U型管换热器设计说明书

1、流体流里进口温度出口温度压力煤油|iot/h|i8or|4orIMPa水?词0.SMPaQ=817.32KJ；一.热力计算1.换热量计算10000诙2皿-倾-如=filTKJ/s2.冷却剂用量计算IVIP=r(t.-t)FILLL"I817,32LOO。-41&3-也-20彳|=土77KJ/昌|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=/Tj一tg/=1H1(140-20110-61.67t：一一按纯逆流时计箕的对数砰坊走堇温差游王泵数£AL-<l>(KP)|_流体的温降_G、弓_的-40'-

2、冷流体的温升-t.-t3-40-20冷流体温升_上一h_如-20两流体的初始暮二L-弓三前*ifl1-4薜联H正联招得e?t=0.852A=38.13WAtm=0.85-61.67=52/QA二；传热面积估算：'取传热系数：K=450i817.32XIQA二347r450X52,4'取安全系数0.1:A=38.13mm2-d-U4管径，管长，管数确定：由流量确定管数：11n=20N=4u二管窟床克速疝|vL管程遣体体职流量化换热管夜胡煤油在管中的流速为0.81,取管程流体流速u三1"庞常用换热管为巾三25皿与巾二1臧选用外径"眦I换热管。管程流体体积流量可由

3、煤油的要求流量的出：k="OO347m3/soUUL=8m0.00347n=9.6n2一0.01514取管数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2,4两种管程可选。-25mm比38nun9A换热面SCtiT|n“管歉X一蕾程数|d口一换热管外径疝3顼厄匚匚（布7林考虑到常用管为9m管，为生产加工方便，选用单程管长8m布管限定圆"-390mn圆筒工程直径DN=400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。换热管材料由于管程压力大

4、于0.6MPa不允许使用焊接钢管，故选择无缝冷拔钢管。按照GA151管壳式换热器1999选取常用管心距的一2m项；分程隔板两侧管心距按下图作正方形排列选择布管限定圆直径由布管限定圆从GB15"1999»管壳式换热器中选定工程直径心三坦丝的卷制圆筒，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：5IS储计?Vtnm土一计箪压力，即岫pi圆筒径，runl/o/-设计温度下原筏材料的许用应力，将*-青

5、接肇买套数计算压力圆筒径由选定的圆筒公称直径得°顼心皿设计温度下的圆筒材料的许用应力由选定的材料Q345双GB150.2中查得|亳'-189MPa焊接接头系数。二。.850.5X旬0S=0,6232X189X0.85-0.5由于壳程流体为水，不会产生较严重的腐蚀，选取腐蚀yu量!=2nun又由于Q345R在公称直径为400mn可选取得最小厚度为8mm则选择圆筒厚度为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GB15"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

6、公式：dowT1K一衣热素数.帽-冷七二管外流体给热系数，峋、r-管流体给热系数.瞄-r'-271卜如一管汁污垢热祖.m，r/W.击-管污垢热咀,饵二rr"用壑表面表示的管壁热览，细有延伸危面*也包括在*'C/VIn翅化比,采用光管时n-11管外流体给热系数：i水导热系数七当量直径，qKeo-管外流对雷诺是壳程流体的普朗特数卜0定佳温度下的流体*度.Pa,$p,-壁温下流体的粘度4Xp.5PtX0.866Pt-0.5X挡K=4834X05X0.025X0.866X0t025-.5XyOh(J19二hQ.(H92三(L01/iiun一如口查得定性温度下流体的粘度为8X1

7、。，Pu，s壁温下流体的粘度10040017lOOf-0.995j|ReA=-2.12XIU8X10查得壳程流体的普朗克数查得水的导热系数L水一0.6252管流体给热系数_i：查得煤油的导热系数查得煤油的密度0.12。1=°X10,0157X10=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.-52/17.6X105-1.0.310管流体的污垢热阻用外表面表示的管壁热阻|d光营环瓦in|一一换但管也好导热善数，折n笔换热管m巾查GB15"1999管壳式换热器得换热管材料导热系数K=20.XJ0,019I0,019|r=-XIn-I=0.00011|T2X2

