【JX18-102】循环水换热器设计（二维+论文）
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JX18-102
【JX18-102】循环水换热器设计二维+论文
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内蒙古工业的学本科毕业设计说明书学校代码： 10128学 号： 201589101047 本科毕业设计说明书（题 目：循环热水预热器F=176.1m2学生姓名：田玉龙学 院：内蒙古化工职业学院系 别：测控与机电工程希专 业：过程与装备控制工程班 级：过控15应本指导教师： 韩春杰 教授二 一 八 年 十二 月内蒙古工业大学毕业设计论文摘 要本题目来源于甲醇装置天然气转化工序，包括了筒体，法兰，鞍座，封头等零部件的设计 是一种U型管换热器的设备结构，U型管换热器不会因为温差产生热应力结构简单，承压能力强，造价比较便宜，热补偿性能比较好，流速快，本设备换热器壳程2程数、管程4程数。本次毕业设计针对换热器中所需要的材料,标准件,结构及尺寸进行分析计算及校核,从而达到工艺要求。关键词:固定管板式换热器/换热器/结构计算/校核 ABSTRACT thermal compensation performance. Rapid flow rate, the equipment heat exchanger shell side 2-way, pipe-side 4-path number.Including the design of cylinder, flange, saddle, head and other parts The graduation design for the heat exchanger required materials, standard parts, structure and size of analysis and calculation, so as to meet the requirements of the process. Key words: fixed tube-plate heat exchanger / structure calculation / checkThis topic comes from the natural gas conversion process of methanol plant. It is a kind of equipment structure of U-tube heat exchanger. Because of temperature difference, U-tube heat exchanger will not have simple structure, strong pressure bearing capacity, low cost and good目录1绪论11.1课题背景11.2符号说明11.3 设计目的与要求21.4 换热器简介21.4.1换热器概述21.4.2换热器的分类21.5 课题简介31.5.1 U型管式换热器31.6工艺简述31.6.1 设计内容31.6.2介质流动空间的确定31.7传热计算步骤41.7.1传热量的计算4（1）根据原始数据表1 与定性参数表2计算传热量51.7.2流体空间选择51.7.4型式的选取51.7.5 校核传热系数K52 结构设计52.1 壳体、管箱和封头的设计52.1.1 壳体的设计52.1.2管箱壳体62.1.3 封头设计62.2 进出口设计72.2.2 接管直径的计算72.2.3 接管的外伸长度72.2.4 接管与筒体、管箱壳体的连接72.2.5 接管的最小位置72.3 管板与换热管82.3.1 管板82.3.2 换热管112.4 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接122.4.1 壳体与管板的连接122.4.3 换热器与管板的连接122.5 其他各部件结构132.5.1 折流板和支持板132.5.2 拉杆、定距管152.5.3 防冲板172.6 鞍座的设计173 强度设计183.2 钢材的选择183.3 壳体、封头、法兰及开口补强183.3.1 壳体的设计183.3.2 内压封头设计203.3.3 法兰设计213.3.4 开口补强273.4 管板303.4.1 垫片压紧力作用中心圆直径31（1）垫片设计313.4.2 确定管板设计压力313.4.3 管板计算厚度和名义厚度323.4.4 换热管轴向应力323.4.5 换热器和管板连接拉脱力333.5 支座333.5.1 计算鞍座反力333.5.2 计算圆筒轴向弯矩343.5.3 计算圆筒轴向应力343.5.4 计算圆筒、封头切向应力343.5.5 计算圆筒周向应力373.5.6 计算鞍座有效断面平均应力384换热器的制造、检验、安装与维修384.1换热器的制造、检验与验收384.1.1筒体384.1.2 换热管384.1.3管板384.1.4 折流板、支持板394.1.5 管束的组装404.1.6换热器的组装404.2 换热器的安装与维护404.2.1安装394.2.3 维护39结 论40致 谢42参 考 文 献434毕业（论文）设计1绪论1.1课题背景随着世界的发展，经济的发展，世界对生活水平的提高，需要更加多的去开发能源利用率，更加注意到节约能源，开发能源。