关 键 词：

润滑油 换热器 设计 CAD

资源描述：

润滑油-水U型管换热器设计含4张CAD图.zip,润滑油,换热器,设计,CAD

内容简介：

润滑油-水 U型管换热器设计开题报告1 .题目来源及类型 生产实际2 .研究目的和意义 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重, 必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器作为一种通用换热设备在食品、制药、石油化工、空调、动力、冶金、轻工等工业部门得到广泛的应用。目前在发达的工业国家热回收率已达96 % , 换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35 %40 %。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70 %。管壳式换热器单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。该换热器是当前应用最广, 理论研究和设计技术完善, 运用可靠性良好的一类换热器。3 .主要参考文献及资料名称1 钱颂文.换热器设计手册M.北京：化学工业出版社，20022 史美中,王中铮.热交换器原理与设计M.南京：东南大学出版社，19893 潘国昌,郭庆丰.化工设备设计M.北京：清华大学出版社，19964 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计M.北京：化学工业出版社，20055 尾花英朗著,徐忠权译.热交换器设计手册M.北京：石油工业出版社,19826 卓震.化工容器及设备M.北京：中国石化出版社，19987 董舒民,姜德林炼油厂换热器腐蚀分析及防护J.化工技术与开发, 2006年10期 35卷.8 赵淑芝.换热器技术新进展J.石油化工动态, 1996年4期 4卷9 王海名.换热器的强化传热J.石油化工建设,2005年第2期第27卷10 吴金星（编），高效换热器及其节能应用，化学工业出版社，200911 马晓驰。国内外新型高效换热器J。化工进展，2001，（01）：49-5112 卢焕章. 石油化工基础数据手册M. 北京：化学工业出版社. 1982.13 李世玉. 压力容器工程师设计指南M. 北京：化学工业出版社. 199614 中华人民共和国国家标准 钢制压力容器.GB150-201115 中华人民共和国国家标准 钢制压力容器封头.GBT25198-201016 中华人民共和国行业标准 容器支座.JB4712-200717 中华人民共和国行业标准 鞍式支座压力容器法兰.GB150-201118 中华人民化学工业部工程建设标准 钢制管法兰、垫片、紧固件.HG20592-20635-200919 中华人民共和国国家标准 热交换器 GB/T 151-20144 .国内外现状及发展趋势4.1 国内外现状近年以来由于制造技术、材料科学技术的不断进步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能设计和应用越来越引起关注。按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70 %。其余30 %为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究。强化传热主要有3 种途径提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差, 研究主要集中在强化管程和壳程传热面方面。 管程强化传热归结起来不外乎2 条途径, 即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。改变传热面形状的方法有多种, 用于强化管程传热的有: 横纹管、螺旋槽管、螺纹管(低翅管)和缩放管以及螺旋扁管(瑞典ALLARDS 公司生产)。目前管内插入物种类很多, 如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。最近, 英国Cal Garin Ltd 公司开发的一种称之为Hitran Matrix Elements 的花环式插入物6 , 它是一种金属丝制翅片管子插入物(Wire2Fin Tube Inserts) ,能增强湍流。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物, 是华南理工大学对12 种内插件(在Re = 3003500 和Pr = 135 范围内) 进行比较后优选的型式, 可直接形成流体的混合, 尤其适用高粘度流体的换热。壳侧的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。如采用折流杆式换热器，空心环管壳式换热器，采用纵流管束换热器，强化沸腾传热的传热管，强化冷凝传热的传热管。近期国内外开发研究的发展方向主要是1） 非金属材料应用，2） 计算流体力学和模型化设计的应用，3） 加强实验和理论研究，4） 有源技术研究，5） 强化结构组合研究。4.2 生产需求状况换热器广泛地应用在工农业各个领域，在炼油、化工装置中换热器占总设备量和设备投资的40%左右。