F280U型管式柴油冷卻器設計

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1、 F280U型管式換熱器設計 摘 要 本課題設計是F280U管式柴油冷卻器，組成部分分別是：管體、殼體以及管子等零件。它的組成結(jié)構非常緊密，排管很多，并且一樣的直徑狀況下制作非常簡易。本課題設計使用雙殼程雙管程。在使用時管程壓力是1.35MPa，溫度能夠達到220℃，將油當做介質(zhì)使用。而使用時殼程壓力是1.15MPa,溫度是110℃，也是用油當做介質(zhì)。 設計冷卻器時需要包含以下幾點：管子的尺寸以及排列形式、圓筒、以及管板的原材料和厚度、防沖板等等。這個管子的使用原則是清洗方便和節(jié)約使用。管子以三角形的排列形式安裝在管板上。原因是使用三角形排列使得管板的強度升高減少流體

2、短路，以及盡可能多的排列更多的管子。設計時使用圓筒薄膜應力原則計算推導出殼體厚度計算公式。并且最小壁厚應該高于封頭內(nèi)徑的0.14%，管板是設計中重要零件，在挑選材料時不光要檢驗力學性能，還要思考流體腐蝕性能的作用。需要在符合各種強度要求之下，降低管板的厚度。折流板的選擇是圓缺型擋板，切去的弓形厚度普遍是外殼內(nèi)徑的15%到20%。 關鍵詞 ：殼程；管程；冷卻器；零部件  ABSTRACT The design of this topic is the F280U tube type diesel cooler, which consists of tube, she

3、ll and tube. It has a very close construction, a lot of tubes, and the same diameter condition. Its very easy to make. This project is designed to use double shell double pass. In use, the tube pressure is 1.35MPa, the temperature can reach 220 degrees, the use of oil as a medium. While the use of s

4、hell pressure is 1.15MPa, the temperature is 110 degrees, but also oil as a medium. The design of the cooler involves the following: the size and arrangement of the tube, the cylinder, the raw material and thickness of the tube plate, the thrust plate, and so on. The principle of using this pipe is

5、 convenient cleaning and economical use. The tube is mounted in a triangular arrangement on the tube plate. The reason is the use of triangular arrangement to increase the strength of the tube plate, reduce fluid short circuiting, and arrange as many pipes as possible. The calculation formula of the

6、 shell thickness is deduced by using the principle of cylinder membrane stress. And the minimum wall thickness should be higher than 0.14% of the head diameter, the tube plate is an important part of the design, in the selection of materials, not only to test the mechanical properties, but also to c

7、onsider the role of fluid corrosion. It is required to meet the requirements of various strength and to reduce the thickness of the tube sheet. Baffle selection is the moon type baffle, the shell is generally cut bow thickness diameter of 15% to 20%. Key word: shell side; tube; cooler;pipe 

8、 目 錄 1.綜述 1 1.1. 引言 1 1.2. 結(jié)構 2 1.3. 類型 2 1.4. 非金屬材料冷卻器 3 1.4.1.流道的選擇 3 1.4.2.操作強化 3 1.5. 國內(nèi)外研究概況 3 2.工藝計算 7 2.1. 原始數(shù)據(jù) 7 2.2. 定性溫度及物性參數(shù) 7 2.3. 傳熱量與油流量 7 2.4. 有效平均溫差 7 2.5. 管程冷卻系數(shù) 8 2.6. 結(jié)構的初步設計 8 2.7. 殼程冷卻系數(shù)計算 9 2.8. 傳熱系數(shù)計算 9 2.9. 管壁溫度計算 10

9、 3.結(jié)構設計 10 3.1. 冷卻管設計 10 3.2. 布管方式的選擇 10 3.3. 筒體內(nèi)徑的確定 10 3.4. 筒體壁厚的確定 11 3.5. 封頭形式的確定 11 4.管板尺寸的確定及強度計算 13 4.1. 筒的計算 13 4.2. 對于延長部分兼作法蘭的管板的計算 15 4.3. 假定管板的厚度計算 18 4.4. G2值的取得 20 4.5. 法蘭厚度的計算 20 4.6. 法蘭力矩的的危險組合 21 4.7. 筒體管箱耐壓試驗的應力校核計算 27 5.U型管式冷卻器的制造、檢驗、安裝、使用和維修

10、 28 5.1. 結(jié)構尺寸和加工 28 5.1.1.圓筒 28 5.1.2.管箱 28 5.1.3.管板 28 5.1.4.管孔加工 28 5.1.5.冷卻管 29 5.2. 安裝、使用和維修 29 5.2.1.換熱器的清洗 29 5.2.2.U型管式換熱器的維護和檢修 29 結(jié)論 30 致謝 31 參考文獻 32 2 1.綜述 1.1.引言 冷卻器已有100年的發(fā)展歷程，在石油、電力、冶金、集中供熱、制藥等領域被普遍使用。在1980年，因

11、為制造業(yè)技術、材料科學逐步進步以及深入傳熱理論的探究，因此冷卻器的節(jié)能設計成為關注的焦點。 依照使用用途劃分：預熱器、冷卻器、蒸發(fā)器等。依照制作熱交換器的原材料劃分：金屬、塑料、玻璃等。依照溫度情況劃分：溫度平穩(wěn)的熱交換器，熱流規(guī)模和熱交換部分的溫度保持穩(wěn)定；溫度不平穩(wěn)的熱交換器，熱流以及溫度都能隨著時間的變動而變化。如果依照熱流體和冷流體的流動方向進行劃分：順流式、錯流式。依照輸送熱量劃分：間壁式、混合式。這個間壁式中的冷熱流體采用固體間壁進行隔絕，還經(jīng)過間壁傳送熱量，也由此叫做表面式冷卻器，這種冷卻器使用最多。 如今在發(fā)達國家中熱回收率達到95%，并且冷卻設施在整個石油

