36萬噸滑油系統(tǒng)浮頭式換熱器設(shè)計（全套含CAD圖+說明書+開題報告+翻譯）
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5 翻譯
5.1 英文原文
Shell-and-tube and plate heat exchanger water Comparative Analysis
Abstract: Through the closed cycle cooling water system in thewater water heat interchanger shaping, in detail elaborated the shell type and the disc heat interchanger structure performance technology economy compares, provides the reference for the water and water heat interchanger shaping.
Keyword: Heat interchanger performance comparison
From the domestic power plants have been built, for closed-cycle cooling water system of water heat exchanger two categories. is a shell and tube type heat exchangers, and the other is the plate heat exchanger. Shell heat exchanger is used in the form of heat exchanger in the plant design has been widely used, In some domestic units of the plant imports, the gas-steam combined cycle power plants and nuclear power plants are more used plate heat exchanger. Plate heat exchanger as a compact, light weight, high heat transfer efficiency, and the people are interested in growing. This paper shell - and-tube heat exchanger plate and two kinds of styles, and make selection suggestions
1. A plate and shell heat exchanger structure brief
(1) Shell type heat interchanger
Shell-and-tube heat exchanger is the former Marine Room, probation, cylinder, the water room and so on. Control the use of pumped - Bundle, which consists of around tube sheet, Baffled, the stick, distance control, Tube components. Stick with the management board, demolition of the plates using screw connection tube and tube sheet adopted inflation accelerating sealed welding. In the shell side entrance to the control of water on board-equipped to prevent the cooling water washed Tube. In order to reduce the load or to take control of the cylinder friction, with the control on the slide. Room for cleaning up the rubbish, sediment and the blockage of the tubes in the water around the room on the Cover of an inspection hole. To monitor water heat exchanger performance, in the cooling water side (except salt water side) and the cooling water side (of seawater) for the import and export are equipped with a temperature and pressure measurement, There is also supposed to exhaust and interfaces.
(2) Plate heat exchanger
plate heat exchanger consists of a set of parallel corrugated sheet metal components, Plates in the four corner have access hole, Clamping plate was in connection with an aspect of the fixed plate compactor and activities in the framework of plate and clamping bolts used to be clamping. Connecting with the board of the channel pore right, and with two heat exchange liquid external piping connected Heat plate compactor and activities flag at the top plate bearing beams below it from the bottom of the beams at the position. Plate heat itself is a specific shape surrounded by solid-tight gasket seal to prevent external leakage. and the two heat exchange liquid form by alternating current to flow through another pair of plate heat transfer between the channel. Plates of corrugated not only improves the fluid turbulence, and creating many points of contact to withstand normal operating pressure. Fluid flow, physical properties, the pressure and temperature differential decision of the plate number and size.
2 Heat interchangers design conditions
Heat exchanger design of the plant from the start to meet the greatest contribution to the various load operating conditions to take dollars, and leave enough margin to ensure heat exchanger in the maximum load and maximum inlet temperature and the largest Fouling, in the repair cycle, it was to be given the task of cooling. Domestic imported 300 MW coal-fired units as an example. Cooling equipment requirements of the cooling water inlet temperature is less than 37.5 ° C, from the cooling equipment was heating up over the cooling water temperature is about 42.8 ℃
3 Shells types and disc heat interchanger comparison
3.1 Flows the heat transfer design comparison
Shell-and-tube heat exchanger tube heat exchanger is an essential component, It tube in a fluid flowing through the tube and another providing heat transfer fluid between the surface. According to both the fluid nature of pipe materials, will be corrosive, low-quality water on the water pipe flow In addition to better water quality brine on the shell side of the tubes, such tubes only used seawater corrosion-resistant titanium tube. Meanwhile more convenient cleaning dirt diameter from the point of view of heat transfer fluid dynamics, given the use of the shell of small diameter tubes can be greater density on the surface, but most fluid in the tubes on the surface dirt layer deposition, In particular, the cooling tube poor water, silt and dirt and sea organisms exist, are likely to be formed on the wall of sediments, will enable heat transfer deterioration regular cleansing becomes necessary, tube cleaning restrictions smallest diameter of about 20 mm, Titanium Tube general, 25 mm, the right to the fluid, formed mainly by dirt wall temperature and velocity impact to be reasonable maintenance cycle, the water inside the tube velocity in two 1961 (as to allow pressure drop requirements). As general use seawater cooling water, the river, prone to causing scaling the shell - and-tube heat exchanger, Water should be equipped concentration of plastic ball cleaning device for cleaning. Plate heat exchanger in the cooling water and cooling water on both sides of the corrugated plate convection, using corrugated chevron Bellows, These corrugated plate heat transfer bias, that is adjacent to the heat plate with the same angle of inclination and direction of the bellows. Cross sectional area along the direction of flow is constant, but due to the changing direction of flow resulting flow shape change, which leads to turbulence. Heat general corrugated plate depth of 3-5 mm, the turbulent flow is about 0.1 ~ 1.0 to 1.4 ms Bellows thin plate thickness 0.6~1 mm and the adjacent cubicle to have many points of contact to withstand normal operating pressure adjacent to the boards opposite direction of the chevron trench, two grooves on the intersection point of contact formation, this can also eliminate vibration, and the promotion of the exchange of heat and turbulence at the same time, eliminate fatigue cracks as a result of the internal leakage. Chevron corrugated plate turbulent higher, high turbulence can play a full role in cleaning, can be particularly effective deposition dirt minimized, but corrugated board more points of contact, when liquid water quality poor, containing suspended solid particles, debris and weeds, etc., because of the narrow gap plate. So to the extent possible, ensure that all particles above 2 mm into the heat exchanger in the past, must strip, If the filter can effectively play a role, it is easy to plug.
3.2 Heat transfer coefficients comparison
Shell heat exchanger tube, a horizontal fluid passing through the tube wall and pipe flow of a heat transfer fluid, mutual vertical cross-flow heat transfer coefficient is generally 1000~3000 w/ (m2.k).
Plate heat exchanger, the cooling water side with the side of the cooling water flow uniformity turbulence, the two reverse fluid flow As the ripple effect caused turbulence, resulting in higher heat transfer rate, high resistance to pressure and high shear stress field. This will lead to inhibit heat transfer surface of the dirt formed. Heat transfer coefficient is generally 3500~5500 w/ (m2.k), which can save heat exchanger heat transfer area.
3. Ends difference comparison
Shell-and-tube heat exchanger temperature difference (that is, the cooling water inlet temperature and the cooling water outlet temperature difference) 5 ℃.
Plate heat exchanger due to its structural characteristics can be done to the economy as low as 1 ° C temperature difference.
3.4 Cooling water volume comparison
Shell-and-tube heat exchanger general cooling and water cooling water than a 1.2~2.5:1.
