毕业设计煤油冷却器的设计换热器毕业设计说明

word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑某某大学 毕业设计(论文)题目：煤油冷却器的设计（处理量1600kg/h）学院：机电工程学院专业班级：过控084班学生姓名：指导老师：成绩：2012年6月15日摘要本次毕业设计的任务是设计一个换热器。首先分析设计任务和条件，初步选择换热器的类型，进行流程安排，接着进行工艺结构计算，并重点针对湍流程度和传热面积裕度进行核算。以上完成后是结构设计,包括管板、壳体、管箱、折流板、封头、换热管、法兰、接管等的设计，并确定连接方式和密封形式。下一步是进行强度计算，对各个部分进行计算后，再进行面积、许用应力、力矩计算，然后进行各种可能情况下的应力校核。最后选择接管法兰、密封元件和鞍座，完成本次设计任务。在实际应用中，固定管板式换热器结构简单、制造方便、成本低、管程清洗方便、规格系列范围广，故在工程上得到广泛应用。所以我本次设计选择了固定管板式换热器的设计。关键词:换热器；结构设计；强调计算；应力校核AbstractThegraduationdesigntaskistodesignaheatexchanger.Firstanalysisdesigntaconditions,choosethetypeofpreliminaryheatexchanger,processarrangement,thenprstructurecalculation,andfocusingontheturbulentflowandheattransferareadegreethemarginaccounts.Afterthecompletionoftheaboveisthestructuredesign,includingtplate,shellandtubebox,baffleplate,sealing,headofheatexchangetube,flange,ofdesignof,anddeterminedtheconnectionmodeandsealingform.Thenextstepisforstrengthcalculation,calculatedforeachpart,thenarea,allowablestresscalculatioandthencarryoutallthepossiblecheckthestress.Thelastchoicetotakeoverflacomponentsandsaddle,completethedesigntask.Inpracticalapplications,fixedtubeheatexchangersimplestructure,easyfabrication,lowcost,convenientwashing,providespecificationsseriesrangewide,itiswidelyappliedinengineering.SothisdesignIchosefixedtubeplateheatexchangertodesign.Keywords:Heatexchanger;Structuredesign;Emphasizecomputing;Stresschecking目录摘要...................................................................................IAbstract................................................................................第1章绪论............................................................................1.1课题背景........................................................................1.2换热器的研究现状................................................................第2章确定设计方案....................................................................2.1设计任务和操作条件..............................................................2.2换热器类型的选取................................................................2.3流程安排........................................................................第3章工艺计算........................................................................3.1物性数据的确定..................................................................3.1.1定性温度的确定.............................................................3.1.2物性数据...................................................................3.2估算传热面积....................................................................3.2.1平均传热温差...............................................................3.2.2由煤油的流量计算热负荷.....................................................3.2.3传热面积计算...............................................