毕业设计-传热传质学课程设计.doc

专业课程设计专业课程设计 固定管板式换热器设计固定管板式换热器设计 院院（系系、部部 ）：机械工程学院机械工程学院 专专 业：业：过程装备与控制工程过程装备与控制工程 班班 级：级：过过 063063 姓姓 名：名：岑学学岑学学 学学 号：号： 060345060345 指导老师指导老师: :雷俊勇、王中辉雷俊勇、王中辉 2010 年 1 月 5 日北京 目录目录 一一 设计参数设计参数2 二、热工艺设计二、热工艺设计2 1.估算传热面积估算传热面积2 2.工艺结构尺寸工艺结构尺寸3 三、三、 结构设计结构设计6 3.13.1 结构尺寸参数结构尺寸参数6 3.23.2 采用原件材料及数据采用原件材料及数据7 3.33.3 折流板折流板7 3.43.4 接管接管7 3.53.5 壳体和封头的设计壳体和封头的设计8 3.53.5 管板与换热管管板与换热管8 3.63.6 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接10 3.73.7 其他各部件结构其他各部件结构11 四、强度的计算与校核四、强度的计算与校核13 4.1 圆筒计算圆筒计算13 4.24.2 压力实验应力校核压力实验应力校核13 4.34.3 最大工作压力和计算应力最大工作压力和计算应力13 4.44.4 封头设计计算封头设计计算13 4.54.5 管板设计计算管板设计计算14 4.64.6 接管、接管法兰以及开孔补强接管、接管法兰以及开孔补强17 4.74.7 鞍座强度校核鞍座强度校核19 参参 考考 文文 献献21 一一 设计参数设计参数 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。故壳程石脑油的定性温度为 = (220+175)/2=197.5T 管程流体的定性温度为 t= (45+25)/2=35 查石油化工设计手册得设计温度下物料的物理性质参数如 下表(其中石脑油按汽油算)： 石脑油的物性参数(T=197.5) 水的物性参数（t=35） 密度：1=0.71103kg/m3 定压比热容:Cp1=2.13J/(kgK) 密度：2=993.95kg/m3 定压比热容:Cp2=4.174J/(kgK) - 壳 程 管 程 设计压力（MPa） 2.61.7 操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口） 设计温度（） 250 75 操作温度（） 220/175（进口/出口） 25/45（进口/出口） 流量（kg/h） 40000 选定 物料（-） 石脑油 冷却水 程数（个） 1 2 腐蚀余度（mm） 3 - 导热率：1=0.218W/(mK) 粘度：1=0.6410-3Pas 导热率：2=0.625W/(mK) 粘度：2=0.72710-3Pas 二、热工艺设计二、热工艺设计 1.估算传热面积估算传热面积 1.11.1 计算两流体的平均温度差计算两流体的平均温度差 先按单壳程、2 或 2n 管程进行计算，其逆流时的平均温度差为： t=162.18k 逆m 2 1 21 ln t t tt 25175 45220 ln2517545220 P=0.102 , 22 12 tt tt 4525 22025 CC CC R=2.25 11 22 tt tt 220175 4525 CC CC 按单壳层，双管程查温差修正系数表得: t=0.99 故有效平均温差 tm=ttm 逆=0.99162.18=160.56K 1.21.2 计算热流量及冷却水的流量计算热流量及冷却水的流量 热流量: =qm1cp1t1=40002.13(220-175) =3.834106kJ/h=1065kw 取热损失系数 C=0.97,则冷却水吸收的热量： 2=C=3.8341060.97=3.719 kJ/h=1033kw 冷却水用量： qm2=2/ cp2t2=3.719106/4.174(45- 25)=44549.59kg/h 1.31.3 估算传热面积估算传热面积 初选 K=680W/(m2K),由稳态传热基本方程得传热面积: A估=/Ktm=1033000/(680160.56)=9.46m2 2.2.