原油预热换热器毕业设计

本科生毕业设计（论文）I摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。本设计说明书是关于 PN2.5DN1000 浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、钩圈、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。最后设计结果可通过 5 张图表现出来。按照 GB150-98钢制压力容器 、GB5151-99钢制管壳式换热器对该容器进行设计、制造、试验和验收，结果与实际运行设备相符。关于浮头式换热器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。关键词：管壳式换热器 浮头式换热器 管板 浮头盖 浮头法兰本科生毕业设计（论文）IIAbstractHeat exchanger is parts of the thermal fluid heat transfer to the cold fluid equipment. The heat exchanger is chemical, petroleum, power, food and many other common equipment in the industrial sector, plays an important role in production. The design manual is about the PN 2.5，DN 1000 floating head heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.The first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through five maps to display.After the design、manufacture、testing and checking according to the GB150-98 and GB5151-99,We get the result, which corresponds with the practical equipment.The each aspects of the floating head heat exchanger has detailed instructions in the design manual.Key words: Shell-Tube heat exchanger, floating head heat exchanger, tube sheet, floating head planting, floating head flange.本科生毕业设计（论文）III目 录前言 .1第 1 章 换热器概述 .21.1 换热器的应用 .21.2 换热器的主要分类 .21.2.1 换热器的分类及特点 .21.2.2 管壳式换热器的分类及特点 .31.3 管壳式换热器特殊结构 .71.4 换热管简介 .8第 2 章 工艺计算 .92.1 设计条件 .92.2 初算换热器传热面积 .92.2.1 流动空间的确定 .92.2.2 估算换热器传热面积 .10A2.2.3 工艺结构尺寸 .102.2.4 总传热系数 K 的校验 .112.2.5 校核平均温差 .132.2.6 校核换热面积 .142.3 压力降的计算 .142.3.1 管程压力降 .142.3.2 壳程的压力降 .152.4 换热器壁温计算 .162.4.1 换热管壁温 计算 .16t2.4.2 圆筒壁温 的计算 .16s第 3 章 换热器结构设计与强度计算 .173.1 壳体与管箱厚度的确定 .173.1.1 壳体和管箱材料的选择 .173.1.2 管箱厚度计算 .173.2 开孔补强计算 .193.2.1 壳体开孔补强设计 .19本科生毕业设计（论文）IV3.2.2 前端管箱开孔补强设计 .213.2.3 后端管箱开孔补强设计 .223.3 水压试验 .243.4 换热管 .243.4.1 换热管的排列方式 .243.4.2 布管限定圆 LD.253.4.3 排管 .253.4.4 换热管束的分程 .263.4.5 换热管与管板的连接 .273.5 管板设计 .273.5.1 管板与壳体的连接 .273.5.2 管板计算 .273.6 折流板 .323.6.1 折流板的型式和尺寸 .323.6.2 折流板排列 .333.6.3 折流板的布置 .333.7 拉杆与定距管 .333.7.1 拉杆的结构形式 .333.7.2 拉杆的直径、数量及布置 .343.7.3 定距管 .343.8 防冲板 .343.9 保温层 .353.10 法兰与垫片 .353.10.1 固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片 .353.10.2 外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片 .363.10.3 接管法兰型式与尺寸 .373.11 钩圈式浮头 .383.11.1 浮头盖的设计计算 .383.11.2 钩圈 .433.12 分程隔板 .433.13 鞍座 .433.13.1 支反力计算如下： .433.13.2 鞍座的型号及尺寸 .453.14 接管的最小位置 .45本科生毕业设计（论文）V3.14.1 壳程接管位置的最小尺寸 .453.14.2 管箱接管位置的最小尺寸 .45第 4 章 换热器的腐蚀、制造与检验 .474.1 换热器的腐蚀 .474.1.1 换热管腐蚀 .474.1.2 管子与管板、折流板连接处的腐蚀 .474.1.3 壳体腐蚀 .474.2 换热器的制造与检验 .474.2.1 总体制造工艺 .474.2.2 换热器质量检验 .474.2.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验 .484.2.4 换热管的制造与检验 .484.2.5 管板与折流板的制造与检验 .484.2.6 换热管与管板的连接 .494.2.7 管束的组装 .494.2.8 管箱、浮头盖的热处理 .494.2.9 换热器水压试验 .49第 5 章 焊接工艺评定 .515.1 壳体焊接工艺 .515.1.1 壳体焊接顺序 .515.1.2 壳体的纵环焊缝 .515.2 换热管与管板的焊接 .515.2.1 焊接工艺 .515.2.2 焊接缺陷 .515.3 法兰与筒体的焊接 .52第 6 章 换热器的安装、试车与维护 .536.1 安装 .536.1.1 场地和基础 .536.1.2 安装前的准备 .536.1.3 地脚螺栓和垫铁 .536.1.4 其他要求 .536.2 试车 .536.3 维护 .54总结 .55本科生毕业设计（论文）VI参考文献 .56致谢 .57附录 .58本科生毕业设计（论文）1前言毕业设计是教学计划的最后一个教学环节，也是最重要的教学环节之一，是学生获得学士学位的必要条件。学生在教师的指导下，通过毕业设计受到一次综合运用所学理论和技能的训练。设计主要达到以下的目的：了解课题内容及意义，通过对换热器的设计掌握过程装备的一般设计方法和步骤，加深对化工原理、工程热力学、过程装备设计等专业课程知识的理解，使理论联系实际。对换热器的结构组成、工作过程、制造及验收等有明确认识，掌握换热器工艺设计、机械结构设计内容，并能用 AutoCAD 软件绘制装配图和零部件图，提高查阅文献和文献检索的能力。培养严谨求实、科学的工作态度和独立解决问题的能力本次毕业设计的题目是原油换热器设计。浮头式换热器是过程设备在生产技术领域中的典型设备，主要用于原油和油品等的换热，并且设计的原始资料及数据均来源于工厂中正在运行的设备。这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。因为换热器设计是属于压力容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系，所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们群体合作、相互配合的工作能力。换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固，这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。特此致谢！本科生毕业设计（论文）2第 1 章 换热器概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。1.1 换热器的应用在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约 1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 换热器的主要分类在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。1.2.1 换热器的分类及特点按照传热方式的不同，换热器可分为三类：1.直接接触式换热器又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。2.蓄热式换热器在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让本科生毕业设计（论文）3热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染” 。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气- 气热交换的场合。3.间壁式换热器这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。1.2.2 管壳式换热器的分类及特点由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图0 所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高