U型管换热器设计说明书

1、.流体流量进口温度出口温度压力煤油?180401MPa10 ? ?水?20400.5MPa? ?一热力计算1. 换热量计算Q = ?1 ?1 ?( ?1 -?2)10000= 3600 ?2100 ?( 180 - 40)= 817.32?/ ?2. 冷却剂用量计算?2 = ?2 ?( ?1 - ?2)817.32 ?1000= 4183?( 40 - 20)= 9.77?/ ?由于水的压力较之煤油较大，黏度较之煤油也较大，所以选择水为壳程，煤油为管程。3. 换热面积估算? ?1 = | ?1 - ?2| = 140 ? ?2 = |?2 - ?1| = 20 ?1 -? ?2140 -20?

2、 ? =?1=?140 = 61.67?220? ? 按纯逆流时计算的对数平均温差? ? = ? ? ? ? ? 温差矫正系数? ? = ?（?. ?）热流体的温降?1-?2180 - 40R = ?1-?2=40-20=7冷流体的温升冷流体温升?2 -?140- 20P = ?1-1 =80 - 20 = 0.16两流体的初始温差?查图Q= 817.32?/ ?2 = 9.77?/ ?.? ? = 52.4得 ? t=0.85? ? = 0.85 ?61.67 = 52.4传热面积估算： ? = ? ?取传热系数： K=450A =817.32 ×103450 ×52.4

3、= 34.7取安全系数0.1 ：2A = 38.13mm4 管径，管长，管数确定：由流量确定管数：n =?2 ?4 ? ?u 管程流体流速,? ? 管程流体体积流量3, ? ? 换热管径，?煤油在管中的流速为 0.81 ，取管程流体流速u?= 1? ?常用换热管为 ?= 25mm与? = 19mm选用外径 ? = 15?换热管。管程流体体积流量可由煤油的要求流量的出：.3? =2 78800= 0.00347?.n =0 00347= 19.64? .2?取管数n = 2040 0151由换热面积确定管程数和管长：由于是 U 型管换热器，由GB151-1999 管壳式换热器查得有2， 4A=3

4、8.13 ?2n=20N=4.两种管程可选。L=8m初选管程为4?L = ? ? ? ?0L - - 单程管长 ,?A- 换热面积 , ?2n - - 管数N- - 管程数? - - 换热管外径 , ?38.13L = 20 ?4 ? ?0.019 = 7.98?考虑到常用管为 9m管，为生产加工方便，选用单程管长 8m 又考虑到单程管长 8m 会使得换热器较长，在选取换热器壳体径时，尽量选取较大的，以保证安全，因此换热器部空间较大，故选用较为宽松的正方形排布。? = 25? = 38?换热管材料由于管程压力大于 0.6 MPa,不允许使用焊接钢管，故选择无缝冷拔钢管。按照GB 151 管壳式

5、换热器1999 选取常用管心距? =25?；分程隔板两侧管心距? = 38?按下图作正方形排列布管限定圆? = 390mm圆筒工程直径DN=400选择布管限定圆直径? = ? - 0.5? = 400 - 10 = 390mm由布管限定圆从 GB1511999管壳式换热器中选定工程直径 DN= 400mm的卷制圆筒，查得碳素钢，低合金钢圆筒最小厚度不得小于 8mm，高合金钢圆筒最小厚度不得小于3.5mm圆筒厚度计算：选用壳体材料为现在工业生产中压力容器的常用材料 Q345R，为一种低合金钢。按 GB150.1.4-2011压力容器中圆筒厚度计算公式：.? ? =|?2 ? ? - ? - -

6、圆筒计算厚度 ? - -计算压力， ? - 圆筒径， ? = 8mm| |- -设计温度下圆筒材料的许用应力，?计算压力 ? = .? -焊接接头系数折流板间距0 5?圆筒径由选定的圆筒公称直径得? = 400?200mm设计温度下的圆筒材料的许用应力由选定的材料Q345R 从GB150.2 中查得 |?= 189?焊接接头系数 ? = 0.850.5 ×400 = 2 ×189 ×0.85 - 0.5 = 0.623由于壳程流体为水， 不会产生较严重的腐蚀，选取腐蚀yu 量 ?2 =2?又由于 Q345R在公称直径为400mm是可选取得最小厚度为8mm，则选择圆

