1、进口温度T1=230，出口温度为T2=180流量为m1=6400Kg/h；冷侧：进口温度为t1=20，出口温度为t2=60。传热计算（热负荷计算）热负荷：Q=m1CP11（T1-T2）=m2CP22（t2-t1）式中：m2,m1冷热流体的质量流量，kg/s； CP2,Cp1冷热流体的定压比热，J/（kgk）； t1, t2 冷流体的进、出口温度，k； T1,T2热流体的进、出口温度k（1） 热流量依据式Q1=m1Cp1T有Q1=m1Cp1T=64002.743650=877952 KJ/h=243.87KW （2） 平均传热温度差 先按逆流计算,依下式得：tm=t1-t2lnt1t2=210-
2、120ln210120=160.82（3） 传热面积 由教材P59页表2-19选取K=160,则估算的传热面积为:AP=Q1Ktm=243.87103160160.82=9.48（4） 冷水用量 m2=Q1t2CP2=8779524.17440=5258.5 Kg/h2.5 工艺结构尺寸（1） 管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔碳钢传热管,取管内流速u=0.2 m/s（2） 管程数与传热管数依据下式确定换热管的单程管字数:ns=V4di2u式中 ns单程管子数 V管程流体的体积流量，m3/s di传热管直径， u管内流体流速，m/sQ1=243.87KWtm=160.82AP=9.48m
3、2=5258.5 Kg/h u=0.2 m/s则 ns=V4di2u=6400686.8236000.7850.0220.2=41.2142ns=42按单管管程计算,所需长度L=Apd0ns=9.483.140.02542=2.87 m取管长L=1500mm,则Ap=2.871.5=2 管程Ns=9.483.141.5=80.581 根（3） 平均传热温差校正及壳程数R=T1-T2t2-t1=210-18060-20=1.25P=60-20230-20=0.19按单壳程、双管程结构,查得：t=0.97平均传热温差tm=ttm=0.97160.82=156.0 （4） 传热管排列和分程方法采用组
4、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。取中心距a=1.25d0，则a=1.2525=31.2532隔板中心到离其最近的管子中心距离为：S=a2+6=322+6=22则各相邻管的管心距为 t=2S=44,管束的分程方法,一程为40根,另外一程为41根排管图如下所示：（5） 壳体内径采用双管程结构，壳体内径可按正方形排列估算。取管板利用率=0.7，则壳体内径为：L=2.87 mL=1500mmAp=2Ns=81根R=1.25P=0.19t=0.97tm=156.0a=32S=22t=44=0.7D=1.05aNT=1.0532810.7=361.44按卷制壳体的进级档5010
5、0，取D=400（6） 折流板 本次设计采用单弓形折流板,却弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的1/4,则h为h=0.25D=0.25400=100取折流板间距B=0.4D=160则折流板的数目为N=DB-1=8.378 根但是根据实际接管的位置及布局,最终根据画图所得取N=7 块2.6 换热器核算2.6.1 热流量核算1） 壳程表面传热系数a0用克恩法计算：a0=0.36deRe00.55Pr13w1.14当量直径,按三角形排列计算:de=432pt2-4do2do=4320.042-40.03220.032=0.02m 壳程流通截面积S0=BD1-d0a=0.160.41-0.0250.032
6、=0.014壳体流速和雷诺数分别为u0=V0S0=5258.5（3600992.2）0.014=0.105m/sRe=deu0=0.0200.105992.20.65310-3=3190普朗特系数查得Pr=4.31粘度校正w1,则:a0=0.360.6340.02031910.554.311310.14=1562.8 W/（K） 2）管内表面传热系数i （无相变）i=0.023idiRe0.8Prn管内流体被冷却,n=0.3管程流速和雷诺数分别为ui=ViSi=64003600686.80.785812=0.204m/sRe=0.020.204686.80.68210-3=4084.8普朗特系
7、数Pr=2.7431030.68210-30.135=13.86i=0.0230.1350.0204084.80.813.860.4=389.21W/（K） 3）污垢热阻和管壁热阻 按书上P65可取管外侧污垢热阻 R0=0.2610-3 K/W管内侧污垢热阻 Ri=1.056管壁热阻,碳钢在205的条件下的热导率为w=44.19W/（mK）,所以Rw=bw=0.002544.19=5.6610-5K/W4） 传热总系数KC为Kc=1d0idi+Rid0di+Rwd0dm+R0+10算得KC=182W/（K）5） 传热面积裕度传热面积AC为AC=QKtm=243.87103182160.82=8
