换热器设计说明书.pdf

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1、目 录 一 设计任务书.2 二 热力学计算.2 1 原始数据.2 2 润滑油的物性参数.3 3 传热量.3 4 冷却水物性参数.4 5 平均温差.5 6 估算传热面积及传热面结构.5 7 管程计算.8 8 壳程结构及壳程计算.9 9 需用传热面积.14 10 阻力计算.15 三 温差应力校核.17 一 温差应力.17 二 热交换器所受应力.20 三 拉脱力.21 四 细部结构的设计.23 1 接管.23 2 折流板.24 3 法兰.24 4 管法兰.24 5 管箱.24 6 壳体与管板的连接结构.24 7 拉杆与管板、拉杆与折流板的连接结构.25 8 换热管与管板的连接结构.25 9 管箱与管

2、板的密封结构.25 10 支座.25 11 膨胀节.25 五 结束语.25 六 参考文献.25 一 设计任务书 设计题目：管壳式油冷却器 设计任务：润滑油处理量：16Kg/s 润滑油入口温度：90 润滑油出口温度：45 冷却水流量：40Kg/s 冷却水入口温度：28 冷却水工作压力：P=0.1 Mpa（表压）允许最大压力降：油侧 0.08 Mpa 水侧 0.06 Mpa 设计内容：热力计算，阻力计算以及应力计算校核。图纸要求：（1）装配图一张；（2）管板零件图一张 二 热力学计算 根据已知条件，选用两台型管壳式热交换器串联工作，并选用 11号润滑油，由于水的结垢性强，故使其在管程流动；而润滑油

3、较洁净，使其在壳程流动，计算过程和结果列于下表中。1 原始数据 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 1 润滑油进口温度 1t C 由题意 90 2 润滑油出口温度 1t C 由题意 45 3 冷却水进口温度 2t C 由题意 28 4 润滑油工作表压力 1p Mpa 按资料选取 0.6 5 冷却水工作表压力 2p Mpa 由题意 0.1 6 润滑油流量 1M skg/由题意 16 7 冷却水流量 2M skg/由题意 40 8 油侧允许最大压降 Mpa 由题意 0.08 9 水侧允许最大压降 Mpa 由题意=+37 19 冷却水定性温度 2mt C 22()/2tt+32.5 2

4、0 冷却水的比热 2pC/()KJkg C 查物性表 4.174 21 冷却水的密度 2 3/mkg 查物性表 1000 22 冷却水的粘度 2()/kgm s 查物性表 222=47.68510-23 冷却水的导热系数 2/()Wm C 查物性表 0.601 24 冷却水的普兰德数 2rP 2222prcP=5.34 5 平均温差 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 25 逆流时的平均温差 1,m ct C maxmin1,maxminln(9037)(4528)9037ln4528m cttttt-=-=-31.66 26 参数 P及 R P R 2212ttPtt-=-11

5、22ttRtt-=-0.145 5 27 温差修正系数 由表型公式计算(课本中表 1.1)0.924 28 有效平均温差 mt C 1,0.92431.66m ct=29.25 6 估算传热面积及传热面结构 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 29 初选传热系数 0K 2/()WmC 查参考资料 300 以外径为准 30 估算传热面积 0F 2m 0031478.61030029.25mQFKt=168.5 31 管子材料 选用 20#碳钢无缝钢管（查压力容器材料实用手册化学工业出版社）252.5 32 管程内水的流速 2 sm/选用 1 33 管程所需流通截面 tA 2m 22

6、24010001tMA=0.04 34 每程管数 n 根 2440.043.140.02tiAnd=127 35 每程管长 l m 004.25tFlnZd=取标准长 4.5 36 管子排列方式 选 等边三角形 37 管间距 s mm 由课本表 2.3 32 38 分层隔板槽处管间距 El mm 由课本表 2.3 44 39 平行于流向的管距 ps mm 030cosssp 27.7 40 垂直于流向的管距 ns mm 030sinssp 16 41 拉杆直径 mm 由课本表 2.6，估计壳体直径在 400700mm 之间(1)2588.96sDbsb=-+=16 42 作草图 43 作图结果

7、所得数据 六边形层数 a 一台管子数 tn 根 2127 254 一台拉杆数 根 由课本表 2.7 6 一台传热面积 2m 2540.025 4.5tndl=89.7255 两台传热面积 0F 2m 289.7255 179.451 管束中心至最外层管中心距离 m 由草图，量得或算出 0.288 44 管束外缘直径 lD m 2 0.2882 0.0125+0.601 45 壳体内径 sD m 32slDDb=+0.7 46 长径比 sDl/6.43 合理参见2 书 7 管程计算 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 47 管程接管直径 2D mm 221.13401.131000

