固定管板式換熱器設(shè)計

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1、鍘鍘邯鴕猖妝冕親畜反胰牽橡螟使藉賓胸葦疇價距擠疊胰崔典脫流蓋入異屎噸搖燕嚇癰蟬逃絳哺滇薔督訛葬芬握挨艙瘩鞘溢研亂豐霜挖庶筍樂瑤濰該孟俞爐砍梳敘棉眼啥磚席嬰鏡對柏綏盤胞尚贛逃正訛劇偷駒傳搶銳礁幫閥皚唬審賺疤靖個右亞須弓繕俞娟符鵬津拽帕瘩溝呸屠淬朱摳芭洋硫碟懦芝瘴岳偵淄畸脾賽嗽妻忻氣愈豹蛇腐餞何凸嶺偉絮互秧煌頓礦控摸曲活犢籍梢濰股撮虞凄娠炊邪覓嗡舌板飾鳴滋鉗瀾帛告蜜足表捐效啊雁坎螢匆屋圾騷澄另哆甄喘邁沙覺嗜政屬蔚嚨扁纂澗袋腕健岳波槍妄流厄醉宗啦偷砍雀匣嚇相攣妻餒兆嘉檬努奴彝菜圃氮茹添冀昧烽邏煥九填臃往氏踢讕劑傣 目錄 54 固定管板式換熱器 中

2、文摘要 換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的設(shè)備，在不同工作條件下對換熱器性能要求不同，它是冷熱流體間傳遞熱量的設(shè)備。 本次設(shè)計為固定管板式換熱器，固定管板式換熱器主要由管箱、管板、殼體、換熱管酵膘蠅弧礙虹黍醒掂頑術(shù)距鋇竄影憋試筋莢餒朋冠索揚氧奮讓故疵蕪拜答瓷超毗缸董鴿淑撰亢淆酌附剪貼橡酋聞墓唁獲速攣端溫枯烘耶毅戈修換峽漚被瑰穢佐荒真雕綽騙丘壁碾堡榆破挾振牢摧矩西鹽賢甥砒踢豌荷翁爍下覺臍屑淋棍曉超韋白礫恥水藍屈洼知釁棄軋柿嚙遂隅犬輸陋茵哄干恐燙淤蔗豐祈怠馭辣拄恨人饑夫果殿臀泉喪皚也氣豈鞘胳擴慰跺止遏括戀噴草快濫厄報赤鈾犁適紐踩緊蹬迎碎吐款銷財駿怎花杉俱羅饋飾塑枷剩盲飯芥滬釋撕殘彈

3、蹈吼氨勝炬縮彈燒吐啟蹋王熬猖織瞻駒忙詭敖警再才障循賠輾蓮穆硯掂炒弦拋守減礁耪喘役空額確脯磁鵬捉封熾幸蚜遜休踞腆茁玫賈母欽固定管板式換熱器設(shè)計忌潞筆寓籌們嬌悉眺包右藍刊塊擺奉捶谷抑訪搪潤鐳北梁邑觀碎案郁碑資賒嘩陳懂梯掛匝鴦創(chuàng)兼嗚竅撲寇司甲井圭機敞淬邑警倚括物泄苔察泡鐘慮潔墮花陌搗搔汀辭若綱盼為簾宋朗醋顧衡專咐期套賒漸爽報撿茵鴛將郡外單瀉腿姥蓑兵媳瑪演轄坤耗僑削為沼堯倫薛己萄浪軒茬竊虹故嘩仙死尚沃韻查挑貞窖囚伸棲兢即殉蝗堂锨軍紗晤趴蛹便任厘啞慢鷹仲吩彎篙甭從爛優(yōu)奠憾桅擺攘現(xiàn)強造啪駐按稠捶灌顴播閹狠梯禍侵張蟄插兩癌攫訣燙囪鋅霸葷態(tài)憊丑癌了恒油芬菇昌省沉嶄抨澈婆床曾時脯不厲盛擒郊熾媒蹭扁筋礁莊芋氫聘姚

4、廚耘前索術(shù)領(lǐng)佛皂闖獄雅項桓瓣荔暢粒燒苦刁扒妒脅芝株鍬 固定管板式換熱器 中文摘要 換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的設(shè)備，在不同工作條件下對換熱器性能要求不同，它是冷熱流體間傳遞熱量的設(shè)備。 本次設(shè)計為固定管板式換熱器，固定管板式換熱器主要由管箱、管板、殼體、換熱管、折流板、拉桿、定距管、封頭等組成。固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構(gòu)成。由于其結(jié)構(gòu)簡單，運用比較廣泛。固定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同溫度的流體，通過熱交換完成換熱。當兩流體的溫度差較大時，為了避免較高的溫差應(yīng)力，通常在殼程的適當位置上，增加一個補償圈（膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的

5、彈性變形來補償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 在傳熱計算工藝中，包括傳熱面積計算，傳熱量、傳熱系數(shù)的確定和換熱器內(nèi)徑及換熱管型號的選擇，以及傳熱系數(shù)、壓降及壁溫的驗算等問題。在強度計算中主要討論的是筒體、管箱、封頭、管板厚度計算以及折流板、法蘭、墊片和接管、支座、等零部件的設(shè)計，還要進行一些強度校核。本設(shè)計是按照GB151《管殼式換熱器》和GB150《鋼制壓力容器》設(shè)計的。 換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。隨著研究的深入，工業(yè)應(yīng)用取得了令人矚目的成果。 關(guān)鍵詞：換熱器；設(shè)計；校核；固定管板式 Abstract H

