化工课程方案——换热器方案

1、-2-5-9-苏州科技学院化工原理课程设计说明书题目：混合气冷却器的设计学院：化学生物与材料项目学院班级：材化 1212学号：1220213207姓名：纪烨时间：2018 年 6 月目录§一 .任务书1.1. 题目1.2. 任务及操作条件1.3. 列管式换热器的选择与核算§二 概述 .-3-2.1. 换热器概述2.2. 固定管板式换热器2.3. 设计背景及设计要求§三.热量设计3.1. 初选换热器的类型3.2. 管程安排 流动空间的选择）及流速确定3.3. 确定物性数据3.4. 计算总传热系数3.5. 计算传热面积§四.机械结构设计 .4.1. 管径和管

2、内流速4.2. 管程数和传热管数4.3. 平均传热温差校正及壳程数4.4. 壳程内径及换热管选型汇总4.4. 折流板4.6. 接管4.7. 壁厚的确定、封头4.8. 管板4.9. 换热管4.10. 分程隔板4.11 拉杆4.12. 换热管与管板的连接4.13. 防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图 (BI 型 >4.14. 膨胀节的设定讨论§五.换热器核算 .-21-5.1. 热量核算5.2. 压力降核算§六.管束振动 -25-6.1. 换热器的振动6.2. 流体诱发换热器管束振动机理6.3. 换热器管束振动的计算6.4. 振动的防止与有效利用§七 .设计

3、结果表汇 .-28-§八 .参考文献 -29-§附：化工原理课程设计之心得体会 -30-§一 .化工原理课程设计任务书1.1. 题目煤油冷却器的设计1.2. 任务及操作条件1.2.1. 设备形式：列管式换热器1.2.2. 操作条件(1>.混合气：入口温度 110C，出口温度 60C(2>.冷却介质：循环水，入口温度 29C，出口温度39C(3>.混合气定性温度下的物性数据p =90kg/m3，黏度1.5 x 10-5Pa.s，比热容3.297kJ/(kg. C >，导热系数 0.0279W/(m. C >1.3. 列管式换热器的选择与

4、核算1.3.1.传热计算1.3.2.管、壳程流体阻力计算1.3.3.管板厚度计算1.3.4.膨胀节计算1.3.5.管束振动1.3.6.管壳式换热器零部件结构§二 .概述2.1. 换热器概述 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%- 20%在炼油厂约占总费用35%40%换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、 高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的 部分热量传递给冷流体的设备。换

5、热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热 器应用最广泛，如表 2-1 所示。表 2-1 传热器的结构分类类型特点间 壁 式管 壳 式列管式固定管 式刚性结构用于管壳温差较小的情况 一般W 50 C），管间不能清 洗P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管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函 式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高 的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个烝发空间用于再沸、烝煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应 器中套

6、管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或 预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板 面 式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体 间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收 低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干 净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触畜热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收 热能的场合22固定管板式因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造

7、价低廉的优点。但是因为壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用 于两流体温度差太大 不大于70 C）和壳方流体压强过高 一般不高于600kPa）的场合。1-挡板2-补偿圈3-放气嘴图2.2.1.固定管板式换热器的示意图2.3. 设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：<1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：增

8、大传热系数提高平均温差妥善布置传热面等三个方面具体着手。<2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我 国钢制石油化工压力容器设计规定和钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标 准。 <3）有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在 厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设 保温层。<4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内< 通常1年内的）固定费用 < 设备的购置费、安装费等）与操作费 < 动力费、清洗费、维修费）等的总和为

9、最小。在设计或选型时， 如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。§三.热量设计3.4. 计算总传热系数3.4.2. 热流量以热介质煤油为计算标准算它所需要被提走的热量：Q=msicpi（Ti-T 2>=227801x3.297x（110-60>=8800kJ/h=2444.4kw3.4.3. 平均传热温差计算两流体的平均传热温差暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有煤油：160Ct 60 C水：30 C 17C从而，®m'二130-43In (130/43)=78.6而此时，我们有:13143=0.091t2-t130-17P=

