【28t-h对二甲苯固定管板式换热器设计（论文）8300字】

[键入文字][键入文字][键入文字]第页共41页28t-h对二甲苯固定管板式换热器设计摘要：本次设计的是28t/h对二甲苯固定管板式换热器。管程介质为循环水，壳程介质为对二甲苯。通过一系列运算，得到关于循环水的流量，传热系数575W/(m2·℃)，由此推算出实际传热面积为24.7m2。此次选择换热管规格Ф25×2.5mm，长度为4500mm，管子有70根，正三角形排列布管，材质是20#。由管束得到壳体内径DN=350mm，确定折流板间距是200mm后，得到折流板有20块，圆缺高度为100mm，换热器面积裕度为22.8%，阻力降分别为管程14.7KPa、壳程19.5KPa等数据。据换热器等标准中的相关规定，对换热器的进行结构方面的设计及强度校核。确定法兰、鞍座、管板等规格；对它们进行对应的计算，符合实际情况。管板有6种工况都得符合。关键词：固定管板式换热器；换热计算；结构设计；强度校核目录摘要Ⅰ1绪论11.1背景介绍11.2固定管板式换热器11.3未来发展方向12工艺计算22.1查找物性数据22.2估算传热面积22.3计算尺寸32.4换热器核算52.5汇总103结构设计计算113.1封头、管箱筒体和壳程筒体113.2管板设计133.3设备法兰与垫片的选取133.4换热管143.5接管143.6折流板163.7拉杆与定距管173.8设置分程隔板193.9鞍座194强度校核204.1开孔补强204.2膨胀节214.3管板校核234.4计算总质量385总结30参考文献401绪论1.1背景介绍热交换器在制药、机械、食品等领域广泛使用。自上世纪八十年代后，技术提高。人类开并运用这些设备,随之而来的是巨大的社会效益和经济效益,市场的前景日益繁荣，在当代制造时代，目前热交换器的应用前景已经很大了，但在未来由于一些能源紧张、生态环境等方面的问题，会继续造成换热器升级改进。减少资源的浪费，维护社会生态的发展是必不可少的[1]。在光能，风能等方面，研究力度在未来几年会被政府、研究机构和企业大幅度增加。1.2固定管板式换热器组成部分：管箱、壳体、2个管板、管束等部件。管板与壳体通过焊接连接，管束与管板连接，管板的延长部分和法兰通过螺栓连接。管束内设置了诸多折流板根据换热管的长度。优点有这几方面：结构简单、成本低、允许在高温度、高压力状态下使用、清管方便。劣势也是比较明显的，不洁净的流体比如水：易结构，就适宜走管程。适用的场合：温差不怎么大，或温差大得多，但壳程压力不是特别高的情况下[2]。它在某些时候会加一个补偿圈，补偿圈发生缓慢的弹性变形来吸收因过大的温差应力导致的热膨胀[3]。1.3未来发展方向从目前的到未来的重点就是对换热器的升级，提高能源的利用率，提高换热器的寿命。能源多、利用率低的情况数不胜数，对能源的过度开发利用造成了对环境的污染损耗，若技术能够提高，将会对能源紧张的局面创造一个缓解时间。例如：不同的折流板对性能的影响。S.ZeyninejadMovassag等人[4]改善了常规壳体和节段折流板的性能，通过用螺旋折流板来代替节段折流板，降低了压降和减少结垢。Wang等人[5]用花形折流板与普通的节段折流板进行了性能比较。随着各种新想法、新思路和新结构的出现，换热器将朝着更加高效、经济、环保的方向发展。2工艺计算表2.1已知数据对象出口温度℃入口温度℃出口流量入口流量壳程对二甲苯649728000管程循环水3828以t1为28℃，t2为382.1查找物性数据定性温度：流体进出口温度的平均值Tm=tm=28+382=33℃ T物性数据见表2.2表2.2物性数据表物性流体导热系数W比热kJ粘度μpa∙s密度对二甲苯0.12221.8890.00034810.6循环水0.61734.1780.0007523994.732.2估算传热面积2.2.1热负荷计算热负荷计算公式：Q=qc(t2−t1) 对二甲苯热负荷：Qo=1745436=485kW2.2.2循环水qmi2.2.3有效温度差∆t1=97−38=59℃ ∆t2=64−28=36℃ 逆流：∆t2.2.4换热面积s=Q初步选取K值K=500则s'：

一般要求面积裕度15%，s=1.15×s2.3计算尺寸2.3.1管径及流速表2.3换热管规格名称规格尺寸材质换热管∅25×2.5mm20查找换热器常用流速范围，取ui=1.02.3.2传热管根数和管程数的计算单程管数量：ns求出来的长度为：L=SL过长，选择l=4.5米的换热管，管程数为：

N总计：