Plate heat exchanger, as two kinds of media flow with the same high heat transfer efficiency, Therefore plate heat exchanger can greatly reduce the cooling water, the general cooling water and cooling water than a 0.8~1.1 : 1, thus reducing pipe valves and pumps installed operating costs
3.5 Installments overhauls comparison
Plate heat exchanger is small in size, light weight characteristics, maintenance convenience, without lifting based maintenance facilities, Therefore, the installation occupies less. Plate heat exchanger including the artificial maintenance unit packs will be opened, using water guns and brush cleaning plates and gaskets, check plate gasket and, if necessary, replace the plate and gasket. Plate heat exchanger generally a time to clean, and whether or not the actual needs to be done. When the application of the river, poor water quality, such as cooling water, silt and dirt because of the existence, and the rapid growth of microorganisms have caused pollution and the surface plug danger. Overseas, the application of water for cooling water, cleaning high frequency, the average annual 3.3. Shell-and-tube heat exchanger tube bundle is composed of its own weight is larger volume, maintenance of the pumping required to stay out of control as long distance, it occupies more needed with the necessary lifting overhaul facilities.
Shell-and-tube heat exchanger design life-expectancy of 30 years, overhaul cycle four years, when heat exchanger leaked, (probably tubes and tube plate of tube leakage or rupture caused by the leakage) can be used to plug the pipe recovery in a short period of time Minute performance, shell - and-tube heat exchanger allows the blocking of 7% margin. For pipe cleaning may need plastic ball cleaning device for the mechanical cleaning regularly.
4 Heat interchangers in domestic power plant movement situation
My early commissioning of the 300 MW coal-fired units closed cooling water systems are chosen shell - and-tube heat exchanger water. running relatively well. In recent years, because of the continuous advancement of technology, design optimization, shell - and-tube exchangers covers water, Maintenance of large venues in the main shortcomings of the plant layout optimization more prominent, In some circulating water system for secondary cooling water circulation unit, taking into account the water cooling heat exchanger of the relatively good water quality, Impurities less pollution and the small screen structure of continuous improvement, closed cooling water systems also use plate heat exchanger.
5 Conclusion
On shell - -tube and plate heat exchanger the comparison may come to the following conclusions : Plate heat exchanger for high heat transfer efficiency, small size, light in weight dismounting, when cooling water better, It is an ideal heat exchanger equipment. But for a large number of cooling water sediment and dirt, such as the presence of water, the filters can not effectively play its role it is easy to plug, resulting in frequent cleansing affect the safe operation of the unit.
譯文：
管殼式與板式水水換熱器的比較分析
摘要：通過閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中水水換熱器的選型，詳細論述了管殼式與板式換熱器的結(jié)構(gòu)性能技術(shù)經(jīng)濟比較，為水水換熱器的選型提供參考。
關(guān)鍵詞：換熱器 性能 比較
? 從國內(nèi)已建發(fā)電廠來看，用于閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水水換熱器有兩類，一類是管殼熱換器，另一類是板式換熱器。管殼換熱器是常用的換熱器形式，在電廠設(shè)計中已得到了廣泛的應用，而在國內(nèi)一些進口機組的電廠、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠和核電站多有采用板式換熱器。由于板式換熱器緊湊、重量輕、高傳熱效率，人們對它的興趣日益增長。本文針對管殼式及板式換熱器二種型式進行比較，并提出選型參考意見。
1 管殼式及板式換熱器結(jié)構(gòu)簡介
（1）管殼式換熱器
? 管殼式換熱器是由前水室、管束、筒體、后水室等組成。管束采用可抽式管束，它由前后管板、折流板、拉桿、定距管、換熱管組成。拉桿與管板、拆流板采用絲扣連接，換熱管與管板采用脹接加密封焊。在殼側(cè)水入口處的管束上設(shè)置防沖板，以防止被冷卻水直接沖刷換熱管。為了減少管束裝入或抽出筒體時的摩擦力，在管束上設(shè)有滑軌。為了檢查清理室中垃圾、泥沙及管子的堵塞等，在前后水室端蓋上設(shè)有檢查孔。為了監(jiān)視水水換熱器的運行情況，在被冷卻水側(cè)（除鹽水側(cè)）及冷卻水側(cè)（海水側(cè)）進出口都設(shè)置溫度和壓力測點，此外還設(shè)有排氣和放水接口等。
（2）板式換熱器 ?
板式換熱器是由一組波紋形的平行金屬板構(gòu)成的，在板片的4個拐角處都有通道孔，板被夾緊在一個側(cè)面附有連接管的固定板和活動壓緊板的框架中，并用夾緊螺栓加以夾緊。這些連接管同板上的通道孔對中，并與熱交換的兩種液體的外部管路相連，傳熱板和活動壓緊板懸掛在頂部承載梁的下面并由底部橫梁使其對準定位。
傳熱板本身是有其有特定形狀并被固緊的墊片密封，以防止外部泄漏，并把熱交換的兩種液體按逆流方式交替地流過另一對傳熱板之間的通道內(nèi)。板片上的波紋不但提高流體的湍流程度，并且形成許多接觸點，以承受正常的運行壓力。流體的流量、物理性質(zhì)，壓降和溫度差決定了板片的數(shù)目和尺寸。
2 換熱器設(shè)計條件
換熱器設(shè)計應滿足電廠從起動到最大出力時各種負荷下的運行需要，并留有一定的裕量，保證換熱器在最大負荷、最高進水溫度和最大污垢熱阻時，在規(guī)定的檢修周期內(nèi)，仍能完成給定的冷卻任務(wù)。
以國產(chǎn)引進型300 MW燃煤機組為例，各冷卻設(shè)備要求冷卻水進水溫度不大于37．5℃，從冷卻設(shè)備出來被加熱過的冷卻水最高溫度約為42．8℃.
3 管殼式及板式換熱器的比較
3．1流動傳熱設(shè)計比較
管殼式換熱器的管子是換熱器的基本構(gòu)件，它為在管內(nèi)流過一種流體和穿越管外的另一種流體之間提供傳熱面。根據(jù)兩側(cè)流體的性質(zhì)決定管子材料，將具有腐蝕性，水質(zhì)差的海水放在管內(nèi)流動，水質(zhì)較好的除鹽水放在管子外殼側(cè)，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的鈦管，同時清洗污垢較為方便，管徑從傳熱流體力學角度考慮，在給定殼體內(nèi)使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大多數(shù)流體會在管子表面上沉積污垢層，尤其管內(nèi)冷卻水水質(zhì)較差，泥沙和污物及海生物的存在，都可能會在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為20 mm，鈦管一般采Φ25 mm，對給定的流體，污垢形成主要受管壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期，管內(nèi)側(cè)水的流速應在2 m／s左右（視允許壓降的要求）。由于一般冷卻水選用海水、河水等，較易引起結(jié)垢，對管殼式換熱器，應根據(jù)水質(zhì)含沙量情況需設(shè)置膠球清洗裝置進行定期清洗。
板式換熱器的冷卻水和被冷卻水在波紋板的兩側(cè)對流，波紋采用人字形波紋，這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。沿流動方向橫截面積是恒定的，但是由于流動方向不斷變化致使流道形狀改變，而引起湍流。一般傳熱板的波紋深度為3～5 mm，湍流區(qū)流速約為0.1～1.0 m／s，波紋板很薄，厚度為0．6～1 mm，相鄰板間要有許多接觸點，以承受正常的運行壓力，相鄰的板有相反方向的人字形溝槽，兩種溝槽的交叉點就形成接觸點，這樣還可消除振動，并且在促進湍流和熱交換的同時，消除了由于疲勞裂縫引起的內(nèi)部泄漏。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發(fā)揮清洗作用，可以特別有效的將沉積污垢減至最小，但是波紋板的接觸點較多，當液體水質(zhì)差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時，由于板間隙很窄，所以要盡可能地保證將所有2 mm以上顆粒在進入換熱器以前，都要過濾掉，假如濾網(wǎng)不能有效地發(fā)揮作用，就容易發(fā)生堵塞。
3．2 傳熱系數(shù)的比較
管殼體換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內(nèi)流動的另一種流體換熱，彼此垂直交叉流動，其傳熱系數(shù)一般為1000～3000 w／（m2．k）。 ?
