列管式换热器课程结构设计Word下载.docx

1、ln040 302.管程数和传热管数可依据传热管径和流速确定单程传热管数Ns亠 di2u 4按照单程管设计,140632.5/（3600 994） 125 20.785 0.022 1所需的传热管长度为112.54L dNs 3.14 0.025 125.211.5m3.传热面积设总传热系数为则所需的传热面积为S=Q/（K t 沪1630000/（500 X 21.3）=153m4.冷却水的用量m 电 泅 106 1406325kg/hcpi t 4.174 （40 30）五、工艺结构尺寸1.管径和管流速选用25 2.5mm的碳钢管，初步选用管流速u 1.0 m/s。取L=12m按单程管设计，

2、传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，才用非标设计，现取传热管长l 6m则该换热器的管程数为Np L传热管总根数为Nt 125.2 22503.传热平均温差校正与壳程数平均温差校正系数:R 口 6.2t2 t1 40 30p t? JT1 t1102 300.139按单壳程，双壳程结构，查图4-19b单壳程的温差校正系数可得:t 0.98平均传热温差tm t tm 0.98 28.4 27.8K由于平均传热温差校正系数大于 0.8 ,同时壳程流体流量较大，故壳程合适。4.传热管排列和分换热管标准宦有以下几种：本设计中采用正三角形排列直门正方形搀列转角正-.角莊洋列:dJ特角正方彩

3、拇列扌：谎时垂宣干折裤板缺口在上述几种排列中，a、d排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两 种要大，有利于提高流速。故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列t 1.25d。 1.25 25 31.25 32mm隔板中心到离其最近一排管中心距S - 6 16 6 22mm各程相邻管的管心距为44mm5.壳体径采用多管程结构，进行壳体径计算。取管板的利用率 0.7，则壳体径为：fN? ,D 1.05t、T 1.05 32 634.98mm下 0.7按照卷制壳体的进级档，可取 D=700mm筒体的直径校核计算：壳体的径Di壳体应等于或大于（

4、在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的径，其表达式为：Di tg 1） 2e ，因为，管子按正三角形排列，管数：nc 1.19 Nt 1.19 250 19取 e 1.2d0 1.2 25 30mmDi 32 （19 1） 2 30 636mm 按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得:Di 700mm6.折流挡板采用圆缺形折流挡板，去折流挡板圆缺高度为壳体径的 25%则切去的圆缺高度为h 0.25 700 175mm故，可圆整取h 200mm取折流板的间距B 550mm。折流板数Nb - 1 6000 1 10B 5507.其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体径为 7

5、00mm故其拉杆直径为12拉杆，数量为8,8.接管壳程流体进出口接管：取接管流体流速为 U1 0.6m/s，则接管径为：fr4V （4 22600/（3600 986）D1 们 0.116m丫 丫 3.14 0.6圆整后得到管径为：D1 120mm管程流体进出口接管：取接管液体流速 U2 1.5m/s，则接管径为：淫 J4 140632.5/（3600 画 0 289: :. 3.14 1.5 D2 300mm六、换热器核算1.热流量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式0.36 只。1/de ）0.14w当量直径，由正三角形排列得J3 2 2do0.0322严5）3.14

6、0.0250.020m壳程流通截面积d 25So BD （1 亠）0.55 0.7 （1 ） 0.0842m2t 32壳程流体流速及其雷诺数分别为Uo22600/（3600 986）Re。0.08420.02 0.08 9860.54 10 30.08m /s2922普兰特准数PrCp3 34.19 10 0.54 103.42粘度校正（严0.950.360.020 55 132922 . 3.42 3 0.951377w/m K（2）管程对流传热系数管程流通截面积：Si0.7850.022 250/2 0.04 m管程流体流速：UiReimii AidiUi普兰特准数:（3）污垢热阻和管壁热

7、阻:140632.5/（3600 994）0.98m/s0.040.02 0.98 9940.00072810 0.0007280.626 0.80.023 26762267624.854.850.4 4716.1W/（m2 K）取壳程污垢热阻：Ro0.0002m2k/w取管程污垢热阻：Ri0.0004m2该件下的热导率为45w/（m K）。所以Rw0.0025450.00006 m k/w（4）传热系数Ke有:Rd。 Rwd。di dm1）o254716.1 20.0004 25 .00006 25 0.0002 丄13372022.5562w/m K因为2计=562K 估 5001.124

8、，介于1.12至1.5之间符合要求。（5）传热面积裕度:计算传热面积AcQ1Ke tm163000056228.4,2 2101m该换热器的实际传热面积为:Ap dl（Nnc）3.140.025 6 （250 19）109m2该换热器的面积裕度为：H1091017.9%综上所述，传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。2.壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小,故管壁温度可按式twtm. .0计算。1 1c n由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15C,Tw（102+40）/2=71 C =344 K出口温度为40C计算传热管壁温

