电子版U型管换热器说明指导书.doc

第二某些、设计阐明书
1、传热工艺计算
1. 原始数据
壳程水蒸气进口温度 =205.1
壳程水蒸气出口温度 =95℃
壳程水蒸气工作压力 =0.75Mpa
管程冷却水进口温度 =38ºC
管程冷却水出口温度 =97ºC
管程冷却水工作压力 =1.6 MPa
管程冷却水流量 =120t/h
2. 定性温度及物性参数
管程冷水定性温度(38+97)/2=64
管程冷水密度查物性表得=981 Kg/
管程冷水比热查物性表得=4.182KJ/Kg ºC
管程冷水导热系数查物性表得=0.663w/m℃
管程冷水黏度=444.410¯Pas
管程冷水普朗特数查物性表得Pr2=3.41
壳程水蒸气定性温度 （205.1+95）=150
壳程水蒸气密度查物性表得 =2.584Kg/
壳程水蒸汽比热查物性表得 =2.3142
壳程水蒸气导热系数查物性表得=0.0263w/m
壳程水蒸气黏度 =1.39pas
壳程水蒸气普朗特数查物性表Pr1=1.11
3. 传热量与冷水流量
取定换热效率为η=0.98 查表得 r=2113.1
则设计传热量:

10 4.182 (97-38) 0.981000/3600
8060108（W）
则加热水流量：
=3.89kg/s
4. 有效平均温差

=79.84
参数p：
0.353
参数R：
1.87
换热器按单壳程两管程设计 则查书图 2-6 a得： 温差校正系数：Φ =0.87
有效平均温差：
60
5. 管程换热系数计算
参照表2——7
初选传热系数：

则初选传热面积为：
134.35
选用 不锈钢无缝钢管作换热管。
则管子外径d0=0.025m 管子内径di=0.02m 管子长度=5m
则所需换热管根数：
570 根
可取换热管根数为580根
则管程流通面积为:
0.046
管程流速为：
=0.74
管程雷诺数为:
32671
管程传热系数为：
4834
构造初步设计：
查GB151---1999知管间距按1.25d取：
管间距为：s=0.032m 分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn=0.044m
管束中心排管数为:
26根
取 26根
则壳体内径为：
0.9m
故内径Di=0.9m
则长径比为:
3.33合理 。
选取单弓形折流板。则弓形折流板弓高为：
0.18
折流板间距为:
0.3m
折流板数量为：
9块
6. 壳程换热系数计算
壳程流通面积为：
0.0591
壳程流速为：
7.18m/s
壳程质量流速为：
18.3m/s
壳程当量直径为：
0.033
壳程雷诺数为：
43433
切去弓形面积所占比例按:0.3查图4——38b 得为0.145，壳程换热因子查图2——12得120
管外壁温度假定值为：120
壁温下水黏度为： 0.186
黏度修正系数：
0.7
壳程传热系数：
7180
7.传热系数计算
查GB151---1999第138页可知：
管程水侧污垢热阻为：
壳程污垢热阻为:0.000176
管壁热阻r忽视,则总传热系数为：

=1300

则传热系数比为：
1.3 因此假设合理。
8.管壁温度计算
管外壁热流密度计算为：
59010W/
外壁温度为：

误差校核：13.41 因此误差不大，适当。
9.管程压降计算
管内壁温度:
92
壁温下水黏度为： 30.8
黏度修正系数：
1.05
查得管程摩擦系数为： 0.032
管程数2
管内沿程压降为：
2455.7 Pa
回弯压降为：
2148.7 Pa
取进出口处质量流速为：
1600kg/
进出口管处压降为：
1957.2 Pa
管程污垢校正系数为： 1.4
则管程压降为：
8403.4 Pa
管程容许压降 即管程压降符合规定。
10. 壳程压降计算
壳程当量直径：de=0.042m
雷诺数Re1=16656
查得壳程摩擦系数：（图3-2）
管束压降：

取进出口质量流速：

进出口压降：

取导流板阻力系数：
导流板压降：

壳程结垢修正系数：
壳程压降：

壳程容许压降： 符合规定。
2、强度计算
2.1换热管材料、规格选取及功能拟定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
换热管外径
d0
mm
GB151-1999
25
2
管长
L
mm
同上
3000
3
传热面积

《管壳式换热器原理与设计》
134.34
4
换热管根数

个

580
5
拉杆

个
GB151-1999表43、44
6
6
材料

GB150-1999
《钢制压力容器》选20钢

2.2 管子排列方式
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值

正三角形排列

GB151-1999

2
换热管中心距
S
mm
GB151-1999
32
3
隔板槽两侧相邻管最小中心距

mm
GB151-1999
44
2.3 拟定壳体直径
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
换热管中心距
S
mm
GB151-1999
表12
32
2
换热管根数

