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板式冷却器其缺点因为壳体为方箱形

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-07-05 03:40

  换热器的结构_物理_自然科学_专业资料。换热器的结构 管壳式换热器就是具有换热管和壳体的一种换热设备,换热管与管板连接,再用壳体固定。 按其结构型式,主要分为:固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式 换热器、方形壳体翅片

  换热器的结构 管壳式换热器就是具有换热管和壳体的一种换热设备,换热管与管板连接,再用壳体固定。 按其结构型式,主要分为:固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式 换热器、方形壳体翅片管换热器等。详细结构如下: 固定管板式换热器: 固定管板式换热器结构如上图所示,换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换 热管可为光管或低翅管。其结构简单,制造成本低,能得到较小的壳体内径,管程可分成多 样,壳程也可用纵向隔板分成多程,规格范围广,故在工程中广泛应用。 其缺点是壳侧不便清洗,只能采用化学方法清洗,检修困难,对于较脏或对材料有腐蚀性 的介质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大,当温差应力很大时,可以设置单波或多波 膨胀节减小温差应力 浮头式换热器 浮头式换热器结构如图所示,其一端管板与壳体固定,而另一端的管板可以在壳体内自由 浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的,故当两种介质的温差较大时,管束与壳体之间不会产 生温差应力。浮头端设计成可拆结构,使管束可以容易地插入或抽出,这样为检修和清洗提 供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大,而且要求壳程与管程 都要进行清洗的工况。 浮头式换热器的缺点是结构复杂,价格较贵,而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况, 所以装配时一定要注意密封性能 U 形管式换热器 上图为双壳程 U 形管式换热器。U 形管式换热器是将换热管弯成 U 形,管子两端固定在同 一块管板上。由于换热管可以自由伸缩,所以壳体与换热管无温差应力。因 U 形管式换热 器仅有一块管板,所以结构较简单,管束可从壳体内抽出,壳侧便于清洗,但管内清洗稍困 难,所以管内介质必须清洁且不易结垢。U 形管式换热器一般用于高温高压情况下,尤其是 壳体与换热管金属壁温差较大时。 壳程可设置纵向隔板,将壳程分为两程(如图中所示)。 填料函式换热器 上图为填料函式双管程双壳程换热器,填料函式换热器的换热管束可以自由滑动,壳侧介质 靠填料密封。对于一些壳体与管束温差较大,腐蚀严重而需经常更换管束的换热器,可采用 填料函式换热器。它具有浮头换热器的优点,又克服了固定管板式换热器的缺点,结构简单, 制造方便,易于检修清洗。 填料函式换热器的缺点:使用直径小;不适于高温、高压条件下;壳程介质不适于易挥发、 易燃、易爆、有毒等介质 方形壳体翅片管换热器: 方形壳体翅片管换热器的壳体为方箱形(如上图所 示),其换热管为带翅片的翅片管。换热管可为单 排或多排换热管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、 铝或铜材等。翅片的翅高、翅距和翅片厚度可根据实际工况而定。 这种形式的换热器因为采用了翅片管,可大大强化传热面积,所以特别适用于给热系数较 低的流体。壳程流通面积可设计较大,流动阻力较小,所以对于压力较低和对压力降要求较 小的流体特别适用。在实际生产中,常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。 其缺点:因为壳体为方箱形,虽然管程可承受高压介质,但壳程只能承受较低压力的介质。 这种换热器的金属消耗量大,制造成本较高。 在实际生产装置中,为提高壳程的耐压能力,往往将壳体做成圆形,而管束采用方形布管。 结构可参见下面附图 左图为我 厂设计制 造的空气 段间冷却 器的剖视 图。该换 热器的管 束采用方 形排列的 翅片管, 管束长度 为 3.7m。 为提高壳 体的承压 能力,壳 体采用圆 筒形,直 径 900mm。 