毕业设计煤油冷却器的设计换热器毕业设计说明.pdf

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 word 文档 可自由复制编辑 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 word 文档 可自由复制编辑 Abstract The graduation design task is to design a heat exchanger.First analysis design task and conditions,choose the type of preliminary heat exchanger,process arrangement,then process structure calculation,and focusing on the turbulent flow and heat transfer area degree the margin accounts.After the completion of the above is the structure design,including the tube plate,shell and tube box,baffle plate,sealing,head of heat exchange tube,flange,take over of design of,and determined the connection mode and sealing form.The next step is for strength calculation,calculated for each part,then area,allowable stress calculation,torque,and then carry out all the possible check the stress.The last choice to take over flange,seal components and saddle,complete the design task.In practical applications,fixed tube plate heat exchanger simple structure,easy fabrication,low cost,convenient washing,provide specifications series range wide,it is widely applied in engineering.So this design I chose fixed tube plate heat exchanger to design.Keywords:Heat exchanger;Structure design;Emphasize computing;Stress checking word 文档 可自由复制编辑 目 录 摘 要.I Abstract .II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 换热器的研究现状.1 第 2 章 确定设计方案.3 2.1 设计任务和操作条件.3 2.2 换热器类型的选取.3 2.3 流程安排.3 第 3 章 工艺计算.4 3.1 物性数据的确定.4 3.1.1 定性温度的确定.4 3.1.2 物性数据.4 3.2 估算传热面积.5 3.2.1 平均传热温差.5 3.2.2 由煤油的流量计算热负荷.6 3.2.3 传热面积计算.6 3.2.4 冷却水用量.7 3.3 结构尺寸的设计.7 3.3.1 换热管的选择和管内流速的确定.7 3.3.2 确定管程数和传热管数.7 3.3.3 平均传热温差校正及壳程数.8 3.3.4 壳体内径.9 3.3.5 折流板.10 3.3.6 传热管排列和分程方法.10 3.3.7 接管.11 3.3.8 其他附件.12 3.4 换热器核算.13 word 文档 可自由复制编辑 3.4.1 传热能力核算.13 3.4.2 壁温核算.17 3.4.3 换热器内流体的流动阻力.18 3.5 换热器主要结构尺寸表.19 第 4 章 换热器结构设计.21 4.1 壳体、管箱壳体和封头设计.21 4.2 选取接管.21 4.2.1 接管外伸长度.22 4.2.2 接管与筒体和管箱壳体的连接.22 4.2.3 接管位置的确定.22 4.3 换热管与管板.23 4.3.1 换热管.23 4.3.2 管板.24 4.4 壳体与管板、管板与换热管的连接.25 4.4.1 壳体与管板的连接.25 4.4.2 换热管与管板的连接.26 4.5 其他部件.26 4.5.1 拉杆与定距管.26 4.5.2 折流板.27 4.5.3 膨胀节.27 第 5 章 强度计算.30 5.1 设计条件.30 5.2 结构尺寸.30 5.3 材料选择及许用应力的计算.31 5.4 管箱设计.33 5.5 封头计算.33 5.6 筒体设计.34 5.7 换热器管板设计.34 5.7.1 相关面积计算.34 5.7.2 换热管许用应力的计算.36 5.7.3 力矩计算.36 5.8 应力校核计算.43 5.8.1 壳程设计压力0sP 的情况.43 word 文档 可自由复制编辑 5.8.2 管程设计压力0tP 的情况.51 5.9 开孔补强.57 第 6 章 法兰、垫片及鞍座的设计.58 6.1 接管法兰.58 6.1.1 接管法兰的材料.58 6.1.2 对材料的加工要求.58 6.1.3 排气、排污接管法兰.58 6.1.4 煤油进出口接管法兰.58 6.1.4 循环冷却水进出口接管法兰.59 6.1.5 垫片选择.59 6.2 鞍座的选择.59 6.3 技术要求.62 结 论.63 参考文献.64 致 谢.65 word 文档 可自由复制编辑 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 1.2 换热器的研究现状 word 文档 可自由复制编辑 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 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：122ttt （3-1）式中 t冷却水定性温度（）1t冷却水进口温度（）2t冷却水出口温度（）12253228.522ttt，壳程煤油的定性温度为：122TTT （3-2）式中 T煤油定性温度（）1T煤油的进口温度（）2T煤油的出口温度（）121403587.522TTT，3.1.2 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：4.174pic kJ/(kg)word 文档 可自由复制编辑 密 度：995.7i kg/3m；粘 度：30.8007 10i Pas；导热系数：0.6176i W/(m)。