化工機(jī)械與設(shè)備課程設(shè)計(jì)題 目：浮頭式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)系 別：化學(xué)材料與工程系班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：組 別：組 員：教 師：日 期：化工設(shè)備機(jī)械課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1、 設(shè)計(jì)題目 浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)2、 設(shè)計(jì)目的在給定工藝條件與化工原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,把所學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用,鞏固和強(qiáng)化有關(guān)機(jī)械課程的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)。3、 設(shè)計(jì)任務(wù) 參數(shù)名稱殼程管程設(shè)計(jì)壓力（MPa）1.81.0操作壓力（MPa）0.250.2設(shè)計(jì)溫度（）17090操作溫度（）125/70（進(jìn)口/出口）25/40（進(jìn)口/出口）流量（Kg/h）25000-物料（-）間二甲苯溶液水程數(shù)（個(gè)）1自定4、 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.根據(jù)傳熱參數(shù)進(jìn)行換熱器的選型和校核；2.對(duì)換熱器主要原件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度和強(qiáng)度校核，包括筒體、前端封頭管箱、外頭蓋、封頭、法蘭、管板、支座；3.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總；4.設(shè)計(jì)裝配圖和重要的零件圖5.設(shè)計(jì)評(píng)述5、 人員安排2-3人一組6、 進(jìn)度安排 第1-2天內(nèi)查找資料，完成概述等相關(guān)撰寫，第3-4天完成主體設(shè)計(jì)計(jì)算，第5-6天 提交文字說明并繪制。目錄第1章概述1第2章工藝計(jì)算32.1設(shè)計(jì)條件32.2核算換熱器傳熱面積32.2.1初算換熱器傳熱面積32.2.2校核平均溫差62.2.3校核換熱面積72.3壓力降的計(jì)算72.3.1管程壓力降72.3.2殼程的壓力降82.4換熱器壁溫計(jì)算92.4.1換熱管壁溫計(jì)算92.4.2圓筒壁溫的計(jì)算102.5本章小結(jié)10第3章?lián)Q熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算113.1殼體與管箱厚度的確定113.1.1殼體和管箱材料的選擇113.1.2圓筒殼體厚度的計(jì)算113.1.3管箱厚度計(jì)算113.2開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算133.2.1殼體上開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算133.2.2外頭蓋開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算143.3換熱管163.3.1換熱管的排列方式163.3.2布管限定圓163.3.3排管163.3.4換熱管束的分程173.3.5換熱管與管板的連接173.4管板設(shè)計(jì)183.4.1管板與殼體的連接183.4.2管板計(jì)算183.4.3管板重量計(jì)算233.5折流板243.5.1折流板的型式和尺寸243.5.2折流板排列243.5.3折流板的布置243.5.4折流板重量計(jì)算253.6法蘭與墊片253.6.1固定端法蘭與墊片263.6.2外頭蓋法蘭與浮頭墊片273.6.3接管法蘭型式與尺寸28第4章?lián)Q熱器的安裝、試車與維修294.1安裝294.1.1場(chǎng)地和基礎(chǔ)294.1.2安裝前的準(zhǔn)備294.1.3地腳螺栓和墊鐵294.1.4其他要求294.2試車294.3維護(hù)29總 結(jié)30參考文獻(xiàn)31第1章 概述換熱器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備。 隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)已普遍 把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新 的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性 起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家熱回收率已 達(dá) 96%。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的 30%左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，約 70%。其余 30%為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。 在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時(shí)，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器主要有固定管板式，U型管式和浮頭式換熱器。針對(duì)固定管板式與U型管式的缺陷，浮頭式作了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對(duì)殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會(huì)因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)還在于方便拆卸，清洗方便，對(duì)于管子和殼體間溫差大、殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況很能適應(yīng)。其缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填塞式滑動(dòng)面處在高壓時(shí)易泄露，這使其應(yīng)用受到限制，適用壓力為：1.0Mpa6.4Mpa。 換熱器（熱交換器）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式（混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器）、蓄熱式（蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體（填料）表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器）和間壁式（隨間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣）三類。在我國(guó)換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)落后于外國(guó)，由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 在我國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國(guó)對(duì)某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：（1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；（2） 結(jié)構(gòu)安全可靠；（3） 便于制造、安裝、操作和維修；（4） 經(jīng)濟(jì)上合理。所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強(qiáng)化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結(jié)為下述兩個(gè)原理：溫度邊界層減勃和調(diào)換傳熱面附近的流體。因此最近十幾年來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，凝結(jié)是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結(jié)換熱系數(shù)很高，但經(jīng)過強(qiáng)化措施還可以進(jìn)一步提升換熱效率。1. 管外凝結(jié)換熱的強(qiáng)化（1）冷卻表面的特殊處理（2）冷卻表面的粗糙化（3）采用擴(kuò)展表面2. 管內(nèi)凝結(jié)換熱的強(qiáng)化（1）擴(kuò)展表面法（2）采用流體旋轉(zhuǎn)法（3）改變傳熱面形狀按照設(shè)計(jì)要求，在結(jié)構(gòu)的選取上，為了增大溫差校正系數(shù)，采用了1-4型，即一個(gè)殼程兩個(gè)管程。首先，通過換熱計(jì)算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結(jié)構(gòu)。然后按照設(shè)計(jì)的要求以及一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質(zhì)壓力、溫度、流體性質(zhì)以及便于拆卸等等。之后對(duì)有些部件用ANSYS進(jìn)行了強(qiáng)度校核并進(jìn)行對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于時(shí)間和資料有限，本人的認(rèn)識(shí)也不夠全面，在設(shè)計(jì)過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評(píng)和指正。第2章 工藝計(jì)算 在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需要的傳熱面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了熱力設(shè)計(jì)以及流動(dòng)設(shè)計(jì)，其具體運(yùn)算如下所述：2.1 設(shè)計(jì)條件介質(zhì)水間二甲苯溶液入口溫度（）25125出口溫度（）4070質(zhì)量流量（Kg/h）-25000密度(kg/)998864比熱容kj/(kg)4.1831.70導(dǎo)熱系數(shù)W/（m）0.5990.167黏度mPas1.0050.611壓力（MPa）1.81.02.2 核算換熱器傳熱面積 2.2.1 初算換熱器傳熱面積2.2.1.1 傳熱計(jì)算（熱負(fù)荷計(jì)算）熱負(fù)荷： 式中：冷熱流體的質(zhì)量流量，J/(kgk)；冷熱流體的定壓比熱，J/(kgk)；冷流體的進(jìn)、出口溫度，k；熱流體的進(jìn)、出口溫度，k。理論上，=，實(shí)際上由于熱量損失，通常熱負(fù)荷應(yīng)該取max（，）。這里按理論設(shè)計(jì)計(jì)算。 故。2.2.1.2 有效平均溫差的計(jì)算選取逆流流向，這是因?yàn)槟媪鞅炔⒘鞯膫鳠嵝矢摺Ｆ渲袨檩^小的溫度差，為較大的溫度差。 因?yàn)?，故采用對(duì)數(shù)平均溫度差，則 （2-3）2.2.1.3 按經(jīng)驗(yàn)值初選總傳熱系數(shù) 查表選得=490W/（）；2.2.1.4 初算出所需的傳熱面積 （2-4） 考慮到所用傳熱計(jì)算式的準(zhǔn)確程度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使所選用的換熱器具有換熱面積留有裕度10%-25%，故有：2.2.1.5 總傳熱系數(shù)K的校驗(yàn)管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用關(guān)聯(lián)式計(jì)算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式如下： （2-5） 式中：K總傳熱系數(shù)，W/（K）； 、分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W/（K）； 、分別為管程和殼程的污垢熱阻，K/w； 、分別是傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； 傳熱管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（K）； 傳熱管壁厚，m。