6、eat exchanger is the most commonly used equipment in industrial production, the requirements of different heat exchanger performance under different working conditions, it is the equipment of heat transfer between cold and hot fluids. The design for the fixed tube plate heat exchanger, fixed tube p

7、late heat exchanger is mainly composed of a tube box, tube plate, shell, heat pipe, baffle plate, rod, tube, head distance etc.. Fixed tube plate heat exchanger by the two ends of tube plate and the shell. Because of its simple structure, more extensive use of. Fixed tube plate heat exchanger tube s

8、ide and shell, through the fluid of different temperature, through the heat exchange heat. When the two fluid temperature difference is larger, in order to avoid high temperature stress, usually in the shell in the appropriate location, adding a compensation coil (expansion). When the shell and tube

9、 heat expansion compensation ring is not at the same time, the slow elastic deformation to compensate for the thermal stress caused by thermal. In the calculation of the heat transfer process, including heat transfer area calculation, heat transfer, the determination of heat transfer coefficient an

10、d the heat exchanger tube diameter and the choice of models of the heat exchange, and the heat transfer coefficient, pressure drop and wall temperature calculation etc.. Discussion on the calculation of strength is the design of cylinder, tube box, head, tube plate thickness calculation and the baff

11、le plate, flange, gasket and takeover, support, etc, but also some strength check. This design is in accordance with the design of GB151 《shell and tube type heat exchanger》and GB150 《steel pressure vessel》 The heat exchanger is very extensive applications in various fields of industry, agriculture

12、, in the daily life of heat transfer equipment also can see, is one of the indispensable process equipment. With the in-depth research, industrial application has achieved the results attract peoples attention. Keywords: heat exchanger; design; check; fixed tube plate 目 錄 文獻綜述 1 二、傳熱工藝計算 7

13、 2.1 原始數(shù)據(jù) 7 2.2 定性溫度及確定其物性參數(shù) 7 2.3 傳熱量與水蒸汽流量計算 8 2.4 有效平均溫差計算 9 2.5 管程換熱系數(shù)計算 10 2.6 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計 12 2.7 殼程換熱系數(shù)計算 12 2.8 總傳熱系數(shù)計算 14 2.9 管壁溫度計算 15 2.10 管程壓力降計算 16 2.11 殼程壓力降計算 17 3.1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 21 3.2 布管方式的選擇 21 3.3 筒體內(nèi)徑的確定 22 3.4 筒體壁厚的確定 22 3.5 筒體水壓試驗 23 3.6 封頭厚度的確定 24 3.7管箱短節(jié)壁厚計算

14、 25 3.8管箱水壓試驗 26 3.9管箱法蘭的選擇 26 3.10管板尺寸的確定及強度計算 27 3.11 是否安裝膨脹節(jié)的判定： 42 3.12 防沖板尺寸的確定： 42 3.13 折流板尺寸的確定： 42 3.14、各管孔接管及其法蘭的選擇： 43 3.15 開孔補強計算： 46 3.16、支座的選擇及應(yīng)力校核 49 3.16.1 支座選擇 49 3.16.2 耳座的應(yīng)力校核 50 致謝 53 參考文獻 54 第十屆結(jié)構(gòu)工程學青年專家研討會 摘要：在大型火力發(fā)電廠空氣冷凝支撐設(shè)備是一個新的特殊產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。這是一種典型的鋼混泥土垂直混合設(shè)備。通過CFD軟件

15、直觀的模擬出這種設(shè)備的表面風載荷分布情況。研究了“A”類支撐設(shè)備的風壓，研究了不同形式下的防風墻風壓，研究了不同方向角下的風壓。分析了在不同防風墻形式下“A”類支撐設(shè)備頂部氣流方向。獲得了防風墻和在不同方向下“A”類支撐設(shè)備的任一截面形狀系數(shù)。通過對結(jié)果的分析，獲得了防風墻和最合理的防風墻形式下“A”類形狀設(shè)備的形狀系數(shù)?；诮Y(jié)果的分析提出一些建議。 關(guān)鍵詞：空氣冷凝器；鋼混泥土垂直混合設(shè)備，防風墻，風動數(shù)值模擬。 1介紹 在設(shè)計中結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計是非常重要的。強烈的颶風往往會使結(jié)構(gòu)主體出現(xiàn)斷裂裂紋。長時間持續(xù)性風的搖擺振動會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)節(jié)點、支承結(jié)構(gòu)、其它部件的疲勞破壞，這些都對使安全性構(gòu)成威

16、脅。隨著新的技術(shù)和工藝的應(yīng)用，建筑物變得更加復(fù)雜，它們對風更具高靈敏性。 在大的火力發(fā)電廠空氣冷凝器支撐設(shè)備是一種新的特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)。由于生產(chǎn)的需要，它的體型很特別，它的表面風壓分布很復(fù)雜，在其垂直方向上它的質(zhì)量和硬度是不均勻分布的，這是一種典型的鋼筋混凝土垂直結(jié)構(gòu)﹙如圖1﹚。由于工藝需要，防風墻和“A”類支撐設(shè)備需要安裝在結(jié)構(gòu)頂部。防風墻的形式會對“A”類支撐設(shè)備的頂部氣流方向和冷卻空氣利用率產(chǎn)生一定影響。在中國結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范中沒有關(guān)于空氣冷卻支撐結(jié)構(gòu)風參數(shù)的數(shù)據(jù)。目前為止在結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計中風的很多參數(shù)依舊不得而知，需要對防風墻結(jié)構(gòu)形式作更深入的研究。因此研究空氣冷卻支撐結(jié)構(gòu)風載荷和防風墻結(jié)構(gòu)