煤油在 87.5下的有关物性数据如下：比热容：2.22pic kJ/(kg)；密 度：825ikg/3m；粘 度：47.15 10i Pas ；导热系数：0.14i W/(m)。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：12112mttttlnt （3-3）14032352541.2140323525ln 式中 mt逆流或并流的平均传热温差 12,tt 可按图-所示进行计算。word 文档 可自由复制编辑 图-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：hhphhQw ct （3-4）式中 Qh热负荷，W；Wh工艺流体的流率，kg/h；cph工艺流体的热容；kJ/(kg)；ht工艺流体的温度变化，；hhphhQw ct =16002.22(140 35)3600=51.036 10W 3.2.3 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400K W/(m2)，则估算的传热面积 A 为：521.036 106.2840041.2hmQAmKt 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 1.151.25 倍，取 1.15 倍。即 21.151.15 6.287.23AAm word 文档 可自由复制编辑 3.2.4 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：pQwct，计算冷却水用量：hcpccQwct 531.036 103.55/12763/4.174 103225kg skg h 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 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1iu m/s。3.3.2 确定管程数和传热管数 参考文献，根据公式 24siVnd u （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 ns单程管子数目；V管程流体的体积流量，m3/s；di换热管内径，m；u-管内流体的流速，m/s。计算得：24siVnd u word 文档 可自由复制编辑 23.55995.720.2 210.01514根 按单管程计算，所需的传热管长度为 L：osALd n （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；d0管子外径，m。osALd n 7.235.770.019 21m 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pN为：5.7723pLNl（管程）换热器内传热管根数TN为：21 242TspNn N 3.3.3 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。平均传热温差校正系数：1221TTRtt （3-7）式中：12,T T热流体的进、出口温度，2111ttPTt word 文档 可自由复制编辑 12,t t 冷流体的进、出口温度，。14035153225R 32250.06114025P 计算平均传热温差mt如下：mmtt 逆 （3-8）式中 mt折流情况下的平均传热温差；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：mmtt 逆 =0.96 41.2=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：1.05TNDt 421.05 25203.30.7mm 按无缝钢管进级档，可取219DN mm,初步选取壁厚为 6mm，即207idmm。word 文档 可自由复制编辑 3.3.5 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：20720%41.4h mm 所以，取40h mm。参考文献取折流板的的间距0.3BD，则 2070.3 62.1B mm 所以，取60B mm。折流板数BN为：30001150 14960BN 传热管长折流板间距 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1.25otd为：1.251.25 1923.75otd mm，取25tmm。隔板中心距离相邻的换热管中心距离 S 等于：256618.5 1922tSmm 各程之间相邻换热管的管心距等于：192=38mm 横过管束中心线的管数：1.191.19428cnN根 word 文档 可自由复制编辑 图-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-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：22.5u m/s，则接管内径2D如下：2224 1276543600 995.70.0432.5VDum word 文档 可自由复制编辑 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：10.7u m/s，则接管内径1D如下：1114 160043600 8250.03130.7VDum 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12mmnd。