换热管为紫铜整体轧制翅片管,翅片外径 36mm,翅片根径为 20mm,换热管内径 16mm, 翅片间距 2.5mm,翅片厚度为 0.5mm,换热总面积为 440m2。 空气条件: 流量:30000Nm3/h 温度:100-40?C 工作压力:0.1MPa 压降:150mm 水柱 总热负荷:597000kcal/h 管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换 热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管,也可为带翅片的翅 片管,翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管 等,材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形,也可为方 形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成 多程,以满足工艺需要。 管壳式换热器在结构设计时,必须考虑许多因素,例如传热条件、材料、介质压力、温度、 管壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等,从而确定一种适合的 结构形式。对于同一种形式的换热器,由于各种不同工况,往往采用的结构并不相同。在工 程设计中,应按其特定的条件进行分析设计,以满足工艺需要。 换热面积的计算 在管壳式换热器的设计中,确定了一种换热器的结构形式后,首先必须 确 定 的 一 个 重 要 因 素 是 有 效 换 热 面 积 ,换 热 面 积 的 多 少 决 定 了 换 热 器 的 大 小 。 如果换热面积太小,使工艺过程不能实现,使换热器介质出口温度不能得到 有效控制。如果换热面积太大,不仅造成材料的浪费,增加投资,而且增大 了换热器的体积,使其占据过多的空间。 计 算 换 热 面 积 的 一 个 重 要 参 数 是 总 传 热 系 数 ,它 包 括 冷 热 介 质 的 给 热 系 数 、 介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系 数。介质的给热系数不仅与介质的物性有关,而且与介质的流动状态有关。 介质的流动状态是由换热器的结构决定的,如果换热器的结构作很小改动, 将引起介质流动状态作较大的变化。在一个换热器中,同一种介质的温度是 不断变化的,所以在换热器中的不同位置,同一种介质的热力学数据因温度 的不同而不同。在实际计算中,往往将一种介质分成许多个温度区域,在不 同 的 温 度 区 域 ,对 介 质 的 热 力 学 数 据 作 相 应 的 计 算 。在 换 热 器 的 设 计 过 程 中 , 换热面积的确定是为关键的一步,它不仅需要计算方法正确严密,而且各 种参数必须十分。 换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程,往往须不断地调整换热器 的结构参数。而管壳式换热器的结构参数很多,其中一项的改变将会使计算 结果产生很大变化,所以需要不断的反复,不仅要使换热面积满足需要,而 且还应兼顾到其它许多因素,例如介质阻力情况等等。 流体阻力的计算 在管壳式换热器的分析设计中,流体的阻力计算是极为重要的,流体的 阻力对于工艺过程是较为关键的参数,它不仅影响到整个系统的压力平衡, 而且对于节能降耗也起到重要的作用。在实际生产中,常常由于流体阻力不 适而使工艺过程难以实现。在管壳式换热器中,流体的阻力包括壳程流体的 阻力及管程流体的阻力。 壳 程 流 体 阻 力 包 括 介 质 进 口 管 、出 口 管 、换 热 管 间 、折 流 板 缺 口 等 处 阻 力 。 介质进出口管阻力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管间的介 质阻力可以通过改变换热管间的介质流通面积来进行调节,例如改变换热管 的布管形式,改变壳体直径,改变折流板间距等。折流板缺口处的介质阻力 可以通过改变折流板缺口高度来进行调节。 管 程 流 体 的 阻 力 包 括 介 质 进 出 口 管 、换 热 管 内 、管 箱 等 处 阻 力 。介 质 进 出 口管阻力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管内的介质阻力可 以通过改变换热管的数量,换热管的长度,换热管的直径以及管程数等来进 行 调 节 。管 箱 处 的 介 质 阻 力 可 以 通 过 改 变 管 箱 处 的 介 质 流 通 面 积 来 进 行 调 节 。 