8、0.41(),019-2X0.00刃总传热系数：I7.6初选K值为450相对误差处于相对许可围壁温计算：a、号Vt糅=顿"热-蜘a-+a_j假设=1105139.715烬.门+945"林=66.3T?换热面积裕度:压降计算:(1) 管程阻力计算：AP=AP.+AP+&P管程总阻力,Pa奇1=程祖瓦PP|AP"回转瓯力，Pa函二云出口琵管阻力,Pa沿程阻力.'马可按下式计算2Ip-CJt人真迪BI管庠擦系数封头厚度8m楫一圆管径，褂L管独*P管流体在平均温度下的密度.卜、管流体流速,叫5。=管疵体他度椀正因子短节厚度8mm莫迪圆管摩擦系数'：

9、莫迪圆管系数可由管流体雷诺数得到管流体雷诺数：11 <1uP0.015X1X8Q0ReT=>40000.?X103管为湍流。茅织创用公式：其中e取0.151£X0,15得上=0,04管箱深度300mm管粘度校正因子取1.0516800XI2AP.=0,04XXX1.05=179200.0152回弯阻力可由下式得到:管春教8800X().91XX10X0,22煤油进出口管径70mm水进出口管径100mm分程隔板厚度8mm管程总阻力：阴=成。,如0竺=芝做监£0.。理虹管程压降符合要求壳程压降计算：壳程流悚流速,m/sp#克体鱼褂.虹二雪量蓝瓯in%充繇擦因子|0,

10、4AP=0.81GX0.01X0、=3561<0.035VPh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. 封头设计与厚度计算。由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：Pc设计压力，MPaDj圆筒内径,mm许用应力，MPa口一一焊接接头系数Q345RD中查得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其在使用温度下的许用应力可由过程设备设计附录189MPa0.5400焊接接头系数取0.

11、850.623mm21890.850.50.5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2. 厚度为8mm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GB1501998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12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。3. 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

12、管箱深度太小，故根据各方面需要取300mm分程隔板：由GB151999管壳式换热器得，分程隔板的最小厚度不应小于下表着6mm曲HE1>1虾。欧xt_四=因分程隔板两侧无明显压差，分程隔板可按上表选取。二. 分程隔板选材为Q235,属碳素钢，故取分程隔板厚度为8mm接管管径设计：1. 煤油进出口管径：进出口管径可由公式:V液体的体积流量u液体的流速.40.00347d煤油、0.07m2.水进出口管径:40.008140.1m0.91容器法兰选取与校核由NB/T470202012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

13、=3.50,比压力y=44.8MPa1.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：当密封基本宽度、W8.4m时.Dg等于垫片接触的平埼直径当密封基本宽度如6.侦。时.Dc?f垫片接袖的外径成去骚k蔓片压力比，MPa|由NB/T47020-47027-2012查得垫片宽度N=22mm由此的垫片密封基本宽度llmi,垫片有效密封宽度卜=2.53顼=2.53Xpll=X.3珈助，则BT-751-2XH.-JQ-437.22nniIU|F&二HX437.22X&39X418=5,2X10&ND=565mmL=26mm螺栓M24C=26mm-111mmN-

14、156ounR-I2umII=57jiih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为Pj则F广2们)0面叫如-一操作状态下，害要的最小垫片压'时,N垫K系麴lp_计算压力，MPaI1I2XnX43了*2X&39X3.5X0.6=48W2N2. 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：E=5+2X105>ol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：卜=0.椰商如F=0.785X437.22X0.5-7503

15、1N最小螺栓载荷按下式计算：W=C百ID口-75031+18102=12313姓(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：II3尚叭一一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l£o7b=19()MPa5,2X1052%=&=对53皿操作状态下所需的最小螺栓面积按下式计算:俱3：设计.黑夏下螺栓材费的许用应力,MPa从GB150.2查得40Cr在40。下的许用应力：o*=186MPa123433.Ap=-661m取其中面积较大者(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

