毕业设计（论文）-处理量3500kgh煤油冷却器的设计（全套图纸）

摘要摘要 冷凝器是使用范围很广的一种化工设备，属于换热器的一种。本设 计任务主要是根据已知条件选择采用固定管板式换热器的设计,固定管板 式换热器的优点是锻造用量少，成本低;传热面积比浮头热交换器小 20 至 30小，旁通流大。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本台换热器主要完成的是煤油- 水之间的热量交换,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 后根据物料性质和传热面积来确定换热管的材料，尺寸，本次设计的主 要设计参数为：管程介质为水，温度由 30加热到 42 ，工作压力 Mpa6 . 1，流量为hkg /3500 ，壳程介质为煤油，入口温度 1380C，出口温度 40、压力为Mpa2，流量为hkg /3500。 ，传热面积为 22.38 ，采用 252.54500 的无缝钢管换热，则可计算出 58 根换热管，D=325mm 的 圆筒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，钩圈及法兰的设计 计算与校核和管子拉脱力的计算。还包括管板的结构设计、防冲挡板、 支座设计。结构设计中的标准件可以参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。 管板与换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温 度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点，也是一个难点。 关键词：关键词： 冷凝器； 强度设计； 结构设计 Abstract The condenser is a kind of chemical equipment which is widely used, and belongs to a kind of heat exchanger The design task is mainly according to the known conditions to choose the design of fixed tube plate heat exchanger, the advantages of fixed tube plate heat exchanger is forging used less, low cost; heat transfer area ratio of floating head type for heat exchanger is 20% to 30% and a bypass flow small. The heat exchanger is mainly completed is between kerosene and water heat exchange, first of all according to the given design temperature and pressure to determine structure of equipment and the shell side and tube side material, and then according to the nature of the material and the heat transfer area to determine the heat exchange tube materials, dimensions, number of roots.The main design parameters of this design are: tube medium is water temperature from 30 heated to 42 , working pressure, flow, shell medium kerosene inlet temperature 138, outlet temperature 40 , pressure flow rate . A heat transfer area 22.38 , seamless steel pipe heat exchanger 25 2.5 4500, you can calculate the heat transfer tubes 58, D = 325mm cylinder is determined based on the number of heat transfer tubes of the heat transfer tubes are arranged and the heat transfer tubes according to the arrangement and to determine the length and diameter of the cylinder baffles choice. And