12、煉廠中占據(jù)總投資的34%到38%。其中使用最多的還是管殼式冷卻器，接近70%。其它的是各種高效緊密式冷卻器、以及蓄熱器等，包含板式、板翅式等高效率的傳熱元件得到快速發(fā)展。如今的工業(yè)設備向大型化以及高效率發(fā)展，冷卻器向這方向發(fā)展，如今的冷卻器發(fā)展模式是：模型化技術以及強化傳熱技術這樣的高科技系統(tǒng)。 冷卻器屬于傳熱流體和冷流體裝置，它也屬于熱交換器的組成零件，熱交換器屬于一種生產(chǎn)中不可或缺的一部分，在制藥、交通中使用最多。這在生產(chǎn)工藝以及規(guī)模大小上，以及設計投資耗能中占有非常重要的地位。 熱交換器的劃分： 因為制作工藝水平以及科學水平，前期的熱量屬于一個簡單的單位，就是很小的

13、傳熱面積，體積很大非常沉重，比如蛇管式冷卻器的約束。伴隨著制作工藝的進步，慢慢變成管殼式冷卻器，它不但含有很大的體積的傳熱面積，并且傳熱作用也很好，在很長時間內(nèi)，是工業(yè)生產(chǎn)中的標志性變化。 在上世紀20年代研發(fā)出板式冷卻器，并首次在食品行業(yè)中應用。是代管制作，結(jié)構緊密，有很好的傳熱能力，進而逐步研發(fā)出各種各樣的板式冷卻器。10以后，瑞典研發(fā)出螺旋板式冷卻器。在1930年末，瑞典研發(fā)出紙漿廠第一殼式冷卻器。這個時候，人們更多的思考如何如理強腐蝕介質(zhì)的散熱，因此熱交換器變成主要研究對象。 1.2.結(jié)構 構成部分是殼體、冷卻管以及箱體等零件。管束兩邊安裝在管板上面。管道中有

14、充滿著熱交換流體，叫做管流體；在其他的流管，叫做殼測流體。用以增強傳熱系數(shù)，殼體需要裝載幾個擋板?？扉T速度能夠增強流體的外殼，趨勢流體從很多的橫向中流出，加速流體流動速度。管板上可以設計成三角形狀或者正方形。裝載非常緊密，管外流體的速度以及傳熱系數(shù)很好的等邊三角；外管比較容易清洗，方便流體結(jié)垢的處理。 用以提升管道中的流速，這個管道能夠在分離器室的兩邊提供，這個管道可以劃分成幾組。如果只流過這個管道，能夠多次進行來回，這是多管流體的其中重要組成部分。并且，想要提升外管的流體速率，描述的縱向擋板規(guī)定在外殼上面，進而趨使流體流過幾個多殼容納體積。多管殼，能夠使用在很多的程序中。

15、 管殼式換熱器的外殼由殼體、管箱殼體和封頭三個部分組成。殼體、管箱殼體和封頭的尺寸都可以通過設計參數(shù)來得到。參照《換熱器設計手冊》中第140頁的表1-6-5，表中列出了1m高筒體的容積和質(zhì)量。已知公稱直徑DN=8OO，壁厚為10，得到1m高筒體的容積為0.503l立方米，質(zhì)量為200kg。 1.3.類型 由于這個流體在殼體與熱交換管束中自身的內(nèi)管與外管的溫度是有差別的。假如他們溫度差別非常大時，熱交換器中會產(chǎn)生明顯的熱應力，進而使得管彎曲，崩裂以及管板被拉斷。 ①這種固定管板冷卻器的管板與殼體連接在一起，結(jié)構簡易，但是只能應用于冷熱流體以及殼式冷卻器溫度差別很小的情況

16、中，沒有規(guī)定的清潔時段。假如外殼和壓力間的溫差變大時，這個彈性補償環(huán)可以固定在殼體上，能夠大大降低熱應力。 ②這個冷卻器管可以在管板上下進行浮動，并且這個束能直接在殼體中轉(zhuǎn)移，來幫助進行機械清洗與維護。但是這種冷卻器的結(jié)構組成非常繁雜，并且消耗的成本很高。 ③對于U型管冷卻器使用的管外形就是U形狀，兩邊都安裝有一樣的電路板，這種冷卻器優(yōu)點明顯，能夠完全清除應力，浮動磁頭構成相對簡易，方便清理管道。 1.4.非金屬材料冷卻器 對于含有腐蝕性的熱化學流體，應該用陶瓷、玻璃以及氣筒各種非金屬原材料制作的管道，這種冷卻器性能不高，只能對于低壓力，振動以及溫度不高的使用程序。

17、1.4.1.流道的選擇 對于冷熱交換器的流體，需要依據(jù)以下5種基本原則使用管道：①不容易結(jié)垢，并且清洗時操作簡單；②流通腐蝕性液體的管，容易損壞管束以及殼體；③高壓力的流體管，防止在高壓力下使用；④對于飽和蒸汽，本身的流速屬于單獨的，比較方便冷凝液的清除；⑤假如是選擇兩種流體較大的冷卻器，溫度差驅(qū)使熱傳導系數(shù)去除大殼，用以降低熱應力。 1.4.2.操作強化 假如兩壁自身的傳熱系數(shù)差別較大，則需要最大化降低低熱阻側(cè)的傳熱系數(shù)。但是如果外熱管的系數(shù)較低時，能夠應用（低翅片管），對于流體可以擴大傳熱面積以及紊流管的外緣，減小熱阻，想要降低內(nèi)管的傳熱系數(shù)，能夠安裝捻鐵，添加到管中，進而增