................3.2.4冷却水用量.................................................................3.3结构尺寸的设计..................................................................3.3.1换热管的选择和管内流速的确定...............................................3.3.2确定管程数和传热管数.......................................................3.3.3平均传热温差校正及壳程数...................................................3.3.4壳体内径...................................................................3.3.5折流板.....................................................................3.3.6传热管排列和分程方法.......................................................3.3.7接管.......................................................................3.3.8其他附件...................................................................3.4换热器核算......................................................................3.4.1传热能力核算...............................................................3.4.2壁温核算...................................................................3.4.3换热器内流体的流动阻力.....................................................3.5换热器主要结构尺寸表............................................................第4章换热器结构设计..................................................................4.1壳体、管箱壳体和封头设计........................................................4.2选取接管........................................................................4.2.1接管外伸长度...............................................................4.2.2接管与筒体和管箱壳体的连接.................................................4.2.3接管位置的确定.............................................................4.3换热管与管板....................................................................4.3.1换热管.....................................................................4.3.2管板.......................................................................4.4壳体与管板、管板与换热管的连接..................................................4.4.1壳体与管板的连接...........................................................4.4.2换热管与管板的连接.........................................................4.5其他部件........................................................................4.5.1拉杆与定距管...............................................................4.5.2折流板.....................................................................4.5.3膨胀节.....................................................................