10、_T1-T2160-17T1-T 2160-60100R=7.69t2-t130-1713式中：E"2热流体 <煤油）的进出口温度，C； t1，t2 冷流体 < 自来水）的进出口温度，C；1-PR-1In 1-PR2-P(1+R-r2+i)2-P(1+R+ r2+i )lnln 1-0.091.69 2+12-0.091X（1+7.69-7.69 2+17.69-1/22-0.091X（1+7.69+7.69 +1=0.961">0.9符合要求则平均传热推动力： tm=Atm,逆X e =0.961x78.6=75.5 C344.冷却水用量由以上的计算结果

11、以及已知条件，很容易算得：Qc= Q=8800000/4.185x（30-17>=161750kg /hCpc（t2 -切3.1. 初选换热器的类型两流体的温度变化情况如下：<1）煤油：入口温度 160C，出口温度 60C；<2）冷却介质：自来水，入口温度 17C，出口温度30C；该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，故从安全方 便考虑可以采用带有膨胀节的管板式换热器3.3. 确定物性数据定性温度：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。壳程

12、流体 <煤油）的定性温度为：T= （160+60>/2=110 C管程流体 <水）的定性温度为：t=<30+17 ） /2=23.5 C在定性温度下，分别查取管程和壳程流体（冷却水和煤油 >的物性参数，见下表:密度 /< kk /m3)比热容 /<kJ/kg ?C)粘度 /<Pa?s)导热系数/<W/m?C）煤油8252.27.15 X 10-40.14水997.34.1859.25 X 10-40.6063.2.管程安排（流动空间的选择 >及流速确定已知两流体允许压强降分别不大于0.1MPa,40kPa ;两流体分别为煤油和水。与煤

13、油相比，水的对流传热系数一般较大。因为循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污 垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管 程，而使煤油走壳程。表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围管程壳程冷却水13.50.51.5般液体（黏度不冋>0.53.00.21.5低黏油0.81.80.41.0咼黏油0.51.50.30.8由上表，我们初步选用25X 2.5的碳钢管，则管内径di =25-2.5 x 2=20mn管内流速取Ui=1.6m/s,从管内体积流量为：v i = n ( n /4> X 0.02 2X 1.6 X 36300=161750/9

14、97.3=162.6m3/h解得n=90传热面积：A=nn do L=24444.4X 103/(350 X 75.5>=92.5 m2可以求得单程管长 L=92.5/3.14 X 0.025>=13.09m若选用4.5m长的管，需要4管程，则一台换热器的总管数为 4X 90=360根.查化学工业出版社第三版谭天恩主编的？化工原理？附录十九，可以初步确定换 热器的主要参数见下表：项目数据项目数据壳径D(DN>800mm管尺寸 25mX 2.5mm管程数Np（N>4管长4.5m管数n442管排列方式组合式排列中心排官数nc23管心距32mm管程流通面积Si0.0347m2

15、传热面积152.7m2注：因为是多程，故为了方便安装分程板，采用组合式排列跟方便。 对表中的数据进行核算： 每程的管数m =n/Np=422宁4=110.5,管程流通面积 Si =（ n /4> X 0.02 2X110.5 = 0.03471 m与表中的数据 0.0347 m相符的很好 传热面积 A= n d。Ln=3.14 X 0.025 X 4.5 X 442= 156.2 m稍大于表中 152.7 m ,这是因为管长的一部分需用于在管板上固定管子，应以表中的值为准 因为换热管是组合式排列，除在分程板两侧采用正方形排列外，大部分地方采用的是正三角形排列，故中心排管数可以按照正三角形

16、排列的形式计算：中心排管数 nc 1.1 肿=1.1 X 442 =24> 23阻力的计算1管程vi 流速 u i = 3600 =162.2=1.3m/ssi 3600x0.0347 雷诺数 Rei =-Uipidl =1.3 997.3 0.02 =28032> 2000口2流动形式为湍流由 & /d=0.005 Re i =28032 带入经验公式 入=0.1< & /d+ 68/Re ）可得入i=0.03238 管内的阻力损失 P =入 i 丄(Ui2 卩 >/2=0.03238X 4.5X 1.32X 997.3十 0.02-di2=6139.