板式換熱器中，冷卻水側(cè)與被冷卻水側(cè)流動均勻湍流，兩種流體逆向流動，由于波紋的作用引起湍流，從而產(chǎn)生高傳熱率，高阻力壓降以及高切應力場，這將導致抑制污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數(shù)一般為3500～5500 w／（m2．k），由此，可節(jié)省換熱器的換熱面積。
3．3 端差比較
管殼式換熱器傳熱端差（即冷卻水進口溫度和被冷卻水出口溫度差）為5℃左右。板式換熱器由于它的結(jié)構(gòu)特點可以經(jīng)濟地做到低至1℃的端差。
3．4 冷卻水量比較
管殼式換熱器一般冷卻水量和被冷卻水量之比為1．2～2．5∶1。
板式換熱器，由于2種介質(zhì)流道基本相同且傳熱效率高，因此板式換熱器可大大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為0．8～1．1∶1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運行費用。
3．5 安裝檢修的比較
板式換熱器具有體積小，重量輕的特點，檢修方便，不需設(shè)檢修起吊設(shè)施，故安裝占地較少。板式換熱器的人工維護包括將整機折開，用噴水槍和刷子清洗板和墊片，檢查板片和墊片，如有必要，更換板片和墊片。板式換熱器一般每年要清洗1次，并且無論是否實際需要都要做。當應用河水、海水等水質(zhì)較差的冷卻水時，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生長有引起表面污染和堵塞的危險。在國外，應用河水作冷卻水時，清洗頻率很高，平均每年3．3次。
管殼式換熱器是由管束組成，自身重量體積都較大，在檢修抽管時需要留出管束一樣長的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設(shè)施。管殼式換熱器的設(shè)計壽命一般為30年，大修周期4年，當換熱器發(fā)生泄漏時，（可能是管子與管板間的泄漏或是管子破裂引起的泄漏）可以采用堵管的辦法在短時間內(nèi)恢復工作性能，管殼式換熱器允許有7％的堵管裕量。對于管內(nèi)的清洗可以根據(jù)需要采用膠球清洗裝置進行定期的機械清洗。
4 換熱器在國內(nèi)電廠的運行情況
我國早期投產(chǎn)的300 MW的燃煤機組閉式冷卻水系統(tǒng)大多選用管殼式水水換熱器，運行情況都比較好。近年來由于技術(shù)的不斷進步，設(shè)計優(yōu)化的需要，管殼式水水換器占地面積大、檢修場地大的缺點在主廠房布置優(yōu)化中更顯突出，在一些循環(huán)水系統(tǒng)為二次循環(huán)冷卻水的機組中，考慮到水水換熱器的冷卻水水質(zhì)相對較好、雜質(zhì)少、污染小以及濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷改進，閉式冷卻水系統(tǒng)中亦有選用板式換熱器。
5 結(jié)論
通過對管殼式及板式換熱器的比較，可以得出以下結(jié)論：板式換熱器傳熱器傳熱效率高、體積小、重量輕便于拆裝，當冷卻水水質(zhì)較好時，它是一種比較理想的換熱器設(shè)備。但是對于冷卻水中有大量泥沙、污物、水草等存在時，濾網(wǎng)又不能有效地發(fā)揮作用，很容易使其堵塞，造成頻繁地清洗，影響機組的安全運行。
浮頭式換熱器設(shè)計
[摘要]： 換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標以滿足工藝過程上的需要。浮頭式換熱器是應用最廣泛的管殼式換熱器中的一種.浮頭式換熱器的兩管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應力。該設(shè)計的浮頭式換熱器主要參照GB151在給定的設(shè)計條件下進行工藝設(shè)計然后對筒體、管束、浮頭端，進行詳細的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算和校核對于換熱器的一些零部件則根據(jù)設(shè)計參數(shù)查找標準。各設(shè)計步驟以及設(shè)計準則在說明書中都將說明
[關(guān)鍵字] : 管板 浮頭 浮動管板 鉤圈
The design of Floating-head heat exchanger
[Abstract]: The main function of heat exchanger is to heat the fluid by the high temperature transfer fluid to a lower temperature, so that the fluid temperature reaches the target set to meet the needs of the process. Floating head heat exchanger is one kind of the most widely used shell and tube heat exchanger floating head heat exchanger has two platets , only one plate fixed in the shell and the other plate can move freely comparate to shell, as the floating head. Floating head consist of floating tube sheet , hook ring and floating head cover, is removable connection, control can be extracted from the shell . Control of thermal deformation and the shell are not binding and therefore does not produce thermal stress. The design of the floating head heat exchanger major reference GB151, first make process design in a given design conditions and then on the cylinder, tube, floating head end, a detailed mechanical structural design, calculation and check .for heat exchanger parts find the standard accordance with design parameters. The design steps and design criteria in the brochure will explain.
