原油-減壓渣油換熱器的結構設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27531原油-減壓渣油換熱器的結構設計計算案例 1132461.1換熱器工藝計算 2135871.1.1設計條件 2153511.1.2確定換熱器的類型 2318851.1.3確定物性數(shù)據(jù) 264541.1.4工藝計算 3198201.1.5工藝結構 4250651.1.6換熱器核算 5250931.2換熱管設計 9302501.2.1換熱管的選用 9216891.2.2管長、管數(shù)的確定 1078741.2.3傳熱面積校核 10111251.2.4換熱管的排列 10125811.2.5管心距 1061891.2.6管程 11185581.3換熱器主體設計 12241271.1.1殼體 12256121.1.2封頭管箱設計 1330441.1.3支座的選擇 13320841.1.4外頭蓋的設計 14286851.1.5進出接管設計 16319901.1.6管板設計 17144431.1.7折流板、拉桿、定距管的選用設計 18274371.1.8附件 221.1換熱器工藝計算1.1.1設計條件工藝條件參數(shù)見表3-1。表3-1已知換熱器參數(shù)原油質量流量：1.1.2確定換熱器的類型考慮到傳統(tǒng)的弓形折流板形式容易形成換熱死區(qū)，從而造成傳熱面積未充分利用及換熱管外壁嚴重結垢，致使換熱性能大大降低，而螺旋折流板換熱器具有消除殼側流動死區(qū)、降低泵功消耗、提高單位壓降換熱系數(shù)、抑制殼側結垢、減小管束跨度和抑制管束振動等優(yōu)點，故選擇螺旋折流板換熱器。1.1.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度計算：管程原油的定性溫度為殼程減壓渣油的定性溫度為式中：Ti——冷流體的進口溫度，℃； T0——冷流體的出口溫度，℃；ti——熱流體的進口溫度，℃； t0——冷流體的出口溫度，℃。根據(jù)定性溫度，查閱資料得殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)見表3-2:表3-2物性數(shù)據(jù)密度（kg/m3）粘度(Pas)定壓比熱容kJ/(kgC)導熱系數(shù)W/(mC)原油8151.010-32.200.128減壓渣油9826.010-42.510.111.1.4工藝計算（1）熱負荷（3-1）式中：cp1——原油的定壓比熱容，kJ/（kgC） W1——原油質量流量，kg/hT1——原油溫差，C假設換熱過程無相變，管程和殼程熱交換量相等， （3-2）式中：——減壓渣油的定壓比熱容，kJ/(kgC)——減壓渣油質量流量，kg/h——減壓渣油溫差，（2）對數(shù)平均溫差（3-3）（3）總傳熱系數(shù)K初選傳熱系數(shù) （4）傳熱面積（3-4）考慮20%的面積裕度，1.1.5工藝結構（1）管徑和管內流速選取無縫鋼管，取管程原油流速（最大1.8m/s）（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管：（3-5）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：（3-6）按單程設計，傳熱管過長，宜采用多程管結構，現(xiàn)取傳熱管長，則換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總管數(shù)：（3）平均傳熱溫差及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)： 