2.2.1.6 管程流體傳熱系數(shù)其計(jì)算過程如下：初選管內(nèi)流體（冷卻水）的流速 ，可知流體處于湍流狀態(tài)； 當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)為過渡流的時(shí)候，對(duì)流傳熱系數(shù)可先按湍流的公式計(jì)算， W/（K）；2.2.1.7 殼程流體傳熱系數(shù)其計(jì)算過程如下：換熱器內(nèi)需裝弓形折流板，根據(jù)GB151-1999可知，折流板最小的間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的1/5，且不小于，故根據(jù)浮頭式換熱器折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)，可取折流板間距。因?yàn)闅んw選擇為卷制圓筒，根據(jù)GB150-1999可知?dú)んw內(nèi)徑。管間流速是根據(jù)流體流過管間最大截面積計(jì)算：其中：管外徑，即25， 為換熱管中心距，此時(shí)選擇換熱管在管板上的排列方式為正方形排列，因?yàn)檫@樣便于機(jī)械清洗，查GB151-1999得。 當(dāng)換熱管呈正方形排列時(shí)，其當(dāng)量直徑為 ；同時(shí)： 故可用Kern法求，即： 與都已經(jīng)算出，而，同時(shí)查鋼管壁熱導(dǎo)率為，則有故，合適。2.2.2 校核平均溫差與平均溫差有關(guān)參數(shù)的計(jì)算如下：；根據(jù)R、P值，查溫度校正系數(shù)圖可得溫度校正系數(shù)，因此有效平均溫度差為： 2.2.3 校核換熱面積實(shí)際傳熱面積： 校核： 為了保證換熱器的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的實(shí)際面積，由上可知所選換熱器面積滿足要求。2.3 壓力降的計(jì)算 流體流經(jīng)換熱器因流動(dòng)引起的壓力降，可按管程壓降和殼程壓降分別計(jì)算。2.3.1 管程壓力降 管程壓力降有三部分組成，可按下式進(jìn)行計(jì)算： 其中：流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； 流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； 流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，Pa； 結(jié)構(gòu)校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)的管子，取為1.4；對(duì)的管子，取為1.5； 管程數(shù)； 串聯(lián)的殼程數(shù)。其中，、的計(jì)算式如下：；式中：管內(nèi)流速，；管內(nèi)徑，；管長(zhǎng)，；摩擦系數(shù)，無(wú)量綱，可由下式求??；管內(nèi)流體密度，。由于，在范圍內(nèi)，故可采用下面公式求取： 所以 pa pa pa 經(jīng)查，可知每臺(tái)換熱器合理的壓力降為Pa，由此可知上述壓力降符合要求。2.3.2 殼程的壓力降當(dāng)殼程裝上折流板后，流體在管外流動(dòng)為平行流和錯(cuò)流的耦合。盡管管束為直管，但流動(dòng)卻變得復(fù)雜化。由于制造安裝公差不可避免地存在間隙，因而會(huì)產(chǎn)生泄漏和旁流，而流體橫向沖刷換熱管引起的旋渦，也使流動(dòng)變得更加復(fù)雜。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，要準(zhǔn)確地分析影響這種復(fù)雜流動(dòng)的各種因素，精確地計(jì)算壓力降是相當(dāng)?shù)睦щy。下面通過埃索法來計(jì)算： 式中：流體橫過管束的壓力降，Pa； 流體通過折流板缺口的壓力降，Pa； 殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無(wú)因次，對(duì)液體可取1.15；對(duì)氣體可取1.0。其中：；式中：管子排列方法對(duì)壓力降的修正系數(shù)，對(duì)三角形排列。對(duì)正方形排列，對(duì)轉(zhuǎn)置正方形排列；殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)時(shí)，； 橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)三角形排列；對(duì)正方形排列； 按殼程流通截面計(jì)算的流速，；其中： 因此 ，取整為19。則有： Pa Pa 可知此時(shí)的壓力降在合理范圍之類。2.4 換熱器壁溫計(jì)算2.4.1 換熱管壁溫計(jì)算符號(hào)說明：以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的總傳熱系數(shù)，W/（m）； 污垢熱阻，/w； 分別為熱、冷流體的的平均溫度，； 分別為熱流體的進(jìn)、出口溫度，； 分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，； 流體的有效平均溫差，；以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的給熱系數(shù)， W/（m）。熱流體側(cè)的壁溫： 冷流體側(cè)的壁溫： 所以 2.4.2 圓筒壁溫的計(jì)算 由于圓筒外部有良好的保溫層，故殼體壁溫取殼程流體的平均溫度：。2.5 本章小結(jié) 熱力計(jì)算最主要的環(huán)節(jié)是冷、熱流體的熱流量計(jì)算以及換熱系數(shù)的校核和傳熱面積的核算。冷、熱流體的熱流量考慮外界因素實(shí)際上是不相同的，但本畢業(yè)設(shè)計(jì)只考慮理想狀態(tài)下的相同情況。首先根據(jù)已知冷、熱流體的狀態(tài)參數(shù)分別計(jì)算熱流量，然后再根據(jù)冷、熱流體的特性初選換熱系數(shù)，根據(jù)所選換熱系數(shù)來估算換熱面積?？