第5章强度计算........................................................................5.1设计条件........................................................................5.2结构尺寸........................................................................5.3材料选择及许用应力的计算........................................................5.4管箱设计........................................................................5.5封头计算........................................................................5.6筒体设计........................................................................5.7换热器管板设计..................................................................5.7.1相关面积计算...............................................................5.7.2换热管许用应力的计算.......................................................5.7.3力矩计算...................................................................5.8应力校核计算....................................................................5.8.1壳程设计压力P0的情况...................................................s5.8.2管程设计压力P0的情况....................................................t5.9开孔补强........................................................................第6章法兰、垫片及鞍座的设计..........................................................6.1接管法兰........................................................................6.1.1接管法兰的材料.............................................................6.1.2对材料的加工要求...........................................................6.1.3排气、排污接管法兰.........................................................6.1.4煤油进出口接管法兰.........................................................6.1.4循环冷却水进出口接管法兰...................................................6.1.5垫片选择...................................................................6.2鞍座的选择......................................................................6.3技术要求........................................................................结论..................................................................................参考文献................................................................................致谢..................................................................................

第1章绪论1.1课题背景1.2换热器的研究现状

第2章确定设计方案2.1设计任务和操作条件2.2换热器类型的选取2.3流程安排word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑第3章工艺计算3.1物性数据的确定3.1.1定性温度的确定参考文献，对于一般轻油和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程流体冷却水的定性温度为：ttt1 2（3-1）2式中t—冷却水定性温度（℃）t—冷却水进口温度（℃）1t—冷却水出口温度（℃）2tt2532 t1 228.5℃， 2 2壳程煤油的定性温度为：TT T1 2（3-2）2式中T—煤油定性温度（℃）T—煤油的进口温度（℃）1T—煤油的出口温度（℃）2TT14035 T1 287.5℃， 2 23.1.2物性数据参考文献，分别参考管程和壳程流体在对应的温度下，在生产中的物性数据实测值，循环冷却水在28.5℃时的有关物性数据如下：比热容：c4.174kJ/(kg²℃)pi密度：995.7kg/m3；i粘度：0.8007103Pa²s；i导热系数：0.6176W/(m²℃)。i煤油在87.5℃下的有关物性数据如下：比热容：c2.22kJ/(kg²℃)；pi密度：825kg/m3；i粘度：7.15104Pa²s；i导热系数：0.14W/(m²℃)。i确定物性数据后，后面的计算中需用到以上数据者，可直接引用。3.2估算传热面积3.2.1平均传热温差煤油的进出口温度分别为140℃和35℃，冷却水的进出口温度分别为25℃和32℃。先按纯逆流计算，得：ttt1 2m1 tln1t2（3-3）14032352541.2℃14032ln3525式中t—逆流或并流的平均传热温差mt,t—可按图３-１所示进行计算。 1 2图３-１列管式换热器内流型3.2.2由煤油的流量计算热负荷依据文献公式：Qwct（3-4） h hph h式中Q—热负荷，W；hW—工艺流体的流率，kg/h；hc—工艺流体的热容；kJ/(kg²℃)；pht—工艺流体的温度变化，℃；hQwcthhphh1600=2.22(14035)3600=1.036105W3.2.3传热面积计算由于壳程煤油的压力不高，所以可以选择较小的K值。