9、。另外，由于传热管外侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高， 降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计 算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：Tw T tm1 c 1 n式中循环水的平均温度tm和有机料液的平均温度Tw分别计算为0.4 X 40+0.6 X 15=25C =298 Ki4716.1w/ 旷 Ko 1377w/mK传热管平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=344K3壳体壁温和传热管壁温之差为t 344 308.5 35.5 50 C C该温差较小，故不需设温度补偿装置。344

10、2984716.113771308.5K3换热器流体的流动阻力（1）管程流体阻力Pi（PiPr）NsNpFtNs 1 ,Np2 , Ft 1.4_l_u2 i dTV由Re=26762传热管对粗糙度001 0.0005查莫狄图得 i 0.016W /（m C），流速 Ui =0.98m/s,994.kg/m3,所以:2291 Pa6 0.98p1 0.016P213 994 982 1432Pa22P1（2291 1432） 2 1.4 10424.4Pa所以，管程流体阻力在允许围之。0.4（2）壳程阻力:P1 Ffo nJNB壳程流通截面积：Ah （Di n cd。） 0.2（0.7 190

11、.025）0.045m s则：P1 Ffn c（NbP2 N b 3.5Reo业0.025 0.08o 5.0 Reo0.2280.545.00.7710 30.228365219 （101）心理 203.1Pa2BDOUO10（3.52 0.55）0.7986 0.08 一厂61PaP1 P2 Ft Ns其中 Ft 1.15, Ns 1（203.1 61） 1.15 1 303.7Pa由此可知本换热器符合要求。Nb折流板数目;B-折流板间距，m；壳体径，m；管子排列方式对压力降的校正因数，对于正三角形排列,f0壳程流体的摩擦系数。nc横过管束中心线的管数，管子按正三角形排列：nc = 1 .

12、 1 N ；管子按正方形排列：=1 . 19 、N ；u0 壳程流体横过管束的最小流速，m /s ,设计结果参数管程（循环水）壳程（有机料液）流量（kg/h）140632.522600进/出口温度/c30/40102/40压降/kPa60物 性定性温度/c3571密度 / （kg/m3）定压比热容/kJ/ （kg? c）粘度 / （Pa? s）0.728 X 10 30.54 X 10 3热导率（W/n? c）普朗特数设备结构参数形式固定管板式管程数壳体径/ mm700壳程数管径/ m25X 2.5管心距/ m44管长/ m6000管子排列混合管数目/根折流板数/个传热面积/153折流板间距/

13、m550材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/ （ m/s）0.980.08表面传热系数/W/ （卅? k）污垢热阻/ （卅? k/W）0.00040.0002阻力/ Pa10424.4303.7热流量/kW1630传热温差/K传热系数/W/ （tf ? K）裕度/%七、结构设计1 、固定管板结构设计： 由于换热器的径已确定，采用标准径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为： 固定管板外径： D0 D i 2b1 700 2 5 690mm 固定管板外径与壳体径间隙：取 b1 3mm 垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计 （化学工业出版） :表 4-16： 取 bn 16mm固定管板密封面宽度：

14、b2 bn 1.5 17.5mm外头盖径：D Di 100 700 100 800mm2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计： 依工艺条件： 管侧压力和壳侧压力中的高值， 以及设计温度和公称直径 700，按 JB4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见化工单元过程及设备课程设计 （化学工业出版）。3、管箱结构设计：选用 B 型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计 算，只考虑相邻焊缝间距离计算：Lgmin hf 2C dg h1 h2 797mm取管箱长为800mm管道分程隔板厚度取7mm4、 固定端管板结构设计：依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸

15、，确定固定端管板最大外径为： D=806mm5、 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径Dn 800mm ；按JB4703-93长颈法兰标准选取并 确定尺寸。6、 外头盖结构设计： 外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。7、 垫片选择：a. 管箱垫片：根据管程操作条件（循环水压力18786pa，温度35 C ）选石棉橡胶垫。结构尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版）：图4-39 （b）所示：D 808mm; d 700mm.b.外头盖垫片：根据壳程操作条件（有机料液，压力5471pa，温度71 C），选缠绕式垫片,垫片：909mm 800

16、mm （JB4705-92）缠绕式垫片。&折流板布置：折流板尺寸：外径：D Dn 3 700 3 697mm ；厚度取 3mm前端折流板距管板的距离至少为 450mm结构调整为550mm见化工单元过程及设备课程 设计（化学工业出版）实际折流板间距B=550mm计算折流板数为10块。9、说明：在设计中由于给定压力等数及公称直径超出 JB4730-92,长颈对焊法兰标准围，对壳体及 外头盖法兰无法直接选取标准值，只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算1 、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度 71C，设计压力等于工作压力为 5471 pa，选低合金结构钢板16MnR卷制，查得材料71 C时许用

