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JS222 流量 170 th 双管 固定 板式 换热器 设计

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沈阳化工大学科亚学院毕业论文文献综述换热器文献综述姓名：何香颐 班级：过控1201 指导教师：金丹引言： 在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。换热器作为化工工程、石油化工、动力能源、冶金工业、交通发展、国防重工等工业部门重要工艺设备之一。换热器正确的设定，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有节约与有效利用，对国民经济有着十分显著的影响。正文：1.1换热器的类型由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多，根据使用场合，使用不低有所不同。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器很重要。按照热量交换的方式不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。间壁式换热器的特点是冷，热两流体被一层固体壁面（管或板）隔开，不相混合，通过间壁进行热交换。1） 管壳式换热器：管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。2） 喷淋式换热器：套管热交换器是由不同直径的直管同心套筒制成，并通过一个U形弯头连接。在这种热交换器中，流体管，其他的流体间隙，既可以得到更高的速度，因此，传热系数越大。此外，在该管式换热器，二种流体可以是纯的逆流，对数平均的驱动力较大。这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器。3） 沉浸式换热器：这种热交换器是一个金属管弯曲圆成各种，适当的容器的形状，并浸入液体容器。夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高。4） 板式换热器：板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。直接接触式换热器直接接触换热为一种高效的换热方式,与传统的间壁式换热相比,它 的热阻大大减小,并且不受换热面结垢和腐蚀的影响。蓄热式换热器蓄热式换热器蓄热式换热器与回热式换热器相对应，是一种应用历史比较久远的换热装置，是按照大类划分的换热器的一种形式，具有能够在高温条件下运行的优点。1.2管壳式换热器的分类及应用固定管板式换热器主要是由封头、管板、换热管、简体、管箱、法兰及折流板等组成，管班上两端分别固定着管束，简体和管板之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，热交换器结构简单，成本低，易于制造，内直径相同的外壳可被布置成安装更多的热交换管，每个热交换管可以分离为管道清洗或更换，而管道清洗外是困难的。固定管板式换热器，因此，更适合于壳侧流体清洁的规模不容易，且冷，热流体的温度差是不常用的清洗场合太大管侧。不适用。U型管换热器和固定管板式换热器。U型管换热器的结构的特点是只有一块管板的，在V的热交换管，在管的两端被固定在同一块板的，监控的至少两个过程。 U型管换热器的优点是：只有一块管板的，结构简单，密封面，少，运行可靠;配件清洗方便，束可以拉出。缺点是管板的利用率低，管道清洗，成捆，成壳短路之间的距离，工艺管道坏了，不能改变，所以废品率是非常高的。浮头式换热器，浮头换热器是使用最广泛的管式换热器之一，应力消除原理是传递热量管束管板放手，让它浮动某些控制和消除内应力，浮头式换热器的传热束可出在壳，清洁和维护更方便，但由于结构复杂，所以浮头热交换器的价格非常高。1.3管壳式换热器的强化传热途径强化传热加强管壳式换热器管传递的热传递主要通过增加流体湍流，延伸，传热面积和提高流体流动，即表面处理的凸肋或鳍状结构的方法，并插入管，并提高流速。凸筋结构。这种传热元件的主要是通过在管道内表面加工凸肋，以增强流体湍流强度，从而达到增强传热的目的。目前应用比较广泛的螺旋槽管，横纹管和波纹管。螺旋槽管的内表面与凸肋，该螺旋槽的外表面的螺旋槽。当流体流过螺旋槽凸肋的干扰，减薄管壁厚度的表面上的层流层产生，增强管侧的对流热传递系数，同时，引起流体流边界层分离的涡流轴的轴向凸肋的部分的螺旋槽表面，减少的热传递。螺旋槽管可以用来提高单相流体管的热传递，并沿着所述，衬里相变传热123横纹管轴向间隔环槽，由于外壁环槽的膨胀向内的壁和对应环，沿流体边界层分离流的流的壁，促进流体湍流强度，增加流体边界层，从而增强加强壳侧热交换器的方法，包括之间的变化的热传递的传热促进管壳侧该管结构及管道支撑结构的外表面。传热管外表面的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片。管外传热强化。外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管和横纹管。螺旋槽管和横纹管对管外蒸汽冷凝，加强效果是明显的，是槽的主要机制使液膜和薄膜层产生涡流，破坏气薄膜层的稳定性。边界层厚度的交换面积可以有效地延长，可以用于单相和冷凝传热促进1111管支承结构。传统管壳式换热器的拱形挡板支撑，大多在壳侧流体流动是“Z”的形式中，隔板和管壁流动死区相连，所述热传递系数和压力损失较大;板和管壳式旁通流和泄漏流现象之间是严重和降低的流体的有效质量流量。为了克服上述缺点，提高在壳侧的流体的传热性能，一些新的管支撑结构的外观。当前比较优越的管间支撑结构形式主要有折流杆、螺旋扁管自支撑和螺旋隔板。1.4换热器发展前景换热器发展前景的可行性研究报告显示：各类换热器，管式换热器是一个产品大批量，多品种，国防工业技术的发展，换热器的工作条件比较苛刻，迫切需要一个新的耐磨损，耐腐蚀，高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛在海水中，碱，如醋酸具有良好的耐蚀性，如再次强化传热，效果会更好，目前，一些制造单元具有钛加工和制造技术的熟练掌握。对涂层的材料，我国先后从国外进口生产线。铝的镁合金具有高的耐腐蚀性和热导率，比钛便宜，应该注意。 近年来，国内节能热交换器的性能效率的提高，提高热传递的效率，降低的热交换面积的压降，显著提高了工作性能单位。