卧式油-油固定管板换热器设计

word文档可自由复制编辑第三章设计说明书3、1传热工艺计算3.1.1原始数据壳程柴油的进口温度壳程柴油的工作压力管程原油的进口温度管程原油的出口温度管程原油的工作压力壳程柴油的流量管程原油的流量3.1.2定性温度及物性参数管程原油定性温度=90管程原油密度查物性表得=815管程原油比热查物性表得=2.2管程原油导热系数查物性表得=0.128管程原油的粘度=310-3Pa.s管程原油普朗特数查物性表得Pr2=51.56壳程柴油密度查物性表得壳程柴油比热查物性表得壳程柴油导热系数查物性表得壳程柴油黏度壳程柴油普朗特数查物性表得Pr1=1000×μ1×Cp1／λ1=11.933.1.3传热量与柴油的出口温度及柴油的定性温度取定换热效率为则设计传热量则柴油的出口温度壳程柴油定性温度==175+0.3(175－130)=188.53.1.4有效平均温度=参数P：参数R：换热器按单壳程双管程设计，则查《管壳式换热器原理与设计》图2-6（a）得：温差校正系数：有效平均温差：3.1.5管程换热系数计算参考表2—7《管壳式换热器原理与计算》初选传热系数：则初选传热面积为：选用不锈钢的无缝钢管作换热管。则管子外径管子内径管子长度则所需换热管根数：=405.1可取换热管根数为406根则管程流通面积为（两管程）管程流速为：管程质量流速为：管程雷诺数为管程传热系数为：3.1.6结构的初步设计：查GB151—1999知管间距按取：管间距为：S=1.25×0.019=0.025m管束中心排管数为：取22根则壳体内径为：故内径为0.7m则内径比为（合理）折流板由书可知可以选择弓形折流板。则弓形折流板的弓高为：折流板间距为：折流板数量为：取6块3.1.7壳程换热系数计算壳程流通面积为：壳程流速为：壳程质量流速为：壳程当量直径为：壳程雷诺数为：切去弓形面积所占比例按查得为0.145壳程传热因子由《管壳式换热器原理与设计》书图2-12可查得：管外壁温度假定值为：壁温下油的黏度为：黏度修正系数为：壳程换热系数为：3.1.8传热系数计算查GB151—1999书第138页可知：壳程选用柴油、管程选用原油则油侧污垢热阻为：由于管壁比较薄，管壳层阻力损失都不超过0.3×103N/m3所以管壁的热阻可以忽略不计。所以可以计算出总传热系数为：则传热系数比为：(合理)所以假设合理。3.1.9管壁温度计算管外壁热流温度计算为：管外壁温度为：误差校核：因为误差不大，所以合适。3.1.10管程压降计算壁温下油的黏度为：黏度修正系数：查得管程摩擦系数为：管程数管内沿程压为：回弯压降为：取出口处质量流速为：进出口管处压降为：管程污垢校正系数为：则管程压降：3.1.11壳程压降计算壳程当量直径为：=0.0445m壳程雷诺数为：经查壳程的摩擦系数为：管束压降为：取进口管处质量流速为：取进口管压降为：取导流板阻力系数为：导流板压降为：壳程结垢修正系数壳程压降为：管程、壳程允许压降为：符合压降条件3、2强度计算3.2.1换热管材料及规格的选择和根数确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管外径GB151--1999《管壳式换热器》192管长GB151--1999《管壳式换热器》30003传热面积《管壳式换热器设计原理》72.544换热管根数个4065拉杆个GB151---1999《管壳式换热器》表43.4412/86材料GB150-1998《钢制压力容器》20#3.2.2管子的排列方式1正三角形排列GB151-1999《管壳式换热器》图112换热管中心距GB151-1999《管壳式换热器》253隔板板槽两侧相邻中心距GB151-1999《管壳式换热器》383.2.3确定筒体直径1换热管中心距GB151-1999《管壳式换热器》表12252换热管根数根4063分程隔板厚同上104管束中心排管的管数根同上225筒体直径同上6016实取筒体直径考虑防冲板向上取7003.2.4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1工作压力给定1.62材料GB150-1998《钢制压力容器》Q345R3材料许用应力GB150-1998《钢制压力容器》1704焊接接头系数《过程装备设计》0.855壳程设计压力1.766筒体计算厚度4.37设计厚度6.38名义厚度7.39实取名义厚度GB151-1999《管壳式换热器》表8810负偏差《过程装备设计》111腐蚀余量《过程装备设计》212计算厚度513设计厚度下圆筒的计算应力12514校核179.8合格15设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.053.2.5液压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1试验压力2.22圆筒薄膜应力155.13校核合格3.2.6封头厚度的计算序