NT2.3.3壳程数及平均传热温差校正的计算

∆t式中：∆tε温差校正系数：R=T1−T2∆tmε∆t由于ε∆t2.3.4换热管排列形式图2.1排列形式正三角形的长处：传热好、紧凑、布管多，但难处理。正方形的长处：管外侧清洗方便，适用于易结垢的，劣势是传热差。选正三角形。2.3.5管心距查资料知，a=32mm分程隔板槽两侧距离：2S=2×a2.3.6壳体内径多管程结构：D=1.05aN/η式中：η——管板利用率。查阅资料，知η的取值范围在0.7-0.85。取η=0.7D=1.05a选D=350mmnc图2.2实际示意图由图2.2知，数量70根。2.3.7折流板由于折流板是水平安装的，为防止造成流体短路，所以取壳体内径的四分之一。h=1取h=100mm。一般换热器最小间距为壳体内径的35%，最大间距不大于2倍，取B=0.6D，则B=0.6D=0.6×350=210mm（2.23）取B=200mm折流板数目：NB取NB=202.4换热器核算2.4.1壳程表面传热系数αodeSouoReoPro粘度校正(α=1120W/(m2.4.2管程表面传热系数αi=0.023λidiRe0.8α2.4.3热阻RRRw在Tm=80.5℃下的碳钢热导率为45W/(R2.4.4传热系数K=1式中：K——传热系数，W/(αRRddαK==575H=KAc=H=A合理。2.4.5壁温TWtWTTtT2.4.6压降[7]表2.4允许范围运行压力（绝压）/×合理压降/×10P=0～1∆P=P/10P=1～1.7∆P=P/2P=1.7～11∆P=0.35PP=11～31∆P=(0.35～1.8)P2.4.6.1管程压降∆pi∆pNNF∆p其中：∆pi∆pr式中：λilduρeλ=0.1∆p∆p∆p管程压降在允许范围内。2.4.6.2壳程压降∆pOFN∆p1fnNu∆p∆p∆p2∆p合理。2.5汇总表2.5数据汇总表参数壳程管程质量流量/kg/s7.811.6进/出口温度/℃97/6428/38压力/MPa1.100.40物性定性温度/℃3380.5比热/KJ/(kg/℃)4.1781.889密度/kg∙994.73810.60粘度/Pa∙s0.00075230.0003400导热系数/W/0.61730.1222计算结果壳程管程污垢热阻/(0.000300.00017表面传热系数/W/(11204591流速0.6400.972阻力/KPa19.514.7安全系数/%22.8传热系数/W/(575热流量/W485000传热温差/℃42.043结构设计Pt=1.1PwPPsP设计温度通常高于工作温度15～30℃tt属于第Ⅰ类。3.1封头、管箱筒体、壳程筒体的设计3.1.1壳程筒体to=120℃，C1=0.3mm，材质：Q345R，[σ]=189MPa，(厚度3−16mm)[9]，σPcδ=Pcδδ结合GB151-2014中表7-1圆筒的最小厚度的规定，取δ有效厚度：δσtσ合理。水压：PT校核：σ合理。3.1.2管箱、封头厚度的计算ti=60℃C1=0.3mm，材质：Q345R，[σ]=189MPa，(厚度3−16mm)[9]，σ管箱：δδ结合GB151-2014中规定，取δ有效厚度：δ在60℃下所受的压力：σσ因此满足要求。水压：P所取材料屈服应力：σs水压校核：σ封头：ti=60℃类型：EHA材质：Q345R。图3.1标准椭圆形封头对于标准椭圆形封头，K=1[10]。δ=取δ=3mmδδ结合GB151-2014中相关规定，取δ有效厚度：δ在60℃、0.5MPa下所受的压力：σσ因此合理。水压：Pσs水压校核：σ表3.1封头的数据公称直径厚度直边高度曲面高度总深度内表面积容积质量DN/mmδhhH/mmA/V/m/kg35062587.5112.50.160.0087.63.2管板设计不考虑介质的腐蚀性。材质：16MnⅡ。图3.2固定管板兼做法兰e型连接；尺寸参照设备法兰尺寸，见表3.2表3.2DN350管板公称直径法兰，mmDDDD350490405415450表3.2DN350管板尺寸（续）法兰，mm螺柱DCd规格数量40228M20163.3设备法兰与垫片的选取据Pt=0.5MPa法兰：选NB/T47023-2012，密封面形式：MFM垫片规格：350−1.0XB350，Φ404/Φ360，δ=3mm，HG/T20606-2009，石棉橡胶板垫片管箱法兰一般作为凹面，管板就是凸面。