18、強內(nèi)管自身的擾動，增強傳熱能力，其后這個流體自身的流動阻力大大增強。預熱器的作用是提前加熱流體，給工作流程提供技術參數(shù)。 (1) 過熱器 過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 (2) 蒸發(fā)器 蒸發(fā)器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。 (3) 按冷卻器的結(jié)構分類 可分為：翅式冷卻器、浮頭式冷卻器、U形管板冷卻器、板式冷卻器等。 1.5.國內(nèi)外研究概況 最近幾年，國內(nèi)在節(jié)能以及增效等方面改進著換熱器的性能。尤其是在提高傳熱效率，減速傳熱面積，降低壓降等方面的研究更是取得了顯著的成績。流程優(yōu)化軟件技術的發(fā)展

19、使得換熱器的應用越來越廣泛。比如說，20世紀80年代常減壓裝置的換熱器用量才只有70臺左右，而到了90年代，數(shù)量已經(jīng)達到了90到100臺，甚至于到了90年代末至今，數(shù)量更是已經(jīng)超過了140臺。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，降低了企業(yè)的成本，提高了效益。管式換熱器是一種高效傳熱的新型換熱器，在20世紀60年代首先被引用于宇航技術中，70年代國外在電子、機械、石油、化工等方面有了廣泛的應用。熱管換熱器主要由箱體、管板、熱管原件組成，其中熱管是其關鍵元件。熱管是一種充填了適量工作介質(zhì)的真空密封容器，當熱量傳入熱管的蒸發(fā)段時，工作介質(zhì)吸熱蒸發(fā)流向冷凝段，在那里蒸汽被冷卻，釋放出汽化潛熱，冷

20、凝變成液體，然后在多孔吸熱芯的毛細力或重力的作用下返回蒸發(fā)段，如此反復循環(huán)，通過工質(zhì)的相變和傳質(zhì)實現(xiàn)熱量的高效傳遞。熱管換熱器的最大特點是結(jié)構簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下制造熱管換熱器的金屬耗量少于其它類型的換熱器。經(jīng)過20多年的努力，我國先后開發(fā)成功了氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器（廢熱鍋爐）、高溫熱管（液態(tài)堿金屬熱管）。并在冶金、石油、化工、動力、陶瓷以及水泥等行業(yè)領域中應用取得了可喜的成果。當前熱管技術已趨于成熟，應用面逐步擴大。國內(nèi)進行熱管換熱器研制和推廣應用的典型廠家（單位）有：南京化工大學、撫順石油學院、化工部化機械研究院、撫順石油二廠、上海711研究所、航天部501

21、等。盡管我國在部分重要換熱器產(chǎn)品領域獲得了突破，但我國換熱器技術基礎研究仍然薄弱。與國外先進水平相比較，我國換熱器產(chǎn)業(yè)最大的技術差距在于換熱器產(chǎn)品的基礎研究和原理研究，尤其是缺乏介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，對于流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作研究原理不足。在換熱器制造上，我國目前還以仿制為主，雖然在整體制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片壓制方面與發(fā)達國家還有一定的差距。在設計標準上，我國換熱器設計標準和技術較為滯后。目前，我國管殼式換熱器標準的最大產(chǎn)品直徑還僅停留在2.5米，而隨著石油化工領域的大型化要求，目前對管殼式換熱器直徑已經(jīng)達到4.5米甚至5米，超出了我國換熱器設計標準范圍，使得我國換熱器設計

22、企業(yè)不得不按照美國TEMA標準設計。更為嚴重的是，我國在大型專業(yè)化換熱器設計軟件方面嚴重滯后。目前我國在換熱器設計過程中還不能實現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主意識。 二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。二十世紀30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。二十世紀30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。二十世紀60年代左右，由于空間技術

23、和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。自二十世紀60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到進一步發(fā)展。二十年代70年代中期，非接觸式換熱器一直是管殼式（列管式）換熱器一國獨大的局面。然而近幾十年以來，這種平衡有所改變。這種改變是由于各種板式類換熱器的逐步開發(fā)和應用所帶來的。板式類換熱器能夠能夠被深入研究和開發(fā)，固然是有其歷史必然的?；仡檽Q熱器發(fā)展歷程，雖然板式換熱設備的充分開發(fā)只是近些年的事情，但是其理論和技術的出現(xiàn)卻早的

24、多。但是人們在最初舍棄了這種換熱性能遠遠占優(yōu)勢的換熱器形式，而是選擇并大量應用了管式換熱器。氣動噴涂法是由俄國人最先提出來的，功用是增強翅片化外表面的特征性質(zhì)。它的核心是借助有點溫度的、涼的、非低速的、有微小顆粒的流體將翅片的外表撒上一些鍍粉末粒子。它不僅僅是用在陶瓷(金屬陶瓷混合物)、合金上面還能用在金屬上面，然后各種各樣不一樣的外表就誕生了。一般約束管子加裝翅片的原因有很多，其中就包含實際操作里的翅片底端的相互接觸的阻礙力。必須用做實驗的辦法評測翅片管冷卻器。實驗的內(nèi)容就是在翅片的外表噴灑上ac－鋁，而且還加了24a的白顏色的電爐氧化鋁。清算好實驗時算出的的數(shù)字，那么翅片低端的接觸約束力就