假设K400W/(m2²℃)，则估算的传热面积A为： Q 1.036105A'h6.28m2 Kt 40041.2m考虑到估算值对计算结果的影响，根据文献提供的经验范围，取实际传热面积为估算值的1.15～1.25倍，取1.15倍。即A1.15A'1.156.287.23m23.2.4冷却水用量对于工艺流体被冷却的情况，工艺流体所放出的热量等于冷却剂所吸收的热量与热损失之和，在实际设计中，为可靠起见，常可忽略热损失，依据公式：Qwct，计p算冷却水用量：Qwhcct pc c1.036105 32253.55kg/s12763kg/h4.1741033.3结构尺寸的设计3.3.1换热管的选择和管内流速的确定考虑到管径太小，流动阻力大，机械清洗困难，由文献根据具体情况选用192mm传热管。材料为20号钢。参考文献取管内流速u1m/s。i3.3.2确定管程数和传热管数参考文献，根据公式Vnsd2u4i（3-5）可由传热管内径和流体流速确定单程传热管数目，式中n—单程管子数目；V管程流体的体积流量，m3/s；d—换热管内径，m；u管内流体的流速，m/s。Vnsd2u 计算得： 4i 3.55 995.7 20.221根0.015214按单管程计算，所需的传热管长度为L：ALdons（3-6）式中L—按单管程计算的管子长度，m；A—估算的传热面积，m2；d—管子外径，m。0ALdnos7.235.77m0.01921如果按照单管程设计，传热管尺寸过长。应该采用多管程结构。根据本设计实际情况，参考文献推荐的传热管长3m，则该换热器的管程数N为：pL5.77N 2（管程）pl 3换热器内传热管根数N为：TNnN21242 T sp3.3.3平均传热温差校正及壳程数参考文献，折流情况下的平均传热温差可先按纯逆流情况计算，然后加以较正，由于在相同的流体进出口，温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以在工程上，若无特殊要求均采用逆流。TT平均传热温差校正系数： R1 2tt 2 1tt（3-7）P2 1 T1t1 式中：T,T—热流体的进、出口温度，℃ 1 2t,t—冷流体的进、出口温度，℃。1214035R1532253225P0.06114025计算平均传热温差t如下：m tt m m逆（3-8）式中t—折流情况下的平均传热温差；m—温差校正系数。按单壳程双管程，查文献图F2可知：0.96所以，平均传热温差：tmtm逆=0.9641.2=39.5℃参考文献,因为计算得平均传热温差校正系数为0.96，大于0.8，所以取单壳程合适。3.3.4壳体内径参考文献采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体的内径为：ND1.05tT421.0525203.3mm0.7按无缝钢管进级档，可取DN219mm,初步选取壁厚为6mm，即d207mm。i3.3.5折流板折流板有横向折流板和纵向折流板，横向折流板同时兼有支撑传热管，防止发生震动的作用，其常用的型式有弓形折流板和和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板结构简单，性能优良，在实际中最为常用。本设计采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度约为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度h为：h20720%41.4mm所以，取h40mm。参考文献取折流板的的间距B0.3D，则B2070.362.1mm所以，取B60mm。折流板数N为：B 传热管长 3000 N1 150149 B折流板间距 60折流板选择圆缺竖直装配，具体型式见总装配图。3.3.6传热管排列和分程方法对于多管程换热器，常采用组合排列方式，每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。如图3.1所示。参考文献,管心距选择t1.25d为：ot1.25d1.251923.75mm，取t25mm。o隔板中心距离相邻的换热管中心距离S等于： t 25S6618.519mm2 2各程之间相邻换热管的管心距等于：19³2=38mm横过管束中心线的管数：n1.19N1.19428根c图３-２换热管组合排列两管程，每程各有换热管数目为21根，管箱中隔板安装位置和介质的流通方式按照图3.2所示。图３-３管程隔板安装位置和换热管分程方式3.3.7接管1.管程流体进、出口接管：选取接管内冷却水的流速为：u2.5m/s，则接管内径D如下：2 2412765 4V 3600995.70.043mD 22u 2.52圆整后，管程进、出口接管规格为：452.5。2.壳程流体进、出口接管取接管内流体流速为：u0.7m/s，则接管内径D如下：14VD 11u114160036008250.0313m0.7为了方便取材，圆整后，壳程进、出口接管规格也选择为382.5。3.3.8其他附件1.拉杆数量与直径根据文献表43和表44查得，本换热器换热管外径为19mm，所以拉杆直径d12mm。n拉杆数不得少于4个，考虑到壳体内径较小，选择4根拉杆。2.防冲挡板参考文献，当管程采用轴向入口接管或换热管内流体速度超过3m/s时，应设置防冲板。当壳程进口流体的2（其中味流体密度，kg/m3；味流体的流速，m/s）值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒：非腐蚀、非磨蚀性的单向流体，22230kg/(ms2)者；其他液体，包括沸点下的液体，2740kg/(ms2)者。有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板；当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减小流体停滞区，增加换热器的有效换热长度。本换热器设计中，管程进口流速为2.5m/s,壳程28250.112210.35740kg/(ms2)故管程和壳程均无需设置防冲板。3.