大量使用换热器的能量利用率得到有效提高，降低了企业成本，随着我国工业化，城镇化进程沿，有利于增加，全球经济增长在发展中国家，国内市场和出口市场将继续增长，需求换热器换热器行业与目标的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求，四万亿的投资点，将继续保持国民经济的快速发展。石化，能源，电力，环保等行业保持稳定增长，大型乙烯项目，大规模的核电站建设，大型风电场的建设，太阳能光伏产业，多晶硅的快速增长生产规模较大，环保，日益成熟的海水淡化项目建设，将在换热器行业的巨大需求。随着现代工业的飞速发展，对能源的环境和生态问题为中心。世界找同时新能源各国，更加注重新能源和节能方法的发展。强大的中国换热技术的应用不仅可以节约能源，保护环境，可大大节省成本。因为在石油，电力，化工，核工业，如换热器换热器技术的强化传热的广泛应用，对研究人员的关注。该研究结果不断出现。 目前，大量的改进的热传递技术已被应用到工业设备，因此，成为在板式换热器的工业中的重要产品。同时，大管壳式换热器，高压换热器的大直径螺旋锁紧环。高效节能板空气预热器等也将成为未来市场细分的焦点。除了在我国的高换热器主要依靠进口和出口的产品是低附加值，低端产品，进口产品都是高附加值的高端产品。国内的能力较弱，在低端产品，产能过剩，体积较大，主换热器的未来发展方向是由高端的新的应用为主。 行业分析师指出,根据中国工业发展目标换热器,换热器行业在2016年超过2016元规模在2020年达到油换热器热功率成世界上最大的生产商,你成功地实现目标必须是高效、节能、新突破高端环保换热器。总结：随着现代工程技术的急剧发展，中心的环境和生态问题的能量。世界各国家更加重视发展节能和寻找新能源的新途径。的强化传热技术的应用，不仅可以节能，环保，而且可以大大节约成本。因为研究人员长时间在石油，电力，化工和利用原子能等工业部门，用于换热器技术的强化传热研究的换热器。这项新的研究成果已更新参考文献1 邱树林.换热器-原理 结构 设计.上海交通大学出版社2 钢制压力容器. GB150-1998. 国家质量技术监督局发布3 化工设备设计手册.材料与零部件（上）M 上海科学技术出版社 1982年4 邹广华,刘强.过程装备制造与检测M 北京化工工业出版社 2003年5 管壳式换热器. GB151-1999. 国家质量技术监督局发布6 王国胜,王祝敏,孙怀宇.化工原理.大连:大连理工大学出版社 2014年7 东大秦,袁凤隐.压力容器与化工设备使用手册（上册）M.化学工业出版社 2000年 沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院本 科 毕 业 设 计题 目：流量为170t/h双管程固定管板式换热器 专 业： 过控 班 级： 1201 学生姓名： 何香颐 指导教师： 金丹 论文提交日期： 2016 年 6 月 1 日论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日毕业设计（论文）任务书过程装备与控制工程1201班学生：何香颐毕业设计（论文）题目：流量为170t/h双管程固定管板式换热器毕业设计（论文）内容： 有关换热器综述一篇； 计算书说明书一份； 毕业设计（论文）专题部分： 固定管板式换热器起止时间：2016年5月25至2016年6月6日指导教师： 金丹 签字 2016年 3 月 1 日 课题名称流量为170t/h双管程固定管板式换热器设计者何香颐图号GK311202110-01设计参数管口表容器类别符号公称尺寸用途或名称参数名称壳程管程a450进油管工作压力MPa1.62.5b450出油管设计压力MPa1.652.5c200热水出口工作温度2085d设计温度52.5110e20放气口介质水油f20放气口介质特性h200冷水进口推荐材料Q34520钢g20排液口腐蚀余量mm0.32m20排液口焊接接头系数0.850.85程数12传热面积465465换热管推荐尺寸管子与管板连接方式强度焊接强度焊接设计参数： 管程： 管程为油，入口温度为130，出口温度为90壳程：壳程介质为热水，由20加热到85；流量为170t/h结构为固定管板式换热器 摘要 在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。换热器是化工、交通、动力、石油、冶金国防等工业部门重要工艺设备之一。由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多，根据使用场合，使用目的有所不同。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器很重要。按照热量交换的方式不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛，在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体的温度较高，放出热量；另一流体温度较低，吸收热量。换热器在动力、制冷、石油、食品、化工等等行业中都有广泛的应用，而且他们是上述这些行业的通用设备，并有着十分重要的部位。固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用最广泛的一种换热器。固定管板式化热器的优点为结构简单，成本低、选材广、适应性强、耐压性强、方便清洗、管子损坏时便于堵管或更换，在各工业部门应用最为广泛。这种换热器使用于壳侧介质清洁且不宜结垢，并能进行清洗管束，壳程两侧温差不大或者温差较大但壳侧压力不高的场合。换热设备在石油化工、炼油以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷凝、冷却、蒸发和废热回收等等方面。 列管式换热器分为U型管换热器和固定管板式换热器。U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块板上，其管程至少为两程。U型管换热器的优点是：只有一块管板，结构简单，密封面少，运行可靠；管件清洗方便，管束可以抽出。缺点是管板利用率较低，管内清洗困难，管束内程管间距大，壳程易短路，内程管子坏了无法更换，所以报废率高。固定管板式换热器主要是由封头、管板、换热管、简体、管箱、法兰及折流板等组成，管班上两端分别固定着管束，简体和管板之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，换热器结构简单、造价低、制造方便，在相同直径的壳体内可排列安装较多的换热管，并且每个换热管都可单独进行管内清洗或更换，但是管外清洗比较困难。