16、式计算:w=Lb. 操作状态螺栓设计载荷按下式计算:需要的螺栓总面根，ruiT梢实际使用的螺栓总面枳.innr由所需螺栓直径和个数：政一一螺纹根役或嘘桧最小鼓瓯直径，响11一一螺栓个捌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/T4702047027-2012得螺栓使用个数为20X3*53将其带入上式艰=由NB/T47020470272012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/T47020-47027-2012查得长颈对焊法兰如下图所示:其中：|法艺外径D二540m螺-JL中心匿宜企D=密封画外径&-155mm是厚度T=3

17、4nnI法兰高度H=955|波兰镇高h二|法兰或L兰处i法星簸&312umi孔直径d=23mni过渡圆角R=LAmiIK-N5-444(2)由上述数据可得Lk=L4+0.55=39ilul板+UL(3) 预紧状态下的法兰力矩按下式计算:需的螺栓总面积，mm'L一一实际便用的螺栓的面积.inm：!(4) 由机械设计手册查得M20的小径为17.29mm由此可得实际使用的螺栓总面积A*=17.292X0.25XnX20=4695制/2653+46957Ma=X196X48=3,1X10NmII(5) 操作状态的法兰力矩计算：2作用于法兰径截面上压引起的轴向力I由下式计算：上=0首Fa

18、=0.785X1002X0.5=62800压引起的总轴向力F与经截面上的轴向力之差*按下式计算:Ft=FKp-70502-62800=花。2呵法兰力矩按下式计算：M广哪"Ld凸%=39X62800+48X4.5X10,十49X7702=2.1X1(/(16Mn(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(7) 法兰设计力矩法兰设计力矩按下式计算并去最大值代E设计温度下法兰才料的许用应力,山4窒温下法兰豺料的许用应力，MPar产,由过程设备设计查得'""一150MPa/o£=l7KMPa%=3X10气，"=2.4X

19、IOS-inn则4x。七皿(8) 法兰应力a）轴向应力按下式计算:U2d.=ii6n】V0o'i瓦=法顼新小端有成厚宣.mm&L法兰颈部大增有效厚度.皿得由于土纠,以墅代替也Di=D：*6/400"=10857由GB150.3-2011查得TT,U可由参数K从GB150.3-2011查得K法兰外径与经的比值VtlT=1.78f=0.118U=7.28Z=3.43Y=6.630.95一=0,017biU21.282adj=ho=X57X8=61761mm管板厚度24mm管板直径473mm31X0.017+I必1/78+617610.UKX土4X1O7-=19.55MKa

20、1.06X22：X400b）径向应力按下式计算：33-代+IXL13°R=-7<1.33X34X0,017+I?X11X10?o:-120.29MI能L06X31X408c）环向应力按下式计算：丫虬%=Pn一如646.63X14X1（/oT=3.43X120.29=65.35MPa34X108（9）应力校核a）轴向应力轴向应力校核合格b）径向应力“R=120,29MPa顷4. 径向应力合格折流板厚度5mm环向应力合格d）组合应力管板设计计算(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：拉杆直径12mm拉杆长度8000mm(2) 管

21、板计算按照GB151999管壳式换热器中a型连接方式管板的计算步骤进行下列计算。a)根据布管尺寸计算七拉杆螺纹公称直径12mmILb一Inm虹=50mmb=21H1H*。一在布管区围，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，对于正方形排布沿隔板槽一侧的排管根数E一一换热管中心距.uns=板槽明侧相邻暨中心距,皿Adl=6X25X饨-2矽=Ar管板布管区面粗，伽"正方形排布：Ar=2nS2+A.Itj_9L=2X10X252+1&50=51950ml2Dt-管板布管区当量直征，m1A/IX519502k=257Itab）计算"t,以/pt查图或查表得到