表3.3长颈对焊法兰参数表公称直径DN法兰DDDD350490450415405表3.3长颈对焊法兰参数表（续）法兰螺柱Dδd规格数量4023223M20163.4换热管布管限定圆DL：图3.3换热管与管板的连接示意图DL表3.4管孔直径外径/mm管孔直径/mm上、下偏差2525.3±0.103.5接管3.5.1尺寸1）壳：取流速为1.0m/s，则内径为：d=4V取标准管径为DN125，∅133×6mm。2）管程：取流速为1.5m/s，则内径为：d=取标准管径为DN100，∅108×4mm。3.5.2排气、排液管尺寸一般不小于Φ15mm；选取Φ25×2mm接管。图3.4排气、排液接管结构3.5.3外伸长度外伸长度为150mm。3.5.4求最小位置1）管箱接管L2L2≥d图3.5（a）管箱接管位置2）壳程接管L1L取L1见图3.5（b）图3.5（b）壳程接管位置3.5.5接管法兰的形式选择WN钢制管法兰[11]，突面形式密封；选自HG/T20592-2009；材质：Q345R。接管、法兰参数见表3.5，3.6；WN图见图3.6 表3.5筒体管法兰参数 DN/mmD/mmK/mmL/mmT12525021018M16表3.5筒体管法兰参数（续）n/数目C/mmAN/mmH/mm82213315655表3.6管箱管法兰参数DN/mmD/mmK/mmL/mmT10022018018M16表3.6管箱管法兰参数（续）n/数目C/mmAN/mmH/mm82210813152图3.6WN示意图3.6折流板已知：h=100mmδ板min3.6.1孔径Ⅰ级管束，见图3.7。图3.7Ⅰ级管束3.6.2直径及允许偏差表3.7外径及偏差公称直径＜400400～＜500名义直径DN−2.5DN−3.5外直径允许偏差0−0.53.6.3布置l=L1式中：l=210mm。3.7拉杆与定距管图3.8示意图图3.9拉杆示意图拉杆的尺寸见表3.8表3.8拉杆尺寸拉杆直径d拉杆螺纹管程直径bLL10101.5≥401312122.0≥501516162.0≥6020拉杆的直径和数量按下面表3.9和表3.10。表3.9拉杆直径选用表换热管外径d25≤d≤57拉杆直径16表3.10拉杆数量选用表公称直径DNmm拉杆直径d＜400104124164表3.10拉杆数量选用表（续）公称直径DNmm拉杆直径d≥700～＜900≥900～＜1300101012128101666拉杆规格：Ф16mm，4根，均匀布置在换热管束的外边缘。3.8设置分程隔板[12]δ=10mm，有Ф=6mm的排液孔见图3.10。图3.10分程隔板3.9鞍座[13]BI350−SF，见图3.11图3.11鞍座LL4强度校核4.1开孔补强4.1.1壳程开孔补强规格：∅133×6mm，材质：Q235B，材料许用应力[σ]=113MPa，C2δ=PδA=δd+2δδd=dfd=123.6mm＜0.5满足等面积补强法。A=δd+2δA.有效补强范围宽度B=2d=2×123.6=247.2mm（4.4）B=d+2δB=247.2mm。B.ℎ1=dℎℎℎℎℎAe=式中：AA3A1==522.5A2=2×27.23=132A3=2×1因为Ae4.1.2管箱接管的校核规格：∅108×4mm，材质：Q235B，材料许用应力[σ]=113MPa，C2δ=δd=d=98.6mm＜0.5满足条件。A=δd+2δA.有效补强范围宽度B=2d=2×98.6=197.2mmB=d+2B=197.2mm。B.ℎℎhℎ2ℎhA==413.5=2×24.3×=131因为Ae4.2膨胀节4.2.1计算4.2.1.1拉脱力拉脱力是管子在受胀接时平均每平方米周边所受到的力，本次采用的是焊接的方法，有相关的数据实验指出，拉脱力不能引起接头被破坏，所以拉脱力不需要计算。4.2.1.2膨胀节设置条件σs=F1满足四个条件之一，则要设置膨胀节：σsσtσs管子拉脱力q>qF1=αtQ=πF3α=12.05×10−6℃−1换热管物性常数如下：α=11.53×10−6℃−1AtAsFQ===0.9×10Fσσσst=189MPa，2∅2不必设置膨胀节。