因此，固定管板式换热器更适用于不易结垢的壳程流体清洁，而冷热流体温差不太大的管程常用清洗的场合不太适用。 固定管板式换热器的设计包括：流体设计、结构设计、热力设计和强度设计。在本次设计中进行了对物料及热量衡算，并对换热器整体机构进行计算和对换热器的基本附件进行选择和设计，最后绘出非标零件图和装配图。其中课题设计以强度校核和结构设计为主要设计内容。热力计算是指根据使用单位提出的基本要求，合理选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。关键字：换热器，固定管板，壳体，封头Abstract In different temperature of liu medical transfer heat device become a heat exchanger, heat exchanger for short.Heat exchanger is chemical industry, transportation, power, petroleum, metallurgy, national defense industry one of the important technological equipment.Due to the nature of the material, requirements vary, there are many kinds of heat exchanger, according to the using situation, using low is different.To understand the characteristics of all kinds of heat exchanger, according to the technological requirements it is very important to correctly choose the right type of heat exchanger.According to the heat exchange in a different way, divided into recuperative heat exchanger, direct contact heat exchanger, three kinds of regenerative heat exchanger.Chemical production in the vast majority of cases are not allowed to cold and hot fluid in the process of heat transfer in hybrid, so, the most widely used, recuperative heat exchanger in the heat exchanger should have at least two different fluid temperature, the temperature of a fluid is higher, gives off heat;Another fluid temperature is low, absorption of heat.Heat exchanger in power, refrigeration, petroleum, food, chemical industry and so on are widely used in industry, second they are these industry general equipment, and has a very important part.Fixed tube plate heat exchanger is a kind of typical structure of tube and shell heat exchanger, a heat exchanger is currently the most widely used.Fixed tube plate heat exchanger of advantages as simple structure, low cost, wide material selection, strong adaptability, strong pressure resistance, convenient cleaning and pipe damage to facilitate tube jam or replaced, the most widely used in various industry departments.This kind of heat exchanger used in shell side of the media should not be clean and scaling, and can be washed, on both sides of the shell side shell temperature difference is not big or temperature difference is bigger but the occasion of the lateral pressure is not high.Heat exchange equipment in petrochemical, refining, and widely used in other industries, it is suitable for cooling, evaporation and condensation, waste heat recovery, etc.Shell and tube heat exchanger is divided into U tube heat exchanger and fixed tube plate heat exchanger.U tube heat exchanger structure characteristics is only a piece of tube plate, heat exchange tube for U, at both ends of the tube are fixed on the same piece of plate, the monitor for at least two process.The advantages of the U tube heat exchanger is: only a piece of tube