to determine the thickness of the shell head and the inner diameter of the container by calculation of internal pressure. Then in the heat exchanger design strength member flange design, selecting the various components and calculated the strength verification and inspection, inspection and pull shackle and floating head flange design calculations and piping De- force calculations. Also includes a tube plate structure design, anti scour baffle, slideway structure design and the design of support. The standard parts in the structure design can be selected directly according to the national standards; the non standard parts must be checked for the corresponding stress after the design of the structure. Tube plate and tube heat exchanger and the connection mode of welding, tube plate more stress, and the temperature inside and outside have certain difference. Therefore, on the tube sheet strength check is a key and a difficulties. Key words: heat exchanger； strength design； structure design 目目 录录 第一章绪论 . 1 1.1 换热器的重要性及意义 1 1.2 换热器的研究现状及其发展趋势 1 1.2.1 国内的研究现状 1 1.2.2 国外的研究现状 2 1.3 换热器的发展趋势 3 1.3.1 换热器强化传热技术的发展 3 1.3.2 大型化及能耗研究 . 3 1.3.3 材料的研究 3 1.3.4 腐蚀的研究 3 1.4 换热器的种类 . 4 1.5 工艺流程 5 第二章传统工艺计算 6 2.1 设计任务与条件 . 6 2.2 换热器类型的确定 7 2.3 计算换热器的热负荷 Q . 7 2.4 冷却水用量 . 8 2.5 平均温差的计算. 8 2.6 初算传热面积 . 8 2.7 管子选择和管数的确定 9 2.8 平均传热温差校正及壳程数 10 2.9 管子排列方式和管间距的确定 10 2.9.1 管子排列方式 10 2.9.2 换热管中心距的确定 11 2.10 壳程内径的确定 12 2.11 折流板的选择及间距确定 . 12 2.12 确定总传热系数 K . 12 2.12.1 管程换热热系数的确定 . 13 2.12.2 壳程侧换热系数的确定 13 2.12.3 计算传热面积 14 2.13 流体压降的计算 15 2.13.1 管程压降的计算 15 2.13.2 壳程压降的计算 16 2.13.3 壁温核算 16 第三章结构设计及强度校核 . 18 3.1 换热器的整体结构 18 3.2 筒体的结构设计及校核 18 3 .2.1 筒体内径的确定 . 19 3.2.2 筒体厚度的确定 19 3.2.3 筒体水压试验 19 3.3 封头形式的选择 . 20 3.3.1 封头厚度的确定 20 3.3.2 封头的水压试验 21 3.4 管箱的设计及校核 21 3.4.1 管箱简介 21 3.4.2 短节的设计及校核 22 3.4.3 管箱水压试验 22 3.5 管箱法兰的选择 . 23 3.5.1 各管孔接管及其法兰的选择 24 3.6 管板的结构图 26 3.7 连接设计 . 27 3.7.1 连接简介 27 3.7.2 管板与壳体和管箱的连接结构 27 3.7.3 管板与壳体和管箱的连接结构图 27 3.7.4 管板与换热管的连接的结构确定 28 3.8 换热器的热补偿 . 29 3.8.1 管程和壳程的压应力 29 3.8.2 壳体和管子截面积 30 3.8.3 管程和课程的压应力 30 3.8.4 管程和壳程的温差应力及补偿措施 31 3.8.5 拉脱应力 33 3.8.6 判断是否需要热补偿 33 3.9 接管的设计 . 35 3.9.1 接管材料的选择 35 3.9.2 管程接管直径 35 3.9.3 管程接管厚度 35 3.9.4 壳程接管直径 35 3.9.5 壳程接管厚度 36 3.10 开孔的判定 . 