根

580
3
分程隔板厚度

mm
GB151-1999
10
4
管束中心排管数

根
1.1
26
5
筒体直径

mm

900
6
实取筒体直径

mm

900
2.4 筒体壁厚拟定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
工作压力
P
MPa
给定
0.75
2
材料

GB150-1999
16MnR

3
材料许用应力

MPa
GB150-1999
表4-1
170
4
焊接接头系数

0.85
5
壳程设计压力

MPa

0.8
6
筒体计算厚度

mm

2.5
7
设计厚度

mm

4.5
8
名义厚度

mm
+
5
9
实取名义厚度

mm
GB151-1999
5
10
负偏差

mm

0
11
腐蚀裕量

mm

2
12
有效厚度

mm

10
13
设计厚度下圆筒计算应力

MPa

121
14
校核

MPa

144.5
合格
15
设计温度下圆筒最大容许工作压力
[
MPa

0.96

2.5 液压实验
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
实验压力

MPa

0.9
2
圆筒薄膜应力

MPa

135.5
3
常温下材料强度指标

MPa

345
4
校核
0.9
MPa
0.9
263.93
合格
2.6 壳程原则椭圆形封头厚度计算
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
设计压力

MPa

0.8
2
工作压力
P
MPa
给定
0.75
3
材料

GB150-1999

16MnR

4
材料许用应力

MPa
GB150-1999

表4-1
170
5
焊接接头系数

0.85
6
封头计算厚度

mm

2.5
7
设计厚度

mm

4.5
8
名义厚度

mm
+
5
9
实取名义厚度

mm
GB151-1999
5
10
负偏差

mm

0
11
腐蚀裕量

mm

2
12
有效厚度

mm

3
13
设计温度下封头计算应力

MPa

121
14
校核

MPa

144.5
合格
15
设计温度下封头最大容许工作压力
[
MPa

0.96

16
公称直径

mm
筒体公称直径
900
17
曲面高度

mm
JB/T4737-95
300
18
直边高度

mm
JB/T4737-95
40
2.7 管程原则椭圆形封头厚度计算
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
设计压力

MPa

1.2
2
工作压力
P
MPa
给定
1.2
3
材料

GB150-1999
16MnR

4
材料许用应力

MPa
GB150-1999

表4-1
170
5
焊接接头系数

0.85
6
封头计算厚度

mm

3.75
7
设计厚度

mm

5.75
8
名义厚度

mm
+
7
9
实取名义厚度

mm
GB151-1999
7
10
负偏差

mm

0
11
腐蚀裕量

mm

2
12
有效厚度

mm

5
13
设计温度下封头计算应力

MPa

109
14
校核

MPa

144.5
合格
15
设计温度下封头最大容许工作压力
[
MPa

1.6

16
公称直径

mm
筒体公称直径
900
17
曲面高度

mm
JB/T4737-95
300
18
直边高度

mm
JB/T4737-95
40
2.8 法兰选取
2.8.1 设备法兰选取
按其条件DN=900mm 设计温度97 设计压力1.2MPa 由《压力容器法兰》长径对焊法兰表1，选取长径对焊法兰，连接面形式为突面，有关参数如下：单位（mm）
D
D1
D3
D4

H
h
R
d
螺柱规格
螺柱数量
1060
1015
966
1275
52
16
26
115
35
12
27
M24
28
由JB/T4704-选取非金属软垫片，其相应尺寸如下：
垫片外直径D=965；垫片内直径 d=915；垫片厚度 。
2.8.2 接管法兰选取
（1）接管a 、b公称直径相似设为，设进口流速为3m/s,则
=120 mm
取125mm，公称压力1.6MPa 由选取带径对焊法兰，法兰有关参数如下：
DN
A1
D
K
L
n
Th
C
N
S
H1
R
H
125
140
250
210
18
8
M11
28
158
4
12
6
55
（2）接管c 、d公称直径相似设为，设进口流速为2.5m/s,则
=26mm
取32，公称压力1.0MPa 由选取带径对焊法兰，法兰有关参数如下：

DN
A1
D
K
L
n
Th
C
N
S
H1
R
H
32
42
140
100
18
4
M16
18
56
2.6
6
8
42
2.9 管板设计
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
未被换热管支撑面积