25、能夠評測了。對比算出的數(shù)字、翅片的功率，可以看到：效率在氣動噴涂翅片低端接觸約束力的作用下沒有本質(zhì)的變化。要證明這個結(jié)論，又進一步研究了表面(翅片)、基部(管子)的過渡區(qū)域。過渡區(qū)試片的探究顯示，全部總長在接連的邊緣處有很嚴格的裂縫紋路。因此，外表和基礎彼此影響的枝節(jié)邊緣的產(chǎn)生就是氣動噴涂法作用下完成的，可以推動粉末粒子往基礎方向滲入，這從側(cè)面顯示了很高的附著強度，它是通過金屬鏈、非化學接觸生成的。所以氣動噴涂法不單單是用在成型方面上的，還能用在依據(jù)一般辦法加工的翅片鎖定在冷卻器管子的外表方面上，還能給一般的翅片的低端實行額外的添加。能夠估算出，在縮進高效冷卻器的制造里，氣動噴涂法有很大的市場

26、前景。 螺旋折流：殼程在管殼式冷卻器里面可以說是一個非常不好設計的步驟。彎曲的流道系統(tǒng)(z字形流道)是由一般的弓形折流板生成的，缺點是會生成很大、很高的返混、死角。這么多的死角還可以導致殼程結(jié)垢的增加，會危害到傳熱功效。而且均衡溫度差的縮減、失真也是返混造成的。這樣的最終結(jié)果是，對比活塞流，凈傳熱能夠在弓形折流板的作用下大大地減少。高熱效率的標準單單通過優(yōu)越弓形折流板管殼式冷卻器是遠遠不夠的，所以一般都是用別的型號的冷卻器所代替的(比如說緊湊型板式冷卻器)。拓展殼程的首要步驟是不斷的改善一般折流板幾何形狀。盡管借助了例如偏轉(zhuǎn)折流板、密封條與別的辦法來增強冷卻器的功能，不過一般折流板設

27、計的核心不足之處還是沒法削減的。 一個新穎的辦法在美國就誕生了，說白了也就是倡導借助螺旋狀折流板。此類設計的優(yōu)越性已經(jīng)早早的被流體動力學探究、傳熱試驗成果所落實，它還有自己的專利。一般折流板的核心不足之處被這類結(jié)構早早地解決了。螺旋折流板的設計理念沒有那么的復雜：“擬螺旋折流系統(tǒng)”里面裝有圓截面的特制板，其中冷卻器殼程中橫剖面的百分之二十五都是一塊塊的折流板，它的傾斜角朝著冷卻器的軸線，也就是和冷卻器軸線保持在一定的傾斜程度上。臨著的折流板的周圍互相連接著，它和外圓連接成螺旋形狀。折流板的軸向方位是互相重疊的，比如說想要降低支撐管子的跨越度，也能夠獲得雙螺旋的設計。比較寬的制造條件都

28、可以通過螺旋折流板結(jié)構來完成。這類設計有沒有那么的死板，能夠依據(jù)不一樣的加工情況，挑選最好的螺旋角；能夠依次挑選疊加、雙螺旋折流板的結(jié)構。麻花管冷卻器：扁管冷卻器被瑞典國的alares企業(yè)研究出來了，俗稱麻花管冷卻器。它的進一步完善是位于美國的休斯頓的布朗企業(yè)完成的?！盁崤ぁ?、 “壓扁”是螺旋扁管的生產(chǎn)程序的兩個工步。改善以后的麻花管和守舊的管殼式冷卻器差不多類似，都不復雜，而且還有很多振奮人心的進展，它有下面的科技經(jīng)濟收益：完善了傳熱、降低了結(jié)垢，切實的逆向流動，本金大大地降低，沒有震動，空間節(jié)省了許多，沒有折流元器件。因為管子的特殊性，讓殼程、管程一塊位于螺旋活動，推動了湍流的深度。一般的

29、冷卻器比這個冷卻器全部熱系數(shù)低40%，但是壓力降基本上一樣。在裝配冷卻器的時候還可以借助光管、螺旋扁管的混成辦法。這個冷卻器是完全依據(jù)asme指標加工的。只要是守舊裝置、管殼式冷卻器都能夠借助這類冷卻器來代替。它可以得到板框式傳熱設備、一般管殼式冷卻器所得到的最優(yōu)值。預計在石油化工、化工可能會得到很大的發(fā)展空間。 螺旋管式：通常借助焊接辦法把金屬絲鎖定在管子上面的全是在管子上纏著金屬絲當作筋條(翅片)的螺旋管式冷卻器。不過此類辦法會給全部裝備的品質(zhì)帶來不好的作用，是由于釬焊法必須在冷卻里“扣除”非常大的金屬絲、管子的外表。核心是，因為焊料老化的非?？?，還會破碎，這都將造成裝備、機器的

30、阻塞，接著是提前的報廢。螺旋板式冷卻器：螺旋板式冷卻器說的是一類非低效冷卻器設施，基本上是用在液－液、對液傳熱、汽－液、汽－汽上面。它在焦化、冶金、輕工、醫(yī)藥、石油、軋鋼、紡織、食品、溶劑、化學等上面用的很多。如果依據(jù)結(jié)構方式劃分的話，可以劃分成可拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）、不可拆式（Ⅰ型）螺旋板式冷卻器。螺旋板式冷卻器結(jié)構及性能：這個裝備是通過兩張卷加工而成的，誕生了兩種均衡的螺旋通道，這兩類傳熱介質(zhì)能夠?qū)嵭腥媪髁鲃樱艽蟪潭壬咸嵘死鋮s的功效，也就是兩類比較小的溫差的介質(zhì)，也可以生成比較滿意的冷卻功效。把切向結(jié)構用在殼體的接管上，部分阻礙不大，因為有均衡的螺旋通道的曲率的存在，液體流過設施里面的