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1设计压力1.762材料GB150-1998《钢制压力容器》Q345R3材料许用应力GB150-1998《钢制压力容器》1704焊接接头系数《过程装备设计》0.855封头计算厚度4.36设计厚度6.37名义厚度7.38实取名义厚度GB151-1999《管壳式换热器》表889有效厚度710设计厚度下封头的计算应力88.8811校核12设计温度下封头的最大许用工作压力2.8813合格3.2.7法兰的选择2.7.1设备法兰的选择按其条件设计温度设计压力由《压力容器法兰》选择乙型平焊法兰，相关参数如下：单位（）螺柱规格螺柱数量8608157767667636621016211827M2428由《压力容器法兰》选择相应垫片：非金属软垫片JB/T4704—2000其相应尺寸为：D=765mmd=715mm2.7.2接管法兰的选择1〉管程接管的公称直径相同设为，设进出口质量流量为则同理故取a=b=200mm故取公称直径公称压力为2〉壳程接管的公称直径相同设为，设进出口质量流量为则同理故取公称直径公称压力为由《钢制管法兰，垫片，紧固件》选择带颈对焊法兰a.b相关参数如下DNA/法兰理论重量200219.1/2193603101226M2430244/24417.4由《钢制管法兰，垫片，紧固件》选择带颈对焊法兰c.d相关参数如下DNA/法兰理论重量200219.1/2193603101226M2430244/24417.43.2.8、管板的设计管板尺寸的确定及强度计算:本设计为管板延长部分兼作法兰的形式，即GB151-1999项目5.7中，图18所示e型连接方式的管板。A、确定壳程圆筒、管箱圆筒、管箱法兰、换热管等元件结构尺寸及管板的布管方式；以上项目的确定见项目一至七。B、计算、、、Kt、、、、、Q、、、、；序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1筒体内径7002筒体内径横截面积AA=π/43846503筒体厚度84圆筒内壳壁金属截面积（+）177945管子金属总截面积=7.65×1046换热管根数4067换热管外径198换热管壁厚29换热管材料的弹性模量GB150-1998表F518500010换热管有效长度L284011沿一侧的排管数20312布管区内未能被管支撑的面积82976.2513管板布管区面积302723.7514管板布管区当量直径=62015换热管中心距SGB151-19992516隔板槽两侧相邻管中心距GB151-19993817管板布管内开孔后的面积=26953718系数=/0.719壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比QQ=×/As0.820壳程圆筒材料的弹性模量GB150-1998表F519000021系数=/0.2822系数=15.823系数=2.51224管板不管区当量直径与壳程圆筒内径比PtPt=/0.8925管子受压失稳当量长度GB151-1999图32200826设计温度下管子受屈服强度GB150-1998表F213327管子回转半径6.35C.对于延长部分兼作法兰的管板，计算和序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触宽度NGB150-1998表9-1252垫片基本密度宽度=N/212.53垫片比压力yGB150-1998表9-2114垫片系数m2.05垫片有效密封宽度bB=2.5396垫片压紧力作用中心圆直径=D-2b6827预紧状态下需要的最小螺栓载荷N=3.14×2133588操作状态下需要的最小螺栓载荷N=0.78××27232969常温下螺栓材料的许用应力GB150-1998表F4272.510预紧状态下需要的最小螺栓面积=/909.211操作状态下需要的最小螺栓面积=/189112需要螺栓总截面积mm2=max{，}189113法兰螺栓的中心圆直径Db81514法兰中心至作用处的径向距离=/23415基本法兰力矩N．=1.8×10716筒体厚度817法兰颈部大端有效厚度=1.751418螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离49.519螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离=(++)/251.520作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力N=0.785×Pc51867621流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差N=-10289722操作状态下需要的最小垫片压力N=6.28×b×m×Pc90092.923法兰操作力矩N．