浮头式换热器
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189×1000 ×18377 .84 5957×352.22
=165.44 Kt=165.44
K t = η Et
K
p
η—管板刚度削弱系数， 按 GB151—1999 的 5.7.2.1 取 η=0.4 K t = 0.4×200×10 3 = 0.0207 f）计算Pa ，查系数 C Pa = 1.5μd [ ς ]t
3
一．设计方案：
由于水容易结垢，水走壳程煤油走管程。
工业中常用流速范围： 壳程水的流速： u0 0.5 ~ 1.5m / s 管程煤油的流速： u1 0.8 ~ 1.8m / s
二．传热面积计算
1.流体物性参数 水： 煤油： 定性温度： 煤油： Tm = 水： 煤油： tm =
T 1 +T 2 2 t 1 +t 2 2
= 395.7mm DN = 400mm
取 400mm 折流板间距取 150mm
B=150mm
4. 核算 1 管内给热系数 ○
αi = 0.023 di R e 0.8 Pr 0.4 =
i
λ
αi = 4944.3 ）
0.8
0.023 ×
0.617 0.02
×（
995.7×0.02×1.1 8.01×10 −4
换热管总数 n=104 根 JB4726—1994 [σ]150 =147MPa
查 GB150—1998 表 4—5[σ]=150MPa, 1 设计压力及设计温度的选取 管板计算：○
a) Pd—设计压力。 Pd 应取 P1， Ps 中大值， Pd=Ps=0.3Mpa b) 设计温度：无法保证管壳程介质同时作用，且管板 金属温度很难计算。故取较高侧的设计温度为管板 设计温度。 2 结构参数及系数的确定 ○ a) Ad—因设置隔板槽或拉杆而未能被换热管支承的 面积。 双关程管板，三角形排列 Ad=n'S(Sn-0.866S)=10×32 ×（44-0.866×32）=5212.16mm2 At—管板布管区面积 At=0.866ns2+Ad=0.866×104 At=97437.696mm2 Ad=5212.16mm2
1 t Kt= LD
na
18377 .84
n· a=18377.84mm2
E na
t
L 为换热管有效长度，等于两管板内侧的长度，设 管板名义厚度δ n=20mm（包括结构尺寸） 。则 L=L0-2 δ n-2×1.5 换热管与管板采用强度焊，取伸出长度为 1.5mm。 L≈6000-2×20-2×1.5=5957mm Kt=
μ0ρ1de μ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
=
774×0.02×0.328 0.6045 ×10 −3
= 8400 α0 = 632
普拉特系数：Pr1=13.7 α0 = 0.36 d R e
e
λi
0.55
Pr （ μ ）
w 1
1 3
μ
0.14
= 0.36 ×
0.1028 0.02
×
84000.55 × 13.73 × 1 = 632
D T （D i +S e ） 2S e
取 8mm GT = 21.9675MPa
=
21.9675MPa<0.9σsΦ 水压强度强度要求
六．管板厚度及校核
换热器公称直径：DN=400mm 换热管规格：外径 d=25mm 心距 S=32mm
10
壁厚 δt=2.5mm
管
管长 L0=6000mm 管板：16mn 锻件
t1=25℃ T1=140℃
t2=35℃ T2=40℃ Tm = 90℃ = 90℃ t m = 30℃
= 30℃
1 774kg / m3
CP1 2.33kJ / kg.C
1 0.1028 W / m 2 .C
u1 0.6045 10 3 Pa· s Pr1 μ 1C p1 604.5 10 6 2330 13.7 0.1028