36 第四章附件的选择 38 4.1 鞍座的选择 38 4.1.1 换热器总质量的计算 38 4.1.2 鞍座的尺寸及结构选择 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2 分程隔板选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3 折流板 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4 拉杆 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4.1 拉杆的选择 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4.2 拉杆的形式 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.5 定距管 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.6 法兰螺栓规格 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.7 设计结果表汇 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 换热器的重要性及意义换热器的重要性及意义 换热器的发展历史，已在许多领域被广泛应用于国民经济的近一个世纪。80 年 代以来，由于不断改进制造技术，先进的材料科学技术和传热学理论的研究，设计和 能源相关的热交换器关注日益引起人们的应用。特别是在最近几年，能源和材料成本 的上升大大促进了节能热交换器的研究中，作为一种节能设备，换热器，不仅以确保 过程不可缺少的设备的正常运行，并且金属消费，电力消费和投资，其份额已对整个 项目的一大部分。据统计，在设备投资的所有投资的 40左右热交换器。因此，能 源，材料和观点省钱角度，如何选择高效换热器是不可避免的面临的每一个工程设计 的问题。目前，节能减排已成为中国“十二五”的重要战略举措。期间，高效节能换热 器研究已成为地下换热器研究领域的一个热点。 1.2 换热器的研究现状及其发展趋势换热器的研究现状及其发展趋势1 1.2.1 国内的研究现状国内的研究现状 我国的换热器产品在一些重要领域取得了突破性进展， 但基础研究换热器技术仍 然薄弱。与国外先进水平相比，中国的换热器行业最大的研究，技术差距上热交换产 品基本原理的研究，特别是缺乏物理数据介质，缺乏流场，温度场，流动情况等研究 工作。 在换热器制造，中国仍然是模仿，虽然制造小的差距的整体水平，但在加工和模 具压板的水平仍有一定差距，与发达国家。 在标准的换热器的设计和技术的设计标准相对滞后。目前，最大的产品直径的标准管 壳式换热器被限制在 2.5 米，并与大型石化领域的要求，目前的管壳式换热器的直径 为 4.5 米或 5 米，超出标准范围热交换器设计的，因此，按照美国公司的热交换器的 设计必须 TEMA 标准。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 2 1.2.2 国外的研究现状国外的研究现状 研制新的强化传热管： 加入扰动的管推进，为了提高与添加的捻，螺旋片，螺旋，涡流发生器的入 口传热管翅片管，静态混合器等的传热效果。 扩大热传递表面。嵌入的表面传热片，以增加额外的热传递表面，并且改善 的流体湍流。嵌入式翅片，不仅翅片管外，而且还翅片管内。鳍本身有各种各样的类 型，日立电线株式会社最近呈现锯齿状翼片的外表面，它在滴冷凝侧相信，较光滑管 下部或翅片这些尖头管更有效，残留在管内的膜保持薄和热阻非常低，所以传热效率 高。 促进原有传热表面的性能。使用永久的表面处理方法，以提高原始性能的传热 面。如蒸汽冷凝，利用永久覆盖层的热传递表面，沸腾的条件下，用于冷凝和沸腾的 条件适用使用多孔覆盖层的，使用有纹理的或成形表面。 增强热传递的激励。使用一个静电场，得到振动法或流体的传热面，以增强热 传递。根据研究的结果 J.L.Galner。等，并在广泛的实验，与该脉动的传热系数的增 加，最大增强在过渡流区域中观察到。 壳程传热及流动的研究：矛盾壳管式换热器，很长一段时间，有一个壳传热效率 和压降和流动引起的振动所造成的壳热交换器管振动的问题。 美国飞利浦公司开发出 了折流杆换热器专利技术，三井造船在 1978 年引进的链接，而不是挡板的新技术。 新型材料换热器的研究：近年来，为了应对高腐蚀性媒体，研究和开发新材料迅 速促进热量的应用，尤其是氟塑料热交换器和帝国系统和其它更突出。 当一家英国 公司最近做了一个玻璃换热器，有 158 管，5000 气体处理能力过 20 万计“/500最高 工作温度。 电子计算机在换热登中的应用：目前使用的计算机进行换热器的设计，受到了广 泛的重视和发展。 在这方面， 美国的迅速发展， 他们已经开发了多种计算机程序设计， 所有的组件可以按照美国使用和英国的规范进行设计的管壳式换热器， 并进行优化设 计，寻求最轻和最低- cost 组件。