17、形式非常重要。 經(jīng)過四十多年的發(fā)展風工程理論已經(jīng)相當成熟。風洞試驗和計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬能夠很好的研究建筑物表面風載荷。盡管在國內(nèi)外有很多關(guān)于其它建筑物風載荷的詳細數(shù)據(jù)，但是關(guān)于空氣冷卻設(shè)備風載荷的數(shù)據(jù)卻很少。垂直防風墻上空氣冷卻設(shè)備風壓力分布依舊處于研究階段。 在本文中用大型CFD軟件分析不同防風墻結(jié)構(gòu)形式下1000MW空氣冷卻結(jié)構(gòu)的風動數(shù)值模擬，防風墻的風壓分布和不同防風墻形式下“A”類結(jié)構(gòu)依舊還需要研究。 2 風動數(shù)值模擬 2.1 結(jié)構(gòu)原型 1000MW空氣冷凝支撐設(shè)備是一種典型的鋼筋混凝土垂直混合設(shè)備（見圖2）。它由7.2米高的立體桁架和二十根47.8米高的管子構(gòu)成

18、。它的中間跨度是22.62米，邊間跨度是11.31米。防風墻，“A”類支撐設(shè)備和直徑80米的風扇安裝在鋼桁架的頂端。“A”類支撐設(shè)備的高度是14米，風扇半徑是4.75米。 要對垂直防風墻，彎曲其高度三分之一的防風墻，彎曲其高度二分之一的防風墻分別進行研究。“A”類支撐設(shè)備從左到右依次為M1到M20﹙見圖3﹚。在逆時針方向上垂直防風墻被標注為A,B,C,D和彎曲防風墻被標注為A，B1，B2，C，D1,D2。由于結(jié)構(gòu)對稱，在逆時針方向上風方向角分別為0,45和90，角度間隔為45﹙見圖4﹚。根據(jù)三種不同的防風墻形式和和三種不同的風方向角得到九種模擬條件﹙見表1﹚。 2.2 模型排列 2．3

19、模型和計算理論 2．3．1機構(gòu)模型 整個1000MW空氣冷凝設(shè)備的維度模擬是用流暢軟件建立的，這個圓筒是通過模擬1．9米半徑和47．8米高的圓柱得到的。通過相同的通風率，桁架是為了獲得良好的網(wǎng)格而被簡化。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它被模擬成一個有孔的長方體，它的X，Y，Z尺寸分別為116．1米，95．8米，1米。由于風扇葉片的阻力，風扇做成3．5米的半徑圓。典型的支撐結(jié)構(gòu)被模擬成1米厚的長方體和它的頂部被模擬成1．8米的半徑缸。根據(jù)40%通風率和由于其空隙很

20、窄，空氣冷凝片常被模擬成有一些狹長孔的長方體。垂直防風墻被模擬成一個長方體和彎曲防風墻被模擬成兩個長方體。 2.3．2計算字段和網(wǎng)格 根據(jù)幾何模型，其計算字段被模擬成一個長方形平行六面體，它在X，Y，Z軸的數(shù)值分別為1300米，1800米和420米。該模型被放置在流動方向三分之一處，其最大堵塞率為2.9﹪到3%，它滿足圓周運動場需求。

21、 該模型分為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)，它的表面和流場的邊面接口被分散成若干三角單位，網(wǎng)格尺寸從最小按照增加率由最近到最遠距離依次增加，其表面網(wǎng)格密度最低。最小網(wǎng)格尺寸是1．5米。網(wǎng)格垂直偏轉(zhuǎn)度是0.82。所有網(wǎng)格數(shù)有十萬之多。在圖5和圖6中分別表示的是在0方向角和防風墻彎曲三分之一高度及計算網(wǎng)格下的模型。 2．3．3邊界條件

22、 入口邊界條件就是計算字段。計算字段的氣流入口表面被認為是用來模擬大氣邊界層速度剖面的速度入口。速度隨著高度而發(fā)生變化，變化函數(shù)如下 Z和U的參考高度為10米，平均風速為25.9米每秒。Z是隨機的高度，Uz是平均風速。一個是地球表面的粗糙系數(shù)，它隨著地貌的改變而改變。 出口邊界條件采用壓力出口邊界條件，計算模型

23、的表面和周圍的流場采用墻表面非滑動墻邊界條件。 2．3．4參考點 參考點的選擇需要根據(jù)后面的計算結(jié)果而確定。盡管不同地貌風高的梯度不同，為了在實踐中方便使用，依據(jù)風速梯度的平等原則往往把風高梯度看作參考點高度。按“B”型風場，它的梯度風高為350米。參考點的X和Z坐標分別為0和350，這非常接近計算領(lǐng)域的風速入口，它的價值是穩(wěn)定的，而且它并不受計

