换热器课程设计

③流量小而粘度大的液体一般以走壳程为宜。故根据以上原则我们确定原油走管程，柴油走壳程。2.2初算换热器的传热面积列管式换热器可根据生产任务要求，由热量衡算大致估算出换热器的传热面积。2.2.1热负荷及冷却介质消耗量的计算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:（2-1）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：w原油消耗量：kg/s2.2.2计算平均温度差，并确定管程数选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，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；℃按下式计算因数R和P值：(2-3)(2-4)故：根据R、P值，查温度校正系数可读得，温度校正系数。可见用单壳程单管程合适，因此平均温度差℃。2.2.3按经验数值初选总传热系数选取w/(mk)2.2.4初算出所需传热面积利用总传热速率方程式：（2-5）式中——估算的传热面积，m——假设的总传热系数，w/(mk)——平均传热温度差，℃得：m2.3主要工艺及结构基本参数的计算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。2.3.1换热器选材换热管规格及材质的选定选用Ф25mm×2.5mm钢管。2.3.2换热器数量及长度的确定在选定管子的规格后，可有下式先求出单管程所需的管子数目：（2-6）式中——单程管子根数；——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：管数由上述估算出的管外表面积又可计算出单程管长度：（2-7）则：管长m按商品管长系列规格，取管长L=6m2.3.3管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。2.3.4计算外壳内直径（2-8）式中——壳体内径，m；——管子中心距，用胀接方法连接，；用焊接方法连接，；——横过管束中心线的管数；管子按正三角形排列：；管子按正方形排列：；——换热器的总管数；——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，；通常取。由于管中心距mm；横过管束中心线的管数，取整根。管束中心线最外层的中心至壳体内壁的距离：m所以mm实际值D：mm按壳体直径标准系列圆整，取D=450mm因为，管长径比合适.2.3.5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13根管时，按正三角形排列，可排139根，除去4根拉杆位置，故实际管子根数=135根。图2-1管子排列图2.3.6计算实际传热面积及过程的总传热面积系数mw/(mk)2.3.7折流板直径、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=450-23.0=444mm切去弓形高度mm折流板数量取折流板间距=300mm，那么,取整得块实际折流板间距mm2.3.8拉杆的直径和数量与定距管的选定选用Ф12mm的钢拉杆，数量4条，定距管采用与换热器相同的管子，即mmmm钢管。2.3.9温度补偿圈的选用由于，故需考虑设置温度补偿圈。具体结构尺寸可从有关标准查取。2.4管、壳程压强降的校验列管式换热器压力降的校验，其目的是校验流体通过所设计换热器的压力降是否符合工艺的要求。若达不到要求是，需调整管、壳程数或折流板间距等，重新计算，直到满足要求为止。2.4.1管程压强降（原油走管程）管程压力降可由一般的摩擦阻力公式求得：（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25mm2.5mm管子，取；——串联壳程数；——管程数。据上述结果可知：管程数=1，串联壳程数=1；对于25mm2.5mm的换热管，结构校正系数为。换热器为单程管，；流体流经直管段（包括进、出口）的压力降为(2-10)由于N/m取mm，那么，可查得，故N/mPa<30kPa管程流体压强将满足要求。2.4.2壳程压强降（柴油走壳程）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：（2-11）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；对于气体或可凝蒸汽，=1.0；——壳程数。其中流体流经管束的压强降：（2-12）（2-13）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（正三角形排列）壳程流体的摩擦系数：横过管子中心数：折流板数：（2-14）其中：mm/s故N/mN/m故有：Pa<30kPa2.5总传热系数的校验通过校验总传热系数，使之与初选的传热系数的比值尽量接近1.15至1.25之间。2.5.1的查取管外侧污垢热阻mk/w管内测污垢热阻mk/w管壁热阻碳钢在该条件下的热导率为45w/(mk），则：mk/w2.5.2的计算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：（2-15）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，w/(mk）；——导热率，mk/w；——分别为传热管内直径、外直径，m。其中:（2-16）（2-17）（2-18）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/(mk）故w/(mk）因为比值在1.15到1.25之间，所以合适。2.6列出所涉及换热器的结构基本参数表2-1换热器的结构基本参数外壳直径：换热面积：换热管数：N=135根管长：管子规格：管中心距：管子排列方式:正三角形管程数：1壳程数：1折流板数量：块折流板间距：h=295mm拉杆数量：4根拉杆直径：mm定距管：与换热器相同规格通过管板中心的管字数：n=13根

第3章换热器的结构设计表3-1换热器的结构参数材料内径管长管数管程数焊缝系数封头深度3.1筒体部分计算筒体部分计算应包括筒体厚度的计算以及应力校核。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175℃时需用应力为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（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；——腐蚀裕度，mm。可在1~8mm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壳程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：MPa3.2椭圆封头厚度根据工作条件选择封头的材料为Q245R，在设计温度为175℃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而筒体厚度为mm，则封头取mm，mm。在GB150—2011中可查出该封头的参数：封头深度mm，直边长mm，筒体名义厚度为mm，封头容积为m。3.3管板选取由MPamm则选取如下表3-1中的规格管板：表3-1管板参数56553050044748745012518M162028383.4法兰选取图3-1法兰（a）图3-2法兰（b）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：（单位为mm）。表3-2法兰参数5655305004904873418M16243.5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鞍式支座结构和尺寸如表3-3：表3-3支座尺寸参数公称直径DN允许载荷Q(KN)鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距鞍座质量，kg增加10mm增加的质量kg弧长带垫板不带垫板4506020042012088968540200648290161033.6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。壳程接管(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（柴油）[低粘度液体1.5～3.0m/s]取m/smm取mm则：m/s符合标准规定

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已知。4.1.1设备自重设备自重包括筒体重、封头重、热管重、和附件重。筒体重：N封头重：N热管重：N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4.2.1.1鞍座截面处的弯矩：（4-1）式中——鞍座截面处弯矩，Nm；——封头深度，m。由4-1式有：4.2.1.2跨中截面处弯矩：(4-2)由4-2式有：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。4.2.2.1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MPa4.2.2.2跨中截面最低点的轴向应力MPa轴向应力校核：MPaMPaMPa可见。满足强度及稳定性要求。4.3鞍座处的切向剪应力校核因，未被封头加强的圆筒，且在鞍座平面上无加强圈的圆筒。鞍座包角。则查GB150—2011可得,,,,,.故MPa由于不存在，故不存在切向剪应力.校核：MPa均满足强度要求。4.4鞍座处筒体周向应力验算4.4.1鞍座板（不做加强板）的应力验算4.4.1.1筒体最低的周向应力，其中：故 MPa满足MPa。4.4.1.2鞍座边角处的周向应力由于则显然满足MPa。4