换 热 器 中 流 体 的 阻 力 计 算 ,应 分 别 计 算 出 换 热 器 内 部 各 处 的 流 体 阻 力 。只 有掌握了介质阻力的分布情况,才能够通过有效调整换热器各处的结构尺寸 来改变介质的阻力,从而满足工艺要求。 管束震动分析 对 于 管 壳 式 换 热 器 ,一 个 容 易 被 忽 视 的 问 题 是 换 热 管 的 振 动 。而 换 热 管 束 的 振 动 往 往 是 换 热 管 破 坏 的 主 要 原 因 ,使 换 热 器过早报废。 引起换热管振动的因素很多,也较复杂。当介质流量接近使 换 热 管 产 生 共 振 的 临 界 流 量 时 ,将 引 起 换 热 管 束 产 生 较 大 的 振 动 。另 外 换 热 器 内 部 介 质 的 局 部 湍 流 、涡 流 也 会 引 起 换 热 管 振 动。 换热管振动的位置较广,可以是某两个折流板间的所有换热 管 同 时 产 生 振 动 ,或 只 有 几 排 换 热 管 产 生 振 动 。也 可 能 是 在 介 质 进 口 或 出 口 端 的 某 些 换 热 管 产 生 振 动 。总 之 ,换 热 管 的 振 动 可能发生在换热管束的任何一处或多处。 换热器的管束振动分析,就是要确定换热管的振动位置以及 振 动 性 质 ,了 解 引 起 换 热 管 产 生 振 动 的 原 因 ,从 而 消 除 换 热 管 的 振 动 。消 除 换 热 管 振 动 的 方 法 有 很 多 ,可 以 通 过 改 变 换 热 器 的 结 构 尺 寸 来 改 变 换 热 管 束 的 固 有 频 率 或 流 体 的 流 动 状 态 ,从 而 消 除 换 热 管 的 振 动 。或 者 在 换 热 管 束 的 振 动 部 位 增 加 局 部 支 撑板,来约束换热管的振动。 换热器网络分析 在一个工程系统中,往往不是对单一的某台换热器进行分析,常常是对 由多个换热器组成的网络进行联合计算,其间还有一些其它设备(例如:阀 门 、 混 合 、 分 离 等 设 备 )。 下 图 为 一 个 简 单 的 换 热 器 网 络 。 对 一 个 换 热 器 网 络 应进行综合的考虑并进行系统的分析。 在一个工程系统中,往往不是对单一的某台换热器进行分析,常常是对 由多个换热器组成的网络进行联合计算,其间还有一些其它设备(例如:阀 门 、 混 合 、 分 离 等 设 备 )。 下 图 为 一 个 简 单 的 换 热 器 网 络 。 对 一 个 换 热 器 网 络 应进行综合的考虑并进行系统的分析。 换热器强度计算 确定了换热器的结构及尺寸以后,必须对换热器的所有受压元件进行强 度计算。因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况,所以换热器的壳体大 多为压力容器,必须按照压力容器的标准进行计算和设计,对于钢制的换热 器,我国一般按照 GB150钢制压力容器标准进行设计,或 者 美国 ASME 标准进行设计。对于其它一些受压元件,例如管板、折流板等,可以按照我 国 的 GB151 管 壳 式 换 热 器 或 者 美 国 TEMA 标 准 进 行 设 计 。对 于 其 它 材 料 的换热器,例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。 下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算,以供参考。该换热器为 U 形 管 式 换 热 器 ,壳 体 直 径 500 mm,管 程 设 计 压 力 3.8MP a,壳 程 设 计 压 力 0.6MP a。 详细强度计算如下: 1.壳程筒体强度计算: 氮气冷却器(U 形管式换热器)筒体计算 计算条件 计算压力 Pc 0.60 MPa 设计温度 t 100.00 C 内径 Di 材料 500.00 mm 16MnR(热轧) ( 板材 ) 试验温度许用应力 170.00 MPa 设计温度许用应力 170.00 MPa t 试验温度下屈服点 s 345.00 MPa 钢板负偏差 C1 0.00 mm 腐蚀裕量 C2 1.00 mm 焊接接头系数 0.85 厚度及重量计算 计算厚度 筒体简图 mm = = 1.04 有效厚度 名义厚度 重量 e = n - C1- C2= 7.00 mm n = 8.00 mm 481.06 Kg 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 MPa PT = 1.25P = 0.7500 压力试验允许通过 T 0.90 s = 310.50 MPa 的应力水平 T 试验压力下 MPa 圆筒的应力 T= = 31.95 校核条件 校核结果 T T 合格 压力及应力计算 允许工作压力 MPa [Pw]= = 3.99014 设计温度下计算应力 MPa t 校核条件 结论 t= = 21.73 144.50 MPa t ≥ t 合格 2.