在换热器设备中，因管壳式换热器具有结构坚固、可靠性高、适应性大、材料范围广等优。市场供需关系是影响市场变化的主要因素，在激烈地市场竞争中，企业及投资人能否全面准确地了解自己以及所处的环境，做出适时有效的市场决策是制胜的关键。市场供需情况就是为了解行情、分析环境提供依据，是企业了解市场和把握发展方向的重要手段，是辅助企业决策的重要工具。除了一些新材料新型换热设备外管壳式换热器需求量依然很大，如果能更近一步发展管壳式换热器前途远大。5 .主要研究内容、重点研究的关键问题及解决思路 5.1换热器设计原始数据：项目壳程管程设计压力（Mpa）1.61.2操作温度（进口/出口）20/65250/210介质水润滑油5.2主要研究内容第1部分：准备工作 查阅相关文献资料了解管壳式换热器的基本原理、性质及应用。在化工生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义。第2部分：工艺计算管壳式换热器的结构和类型、操作条件的选择和操作方式选择。热量衡算、物料衡算、传热膜系数的确定、传热面积的确定、压力降计算。第3部分：主要受压元件强度计算 换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定，容器法兰、螺栓、垫片的校核计算，管板厚度的计算，开孔补强计算。第4部分：计算机绘图及说明书的编写 利用Auto CAD 软件绘制出固定管板式换热器的装配图及各个零件图，并编写说明书。6 .完成设计所必须具备的工作条件及采取的措施方法6.1 工作条件按照设计的需要及老师的要求查阅技术文献、资料手册、工具书等。并且通过autoCAD软件进行计算机绘图。6.2 采取的措施方法行动研究法是一种适应小范围教育改革的探索性的研究方法，起目的不在于建立理论，归纳规律，而是对教育活动和教育实践中的问题，在行动研究中不断地探索，改进工作，解决教育实际问题。行动研究将改革行动与研究工作相结合，与教育实践的具体改革行动机密相连。（特点是边执行、边评价、边修改）。模式：预诊-收集资料初步研究拟定总体计划制定具体计划行动总结评价这个方法的具体特点：一是具有动态性，所有的设想，计划都处于一个开放的动态系统中，都有可修改的；二是较强的联合性与参与性；三是在整个研究过程中，诊断性评价、形成性评价、总结性评价贯穿于行动研究法工作流程的始终。7 .预期成果（达到目标）（1）开题报告1份（2）设计说明书1份（3）设计图样装配图1张（4）主要零件图样3-5张8 .工作的主要阶段、进度与时间安排 第1周 调研、收集资料、英文翻译 第2周 英文翻译、组织文献 第3周 组织文献、撰写开题报告 第4周 研究换热工艺、确定设计方案 第6周 换热工艺流程的计算、换热器总图设计 第8周 换热器总图的设计 第9周 换热器总图的设计 第10周 换热器总图的设计、主要零部件图的设计 第11周 主要零部件图的设计 第12周 指导老师全面审阅、修改图纸 第13-15周 整理、撰写论文、检查、修改图纸与论文 第16周 装订、检查论文、准备答辩9 .指导老师审查意见任务书学院 XXX 专业 XXX 班级XXX 学生姓名 XXX 指导教师/职称 XXX 1毕业设计(论文)题目：润滑油-水U型管换热器设计2毕业设计(论文)起止时间： 20XX年 10月 30日 20XX年 06 月 05日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）换热器设计原始数据：项目壳程管程设计压力（Mpa）1.61.2操作温度（进口/出口）20/65250/210介质水润滑油1 钱颂文.换热器设计手册M.北京：化学工业出版社，20022 史美中,王中铮.热交换器原理与设计M.南京：东南大学出版社，19893 潘国昌,郭庆丰.化工设备设计M.北京：清华大学出版社，19964 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计M.北京：化学工业出版社，20055 尾花英朗著,徐忠权译.热交换器设计手册M.北京：石油工业出版社,19826 卓震.化工容器及设备M.北京：中国石化出版社，1998 7 董舒民,姜德林炼油厂换热器腐蚀分析及防护J.化工技术与开发, 2006年10期 35卷.8 赵淑芝.换热器技术新进展J.石油化工动态, 1996年4期 4卷9 王海名.换热器的强化传热J.石油化工建设,2005年第2期第27卷4毕业设计(论文)应完成的主要任务（1）开题报告1份（2）设计说明书1份（3）设计图样装配图1张（4）主要零件图样3-5张5任务书下达日期 20XX年 10 月 30日 指导教师(签字) 润滑油-水U型管换热器设计摘要换热器是用于各种物料之间进行热量传递的过程设备。在U型换热器设计过程中，严格按照GB150-98钢制压力容器和GBT25198-2010钢制压力容器封头等标准进行设计和计算。在本次的设计过程中，包括了两个部分：计算部分和绘图部分。计算部分主要是对筒体、封头、管板、换热管、法兰、折流板、拉杆、鞍座等进行了设计和选型,并且，对壳体和管箱进行了开孔补强计算，最终选择了U型管式换热器。除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了一张总装配图和3张零件图的绘制。