plate, structure is simple, sealing surface, less reliable operation;Fitting convenient cleaning, tube bundle can be pulled out.Defect is low utilization rate of tube sheet, tube cleaning is difficult, the distance between pipe bundle in cheng, shell Cheng Yi short circuit, the process pipe is broken cant change, so the scrap rate is high.Fixed tube plate heat exchanger is mainly composed of head, tube plate, heat exchange tube, simplified, pipe, flanges and baffle plate, etc, were fixed by bundle on both ends of the tube in the class, simplified and tube plate is rigid connection between together, no relative movement between each other, heat exchanger has simple structure, low cost, easy fabrication, inside the shell of the same diameter can be arranged to install more heat exchange tube, and each heat exchange tube can separate for pipe cleaning or replacement, but outside the pipe cleaning more difficult.Therefore, fixed tube plate heat exchanger is more suitable for not easy scaling of shell side fluid cleaning, and cold and hot fluid temperature difference is not too big tube side commonly used cleaning occasions dont apply.Fixed tube plate heat exchanger design includes: fluid design, structure design, thermal design and strength design.In the design of material and heat balance, and a calculation is made of heat exchanger overall mechanism and basic attachments for selection and design of heat exchanger, the final draw non-standard parts drawing and assembly drawing.With intensity and structure design of the project design among them as the main design content.Thermodynamic calculation is according to put forward the basic requirement of units used, the reasonable selection operation parameters, and according to the knowledge of heat transfer, heat transfer calculation.Key words: heat exchanger, fixed tubesheet and shell, head目 录 第一章工艺计算说明书 1 1.1 原始数据 1 1.2 定性温度及物性参数 1 1.3 传热量与油流量 2 1.4 有效平均温差计算 2 1.5 管程换热系数计算 3 1.6 结构的初步设计 3 1.7 壳程换热系数计算 4 1.8 传热系数计算 5 1.9 管外壁热流密度计算 5 第二章换热器零部件的工业结构设计 6 2.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 6 2.2 布管方式的选择 6 2.3 筒体内径的确定 6 2.4 筒体壁厚的确定 7 2.5 封头形式的确定 7 2.6 管箱短节壁厚计算 8 2.7 容器法兰的选择 8 第三章换热器的强度设计及校核 10 3.1 筒的计算 10 3.2 对于延长部分兼作法兰的管板的计算 11 3.3 假定管板厚度的计算 13 3.4 值的计算 15 3.5 法兰厚度的计算 15 3.6 法兰力矩的组合 16 3.6.1 只有壳程设计压力Ps,而管程设计压力Pt=0,不计膨胀节变形差（即r=0） 16 3.6.2 只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0，并且计入膨胀变形差 17 3.6.3 只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0，不计膨胀节变形差 19 3.6.4 只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0，同时计入膨胀变形差 20 3.6.5 由管板计算厚度来确定管板的实际厚度 21 3.7 是否安装膨胀节的确定 21 3.8 折流板尺寸的确定 21 3.9 各管控接管及其法兰的确定 22 3.10 设备法兰的选择 24 3.11 拉杆和定距管的确定 25 3.12 开孔补强计算a孔DN=mm（GB150-1998 项目8.1） 26 3.13 筒体管箱耐压试验的应力校核的计算 28 3.14 支座的选择及应力校核 29 3.14.1 支座的选择 29 3.14.2 鞍座的应力校核 29 参考文献 34 致谢 35第一章 