列管式换热器课程结构设计Word下载.docx
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ln^0
4030
2.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di2u4
按照单程管设计,
140632.5/（3600994）1252
0.7850.0221
所需的传热管长度为
112.54
Ld°
Ns3.140.025125.2
11.5m
3.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/（500X21.3）=153m
4.冷却水的用量
m电泅1061406325kg/h
cpit4.174（4030）
五、工艺结构尺寸
1.管径和管流速选用
252.5mm的碳钢管，初步选用管流速u1.0m/s。
取L=12m按单程管设计，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
l6m
则该换热器的管程数为
NpL
传热管总根数为
Nt125.22
250
3.传热平均温差校正与壳程数
平均温差校正系数:
R口6.2
t2t14030
pt?
J
T1t1
10230
0.139
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:
t0.98
平均传热温差
tmttm0.9828.427.8K
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
t1.25d。
1.252531.2532mm
隔板中心到离其最近一排管中心距
S-616622mm
各程相邻管的管心距为44mm
5.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?
'
D1.05t、T1.0532•——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（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：
Ditg1）2e，
因为，管子按正三角形排列，管数：
nc1.19Nt1.1925019
取e1.2d01.22530mm
Di32（191）230636mm按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得:
Di700mm
6.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
h0.25700175mm
故，可圆整取h200mm
取折流板的间距B550mm。
折流板数Nb-16000110
B550
7.其他附件
拉杆数量与直径选取，本换热器壳体径为700mm故其拉杆直径为①12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U10.6m/s，则接管径为：
fr4V（422600/（3600986）
D1—们0.116m
丫丫3.140.6
圆整后得到管径为：
D1120mm
管程流体进出口接管：
取接管液体流速U21.5m/s，则接管径为：
淫J4140632.5/（3600画0289
:
:
.3.141.5'
D2300mm
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
）0.14
w
当量直径，由正三角形排列得
J322
do
0.0322
严5）
3.140.025
0.020m
壳程流通截面积
d25
SoBD（1亠）0.550.7（1—）0.0842m2
t32
壳程流体流速及其雷诺数分别为
Uo
22600/（3600986）
Re。
0.0842
0.020.08986
0.54103
0.08m/s
2922
普兰特准数
Pr
Cp
33
4.19100.5410
3.42
粘度校正
（―严
0.95
0.36
0.02
05513
2922.3.4230.95
1377w/mK
（2）管程对流传热系数
管程流通截面积：
Si
0.785
0.022250/20.04m
管程流体流速：
Ui
Rei
mi
iAi
diUi
普兰特准数:
（3）污垢热阻和管壁热阻:
140632.5/（3600994）0.98m/s
0.04
0.020.98994
0.000728
100.000728
0.6260.8
0.02326762
26762
4.85
4.850.44716.1W/（m2K）
取壳程污垢热阻：
Ro
0.0002m2
k/w
取管程污垢热阻：
Ri
0.0004m2
该件下的热导率为45w/（m•
K）。
所以Rw
0.0025
45
0.00006mk/w
（4）传热系数Ke有:
Rd。
Rwd。
didm
1）
o
25
4716.120
°
.000425°
.00006250.0002丄
1337
20
22.5
562w/mK
因为2计=562
K估500
1.124，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
Ac
Q1
Ketm
1630000
562
28.4
22
101m
该换热器的实际传热面积为:
Apd°
l（N
nc）
3.14
0.0256（25019）
109m2
该换热器的面积裕度为：
H
109
101
7.9%
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
tw
tm
..0计算。
11
cn
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=71C=344K
出口温度为40C计算传热管壁温。
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：
TwTtm
1c1n
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
0.4X40+0.6X15=25°
C=298K
i4716.1w/旷K
o1377w/m「K
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
t344308.535.550CC
该温差较小，故不需设温度补偿装置。
344
298
4716.1
1377
1
308.5K
3•换热器流体的流动阻力
（1）管程流体阻力
Pi
（Pi
Pr）NsNpFt
Ns1,
Np
2,Ft1.4
_l__u2idTV
由Re=26762传热管对粗糙度
0010.0005
查莫狄图得i0.016W/（mC），流速Ui=0.98m/s,
994.kg/m3,所以:
2291Pa
60.98
p10.016
P2
13994°
9821432Pa
22
P1
（22911432）21.410424.4Pa
所以，管程流体阻力在允许围之。
0.4
（2）壳程阻力:
P1FfonJNB
壳程流通截面积：
A
h（Dincd。
）0.2
（0.719
0.025）
0.045ms
则：
P1Ff°
nc（Nb
P2Nb3.5
Reo业
0.0250.08
o5.0Reo0.228
0.54
5.0
0.77
103
0.228
3652
19（10
1）心理203.1Pa
2B
D
OUO
10
（3.5
20.55）
0.7
9860.08一厂
61Pa
P1P2FtNs
其中Ft1.15,Ns1
（203.161）1.151303.7Pa
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=1.1N；
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）
140632.5
22600
进/出口温度/c
30/40
102/40
压降/kPa
<
60
物性
定性温度/c
35
71
密度/（kg/m3）
定压比热容/[kJ/（kg?