（1） 、 使 煤 油 从 140 ℃ 冷 却 到 40 ℃ ， 压 力 0.1MPa； （2） 、冷却剂为水，水压力为 0.3MPa。 （3） 、处理量为 12t/h。 三、设计内容 （1） 、合理的参数选择和结构设计： 传热面积；管程设计包括：总管数、程数、管程总体 阻力校核；壳体直径；结构设计包括流体壁厚；主要 进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管 （2） 、传热计算和压降计算， （3） 、从 JB/T4714~4720 标准系列中选择一种浮头 式换热器规格，再进行复算。 （4） 、 对所选出的浮头式换热器， 进行详细的设计、 强度计算和校核计算。 四、设计成果 （1）设计说明书一份（每位同学均要独立完成） 。 （2）设计图纸包括：换热器的设备总图（每位同 学均要独立完成） 、零件图若干张（整小组须完成所 有的零件图， 且每位同学至少要独立完成 1 件零件图， 具体由小组内部协会调） 。
×322+5212.16=97437.696mm2 b）Dt—管板布管区当量直径 Dt= 4At/π=352.22 DG—垫片压紧力作用中心圆直径 管板外圆直径取 437mm（按 JB4701—2000，B400 —1.0 中 D4 选取） 按 GB150—1998 的 9.5 计算 b0= 2 =0.5×[0.5×(437-422)]=3.75mm<6.4mm b=b0=3.75mm DG=垫片解除的平均直径=
管数 正三角形nc = 1.1 NT = 1.1 82 = 10 ΔPs = ΔPs1 + ΔPs2 Fs Ns = 1.15 × 0.5 × 0.637 × 10 × 29 + 1 ×
0.328 2 2
ΔPs = 8046Pa
× 774 + 29 × 3.5 −
2×0.2 0.4
×
0.328 2 2
437+422 2 N
=429.5mm
c）ρ t=Dt/DG=352.22/427.2=0.8245 d）A1—管板布管区内开孔后的面积 A1=At-n
πd2 4
A1=46386.82mm2 =46386.82mm2
11
=97437.696-104×
π ×25 2 4
n.a 为换热管金属横截面 a 从 GB151—200 附录 J 查得 a=176.71mm2 n·a=104×176.71=18377.84mm2 e）系数 β =A = 46386 .82 =0.3962
6000 20
NS=1（壳程数）
1.72 2
+3 ×
1.12 2
× 995.7 + 1.5 ×
×
ΔPt = 0.0332MPa
995.7 × 1.5 × 2 × 1 = 0.0332MPa 2.壳程压降 ΔPs = （ΔPs1 + ΔPs2 ）Fs Ns FS ： 壳程结垢阻力校正系数， 对液体 1.15 数 ΔPS：总压力降 束时的阻力降 ΔPS2：流体流过折流板缺口时阻力降 ΔPS1 = F ·λD ·Nc · NB + 1 ΔPS2 = NB （3.5 −
×
4.174×10 3 ×8.01×10 −4 0.017
= 4944.3
2 壳程 ○
6
当量直径：de =
4（
3 2 π l − d02） 4 4
π d0
= 0.02m
d0 t
壳程流通截面面积：S0 = B ·D 1 −
V 3.33
= 0.0131
壳程流体流速：μ0 = A = 774×0.0131 = 0.328 雷诺数：R e0 =
Q C P 2 （t 2 −t 1 ）
Q = 752.6kw = 4.174
752.6
(35 −25) = 18.03kg/s
M2 = 18.03kg/s
3’ 逆流时的平均对数温差： Δt m = Δt max − Δt min 105 − 15 = = 46.25℃ Δt max 105 ln Δt ln 15 min
5. 热阻 煤油热阻 R0=0.00025 管程水 R1=0.00025
1 K
= α + R0 + Rw d 0 + Ri
0 m
1
d
d0 di
+α
1 d0
1
di
得 K=407
K=407
6. 传热面积裕度 An = K· = Δt
m
Q
752.6×10 3 407×45.1
= 41
An = 41 A0 = 49 F=19.5%
80 29 + 4944 .3 632 w 1 1 + 4944 .3 632
= 34.78℃
壳体壁温为 80℃ 温差=80-34.78=45.22℃ 需补偿装置