17、6Pa回弯阻力损失 Pr=3X (ui2 h> /2=3X 1.32 X 997.3-2=2528.2Pa则管程内总压降为：Pt=( P + Pr>FtNsNp=(6139.6+2528.2> X 1.4 X4=48539.7Pa=48.54KPav 0.1MPa故壳程的压降满足题目中的要求2壳程取折流挡板间距为h=0.2m 计算截面积 S0 =h(D-ncd0 =0.2(0.8-24 X 0.025>=0.04 m2 计算流速 u0 =40000=0.34m/s3600x0.04x825 雷诺数的计算 Re 0 = up =0.025 X 0.34 X 825-(3

18、X 1。- 3>=233811Rep> 500 摩擦系数 f0 = 5.0/( Re 0 0.228 >=5.0 - 23380.228 =0.85 则折流挡板数Nb =丄-1=4.5 - 0.2-仁22h 管束的损失 Pi=Ff0 nc(NB+1> (比2">=0.5 X 0.85 X 24 X (22+1> X 825 X 0.34 2-2=11187Pa 缺口损失 P2=N3(3.5- 竺>山。2 ">/2=22X <3.5-2 0.2 )( 825X 0.342) /2D0.8=3147Pa则壳程损失 Ps=A

19、+ P2=11187+3147=14334=14.3KP&40KPa即壳程的压降也满足题意综上核算初步认为所选的换热器适用3.4.5 .总传热系数K总传热系数的经验值见表3-4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。表3-4总传热系数的选择管程壳程总传热系数/W/<m3 C)水<流速为0.91.5m/s )水 <流速为0.91.5m/s )582698水水 < 流速较咼时)8141163冷水轻有机物i v 0.5mPa s467814冷水中有机物1 =0.51mPa- s290

20、698冷水重有机物1 > 1mPa- s116467盐水轻有机物i v 0.5mPa s233582有机溶剂有机溶剂1 =0.30.55mPa s198233轻有机物i v 0.5mPa s轻有机物1 v 0.5mPa s233465中有机物 1 =0.5中有机物1 =0.51mPa- s1163491mPa- s重有机物1 > 1mPa- s58 233重有机物1 > 1mPa- s水烝气 <有压力)冷凝23264652水 流速为1m/s）水烝气 常压或负压）冷凝17453489水水蒸气冷凝11631071水溶液卩v 2mPa- s水蒸气冷凝5822908水溶液卩2m

21、Pa- s水蒸气冷凝5821193有机物v 0.5mPa s水蒸气冷凝291582有机物=0.51mPa- s水蒸气冷凝114349有机物> 1mPa- s有机物蒸气及水蒸气冷凝5821163水重有机物蒸气 常压）冷凝116349水重有机物蒸气 负压）冷凝58 174水饱和有机溶剂蒸气 常压）冷凝5821163水含饱和水蒸气的氯气v 50C）174349水SQ冷凝8141163水NH冷凝698930水氟里昂冷凝756水1）.管程传热系数:Pri =CpUi4.185 103 0.925 10"0.606Re=280320.80.40.80.4=0.023 Re Pr =0.02

22、3 280326.388=174.58 Ca i =0.023i /dM 4 訐r)0.8(泄)0.4=Nui (丄 >=174.58 X ( 0606 >=5289.9 W/m2?C di0.022).壳程传热系数：假设壳程的传热系数是：:-o =500 W/m2?C污垢热阻：R si=0.000344m2C /W2Ro=0.000172 m C /W管壁的导热系数：2 =45 m C /W管壁厚度：内外平均厚度：b=0.0025dm=0.0225在下面的公式中，以外管为基准，代入以上数据得：1亘Rsi虫旦Rso丄進+ °.°025 °.°

23、25+0.000172+丄0.020.02 45500:ididi 'di=1 - (+0.000344 x5289.8 5.02=320W/m?C3.5计算传热面积由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积:心丄严4 103K 心 tm320x75.52= 101.2m152 7 1012与换热器列出的传热面积A=152.7比较有有近34%勺裕度，从阻力损失和152.7传热面积来看所选的换热器适用。§四.机械结构设计4.1. 管径和管内流速换热器中最常用的管径有 0 19mnX 2mm和 $ 25mnX 2.5mm。小直径的管子可以承受更大 的压力，而且管壁较薄；同时，

24、对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传 热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降 较高的情况下，采用 $ 19mm< 2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体， 则应常用较大直径的管子。标准管子的长度常用的有 1500mm ,2000mm ,2500mm ,3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。换热器的换热管长度与公称直径之比一般为425,常用的为6 10选用25 X 2.5的碳钢管，管长 4.5m,速取ui=1.3m/s4.2. 管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程传热系数：