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 3 1.3 换热器的发展趋势换热器的发展趋势2 1.3.1 换热器强化传热技术的发展换热器强化传热技术的发展 可以很好的改善强化传热技术的传热性能是一种节能技术。 由于不同情况下的传 热流体因素，外壳的探索强化传热必须与加强的优化组合通管，这就是后来的强化传 热技术的发展趋势。 在工业生产中的地位和不同的换热器的作用，换热器型多样，不是同一类型的换 热器也是不同的优点和缺点，它的性能也有很大不同。管式换热器有很长的历史，并 在同行业是最典型的管壳式换热器，迄今仍然是所有的热交换器的占主导地位。 1.3.2 大型化及能耗研究大型化及能耗研究 与大型设备和大，超过 5m 的直径大得多的热交换器，每单位面积的传热面积将 达到 1000 平方米，紧凑式换热器将越来越普及。 随着水资源的全球性短缺，新媒体将取代循环冷却水，循环水将被新的，高效的冷空 气所取代。在保温技术的发展，热损失将降低到目前的 50或以下。 1.3.3 材料的研究材料的研究 强度高，制造工艺简单，良好的防腐蚀性，重量轻，将材料的未来发展方向，具 有使用多种稀有金属贵金属价格下跌，钛，锆等量将逐步扩大，铬钼钢将实现发展无 需预热和后加热的方向。 1.3.4 腐蚀的研究腐蚀的研究 在节能，能效要求的发展形式，污物将是国家科研的重视和投入，通过污染的增 长速度的研究，影响因素的形成机理，研究人员能够通过预测污垢曲线，它的热量控 制结构转换效率提高一定的突破。保证装置能耗低，经常跑循环，超声波洗牙技术将 得到大力发展。腐蚀技术将会有所突破，低成本的防腐涂层的金属防腐蚀涂料技术的 金属防腐蚀涂料技术将得到发展，电化学腐蚀技术将成为主导。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 4 1.4 换热器的种类换热器的种类 按热传递原理或传热方式进行分类：直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式 换热器、中间载热体式换热器如表 1- 1 所示3。 表 1- 1 传热器的结构分类 类型 特点 间 壁 式 管 壳 式 列 管 式 固 定 管 式 刚性结构 适用管壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高 场合，壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洁 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 高温、高压的场合对于管的内外壳都能够承受 U 型管式 管内清洗和检修麻烦 填 料 函 式 外填料函 填充容易漏水，下面适用于 4MPa 的不适挥发，易爆， 有毒介质 内填料函 因为密封性能差，所以用在压力差小的场地 釜式 它可以处理脏，易结垢的媒体，能承受高温，高压（没 有温度应力） 双套管式 一般用于高温，高压， 小流量流体和所需传热面积不大 的场合 套管式 适应广，传热面弹性大，两侧流体均可提高流速，两侧 传热系数高 螺旋管式 沉浸式 结构简单，成本低，操作灵敏度，管道可承受较高的压 力流体介质 喷淋式 管的流体的传热系数大，便于维修和清洁 板 面 式 板式 传热效率高，结构紧凑，灵活，易于清洁和维护，能精 确控制热交换器的温度 螺旋板式 换热面积，传热效率高，易于制造，材料利用率高本身 冲刷易结垢，温差小 伞板式 低成本的，稳定的结构，便于在板之间密封，易 于耐洗 板壳式 压降小， 结构紧凑， 传热单位体积内包含了管道的 70 壳式换热器焊接增加技术要求高的区域 混合式 应用于换热流体之间的直接接触 蓄热式 换热的过程分阶段交替进行， 应用在从高温炉气中回收 热能的场合 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 5 1.5 工艺流程工艺流程 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 6 第二章第二章 传统工艺计算传统工艺计算 2.1 设计任务与条件设计任务与条件 介质原始数据如表 2- 1 所示。 表 2- 1 换热器的已知工艺参数 参数 流量（Kg/h ） 温度（ ） 压力 (mpa ) 进口 出口 水（管程） 煤油（壳程） 30 42 1.6 3500 138 40 2 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 7 2.2 换热器类型的确定换热器类型的确定 煤油的定性的温度 89 2 40138 = + = m T 冷却水的定性温度 36 2 4230 = + = m t 两流体的定性温度差为 533689= mM tT 确定物性参数 查化学化工物性参数手册得平均温度下水的物性参数如下： 表 2- 2 水的物性参数 温度（） 密度（)/( 3 mkg 比热容（kJ/kg) 粘度/（Pas) 36 6 .993 174. 