..流體流量進(jìn)口溫度出口溫度壓力煤油10180℃40℃1MPa水?20℃40℃0.5MPa一．熱力計(jì)算1.換熱量計(jì)算Q2.冷卻劑用量計(jì)算m由于水的壓力較之煤油較大,黏度較之煤油也較大,所以選擇水為殼程,煤油為管程。3.換熱面積估算?????ε?tε?tR=P=查圖得ε?t=0.85?傳熱面積估算：A取傳熱系數(shù)：K=450A取安全系數(shù)0.1：A=38.134管徑,管長(zhǎng),管數(shù)確定：由流量確定管數(shù)：n=uvd煤油在管中的流速為0.8~1,取管程流體流速u(mài)=1常用換熱管為?=25mm與?=管程流體體積流量可由煤油的要求流量的出：dn=取管數(shù)n=20由換熱面積確定管程數(shù)和管長(zhǎng)：由于是U型管換熱器,由GB151-1999管殼式換熱器查得有2,4兩種管程可選。初選管程為4L=L--A--n--N--dL=考慮到常用管為9m管,為生產(chǎn)加工方便,選用單程管長(zhǎng)8m又考慮到單程管長(zhǎng)8m會(huì)使得換熱器較長(zhǎng),在選取換熱器殼體內(nèi)徑時(shí),盡量選取較大的,以保證安全,因此換熱器內(nèi)部空間較大,故選用較為寬松的正方形排布。換熱管材料由于管程壓力大于0.6MPa,不允許使用焊接鋼管,故選擇無(wú)縫冷拔鋼管。按照GB—151管殼式換熱器1999選取常用管心距pi=25mm按下圖作正方形排列選擇布管限定圓直徑D由布管限定圓從《GB151—1999》管殼式換熱器中選定工程直徑DN=400mm的卷制圓筒,查得碳素鋼,低合金鋼圓筒最小厚度不得小于8mm,高合金鋼圓筒最小厚度不得小于3.5mm圓筒厚度計(jì)算：選用殼體材料為現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中壓力容器的常用材料Q345R,為一種低合金鋼。按《GB150.1~.4-2011壓力容器》中圓筒厚度計(jì)算公式：δ=δ--pDσ?計(jì)算壓力p圓筒內(nèi)徑由選定的圓筒公稱直徑得D設(shè)計(jì)溫度下的圓筒材料的許用應(yīng)力由選定的材料Q345R從GB150.2中查得σ焊接接頭系數(shù)?=0.85δ由于殼程流體為水,不會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的腐蝕,選取腐蝕yu量C又由于Q345R在公稱直徑為400mm是可選取得最小厚度為8mm,則選擇圓筒厚度為8mm折流板間距：折流板間距一般不小于圓筒內(nèi)徑的五分之一且不小于50mm；因此取折流板間距為200mm核算傳熱系數(shù)：由GB151—1999管殼式換熱器得到包括污垢在內(nèi)的,以換熱管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式:1K--總傳熱系數(shù)，ααrrr也包括在內(nèi)η管外流體給熱系數(shù)αoαλdRepμμdRe查得定性溫度下流體的粘度為8壁溫下流體的粘度1004Re查得殼程流體的普朗克數(shù)P查得水的導(dǎo)熱系數(shù)λα管內(nèi)流體給熱系數(shù)αiα查得煤油的導(dǎo)熱系數(shù)λ查得煤油的密度ρ管內(nèi)流體的流速u(mài)煤油的粘度μ=煤油的比熱c換熱管的內(nèi)徑dα在總傳熱系數(shù)計(jì)算公式中,AOA管外流體的污垢熱阻r管內(nèi)流體的污垢熱阻r用外表面表示的管壁熱阻rrd——光管外徑，mλδ查GB151—1999管殼式換熱器得換熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)λr總傳熱系數(shù)：1K=483初選K值為450相對(duì)誤差ε=A-壁溫計(jì)算：假設(shè)t=110-換熱面積裕度：φA——所需傳熱面積，AAφ=換熱面積裕度符合要求壓降計(jì)算：<1>管程阻力計(jì)算：ΔΔΔ??沿程阻力ΔP?λdL——管程總長(zhǎng),mρω?莫迪圓管摩擦系數(shù)λ：莫迪圓管系數(shù)可由管內(nèi)流體雷諾數(shù)得到管內(nèi)流體雷諾數(shù)：Re管內(nèi)為湍流。用公式:11得λ管內(nèi)粘度校正因子取1.05Δ回彎阻力可由下式得到：?z?進(jìn)出口接管阻力：?ωω?管程總阻力:?管程壓降符合要求殼程壓降計(jì)算：?uDDB——折流板間距，mJD?殼程壓降符合要求機(jī)械設(shè)計(jì)一．管箱設(shè)計(jì)計(jì)算管箱有封頭,管箱短節(jié),法蘭,分程隔板等零件組成。1.封頭設(shè)計(jì)及厚度計(jì)算。