7、筒厚度为8mm折流板间距：折流板间距一般不小于圆筒径的五分之一且不小于50mm；因此取折流板间距为200mm核算传热系数：由 GB151 1999 管壳式换热器得到包括污垢在的， 以换热管外表面积为基准的总传热系数 K 的计算公式 :1111? = ( ?0 + ? ) ? + ? + ? ( ?) + ?(?)? - - 总传热系数， ? ?2 ?2?0 - 管外流体给热系数， ? ? - 管流体给热系数， ? ?2 ? - - 管外污垢热阻， ?2 ? ?2? - - 管污垢热阻， ? ? ? - - 用管外表面表示的管壁热阻，如有延伸表面，2? 翅化比，采用光管时 ?= 1管外流体给热系

8、数?:?水? = 0.36 ?水 -10.553? ( ?- 水导热系数0.14)? - - 当量直径，? - - 管外流动雷诺数? - - 壳程流体的普朗特数? - - 定性温度下的流体粘度，? - - 壁温下流体的粘度.4×( 0.5? ×0.866? - 0.5 ×?2)? =?424×( 0.5 ×0.025 ×0.866 ×0.025 - 0.5 ×?0.0192)4=?0.0192= 0.017? ? ? =?查得定性温度下流体的粘度为8×10- 4? ?壁温下流体的粘度1004? =0.01

9、7 ?1004 ?0.995= 2.12 ×104-48 ×10查得壳程流体的普朗克数? = 4.86查得水的导热系数?水 = 0.6252.0.551.0.140 6252801 2? = 0.36 × 0.017 ×( 2.12 ×104)×4.863×( 1004)= 5139.71管流体给热系数 ?：?煤油0.80.3?煤油 ? ? ? = 0.? ?(?)?( ?煤油)查得煤油的导热系数?煤油 = 0.12? ? ?3查得煤油的密度?煤油 = 800? ?管流体的流速 ? = 1 ?煤油的粘度煤油的比热换热管的径?

10、= 7×10-4? = 2.1 ×103? = 0.015?800 ×0.015 ×1 0.80.12? = 0. ××(- 4).0 0157 ×102.1 ×103 ×7 ×10-0.3×(40.12)= 945.18在总传热系数计算公式中，? 可看作 ?管外流体的污垢热阻? = .×10-5?2? ?17 62管流体的污垢热阻- 5? = 17.6 ×10? ?用外表面表示的管壁热阻 ? = 2? ?( ? - 2?).? 光管外径， ? 换热管材料导热系数，

11、 ? (? ?)?换热管壁厚，?K=483?( ?2? )? 查 GB151 1999 管壳式换热器得换热管材料导热系数? =?()20.4 ? ? ? =0.019×?(0.019) = 0.000112 ×20.40.019 -2 ×0.002总传热系数：1= (1+ 17.6 ×10- 5 )×1 +0.00011 +1×(0.019?5139.71945.18)0.015+ 17.6 ×10-5×(0.0190.00207) =0.015K= 483? (?2?)初选 K 值为 450817.32×

12、;103817.32×103| 483×52.4 -450×52.4 |相对误差 =|?- ? |?=817.32×103= 0.07处于相对许可围450×52.4壁温计算：?假设 ?冷 ?热 = ?热 -?+ ? ( ?热 - ?冷 )?.()513971= 110-. +.0.015110 -305139 7194518 .0 019= 66.3换热面积裕度：? - ? =? 所需传热面积， ?2? 实际传热面积，2?2? = 20 ×? ×0.019 ×8 ×4 = 38.20?. -.38 203

13、2 29 = 0.1832.29换热面积裕度符合要求压降计算：(1) 管程阻力计算：? =? + ? +? - - 管程总阻力，? - 沿程阻力，? ? - - 回转阻力， ? ? - - 进出口接管阻力，?沿程阻力?可按下式计算2? ? ? = ? ?2? 莫迪圆管摩擦系数.? 圆管径，? 管程总长 ,? 管流体在平均温度下的密度，? 管流体流速， ? ? 管流体粘度校正因子莫迪圆管摩擦系数：莫迪圆管系数可由管流体雷诺数得到管流体雷诺数：? =? ? ?0.015 ×1 ×800>4000=0.7 ×10- 3?管为湍流。用公式 :12?其中 ? 取0.1

14、5= 1.74 - 2?( )?12 ×0.15= 1.74 - 2?(15)?得 = 0.04管粘度校正因子取 1.0516800 × 12? = 0.04 ×0.015 ×2×1.05 = 17920回弯阻力可由下式得到：? ?2? = 4 ?2? 管程数? = 4 ×800×12×4 = 64002进出口接管阻力：? ?2? = 1.5 ?2? 管外流体流速，? =?905?= 995 = 0.91? ? ? =800 ×0.912= 311.241.5 ×2管程总阻力 :? = 1792