4 4- 101388.7 查煤油平均温度下的物性参数如下: 表 2- 3 煤油的物性参数 温度(0C) () 3 /mkg密度 比热容（kJ/kg) 粘度/ （mPas） /导热系数 （W/m） 89 55.773 33. 2 4- 108 . 5 106. 0 2.3 计算换热器的热负荷计算换热器的热负荷 Q 确定煤油的热流量4 hkJTTWQ h /79919040138(33.23500)(C 21pk =） =222000（w/.) （2- 1） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 8 2.4 冷却水用量冷却水用量 根据热量平衡，可得到冷却水吸收热流量 Q 与 c Q的关系如下： QQQ c += 式中： Q - - - - - - - 损失的热量 根据本流程的实际情况，因此忽略换热量的流量损失，取0=Q。则 kwhQQ C 222kJ/799190= 则根据 )( 12 ttCWQ pccc = （2- 2） 得 kg/s43.4/15956 )3042(174.4 799190 )( 12 = = =）（hkg ttc Q W p c 2.5 平均温差的计算平均温差的计算 逆流时的对数平均温差 m t 煤油：13840 水： 4230 2 2 1 21 02.38 ) 10 96 ln( 1096 ln m t t tt tm= = = （2- 3） 式中：CtTt=96 211 CtTt=10 122 2.6 初算传热面积初算传热面积 根据低温流体为冷却水， 高温流体为煤油， 所以总传热系数 K 的范围为 （250- 600） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 9 假设 K 的取值 300w/(.) 计算传热面积： 2 46.19 02.38300 222000 m tK Q F m = = = （2- 4） 考虑到 15的面积裕度，则 38.2246.1915. 1=F 2.7 管子选择和管数的确定管子选择和管数的确定 已知两流体两流体煤油和水允许压强降不大于 1.6MPa,2MPa；我们初步选用 252.5 的无缝钢管。 表 2- 4 管子内内的流速范围 流体种类 流速/（m/s） 管程 壳程 冷却水 13.5 0.51.5 一般液体(黏度不高) 0.53.0 0.21.5 低黏油 0.81.8 0.41.0 高黏油 0.51.5 0.30.8 管子内径：mmdi2025 . 2-25= 管内流速取：sm/5 . 1ui=,则管数为： （根） 4.28 5.1)02.0( 44 2 6.993 43.4 2 = ud v N i s t 可取换热管根数为29根 则按单程换热器所需的管长为 m dn A L s p 83.9 025.029 38.22 0 = = （2- 5） 因为按单程计算得到的管子长度太长，故选择单管程换热器不正确，所以选用多 管程的换热器。取管长为标准管长L=4.5m,则管程数LLNp= （管程）12. 2 5 . 4 83. 9 = L L Np 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 10 取整为2= p N程 总管子数 根）(58292= tP NNN （2- 6） 2.8 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正及壳程数 按照平均传热温差校正系数公式有： 11.0 108 12 30138 3042 21 12 = = = TT tt P 17. 8 12 98 3042 40138 12 21 = = = tt TT R 式中： 21,T T 煤油的进出口温度，； 21 tt ， 自来水的进出口温度，； 由化工原理王国胜主编查图 4- 21 得，92. 0=0.8,故采用单壳程。 逆mm tt=98.3402.3892. 0= （2- 7） 因此，校正后的平均传热温差为34.98，壳程数为单程，管程数为2。 2.9 管子排列方式和管间距的确定管子排列方式和管间距的确定 2.9.1 管子排列方式管子排列方式 管子排列应根据清洗和整体结构的确定。同时，在壳体内尽可能多的装入管子， 换热管在管板上的排列方式常用的有正三角形、转角正三角形、正四边形、转角正四 边形以及同心圆排列以下五种基本形式。如图2- 1所示。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 11 图 2.1 管子排列方式 因为在同一个管板区域可以被布置在相对大量管， 所以等边三角形布置的最常见 的形式，但难以清洁的管的外侧，该管被设计成冷凝水，堵塞，无需清洗。与方形， 较高的传热系数相比较，可以节省管板面积的约15，并且容易划刻和钻井管板。因 此，这样的设计使用了一个等边三角形布置。 