25、= 670567/（3600 994）=他4 他（根） -：di2Ui0.785 0.022 0.54按单程计算，所需传热管的长度是：Sdons107= 11.4m3.14 0.025 120l=6m，则该为：若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构，可见取传热管长 传热管程数“卩=丄二丄4 ,.2（管程）p l 2则传热管的总根数为：N=NX ns=2X 120=240<根）4.3. 平均传热温差校正及壳程数由前面的计算已求得，按单壳程、多管程计算，逆流时:=39.1 Citm' = (140 40)(40-30)140-40 In40 -30而此时，我们有:= 0.09T

26、1 -11140 - 30R=Ti 込=14° -40 =1q t2 _t,40-30由图4-19<参见天津大学出版社的化工原理<上册修订版)233页)可查得:t=0.82 > 0.8，所以，修正后的传热温度差为:：垢=:tm't t=39.1 X 0.82=32 C于是，校正后的平均传热温差是32 C，壳程数为单程，管程数为2。4.4. 壳程内径及换热管选型汇总壳体内径采用多管程<2管程)结构，D=a<b-1) +2e式中 D 壳体内径，mma管心距， mmb 横过管束中心线的管数，管子按正三角形排列：b=1.1；管子按正方形排列：b=1.19

27、川，n为换热器的总管数；e管束中心线上最外层管中心到壳体内壁的距离，一般取e=<11.5 ) d0壳径的计算值应圆整到最接近部颁标准尺寸，见表4.5。所以，代入数据我们有：D=32*18+2*<1.01.5 ) *25=626651mm取 D=600mm4.4.2. 换热管的选型汇总根据以上的计算可以得到如下的计算结果:DN,mm600管程数2壳程数1管子规格25*2.5管子根数240中心排管数19管程流通面积，R10.03768换热面积，m100换热器长度，mm6000通过查表，热器：可以发现下面的结构尺寸的换热器和所需的比较接近，故而选择该种换DN,mm600管程数2壳程数1管

28、子规格25*2.5管子根数232中心排管数16管程流通面积，R10.0364换热面积，m107.5换热器长度，mm60004.5.折流板设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑、8000一 000OC 000 80 00080(OOO Ooo /oooo OOOO1 lonoo oocoJ Xjqooooo /管束的作用。常用的有弓形折流板 <图1-20 ）和圆盘-圆环形折流板 <图1-21 ），弓形折流 板又分为单弓形图1-20<a）、双弓形图1-20<b）、三重弓形图1-20<c）等几种形 式。图1 20 弓形折流板单弓形折流

29、板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径 Dg的15%-45%最好是20%见图1-22<a ）;在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图1-22<b ）。高度为1520mm供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具 有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图1-22<c ）。L£ 1'JF .F LrQoQQ.A 、 一 /图圆盘圆环形折淹板图1-22单弓形折施板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有 一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。为了消除这种弊病，宜采用双弓形折

30、 流板或三弓形折流板。从传热的观点考虑，有些换热器 <如冷凝器）不需要设置折流板。但为了增加换热器的 刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一 样来处理。折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其 结构形式可参见图 1-23。图 1-23折流板安装图因为换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm 150mm 200mm 300mm 450mm 600mm 800mm 1000mm允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或 50mm取其中较大值。允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有

31、关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体 内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙求适宜。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表所列数据。表5.5.1.折流板厚度/ mm壳体公称内 径/mm相邻两折流板间距/mm< 300300450450600600750> 750200250356101040070056101012700100068101216> 10006101216

32、16支承板厚度一般不应小于表5.5.2（左中所列数据。支承板允许不支承的最大间距可参考表5.5.2右）所列数据。表463支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距壳体直径/mmv 4004008009001200管子外径/mm19253857支承板厚度/mm6810最大间距/mm1500180025003400经选择，我们采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度为：h=160mm取折流板间距B=0.3D，则:B=0.3 X 650=195mm可取 B=200mm因而查表可得：折流板厚度为5mm支承板厚度为8mm支承板允许不支承最大间距为1800mm= 29(块)折流板