前端管箱筒体强度计算 氮气冷却器前端管箱筒体计算 计算条件 计算压力 Pc 3.80 MPa 设计温度 t 100.00 C 内径 Di 材料 500.00 mm 0Cr18Ni9 ( 板材 ) 试验温度许用应力 137.00 MPa 设计温度许用应力 137.00 MPa t 试验温度下屈服点 s 205.00 MPa 钢板负偏差 C1 0.80 mm 腐蚀裕量 C2 0.00 mm 焊接接头系数 0.85 厚度及重量计算 计算厚度 筒体简图 mm = = 8.29 有效厚度 名义厚度 重量 e = n - C1- C2= 11.20 mm n = 12.00 mm 75.76 Kg 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 MPa PT = 1.25P = 4.7500 压力试验允许通过 T 0.90 s = 184.50 MPa 的应力水平 T 试验压力下 MPa 圆筒的应力 校核条件 T= T T = 127.53 校核结果 合格 压力及应力计算 允许工作压力 MPa [Pw]= = 5.10266 设计温度下计算应力 MPa t 校核条件 结论 t= = 86.72 116.45 MPa t ≥ t 合格 3.前端管箱封头强度计算 氮气冷却器前端管箱封头计算 计算条件 计算压力 Pc 3.80 MPa 设计温度 t 100.00 C 内径 Di 曲面高度 hi 材料 500.00 mm 125.00 mm 0Cr18Ni9 (板材) 试验温度许用应力 137.00 MPa 设计温度许用应力 137.00 MPa t 钢板负偏差 C1 0.80 mm 腐蚀裕量 C2 0.00 mm 焊接接头系数 1.00 厚度及重量计算 形状系数 椭圆封头简图 K= = 1.0000 计算厚度 mm = = 6.98 有效厚度 e = n - C1- C2= 11.20 mm 小厚度 min = 0.75 mm 名义厚度 n = 12.00 mm 结论 满足小厚度要求 重量 32.23 Kg 压力计算 允许工作压力 MPa [Pw]= = 6.06962 4.后端壳程封头强度计算 氮气冷却器后端壳程封头计算 计算条件 计算压力 Pc 0.60 MPa 设计温度 t 100.00 C 内径 Di 500.00 mm 曲面高度 hi 125.00 mm 材料 16MnR(热轧) (板材) 试验温度许用应力 170.00 MPa 设计温度许用应力 170.00 MPa t 钢板负偏差 C1 0.00 mm 腐蚀裕量 C2 2.00 mm 焊接接头系数 1.00 厚度及重量计算 形状系数 椭圆封头简图 K= = 1.0000 计算厚度 mm = = 0.88 有效厚度 e = n - C1- C2= 6.00 mm 小厚度 min = 0.75 mm 名义厚度 n = 8.00 mm 结论 满足小厚度要求 重量 19.61 Kg 压力计算 允许工作压力 MPa 结论 [Pw]= 合格 = 4.05567 5.管板强度计算 氮气冷却器管板计算 设计条件 0.60 MPa 壳程设计压力 3.80 MPa 管程设计压力 100.00 C 壳程设计温度 管程设计温度 100.00 C 8.00 mm 壳程筒体壁厚 12.00 mm 管程筒体壁厚 壳程筒体腐蚀裕量 C 1.00 mm 管程筒体腐蚀裕量 C 0.00 mm 500.00 mm 换热器公称直径 换热管使用场合 一般场合 管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d a 型 型) 换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 ) 焊接 材料(名称及类型) 0Cr18Ni9 名义厚度 70.00 mm 管 强度削弱系数 0.40 刚度削弱系数 0.40 材料泊松比 隔板槽面积 0.30 210.00 mm2 换热管与管板胀接长度或焊脚高度 3.50 mm l 191000.00 MPa 设计温度下管板材料弹性模量 137.00 MPa 设计温度下管板材料许用应力 许用拉脱力 68.50 MPa 壳程侧结构槽深 h1 0.00 mm 板 管程侧隔板槽深 h2 壳程腐蚀裕量 管程腐蚀裕量 材料名称 换 