4381.固定管板式换热器设计 传热传质学课程设计.doc

专业课程设计固定管板式换热器设计 院（系、部）：机械工程学院专 业：过程装备与控制工程班 级：姓 名：学 号：指导老师: 2010年 1 月 5 日·北京目录一 设计参数 2二、热工艺设计 21.估算传热面积 22.工艺结构尺寸 3三、 结构设计 63.1结构尺寸参数 63.2采用原件材料及数据 73.3 折流板 73.4接管 73.5壳体和封头的设计 83.5管板与换热管 83.6壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 103.7其他各部件结构 11四、强度的计算与校核 134.1圆筒计算 134.2压力实验应力校核 134.3最大工作压力和计算应力 134.4封头设计计算 134.5管板设计计算 144.6 接管、接管法兰以及开孔补强 174.7 鞍座强度校核 19参 考 文 献 21一 设计参数- 壳 程 管 程 设计压力（MPa） 2.61.7 操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口） 设计温度（℃） 250 75 操作温度（℃） 220/175（进口/出口） 25/45（进口/出口） 流量（kg/h） 40000 选定 物料（-） 石脑油 冷却水 程数（个） 1 2 腐蚀余度（mm） 3 - 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。

故壳程石脑油的定性温度为= (220+175)/2=197.5℃管程流体的定性温度为 t= (45+25)/2=35℃查《石油化工设计手册》得设计温度下物料的物理性质参数如下表(其中石脑油按汽油算)：石脑油的物性参数(T=197.5℃) 水的物性参数（t=35℃）密度：ρ1=0.71×103kg/m3定压比热容:Cp1=2.13J/(kg•K)导热率：λ1=0.218W/(m•K)粘度：μ1=0.64×10-3Pa•s密度：ρ2=993.95kg/m3定压比热容:Cp2=4.174J/(kg•K)导热率：λ2=0.625W/(m•K)粘度：μ2=0.727×10-3Pa•s二、热工艺设计1.估算传热面积1.1计算两流体的平均温度差 先按单壳程、2或2n管程进行计算，其逆流时的平均温度差为：Δt===162.18k P===0.102 , R===2.25按单壳层，双管程查温差修正系数表得: εΔt=0.99故有效平均温差 Δtm=εΔtΔtm逆=0.99×162.18=160.56K1.2计算热流量及冷却水的流量 热流量:Φ=qm1cp1Δt1=4000×2.13×(220-175) =3.834×106kJ/h=1065kw 取热损失系数ηC=0.97,则冷却水吸收的热量：Φ2=ηCΦ=3.834×106×0.97=3.719 kJ/h=1033kw冷却水用量：qm2=Φ2/ cp2Δt2=3.719×106/[4.174×(45-25)]=44549.59kg/h1.3估算传热面积初选K=680W/(m2•K),由稳态传热基本方程得传热面积:A估=Φ/KΔtm=1033000/(680×160.56)=9.46m2 2.工艺结构尺寸2.1选择管径和管内流速选用φ25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），查《换热器设计手册》表1-2-7得：公称直径DN（mm）管程数nt（个）管子根数Nt（根）中心排管数管程流通面积（m2）换热面积（m2）换热管长度L(mm)400294110.014821.43000排列形式：正三角形管间距： =32mm折流板间距：2.2计算实际换热面积 实际换热面积 A实际=πd(L-2δ-0.006)n =3.14×0.025×(3-2×0.05-0.006)×94=21.35m2 2.3 计算总传热系数 管内冷却水速度： ui=Qi/ρAi=44549.59/(3600×993.95×0.0148)=0.84m/s换热管内经di=d0-2δ=0.025-2×0.0025=0.02m 雷诺数：Rei=uidiρ/μ=0.84×0.02×993.95/0.000727=22968.86对于湍流，由Dittus –Boelter关系式，有传热膜系数：普朗特数： =4174×0.000727/0.625=4.86由于冷却水要被加热,故取n=0.4管内传热膜系数αi=0.023×0.625/0.02×22968.860.8×4.860.4=4170.07W/(m2•K) 管外传热膜系数换热管呈正三角形排列，根据Kern法当量直径：=流体流过管间最大截面积是壳体内径估算为=0.37=0.216.7=40000/(3600×710×0.0167)=0.94m/s雷诺数：Re=uodoρ/μ=0.94×0.025×710/0.00064=26070普朗特数： =2130×0.00064/0.218=6.25壁温可视为流体平均温度，即：0.55 αo=0.36×(0.218/0.02) ×(0.02×0.64×710/0.00064)0.55×6.251/3 =1389.25W/(m2•K)查表《GB151-1999管壳式换热器》得：管外有机物污垢热阻：/W管内冷却水污垢热阻：/W插入法得到=式中：——管外流体传热膜系数，W/(m2·K)； ——管内流体传热膜系数，W/(m2·K)； ,——分别为管外、管内流体污垢热阻，(m2·K) /W； —管壁厚度，m；——管壁材料的导热系数，W/(m2·K) oα iαiorr,δwλ1/K=1/1389.25+1/4170.07+1.76×10-4+0.0025/73=1.1698×10-3K=1/1.1698×10-3=854.82.4 计算总换热面积由稳态传热基本方程：A =Φ/KΔtm=1033000/(854.8×160.56)=7.526m2（1+25%）=9.41,符合选型要求2.5计算管程压力降管程压力降有三部分组成，可按照如下公式进行计算—流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa; --流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa; —流体流经管箱进出口的压力降，Pa; —结构矫正因素，无因次，对Φ25×2.5mm，取为1.4； 管程数取2； 串联的壳程数取1; 根据伯拉修斯式，Re=3时有： λ=0.3164/22968.860.25=0.0257 ΔpL=0.0257×(2/0.02)×(993.95×0.842/2)=901.21Pa Δpr=3×(ρiui2/2)=3×(993.95×0.842/2)=1051.997Pa Δpn=1.5×(993.95×0.842/2)=526PaΔpi=(901.21+1051.997) ×1.4×2×1+526×1=0.005594MPa管程压力降在允许范围内2.6计算壳程压力降采用埃索法计算公式： 式中：--流体横过管束的压力降，Pa; --流体通过折流板缺口的压力降，Pa; —壳程压力降的结垢修正系数，无因此，对液体取1.15;其中： 式中：F—管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形F=0.5; —壳程流体摩擦系数，当Re>500时，; --横过管束中心线的管子数，对三角形排列; --按壳程流通截面积计算的流速，。