33、数Nb=传热管长6000 -1折流板间距200折流板圆缺面水平装配。4.6.接管4.6.1. 壳程流体进出口时接管取接管内油品流速为u=1.0m/s则接管内径为：d=4 12626/(3600 825) = 0.074m3.14 1.0所以，取标准管的内径为80mm查表得，PN<4.0MPa的接管外伸长度为 150mm4.6.2. 管程流体进出口时的接管取接管内循环水流速 u=1.5m/s，则接管内径: d= 4 670567/(3600 994) .0.15m3.14 1.5取标准管径为150mm查表得，查表得，PN<6.4MPa的接管外伸长度为 200mm4.6.3. 接管最小

34、位置换热器设计之中，为了使换热面积得以充分利用，壳程流体进出口接管应尽量靠近 两端的管板，而管箱的进出口尽量靠近管箱法兰，从而减轻设备重量。所以，壳程和管程 接管的最小位置的计算就显得很必要了。1).壳程接管位置的最小尺寸Li可用如下公式计所设计的为带补强圈的壳程接管，则壳程接管位置的最小尺寸算:L1 仝匹(b _4) C2式子中:Dh补强圈的外圈直径， mmb管板厚度，mmC补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离， 仝32,S为壳体厚度。经计算易得，壳程接管位置的最小尺寸为：2).管程接管位置的最小尺寸所设计的为带补强圈的管程接管，则管程接管位置的最小尺寸mm。而且，C= 4S且C算:120m

35、mL2可用如下公式计mm。而且，C= 4S且C8mmhih2b管板厚度，mmC补强圈外缘至管板与壳体焊缝之间的距离, 仝32,S为壳体厚度。经计算易得，管程接管位置的最小尺寸为：140mm4.7.壁厚的确定、封头4.7.1. 壁厚查GB151-99P21表8得圆筒厚度为：8 mm查JB/T4737-95，椭圆形封头与圆筒厚度相等，即4.7.2. 椭圆形封头示意图如下:查表可得其尺寸数据，见下表公称直径DN<mjm曲面咼度h1 <mn）直边高度h2 <mm碳钢厚度S <mn）内表面积A2 m容积V2 m质量m kg6001502580. 43740. 035327. 47

36、4.8.管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。4.8.1.管板结构尺寸查<化工单元设备设计P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸:公称直径DD1D3D4bcd螺栓孔数60073069059864536102328管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。因为管板兼作法兰与 一不兼作法兰的区别因而结构各异， 前者的结构见图1-15，其中图1-15<a）形式是在管板上开槽，壳体 嵌入后进行焊接，壳体对中容易， 施焊方便，适合于压力不高、物料 危害性不高的场合；如果压力较 高，设备直径较大，管板较厚时， 可采用图1-1

37、5<b ）形式，其焊接时 较难调整。图14兼作法兰的背板4.8.3. 管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计 算出的管板厚度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即 可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表4.8选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm表48管板的最小厚度换热器官子外径d0/mm< 25323857管板厚度/mm3do/4222532换热管的外径

38、为25mm因而管板厚度取为3d°/4=18.75，取上述的最小厚度 20mm4.9.换热管4.9.1.换热管的规格及尺寸偏差经过查表，对于碳钢、低合金钢的换热管的规格及尺寸偏差见下表:材料换热管标准管子规格高精度、较高精度偏差外径，mm厚度，mm外径偏差，mm壁厚偏差，mm碳钢GB/TB8163仝143022.5± 0.2+12%低合金钢GB9948-10%4.9.2.传热管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的为图 1-9所示的a）、b）、c）、d）四种，即 正三角形排列 排列角为30°）、同心圆排列、正方形排列 排列角为90°）、转角正方形 排

39、列 排列角为45°）。当管程为多程时，则需采取组合排列，图1-10为二管程时管小组合排列的方式之一。正三角形的排列方式可在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为普遍，但管 外不易机械清洗。为了便于清洗管子外表面上的污垢，可采用正方形与转角正方形排列的 管束。在小直径的换热器中，常用同心圆排列，在相同直径的管板上所排列的管数比按正 三角形排 列还多。图44管子在管板上的排列方式和组合排列示意图采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 换热管的中心距经查表可得：<mm换热管外径d换热管中心距分程隔板槽两侧相邻管的中心距253244横过管束中心线的管数nc