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，3/kg m；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：（1）非腐蚀、非磨蚀性的单向流体，222230/()kgm s 者；（2）其他液体，包括沸点下的液体，22740/()kgm s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2228250.11210.35740/()kgm s 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 word 文档 可自由复制编辑 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、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-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：0.8n0.023RePriiid （3-9）n=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。因为30001575019ld，=30.8007 100.002Pas，满足条件，定性温度可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di。管程冷却水流通截面积iS计算得：word 文档 可自由复制编辑 220.015210.003744iisSDn m2 管程冷却水流速iu为：1276536003600 995.70.9620.0037iiiiwuSm/s 雷诺数3995.7 0.962 0.02Re0.8007 10eiud=23926 普兰特数334.174 100.8007 10Pr5.410.6176pc 用克恩法计算，则管程流体传热膜系数为：0.80.40.023RePriiid 0.80.40.61760.023239265.410.015 =5925 W/(m2)2.壳程流体传热膜系数 可用克恩法进行计算，0.1410.551300.36ReProeWd 当量直径，按三角形排列时公式如下：22003424etddd （3-10）式中 t管间距，m；d0换热管外径，m；有上式，当量直径ed如下：22220033440.0250.01924240.020.019etddmd 壳程流通截面积为：word 文档 可自由复制编辑 000.01910.06 0.20710.025dSBDt=0.002882m 壳程流体流速ou=00VS，即 00160036003600 8250.00288muS=0.187m/s 雷诺数004825 0.187 0.02Re7.15 10eu d=4315 普兰特数342.22 107.15 10Pr11.3380.14pc 粘度校正0.141W，则：用克恩法计算，则壳程流体传热膜系数o为：130.140.55100.36ReProeWd 10.5530.140.36431511.33810.02=565W/(m2)3.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：41.7197 10oR(m2K)/W 管内侧污垢热阻为：.43.4394 10iR(m2K)/W 查表 F3 得：碳钢在该条件下的导热系数50wW/(m2K)则管壁热阻WR：WWbR （3-11）式中 b换热管壁厚，m；word 文档 可自由复制编辑 W管壁导热系数，m/W 0.00250WWbR =0.00004(m2K)/W 4.总传热系数K 总传热系数K为：111OOOOWiOmiiiKdddRRRddd （3-12）式中 K总传热系数，W/(m2K)；O壳程流体的传热膜系数，W/(m2K)；OR壳程污垢热阻，m2/W；WR管壁热阻，m2/W；iR管程污垢热阻，m2/W；Od换热管外径，m；id换热管内径，m；md换热管平均直径，m；i管程传热膜系数，W/(m2K)；所以 111OOOOWiOmiiiKdddRRRddd 4.41119191191.7197 100.000043.4394 105651715592515 =410 W/(m2K)5.传热面积裕度 word 文档 可自由复制编辑 实际所需的传热面积511.036 106.39410 39.5nmQAKtm2 该换热器的实际传热面积3.14 0.019 3 42ooTAd lN=7.52m2 该换热器的面积裕度7.52 6.396.39onnAAFA=17.7%该换热器能够完成生产任务，F(1525),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1111mcmhchchchTRtRtRR （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：87.530.6592556511115925565mmchchTtt=35.5 式中：0.4 320.6 2530.6mt 11403587.52mT 5925ciW/(m2K)565hoW/(m2K)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：87.5 35.6t51.9 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 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 1.壳程流体阻力 由于1sN，1.15sF，0.5F，47BN，0.187ou m/s，0.2280.2285.0Re5.0 4315Oof=0.7416 0.50.51.11.1 417.129TcTNN 则流体流经管束的阻力损失op为：212ooTcBupFf NN 20.1878250.5 0.7416 7.1294412 =1830Pa 0.06B m，0.207D m，则流体流过折流板圆缺的阻力损失：2222 0.06 0.1878253.5473.520.2072oibuBpND =1966Pa 总阻力损失sp为：1830+1966soippp =3796Pa=0.038MPa0.1MPa 参考文献,壳程流体的阻力损失比较适宜。