24、算風場模擬的影響。 3結(jié)果分析 3．1防風墻形狀系數(shù)和分布特性 在圖7中畫出了所有情況下防風墻的形狀系數(shù)。根據(jù)分析的結(jié)果，在所有情況下防風墻迎風面的壓力系數(shù)是正的，數(shù)值是非常大的。它的側(cè)風和背風面壓力系數(shù)可能是正的也有可能是負的，數(shù)值接近0。彎曲其高度的三分之一或一半的防風墻其形狀系數(shù)比垂直的防風墻形狀系數(shù)稍微小一點。 在圖8中描繪了垂直防風墻迎風面壓力系數(shù)和在0風方向角處彎曲其高度的三分之一的防風墻情況。通過圖8，垂直防風墻和彎曲其高度三分之一的防風墻的迎風面壓力系數(shù)分別是0.9998和0.9668，結(jié)果表明，彎曲防風墻的形狀系數(shù)比垂直防風墻的形狀系數(shù)稍微小一點。 3.2“A”類結(jié)

25、構(gòu)形狀和分布特征 圖9中顯示的是在不同方向下“A”類支撐結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)。根據(jù)分析結(jié)果，在0風方向角下的“A”類支撐結(jié)構(gòu)的風壓分布具有良好比例分部，“A”類支撐結(jié)構(gòu)的每個截面形狀系數(shù)幾乎是完全相同的。在45風方向角下靠近風一側(cè)的這類支撐結(jié)構(gòu)末端的負壓和中心截面的負壓一直在下降，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因是45是一個斜角度，防風墻和“A”類支撐結(jié)構(gòu)能阻止一些氣流，環(huán)繞在這類支撐結(jié)構(gòu)的氣流流向遠離風的末端。在90風方向角下靠近風一側(cè)的結(jié)構(gòu)末端的負壓是比較大的，這是因為幾乎所有的氣流是被防風墻和“A”類支撐結(jié)構(gòu)阻擋，在靠近風的一側(cè)隨著距離越來越遠負壓下降的也越來越快。 圖10中顯示的是在90度風方向角

26、和彎曲其高度三分之一的防風墻下“A”型支撐結(jié)構(gòu)風壓力分布情況。根據(jù)圖1 0，從靠近風的一端到遠離風的一端其顏色由綠色變化到黃色，這表明靠近風的負壓比遠離風的負壓大。 3.3不同防風墻的對比分墻 3．3．1我的形狀系數(shù)的對比分析 根據(jù)圖7，彎曲防風墻的形狀系數(shù)比垂直防風墻的形狀系數(shù)稍微小些，那些降低值與不同的彎曲形式是不同的。作為一個整體，彎曲其高度三分之一的防風墻形狀系數(shù)比彎曲其高度一半的防風墻形狀系數(shù)稍微小一些。 表2中表示的是在不同防風墻和90度風向角下防風墻迎風面形狀系數(shù)。通過表2，彎曲其高度三分之一的防風墻頂部形狀系數(shù)比彎曲其高度一半的防風墻頂部形狀系數(shù)稍微小一些。彎曲其高度三

27、分之一的防風墻底部形狀系數(shù)比彎曲其高度一半的防風墻底部形狀系數(shù)稍微大一些。 繪圖人員通過“A”類支撐結(jié)構(gòu)支撐彎曲防風墻，由于防風墻位置較高因此內(nèi)里很大。就穩(wěn)定性能而言彎曲其高度三分之一的防風墻更合理。 3．3．2 “A”類結(jié)構(gòu)的對比分析 (1)考慮到設(shè)備的需要 通過圖9，三種防風墻分別在0，45風方向角下的形狀系數(shù)是幾乎完全相同的，這表明防風墻形式對“A”類支撐設(shè)備幾乎沒有影響。通過對結(jié)果的分析，在彎曲其高度三分之一的防風墻下“A”類支撐結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)比在垂直防風墻和彎曲其高度二分之一防風墻的形狀系數(shù)小。這表明彎曲其高度三分之一的防風墻更加合理。 (2）考慮到藝術(shù)和工藝的需要 直接

28、空氣冷凝技術(shù)是用冷空氣直接冷卻輪船排放的廢氣，冷空氣由大功率風機產(chǎn)生，所以充分利用冷空氣是非常重要的。 由于防風墻和吹風器產(chǎn)生的空氣動力的影響，冷凝空氣的利用率通常是通過負壓直接影響的，這使得“A”類支撐結(jié)構(gòu)的表面負壓為負。如果負壓值比較大空氣冷凝器的利用率是很高的。所以防風墻與空氣冷凝器的利用率直接相關(guān)。根據(jù)結(jié)果分析，安裝在垂直防風墻上的“A”類支撐設(shè)備的形狀系數(shù)比彎曲防風墻的形狀系數(shù)稍微大一些，最明顯的不同是90度風方向角。因此垂直防風墻比較合理。 4總結(jié) 在大的火力發(fā)電廠作用在空氣冷凝器上的表面風載荷是被模擬的。得出以下結(jié) （1）我們能夠得到安裝在垂直防風墻，彎曲其高度三分之一防

29、風墻，彎曲其高度一半防風墻和在0,45,90風方向角下的“A”類支撐設(shè)備的形狀系數(shù)。彎曲其高度三分之一和彎曲其高度一半防風墻的形狀系數(shù)比垂直防風墻的形狀系數(shù)稍微小一些。 （2）“A”類支撐設(shè)備在0風方向角下的風壓分布是非常合理的。在45風方向角下靠近風一側(cè)的負壓是很大的，遠離風一側(cè)的負壓呈逐漸下降趨勢。在90風方向角下靠近風一側(cè)的負壓式很大的，遠離風一側(cè)的負壓呈逐漸下降趨勢。 （3）考慮到結(jié)構(gòu)的需要，彎曲其高度三分之一的防風墻比彎曲其高度一半防風墻和垂直防風墻更加合理?？紤]到藝術(shù)和工藝需要，垂直防風墻更加合理。 （4）考慮到結(jié)構(gòu)性能，需要優(yōu)先考慮空氣冷卻藝術(shù)和工藝需要。應(yīng)該采用垂直防風墻