c）]
粘度/（Pa?
s）
0.728X103
0.54X103
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/mm
700
壳程数
管径/m
①25X2.5
管心距/m
44
管长/m
6000
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/m
550
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.98
0.08
表面传热系数/[W/（卅?
k）]
污垢热阻/（卅?
k/W）
0.0004
0.0002
阻力/Pa
10424.4
303.7
热流量/kW
1630
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：
D0Di2b170025690mm固定管板外径与壳体径间隙：
取b13mm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bn16mm
固定管板密封面宽度：
b2bn1.517.5mm
外头盖径：
DDi100700100800mm
2、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：
L"
gminhf2Cdgh1h2797mm
取管箱长为800mm管道分程隔板厚度取7mm
4、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，确定固定端管板最大外径为：
D=806mm
5、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Dn800mm；
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35C）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：
D808mm;
d700mm.
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：
909mm800mm（JB4705-92）缠绕式垫片。
&
折流板布置：
折流板尺寸：
外径：
DDn37003697mm；
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5471pa，选低
合金结构钢板16MnR卷制，查得材料71°
C时许用应力t163Mpa
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：
0.054711400
27.9mm
2163
0.855.417
设计厚度：
dC2
27.9128.9mm
名义厚度：
ndC1
28.9mm
圆整取n30mm
有效厚度：
enC1
C229mm
Pc
PcDi
t
水式实验应力校核：
”822Mpa
所选材料的屈服应力s325Mpa
0.85325248.625Mpa水压强度满足
82.2Mpa0.9
s0.9
封头名义厚度:
SnSC1C215.95116.95mm
试验压力：
Pt
Pc5.417Mpa
2、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=
PcDi
6.9800
20.3mm
21630.855.417
短节设计壁厚:
SdS
C2
20.3121.3mm
短节名义厚度:
SnSdC1
21.3mm
圆整取Sn=22mm
有效厚度:
Se
Sn
C1
21mm
压力试验应力校核:
Di
2e
S'
7780021129.5Mpa
221
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:
_PcDi
2t0.5Pc21630.850.55.417
5.417800
15.95mm
取名义厚度与短节等厚:
Sn20mm
3、管箱短节、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t170Mpa，屈服强度s345Mpa，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度C2=1mm计算厚度：
PcDi18.786700
S=c——=48.6mm
2Pc21700.8518.786
SdSC248.6149.6mm
SnSdC149.6mm
结合考虑开孔补强及结构需要取Sn50mm
SeSnC1C250-149mm
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Sn8mm
4、管箱短节开孔补强校核
开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为3779，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管
t130Mpa，377
C2=1mm
接管计算壁厚:
St
18.786377
2130
0.85
3.2mm
接管有效壁厚:
Set
Snt
9-1-9
0.15
6.65mm
开孔直径:
di2C
377
2.35
363.7mm
接管有效补强高度:
B=2d=2
363.7=727.4mm
接管外侧有效补强高度：
h1dSnt.363.7957.2mm
需补强面积：
A=dS=363.71.94=705.6mm2
可以作为补强的面积：
A1（B-d）（Se-S）（727.4363.7）（61.94）1476.6mm2
A22h1Set-Stfr
257.2（6.653.2）130/170
284.3mm
A1A21476.6284.31760.9A705.6mm2
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32512
钢管许用应力:
t137MPa，
5.471325
21371
6.3mm
5.417
SntC1
12-1-12
0.159.2mm
325
2122
（1120.15）306.6nm
接管有效补强厚度:
306.6=613.2mm
接管外侧有效补强高度:
h1dSnt、306.61260.7mm
需要补强面积:
A=d
=306.635.75=10960.95mm2
可以作为补强的面积为:
A1（B-d）（e-）（613.2306.6）（3735.75）383.25nm
尚需另加补强的面积为:
A4
A-A1-A210960.95-383.25-283.710294mm
补强圈厚度:
Sk
Bdo
1029435.7mm
613.2325
实际补强圈与筒体等厚：
36mm；
则另行补强面积:
A4SK（B-d0）36（613.2
325）10375.2mm2
22
A1A2A4383.25283.710375.211042.15mmA10960.95nm
同时计算焊缝面积A3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-（dodj
4
222
-（252202）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:
K2
1.32訂：
Lb
na132型.256176.610.6
100V0.56850100
K=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：
G12.9,G2-0.65,G32.8
管板最大应力：
t丄Pa
RPtG2
1641（5.4170.4）（0.65）
0.233.
0.607
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