工艺结构尺寸工艺结构尺寸 2.12.1 选择管径和管内流速选择管径和管内流速 选用 252.5mm 较高级冷拔传热管（碳钢） ，查换热器设 计手册表 1-2-7 得： 公称直径 DN（mm ） 管程数 nt（个） 管子根数 Nt（根） 中心 排管数 管程流通 面积（m2） 换热面积 （m2） 换热管长 度 L(mm) 400294110.014821.43000 排列形式：正三角形 管间距： =32mm 折流板间距： = 200 2.22.2 计算实际换热面积计算实际换热面积 实际换热面积 A实际=d(L-2-0.006)n =3.140.025(3-20.05-0.006)94=21.35m2 2.32.3 计算总传热系数计算总传热系数 管内冷却水速度： ui=Qi/Ai=44549.59/(3600993.950.0148)=0.84m/s 换热管内经 di=d0-2=0.025-20.0025=0.02m 雷诺数： Rei=uidi/=0.840.02993.95/0.000727=22968.86 对于湍流，由 Dittus Boelter 关系式，有传热膜系数： = 0.023 （）0.8 () 普朗特数： =41740.000727/0.625=4.86 = 由于冷却水要被加热,故取 n=0.4 管内传热膜系数 i=0.0230.625/0.0222968.860.84.860.4=4170.07W/(m2K) 管外传热膜系数 换热管呈正三角形排列，根据 Kern 法 当量直径：= = 4 (1 2 1 2 3 3 1 4 6 2 0) 3 6 0 1.10 2 0 0 = 1.10 0.0322 0.025 0.025 = 0.02 流体流过管间最大截面积是 = (1 0 ) 壳体内径估算为=0.37 =0.216.7 0.37 (1 25 32) = 10 32 =40000/(36007100.0167)=0.94m/s 0= 雷诺数：Re=uodo/=0.940.025710/0.00064=26070 普朗特数： = = 1500 0.0005 0.150 = 5 =21300.00064/0.218=6.25 壁温可视为流体平均温度，即： = 1 0.55 0 = 0.36 ( 0 ) 1 3 ( ) 0.4 o=0.36(0.218/0.02) (0.020.64710/0.00064)0.556.251/3 =1389.25W/(m2K) 查表GB151-1999 管壳式换热器得： 管外有机物污垢热阻：/W 0= 1.76 10 4(2 ) 管内冷却水污垢热阻：/W = 1.76 10 4(2 ) 插入法得到= 73 1 = 1 0 + 1 1 + 0+ + 式中：管外流体传热膜系数，W/(m2K)； 0 管内流体传热膜系数，W/(m2K)； , 分别为管外、管内流体污垢热阻，(m2K) /W； 0 管壁厚度，m； 管壁材料的导热系数，W/(m2K) o iiorr,w 1/K=1/1389.25+1/4170.07+1.7610-4+0.0025/73=1.169810- 3 K=1/1.169810-3=854.8 2.42.4 计算总换热面积计算总换热面积 由稳态传热基本方程： = A =/Ktm=1033000/(854.8160.56)=7.526m2 （1+25%）=9.41,符合选型要求 总 = 2 2.52.5 计算管程压力降计算管程压力降 管程压力降有三部分组成，可按照如下公式进行计算 =(+ )+ 流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa; -流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa; 流体流经管箱进出口的压力降，Pa; 结构矫正因素，无因次，对 252.5mm，取为 1.4； 管程数取 2； 串联的壳程数取 1; = ( 2 2) 根据伯拉修斯式，Re=3时有： 1031 105 =0.3164/22968.860.25=0.0257 pL=0.0257(2/0.02)(993.950.842/2)=901.21Pa pr=3(iui2/2)=3(993.950.842/2)=1051.997Pa = 1.5( 2 2 ) = 1.5 (994 0.4 2 2 ) = 119.3 pn=1.5(993.950.842/2)=526Pa pi=(901.21+1051.997) 1.421+5261=0.005594MPa 管程压力降在允许范围内 2.62.6 计算壳程压力降计算壳程压力降 采用埃索法计算公式： =(1+ 2) 式中：-流体横过管束的压力降，Pa; 1 -流体通过折流板缺口的压力降，Pa; 2 壳程压力降的结垢修正系数，无因此，对液体取 1.15; 其中： 1= (+ 1) 2 2 2= (3.5 2 ) 2 2 式中：F管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形 F=0.5; 壳程流体摩擦系数，当 Re500 时，; = 5.0 0.228 -横过管束中心线的管子数，对三角形排列; = 1.1 -按壳程流通截面积计算的流速，。 =5.026070-0.228=0.492 = 5.0 512000 0.228 = 0.25 = 1.1 94 = 10.66 0.2(0.3 = ( )= 0.2 (0.38 10.66 0.025) = 0.0243 7-10.660.025)=0.0207m3 =40000/(3600710 = = 40000 3600 0.0243 800 = 0.572 0.0207)=0.756m/s = 1 = 3000 200 1 = 14 =0.50.49210.66(14+1) 7100.7562/2 1= (+ 1) 2 2 =0.00798Mpa 143.5- 2= 14 (3.5 2 0.2 0.38 ) 800 0.5722 2 = 0.004 (20.2/0.37) 7100.7562/2=0.006871MPa =（0.00798+0.006871） = (0.004 + 0.003) 1.15 1 = 0.00805 1.151=0.01708MPa 因此，壳程压力降在允许范围内。 三、三、 结构设计结构设计 3.13.1 结构尺寸参数结构尺寸参数 a)根据换热器公称直径为 400mm，选用圆筒作为换热器壳体。 壳体圆筒：公称直径 DN=400mm，壁厚。 = 10 b)换热管：外径 d=25mm，壁厚，换热管长度，根数 = 2= 3000 n=94，受压失稳当量长度，换热管呈正三角形排列，管间距 = 2985 。 = 32 c)管板：刚度削弱系数，强度削弱系数。 = 0.4 = 0.4 d)螺栓：数量 n=16，规格 M27，30mm 有效承载面积： 2 = （换热器设计手册 ） = 2 2 4 = 706.952 e)管箱法兰：采用 GB/T9113.2_2000，凹凸面整体钢制管法兰 法兰外径 ，螺栓孔径中心圆直径，法兰厚度 C=32mm，管箱 = 580= 525 圆筒厚度，法兰宽度： = 10 = ( ) 2 = 100 3.23.2 采用原件材料及数据采用原件材料及数据 a)换热管材料：碳素钢钢管 20 设计温度下的许用应力 75 = 130 设计温度下的屈服点 75 = 245 设计温度下的弹性模量(GB150-89,表 15) 75 = 186000 管壁温度下的弹性模量 = 191000 管壁温度下的膨胀系数 = 11.12 10 6/( ) b)壳程圆筒材料：碳素钢 Q235-B 250设计温度下的许用应力 = 94 圆筒在壁温下的弹性模量Mpa = 183000 圆筒在壁温下的线膨胀系数mm/ = 12.25 10 6 ( ) c)管板材料：16Mn 250设计温度下的许用应力 = 125 250设计温度下的弹性模量 = 190000 d)螺栓材料：40Cr（GB150-1989 表 2-7） 常温下许用应力 = 212 250设计温度下的许用应力 = 162 e)管箱法兰材料：16Mn 由于管箱法兰为长颈对焊法兰，管箱圆筒材料弹性模量取管箱法兰材料的 值，根据 GB150-1989 250下的弹性模量 = 190000 75下的弹性模量 “ = 204000 f)垫片材料：铁包石棉垫片 根据 GB150-1998，垫片系数 m=2，比压 y=11Mpa 3.33.3 折流板折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%,则切去的圆缺 高度为： 100mm40025 . 0 h 折流板数 NB=14 块1 200 3000 1 折流板间距 传热管长 3.43.4 接管接管 壳程流体进出口接管： 接管内流速 uo=0.756m/s,则接管内径为 m u V D o 162 . 0 756 . 0 14 . 3 )7103600/(4000044 1 圆整后取 170mm 管程流体进出口接管： 接管内流速 uo=0.84m/s m u V D o 01374 . 0 84 . 0 14. 3 )95.9933600/(44549.5944 1 圆整后取 140mm 3.53.5 壳体和封头的设计壳体和封头的设计 3.3.13.3.1 壳体的设计壳体的设计 a)圆筒公称直径 由计算知，圆筒的公称直径为 400mm 400mm，采用卷制圆筒。 b)圆筒厚度 圆筒的最小厚度应按 GB150-1989 计算，但不得小于表 3-1 规定。 表 3-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 mm 公称直径公称直径 400400700 固定管板式固定管板式 6 如上表按附加量圆整取最小厚度为10mm 表 2-2 壳体、管箱壳体厚度 mm DNDN（mmmm ） 材料材料 壳程或管程公称压力壳程或管程公称压力 PN,MPaPN,MPa 0.61.01.62.54.06.4 Q235-A/B/C 8888- 40040016MnR 88881012 1Cr18Ni9Ti 44461014 对应壳体、管箱壳体厚度也取 10mm 3.3.23.3.2 封头设计封头设计 按工作原理，设计封头应为受内压的椭圆形封头，采用长轴与短轴比为 2 的标准型封头。 椭圆形封头是由半个椭圆球和具有高度 h 的圆筒（即封头直边）构成，直 边的作用是避免筒体与封头连接的还焊缝受到边缘应力的影响。 封头厚度（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的 0.3%。 