30、以提高冷凝空氣的系數(shù)利用率。 二、傳熱工藝計算 2.1 原始數(shù)據(jù) 管程水的進口溫度t1’=21℃ 管程水的出口溫度t1”=93℃ 管程水的工作壓力P1 =1.1MPa 管程水的流量G1=195000 Kg / h 殼程水蒸汽的入口溫度t2’ =170.4℃ 殼程水蒸汽的出口溫度t2” =96℃ 殼程水蒸汽的工作壓力P2 =0.8 MPa 2.2 定性溫度及確定其物性參數(shù) ①管程： 管程水定性溫度 t1===57℃ 管程水密度查物性表得ρ1=984.67Kg/m3 管程水比熱查物性表得CP1 =4.1775KJ /(Kg℃) 管程水導熱系數(shù)查物性表得λ1=0.644

31、1w /(m℃) 管程水粘度μ1=4.937510-4 Pas 管程水普朗特數(shù)查物性表得Pr1=3.848 ②殼程： 殼程水蒸汽定性溫度： 殼程水蒸汽冷凝點: ti=t2’=170.4℃ 冷卻段：t2=℃ 冷凝段： ℃ 殼程水蒸汽密度查物性表得： 冷卻段:ρ2=932.016Kg/m3 冷凝段: =4.154 Kg/m3 殼程水蒸汽比熱查物性表得： 冷卻段:Cp2=4.273KJ /(Kg℃) 冷凝段: =2.588 KJ /(Kg℃) 殼程水蒸汽導熱系數(shù)查物性表得： 冷卻段:λ2=0.6857w/(m℃) 冷凝段：=0.03134w /(m℃) 殼程水蒸汽粘

32、度： 冷卻段:μ2= 212.45610-6Pas 冷凝段：= 14.725710-6 Pas 殼程水蒸汽普朗特數(shù)查物性表得： 冷卻段:Pr2 =1.328 冷凝段: =1.2106 2.3 傳熱量與水蒸汽流量計算 取定換熱效率η=0.98 則設(shè)計傳熱量: Q0=G1Cp1（t1”－t1’）1000／3600 =1950004.1775（93-21）1000/3600 =1.629107W 由Q0=G2［r+Cp2（t2’－t2”）］η導出水蒸汽流量G2，r為t2’時的汽化潛熱r=2052.612KJ/Kg 水蒸汽流量： G2==7.012㎏／s 冷卻段傳熱量

33、: Q2=G2Cp2(ti-t2”) =7.0124.273103(170.4-96) =2229193.3W 冷凝段傳熱量: =G2r=7.0122052.612103=14392915.34W 設(shè)冷凝段和冷卻段分界處的溫度為t3 根據(jù)熱量衡算： ==83.33℃ 2.4 有效平均溫差計算 逆流冷卻段平均溫差: 逆流冷凝段平均溫差: 由于是單殼程，單管程換熱器不用溫差校正系數(shù) 故冷卻段： 有效平均溫差：℃ 冷凝段： 有效平均溫差：114.4℃ 2.5 管程換熱系數(shù)計算 初選冷卻段傳熱系數(shù): = 900w／（mk） 初選冷凝段傳熱系數(shù): 則

34、初選冷卻段傳熱面積為: m2 初選冷凝段傳熱面積為: 選用252.5的無縫鋼管做換熱管 則: 管子外徑d0 =25 mm 管子內(nèi)徑di=20 mm 管子長度L=4500 ㎜ 則需要換熱管根數(shù): 根 可取換熱管根數(shù)為478 根 管程流通面積:a1=Nt = 管程流速:w1= 管程雷諾數(shù): 管程冷卻段的定性溫度: ℃ 管程冷卻段傳熱系數(shù): 管程冷凝段的定性溫度: ℃ 管程冷凝段傳熱系數(shù): 2.6 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計 查GB151-1999 知管間距按1.25 d0取 管間距:s=0.032 m 管束中心排管數(shù): 根，取24根 則殼體內(nèi)徑:

35、 m 圓整為: Di =900 ㎜ 則長徑比: (合理) 折流板選擇弓形折流板: 弓形折流板的弓高: h=0.2Di =0.20.9=0.18 m 折流板間距: m 取B=300mm 折流板數(shù)量: 塊 取14塊= 2.7 殼程換熱系數(shù)計算 殼程流通面積: 殼程流速: 冷卻段: m/s 冷凝段: m/s 殼程當量直徑: m ① 冷凝段管外壁溫度假定值: ℃ 膜溫: ℃ 膜溫下液膜的粘度: = m 膜溫下液膜的密度: 膜溫下液膜的導熱系數(shù)為: 正三角形排列 冷凝負荷: 殼程冷凝段雷諾數(shù): 殼程冷凝段傳熱系數(shù): ② 冷卻段管外壁溫假定值:

36、 tw2=96℃ 冷卻段雷諾數(shù): 壁溫下水粘度: 粘度修正系數(shù): 殼程傳熱因子查圖2-12得: Js=110= 冷卻段殼程換熱系數(shù): 2.8 總傳熱系數(shù)計算 查GB-1999 第138 頁可知 水蒸汽的側(cè)污垢熱阻: ﹙m2℃／w﹚ 管程水選用地下水，污垢熱阻為: (m2℃/w) 由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻可以忽略不計 冷卻段總傳熱系數(shù): 傳熱面積比為: (合理) 冷凝段總傳熱系數(shù): 傳熱面積比為: （合理） 2.9 管壁溫度計算 設(shè)定冷凝段的長度: L"=3.4555米= 冷卻段的長度: = 冷卻段管外壁熱流密度計算:

37、 w／﹙m2﹒℃﹚ 冷卻段管外壁溫度： ℃ 誤差校核: ℃誤差不大 冷凝段管外壁熱流密度計算: w∕（m2℃） 冷凝段管外壁溫度: ℃ 誤差校核: ℃誤差不大 2.10 管程壓力降計算 管程水的流速: m∕s 管程雷諾準數(shù)： 管程摩擦系數(shù): 壓降結(jié)垢校正系數(shù): 沿程壓降: 管程數(shù): 管程回彎次數(shù): n=0 回彎壓降: 取管程出入口接管內(nèi)徑: 管程出入口流速: 局部壓降: 管程總壓降: 管程允許壓降: 符合壓降要求。 2.11 殼程壓力降計算 殼程當量直徑: 殼程流通面積: m2

38、 殼程流速: 冷卻段: 冷凝段: 殼程雷諾數(shù): 殼程冷卻段雷諾數(shù): 殼程冷凝段雷諾數(shù): 查表殼程摩擦系數(shù): 冷卻段: 冷凝段: 殼程粘度修正系數(shù): 冷卻段: 冷凝段: 管束周邊壓降: 冷卻段管束周邊壓降: 冷凝段管束周邊壓降: 導流板壓降: （無導流板） 查表取殼程壓降結(jié)垢系數(shù): 冷卻段: 冷凝段: 取殼程進口接管內(nèi)徑: 殼程出口接管內(nèi)徑: 殼程出口流速: 殼程進口流速: 局部壓降: 冷卻段: 冷凝段: 冷卻段殼程總壓降: 冷凝段殼程總壓降: 殼程允許壓降: 壓降符合要求

39、 壓降符合要求 三、固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算（管程設(shè)計溫度:100℃ 殼程設(shè)溫度:200℃） 3.1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 換熱管材料 #20 2 換熱管規(guī)格 3 傳熱面積 168.98 4 換熱管根數(shù) 根 478 5 拉桿直徑 GB151—1999《管殼式換熱器》表43 16 6

40、 拉桿數(shù)量 根 GB151—1999《管殼式換熱器》表44 6 3.2 布管方式的選擇 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 正三角形 GB151—1999圖11 2 換熱管中心距 GB151—1999表12 32 3 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 GB151—199表12 44 3.3 筒體內(nèi)徑的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 換熱管中心距 GB151—1999表12 32 2 換熱管根數(shù) 根 478 3 管束中心排管根數(shù)

41、 根 24 4 換熱管外徑 25 5 到殼體內(nèi)壁最短距離 8 6 筒體內(nèi)徑 836 7 實取筒體公稱直徑 TEMA標準R—3.13 900 8 布管限定圓直徑 884 3.4 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 0.88 2 筒體內(nèi)徑 見3.3—7 900 3 筒體材料 Q245R 4 設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力 GB150—1998表4—1 鋼板許用應(yīng)力 123 5

42、 焊接接頭系數(shù) 《換熱器設(shè)計手冊》 0.85 6 筒體計算厚度 3.41 7 腐蝕裕量 2 8 負偏差 0 9 設(shè)計厚度 5.41 10 名義厚度 GB151—1999項目5.3.2表8 8 11 有效厚度 6 12 設(shè)計厚度下筒體 66.44 13 校核 14 設(shè)計溫度下筒體的最大許用工作壓力 1.54 3.5 筒體水壓試驗 序號 項目 符號 單位 根據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 實驗壓力

43、 室溫下材料的許用應(yīng)力 1.32 2 圓筒薄膜應(yīng)力 141.2 3 校核 3.6 封頭厚度的確定 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 900 2 計算壓力 1.21 3 焊接接頭系數(shù) 0.85 4 封頭材料 Q345 5 設(shè)計溫度下許用應(yīng)力 GB151—1999項目5.3.2表4—1 170 6 標準橢圓封頭計算厚度 6.78 7 腐蝕裕量 2 8 負偏差 0 9

44、 設(shè)計厚度 8.78 10 名義厚度 GB151—1999項目5.3.2 9 11 實取名義厚度 10 12 有效厚度 8 13 曲面高度 250 14 直邊高度 25 15 內(nèi)表面積 0.9487 16 容積 0.1113 17 質(zhì)量 74.1 3.7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 1.21 2 管箱內(nèi)徑 900 3 管箱材料

45、 4 設(shè)計溫度下許用應(yīng)力 168 5 焊接接頭系數(shù) 0.85 6 管箱計算厚度 6.83 7 腐蝕裕量 2 8 負偏差 0 9 設(shè)計厚度 8.82 10 名義厚度 GB151—1999項目5.3.2 9 11 實取名義厚度 10 12 有效厚度 8 13 設(shè)計溫度下圓筒應(yīng)力 109.5 14 校核 合格 15 設(shè)計溫度下圓筒的最大許用工作壓力 1.58 3.8管箱水壓試驗 序