按單殼程、兩管程結構，溫差校正系數(shù)查表3-3得，表3-3溫差校正系數(shù)平均傳熱溫差：1.1.6換熱器核算（1）傳熱系數(shù)=1\*GB3①殼程對流傳熱系數(shù)：（3-7）當量直徑由轉角正方形排列得：（3-8）殼程流通截面積： （3-9）殼程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)： （3-10） （3-11）殼程對流傳熱系數(shù)：=2\*GB3②管程對流傳熱系數(shù)： （3-12）管程流通截面積： （3-13）管程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)： 管程對流傳熱系數(shù)： 無縫鋼管導熱系數(shù)：管程污垢熱阻：殼程污垢熱阻：（2）總傳熱系數(shù)K（3-14）（3）傳熱面積 （3-15）換熱器實際傳熱面積： （3-16）面積裕度為： （3-17）傳熱面積裕度合適，能夠滿足設計要求。換熱器內流動阻力管殼式換熱器允許的壓力降范圍見表4-4。=1\*GB3①管程流動阻力： （3-18）式中：pL——流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；pr——流體流經回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；pn——流體流經管箱進出口的壓力降，Pa；Ft——結構校正系數(shù)，無因次，對192mm的管子，取1.5；Np——管程數(shù)，為2；Ns——殼程數(shù)，為1；（3-19）（3-20）（3-21）式中：v1——管內流速，m/s；di——管內徑，m；l——管長，m；i——摩擦系數(shù)，無量綱，由，得又，，則：管程流動阻力在允許范圍之內。表3-4管殼式換熱器允許的壓力降范圍換熱器的操作壓力,MPa允許的壓力降，MPap<0.1(絕對)p=0.1pp=00.1(表壓)p=0.5pp>0.1(表壓)p<0.05=2\*GB3②殼程流動阻力： （3-22）式中：p1——流體橫過管束的壓力降，Pa；p2——流體通過折流板缺口的壓力降，Pa；Fs——殼程壓力降的結垢修正系數(shù)，無因次，對液體可取1.15；（3-23）（3-24）式中：F——管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)，對正方形排列，取0.4；f0——殼程流體摩擦系數(shù)，；nc——橫過管束中心線的管子數(shù)，對正方形排列，；v0——按殼程流通截面積計算的流速，m/s； 已知，；，，則：殼程流動阻力在允許范圍之內。1.2換熱管設計1.2.1換熱管的選用換熱管按GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》的規(guī)定選擇。對設計條件進行綜合考慮，根據(jù)目前國內常用的換熱管規(guī)格，選擇00Cr19Ni10，管子規(guī)格為19×2。1.2.2管長、管數(shù)的確定設計管程為2管程，管長為6000mm，管數(shù)為1450根。1.2.3傳熱面積校核設計要求的傳熱面積為500m2。實際傳熱面積：，滿足設計要求。1.2.4換熱管的排列傳熱管在管板上的排列有五種基本形式，有正方形、轉角正方形、正三角形、轉角正三角形以及同心圓排列。如下圖3-1所示。圖3-1管子排列方式由于介質減壓渣油具有粘稠、流動性差等特點，正三角形和轉角正三角形排列不利于清洗，正方形和轉角正方形排列，管間間隔大，更適用于要經常清洗管子外表面上污垢的換熱器，本設計選擇轉角正方形形排列。1.2.5管心距根據(jù)《換熱器設計手冊》，當管子外徑為19mm時，管心距可取25mm，因此本設計取的管心距為25mm。管子的排列方式及幾何尺寸如圖3-2所示。圖3-2管子排列方式1.2.6管程（1）管束分程方式本次設計采用兩管程，必須在管箱中安裝分程隔板。分程要求為各管程內管子數(shù)目相等，分程隔板形式簡單，密封長度短。管束分程方法有平行和T形方式。換熱器常用的程數(shù)及前后管箱隔板形式和介質的流通順序如圖4-3所示。采用多管程可以使流體在管內依次往復流過多次，增加管內流體的流速，從而提高傳熱系數(shù)，強化傳熱。所以本設計根據(jù)設計要求選用兩管程平行的分程方式。