2.管程流体阻力 因为1sN，2PN，1.5sF，Re23926，传热管的相对粗糙度0.20.01315d，查莫狄图得：摩擦因子0.04/iw mC，流速0.962u m/s，995.7 kg/m3。所单程直管阻力：2230.962995.70.0420.0152iiil upd =5123Pa word 文档 可自由复制编辑 因为局部阻力系数一般取 3，所以局部阻力：220.962995.7322rup =1281Pa 5123 12812 1 1.5tirsPspPPN N F =8966Pa=0.0896MPa0.1MPa 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。word 文档 可自由复制编辑 表 3-1 换热器主要结构尺寸和计算结果表 管程 壳程 流量 kg/h 12765 1600 温度进/出 25/32 140/35 压力 Mpa 0.4 0.4 定性温度 28.5 87.5 密度 kg/m3 995.7 825 比热容 kJ/(k g)4.173 2.22 黏度 Pas 0.8007 10-3 7.15 10-4 导热系数 w/(m)0.6176 0.14 普兰特数 5.41 11.338 形式 固定管板式 台数 1 壳体内径mm 207 壳程数 1 管径mm 192 管心距mm 25 管长mm 3000 管子排列 管数目（根）42 折流板个数 44 传热面积 m2 7.59 折流板距mm 60 管程数 2 材质 碳钢 冷流体进出口接管mm 452.5 材质 碳钢 热流体进出口接管mm 382.5 材质 碳钢 排污管mm 252.5 材质 碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速 m/s 0.962 0.187 传热膜系数 W/m2 5925 565 污垢热阻 m2/W 3.44 10-4 1.72 10-4 阻力损失 MPa 0.089 0.038 物性 设备结构参数 word 文档 可自由复制编辑 热负荷 kw 103.6 传热温差 51.6 传热系数 W/m2 410 裕度%17.7 word 文档 可自由复制编辑 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。word 文档 可自由复制编辑 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。20.56410.5505 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 142HDLbC （4-1）142HdLbC （4-2）22HfDLhC （4-3）22HfdLhC word 文档 可自由复制编辑（4-4）式中 b管板厚度，mm 1L/2L壳程/管箱接管位置的最小尺寸，mm C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，mm HD补强圈的外圆直径，mm Hd接管外径，mm（1）带补强圈时接管的位置：15442645022HDLbC =99mm（2）无补强圈时接管的位置：13842645022HdLbC =91mm 综合考虑尺寸的大小，取1L=100mm 2.管箱接管位置的最小尺寸（1）带补强圈时接管的位置：264265022HfDLhC=108mm（2）无补强圈时接管的位置：245255022HfdLhC=98.5mm 所以，综合考虑后取2L=120mm 4.3 换热管与管板 4.3.1 换热管 换热管的规格为192，查文献可得，其外径偏差为0.4.，壁厚偏差为15%10%。考虑煤油粘度较低，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nS为 38 mm。如图 4-4 所示。word 文档 可自由复制编辑 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。1.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 445。图 4-5 管板结构 word 文档 可自由复制编辑 2.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 4.4.1 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 word 文档 可自由复制编辑 4.4.2 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。4542130 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nd为 12mm，拉杆数量为 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 word 文档 可自由复制编辑 4.5.2 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0.40019.6，折流板外直径为00.8205，靠近管板的折流板与管板间距l为 180mm，折流板间距为 60mm。4.5.3 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：t3121AFFAFFtss，若满足下述条件之一者，必须设置膨胀节：。管子拉脱力且）；）)4;0)3;2221qqBssttttss 式中 F1是由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N；ssttssttAEAEttttF11)()(001 F2是由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；word 文档 可自由复制编辑 ttssssEAEAEAQF2 其中)2()(4222ttosoipSdnpndDQ F3是由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；ttssttEAEAEAQF3 At,As分别为管程和壳程的横截面积，mm2；224iotddnA SDAs中 值查表得出的值可根据，ABSRAem/094.0。