9
五．筒体壁厚：
取 Pc=0.35MPa t=90℃ Q345 取焊缝系数Φ =0.85
P D
Di=400mm [ς]t = 187MPa 取
A0 = πd0 lNT = 3.14 × 0.025 × 12 × 52 = 49 裕度 F=（49-41）/41=19.5% 符合要求
7
三．换热器压降计算
1.管程压降 1 直管阻力损失：ΔPi = λ · ○ d 2
1
l
ρμ 2
λ：摩擦系数 Re=3.34× 104
l：管长 属湍流
d1：内径
μ ：管内流速
t −t
2
4’ 参数 P 和 R：P = T2 −t1 = 0.087
1
Δt m = 45.1℃
R=
T 1 −T 2 t 2 −t 1
= 10
5’ 根据 P.R 参数，查温差修正系数 Ψ：Ψ=0.975 6’ 有效平均温差：Δt m = ΨΔt m = 46.3×0.975=45.1℃
3.传热面积的估算 取 K=340 Q 752.6 × 10−3 A= = = 49.08m2 K ·Δtm 340 × 45.1 1 管内流速 ○ μ =1.1m/s A = 49.08m2
腐蚀裕度 C2=2mm
c
C1=1mm Sn=8mm
i 计算厚度：S = 2[ς ]tcΦ− = 0.44mm P
设计厚度：Sd=S+C2=0.144mm 名义厚度： Sn=Sd+C1+圆整=1.44+1.0=2.44mm 有效厚度：Se=Sn-C1-C2=5mm DT=1.25Pc=0.435mm 所选材料的屈服应力 Gs=325MPa 水压试验应校核GT =
×
774 = 8046Pa < 0.035������������������
四．壁温核算
Tm
tw =
tm hc + hh 1 1 + hc hh
tm=35× 0.4 + 25 × 0.6 = 29℃ Tm=140× 0.4 + 40 × 0.6 = 80℃ hc=αi=4944.3 hh=α0=632 平均壁温：t =
2B D μ0 2
N:折流板
ΔPS1：流体横过两折流板之间的管
·ρ
）
μB 2 2
ρ 0.5 正三
8
F：管子排列方式对压降的校正系数
角形 λ0：壳程摩擦系数 5× 当 Re>500 时 λ0=5× R e −0.228 =
8400−0.228 = 0.637 NB：折流板数 6000/200-1=29 最小的横过管束的最小流速 μ 0=0.246 nc 中心排
课程设计
浮头式换热器设计
姓名： 学号： 班级：
1
目录
设计任务 3
一．设计方案
4
二．传热面积计算
4
三．换热器压降计算
8
四．壁温核算
9
五．筒体壁厚
11
六．管板厚度及校核
11
七．管箱
17
八．勾圈
20
九．浮头法兰
21
参考资料
22
2
设计任务：
一、设计题目： 用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设
计(一)
二、设计任务及条件
1
4
水：
2 995.7kg / m3
CP 2 4.174kJ / kg.C
2 0.6171 W / m2 .C
u2 0.8012 103 Pa· s Pr2 μ 2Cp 2 8.012 10 6 4174 5.42 0.617
2
2.传热量及平均温差 1’ 传热量： Q = M1 CP 1 T1 − T2 = 3.33 2.33 140 − 40 = 752.6kw 2’ 确定冷却水量： M2 =
选取Φ 25× 2.5 碳钢传热管 2 单程管数 ○ n=π
4
d12μ
v1
= 52.2
取 52 根
5
3 管长 ○
L = n π d = 52×3.14×0.025 = 12.02m
0
A
49.08
n=52 L=12m
取 12m 壳 DN = 1.05t
Nt η
= 1.05 × 32 ×
104 0.75
对于钢管：ε=0.15 查表得：λ=0.0375 2 局部阻力 ○
ε d
=
0.15 20
= 0.0075
（管程+浮头+弯管）ΔP2 = ξ · 2s ρ 3 流过进出口接管压力降 ○ ΔP3 = 1.5 ×
μN 2 2
μ
ξ=3
·ρ
进口流速μ N=1.7