31、時候沒有特別大的轉(zhuǎn)向錯位，總體的約束力不高，所以能夠增強設計的流動速度讓它有很大的傳遞熱量的能力。 借助焊接密封的是I型不可拆式螺旋板式冷卻器螺旋通道的端面，所以它的密封性是非常的強的。不可拆式、II型可拆式螺旋板冷卻器構造理論差不多一樣，不過這里面，只有一個通道是能夠拆開清理洗刷的，尤其是適合在含有沉淀液體、粘性的熱量互換。不可拆式、III型可拆式螺旋板冷卻器構造理論差不多一樣，不過這里面兩個通路是能夠拆開清理洗刷的，它的應用是很廣泛的。 一臺設施沒法吻合應用需求時，那么就選擇多臺設施來完成，不過組合的時候一定得吻合下面的規(guī)矩：通道間距、設備、串聯(lián)組合、并聯(lián)組合一樣?；旌?/p>

32、構成：通道串、并聯(lián)。變聲速壓：兩相流噴射式熱交換器也就是傳說中的變聲速增壓熱交換器，它是用在汽—油冷卻方面用的是最多的。它是通過我國洛陽藍海實業(yè)有限公司獨立發(fā)明的。蒸汽是它的動力，經(jīng)過汽油的壓力混合，讓油的溫度瞬時間上升，借助壓力激波科技達到了沒有外力增壓的結(jié)果，明顯的節(jié)能、升壓特征很大程度減少了客戶的應用本金，能夠代替過去的熱量交換器?；旌闲推屠鋮s裝置其實就是變聲速增壓熱交換器，蒸汽通過絕熱膨脹科技處理，用射流態(tài)融合混合腔、膜化處理的辦法被加熱，油在蒸汽沖擊力影響下均衡混成，產(chǎn)生有固定算數(shù)容積比的汽油壓縮混合物。每當它的瞬時壓縮濃度位于固定的數(shù)值時，就產(chǎn)生了兩相流體場的情形。在場態(tài)的激勵

33、作用下，這個混合物的聲音速度數(shù)值會展現(xiàn)突破聲音障礙邊界的過程性變換，而且會產(chǎn)生很多的壓力激波。用兩相流體場的順序激化強行解決＂瞬時冷卻+無外力增壓＂雙效應就是所謂的變聲速增壓熱變換科技。 20 2. 工藝計算 2.1.原始數(shù)據(jù) 管程油的設計溫度t1′=220℃ 管程油的工作壓力P1=1.35MPa 殼程油的設計溫度t2′=110℃ 殼程油的出口壓力P2=1.15MPa 殼程油的流量G1=200000kg/h 2.2.定性溫度及物性參數(shù) 管程油定性溫度t1=125℃ 管程油密度查物性表得ρ1=945

34、kg/m3 管程油比熱查物性表得Cp1=4.24KJ/（Kg ℃） 管程油導熱系數(shù)查物性表λ1=0.685 管程油粘度μ1=0.2710-3Pas 管程油布朗特數(shù)查物性表得Pr=1.4 殼程油定性溫度t2=47.5℃ 殼程油比熱查物性表得Cp2=2.1KJ/（Kg ℃） 殼程油密度查物性表得ρ2=800 kg/m3 殼程油導熱系數(shù)查物性表得λ2=0.13W/（m） 殼程油粘度μ2=0.9110-3Pas 殼程油布朗特數(shù)查物性表得Pr=16.1 2.3.傳熱量與油流量 取定冷卻效率η=0.

35、98 則設計傳熱量Q= G1Cp1（t1″- t1′）η1000/3600 =2000004.24（90-20）0.981000/3600=1.616107W 由 Q=G2Cp2（t2″- t2′）η導出油流量G2 得G2=66.456kg/s 2.4.有效平均溫差 △tm=[（t2′- t1″）-（t1″- t2′）]/㏑[（t2′- t1″）/（t1″- t2′）] =[（70-90）-（90-25）]/㏑[（70-90）/（90-25）]=62.2℃ 參數(shù)：P=（t1′-t2″）/（

36、t1′- t2′）=（90-145）/（20-145）=0.44 參數(shù)：R=（t1′- t1″）/（t2″- t2′）=（20-90）/（90-145）=1.2727 冷卻器按單殼程2管程設計則查得 管殼式冷卻器原理與設計P21 溫差校正系數(shù)Φ=0.78 有效平均溫差：=0.8862.2=48.516℃ 2.5.管程冷卻系數(shù) 初選傳熱系數(shù)K0=240（m2K） 則初選傳熱面積為：=5.369106/（24048.516）=461.1m2 選用Φ252.5的無縫鋼管做冷卻管。 則：管子外徑d0=25mm

37、 管子內(nèi)徑di=20mm 管子長度L=6000mm 則需要冷卻管根數(shù)：=461.1/（3.140.025（6-0.05-0.003））=988 可取冷卻管根數(shù)為988根 則管程流通面積：=998/23.140.022/4=0.155m2 管程流速：=200000/（9450.1553600）=0.379m/s 管程雷諾數(shù)：9450.3790.02/（0.2710-3）=26530 管程傳熱系數(shù)（化工原理P248） 2.6.結(jié)構的初步設計 查GB151-1999知管間距按1.25d0取