2.9.2 换热管中心距的确定换热管中心距的确定 一般换热管的中心距大于等于 1.25 倍的管外径最为合适，常用的换热管中心距， 如表 2- 5 表 2- 5 换热管中心距 换 热 管 外径 10 12 14 16 18 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 换 热 管 中心距 s 13 14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72 分 隔 板 板 槽 两 侧 相 邻 管 中 心 距 lE 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 则管心距 o ds25 . 1 =32mm 按正三角形排列，横过管束中心点的管数 根，取837 . 8 581 . 11 . 1=NNc 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 12 2.10 壳程内径的确定壳程内径的确定 则壳体内径:3244) 1(0 i =+=dNsDc (2- 8) 圆整为: i D =0.325m 2.11 折流板的选择及间距确定折流板的选择及间距确定 折流板选择弓形折流板: 弓形折流板的弓高: h=0.2Di=0.2*0.325=81.25m 折流板间距: mm200108 . 0 3 325 . 0 3 =Bm D B i 取 折流板数量: 块211 2 . 0 5 . 4 1= B L NB 2.12 确定总传热系数确定总传热系数 K 总传热系数的值见表 2- 6，选择时，一般除要考虑流体的物性和操作条件外，在 就要考虑换热器的类型。 表 2- 6 总传热系数的选择 管程 壳程 总传热系数/W/（m3） 水 （ 流 速 为9 . 0 sm/5 . 1） 水 冷水 冷水 冷水 盐水 有机溶剂 轻有机物 0.5mPas 中有机物 =5 . 01mPas 重有机物 1mPas 水（流速为 1m/s） 水 水溶液 2mPas 水溶液 2mPas 有机物 0.5mPas 水（流速为9 . 05 . 1m/s） 水（流速较高时） 轻有机物u5 . 0mPas 中有机物 =5 . 01mPas 重有机物u1mPas 轻有机物 0.5mPas 有机溶剂 =0.30.55mPas 轻有机物 0.5mPas 中有机物 =5 . 01mPas 重有机物 1mPas 水蒸气（有压力）冷凝 水蒸气（常压或负压）冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 582698 8141163 467814 290698 116467 233582 198233 233465 116349 58233 23264652 17453489 11631071 5822908 5821193 291582 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 13 有机物 =0.51mPas 有机物 1mPas 水 水 水 水 水 水 水 水 水蒸气冷凝 有机物蒸气及水蒸气冷凝 重有机物蒸气（常压）冷凝 重有机物蒸气（负压）冷凝 饱和有机溶剂蒸气 （常压） 冷凝 含饱和水蒸气的氯气（50） SO2冷凝 NH3冷凝 氟里昂冷凝 114349 5821163 116349 58174 5821163 174349 8141163 698930 756 2.12.1 管程换热热系数的确定管程换热热系数的确定5 流速 54 . 0 0083 . 0 3600 6 . 993 15956 3600 ui= = i i s v m/s 管程雷诺系数Re 4 5 105 . 1 10388.71 02 . 0 6 . 99354 . 0 Re= = u du iii (2- 9) 73 . 4 63 . 0 101388 . 7 10174 . 4 Pr 43 = = i ip i uc ()87.9373 . 4 15000023 . 0 PrRe023 . 0 4 . 0 8 . 04 . 08 . 0 = i Nu (2- 10) i =0.023 4 . 08 . 0 )()( i ip i iii i i uc ud d (2- 11) = i Nu ( di i )=93.84( 02 . 0 63 . 0 )=2956.9W/m2 2.12.2 壳程侧换热系数的确定壳程侧换热系数的确定 mm5 . 225的换热管的中心距mms32=。mh1 . 0= 则流体通过管间最大截面积为： )1 ( 0 s d hDA= 04 . 0 0.032 025 . 0 -1325 . 0 1 . 0= =（m2） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 14 097 . 0 55.773013 . 0 3600 3500 u 0 0 0 = = A M ()sm/ 22 3 4 24 eoo dsdd = 22 3 4(0.032)0.025(3.14 0.025) 24 = 0.020= （m） 4 . 2587 1058 02 . 0 55.773097 . 