（2）分程隔板查GB/T151-2014《熱交換器》，選擇分程隔板厚度δ=12mm；且其材料應與管箱材料一樣，所以隔板材料為Q235B，其中槽寬為12mm，槽深為4mm。圖3-3隔板及流通順序圖1.3換熱器主體設計1.1.1殼體(1)計算壓力pc的確定因為忽略了液柱靜壓，所以取設計壓力作為計算壓力，即。(2)確定焊縫系數(shù)由于該換熱器是易燃易爆、無毒介質的中壓容器，所以該換熱器為類壓力容器，故焊接接頭形式為雙面焊對接接頭的局部無損檢測，取φ=0.85。(3)初步選擇材料由于考慮到介質的腐蝕性和易燃性，根據(jù)工作溫度選擇耐高溫、耐腐蝕的材料Q345R。(4)殼體內徑換熱器殼體內徑由傳熱管數(shù)、管心距和傳熱管的排列方式決定。對于多管程換熱器，殼體的內徑還與管程數(shù)有關。可用公式(4-1)計算： (3-25)式中：D——換熱器殼體內徑，mm；T——管心距，mm；N——排列管數(shù)；η——管板利用率，對于轉角正方形排列，η=0.60.8。圓整取。1.1.2封頭管箱設計（1）管箱封頭的選用封頭選用標準橢圓封頭，EHA1200×16，材料Q345R。（2）封頭管箱結構管箱法蘭采用的是帶頸對焊法蘭，取法蘭頸部大小端的平均值為管箱的名義壁厚，即16mm。管箱的總長度L1：1366mm；管箱的直段長度L2：1025mm；管箱內徑Di：1200mm；管箱外徑D0：1309mm。（3）封頭管箱墊片選用管箱墊片型號為：G21-1200-2.5-4，具體結構見圖3-4。圖3-4管箱墊片結構圖其中D=1308mm，d=1254mm。1.1.3支座的選擇臥式容器一般選用支座類型為鞍式支座。鞍座分為兩種型式，一種為固定式鞍座，另外一種為活動式鞍座。設備一般均用兩個鞍座來支撐，并且選用一個固定鞍座和一個滑動鞍座。這是因為如果溫度發(fā)生了變化，設備會產生熱脹或者冷縮的現(xiàn)象，這必須要求設備在運行過程中擁有自由伸縮的能力，否則在器壁與支座連接處中將產生過大的熱應力。根據(jù)NB/T47065.1-2018《容器支座第1部分：鞍式支座》，如果設備的直徑范圍為DN159-4000，則可以選用鞍式支座。其中相同的公稱直徑又分輕、重兩種結構型式，它們有不同的承載能力。輕型承重小，可以承載一般容器；重型承重大，可以承載換熱器等，介質比重較大或長徑比較大的設備。綜上所述，本設計固定式支座采用120包角重型帶墊板的BI型鞍式支座，活動式支座采用150包角重型帶墊板的B型鞍式支座，其公稱直徑為1200mm，材料與筒體相同，為Q345R；查表得支座間距為3800mm，結構見圖3-5、圖3-6。圖3-5BI型鞍式支座結構圖3-6B型鞍式支座結構1.1.4外頭蓋的設計（1）結構尺寸計算本設計選擇的是B型鉤圈式浮頭，其結構圖見圖3-7。圖3-7鉤圈式浮頭??a——取決于管束和殼體的伸縮量；b、b1、b2、bn——按GB/T151-2014?6.1.1.3的規(guī)定，其結構尺寸如圖3-8，b=5mm，b1=5mm，b2=14.5mm，bn=13mm；圖3-8結構尺寸c——裝配及擰緊浮頭螺母所需空間尺寸，應考慮在各種情況下的熱膨脹量，不應小于60mm，取c=80mm；Dfi——浮頭法蘭和鉤圈的內徑Dfi=Di-2(b1+b2)+3=1200-2×(5＋14.5)+3=1164mm；Df0——浮頭法蘭和鉤圈的外徑Df0=Dw-20=1300-20=1280mm；DL——布管限定圓直徑DL=Di-2(b1+b2+b)=1200-2×(5+14.5+5)=1151mm；D——外頭蓋內直徑Di+100=1200+100=1300mm；D0——浮動管板外直徑D0=Di-2b1=1200-2×5=1190mm。（2）外頭蓋封頭封頭選用標準橢圓封頭，EHA1300×16，材料為Q345R。（3）外頭蓋法蘭根據(jù)NB/T47023-2012《長頸對焊法蘭》，浮頭蓋公稱直徑為1300mm，選取與筒體相連接的浮頭蓋法蘭型號為法蘭FM1300-2.5，材料為16MnII。（4）外頭蓋墊片選用管箱墊片型號為：M21-1200-2.51.1.5進出接管設計在換熱器的殼體和管箱上要有進出接管。大多數(shù)管箱都裝有排液管和排氣管。所以本設計的換熱器有管程介質進出口、殼程介質進出口、放空口。