紤]到所用傳熱計(jì)算式的準(zhǔn)確程度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使所選用換熱器的換熱面積留有裕度，一般在10%-25%之間。最后再根據(jù)公式： 核算總傳熱系數(shù)。核算合適后再計(jì)算有效傳熱面積。 流體流經(jīng)換熱器因流動(dòng)會(huì)引起的壓力降。由于管程和殼程互不相連，可以分別計(jì)算壓強(qiáng)降。最后進(jìn)行核算，所核算的壓強(qiáng)降必須在所設(shè)計(jì)換熱器所能承受最高工作壓力范圍之內(nèi)。第3章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算在確定換熱器的換熱面積后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及主要零部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，主要包括殼體和封頭的厚度計(jì)算、材料的選擇、管板厚度的計(jì)算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計(jì)算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計(jì)算如下。3.1 殼體與管箱厚度的確定根據(jù)給定的流體的進(jìn)出口溫度，選擇設(shè)計(jì)溫度為125；設(shè)計(jì)壓力為1.8Mpa。3.1.1 殼體和管箱材料的選擇由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇16MnR為殼體與管箱的材料。16MnR是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時(shí)采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。3.1.2 圓筒殼體厚度的計(jì)算焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損探傷，故焊接系數(shù)；根據(jù)GB6654壓力容器用鋼板和GB3531低溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定可知對(duì)16MnR鋼板其。假設(shè)材料的許用應(yīng)力Mpa（厚度為616mm時(shí)），殼體計(jì)算厚度按下式計(jì)算為： 設(shè)計(jì)厚度；名義厚度查其最小厚度為8mm，則此時(shí)厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。3.1.3 管箱厚度計(jì)算管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；且由于前端管箱與后端管箱的形式不同，故此時(shí)將前端管箱和后端管箱的厚度計(jì)算分開計(jì)算。3.1.3.1 前端管箱厚度計(jì)算前端管箱為橢圓形管箱，這是因?yàn)闄E圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。此時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故，且同上，則封頭計(jì)算厚度為： 設(shè)計(jì)厚度；名義厚度經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號(hào)參數(shù)如下：表格 31 DN600標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A()容積(m3) 封頭質(zhì)量（）6001750.43740.035334.6短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為10mm。3.1.3.2 后端管箱厚度計(jì)算由于是浮頭式換熱器設(shè)計(jì)，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。外頭蓋的內(nèi)直徑為700mm，這可在“浮頭蓋計(jì)算”部分看到。選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故，且同上，則計(jì)算厚度為： 設(shè)計(jì)厚度；名義厚度經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號(hào)參數(shù)如下：表3-2 DN700標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)表格 32DN700標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內(nèi)表面積A()容積(m3)封頭質(zhì)量（）7002000.58610.054541.3短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為10mm。3.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算在該臺(tái)浮頭式換熱器上，殼程流體的進(jìn)出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進(jìn)入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，會(huì)給換熱器的安全操作帶來隱患。因此此時(shí)應(yīng)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。由于管程與殼程出入口公稱直徑均為150mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為，接管的材料選為20號(hào)鋼。