由表 3-3，取封头厚度为 10mm 3.53.5 管板与换热管管板与换热管 3.5.1 管板 3.5.1.1 材料：16MnR 3.5.1.2 厚度 根据设计要求，当采用先胀后焊连接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀 裕量）见表 3-5；取（包括腐蚀裕量） 。 = 202= 3 换热管外径换热管外径0 25 252550 50 最小厚度最小厚度 用于易燃易爆及有毒介质等场合 0 用于无害介质的用于无害介质的 一般场合一般场合 0.70 0.70 0.650 2.5.1.3布管 a) 换热管的排列形式，见图2-3，本设计选择三角形错列形式 图 2-3 布管形式 b)换热管中心距 换热管中心距一般不小于 1.25 倍的换热管外径。常用换热管外径如换热 器设计手册表 1-6-16，即表 3-6 所示： 根据表中要求选取换热管中心距为 S=32mm 表 3-6 换热管中心距 mm 换热管外径换热管外径d d 2525 换热管中心距换热管中心距S S 32 分程隔板槽两相邻管中心距分程隔板槽两相邻管中心距0 44 c)布管限定圆：布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径 表 3-7 布管限定圆 mm 换热器形式换热器形式固定管板式、固定管板式、U U 型管型管 式式 浮头式浮头式 布管限定圆布管限定圆 23 (1+ 2+ ) 表中：b b见图 2-4，其值按表 2-8 选取，mm -见图 2-4，其值按表 2-9 选取，mm 1 -见图 2-4，mm 22= + 1.5 -固定管板式换热器或 U 型管换热器管束最外层换热管表面至壳体 3 内壁的最短距离，且不小于 10mm 3= 0.25 垫片宽度，其值按表 2-9 选取，mm 图 3-4 布管示意图 除了考虑布管限定圆直径外，换热管与防冲板间的距离也需考虑。通常， 换热管外表面与邻近防冲板表面间的距离，最小为 6 mm。换热管中心线与防 冲板板厚中心线或上表面之间的距离，最大为换热管中心距的倍。 3/2 表 3-8 不同的 b 值 mm b b 3 10002600 4 表 3-9 700 10 3 700 13 4 从表中可得：选取 b=5mm,mm,=15mm，=10mm 1= 33 ,392-2 10=372mm 2= + 1.5 = 16.6 = 23= d)管程分程：经压力降设计，采用双管程结构。 e)壳程进出口处的布管：应考虑壳体内壁与管束之间的流通面 积和介质进出口管处的流通面积相当。 3.5.2 管孔 换热器的换热管和管孔直径允许偏差按 GB151-1999 规定： 换热管，管孔 = 25 + 0.4 0.4 = 25.40 + 0.2 0 a)拉杆孔：拉杆与管板采用螺纹连接 螺孔深度：，其中为拉杆螺孔公称直径。 2= 1.5 b) 管板密封面：管板与法兰连接的结构尺寸及制造、检验要求 等按 JB1157-1163-82压力容器法兰的规定。 3.5.3 换热管 a)换热管长度选用：3000mm b)换热器的规格和尺寸偏差：按 GB8164-87输送流体用无缝钢管的规定， 常用规格如表 3-10 表 3-10 常用换热管的规格和尺寸偏差(材料：碳钢) 换热管标准换热管标准 管子规格管子规格 高精度、较宽精高精度、较宽精 度度 普通精度普通精度 外径 厚度 外径偏差 壁厚偏差 外径偏差 壁厚偏差 GB/T8163 2.0 +15% 14302.5 0.20 12% 0.40 GB-9948 2.5 -10% -10% 30503.0 0.20 0.45 选型选型 5757 3.53.5 +12%+12% - - 0.8% 10% 1.0% 10%10% 选用普通精度的标准，。 25 + 0.4 0.4，其中厚度偏差为 + 15% 10% 3.63.6 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 管板与壳体连接形式分为两类，一是不可拆的，如固定管板式，管板与壳体 使用焊接连接。二是可拆式，如 U 型管，浮头及填料函式管板式换热器。 3.6.1 3.6.1.1 根据设计要求，换热管与管板的连接采用焊接。 3.6.1.2 结构尺寸：按表3-11，3-12的规定 表3-11 换热管外伸长度 mm 换热管外径换热管外径 d d 161625 伸出长度伸出长度3 + 2 槽槽 深深 K K 0.5 表3-12换热管外伸长度 mm 换热管规格换热管规格外径外径2525 壁厚： 2 换热管最小伸出长度换热管最小伸出长度 =1.5 1 =2.5 2 槽深槽深 K K 2 2 3.73.7其他各部件结构其他各部件结构 3.7.1折流板和支持板常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种， 本设计中采用25%的单弓形折流板，如图2-5 图2-5 单弓形介质流动图 3.7.2 拉杆、定距管 3.7.2.1 