这些都深深地影响着装备制造和石油化工业方面，所以换热器是不可少的重要设备，更加高的提高换热器的工作效率也是很迫不及待的现况。（1）通过选择换热器的材料可以改变换热器换热效率。（2）改变换热器接触面积各个零部件的位置大小。这次U形管换热器的设计主要包括：工艺计算和强度计算结构计算等。工艺计算包括：传热面积的确定，热平衡计算，热交换计算，物料平衡。此工艺计算是根据工厂所提供的工艺参数进行对换热器一系列的工艺参数以及部分零件的尺寸进行计算，并进行核算，确保尺寸与参数可以使用。主要受压元件强度计算包括：换热器时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及很多行业，相互形成产业链条。结构计算包括壳体，管箱，封头等各个零部件的设计计算，强度校核。1内蒙古工业大学本科毕业论文1.3 设计目的与要求设计可以帮助我们巩固学到的专业知识把自己所学到的知识转化为文字的形式，还可以提高对文字，数据的整理能力以及对换热器设备的热爱，围绕设计题目，从着手设计开始，加强资料搜集以及资料整理和应用数据。提高了运用能力、计算能力，设计能力、绘图能力、文字表达能力，完成设计方案确定、设计计算、提高了分析问题以及解决问题，理解问题的能力，强化了整理资料，把学习的理论进行运用。计算步骤中，大体分为工艺计算、强度计算和结构设计。工艺计算主要包括热力计算、管程和壳程的压降计算。结构设计主要包括封头型号与尺寸的选择、壳体与管箱厚度的计算、换热管的选型、折流板尺寸的计算、拉杆尺寸的计算、容器制作的设计、管板的计算、接管与接管法兰的设计等。1.4 换热器简介1.4.1换热器概述 换热器在很多行业起重要的作用，换热器是行业的重要设备，十分重要的地位。换热器的设计制造结构改进和传热机理的研究有很大的发展前景。换热器是一种现代化的重要设备，可以节约成本，又能提高能源的利用率。学到了很多东西，设计中所学到的东西永远不会变，设计工作是一份非常严谨的工作，最容易让我们忽略的细节往往能决定我们的设计成功与否，通过这次设计让我学习到了严谨的工作态度，也使自己对设计工作重视了很多。毕业设计时四年所学知识的一个集中体现，也是对自己的一个考验，在困难重重的考验中才能学到更多的知识。毕业设计也是一个综合能力的体现1.4.2换热器的分类33内蒙古工业大学本科毕业论文 1.5 课题简介本题目来源于甲醇装置天然气转化工序，设备结构为管壳式换热器中的U型管式换热器，本设备换热器壳程2程数、管程4程数，计算量、设计难度适中。1.5.1 U型管式换热器U型管式管式换热器的换热管是U形，管束可以伸缩而且不产生热应力，结构也简单。缺点是管内清洗不便，传热性能较差,管间距较大。所以，U型管用在换热管与壳温差比较大的环境，高压力，强腐蚀性的工作环境。壳程容易结垢，结垢的时候需要清洗。换热器是一种可以节能，环保，提高效率的一种设备，在现代工业中很重要的地位，换热器有很多的样式，各个样式的换热器都有不同的适用环境，根据自己的需求，选择自己需要的换热器样式，换热器中管壳式换热器用的最为多，它的作用是把不需要的多余的热量带走，因为换热器的出现可以节省了能源，保护了生态环境，是一个可以很好的废物利用的设备，而我设计的循环水换热器是换热器中其中的一种，它对现代的工业做出了很大的贡献，它的设计考虑需要根据换热器的换热介质，压强，管程等很多因素决定了换热器的选择，但是换热器还有很多的因素去影响它，比如换热面积，换热管，冷热流体进出口温度也很重要，所以它的选择非常重要，不仅仅是减少了能源的消耗，而且减少了成本的输出。图1-1 U型管换热器结构简图1.6工艺简述1.6.1 设计内容 1.6.2介质流动空间的确定在换热器中，选择的原则有：换热器的需求，工作环境，工作条件，工作介质，材料的选择，满足工作需求的基础上节约成本。当然不能因为节约成本而不满足环境需求时。根据具体的情况，选择重要方面作出适宜的选择。 1.7传热计算步骤1.7.1传热量的计算（1） 数据： 转化气：进/出口温度 350 /179 工作压力 2.16-2.12MPa 工艺冷凝液：进/出口温度 138/196 工作压力 3.4-3.35 MPa 壳程：转化气 管程：工艺冷凝液 壳程数：2 管程数：4 处理量为13000kg/h 换热面积F=176.1m2（2） 定性温度 流体平均温度Tm1（TiTo）/2（350179）/2264.5tm1（tito）/2（138196）/2167 转化气： 密度：450.1 比热容：4.187 粘度： 941.9 热导率：0.356工艺冷凝液：密度：897.3 比热容：4.323 粘度： 164.8 热导率：0.687 则传热量： 冷却水流量： 由化工原理课程设计指导 所以 2 结构设计2.1 壳体管箱以及封头设计2.1.1 计算管数选用材料为MnR16，管长取600,d=25.