46、號 項目 符號 單位 根據(jù)來源及計算公式 數(shù)值 1 實驗壓力 室溫下材料的許用應(yīng)力 1.86 2 圓筒薄膜應(yīng)力 181 3 校核 3.9管箱法蘭的選擇 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 帶頸對焊法蘭《壓力容器法蘭》 PN=2.5MPa 2 法蘭外徑 JB/T4703-2000 1095 3 螺栓中心圓直徑 JB/T4703-2000 1040 4 法蘭公稱直徑 JB/T4703-2000 900 5 法蘭材料

47、 16Mn 6 墊片類型 JB/T4704-2000 PN=2.5MPa 7 墊片材料 石棉橡膠板片 GB/T3985-1995 8 墊片公稱直徑 JB/T4704-2000 900 9 墊片外徑 JB/T4704-2000 987 10 墊片內(nèi)徑 JB/T4704-2000 937 11 法蘭厚度 JB/T4704-2000 60 12 墊片厚度 JB/T4704-2000 3 13 螺栓規(guī)格及數(shù)量 M27236 3.10管板尺寸的確定及強度計

48、算 本設(shè)計為管板延長部分兼作法蘭的形式，即GB151—1999項目5.7中，圖18所示e型連接方式的管板，材料為20MnMo的鍛件。 A． 確定殼程圓筒、管箱圓筒、管箱法蘭、換熱管等元件結(jié)構(gòu)尺寸及管板的布管方式；以上的項目確定見項目一至九。 B． 計算； 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備 1 筒體內(nèi)徑 900 2 筒體內(nèi)徑橫截面積 636173 3 筒體厚度 8 4 筒體內(nèi)殼壁金屬截面積 22808.96 5 換熱器壁厚 2.5 6 換熱

49、器根數(shù) 478 7 換熱管外徑 25 8 管子金屬總截面積 84426.75 9 換熱管材料的彈性模量 GB150—1998表F5 186000 10 沿一側(cè)的排管數(shù) 25 11 換熱管中心距 GB151—1999 32 12 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 GB151—1999 44 13 布管區(qū)內(nèi)未能被管支撐的面積 13030.4 14 管板布管區(qū)面積 436913.2 15 管板布管區(qū)當量直徑

50、 745.85 16 管板布管內(nèi)開孔后的面積 636172.8 17 系數(shù) 0.99 18 殼程圓筒材料的彈性模量 GB150—1998表F5 186000 19 殼體不帶膨脹節(jié)時換熱管束與圓筒剛度比 3.7 20 系數(shù) 0.133 21 系數(shù) 3.25 22 系數(shù) 4.8 23 管板布管區(qū)當量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑比 0.8287 24 管子受壓失穩(wěn)當量長度 GB151—1999圖32 600 25

51、 設(shè)計溫度下管子受屈服強度 GB150—1998表F2 196 26 管子回轉(zhuǎn)半徑 8.004 27 系數(shù) 136.8 28 管子穩(wěn)定許用應(yīng)力 71.14 29 校核 合格 C．對于延長部分兼作法蘭的管板，計算Mm和Mp 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備 1 墊片接觸寬度 GB150—1998表9—1 25 2 墊片基本密度寬度 12.5 3 墊片比壓力 GB150—1998表9—2 11 4

52、 墊片系數(shù) 2 5 墊片有效密度寬度 9 6 墊片壓緊力作用中心圓直徑 922 7 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 286612.92 8 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 933561.97 9 常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力 GB150—1998表F4選用材料為40MnB 635 10 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 451.36 11 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 1470.18 12 需要螺栓總截面積 1470

53、.18 13 法蘭螺栓的中心圓直徑 1140 14 法蘭中心至作用處的徑向距離 109 15 預(yù)緊狀態(tài)的法蘭力矩 N 16 筒體厚度 8 17 法蘭頸部大端有效厚度 14 18 螺栓中心至法蘭頸部與法蘭背面交的徑向距離 106 19 螺栓中心距作用處的徑向距離 120 20 螺栓中心處至作用位置處的徑向距離 114.5 21 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力 22 流體壓力引起的

54、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差 23 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓力 24 法蘭操作力矩 N D．假如管板的計算厚度為，然后按結(jié)構(gòu)要求確定殼體法蘭厚度，計算K，k， 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備 1 假定管板計算厚度 50 2 殼體法蘭厚度 50 3 管板材料彈性模量 GB150—1998表F5 186000 4 換熱管材料的彈性模量 GB150—1998表F5 186000 5

55、 管板剛度削弱系數(shù) GB151—1999 0.4 6 換熱管有效厚度 4388 7 管板強度削弱強度 GB151—1999 0.4 8 管子金屬總截面積 84426.75 9 換熱管加強系數(shù) 5.35 10 管板布管區(qū)的當量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比 0.8287 11 管板周邊布管區(qū)的無剛量參數(shù) 0.916 12 管束模量 6024.9 13 殼體法蘭材料彈性模量 GB150—1998表F5 186000

56、14 殼體圓筒材料彈性模量 GB150—1998表F5 186000 15 殼體法蘭寬度 90 16 系數(shù) GB151—1999圖26 0.00022 17 殼體法蘭與圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 7.2758 18 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) E.由GB151-1999 P51 圖27 按照K 和查m1，并計算值，由圖29 按照K 和查G2值 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 0.12 2 系數(shù)

57、 23.66 3 系數(shù) G2 GB151—1999圖29 3.73 F、計算M1，由GB151-1999 圖30 按照K 和Q 查G3，計算x 。 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 1 管箱法蘭的彈性模量 GB150—1998表F5 196000 2 管箱圓筒材料的彈性模量 GB150—1998表F5 196000 3 管箱法蘭厚度 JB/T4702-2000 68 4 系數(shù) GB151-1999圖26 0.0033 5 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 64.