15、0+ 6400 + 311.24 = 24631?< 0.035MPa管程压降符合要求壳程压降计算：?- 0.14 ? ?2? ? = 0.816? ?( ?)?( ?) ?( ?)2? 壳程流体流速, ? ? 壳体径， ? 壳体当量直径，? 折流板间距， ? 壳程摩擦因子.? =0.0.48800 ×0.912? ? = 0.816 ×0.04 ×. ×.×1.05 ×00 22= 3561 < 0.035?壳程压降符合要求机械设计一管箱设计计算管箱有封头，管箱短节，法兰，分程隔板等零件组成。1. 封头设计及厚度计算。由

16、于椭圆封头经线曲率变化平滑，应力分布均匀，且椭圆形封头较半球形封头深度小得多，易于冲压成形，是目前最常用的封头之一，故次换热器采用标准椭圆形封头。对于标准椭圆封头， K=1厚度计算公式为：pcD i2t0.5 pcpc 设计压力，MPaDi 圆筒内径，mmt 许用应力，MPa焊接接头系数封头材料选用与圆筒材料相同的在压力容器中最常用的材料Q345R其在使用温度下的许用应力可由过程设备设计附录D 中封头厚度查得t189MPa8mm焊接接头系数取0.850.5400短节厚度21890.850.50.50.623 mm8mm又封头厚度因与筒体厚度相同以减少焊接所产生的应力，最终取封头厚度为8mm2.

17、管箱短节设计：（ 1）管箱短节厚度设计：管箱短节厚度与筒体厚度相同，8mm（ 2）管箱的最小侧深度：由 GB150 1998 规定：a. 轴向开口的单程管箱，开口中心处的最小深度应不小于接管径的 1 3管箱深度300mmb. 多管程管箱的侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积的 1.3 倍；当操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。两程之间的最小流通面积是指管箱被平行于地面的平面.所剖开所形成的截面积；每程换热管流通面积是指同一管程的换热管管截面所形成的面积之和。由于由计算所求得的管箱深度太小，故根据各方面需要取300mm3. 分程隔板：由 GB151 1999 管壳式换

18、热器得，分程隔板的最小厚度不应小于下表分程隔板厚度8mm因分程隔板两侧无明显压差，分程隔板可按上表选取。分程隔板选材为Q235，属碳素钢， 故取分程隔板厚度为8mm二接管管径设计：1. 煤油进出口管径：进出口管径可由公式：4 V煤油进出口管径70mmdu水进出口管径V液体的体积流量100mmu液体的流速40.003470.07md煤油12. 水进出口管径：40. 00814d水0. 1m0. 91三容器法兰选取及校核由 NB/T 47020 2012 选取长颈对焊法兰，密封面采用全平面密封，法兰采用锻件，材料选用20 号钢。垫片选择石棉像胶板，厚度为 3mm，垫片系数m=3.50，比压力y=4

19、4.8 MPa1. 垫片设计计算垫片压紧力：由过程设备设计查得下列公式计算垫片压紧力：? = ? 预紧状态下，需要的最小垫片压紧力，? 垫片有效密封宽度， ?D? 垫片压紧力作用中心圆计算直径，? ；当密封基本宽度 ? 6.4? 时，?等于垫片接触的平均直径当密封基本宽度 ? > 6.4? 时，?等于垫片接触的外径减去2?.? 垫片压力比， ?由 NB/T 47020 47027 2012 查得垫片宽度N=22mm，由此的垫片密封基本宽度? =，垫片有效密封宽度b=11?2.53?= 2.53×8.39?， 则?454 -11 =? =2 ×8.39 = 437.22

20、? = ? ×437.22 × 8.39 ×44.8 = 5.2 ×105 ?操作时需要的压紧力有操作密封比压引起，由于原始定义m时是取2 倍垫片有效接触面积上的压紧载荷等于操作压力的m 倍，所以计算时操作密封比压应为2? ，则 ? =2? 操作状态下，需要的最小垫片压紧力，? 垫片系数? 计算压力，? = 2 ×? ×437.22 ×8.39 ×3.5 ×0.6 =48402?2. 螺栓设计计算：螺栓材料选择 40Cr。（ 1）螺栓载荷：预紧状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：? = ? = 5.2 &

21、#215;105?操作状态下需要的最小螺栓载荷计算：压引起的轴向力按下式计算：? = 0.785?2? = 0.785 ×437.222 ×0.5 = 75031?最小螺栓载荷按下式计算：? = ? + ? = 75031+ 48402= 123433?（ 2）螺栓面积：螺栓面积按下列规定确定a. 预紧状态下需要的最小螺栓面积按下式计算：? = ? ? 室温下螺栓材料的许用应力 从 GB150.2 查得 40Cr 在室温下的许用应力 : ? = 196?.×1055 22? =196= 2653?操作状态下所需的最小螺栓面积按下式计算：? =? ? ? 设计温度下