=×+×+×3.32×10724螺栓中心距FD作用处的径向距离=0.5（-）49.5D、假定管板的计算厚度为δ，然后按结构要求确定壳体法兰厚度，计算K，k、和Kf。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1假定管板计算厚度802壳体法兰厚度663管板材料弹性模量GB150-1998表F5190×1034换热管材料的弹性模量GB150-1998表F5191×1035管板刚度削弱系数ηGB151-19990.46换热管有效程度28407管板强度削弱系数μGb151-19990.48管子金属总截面积2.53×1049换热管加强系数KK=2.610管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比=0.8911管板周边布管区的无量纲参数kk=K×（1-）0.412管束模数=/（L×）399513壳体法兰材料弹性模量GB150-1998表F5190×10314壳体圆筒材料弹性模量GB150-1998表F5190×10315壳体法兰宽度=/26616系数GB151-1999图260.0005517壳体法兰与圆筒的选装刚度=9.92318旋转刚度无量纲参数=π/（4）0.00195E、由GB151-1999P51图27按照K和查，并计算值，由图29按照K和查G2值序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管板第一矩系数GB151-1999图270.182系数=/（K×）35.53系数GB151-1999图291.92F、计算M1，由GB151-1999图30按照K和Q查，计算，、。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管箱法兰材料的弹性模量GB150-1998表F5191×1032管箱法兰厚度JB/T4702-2000663系数GB151-1999图260.000554管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数=9.885管板边缘力矩的变化系数=1/（/+）0.436法兰力矩变化系数=×/0.427管板第二弯矩系数GB151-1999图28（a）3.8G、按壳程设计压力，而管程设计压力=0，膨胀变形差r，法兰力矩的的危险组合（GB151-1999项目5.7.3.2分别讨论）只有壳程设计压力，而管程设计压力=0，不计膨胀节变形差（即r=0）。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1当量压力组合1.762有效压力组合5.253基本法兰力矩系数0.00324管程压力下的法兰力矩系数0.0235管板边缘力矩系数0.026管板边缘剪切系数0.517管板总弯矩系数0.758系数0.339壳体法兰力矩系数0.03210管板径向应力系数=0.0711管板的径向应力8812管板布管区周边外径向的应力系数0.02513管板布管区周边外径向的应力72.514管板布管区周边剪切应力系数0.05815管板布管区周边的剪切应力1516法兰的外径与内径之比1.1417系数YGB150-1998表9-510.7518壳体法兰应力7.919换热管的轴向应力=[×]8.120壳程圆筒的轴向应力=××41.0521一根换热管管壁金属的横界面积176.622换热管与管板连接的拉托应力0.005b、只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0，并且计入膨胀变形差。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1壳程圆筒材料线膨胀系数GB150-199811.62×10-62换热管材料线膨胀系数GB150-199810.88×10-63换热管与壳程圆筒的膨胀变形差-173×10-64沿长度平均的壳程圆筒金属温度工艺给定1605沿长度平均的换热管金属温度工艺给定1106制造环境温度207当量压力组合0.888有效压力组合Pa30.0539基本法兰力矩系数0.00210管程压力下的法兰力矩系数0.00411管板边缘力矩系数0.00712管板边缘剪切系数0.2513管程总弯矩系数0.90614系数=max{，}0.17515壳体法兰力矩系数-0.005416管板径向应力系数0.0013517管板的径向应力5318管板布管区周边外径向的应力系数0.0719管板布管区周边外径向的应力16520管板布管区周边的剪切应力系数0.0821管板布管区周边的剪切应力8922换热管的轴向应力=[Pc-×Pa]423换热管与管板连接的拉托应力0.031c、只有管程设计压力Pt，而壳程设计压力Ps=0，不计膨胀节变形差时：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1当量压力组合=02有效压力组合Pa=∑sPs+βrEt-6.4013管板边缘力矩系数0.0074管板边缘剪切系数0.255管板总弯矩系数0.9066系数0.0048167管板的径向应力-2.7138管板布管区周边外径向的应力系数-0.0749管板布管区周边外径向的应力-89.7310管板布管区周边的剪切应力系数0.070411管板布管区周边的剪切应力-4.58712壳体法兰应力-8213换热管的轴向应力=[Pc-×Pa]19.214壳程圆筒的轴向应力=A/As××Pa-39.215换热管与管板连接的拉托应力0.02d、只有管程设计压力Pt，而壳程设计压力Ps=0，同时计入膨胀变形差时：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1换热管与壳程圆筒的膨胀变形差r-173×10-62当量压力组合Pc-1.0323有效压力组合Pa-11.724基本法兰力矩系数-0.005235管板边缘力矩系数0.000196管板边缘剪切系数0.00677管程总弯矩系数0.2048系数=max{，}0.005249管板布管区周边外径向的应力系数0.013310管板布管区周边外径向的应力系数11.411管板布管区周边的剪切应力系数0.06512管板布管区周边的剪切应力-27.9613换热管的轴向应力=[Pc-×Pa]30.614换热管与管板连接的拉托应力0.19H、由管板计算厚度来确定管板的实际厚度：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1管板计算厚度84.22壳程腐蚀裕量23管程腐蚀裕量24结构开槽深度根据结构确定35管板的实际厚度90考虑圆整是否安装膨胀节的判定由G，a、b、c、d计算结果可以看出：四组危险组合工况下，换热管与管板的连接拉托力均没超过设计许用应力，并且各项应力均没超过设计许用应力。所以，不需要安装膨胀节。3.2.9.折流板的选择3.2.9.1根据GB151—1999《管壳式换热器》图37选择单弓形水平放置的折流板。3.2.9.2缺口弦高值，一般取0.20~0.45倍的圆筒内直径，取3.2.9由GB151—1999表42知，但换热管为外径钢管时，换热管的最大无支撑跨距为，且折流板最小间距一般不小于圆筒内直径五分之一且不小于由传热计算得到折流板间距3.2.9.4由GB151—1999表34，查得折流板最小厚度为，实取折流板厚度由GB151—1999表36查得管孔直径为允许偏差为3.2.9.5由GB151—1999表41查得折流板名义外直径为允许偏差为3.2.10.接管及开孔补强补强及补强方法判别补强判别由GB150—1998表8—1知当满足下列所有条件时不另行补强。设计压力小于或等于两相邻开孔中心距应不小于两孔直径之和的两倍；接管公称直径小于或等于接管最小壁厚满足表8—1要求（GB150—1998p75）由于接管的公称直径大于所以要补强，但由于设计的筒体或封头的厚度远大于理论厚度，所以要进行计算看是否要进行补强。补强计算方法判别开孔直径本凸形封头开孔直径满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算开孔所需补强面积强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积有效补偿范围有效宽度取值故取有效高度外侧有效高度故内侧有效高度故取有效补强面积封头多余金属面积封头有效厚度封头多余金属面积接管多余金属面积其中接管区焊缝面积（焊角取）有效补强面积所需另行补强面积拟采用补强圈补强补强圈设计根据接管公称直径选补强圈，参照补强圈标准取补强圈外径内径因补强圈在有效补偿范围内补强圈厚度为考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为3.2.11.管箱短节壁厚的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1设计压力1.762选材GB150-1998《钢制压力容器》选Q345R3计算厚度4.34设计厚度6.35名义厚度7.36实取名义厚度87有效厚度7注：其符号意义及取值同筒体壁厚计算的符号及意义。水压试验比较筒体的水压试验和短节的水压试验同样可以满足要求。3.2.12.拉杆和定距管的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1拉杆直径GB151-1999《管壳式换热器》表43122拉杆数量GB151-1999《管壳式换热器》表4483定距管规格GB151-1999《管壳式换热器》取4拉杆在管板端螺纹长度GB151-1999《管壳式换热器》表45505拉杆在折流板端螺纹长度GB151-1999《管壳式换热器》表45156拉杆上倒角高GB151-1999《管壳式换热器》表452.03.2.13.分程隔板厚度选取根据GB151-1999《管壳式换热器》，分层隔板厚度取3.2.14.支座的选择及应力校核3.2.1