[Key words] : tube sheet floating head f loating tube sheet hook ring
目 錄
1 概述 ……………………………………………………………（1）
1．1 換熱設(shè)備在工業(yè)中的應用…………………………（1）
1．2 換熱設(shè)備的分類……………………………………（1）
1．3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀…………………………………（3）
1．4設(shè)計方案……………………………………………（3）
2 浮頭換熱器工藝設(shè)計…………………………………………（5）
2．1 設(shè)計任務(wù)和工藝條件………………………………（5）
2．2 確定設(shè)計方案………………………………………（5）
2．3 確定物性參數(shù)………………………………………（6）
2．4 估算換熱面積………………………………………（8）
2．5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸………………………………………（9）
2．6 換熱器核算………………………………………（13）
3 浮頭換熱器機械設(shè)計………………………………………（24）
3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………（24）
3． 2 管箱和圓筒……………………………………（26）
3．3 分程隔板…………………………………………（27）
3．4 換熱管……………………………………………（28）
3．5 接管………………………………………………（28）
3．6 浮頭管板及鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………（30）
3．7 管法蘭……………………………………………（32）
3．8 布管限定圓………………………………………（33）
3．9 拉桿的直徑、數(shù)量和尺寸………………………（34）
3．10 折流板和支持板………………………………（36）
3．11 防沖板或?qū)Я魍病?0）
3．12 支座……………………………………………（40）
3．13 外頭蓋側(cè)法蘭…………………………………（42）
3．14 管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭 ………………（43）
3．15 固定端管板……………………………………（44）
3．16 排氣和排液管……………………………………(44)
3．17 防短路結(jié)構(gòu)………………………………………(44)
3．18 連接………………………………………………(46)
4 換熱器的強度校核……………………………………………（48）
4．1 筒體壁厚校核 ……………………………………（48）
4．2 外頭蓋短節(jié)和封頭厚度校核 ……………………（49）
4．3 管箱短節(jié)和封頭厚度校核………………………（51）
4．4 管箱短節(jié)開孔補強的校核 ………………………（51）
4．5 殼體接管開孔補強校核 ………………………（52）
4. 6 固定管板的校核 ………………………………（54）
4．7 浮頭管板及鉤圈校核 …………………………（56）
4．8 無折邊球封頭計算 ……………………………（58）
4．9 浮頭法蘭計算 …………………………………（58）
4參考文獻………………………………………………………（61）
5 翻譯…………………………………………………………（62）
6 結(jié)束語………………………………………………………（78）
第77頁 共78頁
1 概述
1．1 換熱設(shè)備在工業(yè)中的應用
在煉油、化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進行需要一定的設(shè)備來完成，這些使傳熱過程得以實現(xiàn)的設(shè)備就稱之為換熱設(shè)備。
據(jù)統(tǒng)計，在煉油廠中換熱設(shè)備的投資占全部工藝設(shè)備總投資的35％～40％,因為絕大部分的化學反應或傳質(zhì)傳熱過程都與熱量的變化密切相關(guān)，如反應過程中：有的要放熱、有的要吸熱、要維持反應的連續(xù)進行，就必須排除多余的熱量或補充所需的熱量。工藝過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用，以降低成本。
綜上所述，換熱設(shè)備是煉油、化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備。換熱設(shè)備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應用。
1．2 換熱設(shè)備的分類
1.2.1 按作用原理或傳熱方式可分為：
（1）直接接觸式
（2）蓄熱式
（3）間壁式
（4）中間載體式換熱器
1.2.1.1 直接接觸式換熱器，如下圖所示熱流體
冷流體
熱流體
冷流體
圖1.1
其傳熱的效果好，但不能用于發(fā)生反應或有影響的流體之間。
蓄熱式換熱器，如下圖所示 冷流體
冷流體
熱流體
熱流體
圖1.2
其適用于溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度被動大。
1.2.1.3 間壁式換熱器，又稱表面式換熱器
利用間壁進行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。
1.2.2 按其工藝用途可分為：冷卻器（cooler）、冷凝器（condenser）、加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）、蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）、再沸器（reboiler） 、廢熱鍋爐（waste heat boiler） 。
1.2.3 按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。
1．3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
上個世紀70年代初發(fā)生世界性能源危機，有力地促進了傳熱強化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，要求開發(fā)適用不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。因此，幾十年來，高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題，國內(nèi)外先后推出了一系列新型高效換熱器。
近年來，國內(nèi)已經(jīng)進行了大量的強化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實際推廣和應用仍非常有限。尚需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進行研究，使我國換熱器技術(shù)從各個方面趕上國際水平，也需要各換熱設(shè)備使用廠家勇于引進和推廣新型高效換熱器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻。
1．4設(shè)計方案
本設(shè)計為浮頭式換熱器，屬于管殼式換熱器的一種。管殼式換熱器具有可靠性高、適用性廣等優(yōu)點，在各工業(yè)領(lǐng)域中的到最為廣泛的應用。近年來受到其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化的今天，管殼式換熱器仍占主要地位。
該設(shè)計參考的前提是常減壓裝置中的工藝條件，根據(jù)裝置工藝條件選擇具體的流量、溫度、壓力等參數(shù)。浮頭式換熱器的主要特點是管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。管束可以在其筒體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱應力。但是結(jié)構(gòu)復雜，造價高，制造安裝要求高?！?
浮頭式換熱器是由管箱、筒體、管板、封頭、折流板、換熱管等零部件組成，根據(jù)換熱管材料、尺寸、管數(shù)、管程壓力、管壁溫度、管程數(shù)以及殼體材料、內(nèi)徑、厚度、殼程壓力、溫度等條件下確定管板的厚度、折流板的形狀、尺寸與數(shù)量、折流板的布置情況和確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)已知的工作狀況，選定換熱器所在的化工工藝過程，從而根據(jù)工藝條件，以確定換熱器內(nèi)介質(zhì)的物性參數(shù)；根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合已知條件，進一步計算換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后進行換熱器核算。
2 浮頭換熱器工藝設(shè)計
2．1 設(shè)計任務(wù)和工藝條件
一、已知設(shè)計參數(shù):
滑油（己烷）流量50m3/h， 進口溫度45℃,出口溫度40℃,冷卻水流量54m3/h,進口溫度33℃，管程殼程操作壓力為0.45MPa。
二、換熱器類型 浮頭式
2．2 確定設(shè)計方案
2.2.1 選擇換熱器
按要求使用浮頭式換熱器。
2.2.2 流程安排
如下圖所示，由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若流速太慢將會加快污垢增長速度，使換熱器的流量下降，所以綜合考慮，使水走管程，滑油走殼程，且選擇逆流的形式。
圖2.1
2．3 確定物性參數(shù)
2.3.1 計算冷卻水出口溫度
熱流量 =qvρ△=876×1.955×50×(45-40)=428145kJ/h
其中，——定壓比熱容 kJ·kg-1·K-1
qm ——質(zhì)量流量 kg·h-1
ρ ——流體的密度 kg·m3
假設(shè)冷卻水出口溫度為35℃
管程流體的定性溫度為
t=（33＋35）/2=34℃
循環(huán)冷卻水在35℃的物性參數(shù)：
