固定管板式换热器整体结构设计

山东建筑大学毕业设计说明书12固定管板式换热器整体结构设计2.1换热器类型的选择两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大，因此初步选定带膨胀节的固定管板式换热器。2.2换热器内流体流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用的碳钢管5.225，管内流速取smi5.0。2.2.1冷热流体物性数据的确定定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为：90240140T℃管程流体的定性温度为：3524030T℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在90℃下的有关物性数据如下：密度8250㎏/m3定压比热容KJcp22.20/（㎏·℃）导热系数/140.00W（m·℃）粘度sPai000715.0循环冷却水在35℃下的物性数据如下：密度9940㎏/m3定压比热容KJcp08.40/（㎏·℃）导热系数W626.00/（m·℃）粘度sPai000725.0山东建筑大学毕业设计说明书22.2.2总传热系数的计算（1）热流量)(7.3661032.1)40140(22.2600060000kWkJtcmQp（2）平均传热温度39304040140ln)3040()40140(ln'2121ttttt℃（3）冷却水用量32353)3040(08.413200000ipiitcQ（kg/h）（4）总传热系数K管程传热系数：03670000725.09945.002.0Reiiiiuud4.08.0)()(023.0iipiiiiiiiucuudd4.08.0)626.06175.208.4()13670(020.0626.0023.0=2731W/（m2·℃）壳程传热系数：假设壳程的传热系数2900W/（m2·℃）污垢热阻WCmRsi/000344.02WCmRso/000344.02管壁的导热系数)/(45CmW；山东建筑大学毕业设计说明书3)/(5.2192901000172.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.02731025.01112CmWRdbdddRddKsiisiii2.3传热面积的计算)(8.42395.219107.36623mtKQSm考虑15%的面积裕度)(2.498.4215.115.12mSS。2.4工艺结构设计（1）管径和管内流速选用5.225传热管（碳钢），取管内流速smui/5.0。（2）管程数和传热管数依据传热管内径和流速的确定单程传热管数)(586.575.002.0785.0)3600994/(32353422根udVnis按单程管计算，所需的传热管长度为)(8.1058025.014.32.49mndSLs按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。先取传热管长L=6m，则该换热器管程数为)(268.10管程lLNp传热管总根数)(116258根N（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数4304040140R山东建筑大学毕业设计说明书4091.0301403040P按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得82.0t平均传热温差)(323982.0Cttmtm（4）传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距dt25.1，则)(3225.312525.1mmt横过管束中心线的管数)(1311619.119.1根Nnc，其排列形式如图2.1所示。图2.1换热管排列形式（5）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率7.0，则壳体内径为)(5.4327.0/1163205.1/05.1mmNtD圆整可取mmD450。（6）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为)(5.11245025.0mmh，故可取mmh110。取折流板间距DB3.0，则)(1354503.0mmB可取B为150mm。山东建筑大学毕业设计说明书5折流板数（块）折流板间距传热管长39115060001BN但考虑到实际情况，换热管还要和管板装配，管板有一定厚度，且壳体还需要装接管，所以取37块折流板，中间的折流板距离不变，仍为150mm，两边各去掉一块，使换热管有足够的长度和管板装配。折流板圆缺面水平装配。（7）接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为smu/0.1，则接管内径为)(051.00.114.3)8253600/(600044muVd取标准管径为50mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速smu/5.1，则接管内径为)(088.05.114.3)8253600/(323534md取标准管径为80mm。取双管程单壳程的结构，查手册各种标准，应选取126根换热管，这样排管合适，又满足了热量交换要求。换热管束布局如图2.2所示。