38、 管間距s=0.032m 管束中心排管數(shù)；Nc=1.1=1.1=34根 則殼體內(nèi)徑：=0.032（34-1）+40.025=1.156m 筒內(nèi)徑：Di=1.2m 則長徑比：L/Di=6/1.2=5合理 折流板選擇弓形折流板： 弓形折流板的弓高：h=（0.2-0.45）Di=0.25 1.2=0.3 折流板間距：B=Di/3=1.2/3=0.4 折流板數(shù)量Nb=L/B-1=6/0.4-1=14塊 2.7.殼程冷卻系數(shù)計算 殼程流通面積： 殼程流速：=66.5/（8000.105）=0.79

39、1 殼程質(zhì)量流速：=8000.791=632.8 殼程當量直徑： =（1.22-988 0.0252）/（9880.025）=0.03 殼程雷諾數(shù)=8000.790.03/9110-5=20835 切去弓形面積所占比例按h/Di=0.3/1.2=0.25 傳熱因子L/de=6/0.03=200 得Js=56 管外壁溫度假定值：tw2′=40℃ 壁溫下油的粘度：μw=6210-5Pas 粘度修正系數(shù)=（91/62）0.14=1.05 殼程傳熱系數(shù) ΦJs =0.13/0.

40、03* 16.11/3*1.05*56=643 2.8.傳熱系數(shù)計算 查GB-1999第138頁可知 油側(cè)污垢熱阻：r2=0.000172（m2 ℃/W） 管程油污垢熱阻：r1=0.000176（m2 ℃/W） 由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻可以忽略不計 可以計算出總傳熱系數(shù) 則傳熱面積比為Ki/K0=262.6/240=1.09（合理） 2.9.管壁溫度計算 管外壁熱流密度計算=27.08106/（9883.140.0256）=58193W/m2℃ 管外壁溫度：=55-58193（1/643+0.000172

41、）=39.7 誤差校核tw2-tw2′=39.7-40=-0.3℃誤差不大 合適 3.結(jié)構設計 3.1.冷卻管設計 表1-冷卻管設計 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 冷卻管材料 碳素鋼管 20# 2 冷卻管規(guī)格 Φ252.56000 3 傳熱面積 A m2 A=Q/Ktm 465 4 冷卻管根數(shù) N 根 N=A/3.14dL 988 3.2.布管方式的選擇 表

42、2-步管方式的選擇 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)計算 數(shù)值 1 轉(zhuǎn)角正三角形 GB151-1999圖11 2 冷卻管中心距 S mm GB151-1999表12 32 3 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 Sn mm GB151-1999表12 44 3.3.筒體內(nèi)徑的確定 表3-筒體內(nèi)徑的確定

43、 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 冷卻管中心距 S mm GB151-1999表12 32 2 冷卻管根數(shù) Nt 根 Nt=A/3.14dL 988 3 管束排管根數(shù) Nc 根 Nc=1.1 34 4 冷卻管外徑 d0 mm 25 5 殼壁最短距離 b3 mm b3=0.25 d0 6.25 6 布管限定圓直徑 d1 mm dL=di-2B3 1143.5 7 筒體內(nèi)徑 di mm di=s（Nc-1）+4d 1156 8 實取筒體公

44、稱直徑 D mm JB/T4737-95 1200 3.4.筒體壁厚的確定 表4-筒體壁厚的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 計算壓力 Pc MPa Pc=1.1P 1.65 2 筒體內(nèi)徑 di mm 見三-8 1200 3 筒體材料 20R 4 設計溫度下筒體材料的許用應力 [σ]t MPa GB150-98 150 5 焊接接頭系數(shù) Φ 0.85 6 筒體設計厚度 δ mm δ=PcDi/（2[σ]tΦ

45、-Pc） 7.8 7 腐蝕裕量 C2 mm 2 8 負偏差 C1 mm 0 9 設計厚度 δd mm δd=δ+ C2 9.8 10 名義厚度 δn mm GB151-1999項目5.3.2 14 3.5.封頭形式的確定 表5-封頭形式的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 封頭內(nèi)徑 Di mm 1200 2 計算壓力 Pc MPa Pc=1.1P 2.5 3 焊接接頭系數(shù) Φ 0.85

46、 4 設計溫度下許用壓力 [σ]t MPa GB151-1999項目5.3.2 150 5 封頭計算厚度 δ mm δ=PcDi/（2[σ]tΦ-0.5Pc） 11.8 6 腐蝕裕量 C2 mm 2 7 負偏差 C1 mm 0 8 設計厚度 δd mm δd=δ+C2 13.8 9 名義厚度 δn mm GB151-1999項目5.3.2 14 10 直邊高度 h mm JB/T4737-95 40 3.6.管箱短節(jié)壁厚計算 本次設計的管箱中，其管程設計壓力為1.35MP，管程設計溫度為220度，

47、根據(jù)《鋼制壓力容器》，選用材料15CrMoR，查表可得設計溫度下的許用應力,本次設計采用的是脹接接頭，脹接系數(shù)為1，公稱直徑Di=800mm，腐蝕裕量C2=2mm，管箱材料負偏差C1=0.8mm。 參考《管殼式換熱器》3.14.3和3.14.4,可知，設計厚度為設計厚度和腐蝕裕量之和，名義厚度指的是設計厚度加上材料厚度負偏差后向上圓整至材料標準規(guī)格的厚度，有效厚度指的是名義厚度減去材料厚度負偏差和腐蝕裕量。 以下是中： Pc----管程設計壓力，MPa； Di----公稱直徑，mm； [σ]t---管程設計溫度下許用應力，MPa; ?----脹接系數(shù)； C1---材料負偏