ΔPt = （ΔPi + ΔP2 + ΔP3 ）Ns Np Fs Ft=1.5（浮头） ΔPt = 0.0375 × NP=2（管程数）
=165.44 Kt=165.44
K t = η Et
K
p
η—管板刚度削弱系数， 按 GB151—1999 的 5.7.2.1 取 η=0.4 K t = 0.4×200×10 3 = 0.0207 f）计算Pa ，查系数 C Pa = 1.5μd [ ς ]t
3
一．设计方案：
由于水容易结垢，水走壳程煤油走管程。
工业中常用流速范围： 壳程水的流速： u0 0.5 ~ 1.5m / s 管程煤油的流速： u1 0.8 ~ 1.8m / s
二．传热面积计算
1.流体物性参数 水： 煤油： 定性温度： 煤油： Tm = 水： 煤油： tm =
T 1 +T 2 2 t 1 +t 2 2
= 395.7mm DN = 400mm
取 400mm 折流板间距取 150mm
B=150mm
4. 核算 1 管内给热系数 ○
αi = 0.023 di R e 0.8 Pr 0.4 =
i
λ
αi = 4944.3 ）
0.8
0.023 ×
0.617 0.02
×（
995.7×0.02×1.1 8.01×10 −4
换热管总数 n=104 根 JB4726—1994 [σ]150 =147MPa
查 GB150—1998 表 4—5[σ]=150MPa, 1 设计压力及设计温度的选取 管板计算：○
a) Pd—设计压力。 Pd 应取 P1， Ps 中大值， Pd=Ps=0.3Mpa b) 设计温度：无法保证管壳程介质同时作用，且管板 金属温度很难计算。故取较高侧的设计温度为管板 设计温度。 2 结构参数及系数的确定 ○ a) Ad—因设置隔板槽或拉杆而未能被换热管支承的 面积。 双关程管板，三角形排列 Ad=n'S(Sn-0.866S)=10×32 ×（44-0.866×32）=5212.16mm2 At—管板布管区面积 At=0.866ns2+Ad=0.866×104 At=97437.696mm2 Ad=5212.16mm2
1 t Kt= LD
na
18377 .84
n· a=18377.84mm2
E na
t
L 为换热管有效长度，等于两管板内侧的长度，设 管板名义厚度δ n=20mm（包括结构尺寸） 。则 L=L0-2 δ n-2×1.5 换热管与管板采用强度焊，取伸出长度为 1.5mm。 L≈6000-2×20-2×1.5=5957mm Kt=
μ0ρ1de μ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
=
774×0.02×0.328 0.6045 ×10 −3
= 8400 α0 = 632
普拉特系数：Pr1=13.7 α0 = 0.36 d R e
e
λi
0.55
Pr （ μ ）
w 1
1 3
μ
0.14
= 0.36 ×
0.1028 0.02
×
84000.55 × 13.73 × 1 = 632
D T （D i +S e ） 2S e
取 8mm GT = 21.9675MPa
=
21.9675MPa<0.9σsΦ 水压强度强度要求
六．管板厚度及校核
换热器公称直径：DN=400mm 换热管规格：外径 d=25mm 心距 S=32mm
10
壁厚 δt=2.5mm
管
管长 L0=6000mm 管板：16mn 锻件
t1=25℃ T1=140℃
t2=35℃ T2=40℃ Tm = 90℃ = 90℃ t m = 30℃
= 30℃
1 774kg / m3
CP1 2.33kJ / kg.C
1 0.1028 W / m 2 .C
u1 0.6045 10 3 Pa· s Pr1 μ 1C p1 604.5 10 6 2330 13.7 0.1028