22、螺栓材料的许用应力，从 GB150.2 查得 40Cr 在 40下的许用应力:?.1234332? = 664?2取其中面积较大者? = 2653?（ 3）螺栓设计载荷螺栓设计载荷按下列规定确定：a.预紧状态螺栓设计载荷按下式计算：? + ? =2b. 操作状态螺栓设计载荷按下式计算：? = ?2? 需要的螺栓总面积，? 实际使用的螺栓总面积，2?由所需螺栓直径和个数：? = 4? 螺纹根径或螺栓最小截面直径，? 所需螺栓个数此处需要确定直径与个数其中之一的数值，由筒体外径查 NB/T 47020 47027 2012 得螺栓使用个数为 204×2653将其带入上式 ? = ?

23、15;20 = 13?由 NB/T 47020 47027 2012 查得所用螺栓为M20螺栓符合要求。3. 法兰选用与校核（ 1）法兰的相关标注如下图由 NB/T4702047027-2012 查得长颈对焊法兰如下图所示：.D=565mmL=26mm螺栓 M24C=26mm?1 = 411? = 456? = 12? = 57?其中：公称直径DN= 400mm法兰外径 D = 540mm螺孔中心圆直径?1 = 500?密封圆外径 ?3 = 455?法兰厚度 = 34mm法兰高度H = 95mm法兰颈高h = 25mm法兰颈 ?2 = 22?法兰颈 ?1 = 12?螺孔直径d = 23mm过渡

24、圆角R = 12mm（ 2）由上述数据可得 ?=?- ?540- 444= 48?2=2LD = ? + 0.5?1 = 39mm? + ?1 + ?= 49? =2（ 3）预紧状态下的法兰力矩按下式计算：? + ? ?LG? =22? 需要的螺栓总面积，? 实际使用的螺栓总面积，2?（ 4）由机械设计手册查得M20的小径为 17.29 mm由此可得实际使用的螺栓总面积? = 17.292 ×0.25 ×? ×20 =4695?2? = 2653 + 4695×196×48=.× 7? ?23 410（ 5）操作状态的法兰力矩计算：作

25、用于法兰径截面上压引起的轴向力F?由下式计算：F ? =0.785?2? ?F? = 0.785 ×4002 ×0.5 = 62800压引起的总轴向力 F 与经截面上的轴向力F ?之差 ?按下式计算：.? = ? - F? = 70502- 62800 = 7702N法兰力矩按下式计算：? = ? + ? + ? = 39 ×62800+ 48 × 4.5 ×105 + 49 ×7702= 2.4 ×107? ?（ 6）法兰材料选取管法兰一般选用锻件或铸件，不推荐钢板制造因此选用16Mn（ 7）法兰设计力矩法兰设计力矩按下式

26、计算并去最大值 ? ? ? ? ? 设计温度下法兰才料的许用应力，?室温下法兰材料的许用应力，? 由过程设备设计查得 ? = 150MPa? ? = 178?7? = 3.4 ×10 ? ? = 2.4 ×107? ?则 ? = 3.4 ×107? ?（ 8）法兰应力a) 轴向应力按下式计算：? =?12? + 1?13 =+ ?1?e =? = ?2?1 = ? ? 法兰颈部小端有效厚度，?1 法兰颈部大端有效厚度，?得? = 8?1 = 22? = 34?1? = 2.75由于 ? < 20，以 ?1代替 ?1 = ? + ? = 400 + 8 = 4

27、08? = 408 ×8 = 57? = 25? 25? = 57 = 0.44.由 GB150.3-2011 查得 ? = 0.95T， U 可由参数K 从 GB150.3-2011 查得K法兰外径与经的比值? 540K= ?= 400 = 1.351则 T=1.78 f=0.118 U=7.28 Z=3.43Y=6.63?1 = 0.430.950.017e =57=?2.3?1=7 28?1? =0.43×57 ×82 = 61761?34 ×0.017 +1223 =+ 61761 =1.061.78?0.118 ×3.4 ×

28、107= 19.55?1.06 ×222 ×400b) 径向应力按下式计算：( 1.33? + 1) ? =?2?( .×34× .+ )×.×71 330 01713 410? =1.06 ×342×408= 120.29?c) 环向应力按下式计算：? = ?2? -?6.63 ×3.4 ×107? =- 3.43 ×120.29 = 65.35?342×408（ 9）应力校核a) 轴向应力? min( 1.5 ? ?,2.5 ? ?)?1.5 ×150 =225