0 Re 5- 0 0 0 = = u du e (湍流） 2 . 10 0 = r P 壳程煤油被冷却，取() 0.14 0.95 ow =； () 14. 0 0 3 1 55 . 0 0 00 0 Pr36 . 0 = w e e u u u ud d () 14. 0 0 3 1 55 . 0 0 00 0 Pr36 . 0 = w e e u u u ud d ()()95 . 0 2 .10 6 . 2268 02 . 0 106 . 0 36 . 0 3 1 55 . 0 = =276（W/m2) 污垢热阻 Rs1, Rs2: 00017 . 0 = si R（m2/W) 00034 . 0 = si R（m2/W) 在下面的公式中，以外管为基准，代入以上数据得： o so i o i o si ii o R d bd d d R d d K 1 1 + = (2- 12) =1( 02 . 0 9 . 2956 025 . 0 +0.000344 02 . 0 025 . 0 + 4502 . 0 025 . 0 0025 . 0 +0.000172+ 276 1 ) =352W/m2 2.12.3 计算传热面积计算传热面积 由上面所求的的计算数据，代入到下面的计算公式，计算实际传热面积 F: 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 15 02.18 98.34352 1022 . 2 5 = = = m c tK Q F（m2） 安全系数： 18 300 300352 = = K KK % 在1525之间，所以设计合理 传热面积裕度： 2 .24 02.18 02.1838.22 = = F FF % 面积裕度在1525之间，所以该换热器能完成任务。 2.13 流体压降的计算流体压降的计算 2.13.1 管程压降的计算管程压降的计算 雷诺数2000105 . 1 10388.71 02 . 0 6 . 99354 . 0 Re 4 5 = = u du iii 流动形式为湍流 由= d 0.005 28032Re = i 带入经验公式 += Re 68 1 . 0 d 可得 i =0.03238 管内的阻力损失为 ()() 1055 2 6 . 99354 . 0 02 . 0 5 . 4 03238 . 0 2 2 2 = = ii i ii u d l P Pa (2- 13) 回弯阻力损失 ()() 6 . 434 2 6 . 99354 . 0 3 2 3Pr 2 2 = = ii u Pa 则管程内总压降为：根据计算公式，即 12 p( pp ) itio FZ Z= + （2- 14） 式中：Ft结垢校正因数，量纲为一，本设计选用的是 mm5 . 225的换热管， 4 . 1= t F取。 ()MpakpapaNFtNPPPt psr 6 . 1341 . 8 56.806244 . 16 .4341055 i = = u d e 摩擦系数()96 . 0 14000 . 5 228 . 0 0 = f (2- 15) 管束的损失 ()( ) ()paNnFfP Bc 03.48 2 55.773042. 0 12188 . 05 . 0 2 u 1 2 0 2 0 01 = +=+=）（ 缺口损失 ()() pa u D h NP B 9 .16 2 55.773042. 0 45. 0 8125. 02 5 . 321 2 2 5 . 3 2 0 2 0 2 = = = 则壳程损失 MpakpapaPPPs206494 . 0 94.64 9 . 1603.48 21 = 所以符合。 3.8 换热器的热补偿换热器的热补偿14 3.8.1 管程和壳程的压应力管程和壳程的压应力 轴向力是由压力引起的，因为壳程流体的压力作用于管板的净表面上，管程压力 作用于封头和管截面在内的管板上。故有公式： () 222 1 44 sioti FP DndPd n =+ （3- 1） 式中 s P 、 t P 壳侧设计压力、管侧设计压力；pa i d 、 o d 换热管内、外径，m n管子根数。 代入数据：582038.1 4 ）2558-325（2.2 4 2222 1 +=F =420935.06（N） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 结构设计及强度校核 30 3.8.2 壳体和管子截面积壳体和管子截面积 壳体截面面积： () sinn fD= + （3- 2） () 6- 1066325+= 2- 1023.6=（m2） 单管截面面积： 6 105 . 2 = it df 6 20 2.5 10= 3.14 6 157 10= （m2） 管程总截面面积： tt fnf = 6- 1015758= 3- 10106. 9= （m2） 3.8.3 管程和课程的压应力管程和课程的压应力 上面算得的轴力由壳体和管子共同承受， 因而壳体所受之力与管束所受之力的和 应等于 F1；又因为壳体与管子的应力分配与弹性模数成正比，故： 壳体应力 1 p s s sstt FE f Ef E = + （3- 3） 式中 s E 、 t E 分别为壳程、管程材料的弹性模量，本设计材料相同，通过 查表可知它们的值均为 5 2.01 10Mpa。 