密度 ρ=994.3 kg/
定壓比熱容 cp=4.174 kJ/(kg·K)
冷卻水的溫差 △=/·m=428145/(4.174×54×994.3)=2(℃)
故假設(shè)基本合理，由管式換熱器設(shè)計中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值取傳熱系數(shù)K=510W/(㎡·K)
2.3.2 確定定性參數(shù)
對于一般滑油和水等低粘度流體,其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值，故殼程滑油的定性溫度為
T=（45＋50）/2=42.5 ℃
管程流體的定性溫度為（即冷卻水的溫度）
t=（33＋40）/2＝36.5 ℃
根據(jù)定性溫度分別查取管程和殼程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，可知：
滑油在42.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下
密度 ＝876kg/
定壓比熱容 =1.955 kJ/(kg·K)
熱導率 =0.144W/(m·K)
粘度 =0.21pa·s
循環(huán)冷卻水在34℃的物性數(shù)據(jù)：
密度 ＝994.3kg/
定壓比熱容 =4.174kJ/(kg·K)
熱導率 =0.624 W/(m·K)
粘度 =0.742×Pa·s
2．4 估算換熱面積
2.4.1 熱流量
=ρ=876×1.955×50×(50-45)=428145kJ/h=119kw 2.4.2 平均傳熱溫差
先按純流體計算，由于△/△t2=(45-35)/(40-33)=10/7<2，故
Δtm=(Δt1+Δt2)/2=(10+7)/2=8.5K
2.4.3 換熱面積
已知由經(jīng)驗取K=510W/(㎡·K)，則
=/(K·△)=428145/(510×8.5)=27.5㎡
2．5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸
2.5.1 管徑和管內(nèi)流速
選用19×2較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速 =1.3m/s。2.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)
根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：
＝V/(··u)=54/3600/(0.785××1.3)＝65.3 根
按單管程計算，所需的傳熱管長度為
L＝/＝27.7/3.14×0.015×65= 9.04 m
若按四管程設(shè)計，則傳熱管長度適中，采用標準設(shè)計，現(xiàn)取管長L=2.25 m，傳熱管總根數(shù)：=65×4＝260 根
2.5.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)
由于該換熱器采用了多殼程，流體流經(jīng)兩次或多次折流后再流出換熱器，這使換熱器內(nèi)流體流動的形式偏離純粹的逆流和并流，因而使平均溫度差的計算更為復雜。對于錯流或復雜流動的平均溫差，常采用安德伍德（Underwood）和鮑曼（Bowman）提出的圖算法。該法是先按逆流計算對數(shù)溫差Δtm，再乘以考慮流動形式的溫差修正系數(shù)，得到平均溫度，如下
R= ( -) / ( -) = (45-40) / (35-33)=2.5
P= ( -) / (-) = (35-33)/(45-33)=0.227
式中 R——熱流體的溫降/冷流體的溫升
P——冷流體的升溫/兩流體最初溫差
、——熱流體進、出口溫度，℃
、——冷流體進、出口溫度，℃
按四管程，單殼程結(jié)構(gòu)，查圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖（如下）得：
圖2.2
＝0.96
故，平均傳熱溫差：
=·Δtm=0.96×8.5=8.08℃
由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，故采取單殼程合適。
2.5.4 傳熱管排列和分程方法
由于換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑, 故采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采取正方形排列，如左圖所示。
取換熱管中心距t=1.25，則分程隔板兩側(cè)相
鄰管中心距：
d0=19mm，t=1.25d0=1.25×19=23.75mm，按常用換熱管中心距取 t=25mm
分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距：如下圖所示
表2.1
故有：
換熱器外徑d/mm
19
換熱器中心距S/mm
25
分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn/mm
38
表2.2
2.5.5 殼體內(nèi)徑
該換熱器采用四管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下式
D= 1.05t
式中 t—管心距，mm
N—傳熱管的總根數(shù)，
——傳熱管外徑，mm
η――管板利用率
取η=0.6，得
D＝1.05×25=546mm，
按卷制殼體的進級檔，可取D=600mm。
2．6 換熱器核算
2．6．1熱流量核算
2.6.1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
當量直徑：
=4[(/2)×-0.785×]/(3.14×0.019)=0.017（m）
殼程流通截面積：
=BD(1-/t)=0.18×0.6(1-0.019/0.025)=0.0259（㎡）
殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為：
=/=50÷3600/0.0259=0.54m/s
=/=0.015×0.54×876/0.21=33.79
普蘭特數(shù)：
＝/＝1955×0.21/0.144=2851
由于
＝2851×33.79×0.015/2.25﹥10
=33.79﹤2300，此時，殼體流體為層流
所以，由Nu=
故選用公式
粘度校正≈1
=1.86×(2851×33.79×0.015/2.25×=83W/(㎡·℃)
2.6.1.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
可首先假設(shè)管內(nèi)冷卻水為湍流流動，根據(jù)式Nu=0.023，
=
由化工原理知：自來水被加熱，n取0.4，
管程流體流通截面積
=(π/4)·d2·ns=0.785××=0.012㎡
管程流體流速：
=54÷3600/0.012=1.25m/s
Re=＝25125>10000
故假設(shè)成立，此時
普蘭特數(shù) ＝=4.96
代入數(shù)值：
=0.023× ×(25125×=6013 W/(㎡·℃)
2.6.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻
按《管殼式熱交換器設(shè)計手冊GB151》表F7.1，可取
管外側(cè)污垢熱阻 =0.000176㎡·K/W
管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 =0.0006㎡·K/W
管壁熱阻按式=
式中 b――傳熱管厚度，m；
――管壁熱導率，m·K/W
碳鋼在該條件下的熱導率為50W/(m·K)，所以
＝＝0.00004㎡·K/W
2.6.1.4 傳熱系數(shù)K
依式K= ，則 K=
=514w/m2·℃
2.6.1.5 傳熱面積裕度
依式有
=＝27.45㎡
改換熱器的實際傳熱面積
＝＝3.14×0.019×2.25×260=34.9㎡
該還熱器的面積裕度按式計算有
H=≈27.14﹪，因面積裕度大于15％～20％，故傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。
2．6．2 壁溫的核算
因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按式計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進口溫度為15℃，出口溫度39℃計算傳熱管壁溫。
另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管的壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零來計算傳熱管壁溫。于是，按式
式中 ――熱流體的平均溫度，℃
——熱流體側(cè)的管壁溫度，℃
——冷流體的平均溫度，℃
——冷流體側(cè)的管壁溫度，℃
——熱流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)
——冷流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)
式中液體的平均溫度分別按
＝
式中 ——熱流體進口溫度，℃
——熱流體出口溫度，℃
——冷流體進口溫度，℃
——冷流體出口溫度，℃
代入數(shù)據(jù)得： ＝34℃
=42.5℃
==6013 W/(㎡·K)
==83W/(㎡·K)
傳熱管得平均壁溫
t==34.1℃
殼體壁溫，可近似取為殼程流體得平均溫度即
T=42.5℃
殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為t=42.5-34.1=8.4℃
該溫差較小，實際上可不用浮頭式，按題目要求使用浮頭式。
2．6．3 換熱器內(nèi)流體流動阻力的核算
2.6.3.1 管程流體阻力
依式
式中 ——管程總阻力；
——單程直管阻力；
——局部阻力；
——殼程數(shù)；
——管程數(shù)
——管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，可近似取1.5。
=1， =4
由＝25125，傳熱管的相對粗糙度=＝0.013，查化工原理莫狄圖，得：摩擦因素＝0.04，流體速度u=1.25m/s，＝994.3kg/ ，局部阻力系數(shù)ε=3.0，所以