13552
2
官板布管区面积

36608
3
管板布管区当量直径

mm

216
4
布管区当量直径与直径之比

0.23
5
半径
R
mm

470
6
垫片基本密封宽度

mm

25
7
垫片接触宽度
N
mm
JB/T4704- 图1
50
8
垫片有效密封宽度
b
mm

12.62
9
垫片接触外径
D
mm
JB/T4700-4707-
965
10
垫片压紧力作用中心圆直径

mm

940
11
系数

GB151-1999
《管壳式换热器》
0.258
12
管板削弱系数

GB151-1999
《管壳式换热器》
0.4
13
管板材料

GB150-1999
《钢制压力容器》16MnR

14
设计温度下管板材料许用应力

MPa
GB150-1999
《钢制压力容器》表4-1
125
15
壳程设计压力
PS
MPa
已知
0.8
16
管程设计压力
Pt
MPa
已知
1.2
17
管板设计压力
Pd
MPa

1.2
18
管板厚度

mm

60.63
19
壳程腐蚀裕量

mm

2
20
管程腐蚀裕量

mm

2
21
实取名义厚度

mm
GB151-1999
《管壳式换热器》
64
22
换热管轴向应力

MPa

1.
2.
3.
-2.22
3.33
0.088

23
换热管最大轴向应力

MPa
已知
3.33
24
单根换热管金属横截面积
a

176.625
25
换热管与管板焊脚高度
l
mm
GB151-1999
《管壳式换热器》
3.5
26
换热管与管板连接拉脱力
q
MPa

2.14
27
许用拉脱力
[q]
MPa

62.5
28
校核

合格
2.10 管箱短节壁厚拟定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
工作压力
P
MPa
给定
0.8
2
材料

GB150-199916MnR

3
材料许用应力

MPa
GB150-1999
表4-1
170
4
焊接接头系数

0.85
5
管程设计压力

MPa

1.2
6
管箱筒体计算厚度

mm

3.75
7
设计厚度

mm

5.75
8
名义厚度

mm
+
10
9
实取名义厚度

mm
GB151-1999
10
10
负偏差

mm

0
11
腐蚀裕量

mm

2
12
有效厚度

mm

5
13
设计厚度下圆筒计算应力

MPa

109
14
校核

MPa

144.5
合格
15
设计温度下圆筒最大容许工作压力
[
MPa

1.6

2.11拉杆和定距管拟定
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
拉杆直径

mm
GB151-1999表43
16
2
拉杆数量
n
根
GB151-1999表44
6
3
定距管规格

GB151-1999

4
拉杆在管板端螺纹长度

mm
GB151-1999表45
20
5
拉杆在折流板端螺纹长度

mm
GB151-1999表45
60
6
拉杆上倒角高度
b
mm
GB151-1999表45
2
2.12 折流板选取
2.12.1选型
依照GB151-1999图37选取单弓形水平放置折流板。
2.12.2折流板尺寸
缺口弦高h值，普通取0.2圆筒内径，取h=281.8mm。
2.12.3换热管无支撑跨距或折流板间距
由GB151-1999表42知，换热管为Φ25×2.5钢管时，换热管最大无支撑跨距为L=1850mm，且折流板最小间距普通不不大于内径五分之一且不不大于5mm，有传热计算得到B=400mm。
2.12.4 折流板厚度
由GB151-1999表34知，DN=900,L=300取折流板最小厚度6mm.
2.12.5 折流板直径
由GB151-1999表41查得折流板名义外直径为DN=900mm,管孔直径为
2.13防冲板选取
1. 由GB151-1999查得防冲板外表面到圆筒内壁距离应不不大于接管外径四分之一，取10mm。
2. 防冲板直径或边长应不不大于接管外径50mm,取为80mm.
3. 防冲板最小厚度取材料为不锈钢，3mm,实取3mm
(详细尺寸见零件图所示)
2.14 接管及开孔补强
由GB150-1998表8-1知当满足下列所有条件是不另行补强
1. 设计压力不大于或等于2.5MPa;
2. 两相邻开孔中心距应不不大于两孔直径之和两倍；
3. 接管公称直径不大于或等于89mm;
4. 接管最小壁厚满足表8-1规定
2.14.1 管箱接管开孔补强计算
由于接管125mm公称直径不不大于89mm,因此要补强，但由于设计筒体或封头厚度远不不大于理论厚度，因此要进行计算看与否需要补强
1. 有效补强范畴
a) 有效宽度B=250
b) 有效高度：外侧高度h1=25
c) 有效高度；内侧高度h2=0
2. 补强面积
有效补强范畴内可作为补强截面积按GB150-1998（8-10）计算
——补强面积mm2
——壳体有效厚度减去计算厚度之外多余面积
218
——接管有效厚度减去计算厚度之外多余面积
=170
焊缝金属表面积
而最小补强面积 484
484 < A 开孔需另加补强。其另加补强面积A4按下式计算96 可采用补强圈补强，依照DN=125,参照补强圈原则JB/T4736表1选用补强圈外径D0=250 mm 内径Di=d0+3-8=130mm 选用D形坡口。
补强圈厚度：
=0.5 为制造以便去4mm
2.14.2 壳体接管开孔补强计算
由于接管3000mm公称直径不不大于89mm,因此要补强，但由于设计筒体或封头厚度远不不大于理论厚度，因此要进行计算看与否需要补强
3. 有效补强范畴
d) 有效宽度B=64
e) 有效高度：外侧高度h1=12.6
f) 有效高度；内侧高度h2=0
4. 补强面积
有效补强范畴内可作为补强截面积按GB150-1998（8-10）计算
——补强面积mm2
——壳体有效厚度减去计算厚度之外多余面积
15
——接管有效厚度减去计算厚度之外多余面积
=25
焊缝金属表面积
而最小补强面积 A=75
70 > A ， 则不需要补强圈。
2.15 分程隔板厚度选用
依照GB151-1999，分程隔板厚度选为8mm。
2.16支座选取及应力校核
2.16.1支座选取
依照《钢制管法兰 垫片 紧固件 》 JB/T4712-92鞍式支座选取重型BI型焊制鞍式支座（表7）
当DN=900mm取鞍式支座有关尺寸如下：
序号
项目
符号
单位
数值
1
公称直径
DN
mm
900
2
容许载荷
Q
KN
225
3
鞍座高度
h
mm
200
4
底板