由于橢圓封頭經(jīng)線曲率變化平滑,應(yīng)力分布均勻,且橢圓形封頭較半球形封頭深度小得多,易于沖壓成形,是目前最常用的封頭之一,故次換熱器采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭,K=1厚度計(jì)算公式為：——焊接接頭系數(shù)封頭材料選用與圓筒材料相同的在壓力容器中最常用的材料Q345R其在使用溫度下的許用應(yīng)力可由《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》附錄D中查得焊接接頭系數(shù)取又封頭厚度因與筒體厚度相同以減少焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力,最終取封頭厚度為2.管箱短節(jié)設(shè)計(jì)：〔1管箱短節(jié)厚度設(shè)計(jì)：管箱短節(jié)厚度與筒體厚度相同,〔2管箱的最小內(nèi)側(cè)深度：由GB150——1998規(guī)定：軸向開(kāi)口的單程管箱,開(kāi)口中心處的最小深度應(yīng)不小于接管內(nèi)徑的多管程管箱的內(nèi)側(cè)深度應(yīng)保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當(dāng)操作允許時(shí),也可等于每程換熱管的流通面積。兩程之間的最小流通面積是指管箱被平行于地面的平面所剖開(kāi)所形成的截面積；每程換熱管流通面積是指同一管程內(nèi)的換熱管管內(nèi)截面所形成的面積之和。由于由計(jì)算所求得的管箱深度太小,故根據(jù)各方面需要取300mm3.分程隔板：由GB151——1999管殼式換熱器得,分程隔板的最小厚度不應(yīng)小于下表因分程隔板兩側(cè)無(wú)明顯壓差,分程隔板可按上表選取。分程隔板選材為Q235,屬碳素鋼,故取分程隔板厚度為二．接管管徑設(shè)計(jì)：1.煤油進(jìn)出口管徑：進(jìn)出口管徑可由公式：V——液體的體積流量u——液體的流速2.水進(jìn)出口管徑：三．容器法蘭選取及校核由NB/T47020——2012選取長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭,密封面采用全平面密封,法蘭采用鍛件,材料選用20號(hào)鋼。墊片選擇石棉像膠板,厚度為3mm,墊片系數(shù)m=3.50,比壓力y=44.81.墊片設(shè)計(jì)計(jì)算墊片壓緊力：由《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》查得下列公式計(jì)算墊片壓緊力：FFbD當(dāng)密封基本寬度y——墊片壓力比，由NB/T47020—47027—2012查得墊片寬度N=22mm,由此的墊片密封基本寬度bo=11mm,墊片有效密封寬度F操作時(shí)需要的壓緊力有操作密封比壓引起,由于原始定義m時(shí)是取2倍墊片有效接觸面積上的壓緊載荷等于操作壓力的m倍,所以計(jì)算時(shí)操作密封比壓應(yīng)為2mPFm——墊片系數(shù)pF2.螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算：螺栓材料選擇40Cr?！?螺栓載荷：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算：WW操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷計(jì)算：內(nèi)壓引起的軸向力按下式計(jì)算：F=0.785F=0.785×最小螺栓載荷按下式計(jì)算：WW〔2螺栓面積：螺栓面積按下列規(guī)定確定a.預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按下式計(jì)算：Aσ從GB150.2查得40Cr在室溫下的許用應(yīng)力:σA操作狀態(tài)下所需的最小螺栓面積按下式計(jì)算：Aσ從GB150.2查得40Cr在40℃下的許用應(yīng)力:σA取其中面積較大者A〔3螺栓設(shè)計(jì)載荷螺栓設(shè)計(jì)載荷按下列規(guī)定確定：預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷按下式計(jì)算：W操作狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷按下式計(jì)算：WAA由所需螺栓直徑和個(gè)數(shù)：ddn——所需螺栓個(gè)數(shù)此處需要確定直徑與個(gè)數(shù)其中之一的數(shù)值,由筒體外徑查NB/T47020—47027—2012得螺栓使用個(gè)數(shù)為20將其帶入上式d由NB/T47020—47027—2012查得所用螺栓為M20螺栓符合要求。