U型管换热器资料

石化装备设计综合实训总结报告③流量小而粘度大的液体一般以走壳程为宜。该设计任务的热流体为油品，冷流体为原油，油品温度较高，走管程可以减少热损失，且原油黏度较大，当装有折流挡板时，走壳程可以在较低的Re下既能达到湍流，有利于提高壳程一侧的给热系数。故根据以上原则我们确定原油走管程，油品走壳程。2.2确定物性数据油品的定性温度：℃原油的定性温度：℃查得油品、原油在各自定性温度下的各物性数据如表（2-1）所示：表2-1物性参数物料密度ρ比热kJ/(kgK)导热系数λW/(K)粘度μ原油8151.9860.1360.0029油品6302.20.1190.00522.3估算传热面积2.3.1热负荷在热损失可以忽略不计的条件下，两流体均无相变的情况下，热负荷可由下式计算[2]:（）式中：——热负荷，W——热、冷流体的质量流量，kg/s——热、冷流体的定压比热容，kJ/(kgK)——热流体的进、出口温度，℃——冷流体的进、出口温度，℃热负荷：W2.3.2传热平均温度差选取逆流流向，先按单壳程考虑，计算出平均温差.（2-2）式中——进、出口两端流体温差中较低一侧的温差；——进、出口两端流体温差中较高一侧的温差；则平均温差按下式计算因数R和P值：(2-3)(2-4)故根据R、P值，查得温度校正系数，符合要求。所以得到℃，因此选用单壳程。2.3.3初算传热面积查表值为20～400W/(K),取W/(K)，总传热速率方程式[2]：(2-5)式中——估算的传热面积，m——假设的总传热系数，W/(K)——平均传热温度差，℃得：2.4工艺结构尺寸列管式换热器结构主要基本参数包括：公称直径、公称压力、设计温度、换热管长、换热器规格、折流板间距及公称换热面积等。2.4.1选管子规格选用中的无缝钢管[3]，管长。2.4.2确定总管数、管程数在选定管子的规格后，可由下式求出总管数和单程流速[2]：总管数：(2-6)式中：——总管数；——管子外径，m；——管长，m。故单程流速：（2-7）式中：——总管数；——管内流体的体积流量，m/s；——管内流体的适宜流速，m/s;——管子内径，m。故m/s因单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多管程。油品的黏度为,查得管内流速为0.8m/s，所以管程数为，因此取两管程2.4.3确定管子在管板上的排列方式由于选用的是多程换热器，且选用固定管板式换热器，故采用三角形排列法，管子与管板采用焊接结构。2.4.4计算壳体内径（2-8）式中：——壳体内径，m；——管子中心距，用焊接方法连接，；——横过管束中心线的管数；——换热器的总管数；管子按三角形排列：；——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，m；通常取。由于管中心距：mm；横过管束中心线的管数。管束中心线最外层的中心至壳体内壁的距离：m所以m按壳体直径标准系列圆整，取D=700mm因为，管长径比合适[2]。2.4.5画出排管图根据壳体内径、管中心距t、横过管束中心距的管数及其排列方式，绘制出排管图，如图2-1所示。由图可见，中心排有21根管时，按正三角形排列，可排348根，除去6根拉杆位置，故实际管子根数=342根。图2-1管子排列图2.4.6计算实际传热面积S0及过程的总传热系数m2W/(m2k)2.4.7折流板直径与数量及有关尺寸的确定选取折流板与壳体间的间隙为3.0mm，因此：折流板直径mm切去弓形高度mm折流板数量取折流板间距=300mm，那么。实际折流板间距查标准手册得选用Ф12mm的钢拉杆[3]，数量6条，定距管采用与换热器相同的管子，即钢管。2.4.8温度补偿圈的选用，故需考虑设置温度补偿圈。2.5换热器校核2.5.1管程压力降校核（原油走管程）管程压力降可由一般的摩擦阻力公式求得[2]：（2-9）式中——管程总压力降，Pa；——分别为单程直管阻力与局部阻力，Pa；——校正系数，对于管子，取；——串联壳程数；——管程数。