48、差，mm； C2---腐蝕裕量,mm。 （以下公式，均參考《鋼制壓力容器》第五章得到） 表6-管箱短節(jié)壁厚計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 計算壓力 Pc MPa 1.65 2 管箱內(nèi)徑 di mm 1200 3 管箱材料 20R 4 設計溫度下許用應力 [σ]t MPa GB150-98 150 5 管箱計算厚度 δ mm δ=Pcdi/（2[σ]tΦ-Pc） 7.8 6 焊接接頭系數(shù) Φ mm

49、 0.85 7 腐蝕裕量 C2 mm 2 8 負偏差 C1 mm 0 9 設計厚度 δd mm δd=δ+ C2 9.8 10 名義厚度 δn GB151-1999項目5.3.2 14 3.7.容器法蘭的選擇 表7-容器法蘭的選擇 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 法蘭類型 長頸對焊法蘭JB/T4703-2000 PN=2.5MPa 2 法蘭外徑 d0 mm JB/T4703-2000 1395 3

50、螺栓中心圓直徑 d1 mm JB/T4703-2000 1340 4 法蘭公稱直徑 dn mm JB/T4703-2000 1200 5 法蘭材料 16MnR 6 墊片類型 JB/T4703-2000 PN=2.5MPa 7 墊片材料 不銹鋼 GB/T3985-1995 8 墊片公稱直徑 dn mm JB/T4704-2000 1200 9 墊片外徑 D0 mm JB/T4704-2000 1275 10 墊片內(nèi)徑 D mm JB/T4704-2000 1225 11 法蘭厚度

51、 δ mm JB/T4704-2000 85 12 墊片厚度 δ1 mm JB/T4704-2000 3 13 螺栓規(guī)格及數(shù)量 248M27 4.管板尺寸的確定及強度計算 本設計為管板延長部分兼作法蘭的形式，材料為低合金鋼，采用雙金屬板，強度高而且便宜，即GB151-1999項目5.7中，圖18所示e型連接方式的管板。 A、確定殼程圓筒、管箱圓筒、管箱法蘭、冷卻管等元件結(jié)構尺寸及管板的布管方式；以上項目的確定見項目一至七。 4.1.筒的計算

52、 表8-筒的計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)源和計算公式 數(shù)值 備注 1 筒體內(nèi)徑 di mm 1200 2 筒體內(nèi)徑橫截面積 A mm2 1130400 3 筒體厚度 δs mm 14 4 圓筒內(nèi)殼壁金屬截面積 As mm2 53367.00 5 管子金屬總截面積 na mm2 156315 6 冷卻管根數(shù) N 988 7 冷卻管外徑 D mm 25 8 冷卻管壁厚 δt mm 2.5 9 冷卻管

53、材料的彈性模量 Et MPa GB150-1998表F5 182000 10 冷卻管有效長度 L mm 5980 11 沿一側(cè)的排管數(shù) n ′ 30 12 布管區(qū)內(nèi)未能被管支撐的面積 Ad mm2 17200 13 管板布管區(qū)面積 At mm2 802003 14 管板布管區(qū)當量直徑 Dt mm Dt= 1010.77 15 冷卻管中心距 S mm GB151-1999 32 16 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 Sn mm GB151-1999 44 17 管

54、板布管內(nèi)開孔后的面積 A1 mm2 A1= At -nπd2/4 802002 18 系數(shù) λ λ=A1/A 0.71 19 殼體不帶膨脹節(jié)時冷卻管束與圓筒剛度比 Q Q=Etna/EsAs 2.71 20 殼程圓筒材料的彈性模量 Es GB150-1998表F5 196000 21 系數(shù) β β=na/A1 0.19 22 系數(shù) εs εs=0.4+0.6（1+Q） 3.54 23 系數(shù) εt εt=0.4（1+β）+（0.6+Q）/λ 5.54 24 管板布管區(qū)當量直

55、徑與殼程圓筒內(nèi)徑比 Pt Pt=Dt/Di 0.84 25 管子受壓失穩(wěn)當量長度 Lcr mm GB151-1999圖32 26 設計溫度下管子受屈服強度 δst MPa GB150-1998表F2 196 4.2.對于延長部分兼作法蘭的管板的計算 表9-對于延長部分兼作法蘭的管板的計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 墊片接觸寬度 N Mm GB150-1998表9-1 25 2 墊片基本密度寬度 Bo

56、Mm Bo=N/2 12.5 3 墊片比壓力 y MPa GB150-1998表9-2 11 4 墊片系數(shù) m 2.0 5 墊片有效密封寬度 b Mm B=2.53 9 6 墊片壓緊力 dG Mm dG= d0-2b 1260 7 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 Wa N Wa=3.14dGby 391372.75 8 操作狀態(tài)最小螺栓載荷 Wp N Wp=0.78DG2Pc+6.28DGbmPc 2578132.0 9 常溫下螺栓材料的許用應力 [σ]b MPa GB150-1998表F4

57、272.5 10 預緊狀態(tài)下的最小螺栓面積 Aa mm2 Aa=Wa/[σ]b 1436.25 11 操作下最小螺栓面積 Ap mm2 Ap= Wp/[σ]b 119461.03 12 需要螺栓總截面積 Am mm2 Am=max{Aa，Ap} 119461.03 13 法蘭螺栓的中心圓直徑 db Mm 1340 14 法蘭中心至Fc作用處的徑向距離 LG Mm LG=（db-dG）/2 40.5 15 基本法 Mm N．mm Mm=AmLG[σ]b 1.04108 16 筒體厚度 δ0 Mm 14 17