拉杆的结构形式：常用的拉杆形式有两种，由于换热管的外径 等于 25mm19mm，故本设计选用拉杆定距结构，如图 3-7 图 3-7 拉杆定距管结构 3.7.2.2 拉杆的尺寸：如图 3-8 图 3-8 表 3-16 拉杆的尺寸 mm 拉杆直径拉杆直径 d d 拉杆螺纹公称直径拉杆螺纹公称直径 1010 10 13 40 12121215 40 16161620 60 a)拉杆尺寸通过图 3-8，表 3-16 确定 b) 拉杆的长度L按换热器管长需要设定 c) 拉杆的布置应尽量布置在管束的外边缘 3.7.2.3 拉杆的直径和数量：按表 3-17，表 3-18 选用 表 3-17 拉杆直径选用表 mm 换热管外径换热管外径 d d 2525 57 拉杆直径拉杆直径 16 表 3-18 拉杆数量选用表 拉杆直径拉杆直径 dd公称直径公称直径 DNDN 400 所以换热管的稳定需用应力为： = 2 2 (/)2 = 186000 3.142 2 (2978.8/8)2 = 3.3 6.4mm 时，b=mmb31.112053 . 2 53 . 2 0 垫片压紧力作用中心圆直径：mmDG38.42131.112444 b) 面积计算 隔板槽两侧换热管之间管排中心距 Sn=32mm 邻近隔板槽一侧的一排换 热管根数=12，管间距 S=32 mm 对于三角形排列，布管区未能被换热管支 承的面积: = ( 0.866)= 12 32 (32 0.866 32) = 1646.62 壳程圆筒内径面积： = 0.7852 = 0.785 3802= 1133542 壳程圆筒金属横截面积： = (+ )= 3.14 12 (380 + 12)= 14770.562 查 GB151-1989 附录 H，一根换热管金属横截面积 a=144.51mm2。 则有：na=94 144.51=13583.94mm2 管板开孔后面积： mm2 1= 0.7852= 113354 0.785 94 252= 67235.25 c)管板布管区域当量直径管板区域面积： = 0.8662+ = 0.866 94 322+ 1646.6 = 86929.42 布管区当量直径： = 41/= 4 67235.25/3.14 = 332.77 管板布管区当量直径与壳体内径之比： = = 332.77 380 = 0.876 d)系数计算 = = 13583.94 67235.25 = 0.202 = 1 = 67235.25 113354 = 0.593 = = 191000 13583.94 183000 14770.56 = 0.96 = 0.4 + 0.6(1 + ) = 0.4 + 0.6 (1 + 0.96) 0.593 = 2.373 = 0.4(1 + ) + 0.6(1 + /) = 0.4 (1 + 0.202) + 0.6 (1 + 0.96/0.593) = 2.052 按 GB150 第 7 章，53 . 1 380/580/ if DDK 查表 7-5，壳体法兰应力参数 Y=4.75 4.5.3 法兰力矩算 基本法兰计算力矩 Mm：查 GB150-89 表 7-2 得： y=11，m=2.0 预紧状态 下需要的最小螺栓载荷按下式计算： = 3.14 = 3.14 421.38 11.31 11 = 1.65 105 操作状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算： =(0.785 + 6.28)= (0.785 421.38 1.7 + 6.28 11.31 2) 1.7 421.38 = 5.05 105 预紧状态下需要的最小螺栓面积按下式计算： = = 1.65 105212 = 778.32 操作状态下需要的最小螺栓面积按下式计算： = = 5.05 105181.4 = 2783.92 需要的螺栓面积取较大值，即 = = 2783.92 实际使用的螺栓总面积： = = 706.5 16 = 113042 法兰力矩的力臂： = ( ) 2 = (525 421.38) 2 = 51.81 基本法兰力矩： = = 2783.9 51.81 212 = 30.58 106 4.5.4 管程压力操作工况下法兰力拒Mp 螺栓中心至作用位置处的径向距离: = ( ) 2 = (525 380) 2 = 72.5 螺栓中心至作用位置处的径向距离： = 51.81 螺栓中心至作用位置处的径向距离： =(+ )2 = (72.5 + 51.81) 2 = 62.155 作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力： = 0.7852 = 0.785 332.77 2 1.7 = 1.5 105 流体静压总轴向力-作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力： = 0.785( 2 )= 0.785 (421.38 2 3802) 1.7 =