，当传热系数比较小时，可以将低翅管安在管外7。压降小、便于清洗是卧式壳程换热器的好处，蒸汽与凝液产生分离是其缺点。如图11是卧式壳程的换热器。图11卧式壳程换热器122卧式管程换热器卧式换热器的管程多是单程的，也有双程的。其中管程和壳程传热的需要决定着传热管长度，传热管的排列方式和直径的大小也会受到管程和壳程的影响。当采用多程管程时，在管程之间可以流出冷凝液，这样可以减少液体的覆盖而积并且可以降低压降8。同时，为了使它保持质量流速不变还可以用减少多程管数的方法。在这种多管程换热器中，冷凝液和蒸汽之间的接触十分不好，所以完全冷凝的方法对于沸程宽处的蒸汽是不合适的。另外过冷度比较低的原因还是因为冷凝液局部地注满了管道。123立式壳程换热器如图12所示是立式壳程换热器9。在壳程中每隔一定位置就设置了折流板，由于设置了折流板，蒸汽按从上到下流动。冷却水从冷凝液的下端排出，在管内向下流动，因此冷却水一侧压力需求比较低，因为水的传热系数很大，所以耗水量少，由于水不容易分配很均匀，可安装一个水分配器在管口的位置，如图12。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章绪论3图12立式壳程换热器和水分配器124管内向下流动的立式管程换热器立式换热器管内蒸汽及其冷凝液均向下流动的立式管程换热器，它是一种由分离端盖和外部封头组成的管壳式换热器10。应用固定管板式的结构的前提是壳程不需要清洗或可用化学方法清洗。在立式管程换热器中蒸汽通过接管从顶部注入，在管内向下流动，逐渐冷凝在管壁上，底部排出冷凝液。下面的分离端盖可设计成挡板式目的是使出口排气中携带的冷凝液量最少，此外，挡板应比冷凝液的液位高。125向上流动的立式管程换热器如图13所示为一个管程蒸汽和壳程冷凝介质都向上流动的立式管程换热器。蒸馏塔的顶部通常直接安装这种换热器，这样有利于利用冷凝液的回流少量组分。采用冷凝介质向上流动的流程目的是确保有热的冷凝液或防止低沸点组分被冷凝，蒸汽可以从接管注入底部，立式换热器的传热管长度为2到3毫米，而直径大多大于0025米。每当冷凝自由回流受到蒸汽向上流动的流速阻碍时，液泛现象便会产生，换热器顶部就会吹出冷凝液。根据哈威特和哈里特维尔准则，当满足哈威特和特维尔准则条件时，可防止液泛现象出现11。立式管程换热器如图13。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章绪论4图13向上流动的立式管程换热器13换热器发展前景换热器的发展应注意理论的创新和理论的完善，并从中寻求理论的新突破。我国的换热器工业起步比较晚，1963年抚顺机械设备有限公司以美国TEMA标准为蓝本造出我国第一台管壳式换热器。随着科技的发展，进入二十一世纪之后，工业装置中应用了大量的传热强化技术，我国换热器在工业产业技术水平上获得了飞速的发展，有需求才有创新，由于需求，板式换热器近年来日益崛起。最近这几年，我国在大型管壳式换热器和高效节能板壳式换热器等方面取得了重大突破12。由于我国在石油，钢铁等重工业行业的快速发展，近几年来，大幅度的增多了换热器需求，在国内制造水平、供给的能力的不足在企业中体现的很明显，市场上已经出现了供不应求的状态，只能依靠国外进口来弥补其出现的缺口。在我国换热器市场，需求已经远远超过了供给。我国的现状是对高端换热器产品需求量极其大，但是供给不足。在不远的将来，国内市场的需求会出现环保节能型产品，并且产品的性价比、产品的多样化需求、产品的特点化等需求逐步将成为主导。14固定管板式换热器总体设计管壳式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵守中华人民共和国国家标准沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章绪论5“钢制管壳式换热器”这一标准来执行。管壳式换热器采用焊接圆筒时，公称直径的数值等于圆筒内径的数值；若采用无缝钢管制圆筒，公称直径的数值等于钢管外径的数值。所谓换热器的传热面积计算是以传热管的外径减掉伸入管板内的换热管长度后，得到的差值即管束外表面积。公称换热面积是指换热面积圆整后的数值。公称长度的定义是换热器换热管的长度，传热管是直管的时候，直管段长度就是工称长度；传热管是U型管型的时候，U型管直管段的长度就是公称长度。钢制管壳式标准将列管换热器的主要结合部件分为前端管箱、中端壳体以及后端结构。15本文研究内容本篇论文对二甲胺处理量为1750KG/H的固定管板式换热器进行设计。