8、1MD=按钢管标准取值（GB8163-87）2456 48 管程雷诺数 2Re 222411000 0.027.685 10id-=26025 49 管程换热系数 2 2/()WmC 4.028.0222PrRe023.0id 4600.5 8 壳程结构及壳程计算 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 50 折流板形式 选定 弓形 51 折流板缺口高度 h m 取sDh25.0=0.175 52 折流板的圆心角 度 120 53 折流板间距 nl m sD)2.01.0(0.3 54 折流板数目 bN 块 4500/300-1 14 55 折流板上管孔数 个 215 56 折流板上

9、管孔直径 Hd m 由 GB151-89 0.0254 57 通过折流板上管子数 根 215-6 209 58 折流板缺口处管数 根 31 59 折流板直径 bD m 由 GB151-89 规定 0.6955 60 折流板缺口面积 wgA 2m 212(1)sin 422DhsAwgDs=-0.075 61 错流区内管数占总管束的百分数 cF 122()sin2arccos()2arccos2()DhsFcDlDhsDlDhsDl-=+-0.697 62 缺口处管子所占面积 wtA 2m 2(1)820.025260(10.6978)dAnFwttc=-=-0.0193 63 流体在缺口处流通

10、面积 bA 2m 0.0750.0193bwgwtAAA=-=-0.0557 64 流体在两折流板间错流流通截面积 cA 2m 0()0DdlAlDDs dcssls-=-+-0.0675 65 壳程流通截面积 sA 2m 0.0557 0.0675sbcAA A=0.0614 66 壳程接管直径 1D mm 按210.02844D=计算 按 GB8163-87 取 1946 参见2 书 67 错流区管排数 cN 排 10 68 每一缺口内的有效错流管排数 cwN 排 0.80.1750.80.0277cwphNs=5.2 69 旁流通道数 EN 0 70 旁通挡板数 ssN 对 选取 3 7

11、1 错流面积中旁流面积所占分数 bpF 1/20.70.6010 0.3/0.0675FDDN llAbpsLE Esc=-+=-+0.44 72 一块折流板上管子和管孔之间泄漏面积 tbA 2m 1()(1)00 210.025 0.0004(10.697)2542AdddFntbHct=-+=+0.0068 73 折流板外缘与壳体内壁之间泄漏面积 sbA 2m()2arcsin(1)20.7(0.7 0.6955)22 0.175arcsin(1)0.7DDDhssbAsbDs-=-=-0.00315 74 壳程雷诺数 1Re 1011sM dReA=252 75 理想管束传热因子 Hj

12、由课本图 2.28 0.048 76 折流板缺口校正因子 cj 由课本图 2.29 1.06 77 折流板泄漏校正因子 1j 由0.1474sbtbcAAA+=及 0.32sbsbtbAAA=+查课本图 2.30 0.83 78 旁通校正因子 bj 由cssNN及bpF查课本图 2.31 0.94 79 壳程传热因子 oj 1oscbjj j j j=0.0397 80 壳程质量流速 sG 2()kgms 1ssMGA=261 81 壳侧壁面温度 wt oC 假定 43 82 壁面下煤油粘度 1w/()kgm s 查物性表 670928 10-83 壳侧换热系数 1 2()WomC 2/30.

13、141030.0397 261 2.1 100.019 0.87Pr(/)spwj G c-=362.4 9 需用传热面积 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 84 水垢热阻 2,sr 2()mCW 查资料换热器运行导论 0.0002 85 润滑油污垢热阻 1,sr 2()mCW 查资料换热器运行导论 0.0002 86 管壁热阻 略 87 传热系数 K 2()WmC 111,1,212ddKrrssda dii-=+287.24 88 传热面积 F 2m mtKQF=175.7 89 传热面积之比/FF /179.451/175.7FF=1.05 偏小 90 检验壳侧壁温 1w

14、t C 11,11()wmsmttKrt=-+与原假定值差0.36度 10 阻力计算 项目 符号 单位 计算公式或数据来源 数值 备注 91 管内摩擦因子 if 查课本图 2.35 0.0073 92 管侧壁温 2wt C 假定 43 93 壁温下水的粘度 2w()kgm s 查物性表 6622.41 10-94 沿程阻力 iP Pa 20.1424(/)2tiiwiwLPfd-=12758 两台 95 回弯阻力 rP Pa ttrZwP242=8000 两台 96 进出口连接管阻力 NP Pa 25.12tNwP=750 97 两台管程总阻力 tP Pa 127588000750tirNPP