4.3管板强度校核4.3.1受压元件材料和数据查阅资料，管板：σr壳程圆筒：σct=189MPa，管箱圆筒：E换热管设计温度取50℃σtt=147MPa（δ≤16mm）；屈服强度EEtm=199500螺柱：35钢，室温和设计温度下的许用应力分别为σb=2284.3.2校核管板A）已知a=32mm，B）求值a、A、a=πδtA=πAsA1已知管板的厚度是28mm，超出管板的厚度约3mm有效长度：L=Ktλ=AQ=Eβ=na∑s∑t=0.4×=4.122lcrCri=0.25=8.004lCσcrn'=9A=9×3×44×32−DtAR=ρtC）垫片计算计算Mm，MpN=404−360bobob=2.53bDGLG垫片系数m=2，比压力y=11MPaWaW=0.785×=78541.8NAa=ApAmMmFDLDFGFTLTMp==2.95×系数Y查资料，得Y=12.10；K=D）预设管板厚度δ，求δδbδη=0.4K==1.138×35022k=K1−k＜1.0，且kδkw'=4.4=4.4×0.04×350×=14.1×=4.4×0.024×350×=17.5×Kf'==K=KKE）按K和Kf查管板系数查资料：m1ψ=m1F）查m按K和Qex查得G）M由K和Qex查GGM1=ξ=K∆M∆MH）计算γ和c假设tγ=αt=11.53×=−6.4×由于2<K<4，即c=0.0834ccI）按6种工况计算：单独作用，不计入膨胀变形差只有Ps，而γ=0，γβEtmPcPaMmM=ν=ψMm=mξb=0.6734frb=查图17-6b，f当0.3≤m＜0.9时，fG1=M=0.39×0.045−0.2142×0.0097=0.015（4.73）σrτp=σ=86.31MPa（4.76）σrτp=τpσ==12.88MPa（4.78）σcσ==86.19MPa（4.79）σfσ==−0.04MPa（4.80）|σtl=3.5mmq=σtq≤均合格只有Pt，Pγ=0，γβEtmPcPMMν=ψm=查GB/T151，f−3≤m≤0.3，GMστσσrττpσσcσσfσ==12.4MPa|σt连接形式：强度焊；焊脚l=3.5mm拉脱力：q=q≤均合格单独作用，计入膨胀变形差只有Ps，PPPP=2.958×1.25−0−6.4×=−21.9MMν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.36f查GB/T151，f当0.3≤m＜0.9时，f由此知fG=−0.39×0.0076−0.2142×0.0097=−0.005στ=157.2MPaσrτ=−40.36MPaτpσσcσσfσ|σtq=q≤均合格只有Pt，PPcP=0−0.5×4.122−6.4×MMν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.398f查GB/T151，f0.3≤m＜0.9，fGMστσσrττpΣσcσσfσ|σtq=q≤均合格同时作用不计入膨胀变形差γ=0，γβPcPMMⅠ）：壳程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×fm≥0.9，fMⅡ）：管程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×fm≥0.9，fM因此frfν=0.595MGστσσrττpσσcσσfσ|σtq=q≤均合格Pt、PPcPMMⅠ）：壳程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=0.365f查GB/T151，f0.3≤m＜0.9，fMⅡ）：管程Mν=ψm=ξ=1+0.35×0.0834−0.5×=−0.26f查GB/T151，−3≤m＜0.3，fM因此知frfν=−0.028MGστσσrττpσσcσ=185MPaσfσ|σtq=q≤均合格4.4计算总重量4.4.1容器自重容器总重量主要由封头、管箱筒体、壳程筒体、管板、设备法兰、折流板、换热管定距管、拉杆等部分组成零件名称数量单重/kg净重/kg管箱封头27.615.2管箱筒体215.831.6壳程筒体1234234管板22142设备法兰227.855.6换热管706.24436.8折流板20360接管法兰13434附件1106106mmmmm换热管重量：m=取其他附件质量：m=106kg自重总重：m4.4.2充水容重VVV=mm=1014+588.3=1602.3kg水压试验时的总载荷G=mg=1602.3×9.8=15703kN支座反力F=0.5G=0.5×15703=7851.5kg所选鞍座符合满足承载要求。5总结2020年12月我们开始了毕业设计前期工作。在最初，我们参考了诸多文献和外文资料，从一筹莫展到慢慢的接触理解、解决，需要去查各种相关的资料，比如对应的标准、相关的图纸、请教老师、同学，寻求他们的帮助，由于他们的帮助，进步非常迅速，一遍遍的修改计算图纸，在看到成品的时候，感觉到非常大