3.法蘭選用與校核〔1法蘭的相關(guān)標(biāo)注如下圖由NB/T47020—47027-2012查得長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭如下圖所示：其中：公稱直徑法蘭外徑螺孔中心圓直徑密封圓外徑法蘭厚度法蘭高度法蘭頸高法蘭頸法蘭頸螺孔直徑過(guò)渡圓角〔2由上述數(shù)據(jù)可得LLL〔3預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩按下式計(jì)算：MAA〔4由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得M20的小徑為17.29mm由此可得實(shí)際使用的螺栓總面積AM〔5操作狀態(tài)的法蘭力矩計(jì)算：作用于法蘭內(nèi)徑截面上內(nèi)壓引起的軸向力FD由下式計(jì)算：F內(nèi)壓引起的總軸向力F與內(nèi)經(jīng)截面上的軸向力FD之差FF法蘭力矩按下式計(jì)算：MM〔6法蘭材料選取管法蘭一般選用鍛件或鑄件,不推薦鋼板制造因此選用16Mn〔7法蘭設(shè)計(jì)力矩法蘭設(shè)計(jì)力矩按下式計(jì)算并去最大值Mσσ由《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》查得σftσMM則M〔8法蘭應(yīng)力a>軸向應(yīng)力按下式計(jì)算：σλ=e=hdδδ得δδδδ1由于Di<20,以DDhoh=h由GB150.3-2011查得FIT,U可由參數(shù)K從GB150.3-2011查得K——法蘭外徑與內(nèi)經(jīng)的比值K=則T=1.78f=0.118U=7.28Z=3.43Y=6.63Ve=dλ=σb>徑向應(yīng)力按下式計(jì)算：σσc>環(huán)向應(yīng)力按下式計(jì)算：σσ〔9應(yīng)力校核a>軸向應(yīng)力σ1.52.5σ軸向應(yīng)力校核合格b>徑向應(yīng)力σσ徑向應(yīng)力合格c>環(huán)向應(yīng)力σσ環(huán)向應(yīng)力合格d>組合應(yīng)力σσ19.55+120.2919.55+65.35組合應(yīng)力合格4.管板設(shè)計(jì)計(jì)算〔1管板形式選擇：管板形式選擇a型：管板通過(guò)墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。管板形式如下圖：〔2管板計(jì)算按照GB151——1999管殼式換熱器中a型連接方式管板的計(jì)算步驟進(jìn)行下列計(jì)算。a>根據(jù)布管尺寸計(jì)算AAd——對(duì)于正方形排布AnSSAA正方形排布：AADDDb>計(jì)算ρt,以1ρρρ查得Cc>管板材料選擇管板材料選擇壓力容器中常用的Q345Bd>管板計(jì)算厚度δδ=0.82×423.82×e>換熱管軸向應(yīng)力σada=πσσ〔3.管板名義厚度根據(jù)GB151——1999管殼式換熱器,管板的名義厚度不小于下列三者之和：管板的計(jì)算厚度或最小厚度,取較大值殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開(kāi)槽深度,取較大值管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度,取較大值由于墊片寬度為3mm,則開(kāi)槽取4mm。殼程側(cè)隔板槽深4mm,管程隔板槽深4mm。σ圓整為24mm〔4.管板直徑根據(jù)容器法蘭相關(guān)參數(shù)需要,取管板直徑D=473mm考慮到金屬的熱膨脹尺寸,可由微小負(fù)偏差,但不允許有正偏差?！?.管板連接設(shè)計(jì)由之前熱力計(jì)算部分以確定布管方式選用正方形排布,布管限定圓直徑D=390mm,由GB151——1999管殼式換熱器,查得對(duì)于19×2mm換熱管的管孔直徑為19.25mm,正偏差5.折流板設(shè)計(jì)計(jì)算：折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是根據(jù)工藝過(guò)程及要求來(lái)確定,折流板的作用主要是為了增加管間流速,提高傳熱效果。同時(shí)設(shè)計(jì)折流板對(duì)于臥式換熱器的換熱管有一定支撐作用,當(dāng)換熱管過(guò)長(zhǎng),而管子承受的壓應(yīng)力過(guò)大時(shí),在滿足換熱器殼程允許壓降的情況下,增加折流板的數(shù)量,減小折流板的間距,對(duì)緩解換熱管的受力形況和防止流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)有一定作用。