管子外径 d 热 管子壁厚 管 U 型管根数 n 换热管中心距 S 设计温度下换热管材料许用应力 4.00 0.00 0.00 0Cr18Ni9 19.00 2.00 138 25.00 137.00 垫片材料 压紧面形式 垫 垫片外径 Do 片 垫片内径 Di a 型 垫片厚度 g 垫片接触面宽度 垫片压紧力作用中心园直径 DG 管板材料弹性模量 (c 型) (d 管板材料弹性模量 软垫片 1a 或 1b 565.00 515.00 547.11 0.00 0.00 型) 管箱圆筒材料弹性模量 (bd 型 ) 0.00 壳程圆筒材料弹性模量 (bc 0.00 型) 管板延长部分形成的凸缘宽度 0.00 (cd 型) (c 型) (d 型) 壳体法兰或凸缘厚度 0.00 管箱法兰或凸缘厚度 0.00 参数计算 mm mm mm mm mm 根 mm MPa mm mm mm mm mm MPa MPa MPa MPa mm mm mm 管板布管区面 三角形排 积 列 正方形排 列 一根换热管管 壁 金属横截面积 = 106.81 管板开孔前抗 b c d 型 弯刚度 管板布管区当 量直径 a型 其他 系数 0.00 436.43 0.80 系数 按 和 查图得 : = 0.000000 系数 按 和 ad型 =0 查图得 : = 0.000000 b c型 a ,c 型 =0 b ,d 型 a型 =0 其他 旋转刚 度无量 刚系数 0.00 0.00 0.00 0.00 mm2 N·mm mm 系数 0.2696 按和 0.0713 管板计 算厚度 a 型 管板名 义厚度 0.0000 管板厚度或管板应力计算 取 、 大值 管板中 心处径 = 0 向应力 =0 b 布管区 周边处 =0 c 径向应 d力 =0 型 边缘处 径向应 = 0 力 =0 管板应力校核 单位:MPa 61.345 mm 66.000 mm MPa MPa MPa MPa MPa MPa b 工况 c d 型 工况 r r=0 = r r=Rt = r r=R = r r=0 = r r=Rt = r r=R = 换热管轴向应力计算及校核 : MPa (单位) 计算工况 只有壳程设计压力 计算公式 , 计算结果 -1.59 ≤ 校核 合格 管程设计压力 =0 : 只有管程设计压力 , 6.29 = ≤ 合格 壳程设计压力 =0 : 壳程设计压力 ,管 程 4.69 ≤ 合格 设计压力 同时作 用: 换热管与管板连接拉脱力校核 拉脱力 q 3.21 ≤ [q] 校核 重量 合格 64.89 MPa Kg 6.管程设备法兰强度计算 氮气冷却器管箱法兰强度计算 设计条件 简图 设计压力 p 3.800 MPa 计算压力 pc 3.800 MPa 设计温度 t 100.0 °C 轴向外载荷 F 0.0 N 外力矩 M 0.0 N.mm 壳 材料名称 0Cr18Ni9 体 许用应力 137.0 MPa 法 材料名称 # 许用 [s ]f 137.0 MPa 兰 应力 [s ]tf 137.0 MPa 材料名称 40Cr 螺 许用 [s ]b 212.0 MPa 应力 [s ]tb 189.0 MPa 栓 公称直径 d B 24.0 mm 螺栓根径 d 1 20.8 mm 数量 n 24 个 Di 500.0 Do 660.0 垫 结构尺寸 Db 615.0 D 外 565.0 D 内 515.0 δ0 16.0 mm Le 22.5 LA 31.5 h 35.0 δ1 26.0 材料类型 软垫片 N 25.0 m 2.00 y 11.0 压紧面形状 1a,1b b 8.94 DG 547.1 片 b0≤6.4mm b= b0 b0≤6.4mm DG= ( D 外+D 内 )/2 b0 6.4mm b=2.53 b0 6.4mm DG= D 外 - 2b 螺栓受力计算 预紧状态下需要的小螺栓载 Wa= πbDG y = 169119.0 荷 Wa 操作状态下需要的小螺栓载 荷 Wp Wp = Fp + F = 1127044.1 所需螺栓总截面积 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 5963.2 实际使用螺栓总截面积 Ab Ab = = 8117.5 力矩计算 操 FD = 0.785 pc N LD= L A+ 0.5δ1 mm MD= FD LD = 44.5 = 33185876.0 N N mm2 mm2 N.mm = 745750.0 作 FG = Fp N LG= 0.5 ( Db - DG ) mm MG= FG LG N.mm = 233573.5 = 