3.2.1 殼體上開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算3.2.1.1 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別：1、補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB表8-1，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是89mm，本開孔外徑為159密碼，因此需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。2、開孔直徑d=di+2C=150+22=154mmDi/2=300mm,滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。3.2.1.2 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算：強(qiáng)度削弱系數(shù)接管有效厚度開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算：3.2.1.3 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍1、有效寬度B：2、有效高度：外側(cè)有效高度h1為：內(nèi)側(cè)有效高度h2為：3.2.1.4 有效補(bǔ)強(qiáng)面積1、殼體多余金屬面積：殼體有效厚度：則多余的金屬面積A1為：2、接管多余金屬面積：接管計(jì)算厚度：接管多余金屬面積A2:3、接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）4、有效補(bǔ)強(qiáng)面積：3.2.2 外頭蓋開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算外頭蓋上的排污口與排氣口接管材料也為20號(hào)鋼，選用規(guī)格為,主要是通過采用厚壁接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。3.2.2.1 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積其開孔直徑強(qiáng)度削弱系數(shù)接管有效厚度開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：3.2.2.2 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍1、有效寬度：2、有效高度：外側(cè)有效高度為：內(nèi)側(cè)有效高度h2為：3.2.2.3 有效補(bǔ)強(qiáng)面積1、外頭蓋多余金屬面積：外頭蓋有效厚度：則多余的金屬面積A1為：2、接管多余金屬面積：接管計(jì)算厚度：接管多余金屬面積A2:3、接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為4mm）有效補(bǔ)強(qiáng)面積：由此可知已經(jīng)達(dá)到了補(bǔ)強(qiáng)的目的。3.3 換熱管換熱管的規(guī)格為，材料選為20號(hào)鋼。3.3.1 換熱管的排列方式換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯(cuò)列三種排列方式。如圖3-1所示。各種排列方式都有其各自的特點(diǎn)：正三角形排列：管外流體湍流程度高；正方形排列：易清洗；正方形錯(cuò)列：可以提高給熱系數(shù)。圖表 1 換熱管排列方式在此，選擇正方形排列，主要是考慮這種排列便于進(jìn)行機(jī)械清洗。查GB151-1999可知，換熱管的中心距S=32mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距為44mm；同時(shí)，由于換熱管管間需要進(jìn)行機(jī)械清洗，故相鄰兩管間的凈空距離（S-d）不宜小于6mm。3.3.2 布管限定圓布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，其由下式確定： 查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，則。3.3.3 排管排管時(shí)須注意：拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處布置拉桿，其間距小于或等于700mm。拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距的（0.51.5）范圍內(nèi)。多管程換熱器其各程管數(shù)應(yīng)盡量相等，其相對(duì)誤差應(yīng)控制在10%以內(nèi)，最大不能超過20%。相對(duì)誤差計(jì)算： 其中：各程的平均管數(shù)；各程中最小或最大的管數(shù)。 實(shí)際排管如下所示： 圖表 2管子排布由圖3-2可知，經(jīng)過實(shí)際排管后發(fā)現(xiàn)，每個(gè)管程的布管數(shù)目分別是38，56，56，38，而各管程的平均管數(shù)為47，因此可知各程管數(shù)的相對(duì)誤差是：3.3.4 換熱管束的分程在這里首先要先提到管箱。管箱作用是把從管道輸送來的流體均勻地分布到換熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器，在多管程換熱器中管箱還起改變流體流向的作用。由于所選擇的換熱器是4管程，故管箱選擇為多程隔板的安置形式。而對(duì)于換熱管束的分程，為了接管方便，采用平行分法較合適，且平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。3.3.5 換熱管與管板的連接換熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并用。強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小4.0Mpa；設(shè)計(jì)溫度300；操作中無(wú)劇烈振動(dòng)、無(wú)過大的溫度波動(dòng)及無(wú)明顯應(yīng)力腐蝕等場(chǎng)合。除了有較大振動(dòng)及有縫隙腐蝕的場(chǎng)合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場(chǎng)合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動(dòng)和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場(chǎng)合。