==0.04×=4660
===2330
=(4660+2330) ×1×4×1.5=41944
此管程阻力在允許范圍內(nèi)。
2.6.3.2 殼程阻力
按式計算，由Ns=1，=1.15得：
流體流經(jīng)管束得阻力
由于管束采用正三角形，所以，有：
F=0.5， Re=25125
f0=0.5×Re-0.228=0.233
NTC=1.1NT0.5=1.1×2600.5=17.7
=11 （即折流板數(shù)）,
NT =260（即傳熱管的總根數(shù)）
＝0.54m/s
Po=0.5×0.233×17.7× (11+1) ×=7197 Pa
流體流過折流板缺口得阻力
，
B=0.18m D=0.6m
=11× (3.5-) ×=9279 Pa
總阻力：
＝9279＋7197＝16475 Pa
殼程流體的阻力比較適宜。
小結(jié)
換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果，見如下表：
參數(shù)
管程
殼程
流率/（/h）
54
50
進出口溫度/℃
33℃/35℃
45℃/ 40℃
壓力/MPa
0.5
0.5
定性溫度/℃
34
42.5
密度/(kg/)
994.3
876
定壓比熱容/[kj/(kg·k) ]
4.174
1.955
粘度/(pa·s)
0.742*
0.21
導熱率/[W/(m·k)]
0.624
0.144
普蘭特數(shù)
4.96
3665
形 式
浮頭式
臺數(shù)
1
殼體內(nèi)徑/mm
600
殼程數(shù)
1
管徑/mm
19
管子排列/mm
△
管長/mm
2250
折流板/個
11
管數(shù)目/根
260
折流板間距
180
傳熱面積/㎡
34.9
材質(zhì)
碳鋼
管程數(shù)
4
管心距/mm
25
主要計算結(jié)果
管程
殼程
流速/(m/s)
1.3
0.54
表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(㎡·K)]
154
6013
污垢熱阻/(㎡·K/W)
0.0006
0.000176
阻力/MPa
0.041944
0.007197
熱流量/KW
119
傳熱溫差/K
8.42
傳熱系數(shù)/[W/(㎡·K)]
73.7
裕度/％
82.6
3 浮頭換熱器機械設(shè)計
3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1.1 橢圓形封頭
由于此換熱器的設(shè)計壓力p≤1.6MPa，使用溫度小于350℃，故封頭材料可選用Q235-B， 封頭的結(jié)構(gòu)形式常采用橢圓形，查JB/T4737-95，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，且由GB150-1998 即下表，取其厚度為8mm，
表3.1
其結(jié)構(gòu)形式如下圖：
圖3.1
公稱直徑
DN/mm
曲面高度
h1/mm
直邊高度
h2/mm
碳鋼厚度
δ/mm
內(nèi)表面積
A/m2
容積
V/m3
600
150
25
8
0.4374
0.0353
表3.2
凸形封頭:
公稱直徑DN/mm
曲面高度h1/mm
直邊高度
h2/mm
碳鋼厚度
δ/mm
內(nèi)表面積
A/m2
容積
V/m3
700
175
25
8
0.548
0.0442
表3.3
3． 2 管箱和圓筒
由于筒體的直徑D=600mm，即500mm<=DN<=800mm，故選用封頭管箱。 查取標準GB151-99可知，管箱短節(jié)與圓筒的最小厚度均為8mm，管箱的最小長度計算: （按B形管箱,流通面積計算）
Sp－封頭厚度，mm
－封頭直邊段高度，mm
Ncp－各程平均管數(shù)，
E－各相鄰管程間分程處，物料流通的最小寬度，mm
查取E=600mm，則
=52 mm
按相鄰焊縫間的距離計算
(無接管補強時4S，且50)
－接管位置尺寸，mm
－接管至殼體與封頭連接焊縫距離，mm
－封頭高度，mm
－接管內(nèi)徑，mm
算得 387mm
取，中較大值
3．3 分程隔板
3.3.1 分程隔板的厚度
表3.2
公稱直徑
DN/mm
隔板最小厚度/mm
碳素鋼
600
8
3.3.2 分程隔板槽
1）分程隔板槽的寬度為：碳鋼12mm，
2）分程隔板槽拐角處的倒角一般為450，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R，見圖
圖3.2
3．4 換熱管
換熱管尺寸及偏差
表3.4
材料
鋼管標準
外徑×壁厚
外徑偏差
壁厚偏差
碳素鋼
GB8163-87
19×2
±0.20
±0.20
3．5 接管
3.5.1 接管基本要求
a）接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；
b）接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設(shè)置；
3.5.2 接管尺寸
已知殼程流體的流速為 0.6 m/s，則
＝＝178（mm）
同理，管程流體的流速為2m/s，則
= =94（mm）
接管高度確定 查取標準=200ｍｍ
殼程接管位置的最小尺寸：(如下圖)
> /2+(b-4)+c=219/2+(30-4)+50=185.5mm
圖3.3
管箱接管的最小尺寸：（如下圖）
> /2++c=108/2+105+50=209ｍｍ
圖3.4
其中，圖中 DH— 補強圈外徑
dh — 接管外徑
C≥4S，且C≥30mm
S — 壁厚
b — 管板厚度
3．6 浮頭管板及鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.6.1 浮頭管板及鉤圈法蘭尺寸
由于換熱器內(nèi)徑已確定，故采用標準內(nèi)徑?jīng)Q定浮頭管排列外徑及結(jié)構(gòu)尺寸。
浮頭管板外徑 =-2b=600-2×3=594mm
由GB151表14、15知：浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙，取=3mm，
墊片寬度，取=12mm
浮頭管板密封面寬度，取=+1.5=13.5mm
浮頭法蘭和鉤圈外直徑=+80=680mm
浮頭法蘭和鉤圈內(nèi)直徑= -2()600-2(3+12)=570mm
外頭蓋內(nèi)徑, mm
螺栓中心圓直徑, =(594+680)/2=637mm
3.6.2 浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)
圖3.5
1一 外頭蓋側(cè)法蘭，2 一 外頭蓋墊片，3一外頭蓋法蘭 ，4-鉤圈
6一 排氣口或放液口；7一 浮頭法蘭 , 8一 雙頭級柱．9 - 螺母，10一封頭．
11-球冠形封頭 12一分程隔板;13-墊片。14一浮動管板。15-檔管,16一換熱管
3．7 管法蘭
按標準GB/T9113.1-2000，則有如下圖：
表3.5
滑油進出口
自來水進出口
管子直徑/mm
219
108
法蘭內(nèi)徑/mm
221
110
螺栓孔中心圓直徑/mm
280
170
公稱直徑/mm
200
100
螺栓孔直徑/mm
22
22
螺栓孔數(shù)量n
8
8
法蘭外徑/mm
340
210
法蘭厚度/mm
24
18
密封面d
254
144
密封面f
2
2
螺紋規(guī)格
M16
M16
其結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3.6
3．8 布管限定圓
3.8.1 尺寸
表3.6
換熱器型式
/mm
/mm
布管限定圓直徑/mm
固定管板式
600
8
584
3.8.2 結(jié)構(gòu)
圖3.7 3．9 拉桿的直徑、數(shù)量和尺寸
3.9.1 拉桿的結(jié)構(gòu)
由于換熱管的直徑為19mm，常采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)，如下：
圖3.8
3.9.2拉桿的尺寸
圖3.9
表3.7
拉桿螺紋公稱直徑/mm
數(shù)量
基本尺寸
拉桿直徑d/mm
/mm
/mm
/mm
12
4
12
15
≥50
2.0
3.9.3 拉桿孔
圖3.10
3.9.4 拉桿的布置
拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣。對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。
3.9.5 其他
拉桿數(shù)量與直徑表查取，本換熱器殼體內(nèi)徑為600mm，故其拉桿直徑為φ12拉桿。
3．10 折流板和支持板
3.10.1 折流板
該換熱器采用單弓形折流板，其流動方式和結(jié)構(gòu)形式如下：
圖3.11
圖3.12
弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑得25％，則切去得圓缺高度為
H=0.25×600=150mm
折流板間距B，最小的距離為殼體直徑的1/3—1/2，且不應小于50mm，取B=0.3D，則
B=0.3×600=180mm
折流板數(shù)：
=傳熱管長/折流板間距-1=2250/180-1=11.5≈11塊
由殼體的公稱直徑DN=600mm，選取換熱管無支撐跨距300mm，查換熱器設(shè)計手冊表1-6-26知：
折流板或支撐板的最小厚度為4mm，取折流板的厚度為6mm。
折流板名義外直徑=DN4.5=595.5mm，
折流板外直徑允許偏差
由于此換熱器的殼程為單相潔凈流體，折流板缺口應水平上下布置，如下圖所示：
圖3.13
折流板圓缺面水平裝配
數(shù)量不得少于4個。
3.10.2 支撐板
一般換熱管無支撐跨距小于最大跨距，所以無需設(shè)置支撐板，但由于浮頭式換熱器需設(shè)置支持板，此支持板可采用加厚的環(huán)板。
3.10.3 折流板的布置
一般因使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口接管，其余折流板等距
離布置，靠近管板的折流板與管板間的距離如圖所示：
圖3.14
其尺寸按下式計算
式中 =
dH—接管外徑
c=4S，S為壁厚
所以，C=50mm，無防沖板時，可取防沖板長度 =
可算出 +c=185.5mm
所以 =(185.5+219/2)- (36-4)=263mm
折流板切口尺寸 h=0.2×600=120mm
3．11 防沖板或?qū)Я魍?