关键词：换热器，U型管，设计IDesign of U - tube heat exchanger with lubricating oil and waterAbstract: heat exchanger is a process equipment used for heat transfer between various materials.In the design process of u-type heat exchanger, design and calculation are carried out in strict accordance with gb150-98 steel pressure vessel and gbt25198-2010 steel pressure vessel head and other standards.In this design process, there are two parts: calculation part and drawing part. The calculation part is mainly the design and selection of the shell, head, tube plate, heat exchange tube, flange, baffle plate, tie rod, saddle, and so on, and, the shell and tube box for the calculation of hole reinforcement, the final choice of the u-tube heat exchanger. In addition, I also refer to relevant design manuals and a large number of literature, and complete the drawing of a general assembly drawing and three parts drawing.key words : heat exchanger, u-tube, design目录中文摘要I英文摘要II前言11 原始数据22 热传量和物性参数22.1传热量42.2冷流体用量42.3定性温度的确定42.4主要物性参数42.5流程安排53 估算传热面积63.1平均传热温差63.2选K值，估算换热面积64 主体构件的工艺尺寸74.1管径和管内流速74.2管程数和传热管数74.3平均传热温差校正及壳程数84.6折流板94.8接管95 热量核算115.1壳程表面传热系数115.2管程表面传热系数125.3污垢热阻和管壁热阻125.5壁温核算136 换热器内流体阻力（压强降）核算156.1管程流体阻力156.2壳程流体阻力157 .结构设计187.1确定换热管的规格和长度187.3壳体直径的确定（查GB151-2014）257.5拉杆及定距管267.6保温层267.7其他构件278 其它零部件的选择和布置288.1 接管的结构设计查钢制管法兰、垫片、紧固件298.2壳程接管开孔补强校核308.3管箱接管开孔补强校核318.4管箱的设计338.5排气管、排液管的选用和布置349 应力计算369.1热交换器所受的应力369.2温差应力379.3拉脱力379.4许用应拉脱力3710 换热器主要结构尺寸和计算结果汇总3810.1工艺参数汇总3810.2物性参数汇总3810.3结构计算参数汇总38总结39参考文献40致谢41V前言换热器是将热流体的一部分的热量传递给冷流体的换热设备，使流体的温度能够满足工艺过程的要求，又称换热器。换热器是化工、汽油、电力、食品等工业部门常用的设备，在生产中起着重要作用。换热器种类庞杂，但根据冷热流体换热的原理和方式，可大致分为三类：内壁式、混合式和再生式。在三种换热器中，壁间换热器是应用最广泛的。1 .换热器的应用在工业生产中，换热器的主要功能是将能量从高温流体传递到低温流体。达到流体温度以满足工艺要求。另外，换热器也是收受接管废热、废热，特别是低热能的有效装置。2 .换热器的主要分类工业生产中，根据用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。3 .换热器的分类及特点根据不同的传热方式，换热器可分为三种类别：1.直接接触式换热器这种换热器结构简单，价格优惠。它通常被制成一个塔，但它只适用于两种流体在技术上混合的情况。2.再生换热器在这种换热器中，换热是由格子砖或填料等再生器完成的。蓄热式换热器结构紧凑，价格低廉，单位体积传热面积大，更适合燃气换热的局面。3.壁间换热器这是工业上使用最广泛的换热器。冷热流体由固体壁分离，并且通过壁面进行传热。4 .U型管换热器对于我设计的U型管换热器，这是工业上使用最广泛的换热器。冷热流体由固体壁分离，并且通过壁面进行传热。U型管换热器:一束管子弯成不同曲率半径的U形17管。U形管的两端固定在同一管板上形成管束,从而清除了管板和管箱。由于管束与壳体分离,加热膨胀时,有管束之间没有束缚，消除了温差应力。结构简单，成本低廉，管束可在壳体被拉出，并且在管道外部的洁净是方便的，但管内的洁净是困难的，所以最好让防污材料直接穿过管道。由于弯头的外壁较薄，在管束的中间的间隙是大的，并且U形管换热器具有的压力差承受能力和较差的热传递能力的缺点。