膨胀节膨胀节是装在固定管板式换热器壳体上的挠性构件，依靠这种易变形的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温度而引起的温差应力。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，当温差大于50℃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。当温差很大时，可以选用浮头式、U型管及填料函式换热器。但上述换热器的造价较高，若管间不需要清洗时，也可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。膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、Ω形膨胀节。在生产实际中，应用最多也最普遍的是波形膨胀节。本设计初步选用波形膨胀节。图３-4波形膨胀节3.4换热器核算3.4.1传热能力核算1.管程传热膜系数参考文献,用克恩法进行计算，选择公式：0.023iRe0.8Prn（3-9）i din=0.4(当流体被加热时)n=0.3(当流体被冷却时)所以取n=0.4正确。l3000因为15750，=0.8007103<0.002Pa²s，满足条件，定性温度可d 19取流体进出口温度的算术平均值；特征尺寸取换热管的内径d。i管程冷却水流通截面积S计算得：i SD2n0.0152210.0037m2i4i s4管程冷却水流速ui为： w 12765i36003600995.70.962m/sui i S 0.0037i ud 995.70.9620.02雷诺数Re e=23926i0.8007103c4.1741030.8007103普兰特数Prp5.41 0.6176用克恩法计算，则管程流体传热膜系数为：0.023iRe0.8Pr0.4i di0.61760.023239260.85.410.40.015=5925W/(m2²℃)2.壳程流体传热膜系数可用克恩法进行计算，0.361Re0.55Pr130.14o d 0 e W当量直径，按三角形排列时公式如下：34t2d2d240（3-10）e d0式中t—管间距，m；d—换热管外径，m；0有上式，当量直径d如下：e 3 3 4t2d240.02520.0192d2 402 4 0.02me d 0.0190壳程流通截面积为：word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑 d 0.019SBD100.060.2071=0.00288m2t 0.025V壳程流体流速u=0，即oS0 m 160036003600825=0.187m/su 0 S 0.002880 ud 8250.1870.02 雷诺数Re0e =431507.15104c2.221037.15104普兰特数Prp11.338 0.140.14粘度校正1，则：W用克恩法计算，则壳程流体传热膜系数为：o10.14o0.36d1Re0.550Pr3 e W 0.14 1 0.36 43150.5511.338310.02=565W/(m2²℃)污垢热阻和管壁热阻查文献表F1、F7.3得：管外侧污垢热阻为：R1.7197104(m2²K)/Wo管内侧污垢热阻为：R3.439410.4(m2²K)/Wi查表F3得：碳钢在该条件下的导热系数50W/(m2²K)w则管壁热阻R：WbR（3-11）WW式中b—换热管壁厚，m；—管壁导热系数，m²℃/WW b 0.002RWW50=0.00004(m2²K)/W总传热系数K总传热系数K为：1 K d d 1dRROROO O Wd idd O m i i i（3-12）式中K—总传热系数，W/(m2²K)；—壳程流体的传热膜系数，W/(m2²K)；OR—壳程污垢热阻，m2²℃/W；OR—管壁热阻，m2²℃/W；WR—管程污垢热阻，m2²℃/W；id—换热管外径，m；Od—换热管内径，m；id—换热管平均直径，m；m—管程传热膜系数，W/(m2²K)；i所以1K1 d d 1 dR R OR O O O Wd idd O m i i i11 19 19 1 191.71971040.000043.439410.4 565 17 15592515=410W/(m2²K)5.传热面积裕度 Q 1.036105实际所需的传热面积A16.39m2nKt41039.5m该换热器的实际传热面积AdlN3.140.019342=7.52m2 o o T AA 7.526.39该换热器的面积裕度Fo n=17.7%A 6.39n 该换热器能够完成生产任务，F＞(15﹪～25﹪),符合要求。 3.4.2壁温核算因为管壁很薄，且管壁热阻很小，所以管壁温度可以按公式1 1 tc ctmhRhTRm 1 1RR c ch h （3-13）计算；取循环冷却水进口温度为25℃，出口温度为32℃计算传热管壁温。计算中按最不利的操作条件考虑，所以取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。所以：Ttm 87.5mtch5925565=35.5℃ 1 1 1 1 5925565 c h式中：t0.4320.62530.6℃m11403587.5℃Tm25925W/(m2²K) c i565W/(m2²K) h o壳体壁温可近似取为壳体流体的平均温度，即：T=87.5℃。壳体壁温和传热管壁温之差为：t87.535.6≈51.9℃参考文献,该温差大于50℃，所以需要设置温度补偿装置。由于浮头式、U型管式word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑及填料函式换热器造价较高，且操作压力较小，所以初步选用带膨胀节的固定管板式换热器比较合适。3.4.3换热器内流体的流动阻力壳程流体阻力由于N1，F1.15，F0.5，N47，u0.187m/s， s s B of5.0Re0.2285.043150.228=0.7416 O oN1.1N0.51.1410.57.129 Tc T则流体流经管束的阻力损失p为：opFfNN1u2 o o Tc B 20.50.74167.1294410.18728252=1830PaB0.06m，D0.207m，则流体流过折流板圆缺的阻力损失： 2Bu2 20.060.1872825pN3.5o473.5 i b D2 0.207 2=1966Pa总阻力损失p为：sppp1830+1966=3796Pa=0.038MPa<0.1MPas o i参考文献,壳程流体的阻力损失比较适宜。