图2.2换热管排列形式山东建筑大学毕业设计说明书63膨胀节的设计在固定式换热器中，因壳程流体与管程流体之间具有温差，而壳体和换热管均与管板固定连接，在使用中会引起壳体和换热管之间的膨胀差，造成壳体和换热管受到轴向载荷，避免壳体和换热管拉伸破坏、换热管失稳、换热管从管板上拉脱的方法有多种，如选用U型管换热器、浮头式换热器等，上述两种方法补偿应力大，但制造较复杂，费用高。在应力不大的情况下可选择在壳体中间设置一个变形补偿元件——膨胀节以降低壳体与换热管的轴向载荷。膨胀节除了位移补偿的作用外，还同时兼有减震降噪和密封的功能。3.1判断是否需要设置膨胀节分别计算筒体及换热管上所产生的应力，以及换热管与管板连接的拉脱力，当应力或拉脱力超过许用峰值时，则必须设置膨胀节。（1）筒体上产生的应力MPaFFFtcSc][321式中F1——壳体和换热管之间的温差所产生的轴向力，MPattsSttsSEFEFEFEFF1F2—壳程和管程压力作用于壳体上的力，MPattsSsSEFEFEQFF2—换热管与壳体的热膨胀变形差)()(00tttttsttsF—壳程壳体壁金属横截面积，mm2tF—换热管管壁金属横截面积，mm2sE—壳程壳体材料弹性模量，MPatE—换热管材料弹性模量，MPat—换热管材料线膨胀系数，℃-1山东建筑大学毕业设计说明书7s—壳体材料线膨胀系数，℃-1tt—沿长度平均的换热管金属温度，℃st—沿长度平均的壳体金属温度，℃0t—制造环境温度，℃Q—壳程与管程压力产生的力，NttsiptdnpndDQ20202)2(4)(40d—换热管外径，mmiD—筒体内径，mmsP—壳程设计压力，MPatP—管程设计压力，MPatt—换热管管壁厚度，mmn—换热管根数tc][—壳体材料在设计温度下的许用应力，MPa（2）换热管上产生的应力ttFFF21当0t时，ttt][30t时，crt][式中tt][—换热管材料在设计温度下的许用应力，MPacr][—换热管稳定许用压应力，MPa（3）拉脱应力][30qldaqt式中a—一根换热管管壁金属横截面积，mm山东建筑大学毕业设计说明书8L—换热管与管板焊接高度，mm[q]—许用拉脱力，MPattq][5.0][计算过程及结果1445122523522sFmm22.22264126)105.12(22tFmm251001.2sEMPa51001.2tEMPa6108.10t℃-16105.12s℃-1tt=35℃st=90℃0t=20℃25.5621125.14.0)525(126425.13.0)25126450(4222Q0d—25mmiD—450mmsP—0.375MPatP—0.5MPatt—2.5mmn—12666610713)2090(105.12)2035(108.104.12558871001.22.222641001.2144511001.22.222641001.22.1445110713555561FMPa山东建筑大学毕业设计说明书95.220871001.22.222641001.2144511001.2144513.562115552FMPa37.85144515.220874.1255887cMPa4.572.222645.220874.1255887tMPa68.515.22514.37.1764.57qMPa经计算的应力小于需要设置膨胀节的要求，但由于所选的系数较小，且壳程和管程的温度相差较大，为保证其在冬季工作时不致因为过大得温差导致应力过大引起损坏，综合考虑，需要设置膨胀节。本设计选用U型膨胀节，如图3.1所示。3.1U型膨胀节示意图图3.2膨胀节结构尺寸3.2膨胀节的设计根据199716749GB中的规定，壳程液体流速smsm/04.3/137.0，所以不需要设置内衬套。壳程液体流速不大，压力不高，选取单层、厚壁、大波高、大波距的U型膨胀节。膨胀节型号)(11013.0)(CAZDW，如图3.2所示。山东建筑大学毕业设计说明书104固定管板式换热器三维造型设计4.1换热器的固定管板建模固定管板是换热器很重要的组成部分，其主要作用是固定换热管束、连接壳体并且兼做法兰和管箱连接。材料用45钢，上面的板孔数为128，板孔正三角形排列，Ⅱ级管束，板孔直径d=25.8mm。共有24个18的螺栓孔和M16的螺栓配合。其建模过程也较复杂。先在二维草图上画出圆柱轮廓，再选择柱体上的一个面作为草图，进行换热管孔的绘图，先画出上半部分草图，再用镜像命令复制出下半部分，综合运用拉伸、除料命令，最后的效果图如图4.1所示。图4.1固定管板模型4.2换热器的换热管束建模换热管是换热器工作的核心，其材料用Q235的无缝钢管，尺寸5.225。管长6000mm，128根正三角形排列，管程数是2，壳程为1。其建模过程比较简单。换热管的排列形式要和固定管板上的换热管孔一致，这样才能进行装配。首先按照固定管板上的孔的排列形式画出管束孔，再在原来孔的基础上画出比原孔直径小5mm的孔，完成山东建筑大学毕业设计说明书11草图。用拉伸命令拉伸出换热管的长度。如图4.2所示。图4.2换热管束模型4.3换热器的管箱法兰建模法兰的作用主要是连接管箱和固定管板，材料为45钢，其上的螺栓孔和固定管板上的螺栓孔的大小规格和排列方式一致。管箱法兰由于是圆周对称结构，所以只画出其剖面二维草图，再进行旋转拉伸出实体即可。上面的螺栓连接孔可以只画出一个，然后用镜像命令圆周镜像出。如图4.3所示。4.4换热器的折流板建模折流板主要作用是改变壳程液体的流向和支撑换热管束，用45钢即可满足强度、刚度要求。为在停止工作时排除壳程内残留液体和在换热过程中伴随有气相产生或在不工作时排除不凝性气体，在折流板顶部和底部需设置缺口，缺口角度为90°。上面的管孔位置和固定管板上的一一对齐，Ⅱ级管束，板孔直径d=25.8mm。其周围三个4.16的孔是穿过拉杆的，折流板建模比较简单，在二维草图上画出管孔位置，用拉伸命令即可。如图4.4所示。