图1 U型管换热器1 原始数据 热流体选用：润滑油； 冷流体选用：水； 热流体工作表压力：P1=1.2MPa； 冷流体工作表压力：P2=1.6MPa； 热流体进口温度：T1=250； 热流体出口温度：T2=210； 冷流体进口温度：t1=20； 冷流体出口温度：t2=65；热流体流量：37Kg/s；2 传热量和物性参数2.1传热量如果不考虑热损失，则冷流体吸收的热量就应该等于热流体所放出的热量。传热量为 Q=M1cp1T1-T2L=372.4250-2100.98=3480.96kW2.2冷流体用量流体用量的大小，将直接影响到加热剂或冷却剂的出口温度以及换热器面积的大小。冷流体量 M2=Qcp2t2-t1=3480.964.1765-20=18.55kgs2.3定性温度的确定定性温度是指某种介质(冷介质或热介质)在求物性参数时使用的温度,如果介质粘度不大，可取流体进出口温度的平均值。热流体定性温度为：tm1=T1+T22=250+2102=230 冷流体定性温度为：t=t1+t22=20+652=42.52.4主要物性参数表1 主要物性参数物性密度（kg/m）比热容（kcal/(kg)）黏度（kg/(mh)）热导率（kcal/(mh)）水9914.170.0006220.64润滑油8212.40.00110.132.5流程安排在U型管式的换热器设计中，在下列情况下的流体在管程流过是比较合理的，即流量容积小的流体；不清洁、易结垢的流体；高压力的流体；带有腐蚀性的气体。得出：冷流体 水 走管程(内)，热流体 润滑油 走壳程(外)。3 估算传热面积3.1平均传热温差 平均温差系是指整个换热器每一处温差的平均值。流体间温差：t1=T2-t1=210-20=190t2=T1-t2=250-65=185 因为流体的温度沿传热面变化较大，所以平均温差计算公式为：t1mc=t1-t2Lnt1t2=190-185Ln190185=187.493.2选K值，估算换热面积设传热系数K不变，虽然实际上K在整个传热过程中是变化的，但是在工程的换热器中由于物理特性变化不大，反应到K的变化上就更小，因此，一般工业计算可以把换热器中的各部分K视为常量。选择时，不仅要考虑流体的物理性质和操作条件，还应该考虑换热器的类型。换热器类型以给出，所以根据查参考资料，初选传热系数K=700W/(m2) 估算传热面积为：F=Q1000Kt1mc=3480.961000700187.49=26.52m2 考虑到面积裕度，则所需传热面积为：F=F=1.1526.52=30.5m24 主体构件的工艺尺寸4.1管径和管内流速换热器中最常用的管径分别有19mm 2mm和25mm 2.5mm。直径越小的管子可以是传热得到增强，而且管壁比较薄；同时在同样的体积内，可排列更多的管子，增大传热面积更大，节约金属成本消耗。但是采用19mm2mm直径的管子会加大流动阻力，所以管径的选择需要看使用材料和条件的。如果管程走的是易结垢的流体，则通常用较大直径的管子。因为我们管程走的水，属于易结垢体，所以我们会选用更大的直径管子。最终换热管的材料选用不锈钢,规格选用252.5mm 根据换热器中常用的流速范围的数据，可取管程内流体的流速 2= 1 m/s4.2管程数和传热管数 管程所需流通截面为：At=M2i2=18.559911=0.018718m2 每程管数为（取整）：n=4Atdi10002=40.0187183.142010002=60根 按单壳程，单管程计算，每根换热管长度为：l=Fndo1000=30.5603.14251000=6.48m 按单管程设计，传热管过长，则应采用多管程，根据本设计实际情况，现每根管长取标准值：l=4.5m 则管程数为：Zt=ll=6.484.5=2nt=nZt=602=120根4.3平均传热温差校正及壳程数 无量纲参数mP、RP=t2-t1T1-t1=65-20250-20=0.196R=T1-T2t2-t1=250-21065-20=0.889 由无量纲数R、P查图得：温差校正系数：0.99 ，因0.8，故可行。 两流体的实际平均温差为：tm=t1mc=0.99187.49=185.624.4管束相关参数管子的排列方式常用的有：同心圆排列、等边三角形、正方形排列。对于管子的排列方法我们最终选用：等边三角形排列 查得GB151-2014标准，查得标准管的中心距为32mm，用作分程的隔板槽的处管心距为44mm 平行于流向的管距：sp=Scos30=32cos30=27.71mm 垂直于流向的管距：sn=Ssin30=32sin30=16mm由作草图结果所得数据如下： 等边三角形排列,层数a为6层；管束中心距最外层管中心距离d2为0.19m；中间排管数an为：134.5壳体内径的确定 因为我们采用的是等边三角形排列,管程数为：2,管板利用率的范围为：（0.70.85），所以取管板利用率为:=0.75 壳体内径值的计算:换热管总根数为：Ds=1.05S1000nt=1.053210001200.75=0.43m 取壳体内径标准值：Ds=0.45m 长径比为: lDs=lDs=4.50.45=10 设计合理4.6折流板 折流板形式选择，本换热器选用弓形,流体流动的死角较小，结构也简单，便于清洗。 折流板缺口高度为：h=0.25Ds=0.250.45=0.11m 折流板的圆心角：120；算得折流板的间距范围为：(0.090.45)m 在此范围内定折流板的间距，选取折流板的间距为0.3m,取折流板的数目为12块,则两端折流板与管板间距离为：484mm。