15、PP=+=+21508 没有超过规定 98 理想管束磨擦系数 kf 查课本图 2.36 0.65 99 理想管束错流段阻力 bkP Pa 20.142214(/)2scbkkwcM NPfA-=973 100 理想管束缺口处阻力 wkP Pa)6.02(212ewcbswkNAAMP+=201.27 101 旁路校正系数 bR 查课本图 2.38 0.76 102 折流板泄漏校正系数 1R 查课本图 2.37 0.55 103 折流板间距不等的校正系数 sR 间距相等，不需校正 1 104 壳程总阻力 sP Pa(1)1PNPRNPRsbbk bbwk=-+2(1)NewPRRbk bsNc+

16、9085.1 105 两台的壳程总阻力 sP Pa 229085.1sP =18170.2 没有超过规定 三 温差应力校核 在计算固定管板式热交换器的温差应力时，通常假定：(1)管子与管板都没有发生挠曲变形，因而每根管子所受应力相同；(2)以管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为每个壁面的计算温度；一 温差应力 1 壳体壁温度st取油的平均温度 9 04 56 7.52ostC+=管子壁温1wt和2wt的平均值：124324322owwwtttC+=2 管子选用#20碳素钢 弹性模量1101.76 10(200)taEpC 线胀系数 61012.1210(20200)tkC*查压力容器材料实用手册

17、化学工业出版社 3 壳体选用 20g 钢 弹性模量51101.97101.9710(200)SaEMPapC 线胀系数61012.8410(20200)skC*查压力容器材料实用手册化学工业出版社 4 管子自由伸长量()0ttltt wda=-12.12610（43-20）4.51254.42610m 壳体自由伸长量 0()ssstt l=12.84610(67.5-20)4.5=2744.55610m 式中 L-管子和壳体的长度，m;ot-安装时的温度 取20ootC=5 壳体壁厚取为 8mm 管子为252.5f规格，故管壁厚为 2.5mm 则所有管子的断面积为：22220()3.14(0.

18、0250.02)*25444ittddfn0.0442m 壳体断面积为：220()3.14(0.7080.7)44StDDf=0.0092m 6 设2F为管子所受的压缩力与壳体所受的拉伸力，N.由于管子与壳体不能独立自由伸长，而只能共同伸长，因而当ts时，管子所受到压缩，被压缩之长为（t）。而壳体受到拉伸，被拉伸之长为（s）。应用胡克定律，可分别求出管子所受的压缩力和壳体所受的拉伸力，显然，这两个力应相等，即 t2ttF LE f m ;s=2SsF LE f m;将以上两式合并，整理得：00260.61111()()1112.12 10(4320)12.8 10(67.520)111.76

19、100.0441.97 100.009twssttSsttttFE fE faa-=+创-创-=+创创 54.78 10 N-?“”代表管子受拉。壳体受压。7 管壁所受拉应力大小为：5524.7 81 01 0 8.6 41 00.0 4 4ttFPafs=?壳壁所受压应力大小为：5524.7 81 05 3 1.1 11 00.0 0 9ssFPaf 8 则温差产生的轴向应力为：()()()()0011110.60.611111.76 101.97 1012.12 10432012.8 1067.5201.97 100.0091.76 100.044ttstwsstsSstttf E Ett

20、ttE fE ffaas-轾-臌=+轾创创?-创-犏臌=?创+创5530.810 Pa-?（压应力），()()00ststwssttssttf E EttttE fE faas轾-臌=+550.0091206410108.5810 Pa=-创=-?(拉应力)二 热交换器所受应力 1 设壳侧压力为：50.66 10saPMPPa=?管侧压力由已知条件为：tP0.1mpa=510Pa*注:壳侧压力sP的取用:参见压力容器的安全与强度计算 天津科学技术出版社 杨海涛著 P121.规定最高压力wp=12/kgfcm (12/kgfcm=98066.5Pa0.1MPa)当容积 V25 升时，22001/

21、wP vkgfcm V=24SD L=40.700.740.5=1.731320.1156/wmpkgfcm 要求设计压力不小于容器wp的 1.051.10倍 则 0.1156（1.051.10）0.121380.127162/kgfcm 取sP0.6MPa 2 由于壳程流体压力作用于管板的净表面上，管程压力作用于两端封头和包括管截面在内的管板上，故其值为：2221052252()446 10(0.72540.025)100.0225444SitiFP Dndp d npppp=-+=创?创?1.6398510 0d，id-管子内外径，m n-管子根数 3 该轴向力由壳体和管子共同承受，因而壳