17、应力 t 163Mpa取焊缝系数 =0.85，腐蚀裕度C2=1mm对16MnR钢板的负偏差C1=0从而:压圆筒计算厚度公式:计算厚度： 0.05471 140027.9 mm2 1630.85 5.417设计厚度：d C227.9 1 28.9 mm名义厚度：n d C128.9mm圆整取n 30mm有效厚度：e n C1C2 29mmPcPcDit水式实验应力校核：” 822Mpa所选材料的屈服应力 s 325Mp a0.85 325 248.625Mp a水压强度满足82.2Mpa 0.9s 0.9封头名义厚度:Sn S C1 C2 15.95 1 16.95mm试验压力：PtPc 5.4

18、17Mpa2、外头盖短节、封头厚度计算:外头盖径=800mr，其余参数同筒体:短节计算壁厚:S= PcDi6.9 80020.3mm2 163 0.85 5.417短节设计壁厚:Sd SC220.3 1 21.3mm短节名义厚度:Sn Sd C121.3mm圆整取Sn =22mm有效厚度:SeSnC121mm压力试验应力校核:Di2 eS77 800 21 129.5Mpa221压力试验满足试验要求。外头盖封头选用标准椭圆封头:封头计算壁厚:_PcDi2 t 0.5Pc 2 163 0.85 0.5 5.4175.417 80015.95mm取名义厚度与短节等厚:Sn 20 mm3、管箱短节、

19、封头厚度计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为 359，设计压力为18.786Mpa，选用16MnR钢板,材料许用应力 t 170Mpa，屈服强度s 345Mp a，取焊缝系数 =0.85，腐蚀裕度C2=1mm 计算厚度：PcDi 18.786 700S= c = 48.6mm2 Pc 2 170 0.85 18.786Sd S C2 48.6 1 49.6mmSn Sd C1 49.6mm结合考虑开孔补强及结构需要取Sn 50 mmSe Sn C1 C2 50-1 49mm压力试验强度在这种情况下一定满足。管箱封头取用厚度与短节相同，取Sn 8mm4、管箱短节开孔补强校核开孔补强采用等面

20、积补强法，接管尺寸为 377 9，考虑实际情况选 20号热轧碳素钢管t 130Mpa， 377C2 =1mm接管计算壁厚:St18.786 3772 1300.853.2mm接管有效壁厚:SetSnt9-1-90.156.65mm开孔直径:di 2C3772.35363.7mm接管有效补强高度:B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度：h1 dSnt . 363.7 9 57.2mm需补强面积：A=dS=363.7 1.94=705.6 mm2可以作为补强的面积：A1 （B-d）（Se-S） （727.4 363.7） （6 1.94） 1476.6mm2A 2 2h 1 S

21、et - St fr2 57.2 （6.65 3.2） 130/170284.3mmA1 A2 1476.6 284.3 1760.9 A 705.6mm 2该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接管开孔补强校核:开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管 325 12钢管许用应力:t 137MPa，5.471 3252 137 16.3mm5.417Snt C112-1-120.15 9.2mm3252 12 2（1 12 0.15） 306.6nm接管有效补强厚度:306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度:h1 dSnt 、306.6 12 60.7mm需要补强面积:

22、A=d=306.6 35.75=10960.95 mm2可以作为补强的面积为:A1 （ B-d）（ e- ） （613.2 306.6）（37 35.75） 383.25nm尚需另加补强的面积为:A4A -A1 -A2 10960.95-383.25-283.7 10294mm补强圈厚度:SkB do10294 35.7mm613.2 325实际补强圈与筒体等厚：36mm ；则另行补强面积:A4 SK（B-d0） 36 （613.2325） 10375.2mm22 2A1 A 2 A 4 383.25 283.7 10375.2 11042.15mm A 10960.95nm同时计算焊缝面积A

23、3后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算:固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度b=100mm总换热管数量n=256 ；一根管壁金属横截面积为:a -（ do dj42 2 2-（252 202） 176.6mm2开孔温度削弱系数（双程）0.5两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚儿取6850mm计算系数K:K21.32訂：Lbna 1 32 型.256 176.6 10.6100 V0.5 6850 100K=3.256接管板筒支考虑,依 K值查化工单元过程及设备课程设计化学工业：图 4-45，图 4-46，图 4-47 得：G1 2.9, G2 -0.65, G3 2.8管板最大应力：t丄PaR Pt G21 641 （5.417 0.4） （ 0.65）0.233 .0.607