33.9 = 7928625.5 Mp FT = F-FD N LT=0.5(LA + d 1 + mm MT= FT LT N.mm = 147150.2 LG ) = 6728066.0 = 45.7 外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = N.mm 47842568.0 预 W = 1492550.6 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = N.mm 紧 50664460.0 Ma 计算力矩 Mo= Mp 与 中大者 Mo=50664460.0 N.mm 螺栓间距校核 实际间距 mm = 80.5 小间距 56.0 (查 GB150-98 表 9-3) 间距 158.4 89.44 形状常数确定 h/ho = 0.4 K = Do/DI = 1.320 由 K 查表 9-5 得 整体法兰 松式法兰 查图 9-7 T=1.789 Z =3.694 查图 9-3 和图 FI=0.85944 9-4 查图 9-5 和图 FL=0.00000 9-6 f = 1.06578 整体 Y =7.145 VI=0.31415 VL=0.00000 mm mm 1.6 U=7.851 0.00961 0.00000 由得 ψ =δf e+1 =1.44 剪应力校核 g = y /T = =0.81 松式 法 法兰 = 0.0 兰= 572246.8 1.59 计算值 许用值 0.2 = 0.98 结论 预紧状态 操作状态 应力 MPa 0.00 MPa 0.00 输入法兰厚度δf = 46.0 mm 时, 法兰应力校核 计算值 许用值 结论 性质 轴向 应力 158.57 MPa =205.5 或 =342.5( 按整体法 兰设计的任 意 式法兰, 取 ) 径向 应力 切向 应力 综合 77.96 54.14 应力 118.27 法兰校核结果 MPa = 137.0 MPa = 137.0 = MPa = 137.0 校核合格 7.接管开孔补强计算 校核合格 校核合格 校核合格 校核合格 氮气冷却器开孔补强计算 接 管: a, φ219×16 设计条件 计算压力 pc 3.8 设计温度 100 壳体型式 圆形筒体 壳体材料 0Cr18Ni9 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简图 MPa ℃ 名称及类型 板材 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 500 壳体开孔处名义厚度 12 δn 0.85 mm mm 壳体厚度负偏差 C1 0.8 mm 壳体腐蚀裕量 C2 0 mm 壳体材料许用应力 137 MPa [σ]t 接管实际外伸长度 100 mm 接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 0Cr18Ni9 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材 接管腐蚀裕量 0 mm 补强圈材料 名称 补强圈外径 mm 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差 C1t 2 mm 补强圈厚度负偏差 mm C1r 接管材料许用应力[σ]t 137 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开孔补强计算 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 8.293 mm 接管计算厚度δt 2.63 mm 0 接管材料强度削弱系 1 数 fr 191 mm 补强区有效宽度 B 382 mm 接管有效外伸长度 h1 55.28 mm 接管有效内伸长度 h2 开孔削弱所需的补强面积 A 1584 mm2 壳体多余金属面积 A1 接管多余金属面积 A2 1257 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 A1+A2+A3=1876 mm2 ,大于 A,不需另加补强。 补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) 结论: 补强满足要求,不需另加补强。 