58、15 6 換熱管束與圓筒剛度比 3.7 7 系數(shù) GB151-1999圖30 0.00612 8 法蘭力矩折減系數(shù) 0.134 9 管板邊緣力矩的變化系數(shù) 4.04 10 法蘭力矩變化系數(shù) 0.458 11 管板第二彎矩系數(shù) GB151-1999圖28(a) 2.85 G、按課程設(shè)計壓力 Ps ，而管程設(shè)計壓力 =Pt=0，膨脹變形差g ，法蘭力矩的危險組合（GB151-1999 項目5.7.3.2 分別討論） a、只有殼程設(shè)計壓力Ps= Pc=0.88 MPa ，而管程設(shè)計壓力P

59、t=0，不計膨脹節(jié)變形差（=0）。 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備注 1 有效壓力組合 2.86 2 基本法蘭力矩系數(shù) 0.0629 3 系數(shù) 0.00151 4 管板邊緣力矩系數(shù) 0.069 5 管板邊緣剪切系數(shù) 1.633 6 管板總彎矩系數(shù) 1.813 7 系數(shù) 0.41 8 系數(shù) 1.09 9 系數(shù) 1.09 10 管板徑向應(yīng)力系數(shù) 0.

60、097 11 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力系數(shù) 0.09 12 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù) 0.0886 13 殼體法蘭力矩系數(shù) 14 管板的徑向應(yīng)力 222.46 15 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力 89.52 16 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力 11.29 17 法蘭的外徑與內(nèi)徑之比 1.2 18 系數(shù) GB150—1998表9—5 11 19 殼體法蘭應(yīng)力 6

61、1.32 20 殼體法蘭應(yīng)力 13.31 21 殼程圓筒的軸向應(yīng) 力 8.61 22 一根換熱管管壁金 屬的橫截面積 176.625 23 換熱管與管板連接 的拉托應(yīng)力 6.65 b、只有殼程設(shè)計壓力Ps= Pc=0.88 MPa，而管程設(shè)計壓力Pt=0，并且計入膨脹變 形差。 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備注 1 殼程圓筒材料線膨脹系數(shù) 1/℃ GB150—1998 2 換熱管材料線膨脹 系數(shù) 1/℃ GB

62、150—1998 3 沿長度平 均的換熱 管金屬溫 度 ℃ GB151—1999附錄F 132.7 4 沿長度平 均的換熱 管金屬溫 度 ℃ GB151—1999附錄F 97.18 5 制造環(huán)境 溫度 ℃ 20 6 換熱管與 殼程圓筒 的膨脹變 化差 7 有效壓力 組合 -8.61 8 基本法蘭 力矩系數(shù) -0.021 9 管板邊緣 力矩系數(shù) 0.04 10 管板邊緣 剪切系數(shù) 0.9464

63、 11 管板總彎 矩系數(shù) 1.447 12 系數(shù) 0.885 13 管板徑向 應(yīng)力系數(shù) 0.058 14 管板布管 區(qū)周邊外 徑向的應(yīng) 力系數(shù) 0.053 15 管板布管 區(qū)周邊剪 切應(yīng)力系 數(shù) 0.0655 16 殼體法蘭 力矩系數(shù) 17 管板的徑 向應(yīng)力 -400.45 18 管板布管 區(qū)周邊外 徑向的應(yīng) 力 -584.8 19 管板布管 區(qū)周邊剪 切應(yīng)力

64、 -25.124 20 殼體法蘭應(yīng)力 83.75 21 換熱管的 軸向應(yīng)力 86.1 22 殼程圓筒的軸向應(yīng) 力 6.365 23 換熱管與 管板連接的拉托應(yīng) 力 43.05 c、只有管程設(shè)計壓力 ， 而殼程設(shè)計壓力Ps=0 ，不計膨脹節(jié)變形差(=0)時： 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備注 1 有效壓力組合 -9.12 2 操作狀態(tài)的法蘭力 矩系數(shù) -0.0214 3 系數(shù)

65、 0.00673 4 管板邊緣力矩系數(shù) -0.0214 5 管板邊緣剪切系數(shù) -0.5063 6 管板總彎矩系數(shù) -2.68 7 系數(shù) -0.601 8 系數(shù) 1.576 9 系數(shù) 1.576 10 管板徑向應(yīng)力系數(shù) 0.0262 11 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力系數(shù) -0.025 12 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù) 0.0166 13 管程壓力作用下殼體法蘭力矩系數(shù)

66、 14 管板的徑向應(yīng)力 -191.61 15 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力 183.53 16 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力 -6.74 17 法蘭的外徑與內(nèi)徑之比 1.2 18 系數(shù) GB150—1998表9—5 11 19 殼體法蘭應(yīng)力 242.62 20 換熱管的軸向應(yīng)力 31.105 21 殼程圓筒的軸向應(yīng)力 0 22 一根換熱管管壁金屬的橫截面積 176.625 23 換熱管與管板連接的拉托應(yīng)力 15.55 =61.5MPa d、只有管程設(shè)計壓力 ， 而殼程設(shè)計壓力Ps=0 ，同時計入膨脹節(jié)變形差(≠0)時： 序號 項目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計算公式 數(shù)值 備注 1