因为F=dn,所以，n=176100/3.140.025450=373.61圆整得380。换热管中心距大于1.25倍的换热管外径，查国标151-1999表12我们可以知道换热管中心距S=32.2.1.2筒体内径到壳体内壁的距离D=（Nc-1）查国标151-2014得换热管中心距为32，Nc=1.1N,b为管束中心线到壳体内壁距离。D=（Nc-1）+2b=25(1.1-1)+232=575,圆整得600，2.1.3 换热管长度=1761000/3803.140.25=5903圆整得6000所以L=60002.1.4圆筒公称直径圆筒公称直径为600，应该采用卷制圆筒，圆筒厚度按国标151-1998计算，取8为实际厚度。U型管的尺寸管板参数的计算2.1.5管板的设计以及计算圆筒内直径（横截面积的计算）=3.14600600/4=282600圆筒壳壁（横截面积的计算）=8（600+8）=15272.96mm2换热管一根管壁金属的横截面积=3.144(2525-2121) =144.44 两个管板间换热管的有效长度(估计管板厚度为)N=500144.44=7222L=60000-240=5920管束的模数换热管材料为20号钢，根据GB150-2011查得K=1930007222/6000600=387.12.1.6换热管管束质量查压力容器设计手册表2-9-33得DN=600 L=6000 252.5的换热管的总重量为=1529kg2.1法兰的设计2.1.6法兰容器材料的选择材料选择用16MnR查GB150-2011表9得:锻件许用应力为117MPa.2.1.7螺栓设计载荷 预紧下面积按GB151-2011计算得=2150.27mm2操作下面积GB151-2011计算得=1683.25mm2A需要最大螺栓面积Am取最大值故=2150.27mm2实际面积应该不小于需要面积则=3803.142525=19091.2 mm2=2150.27故满足要求。预紧下螺栓设计载荷GB151-2011得=10620.735N操作下螺栓设计载荷GB151-2011得 封头设计2.2 进出口设计2.2.1 接管的要求：。图2-3椭圆形封头示意图图2-4 壳程接管的最小位置示意图2.3 管板与换热管2.3.1 管板表2-9（b）II级换热器换热管和管孔直径允许偏差mm换热管外径1014192532384557允许偏差0.200.400.450.57管板管孔直径10.314.419.425.4032.5038.5045.5057.70允许偏差+0.150+0.20+0.300+0.400表2-8 布管限定表（c） mm Dibnb11036001352.3.2 换热管图2-9 U型半最小半径示意图 2.4 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接2.4.1 壳体与管板的连接2.4.2 管板与法兰的连接2.4.3 换热器与管板的连接2.5 其他各部件结构2.5.1 折流板和支持板182.5.2 拉杆、定距管mm2.5.3 防冲板2.6 鞍座的设计3 强度设计3.1 概述3.2 钢材的选择3.3 壳体、封头、法兰及开口补强3.3.1 壳体的设计 （3-1）（3-2） （3-3）（3-4）（3-5）3.3.2 内压封头设计 （3-6）： （3-7）3.3.3 法兰设计mm公称直径DD1D2D3D4HhaRD螺柱规格螺柱数量对接筒体最小厚度5506906506156056023895251712221223M2024660074070066565565244100251712221223M2028665079075071570570246100251712121223M2028870084080076575575248100251712121223M2032880094090086585585248100251712121223M203289001040100096595595252105251712121223M203610，-2b=539-27.5=524mm（3-8）（3-9） （3-10）， （3-11） （3-12） （3-13） （3-14） （3-15）（3-16）（3-17） （3-18）（3-19）（3-20）式中： （3-21） （3-22）（3-23）（3-24）式中：；。T=1.83，Z=4.94，Y=9.57，U=10.52 （3-25） （3-26） （3-27）， （3-28）式中：3.3.4 开口补强（3-29）（3-30） （3-31） (3-33）（3-34）（3-35）： （3-36） （3-37）3.4 管板3.4.1 垫片压紧力作用中心圆直径，3.4.2 确定管板设计压力3.4.3 管板计算厚度和名义厚度 （3-38）（3-39）圆整得3.4.4 换热管轴向应力a=mm（3-40）。