据上述结果可知：管程数=2，串联壳程数=1；对于的换热管，结构校正系数为。（2-10）（2-11）由于N/m取mm，那么，可查得，故PaPa，满足要求。2.5.2壳程压强降（油品走壳程）当壳程无挡板时，流体顺着管束流动，此时壳程流体压力降可按下式计算[2]：（2-12）式中——壳程总压力降，Pa；——流体流过管束的压力降，Pa；——流体流过折流板缺口的压力降，Pa;——结垢校正系数，对于液体，=1.15；——壳程数。其中流体流经管束的压强降[2]：（2-13）（2-14）式中：——折流板数目；——横过管子中心数；——壳程的摩擦系数；——管子排列方式对压力降的校正因数；——壳程流体横过管束的最小流速，m/s；——折流板间距，m。由于，管子排列方式对压强降的校正因子，F=0.5，壳程流体的摩擦系数：，横过管子中心数：，折流板数：（2-15）其中：mm/s故N/mPa故有：<Pa，满足要求。2.5.3校核总传热系数列管式换热器面积是以传热管外表面积为基准，在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，其计算公式为[2]：（2-16）式中：——总传热系数W/(mk）；——分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/(mk）；——分别为管程和壳程的污垢热阻；mk/w；——导热率，mk/W；——分别为传热管内直径、外直径，m。其中:（2-17）（2-18）（2-19）式中：——壳程流体传热膜系数，W/(K);——管程流体传热膜系数，W/(K);——壳程流体的导热系数，W/(K);——当量直径；m；——流体在定性温度下的粘度，PaS;——流体在壁温下的粘度，PaS；Pr——普兰特准数。由上述公式则有：W/(K)故：W/(K)一般比值在1.15到1.25之间，本设计的换热器可适用，但传热面积稍大的要取更合理的设计。第3章换热器的结构设计3.1筒体部分计算筒体部分计算包括筒体厚度计算以及应力的校核3.1.1筒体厚度的计算根据工作条件选择壳程圆筒的材料为Q245R钢板，在设计温度200℃时许用应力为MPa，常温时许用应力为MPa，屈服极限MPa。按GB150—2011标准中，壳程圆筒计算厚度[5]（3-1）式中：——筒体厚度，mm；——外壳内直径，mm；——材料在设计温度下的许用应力，MPa；——焊缝系数；本设计采用双面焊缝取；——设计压力，MPa；取=1.1MPa——腐蚀裕度，mm。可在mm范围内，根据流体的腐蚀性而定。本设计取mm。故有：mm考虑到安全系数，以及开孔强度等措施，GB150—2011中规定当壳体内径mm时，壳体的最小厚度为mm，则取mm即mm。3.1.2壳体圆筒的液压试验及压力试验时应力校核试验液体为水，试验压力按GB150—2011或TSGR0004—2009计算MPa压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式[4]：MPa3.2椭圆封头计算根据工作条件选择封头的材料为Q245R，在设计温度为200℃时许用应力为MPa。按GB150-2011中，封头壁厚公式(3-2)式中：——封头厚度，mm。——形状系数，这里由于封头是标准的，故取.则有：mm取mm，mm。考虑到安全系数以及开孔补强等措施，GB150—2011中规定封头内径mm时，最小厚度不小于8mm，筒体厚度为mm，则封头=10mm在GB150-2011中可查出该封头的参数：封头深度mm，直边长h=25mm，筒体名义厚度为mm，封头容积为m。3.3法兰的选取查JB4700-2000压力容器法兰可选甲型平焊法兰其具体尺寸如表3-2[6]：（单位为mm）图3-1甲型平焊法兰示意图（凹面）图3-2甲型平焊法兰示意图（凹面）表3-1法兰参数表螺柱规格数量830790755743742461704623M20323.4管板的选取3.4.1管板计算初始数据:壳程圆筒内径；壳壁厚度；管箱厚度；换热管外径；壁厚；根数；间距有效长度；管箱法兰外径；厚度。