主要内容如下（1）调查和总结了换热器的类型和种类。并且介绍的几种换热器都是结构典型的，叙述了固定管板式换热器的设计思路。本论文的研究路线和内容已经确定。（2）换热器的设计方案已被确定。选用了合适的换热器材料，其根据是介质的特点。并对冷热介质选择了是走管程和壳程。（3）计算并校核了固定管板式换热器的温度、压降、换热面积。确定了换热器的布管情况和结构参数。（4）通过国标150和国标151对换热器的壳体、封头、管箱、管板进行了强度设计和校核，对壳程和管程进行了压力校核的计算，最后对开孔补强进行了压力校核的计算。（5）并且换热器设计的主要附件如分程隔板槽、法兰、折流板、鞍座、吊耳、焊条、清洗系统及防护系统等都进行了设计和选用。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算6第二章工艺计算换热器的设计，首先应该根据流程的要求选择其合适的类型，然后计算所需要的传热面积，工艺设计包括热力设计以及流动设计，具体的运算如下所述。21设计条件壳程的介质4996的二甲胺蒸汽，管程的介质为进口温度33，出口温度为43的冷却水，壳程的设计压力是09MPA，管程的设计压力是06MPA，二甲胺的处理量为1750KG/H。22确定物性数在4996下的二甲胺蒸汽物性数据如下导热系数100187W/M；二甲胺密度19517KG/M，二甲胺比热容CP3297KJ/KG，二甲胺粘度100097PAS，二甲胺潜热7884KJ/KG。该冷凝为完全冷凝，假定二甲胺蒸气冷凝温度为4996,循环水的定性温度入口温度T133，出口温度为T243，冷却水的定性温度为TW3343/238，两流体的温差TWTW4996381196。在定性温度下两流体的物性数据表21。表21定性温度下两流体的物性数据物性流体温度密度KG/M3粘度MPAS比热容KJ/（KG）导热系数W/（M）进4996951700097178500187二甲胺蒸汽出49966201014136650208冷却水389926068417406323换热器的类型与流动空间的确定两种流体的温度的变化情况，热流体的进口温为4996，出口温度为4996；冷流体的进口温度为33，出口温度为43。该换热器用水冷却，考虑到清洗等各沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算7种因素，初步确定换热器类型为固定管板式换热器。二甲胺走壳程，冷却水走管程。这是因为热流体走壳程，这样可通过壳程向外传递热量，便于散热，冷的流体应走管程，这样可减少热应力。同时对于换热器，一般易结垢流体走管程，这样不易结垢。24估算传热面积241二甲胺蒸气用量由题目可知，二甲胺的蒸汽流量M11750KG/H0486KG/SQ1M1R17507884138107KJ/H3833KW工程上常用的热量损失系数NC加以估计Q2NCQ121取NC097则Q2NCQ1097138107KJ/H137107KJ/H3718KW242热负荷计算热负荷计算公式89176KG/SKG/H103241703PM5722TCQ243计算有效平均温度差T1499643696T24996331696对于逆流，有效平均传热温差2221MTLNT2，逆逆流传热温差，逆23196LNTLT21M2沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算8244估算传热面积设一K值，再通过传热速率方程，估算所需的传热面积23，逆TMPQA根据循环水走管程，二甲胺蒸气走壳程，总传热系数K现暂取K1100W/M2则估算换热面积23TMPM9102108，逆KQA245选工艺尺寸计算管径选用2525MM无缝光滑较高级冷拔传热管（不锈钢）在工厂生产中，流体流速常规定如下水的流速一般取0525M/S，和水相类似的流体取法与水相同。对大型换热器的冷却水流速可增加到3M/S。取管内流速13M/S。246管程数和传热管数可以根据传热管的内径及传热管的流速确来定单程传热管数24UD4N2ISV所以，单程传热管数为（根）213078569/1UD4N22IS若按单程管来计算，传热管的长度应为25S0PNDAL则所需的传热管长度M20931205143NDS0P沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算9我国生产的系列中换热管的无缝钢管长度分为15,2,3,45,6米等好几种，在管长的选取时应注意材料应合理使用，换热器也应长径比适宜。