（1）管程流體進出口接管取接管內原油流速，由公式（3-26）得接管內徑為：（3-26）根據(jù)標準GB17395-2008《無縫鋼管》，初步選用外徑為356的熱軋無縫鋼管，鋼管厚度為11mm。（2）殼程流體進出口接管取接管內減壓渣油流速，由公式（3-27）得接管內徑為：（3-27）根據(jù)標準GB17395-2008《無縫鋼管》，初步選用外徑為219的熱軋無縫鋼管，鋼管厚度為8mm。（3）接管法蘭：根據(jù)HG20592鋼制管法蘭的選用方法，選用法蘭型號為WN350-5.0RF、WN200-5.0RF。接管外伸長度：接管外身長度也稱接管伸出長度，是指管法蘭面到殼體外壁的距離。依據(jù)《換熱器設計手冊》，可確定管箱接管長度L=250mm、殼體接管長度L=200mm。（3）排氣管和排液管的設計為提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（氣）及凝液，凡不能借助其他接管排氣或排液的換熱器，應在其殼程和管程的最高、最低點，分別設置排氣、排液接管，其結構和尺寸如圖3-9所示。圖3-9排氣（液）管排液口直徑為40mm，排氣管直徑為25mm。設置的位置分別在殼體的上部分和底部。1.1.6管板設計（1）初選材料根據(jù)介質要求及應用場合，管板采用鍛件16MnII。（2）初選形式本設計所用管板有兩種，一種是固定管板，在封頭管箱和筒體連接處；另一種是浮動管板，在外頭蓋和筒體連接處。根據(jù)《換熱器設計手冊》，選擇管板為整體管板形式，尺寸見圖3-10和3-11。（3）管子排列方式本設計選擇轉角正方形排列。（4）殼體法蘭根據(jù)壓力容器法蘭標準（NB/T47021-2012），分別確定外頭蓋法蘭和管箱法蘭，外頭蓋法蘭是連接外頭蓋和筒體，管箱法蘭是連接封頭管箱和筒體。外頭蓋法蘭型號：法蘭-FM1300-4.0，材料為16MnII管箱法蘭型號：法蘭-FM1200-4.0，材料為16MnII圖3-10浮動管板尺寸圖圖3-11固定管板尺寸圖1.1.7折流板、拉桿、定距管的選用設計由于管殼式換熱器的殼體內部流通界面極大，并且在殼程內流體介質屬于對流傳熱，所以增大殼程流體的流速，可以加強殼體內部湍流程度，提高殼程傳熱系數(shù)，這可以通過設置折流板來實現(xiàn)。根據(jù)JB/T4714-92《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)》，殼程兩接管中心距為4500mm。由于介質的進出口軸線需要在螺旋折流板的正上方或下方，即：（n+0.5）H=4500；其中n計算出應為整數(shù)；n=12,折流板間距為392mm,在這段距離布置12組螺旋折流板。本設計為螺旋折流板，螺旋折流板的形狀是由一個等腰三角形和一個弓形組成的一個扇形，見圖3-12。圖3-12中，R為等腰三角形的一個邊長(即螺旋面展開的外半徑)，mm；r為折流板實際半徑，mm；θ為折流板的扇形角，(°)；B為弓形的弦長，mm。螺旋折流板板安裝后是以外圓O點的連線形成的一條螺旋曲線，與其它螺旋結構的螺旋曲線相同，其展開圖如圖3-13所示。螺旋升角λ按公式（3-28）計算：（3-28）圖3-12螺旋折流板形狀圖圖3-13螺旋折流板曲線展開圖圖3-12中，由公式（3-29）：（3-29）式中為正螺旋面外圓展開周長的計算公式，設Do為正螺旋面展開外圓直徑，R0為半徑，；則由公式（3-30）可得： （3-30）式中，R0是在螺旋升角為λ時板的邊長。因為折流板是一個平直的板片，所以必須將其形成為近似螺旋形的彎曲表面，以使流體沿流動通道中流動。在安裝過程中，將螺旋節(jié)距之間的擋板分成4等分，將每個1/4板放置在每等分的中線處，然后以O—O’中心線為軸心扭轉半個螺旋升角，使板片形成另一個角度α(安裝傾角)，因此，螺旋折流板片的實際邊長R按公式（3-31）式計算：（3-31）要求出板片扇形角θ，首先必須求出底邊長B，它與實際安裝傾角α和其在圓筒體內實際安裝后的投影長度H有關，見圖。圖3-14折流板在筒體內投影從圖3-14中可看出，若已知安裝傾角α，則可得：