折流板缺口高度弓形折流板缺口高度使流體通過(guò)缺口時(shí)與橫過(guò)管束時(shí)的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占圓筒內(nèi)直徑的百分比確定,單弓形折流板缺口見(jiàn)下圖,缺口弦高h(yuǎn),宜取0.20~0.45倍的圓筒內(nèi)直徑。取折流板缺口弦高h(yuǎn)為0.25倍的圓筒內(nèi)徑,即h折流板厚度之前熱力計(jì)算中已經(jīng)確定折流板間距為200mm,查得內(nèi)徑400mm的圓筒折流板最小厚度為4mm,取折流板厚度為5mm折流板管孔由GB151——1999管殼式換熱器規(guī)定,管孔直徑d=d0折流板的固定折流板的固定一般采用拉桿與定距管等原件與管板固定,其固定形式由一下幾種：采用全焊接法,拉桿一段插入管板并與管板固定,每塊折流板與拉桿焊接固定。拉桿一段用螺紋擰入管板,每塊折流板之間用定距管固定,每一拉桿上最后一塊折流板與拉桿焊接螺紋與焊接相結(jié)合,拉桿一端用螺紋擰入管板,然后將折流板焊接在拉桿上拉桿的一端用螺紋擰入管板,中間用定距管將折流板固定,最后一快折流板用兩螺母鎖緊并點(diǎn)焊固定。這里選擇d.作為折流板固定的方法。6.拉桿與定距管〔1拉桿直徑和數(shù)量由GB151——1999規(guī)定,對(duì)于換熱管外徑14<d<25取拉桿直徑dn=12mm,拉桿數(shù)量取4。〔2拉桿尺寸桿長(zhǎng)度按需要選取,取拉桿長(zhǎng)度為8000mm。拉桿尺寸可有下圖和下表選擇取拉桿螺紋公稱直徑dn=12mm,Lb=50mm〔3拉桿布置拉桿布置應(yīng)盡量均勻布置在管束的外緣,且任何折流板不應(yīng)少于3跟拉桿。定距管選擇定距管選擇材質(zhì)與換熱管相同的不銹鋼管。定距管長(zhǎng)度為200mm,尺寸選擇與換熱管相同的?19×2mm6.接管法蘭選取接管法蘭由HG20592選取,之前以確定接管內(nèi)徑為d水=選取帶頸平焊法蘭。密封形式為凸面密封。查得法蘭各參數(shù)如下：水進(jìn)出口法蘭：D=220mm,K=180mm,L=18mm,n=8,螺栓：M16,C=20mm,B1=116mm,N=140mm,R=8mm煤油進(jìn)出口法蘭：D=200mm,K=160mm,L=18mm,n=8,螺栓：M16,C=20mm,B1=90.5mm,N=118mm,R=6mm7.接管外伸計(jì)算L≥h+Lhh殼程進(jìn)出口法蘭管程進(jìn)出口法蘭δ得L管=49.8mm綜合考慮安裝等方面的問(wèn)題最終選定煤油與水進(jìn)出口管的伸出長(zhǎng)度均為100mm8.開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)由《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》得在厚度大于6mm,接管外徑小于89mm則可以不用補(bǔ)強(qiáng)。因此,管箱部分不用補(bǔ)強(qiáng)。只需計(jì)算圓筒部分的補(bǔ)強(qiáng)面積〔1對(duì)受內(nèi)壓的圓筒,所需的補(bǔ)強(qiáng)面積：A=dδ+2δAdδδf材料許用應(yīng)力之比由于殼體材料與接管材料相同,fA=100×0.623=62.3〔2有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度B按下式計(jì)算：<取較大值>BB=2d=2×116=232mmB=d+2故B=232mm內(nèi)外側(cè)有效高度按下式計(jì)算：〔取較小值外側(cè)高度hd則h內(nèi)側(cè)高度h則h〔3補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積AAeAAAAAAAA由于A1+A9.支座由于容器DN=400,由-T4712.14712.4知,需選用重型〔B型鞍式支座。支座形式如下：查得相關(guān)參數(shù)：工程直徑DN=400允許載荷Q=60kN,鞍座高度h=200mm底板〔l1=380mm，b1=120mm，δ1=8mm腹板δ2=8mm參考文獻(xiàn)：GB151——1992管殼式換熱器GB150.1~4——2011壓力容器HGT20592~20635——2009鋼制管法蘭,墊片和緊固件-T4712.14712.4——2007容器支座《化工原理課程設(shè)計(jì)》——?jiǎng)⒀┡?湯景凝《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》——鄭津洋,董其伍,桑芝富《化工原理》—