58、 法蘭頸部大端有效厚度 δ1 Mm δ1=1.75δ0 24.5 18 螺栓中心至法蘭頸部與法蘭背面交的徑向距離 LA Mm LA=（db-di）/2-δ1 45.5 19 螺栓中心處至FT作用位置處的徑向距離 LT Mm LT= (LA+ LG+δ1)/2 52.75 20 螺栓中心距FD作用處的徑向距離 LD Mm LD=（db-di）/2 70 21 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力 FD N FD=0.785di2Pc 2113848 22 流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力

59、差 FT N FT=F-FD F= =2719998.996 606150.996 23 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓力 FG N FG=6.28DGbmPc 266133.4632 23 法蘭操作力矩 Mp N．mm Mp=FDLD+FTLT+FGLG 1.91108 4.3.假定管板的厚度計算 表10-假定管板的厚度計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 布管區(qū)當量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比 ρt ρt=Dt/Di 0.84 2 系數(shù) Cc

60、 GB151-1999 (P31)表22 0.2796 3 管板材料 16MnR 低合金鋼 4 設計溫度下管板材料許用應力 [σ]rt MPa GB150-1998（P15） 138 5 管板削弱系數(shù) η GB151-1999 0.4 6 殼程設計壓力 Ps MPa 1.87 7 管程設計壓力 Pt MPa 2.2 8 管板設計壓力 Pd MPa Max{︱Pt -Pt︱，︱Pt︱， ︱Ps︱} 2.2 9 管板厚度 δ δ=0.82Dg 108.9 10 冷卻管加強系數(shù) K

61、 K=1.318Di//δ 14.52 11 管板周邊不布管區(qū)的無量綱參數(shù) k k=K（1-ρt） 2.32 12 冷卻管材料彈性模量 Et MPa GB150-1998表F5 186103 13 管束模數(shù) Kt MPa Kt=Etna/（LDi） 4049.56 14 殼體法蘭材料彈性模量 Ef′ MPa GB150-1998表F5 196103 15 殼體圓筒材料彈性模量 Es GB150-1998表F5 196103 16 殼體法蘭寬度 bf mm Bf=（Df-Di）/2 38.5 17 系數(shù)

62、 ω′ GB151-1999圖26 0.00055 18 殼體法蘭與圓筒的選裝剛度 Kf′ MPa 15.05 19 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) Kf Kf =πKf′/（4 Kt） 0.0031 4.4.G2值的取得 表11- G2值的取得 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 管板第一矩系數(shù) m1 GB151-1999圖27 0.64 2 系數(shù) Φ Φ=m1/（KKf） 15.20 3 系數(shù) G2 GB151-19

63、99圖31 5.8 4.5.法蘭厚度的計算 表12-法蘭厚度的計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 管箱法蘭材料的彈性模量 Ef″ MPa GB150-1998表F5 186103 2 管箱法蘭厚度 δf″ mm JB/T4702-2000 108.9 3 系數(shù) ω″ GB151-1999圖26 0.00055 4 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) Kf″ MPa 8.53 5 系數(shù) G3 GB151-1999圖30 3.710-4 6 系

64、數(shù) = Kf/（Kf+G3） 0.886 7 管板邊緣力矩的變化系數(shù) △M △M~=1/（Kf′/ Kf″+） 0.377 8 法蘭力矩變化系數(shù) △Mf △Mf=Kf△M/ Kf″ 0.00013 9 管板第二彎矩系數(shù) m2 GB151-1999圖28（a） 1.80 4.6.法蘭力矩的的危險組合 4.6.1.只有殼程設計壓力Ps，而管程設計壓力Pt=0，不計膨脹節(jié)變形差（即r=0）。 表13 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備

65、注 1 當量壓力組合 Pc MPa Pc=Ps 1.87 2 系數(shù) ∑s ∑s=0.4+0.6（1+Q）/0.75 3.54 3 有效壓力組合 Pa MPa Pa=∑sPs+βrEt 39.4 4 基本法蘭力矩系數(shù) Mm Mm=4Mm/(λπDi3Pa) 0.003 5 管程壓力下的法蘭力矩系數(shù) Mp Mp=4Mp/（λπDi3Pa） 0.005 6 法蘭力矩折減系數(shù) M1 M1=m1/2K（Q+G3） 0.008 7 管板邊緣力矩系數(shù) M M= Mm+△MM1 0.006

66、 8 管板邊緣剪切系數(shù) v v= M~Φ 0.0912 9 管板總彎矩系數(shù) m m=（m1+vm2）/（1+v） 0.74 10 系數(shù) G1 G1=max{Gle，Gli} 0.163 11 殼體法蘭力矩系數(shù) Mws Mws=Mm-△MfM1 0.0027 12 管板徑向應力系數(shù) σr σr= 0.005 13 管板的徑向應力 σr MPa σr=σrPa（λ/μ）（Di/δ）2 42.46 ≤1.5[σ]tr 14 管板布管區(qū)周邊外徑向的應力系數(shù) σr’ σr’=3（1+v）m/4K（Q+G2） 0.005 15 管板布管區(qū)周邊外徑向的應力 σr’ MPa σr’=σr’Pa（λ/μ）（Di/δ）2[1-K/m+K2（1.414-m）/2