8、.33则该换热器的面积裕度为H=AP-ACAC=9.48-8.338.33=13.6传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。2.6.2 壁温核算按最不利的条件计算，即取两侧污垢热阻为零计算，热力学平衡公式为Q=hAhTm-Tw=cActw-tm热流体的换热面积为 Ah=d0l=7.63热流体的换热面积为 Ac=dil=9.531） 传热管壁温TTw=205-2438707.63389.21=122.87tw=30+24387015629.53=46.38则热管壁为T=Tw+tw2=84.622） 壳体壁温t由于壳程水的温度不高,可近似取为流体的平均温度,则t=t1+t22=403） 壳体壁
9、温与传热管壁温之差为T=T-t=84.62-40=40.62 该温差比较大,需要设置温度补偿设备,所以采用波形膨胀节进行补偿。2.7 换热器内流体的流动阻力2.7.1 管程阻力PtPt=Pi+PrNSNpFs取管程结垢校正系数FS=1.5直管阻力Pi为Pi=ildiu22=0.0481.50.02686.80.20422=51.44 Pa局部阻力Pr为Pr=u22=30.20422=42.87 Pa则Pt=51.44+42.87121.5=282.93 Pa2.7.2 壳程阻力PsPs=P0+PiNSFs其中壳程结垢校正系数Fs=1.15正方形排列，则：NT=1.19NT0.5=1.19810
10、.5=10.71流通面积S0=BD-NTCd0=0.16（0.4-10.710.02）=0.029管子排列形式对阻力的影响,正三角形取F=0.5壳程流体摩擦因子f0为f0=5Re0-0.228=53191-0.228=0.794壳程流体横过管束的最小流速为u0u0=V0S0=5258.53600992.20.029=0.05 m/sP0=Ff0NTCNB+1u022=47.46 PaPi=NB3.5-2BDu022=26.78 Pa则：Ps=47.46+26.781.151=85.37 Pa（3） 总阻力为P=Pt+Ps=282.93+85.37=368.30 PaD=400h=100B=16
11、0N=7 块de=0.02mS0=0.014u0=0.0105m/sRe=3190Pr=4.31w1a0=1562.8W/（K） n=0.3ui=0.204m/sRe=4084.8Pr=13.86i=389.21W/（K） R0=0.2610-3K/W Ri=1.05610-3 K/W Rw=5.6610-5K/W KC=182W/（K）AC=8.33H=13.6Ah=7.63Ac=9.53Tw=122.87tw=46.38T=84.62t=40T=40.62FS=1.5Pi=51.44 PaPr=42.87 PaPt=282.93 PaFs=1.15NT=10.71S0=0.029F=0.5
12、f0=0.794u0=0.05 m/sP0=47.46 PaPi=26.78 PaPs=85.37 PaP=368.30 Pa2.8 换热器的主要结构尺寸和计算结果到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，其计算结果如下表2-1所示：表2-1参数管程（油）壳程（软水）流率/（kg/h）64005258.5进/出口温度/230/18020/60压力/MPa0.101物性定性温度/20540密度/（kg/）686.82992.2定压比热容/（kJ/（kgK）2.74364.174粘度/（Pas）10-30.653热导率/W/（mK）0.1350.
13、63413.864.31续表2-1设备机构参数形式固定管板式台数1壳体内径/400壳程数管径/252.5管心距/32管长/1500管子排列管数目/根81折流板数/ 个7传热面积/9.48折流板间距/160管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.2040.105表面传热系数/（W（389.211562.8污垢热阻/（K/W）0.001050.00026阻力/MPa282.9385.37热流量/kW243.87传热温差/K40.62传热系数/（W（182裕度/13.63 换热器结构设计与强度校核在第一部分进行工艺计算结束后,应进行下一步:开始换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算
14、。这一过程主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、接管计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆、膨胀节等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下：3.1 壳体与管箱厚度的确定 根据计算得出的软水进出口温度，选择设计温度为80；设计压力为1.0Mpa。3.1.1 壳体和管箱材料的选择 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、
15、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。3.1.2 圆筒壳体厚度的计算及校核焊接方式：选为双面焊对接接头，全部进行无损探伤，故焊接系数=1.0；根据GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对16MnR钢板其：C1=0.6;C2=2材料在80的许用应力T=170MPa（厚度为616mm时）壳体计算厚度按下式计算为：=PcDi2t-Pc=4001.021701.0-1.0=1.18设计厚度为： d=+C2=1.18+2=3.18mm 名义厚度n=d+C1+=4mm（其中为向上圆整量） 查其最小厚度为6mm，则此