22、忙|口七二布营区当量直径与直径2R乏比|Pt=1c）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I扃文o.SS=0.82X423.82X=15.48rm7。.4X189e）换热管轴向应力一研a报换热管管壁金属的横截面枳，mJ灯一换热管外窑石a-jt（0.0I92-0.01前=0,00043nX(X019心-*o.ooq43川用服otWfo4=189MPh(3) .管板名义厚度根据GB151999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.壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取较大值.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

23、3mm则开槽取4mm壳程侧隔板槽深4mm管程隔板槽深4mm=成6+4+4=23.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。.管板连接设计由之前热力计算部分以确定布管方式选用正方形排布，布管限定圆直径5. 理画，由GB151999管壳式换热器，查得对于19X2nwi换热管的管孔直径为19-25mm,正偏差O.5irnn,负偏差为0,管孔直径为入in*E折流板设计计算：折流板的结构设计，是根据工艺过程与要求来确定，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

24、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。水字律有««毕弓港取折流板缺口弦高h为0.25倍的圆筒径，即h-0.25X400lOOrnn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

25、为5mm折流板管孔由GB1511999管壳式换热器规定，管孔直径d-+0.7-19+0.7-19.7wi允许正偏差为0.3，负偏差为0,即管孔为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：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。拉杆一段用螺纹拧入管板，每块折流板之间用定距管固定，每一拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接螺纹与焊接相结合，拉杆一端用螺纹拧入管板，然后将折流板焊接在拉杆上拉杆的一端用螺纹拧入管板，中间用定距管将折流板固定，最后一快折流板用两螺母锁紧并点焊固定。这里选择d.作为折流板固定的方法。6. 拉杆与定距管(1)

26、拉杆直径和数量由GB1511999规定，对于换热管外径I1<25取拉杆直径一1土，拉杆数量取4。拉杆长度按需要选取，取拉杆长度为8000mm(2) 拉杆尺寸杆长度按需要选取，取拉杆长度为8000mm拉杆尺寸可有下图和下表选择取拉杆螺纹公称直径拉杆布置拉杆布置应尽量均匀布置在管束的外缘，且任何折流板不应少于3跟拉杆。定距管选择定距管选择材质与换热管相同的不锈钢管。定距管长度为200mm尺寸选择与换热管相同的.6.接管法兰选取接管法兰由HG20592取，之前以确定接管径为心岫d膈-袖m选取带颈平焊法兰。密封形式为凸面密封。查得法兰各参数如下：水进出口法兰：图8M2带有平煌铜制管法兰*一、螺栓

27、：M16,一对顾,|-40nn煤油进出口法兰:M16,；二.筮咬I)-200hm,K-IfiOrniL,1一一口-B,螺栓:7. B卯.5m：i,叫二LlSnim,|R二6nun|,H=3linn接管外伸计算8. L3h十、十6*15|管外伸长，度,硕h接管法兰厚度，岫虹=建管法兰摞母度.rum查程另出口法兰峪-管程进出口淡兰外=14.8囱5二一保温怎糜点需保温睬（P,1帅1得坦二19.B烦，L壳=49.8血综合考虑安装等方面的问题最终选定煤油与水进出口管的伸出长度均为100mm开孔补强由过程设备设计得在厚度大于6mm接管外径小于89mmW可以不用补强。因此，管箱部分不用补强。只需计算圆筒部分的补强面积（1）对受压的圆筒，所需的补强面积：|4-d&+2&-f）匚一一开圣消弱性雷鲍弛面积.顾°H开孔直径，圆形孔等于接管直径加2俗的厚度,5一壳体开口处的计尊犀度,£JU：i接管有效厚度*nm|一强度半乾是歌，等于i堂温度廿管坦凹壳体.|材料许用应力乏正，当该值天于【0时取L0由于壳体材料与接管材料相同，J二°A-100X0.623-62.3mnX（2）有效补强围有效宽度B按下式计算：（取较大值）B=2d=d+26+26mJIIB