代入数据，可得： 5353 5 1001.210106.91001.21024.6 1001.206.420935 + = p s 7 107.2=（Pa）=27（MPa） 管子应力 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 结构设计及强度校核 31 1 p t t sstt FE f Ef E = + 代入数据，可得： 5353 5 1001.210106.91001.21024.6 1001.206.420935 + = p s 7 107.2= （Pa）=27（MPa） 3.8.4 管程和壳程的温差应力及补偿措施管程和壳程的温差应力及补偿措施15 3.8.4.1 温差应力的计算方法温差应力的计算方法 在计算固定管板式换热器的温差应力时，通常假定： 管与管板没有发生弯曲变形，因此每个管遭受同样的应力; 以管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的计算温度。 在上一章中已经算出固定管板换热器在工作时的管壁管壁温度 1 . 38= w t，壳体 壁温 ts=89.5。管子的自由伸长量为 () ttwo a tt l = （3- 4） 而壳体的自由伸长量为 () ssso a tt l = 式中 t a、 s a分别为管子和壳体材料的线性膨胀系数，1/； ot安装时的温度，。 由于管子与壳体不能独立地自由伸长，而只能共同伸长，因而当 s 时，管 子受到压缩，被压缩之长为（ t -） 。而壳体受到拉伸，被拉伸之长为（- s ） 。应 用胡克定律，可分别求出管子所受的压缩力和壳体所受的拉伸力。显然，两个力应相 等，即 2ttt F l E f = （3- 5） 2sss F l E f = 式中 2 F 管子受到的压缩力和壳体所受的拉伸力。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 结构设计及强度校核 32 将以上两式合并，经整理后可得： () () () 2 () 11 twosso ttss a ttatt F E fE f = + （3- 6） 于是，管壁所受压应力为 2 t t F f = （3- 7） 壳壁所受拉应力为 2 s s F f = 故有温差产生的轴向应力 ()() ttstwosso t s sstt f E Ea ttatt E fE f = + （3- 8） ()() ststwosso t t sstt f E Ea ttatt E fE f = + 3.8.4.2 确定温差应力确定温差应力 壳体温差应力： ()() ttstwosso t s sstt f E Ea ttatt E fE f = + 代入数据: 21.9 t s = （MPa） 换热管温差应力： ()() ststwosso t t sstt f E Ea ttatt E fE f = + 代入数据：17.5 t t = （MPa） 3.8.4.3 确定轴向合力确定轴向合力 在上一节的计算说明壳体受压缩，管子受拉伸。温差应力 t s 、 t t 方向是相反的， 一个为拉应力，另一个为压应力，因此与 p s 、 p t 合成时，壳体膨胀量大于管子，则 壳体轴向合成应力 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 结构设计及强度校核 33 pt sss = 9 .21-9 .15= 6-=（MPa） 管子轴向合成应力 pt ttt = + 5 .179 .15+= 4 .33=（MPa） 3.8.5 拉脱应力拉脱应力 在压力和温差的共同作用下，则管子拉脱力q为 ts o f q d h = （3- 9） 式中 L焊接高度，m。 t 管子中所产生的应力。 取 L=0.003m，代入数据得： )27.22 003 . 0 025 . 0 14 . 3 1015710 4 . 33 66 Mpaq（= = 3.8.6 判断是否需要判断是否需要热补偿热补偿16 3.8.6.1 热补偿方法简介热补偿方法简介 一般情况下，当管子与壳体使用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于 50时， 就要考虑热补偿，以解决膨胀的差异。其措施主要是从工艺和结构两方面着手，可以 采取的方法有： 减小管子与壳体的温差 由于壁温度总是接近流体的传热系数来发挥的温度， 因此它可以通过壳体加热流 体的传热系数，外壳时的温度比管束的温度低，绝缘壳体管可以减小外壳与之间的温 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 结构设计及强度校核 34 度差。 采用膨胀节 采用膨胀节的作用主要是补偿轴向位移，它的特点是受轴向力后容易变形，从而 降低壳体和管子的温