0 mm 555.2 mm2 64 mm2 mm2 氮气冷却器开孔补强计算 接 管: b, φ108×6 设计条件 计算压力 pc 0.6 设计温度 100 壳体型式 圆形筒体 壳体材料 16MnR(热轧) 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简图 MPa ℃ 名称及类型 板材 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 500 0.85 mm 壳体开孔处名义厚度 8 mm δn 壳体厚度负偏差 C1 0 mm 壳体腐蚀裕量 C2 1 mm 壳体材料许用应力 170 MPa [σ]t 接管实际外伸长度 100 mm 接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB8163) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材 接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料 名称 补强圈外径 mm 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差 C1t 0.75 mm 补强圈厚度负偏差 mm C1r 接管材料许用应力[σ]t 130 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开孔补强计算 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 1.04 mm 接管计算厚度δt 0.222 mm 0 接管材料强度削弱系 0.765 数 fr 101.5 mm 补强区有效宽度 B 203 mm 接管有效外伸长度 h1 24.68 mm 接管有效内伸长度 h2 开孔削弱所需的补强面积 A 107.2 mm2 壳体多余金属面积 A1 接管多余金属面积 A2 114.3 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 A1+A2+A3=746.1 mm2 ,大于 A,不需另加补强。 补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) 结论: 补强满足要求,不需另加补强。 0 mm 595.8 mm2 36 mm2 mm2 氮气冷却器开孔补强计算 接 管: c, φ89×5 设计条件 计算压力 pc 0.6 设计温度 100 壳体型式 圆形筒体 壳体材料 16MnR(热轧) 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简图 MPa ℃ 名称及类型 板材 壳体开孔处焊接接头系数φ 0.85 壳体内直径 Di 500 mm 壳体开孔处名义厚度 8 mm δn 壳体厚度负偏差 C1 0 mm 壳体腐蚀裕量 C2 1 mm 壳体材料许用应力 170 MPa [σ]t 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 补强圈外径 补强圈厚度 接管厚度负偏差 C1t 接管材料许用应力[σ]t 100 mm 0 mm 接管材料 20(GB8163) 1 名称及类型 管材 2 mm 补强圈材料 名称 mm mm 0.625 mm 补强圈厚度负偏差 mm C1r 130 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开孔补强计算 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 1.04 mm 接管计算厚度δt 0.183 mm 0 接管材料强度削弱系 0.765 数 fr 84.25 mm 补强区有效宽度 B 168.5 mm 接管有效外伸长度 h1 20.52 mm 接管有效内伸长度 h2 开孔削弱所需的补强面积 A 88.8 mm2 壳体多余金属面积 A1 接管多余金属面积 A2 68.82 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 A1+A2+A3=589.3 mm2 ,大于 A,不需另加补强。 补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) 结论: 补强满足要求,不需另加补强。 0 mm 495.5 mm2 25 mm2 mm2 换热器分析实例 这里我们为大家提供了一个实例,甲烷化炉进出口换热器。其管程介质 为 脱 碳 气 ,温 度 由 7 0 °C 升 高 到 315.6 °C。