管程流体阻力0.2因为N1，N2，F1.5，Re23926，传热管的相对粗糙度0.013，s P s d15查莫狄图得：摩擦因子0.04w/mC，流速u0.962m/s，995.7kg/m3。所单程i直管阻力：plu20.0430.9622995.7=5123Pai id2 0.015 2i因为局部阻力系数一般取3，所以局部阻力：pu230.9622995.7=1281Par2 2pPPNNF51231281211.5=8966Pa=0.0896MPa<0.1MPat i r sPs参考文献,管程流体阻力在允许范围之内。3.5换热器主要结构尺寸表换热器主要结构尺寸表如表3.1所示。表3-1换热器主要结构尺寸和计算结果表热负荷kw热负荷kw103.6传热温差℃51.6传热系数W/m2²℃410裕度%17.7第4章换热器结构设计4.1壳体、管箱壳体和封头设计根据文献，查图7，选择前端管箱为封头管箱，型号为A型，壳体型式为E型；后端结构为M型。如图4-1所示。图4-1换热器结构4.2选取接管接管材料均为10号钢。在壳体的左端上部设有管径为382.5的煤油出口管，在壳体的右端底部设有管径为382.5的煤油出口管；在前端管箱顶部设有管径为502.5的冷却水进口管，在前端管箱底部设有管径为502.5的冷却水进口管，在壳体的右端上部设有管径为252.5的排气管出口管，在壳体的左端底部设有管径为252.5的排污管出口管；接管位置如上图4-1所示。4.2.1接管外伸长度工艺煤油进、出口接管外伸长度l=250mm；冷却水进、出口接管外伸长度l=250mm；排液管和排气管的外伸长度l=100mm。4.2.2接管与筒体和管箱壳体的连接接管与壳体和管箱壳体及封头连接的结构型式采用插入式焊接结构。接管不得凸出于壳体的内表面。如图4-2所示。2±0.5412±0.541±0.550°±5°图4-2焊接结构4.2.3接管位置的确定在换热器设计中，为了使传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管板，管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱壳体长度，减轻设备的重量。为了保证设备的制造、安装，管口距地的距离也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。1.壳程接管位置的最小尺寸参考文献[8],公式DHb4C（4-1）L2dHb4C（4-2）L 1 2DLHhC（4-3）2 fd LHhC 2 2 f（4-4）式中b—管板厚度，mmL/L—壳程/管箱接管位置的最小尺寸，mm 1 2C—补强圈外边缘（无补强圈时为管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mmD—补强圈的外圆直径，mmHd—接管外径，mmH带补强圈时接管的位置：Db4C5426450=99mmH 1 2 2无补强圈时接管的位置：db4C3826450=91mmH 1 2 2综合考虑尺寸的大小，取L=100mm12.管箱接管位置的最小尺寸带补强圈时接管的位置： D 64LHhC2650=108mm 2 2 f 2无补强圈时接管的位置：d 45LHhC2550=98.5mm 2 2 f 2所以，综合考虑后取L=120mm24.3换热管与管板4.3.1换热管换热管的规格为Φ19³2，查文献可得，其外径偏差为±0.4.，壁厚偏差为15%。考10%虑煤油粘度较低，不易结垢，则采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其换热管的管心距为25mm，分程板槽两侧相邻管中心距S为38mm。n如图4-4所示。图4-4换热管排列4.3.2管板管板是管壳式换热器中一个重要元件，它除了与管子和壳体等的连接外，还是换热器中的一个重要受压元件。对管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。管板结构参考文献,管板结构如图4-5所示。选择固定管板兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面。分程隔板拐角处，倒角为4³45°。图4-5管板结构管板最小厚度管板的最小厚度除了要满足强度计算要求外，当管板和换热管采用焊接时，应满足结构设计和制造的要求，且不小于12mm。当管板和换热管采用胀接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足文献表1-6-8。管板应满足较高的强度要求，具体尺寸如图4-6所示。× 图4-6管板尺寸×4.4壳体与管板、管板与换热管的连接壳体与管板的连接考虑到介质温度、压力及物料性质，本设计采用管板兼作法兰的不可拆结构，连接型式如图4-7所 图4-7管板与筒体的连接换热管与管板的连接因为壳程介质是煤油，换热管和管板材料都是碳钢，焊接工艺性好，故本设计换热器与管板的连接采用焊接连接。如图4-8所示。454542130°图4-8换热管与管板的连接4.5其他部件4.5.1拉杆与定距管选择了拉杆定距结构，拉杆直径d为12mm，拉杆螺纹公称直径d为12mm，拉杆数n量为4根，均匀安装于管束的外边缘。其型式如图4-9所示。图4-9拉杆定距结构折流板为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的同时为缓解换热管的受力状况和防止流体流动诱发振动，本设计设置44块竖直弓形折流板。折流板的缺口高度为40mm，厚度为3mm，折流板管孔直径为19.60.40，折流板0外直径为2050，靠近管板的折流板与管板间距l为180mm，折流板间距为60mm。0.8膨胀节膨胀节计算管子拉脱力计算在换热器中承受流体压力换热管壳壁的温差应力的联合作用，这两个力在管子与管板的连接接头处产生了一个拉托力，使管子与管板由脱离的倾向。拉脱力是管子平均每平方米胀接周边所受到的力，单位为Pa。