=5.0×26070-0.228=0.492 0.2×(0.37-10.66×0.025)=0.0207m3=40000/(3600×710×0.0207)=0.756m/s=0.5×0.492×10.66×(14+1) ×710×0.7562/2 =0.00798Mpa14×[3.5-(2×0.2/0.37)] ×710×0.7562/2=0.006871MPa=（0.00798+0.006871）×1.15×1=0.01708MPa因此，壳程压力降在允许范围内三、 结构设计3.1结构尺寸参数 a)根据换热器公称直径为400mm，选用圆筒作为换热器壳体 壳体圆筒：公称直径DN=400mm，壁厚b)换热管：外径d=25mm，壁厚，换热管长度，根数n=94，受压失稳当量长度，换热管呈正三角形排列，管间距 c)管板：刚度削弱系数，强度削弱系数d)螺栓：数量n=16，规格M27，30mm有效承载面积： （《换热器设计手册》）e)管箱法兰：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整体钢制管法兰 法兰外径 ，螺栓孔径中心圆直径，法兰厚度C=32mm，管箱圆筒厚度，法兰宽度： 3.2采用原件材料及数据 a)换热管材料：碳素钢钢管 20 设计温度下的许用应力 设计温度下的屈服点 设计温度下的弹性模量(GB150-89,表15) 管壁温度下的弹性模量 管壁温度下的膨胀系数 b)壳程圆筒材料：碳素钢Q235-B 250设计温度下的许用应力 圆筒在壁温下的弹性模量Mpa 圆筒在壁温下的线膨胀系数mm/ c)管板材料：16Mn 250设计温度下的许用应力250设计温度下的弹性模量d)螺栓材料：40Cr（GB150-1989表2-7）常温下许用应力250设计温度下的许用应力e)管箱法兰材料：16Mn由于管箱法兰为长颈对焊法兰，管箱圆筒材料弹性模量取管箱法兰材料的值，根据GB150-1989250下的弹性模量75下的弹性模量f)垫片材料：铁包石棉垫片根据GB150-1998，垫片系数m=2，比压y=11Mpa3.3 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺 高度为： 100mm 折流板数NB=14块3.4接管壳程流体进出口接管： 接管内流速uo=0.756m/s,则接管内径为
圆整后取170mm管程流体进出口接管：接管内流速uo=0.84m/s圆整后取140mm3.5壳体和封头的设计 3.3.1壳体的设计 a)圆筒公称直径 。