40、=1.19 ._ N =1.19.240- =18.4 19 根4.9.4. 布管限定圆布管限定圆为管束的最外层换热管中心圆直径，固定管板式换热器的布管限定圆如 下可得：dm=D-2b 3=600-2*8=584mm式子中，D筒体内直径，mmb3大小为0.25d，且大于8mm4.10.分程隔板分程隔板尺寸经查表，分程隔板的尺寸如下表：公称直径DN/mm隔板最小厚度§ /mm碳素钢60084.10.2. 管子和分程隔板的连接分程隔板有单层和双层两种，单层隔板与管板的密封结构如图1-18所示，隔板的密封面宽度最小为<S+2) mm隔板材料与封头材料相同。双层隔板的结构见图1-19，

41、双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。隔板图1-18隔板与管板之间的密封图1-19双层隔板与管板的密封拉杆示意图如下所示:4.11拉杆4.11.1.拉杆的直径与数量各种换热器的直径和拉杆数，可参见下表选用。表拉杆直径和拉杆数壳体直径/mm拉杆直径/mm最少拉杆数壳体直径/mm拉杆直径/mm最少拉杆 数2002501041100128273, 400,500, 600124> 12501210800, 1000126经查表易得，拉杆数为为4，直径为124.11.2.连接与尺寸经查表，拉杆尺寸如下:拉杆公称直径dn/mm数 量基本尺寸拉杆直径d/mmLa/mmLb/mmb /mm124121

42、5仝502.0拉杆孔示意图如下所示:dndn =12mm, l2 =1.5dn =1.5 12 = 18mm4.12.换热管与管板的连接管子与管板的连接是管壳式换热器制造中最主要的问题。对于固定管板换热器，除要 求连接处保证良好的密封性外，还要求接合处能承受一定的轴向力，避免管子从管板中拉 脱。管子与管板的连接方法主要是胀接和焊接。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1-13所示。当温度升高时，材料的刚性下降，热膨胀应力增大，可能引起接头的脱落或松动，发生泄露。一般认为焊接比胀接更能保证严密性。对于碳钢 或低合金钢，温度在 300 C以上，蠕变会造成胀接残余应力减小，一

43、般采用焊接。焊接接口的形式见图1-14。图1-14<a ）的结构是常用的一种；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滞留的液体，可采用图1-14<b ）的结构；为了不使小直径管子被熔融的金属堵住管口，则可改成图1-14<c ）的结构；图1-14<d ）的形式适用于易产生热裂纹的材料，但加工量大。(b)(d)图1-14焊接的形或图 M3胀接前后示意图胀接和焊接方法各有优缺点，在有些情况下，如对高温高压换热器，管子与管板的连 接处，在操作时受到反复热变形、热冲击、腐蚀与流体压力的作用，很容易遭到破坏，仅 单独采用胀接或焊接都难以解决问题，如果采用胀焊结合的方法

44、，不仅能提高连接处的抗 疲劳性能，还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。目前胀焊结合的方法已得到比 较广泛的应用。换热管规格换热管最小伸岀长度最小坡口深度外径x壁厚/mm11 /mm13 /mm25X2.51.524.13.防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图(BI型4.13.1.防冲板或导流筒的选择因为水u=3.0m/s，煤油流量-V2825 1.25128： 2230 kg/m.s2,所以管程和壳程都不设防冲板或导流筒。4.13.2. 鞍式支座(BI型：4.14.膨胀节的设定讨论管壁温度的估算因为管壁热阻一般可以忽略，故可以认为管内外壁的温度是相同的，由此可以得到以下的关系:Rso：

45、oto，ti，tw分别为壳程，管程流体的平均温度和壁温。采用试差法最终求得tw=78.0 C管子拉脱力本换热器的管子及壳体均采用10号碳钢，由此可得下表:管子壳体操作压力，Mpa1.01.0壁温，C78.035材料1010线膨胀系数1/C11.8*10-611.8*10-6弹性模量，Mpa0.21*1060.21*106尺寸，mm25*2*6000600*6管子数252管间距32胀接长度，mm29许用拉脱力，Mpa4管子排布方式正三角形在操作压力下，每平方 M胀接周边所产生的力为:pfqpp 二 d-l其中，f=0.866a 2=396.16mm，则qp=0.0174Mpa在温差应力作用下，每