列管式的换热器长径比的范围可在425MM之内，一般情况下为610MM。确定了每程管子长度之后，即可求得管程数26LPLN根据该设计情况，传热管长现取L499M，则换热器的管程数应为，取NP44520LP传热管总管数27SPNNT所以传热管总管数为NT2214884（根）247平均传热温差的校正以及壳程数的选取若选用双管程换热器，可提高管内表面传热系数，与此同时换热器的阻力也随之增加，部分传热温差就有所损失。温差校正系数T与流体的进出口温度有关，也与换热器的壳程数及管程数有关。平均传热温差计算公式28，逆MT291/LNT2PRPT，逆2102LT2M2T平均温差校正系数有0349612TTR冷流体的温降热流体的温降51TP两流体最初温差冷流体的温升沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算10由和1/LNT2MPRPT，逆112LNT2M2RPT算平均传热温差25902LN34112LNT2M2RPT再由算温差校正系数，逆T231MT，逆因为平均传热温差的校正系数大于08，壳程流体的流量比较大，取单壳程合适。248管子排列传热管在管板上的排列有很多形式，即正三角形、转角正三角形、正四边形、转角正四边形以及同心圆排列13。其中最常用的有正三角形直列、正三角形错列、正方形直列和正方形错列。正三角形的排列非常紧凑,在壳径一定时，管子数目排列较多,且传热效果较好,但管外清洗比较困难。而正方形排列时,管外清洗比较方便,当壳程流体易结垢时比较适用,其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列,用于壳侧流体清洁,不易结垢,后者壳侧污垢可以用化学方式处理掉。管子采用正三角形排列时，管子的排列面积是一个正六边形，排在正六边形内部的传热管数为NT3AA11211若设B为正六边形对角线上的管子数目，则B2A1212采用正三角排列，当管子总数超过127根，即正六边形的个数A6时，最外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应配置传热管，可以排的管子数目见表22。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算11表22管子排列数目正三角形和转角正三角形排列有利于壳程物流的湍流，并且在管的间距相等时，采用正三角形和转正三角形在同一管板面积上可以排列最多的管数。虽然管间清洗比较困难，但由于二甲胺的粘性小，不容易结垢，所以本设计选择转角正三角形排列。本换热器的正六角形的数目为14，六角形对角线上的管数为29。249管心距当管心距过小时，采用胀接法固定会造成胀接在挤压作用下发生变形，管子与管板之间的连接力便会失去14。因此，采用焊接法焊接。根据经验公式T125D01252532MM隔板中心到离其最近一排管中心距离ST/2632/2622MM各程相邻管的管心距为2S44MM2410壳体内径结构若采用多管程时，壳体的内径可以按照下式213估算213TNDT051正三角形排列每个弓形部分的管数正六边形数目A六边形对角线上的管数B六边形内的管数第一列第二列第三列弓形部分的管数管子总数102133163636711233977424391225469848517132754792666131429631105907211531721116102823沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算12的取值范围如下正三角形排列，2管程，07085,4管程以上，0608。估算出壳体内径后，需圆整到标准尺寸。卷制壳体的内径（公称直径）以400MM为基数，以100MM为进级档。取管板的利用率085，则壳体的内径为M61083543201T5TND所以壳体内径初步计算圆整为D1100MM则横过管数中心线管的根数3724根NTC2411折流板圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两类。上下方向圆缺型可造成液体的剧烈湍动，使传热膜系数增大，这种结构是最常用的。而对于水平安装的折流板，为了防止流体短路，切去的圆缺高度应小于等于壳体内径的35，所以选用圆缺上下方向排列15。取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的20。