工艺计算说明书11原始数据管程油的进口温度t1=130管程油的出口温度t1=90管程油的工作压力P1=2.5MPa壳程水的入口温度t2=20壳程水的出口温度t2=85壳程水的出口压力P2=1.6MPa壳程水的流量G1=170000kg/h12定性温度及物性参数管程油定性温度t1=110管程油密度查物性表得1=759kg/m3管程油比热查物性表得Cp1=2.43KJ/（Kg ）管程油导热系数查物性表1=0.1042w/mk管程油粘度1=0.5510-3Pas管程油布朗特数查物性表得Pr=16.1壳程水定性温度t2=52.5壳程水比热查物性表得Cp2=4.17KJ/（Kg ）壳程水密度查物性表得2=988.1kg/m3壳程水导热系数查物性表得2=0.65W/（mk）壳程水粘度2=0.5510-3Pas 壳程水布朗特数查物性表得Pr=3.5450沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 工艺计算书说明书1.3传热量与油流量取定换热效率： 设计传热量： Q= =1700004.17（85-20） =1.25 W由 导出煤油流量，得 1.4有效平均温差计算有效平均温度： = =75.53 参数P： P=0.36参数R： R=1.625换热器按单壳程双管程设计，查图表得：温差校正系数： =0.75有效平均温差： =0.7573.53=55.15 1.5管程换热系数计算查图表可得：初选传热系数： =600 W/m.则初选传热面积为： =377.76 选用不锈钢的无缝钢管做换热管，则 管子外径： =0.025 m 管子内径： =0.02 m 管子长度： =6 m则 所需换热器根数： =803可取换热管根数为： 804 根则管程流通面积为： =0.252 管程流速：=0.191 m/s管程雷诺数：=5271.6管程传热系： =25421.6结构的初步设计查GB-1999知管间距按1.25取管间距： s=0.032 m 管束中心排管数：=1.1=1.1=32根 则壳体内径：=+=0.032（32-1）+40.025=1.092 m 取整为：=1.1 m 则长径比：=5.45 合理折流板选择弓形折流板 弓形折流板的弓高：h=0.2=0.21.1=0.22 m 折流板间距：B=0.367 m 折流板数为：=-1=-1=15 块1.7壳程换热系数计算壳程流通面积：=0.0883 壳程流速为：=0.541 m/s壳程质量流量为：=988.10.541=539.972 kg/壳程当量直径为：=0.035 m壳程雷诺数：=34017切去弓形面积所占比例按 =0.2壳程传热因子： =171.43 得=125管外壁温度假定值：=40壁温下水的粘度：=0.62 粘度修正系数：=0.38壳程换热系数为：=10401.8传热系数计算查GB-1999可知壳程水污垢热阻：=0.000176 w/管程油侧污垢热阻：=0.000172 w/由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可忽略不计可以算出总传热系数：=632则传热面积比为：=1.05 合理 1.9管外壁热流密度计算=33050.16 w/管外壁温度：=t-=39.16 误差校核：-=39.16-40= -0.84 误差不大，合适沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器零部件的工艺结构设计第二章 换热器零部件的工业结构设计2.1换热管材料及规格的选择和根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管材料20#2换热管规格mm252.560003传热面积Am2A=Q/4464换热管根数N根N=A/3.14dL9482.2布管方式的选择序号项目符号单位数据来源和数据计算数值1转角正三角形GB151-1999图112换热管中心距SmmGB151-1999表12323隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-1999表12442.3筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1换热管中心距SmmGB151-1999表12322换热管根数根=A/3.14dL9483管束中心排管根数根=1.1334换热管外径mm255到壳体内壁最短距离mm=0.256.256布管限定圆直径mm=-21143.57筒体内径mm=s（-1）+411288实取筒体公称直径DmmJB/T4737-9512002.4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力=1.12.312筒体内径mm见三-812003筒体材料20R4设计温度下筒体材料的许用应力GB150-981505焊接接头系数0.856筒体设计厚度mm=10.17腐蚀裕量C2mm28负偏差C1mm09设计厚度mm=+ C212.110名义厚度mmGB151-1999项目5.3.2142.5封头形式的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1封头内径Dimm12002计算压力=1.11.873焊接接头系数0.854设计温度下许用压力GB151-1999项目5.3.21505标准椭圆封头计算厚度mm=106腐蚀裕量C2mm27负偏差C1mm08设计厚度mm=+C2129名义厚度mmGB151-1999项目5.3.21410直边高度hmmJB/T4737-95402.6管箱短节壁厚计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力=1.12.312管箱内径mm12003管箱材料20R4设计温度下许用应力GB150-981505管箱计算厚度mm=116焊接接头系数mm0.857腐蚀裕量C2mm28负偏差C1mm09设计厚度mm=+ C21310名义厚度GB151-1999项目5.3.2142.7容器法兰的选择序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1法兰类型长颈对焊法兰JB/T4703-2000PN=2.5MPa2法兰外径d0mmJB/T4703-200013953螺栓中心圆直径d1mmJB/T4703-200013404法兰公称直径mmJB/T4703-200012005法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4703-2000PN=2.5MPa7垫片材料GB/T3985-19958垫片公称直径mmJB/T4704-200012009垫片外径D0mmJB/T4704-2000127510垫片内径DmmJB/T4704-2000122511法兰厚度mmJB/T4704-20008512垫片厚度mmJB/T4704-2000313螺栓规格及数量248M27沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器的强度计算及校核 