（1） 、 使 煤 油 从 140 ℃ 冷 却 到 40 ℃ ， 压 力 0.1MPa； （2） 、冷却剂为水，水压力为 0.3MPa。 （3） 、处理量为 12t/h。 三、设计内容 （1） 、合理的参数选择和结构设计： 传热面积；管程设计包括：总管数、程数、管程总体 阻力校核；壳体直径；结构设计包括流体壁厚；主要 进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管 （2） 、传热计算和压降计算， （3） 、从 JB/T4714~4720 标准系列中选择一种浮头 式换热器规格，再进行复算。 （4） 、 对所选出的浮头式换热器， 进行详细的设计、 强度计算和校核计算。 四、设计成果 （1）设计说明书一份（每位同学均要独立完成） 。 （2）设计图纸包括：换热器的设备总图（每位同 学均要独立完成） 、零件图若干张（整小组须完成所 有的零件图， 且每位同学至少要独立完成 1 件零件图， 具体由小组内部协会调） 。
×322+5212.16=97437.696mm2 b）Dt—管板布管区当量直径 Dt= 4At/π=352.22 DG—垫片压紧力作用中心圆直径 管板外圆直径取 437mm（按 JB4701—2000，B400 —1.0 中 D4 选取） 按 GB150—1998 的 9.5 计算 b0= 2 =0.5×[0.5×(437-422)]=3.75mm<6.4mm b=b0=3.75mm DG=垫片解除的平均直径=
管数 正三角形nc = 1.1 NT = 1.1 82 = 10 ΔPs = ΔPs1 + ΔPs2 Fs Ns = 1.15 × 0.5 × 0.637 × 10 × 29 + 1 ×
0.328 2 2
ΔPs = 8046Pa
× 774 + 29 × 3.5 −
2×0.2 0.4
×
0.328 2 2
437+422 2 N
=429.5mm
c）ρ t=Dt/DG=352.22/427.2=0.8245 d）A1—管板布管区内开孔后的面积 A1=At-n
πd2 4
A1=46386.82mm2 =46386.82mm2
11
=97437.696-104×
π ×25 2 4
n.a 为换热管金属横截面 a 从 GB151—200 附录 J 查得 a=176.71mm2 n·a=104×176.71=18377.84mm2 e）系数 β =A = 46386 .82 =0.3962
6000 20
NS=1（壳程数）
1.72 2
+3 ×
1.12 2
× 995.7 + 1.5 ×
×
ΔPt = 0.0332MPa
995.7 × 1.5 × 2 × 1 = 0.0332MPa 2.壳程压降 ΔPs = （ΔPs1 + ΔPs2 ）Fs Ns FS ： 壳程结垢阻力校正系数， 对液体 1.15 数 ΔPS：总压力降 束时的阻力降 ΔPS2：流体流过折流板缺口时阻力降 ΔPS1 = F ·λD ·Nc · NB + 1 ΔPS2 = NB （3.5 −
×
4.174×10 3 ×8.01×10 −4 0.017
= 4944.3
2 壳程 ○
6
当量直径：de =
4（
3 2 π l − d02） 4 4
π d0
= 0.02m
d0 t
壳程流通截面面积：S0 = B ·D 1 −
V 3.33
= 0.0131
壳程流体流速：μ0 = A = 774×0.0131 = 0.328 雷诺数：R e0 =
Q C P 2 （t 2 −t 1 ）
Q = 752.6kw = 4.174
752.6
(35 −25) = 18.03kg/s
M2 = 18.03kg/s
3’ 逆流时的平均对数温差： Δt m = Δt max − Δt min 105 − 15 = = 46.25℃ Δt max 105 ln Δt ln 15 min
5. 热阻 煤油热阻 R0=0.00025 管程水 R1=0.00025
1 K
= α + R0 + Rw d 0 + Ri
0 m
1
d
d0 di
+α
1 d0
1
di
得 K=407
K=407
6. 传热面积裕度 An = K· = Δt
m
Q
752.6×10 3 407×45.1
= 41
An = 41 A0 = 49 F=19.5%
80 29 + 4944 .3 632 w 1 1 + 4944 .3 632
= 34.78℃
壳体壁温为 80℃ 温差=80-34.78=45.22℃ 需补偿装置
9
五．筒体壁厚：