假设管板厚度，法兰部分厚度，延长部分兼做法兰的管板。各零件材料在设计温度时的物理参数，机械性能如下：壳体材料：Q245R弹性模量：线膨胀系数：换热管材料：Q245R弹性模量：线膨胀系数：管屈服极限封头法兰材料：15CrMo弹性模量管板材料：15CrMo弹性模量法兰材料：15CrMo弹性模量许用应力：壳程圆筒：换热管：管箱封头法兰：管板：3.4.2几何物理系数计算壳程圆筒内径面积管板开孔后面积壳程圆筒金属横截面积换热管金属截面积管板布管区面积（三角形排列）管板布管区当量直径管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比系数管束模数：管束加强系数：（取）管板周边不布管区无景纲宽度：3.4.3强度影响系数计算旋转刚度壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数：管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数：旋转刚度无量纲参数：法兰力矩基本法兰力矩：管程压力作用时的法兰力矩GB150.3—2011式7-14确定：按，；查得，；按，；查得，系数：管板边缘力矩变化系数法兰边缘力矩变化系数危险组合表3-2危险组合壳程压力作用下壳程设计压力MPa管程设计压力管程压力作用下壳程设计压力管程设计压力MPa不计膨胀差计入膨胀差不计膨胀差计入膨胀差0.001160.0011661.8261.825.4367.3-5.456.420.0680.00545-0.068-0.00650.0700.00815-0.06530.00921.0300.119-0.9520.1341.5000.394-54.64-0.249由，查图7-6得0.240.1由，查图7-6得0.0220.032管板径向应力系数0.02310.0053管板径向应力系数0.000050.00172管板周边处径向应力系数0.1370.0199管板周边处径向应力系数-0.118-0.0127管板布管区周边剪切应力系数0.09630.053管板布管区周边剪切应力系数0.000230.054校核管板、壳体法兰、换热管、壳程圆筒以及拉脱应力。壳程压力作用下壳程设计压力管程设计压力管程压力作用下壳程设计压力管程设计压力不计膨胀差计入胀胀差不计膨胀差计入膨胀差管板径向应力管板径向应力管板布管区周边处径向应力管板布管区周边处径向应力管板布管区周边剪切应力管板布管区周边剪切应力壳体法兰应力壳体法兰应力换热管轴向应力换热管轴向应力壳程圆筒轴向应力壳程圆筒轴向应力拉脱应力拉脱应力3.5鞍式支座选择重型（B型）鞍式支座，120包角重型带垫板式不带垫板结构和尺寸如表3-3[7]：表3-3鞍式支座参数表公称直径DN允许载荷KN高度h底板腹板700170200640150108筋板垫板鞍座质量，kg弧长带垫板不带垫板350120883024065630213.6接管伸出长度：由经验可知，保温换热器保温厚度不超过100mm，所以取伸出长度mm且壳程和管程一样。管程接管(原油)[高粘度液体0.5～1.0m/s]，取m/smm取mm则m/s，符合标准规定。壳程接管（油品）[高粘度液体0.5～1.0m/s]，取m/smm取mm，则m/s，符合标准规定[4]。第4章换热器的强度校核4.1计算容器重量载荷的支座反力4.1.1设备自重筒体重：N封头重：N热器重：附件重：N则设备自重：N4.1.2充满介质时液体介质重量液体介质的重量等于壳程液体的质量与管程液体的质量之和，即：N4.1.3作用于每个支座上的反力N<60kN故支座选择合理。4.2筒体轴向应力验算4.2.1轴向弯矩计算已知：，，，鞍座截面处的弯矩跨中截面处弯矩4.2.2轴向应力的计算由上面的计算结果可知跨中截面弯矩远大于鞍座截面处的弯矩，所以不考虑鞍座处的“偏塌”现象，因此只计算跨中截面的轴向应力即可。跨中截面最高点的轴向应力因为是内压操作，所以不考虑则MPa跨中截面最低点的轴向应力轴向应力校核：MPaMPa