mm
810

mm
150

mm
10
5
腹板

mm
10
6
筋板

mm
400

mm
140

mm
120

mm
10
7
垫板
弧长
mm
1060

mm
200

mm
6
e
mm
36
8
螺栓间距

mm
590
9
带垫板鞍座质量
M

Kg
40
10
包角

120
11
型号
BI
重型
F,S各一
2.16.2、鞍座应力校核
（1） 原始数据表
序号
项目
符号
单位
数值
1
设计压力

MPa
1.2
2
设计温度
t
ºC
160
3
物料密度

998.2
4
筒体内径

mm
900
5
筒体长度
L
m
4752
6
公称厚度

mm
5
7
厚度附加量
C
mm
2
8
鞍座型号
BI

9
鞍座中心线离封头切线距离
H
mm
1557
10
鞍座腹宽
B
mm
170
11
腹板厚度

mm
10
12
鞍座包角

120
13
容器与封头材料
16MnR
14
容器与封头许用应力

MPa
170
15
鞍座材料
16MnR
16
鞍座材料许用应力

MPa
170
17
容器自重
m
kg
11526
18
物料重量

Kg
7368
19
总重量
M
kg
18894
（2） 校核计算
序号
项目
符号
单位
数据来源及计算公式
数值
1
支座反力
F
N

92580.6
2
系数
C1

0.238
3
系数
C2

1.068
4
系数
C3

0.0385
5
筒体在支座跨中截面处弯矩
M1
Nmm

1.0
6
筒支座截面弯矩
M2
Nmm

7
跨中截面处轴向应力（最高点）

MPa

8.9
8
跨中截面处轴向应力（最低点）

MPa

71.9
9
系数
A

0.00157
10
系数
B
MPa
GB150-1998图6-3
148
11
轴向许用压缩应力

MP
B=148 MP
148
12
比较 =128 MP验算合格
筒体和封头中切向剪应力
13
系数

《过程装备设计》表5-2
0.88
14
切向剪应力

=
12.18
15
椭圆形封头形状系数
K

原则椭圆形封头
K=1.0
1.0
16
封头内压引起应力

126
17
比较 ,验算合格
筒体周向应力
18
鞍座截面筒体最低处周向应力

--23.39
19
系数
K

《过程装备设计》表5-3
0.760
20
筒体有效宽度

mm

300.8
21
鞍座边角处筒体周向应力

MP

-22.78
22
系数
K

《过程装备设计》表5-3
0.0132
23
比较 < ,验算合格
鞍座腹板应力
24
系数
K’

《过程装备设计》表5-5
0.204
25
鞍座承受水平分力
Fs
N
= K′F
18886.44
26
鞍座计算高度

mm
取实际高度
200
27
取和中较小者为即=100
28
鞍座有效断面平均应力

MPa

9.44
29
比较验算合格