在此，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及操作狀況選擇換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊。這是因?yàn)閺?qiáng)度焊加工簡(jiǎn)單、焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。3.4 管板設(shè)計(jì)管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時(shí)受管程、殼程壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的16MnR整體管板。3.4.1 管板與殼體的連接由于浮頭式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進(jìn)行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。3.4.2 管板計(jì)算符號(hào)說明：在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積，對(duì)正方形排列，；隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)；換熱管中心距；隔板槽兩側(cè)鄰管的中心距；管板布管區(qū)面積，；對(duì)多管程正方形排列換熱器，；管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積，；一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，；根據(jù)所選的墊片的尺寸，且選擇其壓緊面型式為GB150表9-1的1a，可知密封面寬度；則，故；管板布管區(qū)當(dāng)量直徑，；換熱管外徑，；設(shè)計(jì)溫度時(shí)，管板材料的彈性模量，Mpa；設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的彈性模量，Mpa；系數(shù)，按和查GB151圖24；管束模數(shù)，Mpa； 管束無(wú)量綱剛度，Mpa；換熱管有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)側(cè)間距），；換熱管與管板脹接長(zhǎng)度或焊腳高度，；換熱管根數(shù)；無(wú)量綱壓力，；當(dāng)量壓力組合；Mpa；管板設(shè)計(jì)壓力，Mpa；殼程設(shè)計(jì)壓力，Mpa；管程設(shè)計(jì)壓力，Mpa；換熱管與管板連接拉脫力，Mpa；許用拉脫力，查GB151，Mpa；系數(shù)，；管板計(jì)算厚度，；換熱管管壁厚度，；管板剛度削弱系數(shù)，一般可取值；管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，一般??；系數(shù)，；換熱管軸向應(yīng)力，Mpa；換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力，Mpa；設(shè)計(jì)溫度時(shí)，管板材料的許用應(yīng)力，Mpa；設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的許用應(yīng)力，Mpa；管板厚度計(jì)算過程如下：3.4.2.1 管板名義厚度計(jì)算 ； ；查GB150可知，； 式中L應(yīng)為換熱管的有效長(zhǎng)度，但由于管板厚度尚未計(jì)算出，暫估算管板厚度為50mm進(jìn)行試算，待管板厚度算出再用有效長(zhǎng)度核算，。；當(dāng)中的的計(jì)算如下： ；查GB151-1999可知，同時(shí)由于前面換熱管的材料選為20號(hào)鋼，故， 由于此時(shí)不能保證與在任何時(shí)候都同時(shí)作用，則?。还?；根據(jù)=1.36和查GB151圖可知，則管板計(jì)算厚度為：；管板的名義厚度應(yīng)不小于下列三部分之和，即式中Cs和Ct分別是指殼程、管程的腐蝕裕量；而h1是指殼程側(cè)管板結(jié)構(gòu)槽深，為0；h2是指管程隔板槽深，為4mm。此時(shí)應(yīng)根據(jù)得到的管板名義厚度，重復(fù)以上步驟，使得管子有效長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于管板厚度。 ；故=1.39，查圖可知，則，；3.4.2.2 換熱管的軸向應(yīng)力換熱管的軸向應(yīng)力在一般情況下，應(yīng)按下列三種工況分別計(jì)算：1、殼程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力： 明顯地，；2、管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力： 明顯地，；3、殼程設(shè)計(jì)壓力與管程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用： 明顯地，。由以上三種情況可知，換熱管的軸向應(yīng)力符合要求。3.4.2.3 換熱管與管板連接拉脫力 式中，其中：換熱管最小伸出長(zhǎng)度，查GB151-1999可知 ； 最小坡口深度，； 許用拉脫力；明顯地，。3.4.3 管板重量計(jì)算管板有固定管板以及活動(dòng)管板，兩者的重量計(jì)算分別如下所示：3.4.3.1 固定管板重量計(jì)算圖表 3固定管板 3.4.3.2 活動(dòng)管板重量計(jì)算：圖表 4活動(dòng)管板 （3-24）3.5 折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)程度，并使管程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常見的折流板形式為弓形和圓盤圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，但是工程上使用較多的是單弓形折流板。在浮頭式換熱器中，其浮頭端宜設(shè)置加厚環(huán)板的支持板。3.5.1 折流板的型式和尺寸此時(shí)選用雙弓形折流板這樣可造成液體的劇烈擾動(dòng)，增大傳熱膜系數(shù)。