46、平方M胀接周边所产生的力为:22.6(do di ) qt -4dol其中"晋As而同时，do2 -di2 .N =31792.54As =m(D S)S =m(600 6).6 =15273mm2 贝 V,二 t =23.08Mpa,qt =1.79Mpa由于qt和qp的方向相反，故而总拉 脱力为q = (qp - qt) ： 4.0Mpa因而，管子拉脱力在许用范围之内，不许用安装膨胀节。§五.换热器核算5.1热量核算壳程对流传热系数对圆缺形的折流板，可采用克恩公式:丸 / deu0 P、)0.14-W计算壳程当量直径，由正三角形排列可得:4( de -叫2322-d。)

47、4(0.0322 -0.785 0.0252)4=23.10.025=0.020m壳程流通截面积:So=BD(1 -竝)=0.15X0.65 1 - tI0.025 I0.032=0.01969m壳程流体流速为:_1400 "。00= 0.53m/sA 24 3600 624.89 0.0489=12626/(3600x825) 0.01969=0.2167m/s雷诺准数为：Reo=d°u。UoO.°25 O.67 825 ,25!0.000715普兰特准数为:Pro=2220 0.0007150.14Nu=0.36ReRe0.55 Pr1/3。物料被冷却，粘度校

48、正)14 取 1,%将数值代入上式:a0 = 0.36(dedeU° ')10 1400 552=0.366251 .11.343=693W/mC0.02管程对流传热系数:i =0.023-(di自来水被加热，n取0.4，代入已得数值，有： 管道流通面积：S =0.785 X 0.02 2 240 =0.03768m22管程流体流速：u = 67056-7/(3600 994) =0.497m/s 0.03768雷诺准数为-13628厂 0.02 0.497 994Re =0.000725普兰特准数为:=4.8488c _4180 0.000725Pi =0.626：i -0

49、.023 0626 136280.8 4.84880.40.022=2748 W/m C传热系数K根据冷热流体的性质及温度，在(GB151-99P140-141选取污垢热阻:2污垢热阻：Rsi =0.000344m C /WRSo=0.000172 m 2C/W还有，管壁的导热系数： =45 m2C /W管壁厚度：b=0.0025内外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得do bdo10.00017216932扛°.°25+ 0 000343 0025 + °.°°252°252748 0.020.0245 0

50、.02252=390W/m C所以，K的裕度为：h=390-320=21.88%320传热面积S由K计算传热面积Ss'K Atm折=空86翌3.676m2 88.4946m该换热器的实际传热面积为:oL(N -%)=3.14 X 0.025 X <6-0.06 ) X <232-16 ) =100m2则该换热器的面积裕度为：H=SS = 1076 =32.9%S 765.2流动阻力的计算因为壳程和管程都有压力降的要求，所以要对壳程和管程的压力降分别进行核算。管程流动阻力管程压力降的计算公式为：' pi =(巾1 - QNsNpRe=13670前面已求），为湍流。t

51、0 1取关闭粗糙度 = 0.1mm,相对粗糙度为空0.005di 20：p1 1 U2 =0.035994 0.497=368.3Pa2d i0.022=p2 = 3:-u20 497=3 9941289 Pa2另外，式子中:壳程数2=1管程数N=2 代入公式中，有：' pi =( ：Pi - ：P2)NsNp=<368.3+1289.0 ）x 1X 2=3314.6Pa<100kpa壳程流动阻力因为壳程流体的流动状况比较地复杂，所以计算壳程流体压力降的表达式有很多，计 算结果也相差很大。下面以埃索法计算壳程压力降：壳程压力降埃索法公式为：Z 幌（R+矶'）FsNs

52、4 流体横过管束的压力降，Pa;=p2流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa；Fs壳程压力降的垢层校正系数，无因次，对于液体取1.15，对于气体取1.0 ；Ns壳程数；Pu 2而 ar'=Ff0Nc（NB+1）一-，其中 F=0.5, f0 =5Re228 =0N3,23c=19，2NB=29,u o=0.20m/s。F管子排列方法对压力降的校正系数，对正三角形排列，F=0.5，对正方形斜转45°排列，F=0.4，正方形排列，F=0.3。fo壳程流体的摩擦系数，当Re> 500时，fo =5（Re。）亠228nc横过管束中心线的管子数，对正三角形排列ncNB折流挡板数代入数值得：=0.5 X 0.139 X 19X 30X 825X0.22=653.6Pad=0.65m， Nb=29,而-p2 - Nb( 3