则被切去的圆缺高度为H0201100220MM对于卧式换热器，折流板间最小间距为壳体内径的35，最大间距不宜大于壳体内径的2倍折流板数，取折流板间距B035D，则B0351100385MM。取B为385MM。NB传热管长/折流板间距14500/385111（块）。2412换热器核算及壳程表面传热系数换热器的核算内容主要包括换热器的热流量、传热管壁温和流体阻力。壳程表面传热系数工业上换热器以采用水平管束和垂直管束居多，且管表面液膜多为层流16。在该种情况下一般用德沃尔基于努塞尔的理论公式和实测值，冷凝表面是层流时的传热系数计算式如214，215计算。水平管束冷凝沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计5GR215，ML4NMS1当量管数NS与传热管布置方式及总管数有关，传热管布置为三角形错列，则可用下式求得2164950TS82N由公式求得当量管数NS20888404955978再通过公式，可得无量纲冷凝表面传热系数9482017859461NM45133S1L冷凝表面传热系数3520819620/014/1331210G2413管内表面传热系数管程为流体无相变传热，则在通常情况下可用下式计算其表面传热系数217N08IIPRED23R该式适用的条件为粘度低的流体（低于2103PAS）雷诺数RE10000；普朗特数PR在06160之间；管长管径之比L/D50；定性温度可取流体进出口温度的算术平均值；特征尺寸取传热管内径D。雷诺数218I2IUDER可管程流体流通截面积22I沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算14求得管程流体流速，S/M3106942/78UI求雷诺数753120E3R普朗特数1460874R3PCP/097539206228IKMW2414污垢热阻和管壁热阻对于物料种类的处理，由于物料种类繁多，所以操作的条件也有很多，所以对于污垢的生成规律不容易掌握，再加上人们对这类问题的研究比较少，以至于目前对污垢热阻的选取主要凭借经验数据来选取。选择污垢热阻时，应特别慎重，尤其对易结垢的物料更是如此。因为往往在传热热阻中，污垢热阻占有较大的比例，并且对传热系数的影响也很大。管外侧污垢热阻RSO0000176M2/W管内侧污垢热阻RSI000026M2/W传热管壁厚和材料决定着管壁热阻，其值为219WB常见金属材料的热导率见下表23。表23常见金属材料的热导率温度0100200300400铝2279522795227952279522795铜3837937914372163675136286碳钢52344885441941873489不锈钢1628174517451849管壁热阻计算，不锈钢条件下的热导率为1686W/M。所以WKR/M01586122W沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算152415传热系数220110000RDRDKMWII换热器的传热系数/157352107602510256026910000MWDDMWII2416传热面积裕度在规定热流量下，计算了传热系数KC和平均传热温差后，则与KC对应的计算传热面积为23MCM9515708TKQA根据AC和AP可求出该换热器的面积裕度可由式221计算221CPH20PM93465802143DLNA换热器的面积裕度H为72956CP为保证换热器操作的可靠性，换热器的面积裕度应为1520，由结果可知，本文设计的二甲胺换热器满足热流量要求。2417传热管和壳体壁温核算计算温差应力、检验所选换热器的形式是否合适，是否需要加设温度补偿装置等均需要校核壁温。考虑到污垢热阻的影响，根据传热方程，有沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算16222）（HHMWRAQT1223）（CCT代入数据计算得TW47；TW433。管外侧冷凝膜温为T1TW/24996470/2485。管壁温度取为TTWTW/2452。壳程流体的平均温度，可近似看作壳程的壁温，即T4996壳体壁温与传热管壁温之差为TTT681；该温差非常小，所以不需设置温度补偿装置。2418压降校核流体流经换热器，其阻力应在允许的数值范围内，如果流体阻力过大，则应修正设计。列管式换热器允许压降见下表24。表24列管式换热器允许压降操作压力/PA允许压力/PAP105表压P4000；故为湍流。