取 Pc=0.35MPa t=90℃ Q345 取焊缝系数Φ =0.85
P D
Di=400mm [ς]t = 187MPa 取
A0 = πd0 lNT = 3.14 × 0.025 × 12 × 52 = 49 裕度 F=（49-41）/41=19.5% 符合要求
7
三．换热器压降计算
1.管程压降 1 直管阻力损失：ΔPi = λ · ○ d 2
1
l
ρμ 2
λ：摩擦系数 Re=3.34× 104
l：管长 属湍流
d1：内径
μ ：管内流速
t −t
2
4’ 参数 P 和 R：P = T2 −t1 = 0.087
1
Δt m = 45.1℃
R=
T 1 −T 2 t 2 −t 1
= 10
5’ 根据 P.R 参数，查温差修正系数 Ψ：Ψ=0.975 6’ 有效平均温差：Δt m = ΨΔt m = 46.3×0.975=45.1℃
3.传热面积的估算 取 K=340 Q 752.6 × 10−3 A= = = 49.08m2 K ·Δtm 340 × 45.1 1 管内流速 ○ μ =1.1m/s A = 49.08m2
腐蚀裕度 C2=2mm
c
C1=1mm Sn=8mm
i 计算厚度：S = 2[ς ]tcΦ− = 0.44mm P
设计厚度：Sd=S+C2=0.144mm 名义厚度： Sn=Sd+C1+圆整=1.44+1.0=2.44mm 有效厚度：Se=Sn-C1-C2=5mm DT=1.25Pc=0.435mm 所选材料的屈服应力 Gs=325MPa 水压试验应校核GT =
×
774 = 8046Pa < 0.035������������������
四．壁温核算
Tm
tw =
tm hc + hh 1 1 + hc hh
tm=35× 0.4 + 25 × 0.6 = 29℃ Tm=140× 0.4 + 40 × 0.6 = 80℃ hc=αi=4944.3 hh=α0=632 平均壁温：t =
2B D μ0 2
N:折流板
ΔPS1：流体横过两折流板之间的管
·ρ
）
μB 2 2
ρ 0.5 正三
8
F：管子排列方式对压降的校正系数
角形 λ0：壳程摩擦系数 5× 当 Re>500 时 λ0=5× R e −0.228 =
8400−0.228 = 0.637 NB：折流板数 6000/200-1=29 最小的横过管束的最小流速 μ 0=0.246 nc 中心排
课程设计
浮头式换热器设计
姓名： 学号： 班级：
1
目录
设计任务 3
一．设计方案
4
二．传热面积计算
4
三．换热器压降计算
8
四．壁温核算
9
五．筒体壁厚
11
六．管板厚度及校核
11
七．管箱
17
八．勾圈
20
九．浮头法兰
21
参考资料
22
2
设计任务：
一、设计题目： 用水冷却煤油产品的浮头式换热器的设
计(一)
二、设计任务及条件
1
4
水：
2 995.7kg / m3
CP 2 4.174kJ / kg.C
2 0.6171 W / m2 .C
u2 0.8012 103 Pa· s Pr2 μ 2Cp 2 8.012 10 6 4174 5.42 0.617
2
2.传热量及平均温差 1’ 传热量： Q = M1 CP 1 T1 − T2 = 3.33 2.33 140 − 40 = 752.6kw 2’ 确定冷却水量： M2 =
选取Φ 25× 2.5 碳钢传热管 2 单程管数 ○ n=π
4
d12μ
v1
= 52.2
取 52 根
5
3 管长 ○
L = n π d = 52×3.14×0.025 = 12.02m
0
A
49.08
n=52 L=12m
取 12m 壳 DN = 1.05t
Nt η
= 1.05 × 32 ×
104 0.75
对于钢管：ε=0.15 查表得：λ=0.0375 2 局部阻力 ○
ε d
=
0.15 20
= 0.0075
（管程+浮头+弯管）ΔP2 = ξ · 2s ρ 3 流过进出口接管压力降 ○ ΔP3 = 1.5 ×
μN 2 2
μ
ξ=3
·ρ
进口流速μ N=1.7
ΔPt = （ΔPi + ΔP2 + ΔP3 ）Ns Np Fs Ft=1.5（浮头） ΔPt = 0.0375 × NP=2（管程数）