算得折流板上管孔数为116个；折流板上管孔的直径，由GB151-2014，查得直径为：25.5mm；根据折流板上管子数为112根；折流板缺口处管数为36根；折流板的直径，Db根据GB151-2017规定，得Db=446.5mm；4.7拉杆 当10d14时，拉杆直径为10； 当14d25时，拉杆直径为12； 当25d57时，拉杆直径为16； 因，换热管直径为：do=25mm,所以拉杆直径dn为16mm 一台拉杆数为：4根4.8接管 1.壳程的流体进出口接管：取接管内部流速为u1=1m/s,则接管内径计算值为：可取壳程接管直径标准值为：250mmm 2.管程的流体进出口接管：取接管内部流速为u2=2m/s,则接管内径计算值为：D2=4M2iu2=418.559913.142=0.11m可取管程接管直径标准值125mm5热量核算5.1壳程表面传热系数 传热管按等边三角形排列,则其当量直径得：de=432S10002-4do10002do1000=4323210002-3.14425100023.14251000=0.02m 壳程流通截面积：As=lsDs1-do1000S1000=0.30.451-251000321000=0.02953m2 壳程流体最小流速：u1=M1oAs=378210.02953=1.52614ms 雷诺数：Re1=di1000u1o1=2010001.526148210.0011=22781.11 普朗特数为:Pr1=11000cp11=0.001110002.40.13=20.31 黏度校正项：(/w)0.140.95 采用弓形折流板，壳侧表面换热系数为：5.2管程表面传热系数 管程流通截面积：Ai=4di10002nt2=3.14420100021202=0.01884m2 管程流体最小流速：u2=M2iAi=18.559910.01884=0.99ms 雷诺数：Re2=di1000u2i2=2010000.999910.000622=31546.3 普朗特数为:Pr2=21000cp22=0.00062210004.170.64=4.05272 黏度校正项：(/w)0.140.95 管侧表面换热系数：2=0.0232deRe20.8Pr20.4w-0.14=0.0230.640.0231546.30.84.052720.40.95=4862.49Wm25.3污垢热阻和管壁热阻 1.污垢热阻 查相关资料冷流体水的污垢热阻：rs2=0.000528(m2)/W； 热流体润滑油的污垢热阻：rs1=0.000176(m2)/W 2.管壁热阻 不锈钢在该条件下的热导率为16.28。Rw=bw=0.002516.28=0.000154m2W 式中： b-传热管的壁厚，mm w-热导率，W/m5.4传热系数 管子的平均直径为：dm=do1000-di1000Lndo1000di1000=251000-201000Ln251000201000=0.02mm 总传热系数为：K=112+rs1+Rwdo1000dm+rs2do1000di1000+do10002di1000=111511.85+0.000176+0.0001542510000.02+0.000528251000201000+2510004862.49201000=513.61Wm25.5壁温核算 由于工作条件是高温高压，与气温相差大。因此进出口温度可以取原来的操作温度。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，使的传热管壁温降低，从而降低的了传热管与壳体之间的温差。计算中按最不利因素考虑，因此，取两侧污垢热阻为零，来计算传热管壁温。 则传热管的平均壁温为：tw1=Tm2+tm212+12=2264862.49+471511.8514862.49+11511.85=89.45 式中冷流体的平均温度tm和热流体的平均温度Tm计算为：tm=t10.4+t20.6=200.4+650.6=47Tm=T10.4+T20.6=2500.4+2100.6=226 壳体壁温，可近似取壳程流体的平均温度，即：Tm=226 壳体壁温与传热管壁温之差：t=Tm-tw1=226-89.45=136.55 温度相差较大，需用温度补偿器。6 换热器内流体阻力（压强降）核算6.1管程流体阻力管壳式换热器管程阻力主要包括沿程阻力、回弯阻力、进出口连接管阻力等三部分。 管内摩擦系数查热交换器原理与设计（第五版）（图2.36）为fi=0.02 管程总阻力公式为：Pt=Pi+Pr+PNFtZtNs 式中： Pt管程总阻力； Pi单程直管阻力； Pr单程回弯阻力； Ns 壳程数，Ns=1Pa； Np 管程数Zt=2； Ft 管程结构校正系数,与管子直径有关，近似取:1.4Pa； 直管阻力为：Pi=fildi1000i222=0.024.5201000991122=2229.75Pa 回弯阻力为：Pr=4i222=4991122=1982Pa 式中： 局部阻力系数，一般取3； 管程总阻力为：Pt=Pi+Pr+PNFtZtNs=2229.75+1982+743.251.421=13874pa 管程流体阻力在允许范围之内。6.2壳程流体阻力 由于壳程内流体的流动状过于分复杂，同时计算壳程内流体阻力的表达式也有很多。 选用埃索法计算壳程流体阻力。 