29、?1.5? =?=2.5 ×180 =450?2.5 ? = 19.55?< 1.5 ? ?轴向应力校核合格b) 径向应力? ? ? = 120.29?< ? ?径向应力合格c) 环向应力? ? ? = 65.35? ?环向应力合格d) 组合应力? + ? ?2? + ? ?2.19.55 + 120.29 = 69.92 ?219.55 + 65.35 = 42.45 ?2组合应力合格4. 管板设计计算（ 1）管板形式选择：管板形式选择a 型：管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接。管板形式如下图：（ 2）管板计算按照 GB151 1999 管壳式换热器中 a 型连接方式

30、管板的计算步骤进行下列计算。a) 根据布管尺寸计算 ?，?，? 在布管区围，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支撑的面积，2?对于正方形排布 ()? = ? ? ? - ? 沿隔板槽一侧的排管根数? 换热管中心距， ? 隔板槽两侧相邻管中心距，? =26 ×25 ×( 38 - 25) = 1950?2? 管板布管区面积，?正方形排布：2? = 2? + ? = 2×40 ×252+ 19502= 51950?.2? 管板布管区当量直径，?4? = ?4×51950? = = 257.18?2?b) 计算 ?，以 1?查图或查表得到

31、? 布管区当量直径与直径 2?之比? = 1查得 ? = 0.3c) 管板材料选择管板材料选择压力容器中常用的Q345Bd) 管板计算厚度? = 0.82 ? ? ? ? = 0.82 ×423.82 ×0.3 ×0.5= 15.48?0.4 ×189e) 换热管轴向应力?2? = - ( ? -?) 4? - ?a 一根换热管管壁金属的横截面积，?2? 换热管外径， ?a = ( 0.0192 -0.0152) = 0.00043? ×0.019? = - ( 0.5 - 1) 4 ×0.00043 = 17.35? ? = 189

32、?（ 3）. 管板名义厚度根据 GB151 1999 管壳式换热器，管板的名义厚度不小于下列三者之和：I 管板的计算厚度或最小厚度，取较大值II 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取较大值III 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取较大值由于垫片宽度为 3mm，则开槽取 4mm。壳程侧隔板槽深 4mm，管程隔板槽深 4mm。 = 15.6 + 4 + 4 = 23.6mm圆整为 24mm（ 4）. 管板直径根据容器法兰相关参数需要，取管板直径D=473mm考虑到金属的热膨胀尺寸，可由微小负偏差，但不允许有正偏差。（ 5）. 管板连接设计管板厚度24mm管板直径473mm.由之前热力计算部分以确定布管方式

33、选用正方形排布， 布管限定圆直径 ? = 390?，由 GB151 1999 管壳式换热器，查得对于 19 ×2?换热管的管孔直径为 19.25?，正偏差0.15?，负偏差为 0，管孔直径为 ?19+00.15mm。5. 折流板设计计算：折流板的结构设计，是根据工艺过程及要求来确定，折流板的作用主要是为了增加管间流速，提高传热效果。同时设计折流板对于卧式换热器的换热管有一定支撑作用，当换热管过长，而管子承受的压应力过大时，在满足换热器壳程允许压降的情况下，增加折流板的数量，减小折流板的间距，对缓解换热管的受力形况和防止流体流动诱发振动有一定作用。（ 1） 折流板缺口高度弓形折流板缺口

34、高度使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占圆筒直径的百分比确定，单弓形折流板缺口见下图，缺口弦高h，宜取0.200.45倍的圆筒直径。折流板厚度5mm取折流板缺口弦高h 为 0.25倍的圆筒径，即h = 0.25 ×400 = 100mm（ 2）折流板厚度之前热力计算中已经确定折流板间距为200mm，查得径400mm的圆筒折流板最小厚度为4mm，取折流板厚度为 5mm（ 3）折流板管孔由 GB151 1999 管壳式换热器规定， 管孔直径d = ?0 +0.7= 19 + 0.7=19.7mm，允许正偏差为0.3 ，负偏差为 0，即管孔为 ? = 19.7+ 00.30（ 4） 折流板的固定折流板的固定一般采用拉杆与定距管等原件与管板固定，其固定形式由一下几种：a.采用全焊接法， 拉杆一段插入管板并与管板固定， 每块折流板与拉杆焊接固定。.b.拉杆一段用螺纹拧入管板， 每块折流板之间用定距管拉杆直径固定，每一拉杆上最后一块折流板