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算17取管壁的粗糙度0078MM，则/D00052；20184/REI0200145；故PI37159PA，PR23064PA。管程压降为PL3715923064415361338PA361KPA。由前面可知，许可压力降为005MPA，管程压降小于许可压力降，故管程压降满足要求。2419壳程流体阻力当壳程装有弓形折流板时，计算流体阻力的方法较多。其中贝尔方法计算值与实用数据显示出很好的一致性。当是贝尔方法计算繁琐。工程计算中常用的方法是埃索法，其解决问题的思路与贝尔法相同，当不及贝尔法细致。埃索法的计算阻力公式为PSP0PIFSNS227其中2282U1F00BTCNF22953P0ID正三角形排列时NTC11NT05，正方形排列时NTC119NT05F050RE00228RE0500230带入数据计算壳程流动面积A1BDNTCD011400019024M2壳程汽体流速U0及RE0U0QML/36001A1501M/S；RE0D0U0/6425；因RE0500故可计算壳程流动摩擦系数；F00667；NTC119NT0511911520540；管子排列为转角正三角形，斜转安装，取F05；沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章工艺计算18取垢层校正系数FS100；壳程为冷凝传热，可设置NB4个折流板（做支承板），防止管束振动，取折挡流板间距B1M。P0FF0NTCNB1U02/2709PA；PINB352B/DU02/2897PA；壳程压降PSP0PSFSNS9161PA1606KPA8001000110015001600200020002600浮头式810121416U型管式810121416固定管板式68101214壳体或管箱壳体厚度见表32。表32壳体或管箱壳体厚度壳程或管程公称压力PN，MPA061016254064DN，MM材料厚度，MMQ235A/B/C1010121616MNR101010121611000CR18NI9667891420由工艺条件给定的壳程设计温度为4996、设计压力为09MPA，由于壳程走的是二甲胺蒸气，压力不高，腐蚀性大，故壳程筒体的材料可选用0CR18NI9。筒体用钢板卷制，取钢板的厚度负偏差C108MM，腐蚀裕量C215MM，筒体焊接采用双面对接方式，局部探伤，则焊缝系数085。在设计的温度下，0CR18NI9的许用应力为137MPA，屈服强度为S为205MPA。因为PC05MPA3006006009009001200120015001500公称直径DN折流板最小厚度1100568101216342折流板和折流板孔径换热管I级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合下表37。表37折流板与折流板孔径换热管外径或无支撑跨距D32或L900L900且D32管孔直径D08D04允许偏差040343折流板直径及允许偏差表38折流板直径及允许偏差公称直径DN2300KG/MS2；2其他液体，或U2740KG/MS2。36拉杆与定距管361拉杆的尺寸拉杆的长度L按实际需要确定，拉杆的连接尺寸由表39确定。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章结构设计26表39拉杆的尺寸拉杆直径D拉杆螺纹公称直DNLALBB101013401512121550201616206020362拉杆的直径和数量表310拉杆直径选用表换热管外径D10D1414A故蒸汽进出口接管不需要补强424冷却水进出口的接管有关参数的选定初步选定37010的管子，根据进口流体的物性，接管材料取Q235A材料的许用应力133MPA，腐蚀裕量可取15MM，则接管的计算厚度可计算如下；M80613270CTTPD接管的有效厚度为ETNC1C210150877425开孔处所需的最小补强面积DD02ET2C3702772183592MM。开口直径，且小于520MM，故可以用等面积M40821359DDI补强法进行补强。由计算可知，388MMAD2T1FR3592388013161MM2。426有效补强范围的确定（1）有效补强范围的确定B2D235927184BD2N2NT35922102103992，取其中较大值，故取B7184MM（2）有效补强范围的高度管外侧的有效高度2581039DH1NTH1250取其中较小值H1582MM。