22、体所受之力与管束所受之力的合应力等于1F；又由于壳体与管子的应力分配与弹性模量成正比，故 壳体应力 5115111111.6398 1.97 101033.94100.0091.97 100.0441.76 10pssasSttFEpf Ef E 管子应力 5115111111.6398 1.76 101030.33 100.0091.97 100.0441.76 10pttasSttFEpf Ef E 4 由前面的计算知ts，即壳体膨胀量大于管子膨胀量 那么：结合温度应力ts和tt，则壳体轴向合成应力：sps-tss33.94510-530.8510-496.86510ap（受压）管子轴向合

23、成应力：tpt+tt30.33510+108.58510138.33510ap（受拉）三 拉脱力 一般压力低于 4MPa和温度低于 3000C的条件下，管子在管板上的固定可采用胀管法。胀管法通常能保证连接的严密性，同时也易于更换损坏的管子。在压力与温差的联合作用下，管子中所产生的应力为t，则管子拉脱力 q 为 0,taaqpd l t管子合成应力，ap；a单根换热管管壁的横截面积，2m*查压力容器手册劳动人事出版社357p 02()3.14(0.0250.0025)0.00250.000177ttadS Sm tS换热管壁厚 l胀接深度或焊接高度，m*查压力容器手册劳动人事出版社351p 33

24、83350.035lBmmm=-=-=B管板厚度，取 B38mm 55138.33 100.0001778.9 103.140.0250.035aqp创=?创 当设计压力0.6aMP时，管板孔内径可不开槽。若计算出的拉力超出允许范围，则需采用相应措施以减少拉脱力，如加装膨胀节。*查压力容器手册劳动人士出版社135p 当采用胀接法时，管端不卷边，管板孔不开槽胀接，取许用拉脱力q0.2aMP。则由计算知 q=8.9510q。说明从拉脱力这方面而言应加装膨胀节。四，热补偿措施。本设计中采用膨胀节来进行热补偿。膨胀节的作用主要是补偿轴间位移，他的特点是受轴向力厚容易变形，从而降低壳体和管子的温差应力，

25、对于一台受内压力的热交换器，如果下列三个条件有一个不满足，就应设膨胀节，即：ssttptssptttqqdddd jdddd=保=保 式中,st 壳体，管子的轴向总应力，ap；,stdd壳体，管子材料的许用应力，ap；j焊接系数；q许用拉脱力，ap；*查压力容积手册劳动人事出版社，6410pp及 20g 钢S=235aMP/2=117.5aMP;20#钢S=245aMP/2=122.5aMP;焊缝系数的选取*查压力容积手册劳动人事出版社，P12 取0.70（单面焊对接焊缝，无垫板）则 5656496.86 10117.5 100.70138.33 10122.5 10saataapppp 综上

26、：本设计中需加膨胀节。四 细部结构的设计 1 接管 管程接管2456 壳程接管1946 根据 GB151-1999管壳式换热器的规定，接管高度均为 200mm；管程接管位置 L1 取 200mm；管箱接管位置 L2 取 280mm 2 折流板 采用弓形折流板，间距 30mm，内径 695.5mm，折流板角度 120 度 折流板的厚度 4mm，折流板数量 14 个 折流板的布置（无防冲板时2iBd=）21()(4)2194(200)(384)2263BlLbmm=+-=+-=3 法兰 采用 B-700-16 GB9115.17-88 型法兰 4 管法兰 根据 GB151-1999管壳式换热器的规

27、定，采用与 B-700-16 GB9115.17-88型法兰配套的A-700-16 GB9115.17-88型管法兰，厚度 38mm 5 管箱 内径 700mm，长度 4500mm 6 壳体与管板的连接结构 采用焊接 7 拉杆与管板、拉杆与折流板的连接结构 采用拉杆定距管结构 8换热管与管板的连接结构 采用胀接 9 管箱与管板的密封结构 采用焊接 10支座 据 JB1167-81 取用 A 型带加强垫板鞍式支座 11 膨胀节 选用 ZD 型波形膨胀节 五 结束语 换热器课程设计结束了，在这两周里我确实感到学到了很多东西，对热能专业也有了更深的了解，感谢沈老师，邱老师，张老师在这两个星期中的悉心指导。六 参考文献 1史美中 王中铮 热交换器原理与设计 东南大学出版社 1996.11 2建筑及工程结构钢材手册 中国建筑工业出版社 3钱颂文 换热器设计手册 化学工业出版社 2002.8 4巩云鹏 机械设计课程设计 东北大学出版社 2000.12 5贺卫国 化工容器及设备简明设计手册化学工业出版社