第三章 换热器的强度设计及校核3.1筒的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1筒体内径mm12002筒体内径横截面积Amm2A=9498503筒体厚度mm144圆筒内壳壁金属截面积mm2=48971.445管子金属总截面积mm2=1563156换热管根数N9487换热管外径Dmm258换热管壁厚mm2.59换热管材料的弹性模量GB150-1998表F518200010换热管有效长度Lmm598011沿一侧的排管数3012布管区内未能被管支撑的面积mm2=1720013管板布管区面积Atmm2At=0.866nS2+80200314管板布管区当量直径mm=1010.7715换热管中心距SmmGB151-19993216隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-19994417管板布管内开孔后的面积mm2=80200218系数=0.7119壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比QQ=2.7120壳程圆筒材料的弹性模量GB150-1998表F519600021系数=0.1922系数=0.4+3.5423系数=+5.5424管板布管区当量直径与壳程圆筒内径比PtPt=0.8425管子受压失稳当量长度mmGB151-1999图3226设计温度下管子受屈服强度GB150-1998表F21963.2对于延长部分兼作法兰的管板的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触宽度NMmGB150-1998表9-1252垫片基本密度宽度Mm=12.53垫片比压力yGB150-1998表9-2114垫片系数m2.05垫片有效密封宽度bMmB=2.5396垫片压紧力Mm= -2b12607预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaNWa=3.14dGby391372.758操作状态下需要的最小螺栓载荷WpNWp=0.78DG2Pc+6.28DGbmPc2578132.09常温下螺栓材料的许用应力bMPaGB150-1998表F4272.510预紧状态下需要的最小螺栓面积Aamm2Aa=Wa/b1436.2511操作状态下需要的最小螺栓面积Apmm2Ap= Wp/b119461.0312需要螺栓总截面积Ammm2Am=maxAa，Ap119461.0313法兰螺栓的中心圆直径dbMm134014法兰中心至Fc作用处的径向距离LGMmLG=（db-dG）/240.515基本法兰力矩MmNmmMm=AmLGb1.0410816筒体厚度0Mm1417法兰颈部大端有效厚度1Mm1=1.75024.518螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离LAMmLA=（db-di）/2-145.519螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离LTMmLT= (LA+ LG+1)/252.7520螺栓中心距FD作用处的径向距离LDMmLD=（db-di）/27021作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力FDNFD=0.785di2Pc211384822流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差FTNFT=F-FDF=0.78dG2*PC=2719998.996606150.99623操作状态下需要的最小垫片压力FGNFG=6.28DGbmPc266133.463223法兰操作力矩MpNmmMp=FDLD+FTLT+FGLG1.911083.3假定管板厚度的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1布管区当量直径与壳程圆筒内径之比tt=Dt/Di0.842系数CcGB151-1999 (P31)表220.27963管板材料16MnR4设计温度下管板材料许用应力rtMPaGB150-1998（P15）1385管板刚度削弱系数GB151-19990.46壳程设计压力PsMPa1.877管程设计压力PtMPa2.28管板设计压力PdMPaMaxPt -Pt，Pt，Ps2.29管板厚度=0.82Dg 108.910换热管加强系数KK=1.318Di/14.5211管板周边不布管区的无量纲参数kk=K（1-t）2.3212换热管材料弹性模量EtMPaGB150-1998表F518610313管束模数KtMPaKt=Etna/（LDi）4049.5614壳体法兰材料弹性模量EfMPaGB150-1998表F519610315壳体圆筒材料弹性模量EsGB150-1998表F519610316壳体法兰宽度bfmmBf=（Df-Di）/238.517系数GB151-1999图260.0005518壳体法兰与圆筒的选装刚度KfMPa=15.0519旋转刚度无量纲参数KfKf=Kf/（4Kt）0.00313.4 值的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管板第一矩系数m1GB151-1999图270.642系数=m1/（KKf）15.203系数G2GB151-1999图315.83.5法兰厚度的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管箱法兰材料的弹性模量EfMPaGB150-1998表F51861032管箱法兰厚度fmmJB/T4702-2000108.93系数GB151-1999图260.000554管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数KfMPa8.535系数G3GB151-1999图303.710-46系数= Kf/（Kf+G3）0.8867管板边缘力矩的变化系数MM=1/（Kf/ Kf+）0.3778法兰力矩变化系数MfMf=KfM/ Kf0.000139管板第二弯矩系数m2GB151-1999图28（a）1.803.6法兰力矩的组合3.6.1只有壳程设计压力Ps,而管程设计压力Pt=0,不计膨胀节变形差（即r=0）序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1当量压力组合PcMPaPc=Ps1.872系数ss=0.4+0.6（1+Q）/0.753.543有效压力组合PaMPaPa=sPs+rEt39.44基本法兰力矩系数MmMm=4Mm/(Di3Pa)0.0035管程压力下的法兰力矩系数MpMp=4Mp/（Di3Pa）0.0056法兰力矩折减系数M1M1=m1/2K（Q+G3）0.0087管板边缘力矩系数MM= Mm+MM1 0.0068管板边缘剪切系数vv= M0.09129管板总弯矩系数mm=（m1+vm2）/（1+v）0.7410系数G1G1=maxGle，Gli0.16311壳体法兰力矩系数MwsMws=Mm-MfM10.002712管板径向应力系数rr=0.00513管板的径向应力rMPar=rPa（/）（Di/）242.461.5tr14管板布管区周边外径向的应力系数rr=3（1+v）m/4K（Q+G2）0.00515管板布管区周边外径向的应力rMPar=rPa（/）（Di/）21-K/m+K2（1.414-m）/2m72.51.5tr16管板布管区周边剪切应力系数pp=（1+v）/4（Q+G2）0.03217管板布管区周边的剪切应力pMPap=p Pa（/）（Dt/）20.770.5tr18法兰的外径与内径之比KK=D0/Di1.1619系数YGB150-1998表9-513.1520壳体法兰应力fMPaf=/4YMwsPa（Di/f）294.681.5tr21换热管的轴向应力tMPat=Pc-Pa-125.4cr22壳程圆筒的轴向应力cMPac=A/AsPa75.9823一根换热管管壁金属的横界面积amm2A=na/n176.624换热管与管板连接的拉托应力qMPaQ=ta/dl-47.15tr3.6.2只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0，并且计入膨胀变形差序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1壳程圆筒材料线膨胀系数as1/GB150-199811.6210-62换热管材料线膨胀系数at1/GB150-199810.8810-63换热管与壳程圆筒的膨胀变形差Rr=at（tt-t0）-as（ts-t0）927.410-64沿长度平均的壳程圆筒金属温度ts工艺给定905沿长度平均的换热管金属温度tt工艺给定1806制造环境温度t0207当量压力组合PcMPaPc=Ps-Pt(1+)1.878有效压力组合PaMPaPa=sPs-t+rEt39.49基本法兰力矩系数MmMm=4Mm/（Di3Pa）0.00310管程压力下的法兰力矩系数MpMp=4Mp/（Di3Pa）0.00511管板边缘力矩系数MM= Mm+MM10.00612管板边缘剪切系数Vv= M0.091213管程总弯矩系数Mm=（m1+vm2）/（1+v）0.7414系数G1G1=maxGLe，GLe0.16315壳体法兰力矩系数MwsMws=Mm-MfM10.00316管板径向应力系数（r）（r）=（1+v）G1/4（Q+G2）0.00517管板的径向应力rMPar=（r）Pa（/）（Di/）242.463tr18管板布管区周边外径向的应力系数（r）（r）=3（1+v）m/4K（Q+G2）0.00519管板布管区周边外径向的应力rMPar=（r）Pa（/）（Di/）21-K/m+K2（1.414-m）/2m2453tr20管板布管区周边的剪切应力系数pp=（1+v）/4（Q+G2）0.03221管板布管区周边的剪切应力pMPap=pPa（/）（Dt/）20.781.5tr22换热管的轴向应力tMPat=Pc-Pa-126.93tr23换热管与管板连接的拉托应力qMPaQ=ta/dl47.720.5tr3.6.3只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0，不计膨胀节变形差序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1当量压力组合PcMPaPc=Ps02有效压力组合PaMPaPa=sPs+rEt32.783管板边缘力矩系数MM= Mm+MM10.00634管板边缘剪切系数vv=M0.0965管板总弯矩系数mm=（m1+vm2）/（1+v）0.7426系数G1G1= maxGLe，GLe0.1637管板的径向应力rMPar=（r）Pa（/）（Di/）235.331.5tr8管板布管区周边外径向的应力系数（r）（r）=3（1+v）m/4K（Q+G2）0.0059管板布管区周边外径向的应力rMPar=（r）Pa（/）（Di/）21-K/m+K2（1.414-m）/2m83.461.5tr10管板布管区周边的剪切应力系数pp=（1+v）/4（Q+G2）0.03211管板布管区周边的剪切应力pMPap=p Pa（/）（Dt/）17.280.5tr12壳体法兰应力fMPaf=/4YMwsPa（Di/f）287.520.5tr13换热管的轴向应力tMpat=Pc-Pa-112.3cr14壳程圆筒的轴向应力cMPac=A/AsPa-92.99cr15换热管与管板连接的拉托应力qMPaQ=ta/dl-42.23tr/23.6.4只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0，同时计入膨胀变形差序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1换热管与壳程圆筒的膨胀变形差rr=at（tt-t0）-as（ts-t0）927.410-62当量压力组合PcMPaPc=Ps-Pt(1+)-2.6183有效压力组合PaMPaPa=sPs-tPt+rEt20.594基本法兰力矩系数MmMm=4Mm/（Di3Pa）0.00525管板边缘力矩系数MM= Mm+MM10.00826管板边缘剪切系数vv= M0.1257管程总弯矩系数mm=（m1+vm2）/（1+v）0.7948系数G1G1=maxGLe，GLe0.1749管板布管区周边外径向的应力系数（f）（r）=3（1+v）m/4K（Q+G2）0.00810管板布管区周边外径向的应力系数fMPar=（r）Pa（/）（Di/）21-K/m+K2（1.414-m）/2m230.83tr11管板布管区周边的剪切应力系数pp=（1+v）/4（Q+G2）0.04812管板布管区周边的剪切应力pMPap=pPa（/）（Dt/）19.331.5tr13换热管的轴向应力tMPat =Pc-Pa-115.63tr14换热管与管板连接的拉托应力qMPaq=ta/dl-43.480.5tr3.6.5由管板计算厚度来确定管板的实际厚度序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1管板计算厚度mm108.92壳程腐蚀裕量C1mm23管程腐蚀裕量C2mm24结构开槽深度h1mm根据结构确定35管板的实际厚度mm120考虑圆整3.7是否安装膨胀节的确定由八.G.a、b、c、d计算结果可以看出：四组危险组合工况下，换热管与管板的连接拉托力均没超过设计许用应力，并且各项应力均没超过设计许用应力。