接管内侧有效高度2581039D2NTH20取其中较小值H20MM。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文致谢48427有效补强面积（1）管箱多余金属面积A1BDE2ETE1FR7184359277388012957MM2（2）接管多余金属的面积A22H1ETTFR2H2ETC2FR2582770818032MM2（3）接管焊缝金属面积焊脚取60MM2M36（4）有效补强面积AEA1A2A31295780323621349MM2因为AEA故冷却水进出口接管不需要补强。43膨胀节在固定管板式换热器换热过程中，管束和壳体有一定得温差存在，而管板、管束与壳体之间是刚性地连接在一起的，当温差达到某一个温度值时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏或造成管束弯曲，若管间不需要清洗时，采用固定管板式换热器，但需要设置温差补偿装置，如膨胀节。膨胀节的种类有很多，有波形的膨胀节、形的膨胀节、平板型的膨胀节。在工厂生产中，波形的膨胀节是应用最多也最普遍的18。431管子拉脱力计算拉脱力的定义为在换热器中承受流体压力的换热管壳壁和温差应力的有联合作用，这两个力在管子与管板的连接的接头处产生了一个拉脱力，使管子与管板有脱离倾向。拉脱力的定义为管子平均每平方米胀接周边所受到的力19。对于管子与管板是焊接连接的接头，接头的强度高于管子本身金属的强度，拉脱力不足以引起街头的破坏，由于管子和管板是焊接连接。所以根据这些我们不用计算管子拉脱力。432膨胀节设置计算必须设置膨胀节的条件沈阳化工大学科亚学院学士学位论文致谢49对于固定管板式的换热器，用下式计算壳体和管子中的应力SF1F2/AS，TF1F3/AT若满足下述条件之一者，必须设置膨胀节（1）S2TS；（2）T2TT；（3）TB；（4）管子拉脱力QQ。式中F1是由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N；41STAE1T0S0TF2是由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；42TSQ其中4324020TSIPSDNPDF3是由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；F2QATET/ASESATET44其中AT,AS分别为管程、壳程的横截面积220M4，中SDADNASITT，S，分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/；T0安装时的温度；TT,TS分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度。壳体物性常数如下膨胀系数S11541061，弹性模数ES2049105MPA设计温度下的许用应力TC137MPA。换热管的物性常数如下膨胀系数T11541061，弹性模数ET193700MPA设计温度下的许用应力TC137MPA。则沈阳化工大学科亚学院学士学位论文致谢502220T51370541384MDNAIASD中S1010831714MM21027317404925379261841TTF5560S0T1NAEST109560527549028442NPSDNDQTSI101937253104923174552NEAFTS0FQ4T1S3PA2193172374102455S1SMAPA85T31TMFST137MPA，TT137MPA，085。2ST2137085MPA2329MPA2TT274MPA由此可知此换热器并不需要设置膨胀节。44管板校核441结构尺寸参数壳程圆筒的内直径DN1100MM；厚度S10MM；换热管的外径D25MM；沈阳化工大学科亚学院学士学位论文致谢51管壁的厚度T25MM；根数N884；管长L07500MM；受压失稳的当量长度LCR6438MM；正三角形排列管的间距S32MM；换热管与管板的连接形式焊接；管箱的法兰采用JB47032000长颈对焊法兰LWN100006；法兰的外直径DF1140MM；螺栓的中心圆直径DB1100MM；筒节的厚度取H10MM；与筒节连接的法兰厚度F56MM；螺栓M20的数目NB40；有效的承载面积AB338MM2；垫片采用JB47201992，石棉橡胶板1044/1004/3；垫片的接触面外径；按GB150表压紧面形式LA；垫片的基本密封宽度B0142