阻力公式为：Ps=Pbk+PwkFsNs 式中： Ps壳程总阻力； Pbk流体流过管束的阻力； Pwk流体流过折流板缺口的阻力； Ns 壳程数； Fs 壳程结构校正系数,与流体状态有关，Fs=1.15Pa 壳程流通截面积：As=lsDs1-do1000S1000=0.30.451-251000321000=0.02953m2壳程流体最小流速：u1=M1oAs=378210.02953=1.52614ms流体流过管束的阻力为：Pbk=ffkntcNb+1ou122=0.50.5112.0512+18211.5261422=38192.00792Pa 式中： f 管子排列形式对阻力的影响,f=0.5 fk壳程流体摩擦因子；fk=5Re1-0.228=522781.11-0.228=0.51ntc=1.1nt0.5=1.11200.5=12.05流体流过折流板缺口的阻力Pwk=Nb3.5-2lsDsou12=123.5-20.30.458211.526142=16288.49222Pa 壳程总阻力：Ps=Pbk+PwkFsNs=38192.00792+16288.492221.151=62652.58Pa 通过上计算，都符合要求，设计合理。7 结构设计7.1确定换热管的规格和长度对于换热管我选用：碳素无缝钢管，外径为25mm,厚度为2.5mm,长度为4.5m，材料为不锈钢。7.2管板结构设计在确定管子在管板上的排列方式时，应该考虑下列问题： 要保证管板的强度，而且管子和管板之间的连接要坚固和紧密。 结构要尽量紧凑，尽可能的减小管板和壳体的直径。 要使制造、安装和维修简洁。（1）管子在管板上的排列 管子在管板上排列采用等边三角形排列。换热管中心距S=32，分程隔板槽处管中心距lE=44。 （2）管板上换热管的管孔设计 采用级管束，板管孔直径查GB151-2014标准取25.3mm,允许偏差（+0.10，-0.10）。 （3）管孔表面粗糙度 换热管与管板焊接粗糙度Ra不大于35m。 （4）管板上布置拉杆孔直径 拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构见如图1，螺纹深度按下式确定。拉杆孔直径d1=16+1.0mm，l2应大于螺纹长度La,取La+2； 式中： dn-为拉杆直径，dn=16mm； l2-为螺纹深度，mm； La-为螺纹长度，mm； 图2 螺纹连接的拉杆孔4）管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间的连接 法兰设计：查JB-T47004707-2000 压力容器法兰，选取甲型平焊法兰，材料为不锈钢。选用管板兼法兰图3 整体管板表2DNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓规格螺栓数量bfb450580540500450492450022M20242844 垫片：查JB-T47004707-2000压力容器法兰，选取非金属软垫片。 图4 非金属软垫片表3尺寸公称直径DN,mm垫片D,mm垫片d,mm4504 94454连接：管板与法兰连接的结构尺寸按JB47004703的规定。一般采用E型（管板通过金属垫片将壳体法兰、管箱法兰组装到一起。）方法。图5 管箱-e型1. 管板的厚度管板的制造成本在整体成本占有较高的比重，其计算过程比较复杂，而且从不同角度出发，算出来的的管板厚度往往会有很大差距。一般来说浮头式的换热器所受力较小，其管板厚度只需要满足密封性。但对于胀接的管板，则需要考虑刚度的要求，因腐蚀产生壁厚增加，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和振动等原因。管板的厚度，最终从换热器设计手册的相关表中选得厚度为：44mm。 2.换热板与管板的连接 这个连接是设计过程中的一个重要的问题。对于固定管板换热器，要保证接头密封良好，还需要接合处能承受必要的轴向力，避免管子从管板中脱落。管子与管板主要的连接方式是胀接和焊接。胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，如图6所示。当温度升高时，材料的刚性将会下降，热膨胀应力增大，导致接头松动或脱落，发生泄漏。焊接通常认为比胀接更可靠。对于碳钢或低合金钢，温度在300以上，蠕变会造成胀接残余应力减小，所以一般采用焊接。焊接接口接头如图7所示。图7（a）的结构是一种常用结构；为了减少管口处的流体阻力或避免立式换热器在管板上方液体的滞留，可采用图7（b）的结构；如果管子被熔化的金属堵住，则可改成图7（c）的结构；图7（d）的形式适用于容易发生热裂纹的材料，但加工量较大。 图6 图7胀焊结合的方法对比单纯的胀接、焊接方法有很多优点，目前胀焊结合的方法也已得到比较广泛的应用。3.容器法兰（JB/T4700-4707-2000） 甲型平焊法兰，材料为16Mn图8 凹凸密封面-法兰表4数据DNDD1D2D3D4d螺栓规格螺栓数量4505805405054954924022M20247.3壳体直径的确定（查GB151-2014） 固定管板热交换器，壳体采用不锈钢。按照GB151的规定，确定了管子中心距后，便可以画出管子排列的草图。于是，可以确定布管限定圆的直径DL为0.405m 壳体内径Ds为0.43m,取标准值0.45m。厚度取8mm。