16、时厚度不满足要求,取n=6mm有效厚度为e=n-C1-C2=6-0.6-2=3.4 mm水压试压压力为PT=1.25PCt=1.251.0170170=1.25 MPa所选材料的屈服应力为s=345 MPa水压试压应力T=PTDi+e2e=1.25（400+3.4）23.4=74.15 MPa水压试压应力校核T=74.15 MPa0.9s=0.93251.0=292.5 MPa即水压试压强度满足要求,设计的厚度是合适的。=1.0T=170MPa=1.18mmd=3.18mmn=6mme=3.4 mmPT=1.25 MPas=345 MPaT=74.15 MPa3.1.3 管箱厚度计算及校核此时
17、选用标准椭圆形封头，材料为16MnR,故K=1，且同前面一样，其中C1=0.6mm;C2=1mm，采用双面焊对接接头，部分进行无损探伤的焊接形式，取=0.85材料在205的许用应力为T=156 MPa则封头计算厚度为：h=KPcDi2t-0.5Pc=140021560.85-0.51.0=1.51mm设计厚度 dh=h+C2=1.51+2=3.51mm 名义厚度 nh=dh+C1+=5 mm （为向上圆整量）； 考虑到和法兰及管板连接的最小厚度取nh=6 mm有效厚度ne=nh-C1-C2=6-0.6-2=3.4 mm水压试压压力PnT=1.25PCt=1.25170156=1.36 MPa水
18、压试压应力为nT=PnTDi+ne2ne=1.363.4=80.68 MPa水压试压校核nT=80.68 MPa0.85=248.625 MPa K=1C1=0.6mm;C2=1mm=0.85T=156 MPah=1.51mmdh=3.51mmnh=6 mmne=3.4 mmPnT=1.36 MPanT=80.68 MPanT0.9s查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下表3-1：表3-1 DN400标准椭圆形封头参数DN（mm）总深度H（mm）直段长度l（mm）内表面积A（）容积（m3）封头质量（）1251000.20490.01159.7 封头处的厚度同前管箱短
19、节部分的厚度一样,为6mm。3.2 隔板 隔板与管箱采用角接焊,与管板进行开槽密封连接。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为8mm。焊接方式如下图3-1所示:图3-13.3接管设计3.3.1 壳程接管（1） 壳程接管公称直径DN壳程进出口接管:取接管内软水的流速为u1=2 m/s则直径为:d1=4qvu1=45258.53600992.23.142=0.306 m按照钢管厚度系列，取公称直径DN=32 mm可选接管的规格为323，接管的材料选为20号钢。u1=2 m/sDN=32 mm（2） 接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径，公称压力可查HG2
20、05922063597钢制管法兰、垫片、紧固件，选择板式平焊钢制管法兰，其具体尺寸如下表3-2所示：表3-2法兰参数公称直径DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓TH3812090144M121619具体形式如图3-2所示：图3-2（3） 接管高度（伸出长度）L=h+h1+l=16+10.8+10+30=66.8 mm圆整,取L=70 mmL=70 mm3.3.1 管程接管（1） 管程接管公称直径DN取接管内软水的流速为u2=2 m/sd2=4qvu2=464003600686.83.142=0.406 m按照钢管厚度系列，取公称
21、直径DN=40 mm可选接管的规格为402.5，接管的材料选为20号钢。u2=2 m/sDN=40 mm（2） 接管法兰形式与尺寸根据接管的公称直径，公称压力可查HG205922063597钢制管法兰、垫片、紧固件，选择板式平焊钢制管法兰，其具体尺寸如下表3-3所示：表3-3法兰参数45130463.3.2 排液口、排气口 排液口和排气口的公称直径大小一般不小于15 mm,本次采用的公称直径为30 mm。3.4 开孔补强根据GB150-2011，允许不另行补强的最大接管外径是=89 mm，本次设计的壳程接管、管程接管、排液口和排气口均小于=89 mm，因此不需要另行考虑开孔补强问题。3.5 法
22、兰与垫片3.5.1管箱法兰与封头法兰管箱与法兰、封头与法兰均采用对接焊，查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，平面密封面，材料为锻件20MnMo，其结构如图3-3，其具体尺寸如下表3-4：（单位为mm）图3-3表3-4 DN400长颈对焊法兰尺寸DN法兰螺柱对接筒体最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd规格数量54050046545545234952517122223M202063.5.2 垫片查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，结构如图3-4所示，其尺寸如表3-5：图3-4表3-5 管箱垫片尺寸PN（Mpa）外径D（mm）内径d（mm）垫片厚度反包厚度1.045442233.6 管板设计3.6.1管板厚度设