因為水u<=3.0m/s，滑油（己烷）： ，所以，管程和殼程都不設(shè)防沖板或?qū)Я魍病?
3．12 支座
由鞍座材料Q235-B查JB/T 4712-92，選取B型鞍式支座，其結(jié)構(gòu)及尺寸如下：
圖3.15
圖3.16
表3.8
公稱直DN/mm
允許載荷Q/KN
鞍座高度h/mm
底板/mm
腹板δ2/mm
600
165
200
550
150
10
8
筋板/mm
墊板/mm
螺栓間距
弧長
e
300
120
8
710
200
6
36
400
3．13 外頭蓋側(cè)法蘭
依工藝條件、殼側(cè)壓力、溫度及公稱直徑DN=700mm，按JB4703-92長頸法蘭標準選取，并確定各部分尺寸，并畫出結(jié)構(gòu)草圖及尺寸如下：
圖3.17
表3.9
公稱直徑DN/mm
D/mm
700
840
800
765
755
752
50
105
25
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
M20
32
17
14
12
22
12
23
3．14 管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭
依工藝條件，管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力的最大值，以及設(shè)計溫度和公稱直徑DN=600mm，按JB4703-92長頸法蘭標準選取，并確定各部分尺寸，并畫出結(jié)構(gòu)草圖，如下圖所示：
表3.10
公稱直徑DN/mm
D/mm
600
740
700
665
655
652
44
105
25
螺栓規(guī)格
螺栓數(shù)量
M20
28
17
14
12
22
12
23
圖3.18
3．15 固定端管板
依據(jù)所用的管法蘭管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸,確定固定端最大外徑為D=638mm。
3．16 排氣和排液管
排氣口和排液口直徑不小于15mm，設(shè)置的位置分別在殼體中的最高點和最低點。由于采用了四管程結(jié)構(gòu)，所以設(shè)置應有一定的偏離。排氣、排液接管的端部必須與殼體或接管內(nèi)壁平齊。
圖3.19
3．17 防短路結(jié)構(gòu)
3.17.1 旁路擋板 如下圖：
表3.11
可知：旁路擋板應要2對，其厚度與折流板的厚度相同。其結(jié)構(gòu)如下：
圖3.20
3.17.2 擋管
擋管為兩端堵死的換熱管，設(shè)置于分程隔板槽背面兩管板之間，擋管與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板點焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。
擋管應每隔3-4排換熱管設(shè)置一根，但不應設(shè)置在折流板缺口處。擋管伸出第一塊及最后一塊折流板或支持板的長度應不大于50mm,擋管應與任意一塊折流板焊接固定。
圖3.21
3．18 連接
3.18.1 換熱管與管板的連接
因無較大震動和間隙可采用強度焊接，且管板與換熱管采用焊接連接時，管板的最小厚度應滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的要求，且不小于12mm。
如下圖：
圖3.22
表3.12
換熱管規(guī)格：
外徑壁厚/mm
換熱管最小伸出長度
最小坡口深度
l2/mm
l1/mm
192
1.5
2
3.18.2 管板與殼體、管箱的連接如下所示：
圖3.23
其中，δ=28mm
4 換熱器的強度校核
4．1 筒體壁厚校核
由工藝設(shè)計給定溫度42.5℃，設(shè)計壓力0.5MPa，選用低合金鋼板Q235-B卷制，此材料42.5℃時的允許應力=113MPa，取焊縫系數(shù)φ=1.0，腐蝕裕度=1mm，則
計算厚度 ==1.33mm
設(shè)計厚度 =1.33+1=2.33mm
名義厚度 =2.33+1=3.33mm，圓整后，取=4mm
有效厚度 =4-1-1=2mm
水壓試驗應力 =1.25×0.5×1=0.5625MPa
所選材料的屈服應力 =235 MPa
水壓試驗校核==85.2 MPa
因為0.9=0.9×325×1=292.5 MPa，σT=85.2 MPa<292.5，則水壓強度滿足要求。
由于介質(zhì)非易燃和毒性程度為非極度，且允許由微量泄漏，所以不需進行氣密性試驗。
4．2 外頭蓋短節(jié)和封頭厚度校核
外頭蓋內(nèi)徑=700mm，其余條件，參數(shù)同筒體。
短節(jié)計算壁厚 ＝=1.55mm
短節(jié)設(shè)計厚度 ＝1.55+1=2.55mm
短節(jié)名義厚度 =2.55+1=3.55，圓整后，取=6mm, =1.1
滿足要求。
有效厚度 =6-1-1 =4
壓力試驗應力校核
==49.5MPa
則σT <0.9=0.9×325×1=292.5 MPa
故，壓力實驗滿足強度要求。
由前述可知：外頭蓋封頭選用標準橢圓封頭，
封頭計算厚度
S=＝=1.55mm
封頭設(shè)計厚度 ＝1.55+1=2.55mm
封頭名義厚度 =2.55+1=3.55，圓整后，取=8mm, =1mm，滿足要求。
有效厚度 =8-1-1=6mm
壓力試驗應力校核
= =33.09 MPa
則σT<0.9=0.9*325*1=292.5 (MPa)
壓力實驗滿足強度要求。
4．3 管箱短節(jié)和封頭厚度校核
由工藝設(shè)計給定設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計溫度34℃,設(shè)計壓力0.5 MPa，選用Q235-B鋼板，材料許用應力=113 MPa，屈服強度=235 MPa,取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2mm，
計算厚度 ==1.55mm
設(shè)計厚度 =1.55+2=3.55mm
名義厚度 =3.55+1=4.55mm，圓整后，結(jié)合考慮開孔補強及結(jié)構(gòu)需要取 =8mm，
有效厚度 =8-2-1=5 mm
壓力實驗在這種條件下一定滿足，管箱封頭取用強度在這種條件下一定滿足。
4．4 管箱短節(jié)開孔補強的校核
開孔補強采用等面積補強法，由工藝設(shè)定的接管外徑為φ108 ×5mm，考慮到實際情況選用20號熱軋?zhí)妓劁摴?130MPa, =1mm。
接管計算壁厚 ＝=0.21mm
接管有效厚度 ＝5-1-1=3 mm
開孔直徑 d=+2C=108-2×5+2×2=102 mm
接管有效補強寬度 B=2d=2×102=204mm
接管外側(cè)有效補強高度 ==22.6 mm
需要補強面積 A=d·S=102×1.55=158.1（此處S為管箱的厚度）