7.4壳侧流通截面积的确定及折流板结构设计（查GB151-2014） 选弓形折流板，上下缺口型，缺口高度为0.11mm，板间距300mm，厚度为12mm，外径为446.5mm，外径允许偏差（-0.5-0），数量为12，经计算满足传热要求。 采用级管束，板管孔直径查取25.3mm，误差范围（0，+0.40）。换热器的壳程大部分为单相清洁流体时，所以折流板缺口应水平上下布置。液体中含有少量气体的时候，则应在缺口朝下的折流板最高处开一个通气口，开 口高度为0.11mm。图9 折流板开口方式7.5拉杆及定距管 材料采用Q235钢，选用16的拉杆，数量为4根，具体位置及装配方式见装配图，一端与管板用螺纹连接，另一端用螺母固定在折流板上。定距管尺寸与换热管一致，25mm，300mm长度的24个，484mm的8个图10 拉杆的连接尺寸表5数据拉杆直径拉杆螺纹公称直径LaLhb1616206027.6保温层根据设计温度选保温材料为脲甲醛泡沫塑料，其物性参数如下：表6保温材料参数密度（kg/m）导热系数（kcal/m.h.）吸水率（%）抗压强度（kg/m）试用温度（）13200.01190.026120.250.5-190+500按照设备及管道保温设计导则，外表面的温度大于50时，设备和管子需要设置保温层。管道和圆筒设备外径小于1020mm，按照圆筒面计算保温层厚度。DoLnDoDs=A2fntT-TsPiS-2=Do-Ds10002 式中： 保温层厚度； A2常数，A2=0.002； fn热价，元/106kj； 保温材料的导热系数，（kcal/m.h.）； t年行时间，h； T设备和管道的外表面温度， Ta环境温度， Pi保温结构单位造价，元/m； S保温工程投资贷款年分摊率:S=(i(1+i)n)/(1+i)n-1)%； i年利率，%； n计息年数，年； 保温层外表面向大气热的放热系数，kcal/m.h.； Do保温层外径，mm； Ds保温层内径，mm；DoLnDoDs=A2fntT-TsPiS-2=0.0023.60800089.45-308630.24-2011.63=0 保温层外径Do=510mm=Do-Ds10002=510-0.4510002=30mm7.7其他构件 旁路挡板：材料为不锈钢,厚度为12mm，宽度为25mm，长157.3mm, 与折流板焊接牢固418 其它零部件的选择和布置8.1 接管的结构设计查钢制管法兰、垫片、紧固件 壳程接管外伸高度及管程接管外伸高度： lh+hl+15或查热交换器设计手册（钱颂文）表1.66 壳程接管外伸高度，当DN=250，=050，l3=200 1.壳程接管的计算 如图11为壳程接管的位置图。壳程接管位置的最小尺寸可由下列公式计算： L1dh/2+(b-4)+C,(不带补强圈接管)计算得L1274mm，取274mm表7名称公称直径DN管子外径A法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰内径B壳程接管直径39527339535022122026276.5 2.管程接管的计算 管程接管外伸高度，当DN=125， =050，l4=200 如图12管程接管的位置图。管程接管位置的最小尺寸可由下列公式计算： L2dh/2+hf+C,(不带补强圈接管)计算得L2203mm, 取L2 = 203mm表8接管计算数据名称公称直径DN管子外径A法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰内径B管程接管直径250139.72502101881622143.5 图11 排气管法兰图12 壳程接管位置图13 管程接管位置 3.接管开孔补强 (1)筒体厚度的确定 焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损伤，故焊接系数为=1 筒体厚度计算为：=PcDs10002t-Pc=1.20.45100021221-1.2=2.22mm 式中： Pc设计压力，MPa Di壳体厚度，mm 计算厚度，mm 焊接接头系数 壳体厚度的负差值C1=1,在无特殊腐蚀条件下，腐蚀裕量C21mm,取腐蚀裕量2。 设计厚度：d=+C2=2.22+2=4.22mm 名义厚度：n=d+C1=4.22+1=5.22mm 考虑开孔补强及结构需要，名义厚度向上取整为8mm 有效厚度：e=n-C1-C2=14-1-2=11mm 管箱厚度计算选择设计温度为42.5,设计压力为Pc=1.6MPa，焊缝系数=0.6，腐蚀裕度C2=2 计算厚度：=PcDs2t-Pc=1.645021220.6-1.6=4.97mm 设计厚度：d=+C2=4.97+2=6.97mm 名义厚度：n=d+C1=6.97+1=7.97mm 圆整后名义厚度为5.4mm 有效厚度：d=n-C1-C2=8-1-2=5mm8.2壳程接管开孔补强校核 壳程接管的选用39512mm的热轧碳素钢管,材料的许用应力147MPa，取C2=0,C=1。采用等面积补偿法校核。