壳 程 介 质 为 甲 烷 化 气 ,温 度 由 346.4 °C 降 低 到 89.5 °C。 这 台 换 热 器 计 算 较 为 复 杂 , 介 质 温 度 梯 度 较 大 ; 管 壳 程 介 质 组分较多(其 中包括氮 气、氢气、甲烷、氩气 、一氧化碳、水共六 种组分 );换 热管较长,长度为 12.5 米;折流板数量较 多,其数量为 32 块 ; 换热管数目 较 多 ,其 数 目 共 为 1787 根 。这 台 换 热 器 在 整 个 系 统 中 十 分 重 要 ,不 仅 要 求 具 有良好的换热效果,而且必须完全控制介质阻力。由下面的分析报告可以看 出 ,换 热 面 积 的 富 裕 量 仅 为 7.8%,节 约 了 投 资 成 本 ,而 且 介 质 阻 力 也 在 控 制 之 下。从长期的实际运行情况来看,此换热器完全满足工艺要求。请见下面的 换热器分析详细数据。 换热器型式 换热器结构参数: BEM(椭圆封头管箱,固定管板式) 换热器安装位置 水平安装 壳体内径 D(mm) 1200 换热管数量 Nt 1787 换热管材料 15CrMo 换热管长度 L(mm) 12500 换热管外径 Dt(mm) 19 换热管壁厚 t(mm) 2.5 换热管布置形式 正三角形 换热管间距 e(mm) 25 折流板数量 Nb 32 折流板形式 单弓形 折流板缺口率(%) 20 折流板厚度 tb(mm) 16 折流板间距 Lb(mm) 357 进口端间距 Li(mm) 716 出口端间距 Lo(mm) 716 进口端间隙 Ci(mm) 124 出口端间隙 Co(mm) 124 管板厚度 b(mm) 197 壳程数 1 管程数 1 壳侧介质进口管直径(mm) 350 壳侧介质出口管直径(mm) 350 管侧介质进口管直径(mm) 350 管侧介质出口管直径(mm) 350 注:换热器型式按照 TEMA 标准或 GB151 标准,其余尺寸见附图所示。 介质组分数据: 组分名称 氮气(N2)流量(kg/h) 氢气(H2)流量(kg/h) 甲烷(CH4)流量(kg/h) 氩气(Ar) 流量(kg/h) 一氧化碳(Co) 流量(kg/h) 水(H2O) 流量(kg/h) 总流量(kg/h) 物性数据: 管侧介质(冷侧) 22885 5000 156 389 421 583 29434 壳侧介质(热侧) 21901 4718 378 366 0 875 28238 介质名称 总流量(kg/h) 进口温度(℃) 出口温度(℃) 进口压力(kg/cm2)(abs) 允许压降(kgf/cm2) 设计温度(℃) 设计压力(kg/cm2)(abs) 进口平均密度(kg/m3) 出口平均密度(kg/m3) 进口平均粘度(CP) 出口平均粘度(CP) 进口平均比热(kcal/kg c) 出口平均比热(kcal/kg c) 进口平均导热系数(kcal/h m c) 出口平均导热系数(kcal/h m c) 管侧介质(冷侧) 壳侧介质(热侧) 脱碳气 甲烷化气 29434 28238 70 346.4 315.6 89.5 32 31.3 0.3 0.6 420 454 36 36 9.50 5.19 5.54 8.81 0.016 0.025 0.024 0.017 0.803 0.811 0.811 0.800 0.1116 0.1689 0.1638 0.1149 平均分子量 8.76 8.83 传热数据: 计算所需换热面积(m2) 实际有效换热面积(m2) 总热负荷(MMkcal/h) 总传热系数(kcal/h m2 c) 有效平均温差(℃) 管壁传热系数(kcal/h m2 c) 换热管平均壁温(℃) 介质平均温度(℃) 介质给热系数(kcal/h m2 c) 污垢系数(kcal/h m2 c) 1191 1292 5.826 196.58 24.88 14374.55 200.9 管侧介质(冷侧) 壳侧介质(热侧) 182.24 207.05 287.74 1076.14 2834.01 3846.15 介质阻力分布及管束振动分析: 介 总压降(kgf/cm2) 质 换热管间阻力分率(%) 管侧介质(冷侧) 壳侧介质(热侧) 0.0272 0.5405 75.6 阻 折流板缺口处阻力分率(%) 力 壳程进出口端部阻力分率(%) 及 换热管内阻力分率(%) 管箱处阻力分率(%) 分 布 进出口接管阻力分率(%) 管束振动分析 12.0 9.8 63.1 2.8 34.1 2.5 在壳程介质进口段及中间段,位于折流板缺 口处的部分换热管,因介质涡流产生轻微振 动。
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