為方便選材，可選折流板的材料選為16MnR，由前可知，弓形缺口高度為150mm，折流板間距為300mm，數(shù)量為19塊，查GB151-1999可知折流板的最小厚度為5mm，故此時(shí)可選其厚度為6mm。同時(shí)查GB151-1999可知折流板名義外直徑為。3.5.2 折流板排列 該臺(tái)換熱器折流板排列示意圖3-5所示：圖表 5折流板3.5.3 折流板的布置一般應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口管，其余折流板按等距離布置。靠近管板的折流板與管板間的距離l應(yīng)按下式計(jì)算： （3-25）其中：殼程接管位置的最小尺寸，mm； 管板的名義厚度，mm；為防沖板長(zhǎng)度，若無(wú)防沖板時(shí)，應(yīng)為接管的內(nèi)徑，mm； 3.5.4 折流板重量計(jì)算符號(hào)說明如下：折流板質(zhì)量，kg；折流板外圓直徑，；折流板切去部分的弓形面積，系數(shù)，由查表求取；折流板切去部分的弓形高度，mm；管孔直徑，mm；拉桿孔直徑，mm；管孔數(shù)量；拉桿孔數(shù)量；折流板厚度，mm。計(jì)算過程如下：，查得； （3-26）3.6 法蘭與墊片換熱器中的法蘭包括管箱法蘭、殼體法蘭、外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭蓋法蘭以及接管法蘭，另浮頭蓋法蘭將在下節(jié)進(jìn)行計(jì)算，在此不作討論。墊片則包括了管箱墊片和外頭蓋墊片。3.6.1 固定端法蘭與墊片1、查JB4700-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，凹凸密封面，材料為鍛件20MnMo，其具體尺寸如圖3-7所示：（單位為mm）圖表 6 法蘭表格 33 DN600長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭尺寸DN法蘭螺柱對(duì)接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd規(guī)格數(shù)量6007607156766666634211035211816261227M2424102、此時(shí)查JB4700-2000壓力容器法蘭，根據(jù)設(shè)計(jì)溫度可選擇墊片型式為金屬包墊片，材料為0Cr18Ni9，其尺寸為：圖表 7墊片 表格 34管箱墊片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外徑D(mm)內(nèi)徑d(mm)墊片厚度反包厚度2.5600665625343.6.2 外頭蓋法蘭與浮頭墊片1、外頭蓋法蘭的型式與尺寸、材料均同上殼體法蘭，凹密封面，查JB4700-2000壓力容器法蘭可知其具體尺寸如下所示：（單位為mm）。 表格 35外頭蓋法蘭尺寸DN法蘭螺柱對(duì)接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd規(guī)格數(shù)量7008608157767667635012035211816261227M2428102、外頭蓋側(cè)法蘭選用凸密封面，材料為鍛件20MnMo，查JB/4721-92可知其具體尺寸如下表：圖表 8外頭蓋側(cè)法蘭表格 36外頭蓋側(cè)法蘭尺寸DN法蘭螺柱對(duì)接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hha1Rd規(guī)格數(shù)量60086081577676676348150721816401227M2428103、查JB/T4718-92選外頭蓋墊片的型式為金屬包墊片，其外徑D為765mm，內(nèi)徑d為725mm且查JB/T4718-92也選浮頭墊片的型式為金屬包墊片，則其外徑D為592mm，內(nèi)徑d為568mm，兩者材料均為0Cr18Ni9。3.6.3 接管法蘭型式與尺寸根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可查HG205922063597鋼制管法蘭、墊片、緊固件，選擇帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭，選用凹凸密封面，其具體尺寸如圖3-10所示： （單位為）圖表 9 接管法蘭第4章 換熱器的安裝、試車與維修4.1 安裝4.1.1 場(chǎng)地和基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)形式，在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足拆裝、維修的需要。4.1.2 安裝前的準(zhǔn)備1、可抽管束換熱器安裝前應(yīng)抽芯檢查。清掃。抽管束時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)密封面和折流板。移動(dòng)和起吊管束時(shí)，應(yīng)將管束紡織在專業(yè)的支撐結(jié)構(gòu)上，以避免損傷換熱管；2、安裝前一般應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。當(dāng)圖樣有要求是，應(yīng)進(jìn)行密封性試驗(yàn)。4.1.3 地腳螺栓和墊鐵1、活動(dòng)支座的地腳栓應(yīng)裝有兩個(gè)鎖緊的螺母，螺母與地板間應(yīng)留有1-3m的間隙；2、地腳螺栓兩側(cè)均應(yīng)有墊鐵。設(shè)備找平后，斜墊鐵可與設(shè)備支座地板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死；3、墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。4.1.4 其他要求1、應(yīng)在不受力的狀態(tài)下連接管線，避免強(qiáng)力裝配；2、擰緊換熱器螺栓時(shí)，一般應(yīng)按GB-151-1999表示的順序進(jìn)行，并應(yīng)涂抹適當(dāng)?shù)穆菁y潤(rùn)滑劑。4.2 試車1、試車前應(yīng)查閱圖紙有無(wú)特殊的要求和說明，銘牌有無(wú)特殊標(biāo)志，如管板是否按壓差設(shè)計(jì)，對(duì)試壓、試車程序有無(wú)特殊要求等；2、