C1=0.15nt=0.1512=1.8 接管计算壁厚：t=PcD2t-Pc=1.239521471-1.2=1.62mm 接管有效壁厚：et=nt-C2-C1=12-0-1.8=10.2mm 开孔直径：d=D+2C=395+21=397mm 接管有效补强高度：B=2d=2397=794mm 接管外侧有效补强高度：h1=dnt=39712=69.02mm 需要补强面积：A=d=3972.22=881.34 强度削弱系数：fr=0.5 可以作为补强的面积：A1=B-de-=794-39711-2.22=3485.66A2=2h1et-tfr=269.0210.2-1.620.5=592.19A=A1+A2=4077.85881.34 接管补强的强度足够，不需另设补强结构。8.3管箱接管开孔补强校核 管箱接管的选用2507mm的热轧碳素钢管,材料的许用应力147MPa，取C2=0,C=1。采用等面积补偿法校核。C1=0.15nt=0.157=1.05 接管计算壁厚：t=PcD2t-Pc=1.625021471-1.6=1.37mm 接管有效壁厚：et=nt-C2-C1=7-0-1.05=5.95mm 开孔直径：d=D+2C=250+21=252mm 接管有效补强高度：B=2d=2252=504mm 接管外侧有效补强高度：h1=dnt=2527=42mm 需要补强面积：A=d=2524.97=1252.44 强度削弱系数：fr=0.5 可以作为补强的面积：A1=B-dd-=504-25211-4.97=1519.56A2=2h1et-t=2425.95-1.37=384.72A=A1+A2=1904.281252.44 接管补强的强度足够，不需另设补强结构。8.4管箱的设计 封头（JB-T 25198-2010）:固定管板式热交换器的两端管箱可由封头和管箱圆筒（短节）构成。封头的结构尺寸根据 JB-T 25198-2010（压力容器封头）7和GB150-2011(压力容器)2的相关规定设计。选取选用材料为16Mn的EHA以内经为基准椭圆形封头。 图14 椭圆形封头EHA 公称直径为450mm，查得H=138mm，由D1/2*(H-hi)=2得，h=25.5mm，厚度取5.4mm。分程隔板材料为Q235钢，厚度为6mm，宽度为444mm，长为486.35mm, 一端为和封头相同的椭圆，一端为平面，隔板槽深为6mm，宽为8mm,拐角处倒角为458.5排气管、排液管的选用和布置 卧式换热器的排气、排液口多采用图10的结构，设置的位置分别在壳体、管箱壳体的上部和底部。选用404.15，材料20号钢无缝钢管，外伸高度h=150mm。8.6支座的选择与布置（JB/T 4712-2007） 选用鞍式支座，材料为Q235钢，公称直径为450mm 图15 鞍式支座示意图 安装2个支座，均匀布置鞍座之间的距离LB=（0.50.7）L=3150m表9公称直径DN鞍座高度h底板l1b11腹板2筋板l3b23垫板弧长b4,4el24502004201208822514085402006482909 应力计算9.1热交换器所受的应力 压力引起的轴向力：F1=4psDs2-ndo10002+4ptdi10002n=3.1441.20.452-602510002+3.1441.6201000260=0.19N 壳侧截面积：fs=4Ds+n100022-Ds2=3.1440.45+8100022-0.452=0.01m2 管侧截面积：ft=4do10002-di10002nt=3.1442510002-2010002120=0.0212m2壳体的弹性模数：Es=190000MPa管子的弹性模数：Et=190000MPa壳体应力：sp=F1EsfsEs+ftEt=0.191900000.01190000+0.0212190000=6.09MPa管子应力：tp=F1EtfsEs+ftEt=0.191900000.01190000+0.0212190000=6.09MPa9.2温差应力管的外壁温度：tto=t-K12+rs2tm=42.5-513.6111511.85+0.000528185.62=-70.9管的内壁温度：tti=tm1+K12+rs1tm=230+513.6114862.49+0.000176185.62=266.39管子的平均温度：tw=tto+tti2=-70.9+266.392=97.74壳侧热流量：Qs=QL1-L=3480.960.981-0.98=71.04Kw热流密度：q=Qs2Ds4500=71.0423.140.454500=0.005586223Kwm2壳侧内壁温：ts=t-q12+rs1=42.5-0.00558622311511.85+0.000176=42.5所以：ts=42.5,tw=97.74管侧的轴向力：ts=ftEsEtattw-t0-asts-t0Esfs+Etft=0.02121900001900001.684E-0697.74-25-1.654E-0642.5-251900000.01+1900000.0212=12.077436MPa壳侧温差产生的轴向力：tt=fsEsEtattw-t0-asts-t0Esfs+Etft=0.011900001900001.684E-0697.74-25-1.654E-0642.5-251900000.01+1900000.0212=5.7MPa管子的自由伸长量：t=attw-t0l=1.684E-0697.74-254.5=0.00055m壳体的自由伸长量：s=asts-t0l=1.654E-0642.5-254.5=0.00013m由于壳体膨胀量大于管子的膨胀量，故： 壳体的轴向合成力：s=sp+ts=6.09+12.077436=18.17MPa 管子的轴向合成力：t=tp-tt=6