对于管子与管板是焊接连接的接头，实验表明，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。由于管子和管板采用的是焊接连接，因此在这里我们不需要计算管子拉脱力。膨胀节设置计算必须设置膨胀节的条件：对于固定管板式换热器，用下式计算壳体和管子中的应力： FF FF1 2，1 3s A t As t若满足下述条件之一者，必须设置膨胀节：1）2[]t s s；2）2[]t;t t 3)0且B;4)子拉脱q[q]。式中F是由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N；1(tt)(tt) Ftt 0 ss 0 1 1 1EAEA t t s sF是由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；2QAEF s s2AEAE s s t t其中Q[(D2nd2)pn(d2S)2p] 4 i o s o t tF3是由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；QAEF t t3AEAE s s t tA,A分别为管程和壳程的横截面积，mm2；t sAtn4do2di2AsD中S0.094AR/S，B的值可根据A值查表得出。 m e,分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1；tsCt安装时的温度；,t分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，oC；壳的材质都为碳素钢，其物性常数如下：膨胀系数11.2106C1,弹性模数E(196~206)103MPa3.14And2d242 （192152）4486mm2t 4o i 4ADS20363845mm2 s 中(tt)(tt) Ftt 0 ss 01 1 1EAEA t t s sE（tt) t sAA AA s t s t11.2106200103(34.487.5)44863845448638452.46105(N)Q[(D2nd2)pn(d2S)2p] 4 i o s o t t[(200242195)0.542(1922)20.5] 4 1.346104(N) QAE QA 1.3461043845 F s s S 6.21210（3N） 2AEAE AA 38454480 s s t t S tQAE F t tQF1.3461046.2121037.24710（3N）3AEAE 2s s t t FF 2.461056.2121031 262.36MPas A 3845s FF 2.461057.2471031 356.45MPat A 4486t0.0940.094 A 0.00277203 m 6e查外压圆管、管子和球壳厚度计算图（屈服点大于207MPa的碳素钢）得：B=140MPa。[σ]t=113MPa，[σ]t=112MPa，Φ=0.85。 s t62.36MPa2t21130.85MPa192.1MPas56.45MPa2t224MPat62.36MPa0且||<140MPas sq[q]由此可知此换热器并不必设置膨胀节。第5章强度计算5.1设计条件换热器设计条件如表5-1所示。表5-1设计条件管程管程壳程压力MPa温度℃金属温度℃操作0.40.4设计0.50.5操作进/出25℃/32℃140℃/35℃设计进/出-10℃/70℃-10℃/170℃壳程圆筒ts140℃换热管tt40℃介质水煤油腐蚀裕量℃mm22程数21焊接接头系数0.850.855.2结构尺寸换热器公称直径DN200，即D207mm；i换热管为正三角形排列,管心距t=25mm；换热管排列根数n44；换热管规格192，l3000mm；换热管与管板的连接形式：焊接连接；管板分程隔板槽深4mm；壳程侧管板结构开槽深度3mm；管箱法兰采用HG/T20592-2009法兰PL200(B)-16RFQ345R法兰外直径D335mm；f法兰螺柱孔中心圆直径D295mm；b法兰密封面尺寸D262mm；4法兰颈部大端厚度21mm；2法兰颈部小端厚度18mm；1管箱法兰厚度''30mm；f柱数量n12；b柱规格M20，查JB4707-2000，得d19.30.3，则螺柱有效承载面积A135mm2； 2 0 b垫片采用JB/T4718-2000标准规定的石棉橡胶板；垫片尺寸262/220，1.5mm；262220垫片接触宽度N21mm；2基本密封宽度，查文献[1]表9-1得：N21b10.5mm（5-1） 02 2查表9-2，垫片系数m2.0，比压力y11MPa；5.3材料选择及许用应力的计算查文献：圆筒、管箱封头选择材料Q345R，查表4-1，70℃设计温度下许用应力70170MPa；c170℃设计温度下许用应力170170MPa；c查表F5，140℃金属温度下弹性模量E140190600MPa；s查表F6140℃金属温度平均线性膨胀系数11.6106mm/mm²℃；s管板材选择料Q345R锻件查表4-5，常温下许用应力150MPa；70℃设计温度下许用应力70150MPa；170℃设计温度下许用应力170147MPa；查表F5，70℃金属温度下弹性模量EEE''191375MPa； P f170℃金属温度下弹性模量EE'189000MPa； p f螺柱材料：40MnB查表4-7，常温下许用应力196MPa；b70℃设计温度下许用应力70183.5MPa；b170℃设计温度下许用应力170171MPa；b接管材料：10号钢查表4-3，常温下许用应力112MPa；b70℃设计温度下许用应力70112MPa；b170℃设计温度下许用应力170108MPab垫片材料：石棉橡胶板。表9-2，垫片系数m2.0；比压力y11MPa；换热管，法兰材料选用20号钢；查表4-3，170℃设计温度下许用应力170130MPa；t查表F2,170℃设计温度下屈服应力170210MPa；s查表F5，170℃金属温度下弹性模量E170189000MPa；t40℃金属温度下弹性模量E40191750MPa；t查表F6，40℃金属温度平均线性膨胀系数11.048106mm/mm²℃；t5.4管箱设计由公式计算圆筒部分计算厚度：pD ci （5-2）2tpc式中—计算厚度，mmp—计算压力，mmcD—筒体内径，mmit—设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa—焊接接头系数 pD 0.5207 ci 0.52mm 2tp 21700.850.5c设计厚度：C0.5222.52mm d 2参考文献，查得钢板负偏差C0.25mm。