st,分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，C1；t0安装时的温度；tt,ts分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，oC；壳体和管子的材质都为碳素钢，其物性常数如下：MPaEC31610)206196(,102.11弹性模数膨胀系数 222223.14421915448644toiAnddmm（）2203 63845sAD Smm 中 001635()()11)11.2 10200 10(34.4 87.5)4486 3845448638452.46 10()ttssttsstsststttttFEAEAE ttAAAAN （2222524()(2)4(20042 19)0.5 42(19 2 2)0.541.346 10()iosottQDndpn dSpN word 文档 可自由复制编辑 432t1.346 1038456.212 1038454480ssSssttSQAEQAFNAEAEAA （）433321.346 106.212 107.247 10ttssttQAEFQFNAEAE （）53122.46 106.212 1062.363845ssFFMPaA 5313t2.46 107.247 1056.454486tFFMPaA 0.0940.0940.002772036meARS 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。st=113MPa，tt=112MPa，=0.85。ts62.3622 113 0.85MPa192.1MPasMPa tt56.452224MPatMPa 62.360ssMPa 且|140MPa qq 由此可知此换热器并不必设置膨胀节。word 文档 可自由复制编辑 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 壳程 压力 MPa 温度 金属温度 操作 0.4 0.4 设计 0.5 0.5 操作 进/出 25/32 140/35 设计 进/出 -10/70 -10/170 壳程圆筒 ts 140 换 热 管 tt 40 介质 水 煤油 腐蚀裕量 mm 2 2 程数 2 1 焊接接头系数 0.85 0.85 5.2 结构尺寸 换热器公称直径 DN200，即207iD mm；换热管为正三角形排列,管心距 t=25mm；换热管排列根数44n；换热管规格192，3000lmm；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/T 20592-2009 法兰 PL200(B)-16RF Q345R 法兰外直径335fDmm；word 文档 可自由复制编辑 法兰螺柱孔中心圆直径295bD mm；法兰密封面尺寸4262D mm；法兰颈部大端厚度221mm；法兰颈部小端厚度118mm；管箱法兰厚度30fmm；柱数量12bn；柱规格M20，查 JB4707-2000，得0.320d19.3，则螺柱有效承载面积135bA mm2；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；垫片接触宽度262220212Nmm；基本密封宽度，查文献1表 9-1 得：02110.522Nb mm （5-1）查表 9-2，垫片系数2.0m，比压力11yMPa；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70170cMPa；170设计温度下许用应力170170cMPa；查表 F5，140金属温度下弹性模量140190600sEMPa；查表 F6 140 金属温度平均线性膨胀系数611.6 10smm/mm；管板材选择料 Q345R 锻件 查表 4-5，常温下许用应力 150MPa；word 文档 可自由复制编辑 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191375PfEEEMPa；170金属温度下弹性模量189000pfEEMPa；螺柱材料：40MnB 查表 4-7，常温下许用应力 196bMPa；70 设计温度下许用应力70183.5bMPa；170设计温度下许用应力170171bMPa；接管材料：10 号钢 查表 4-3，常温下许用应力 112bMPa；70 设计温度下许用应力70112bMPa；170 设计温度下许用应力170108bMPa 垫片材料：石棉橡胶板。表 9-2，垫片系数2.0m；比压力11y MPa；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170130tMPa；查表 F2,170设计温度下屈服应力170210sMPa；查表 F5，170金属温度下弹性模量170189000tEMPa；40金属温度下弹性模量40191750tEMPa；查表 F6，40金属温度平均线性膨胀系数611.048 10tmm/mm；word 文档 可自由复制编辑 5.4 管箱设计 由公式计算圆筒部分计算厚度：2citcp Dp （5-2）式中 计算厚度，mm cp计算压力，mm iD筒体内径，mm t设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa 焊接接头系数 0.5 2070.522 1700.85 0.52citcp Dp mm 设计厚度：20.52 22.52dC mm 参考文献，查得钢板负偏差10.25C mm。名义厚度：12.52 0.253ndC mm 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6nmm 比较合适。5.5 封头计算 设计中选择标准型椭圆封头，所以：计算厚度：0.5 2070.522 1700.85 0.5 0.520.5citcp Dp mm 设计厚度：word 文档 可自由复制编辑 20.52 22.52dC mm 按文献，选择钢板负偏差10.25C mm。所以名义厚度：12.52 0.253ndC mm 参考