所以，不需要安装膨胀节。3.8折流板尺寸的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1折流板的厚度mmGB151-1999项目5.9.2-2162折流板的直径D mmGB151-1999表4111943折流板直径的允许偏差mmGB151-199911940-0.84折流板的材料mmQ235-A5折流板的缺口高度lmmGB151-1999 P73图206折流板的弦高hmmGB151-1999 P71图3003.9各管控接管及其法兰的确定根据公式d=420由钢制法兰、垫片、紧固件选择板式平焊法兰，相关尺寸如下：a b进出油口接管法兰的选择序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径DNmmHG20592-97表4-54502接管外径A1mmHG20592-97表4-54803法兰外径DmmHG20592-97表4-56704螺栓中心圆直径KmmHG20592-97表4-56005螺栓孔直径LmmHG20592-97表4-5367螺纹ThHG20592-97表4-5M33*28法兰厚度CmmHG20592-97表4-5509法兰内径B1mmHG20592-97表4-548510坡口宽度bmmHG20592-97表4-51211法兰理论重量mkgHG20592-97表4-557.812法兰密封面形式HG20592-97RF13法兰密封面尺寸smmHG20592-97表8.0.1614法兰密封面直径DmmHG20592-97548c出口、d排气阀口、e进出口序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径DNmmHG20592-97表4-32002接管外径A1mmHG20592-97表4-32193法兰外径DmmHG20592-97表4-33604螺栓中心圆直径KmmHG20592-97表4-33105螺栓孔直径LmmHG20592-97表4-36螺栓孔数量N个HG20592-97表4-3127螺纹ThHG20592-97表4-3M248法兰厚度CmmHG20592-97表4-3329法兰内径B1mmHG20592-97表4-322210法兰理论重量MkgHG20592-97表4-311711法兰密封面形式HG20592-97RF12法兰密封面尺寸Smm2HG20592-97表8.0.199e排气孔接管法兰的选择序号项目符号单位数据来源和计算公数值1接管公称直径DNmmHG20592-97表4-3252接管外径A1mmHG20592-97表4-3323法兰外径DmmHG20592-97表4-31154螺栓中心圆直径KmmHG20592-97表4-3855螺栓孔直径LmmHG20592-97表4-3146螺栓孔数量N个HG20592-97表4-347螺纹ThHG20592-97表4-3M128法兰厚度CmmHG20592-97表4-3169法兰内径B1mmHG20592-97表4-33310法兰理论重量MkgHG20592-97表4-31.1211法兰密封面形式HG20592-97RF12法兰密封面尺寸Smm2HG20592-97表8.0.1653.10设备法兰的选择 按其条件dn=1200mm 设计温度 设计压力 由压力容器法兰选择长颈对焊法兰，相关参数如下： 单位（）DD1D2D3D4Hh112R1395134013981378137588185482118223215d螺栓规格螺栓数量最小厚度30M2756（个16 由压力容器法兰选择相应垫片：非金属软垫片 JB/T47042000其相应尺寸为：D=1277mm d=1227mm 厚度=3mm 2.7.2接管法兰的选择1接管a,b的公称直径相同设为，设进口流速为 则故取公称直径公称压力为 由钢制管法兰，垫片，紧固件选择带颈对焊法兰，相关参数如下DNA DKLnThCNsH1RH法兰理论重量(kg)2002193603102612M24302446.31688017.42接管L,d的公称直径相同设为，设进口流速为 公称压力相同为DNADKLnThCNsH1HR法兰理论重量(kg)4504806155652620M24285101016721231.7根据,选择法兰的材料均为16Mn3.11拉杆和定距管的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1拉杆直径GB151-1999管壳式换热器表43162拉杆数量GB151-1999管壳式换热器表4463定距管规格GB151-1999管壳式换热器取4拉杆在管板端螺纹长度GB151-1999管壳式换热器表45605拉杆在折流板端螺纹长度GB151-1999管壳式换热器表45206拉杆上倒角高GB151-1999管壳式换热器表4523.12开孔补强计算a孔DN=mm（GB150-1998 项目8.1）序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管壁厚mm9.52接管外径d0mm4803接管内径dimmdi=d0-24614开孔直径dmmd= di+2C4655壳体开孔处的计算厚度mm=10.016接管名义厚度ntmm147接管有效厚度etmmet=nt-C128设计温度下接管材料的许用应力nMPaGB150-19981259设计温度下壳体材料的许用应力tMPaGB150-199812610强度削弱系数frmm2fr=nt/t0.9911圆筒开孔所需补强面积AmmA=d+2et（1- fr）106612补强有效宽度BmmB=max2d，d+2n+2et51613接管外侧有效补强高度h1mmh1=min，45.4314接管内侧有效补强高度h2mm015壳体有效厚