1名义厚度：C2.520.253mm n d 1根据文献中表8查得公称直径为200mm的固定管板换热器的最小壁厚为6mm，按参考文献，因此取名义厚度6mm比较合适。n5.5封头计算设计中选择标准型椭圆封头，所以：计算厚度： pD 0.5207 ci 0.52mm 2t0.5p 21700.850.50.5c设计厚度：C0.5222.52mm d 2按文献，选择钢板负偏差C0.25mm。1所以名义厚度：C2.520.253mm n d 1参考文献中表8查得公称直径为200mm的固定管板式换热器的壁厚最小值为6mm，取名义厚度6mm比较合适。n5.6筒体设计圆筒计算厚度： pD 05207 ci 0.52mm 2tp 21700.850.5c设计厚度；C0.5222.52mm d 2按文献，查得钢板负偏差C0.25mm。1名义厚度：C2.520.253mm n d 1参考文献中表8查得公称直径200mm的固定管板换热器的壁厚最小值为6mm，所以取名义厚度6mm比较合适。n5.7换热器管板设计5.7.1相关面积计算壳侧筒体横截面积： D 3.142072Ai9.425104mm2 4 4隔板槽两侧相邻管中心距38mm；n沿隔板槽一侧的排管根数n/6；换热管支撑的面积由公式：Ant'0.866t（5-3） d nAnt'0.866t d n 256380.866252452.5mm2开孔后管板面积： d 3.14192AAn9.42510442 1 4 48.2342104mm2A8.2342104所以，10.7011 A 9.524104筒体金属横截面积：ADs s i sAD3.146(2076) s s i s 3.883103mm2布管区面积：（5-4）At0.866nt2Ad（5-5）A0.866nt2A0.866422522452.5 t d2.5185104mm2参考文献附录J1得：a106.81mm2，所以全部换热管管壁金属横截面积：na42106.814.486103mm2所以，由公式na（5-6）A1na4.4861030.054A8.234210415.7.2换热管许用应力的计算参考文献附录表J1查得换热管的回转半径i8.55mm，前面计算换热器折流板间距等于60mm，参考文献图32得换热管受压失稳当量长度l120mm。cr所以由公式得系数：2E2189000 t 94.23（5-7） 210pa304210 s83.9b 1.12l1201cr14i 8.55 2因此由直线公式得许用应力：210MPat130MPa（5-8） cr s t符合要求。5.7.3力矩计算布管区当量直径： 4A 42.5185104Dt179mmt3.14直径与壳程圆筒内径之比由下式计算：Dt（5-9）tDi D 179 t 0.89 tD 207i管板凸缘宽度由下式计算：1bDD f2f i（5-10）b1DD132020760mm f2f i2螺柱面积的确定预紧状态下需要的最小螺栓面积由下式计算：WAaa（5-11）b W 6.635104 Aa196 338.5mm2ab操作状态下需要的最小螺栓面积：WAp（5-12）ptb W 4.0619104Ap237mm2pt 171b需要螺柱面积：AmaxA,A338.5mm2 m a p压紧力中心圆直径的确定因为b10.56.4mm，所以，0b2.53b2.5310.58.2mm0D26228.2245.6mmG螺柱载荷的计算预紧状态下需要的最小螺柱载荷：W3.14Db（5-13） a GyW3.14Db3.142628.210.56.635104N a Gy操作状态下需要的最小螺栓载荷：W0.785D2P6.28Dbmp（5-14） P G GWP0.785DG2P6.28DGbmp0.785245.620.56.28245.68.22.00.54.0619104N需要螺柱载荷：WmaxW,W6.635104N m a p管程压力操作工况下的法兰力矩为Mp螺柱中心至F作用位置处的径向距离由下式计算：T D DD Lbi G T 2 4 （5-15） D DD 280207245.6 Lbi G T 2 4 2 428.6mm螺柱中心至F作用位置处的径向距离由下式计算：GDD Lb G（5-16） G 2 DD 280245.6 Lb G17.2mm G 2 2螺栓中心至F作用位置处的径向距离：D1DDL D2b i 1（5-17）L1DD12802076 D2b i 1 237mm法兰垫片压紧力由下式计算：6.28DbmPG t（5-18）6.28DbmP6.28245.68.32.00.5G t1.2647104N作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力由下式计算：FD0.785Di2Pt（5-19）F0.785D2P0.78520720.5 D it6.28104N流体静压总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力之差：FT0.785(DG2Di2)Pt（5-20）F0.785(D2D2)P0.785(245.622072)0.5 T G i t8.05103N法兰操作力矩由下式计算：MFLFLFL p DD GG TT（5-21）MFLFLFLp DD GG TT6.28104371.264710417.48.05310328.62.7714106N²mm基本法兰力矩由下式计算：MAL（5-22） m m G bMAL338.524.5196 m m G b1.625106N²mm因为：11177 h21 2 212mm 7 ''25 h 0.06，f 0.125， D 207 D 207 i i参考文献图26得：''0.0017。管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数： 12E''b2''3 biK''f12DiffDf''Es