可以作為補強的面積為
=(B-d) ·( )=(204-102) ×(5-1.55)=351.9 mm2
=2×22.6×(3-0.21) ×130/170=96.44mm2
此處，A1—殼體多余金屬面積
A2—接管多余金屬面積
則，+=351.9+96.44=448.34＞=A=187.7mm2，故，該接管補強的強度足夠,不需另設(shè)補強圈。
4．5 殼體接管開孔補強校核
同理，開孔補強采用等面積補強法，由工藝設(shè)計給定的接管厚度為φ219×10，考慮實際情況選取20號熱扎鋼管φ219×10, =137MPa, =1mm， 取C1=1.5mm。
接管計算壁厚 ==0.4mm
接管有效厚度 ==10-1-1.5=7.5mm
開孔直徑 d=+2C=219-10×2+2(1+1.5)=204mm
接管有效補強寬度 B=2d=2×204=408mm
接管外側(cè)有效補強高度 ==45.1mm
需要補強面積 A=d·S=204×1.33=271.32，（此處S為殼體厚度）
可以作為補強的面積為
=(B-d)·( )=(408-204)×(2-1.33)=204×0.67=136.68mm2
=2×45.1×(7.5-0.4)×130/170=489.73mm2
此處，A1—殼體多余金屬面積
A2—接管多余金屬面積
則+=136.68+489.73=626.41>A=271.32mm，故，該接管補強的強度足夠,不需另設(shè)補強圈。
4. 6 固定管板的校核
固定管板厚度設(shè)計采用BS法。
假設(shè)管板厚度 b=30mm
總換熱管數(shù)量 n=260
一根管壁金屬的截面積為
0.785× =106.76
開孔強度消弱系數(shù)(4程) μ=0.5
兩管板之間換熱管有效長度(去掉兩管板厚度) L=2158 mm
計算系數(shù)K
=
b――管板厚度（不包括厚度附加量）
D――筒體內(nèi)徑
則， =＝22.6 K=4.7
按管板簡支考慮，根據(jù)K值查圖4-45、圖4-46、圖4-47可知，系數(shù)=3.3，＝－0.68，=3.5
筒體內(nèi)徑截面積 A= 0.785×6002=282743mm2
管板上管孔所占的總截面積 C=n/4=×260×19×19/4=73680mm2
系數(shù) ==
系數(shù) ==260×106.76/()=0.132
殼程壓力 =0.5MPa， 管程壓力 ＝0.5MPa
當量壓差 pa=ps－pt(1+β)=0.5－0.5(1+0.132)= －0.66MPa
管板最大應力 ==13.09MPa
管子的最大應力
=＝－17.35MPa
管板采用16Mn鍛 =150MPa
換熱管采用20號碳素鋼 ＝130 MPa
=13.09 MPa<1.5 =1.5×150=225 MPa
=-17.35 MPa<1.5 =1.5×130=195 MPa
管板計算厚度滿足強度要求?？紤]管板雙面腐蝕取，分程隔板槽深取4mm，實際管板厚為38mm。
4．7 浮頭管板及鉤圈校核
換熱管材料 20#，根據(jù)GB150——1998表4－3，表F2，表F5可知：
設(shè)計溫度下許用應力 ＝130MPa
屈服點 ＝219 MPa
彈性模量 ＝190800 MPa
管板材料16Mn鍛件，根據(jù)GB150——1998 表F2，表F5可知：
設(shè)計溫度下的許用應力 ＝149.7 MPa
彈性模量 ＝202700 MPa
許用拉脫力按表1-9-5可知：
KN ＝0.5×130=65 MPa
浮頭式換熱器浮頭管板的厚度不是由強度決定的，由GB151-1999知：
管板厚度
管板設(shè)計壓力，由于不能保證和在任何情況下都同時作用，故MAX(,)=0.5MPa；=0.5
所以， ==0.009
管板布管區(qū)的當量直徑 =584mm
根據(jù) = 式中，L應為換熱管的有效長度，但由于管板厚度尚未計算出，暫時用管子中長來代替進行計算，待管板厚度計算出，再用有效長度核算。
L= ×(管端外伸出長度)
＝＝4030MPa
＝=0.039
＝
=1.078
查圖可得到，系數(shù)C=0.325，管板計算厚度由得：
==17.9mm
又由于管板名義厚度不應小于下列三部分之和,即
=[MAX(,)+]
殼程腐蝕裕量 =2mm
管程腐蝕裕量 =2mm
殼程側(cè)隔板槽深 =0 mm
管程側(cè)隔板槽深 =4 mm
所以，=17.9+4+2=23.9mm，圓整后，取=28mm
鉤圈采用B形，材料與浮頭管板相同，設(shè)計厚度按浮頭厚度加16mm，即 δ=38+16=44mm。
4．8 無折邊球封頭計算
浮頭蓋上無折邊球形封頭的計算，按內(nèi)壓球殼計算, .選用16Mn鍛, 在設(shè)計條件下其=150，查表GB151-98表46知，封頭=500mm，按式計算得：
= =3.26mm
由于雙面腐蝕，取=3 mm，設(shè)計厚度取8mm。
4．9 浮頭法蘭計算
根據(jù)GB 151-1999， 計算方式符號如下圖
設(shè)計條件
計算壓力
設(shè)計溫度t=42.5
法蘭
材料16Mn 鍛
許用應力
[σ]t =150MP
設(shè)δf=85mm, mm
螺栓
材料 40Cr
許用應力
[σ]t=685 MPa
墊片及螺栓計算
墊片材料碳鋼-石棉纏繞密封
b=10mm
y=25.0mm
M=2.5MPa
螺栓直徑 23
螺栓數(shù)量 16
Fp=6.28DGbmpc=6.28×584×10×2.5×0.5=45.84KN
F=0.785DG2pc=0.785×5842×0.5=133.86KN
Wa=3.14DGyb=3.14×584×25×10=458.44KN
F+Fp=402.4KN
=
操作情況下法蘭受力
力臂 mm
力矩N·mm
33.5
8907.6
36.5KN
=27.5
=1003.75
-41.67KN
=30.5
=-1257
=266KN
=20.66
=5495
操作狀態(tài)下法蘭總力矩=3131N·m
操作狀態(tài)
操作狀態(tài)
的值不應小于兩倍球封頭厚度取值為58
圖4.1
4參考文獻
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5 翻譯
5.1 英文原文
Shell-and-tube and plate heat exchanger water Comparative Analysis
Abstract: Through the closed cycle cooling water system in thewater water heat interchanger shaping, in detail elaborated the shell type and the disc heat interchang
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