3.5 支座3.5.1 计算鞍座反力（3-42）（3-43） （3-44）3.5.2 计算圆筒轴向弯矩 （3-45） （3-46）3.5.3 计算圆筒轴向应力（3-47）；。： （3-48） （3-49） （3-50）（3-51）3.5.4 计算圆筒、封头切向应力（3-55）（3-53）。 （3-54）3.5.5 计算圆筒周向应力（3-55）； （2-56）3.5.6 计算鞍座有效断面平均应力 （3-57），4换热器的制造、检验、安装维修4.1换热器的制造、检验与验收4.1.1筒体（1）外圆周长可以上下偏差为010mm。（2） 圆筒最大与最小直径之差为e0.5%DN，DN=0.5%600=3mm（3） 插入式接管不能伸出设备内表面。4.1.2 换热管1 换热管焊接前必须保证干净。除锈，不可以进行敲打。碰撞等伤害换热管的操作或失误4.1.3管板4.1.4 折流板、支持板1 折流板、支持板的管孔直径及允许误差按GB151-1999中5.9.3的规定为：19.6。2 4.1.5 管束的组装。4.1.6换热器的组装1螺栓的紧固要均匀每个螺栓松紧程度相仿，一起紧螺栓。 小心谨慎的组装不可以疏忽造成各个零部件的损害。 4.2 换热器的安装与维护4.2.1安装安装位置：注意找平位置，形状尺寸，必须满足实际要求，各个零部件是不是齐全，完整符合安装条件。各个零部件是否可以干净，安全的安装。4.2.2 维护 换热器严格的维护，不得敲打，和污染到，需要我们不定时的检查，和清洗。检查的时候必须认真严谨，不可以疏忽，每次检查完必须做记录，整理入档案。结 论毕业设计的总结如下：（1）主要设计计算过程我所分配的毕业设计题目是U形管换热器的循环水换热器设计。在刚开始设计的时候，老师提供了很大的帮助，让我们梳理设计的思路，先构造一篇论文的大纲，将设计的大体步骤先布置下来，然后再分别开始进行扩充，摆脱了茫然的状态就可以正式开始进行设计和计算。在设计计算过程中，大量的资料是必不可少的，例如；GBT151-2014热交换器、JB-T4712容器支座、HG-T20582-2011、换热器设计手册、JB4700压力容器法兰标准、钢制管法兰标准等。大部分的设计依据都是根据上述的这些材料进行设计的。计算步骤中，大体分为工艺计算、强度计算和结构设计。工艺计算主要包括热力计算、管程和壳程的压降计算。结构设计主要包括封头型号与尺寸的选择、壳体与管箱厚度的计算、换热管的选型、折流板尺寸的计算、拉杆尺寸的计算、容器制作的设计、管板的计算、接管与接管法兰的设计等。强度计算包含开孔补强、强度校核、水压试验等。在计算与设计完成之后，就要开始说明书的编写和CAD制图工作，CAD制图是根据之前对结构的设计和零部件尺寸的计算展开的，在此基础上，查阅制图资料，开始展开画图工作。在设计和计算的过程中，细心、耐心和专心是必不可少的，这是一个发现问题和解决问的过程，需要集思广益，往往每次在解决问题时才能学到更多的东西，才能发现更多不会的内容，去了解，去查阅资料，将不会的知识学会。包括了筒体，法兰，鞍座，封头等零部件的设计是一种U型管换热器的设备结构，U型管换热器不会因为温差产生热应力结构简单，承压能力强，造价比较便宜，热补偿性能比较好，流速快，本设备换热器壳程2程数、管程4程数。（2） 设计过程中产生的问题在热力计算中，对K值的核算花费了很长的时间，由于毕业设计所给定的部分参数已固定，在核算K值的时候可以改动的变量较少，需要一遍一遍的去进行改动和计算，这是一个考验耐心的过程，不停的重复固定的计算过程。在固定管板式换热器的强度结构计算中，管板厚度的计算可以说是最为复杂的一项，计算过程与校核过程十分复杂，需要耐下心来进行计算和研究。之所以在设计过程中出现一些问题，还是因为在设计之前没有进行精心的布置与研究，应在设计前尽量把会发生的问题处理好。（3） 毕业设计感受经过几个月的设计。这段时间对换热器的设计进行了资料查询，资料整理，通过计算，对于换热器有了一定的了解，以及对换热器内部结构，完成了循环水换热器的设计感觉到一点自己完成的成就感设计过程也需要耐心和细心换热器是一种现代化的重要设备，可以节约成本，又能提高能源的利用率。学到了很多东西，设计中所学到的东西永远不会变，设计工作是一份非常严谨的工作，最容易让我们忽略的细节往往能决定我们的设计成功与否，通过这次设计让我学习到了严谨的工作态度，也使自己对设计工作重视了很多。毕业设计时四年所学知识的一个集中体现，也是对自己的一个考验，在困难重重的考验中才能学到更多的知识。毕业设计也是一个综合能力的体现，对CAD制图、WORD文档的制作、文献检索等能力有了很大程度的提高，从开始循环水换热器设计开始，我从着手设计，到现在完成设计，学习了很多，学习的不只是设计的知识，而且学习了设计中遇到的一些难题，而且从遇到难题，到后来通过请教老师，请教同学的帮助，再到最后通过沟通解决了难题，是非常有成就感的事，是从心里觉得解决了问题而产生的，设计是从零开始的，算着算着就有了厚厚的一沓纸，厚厚的，都是自己设计的劳动成果，有时候也因为算不出来而着急，四处问人，虽然很是辛苦，但是最后都解决了问题，这就是对自己最大的安慰，快了。从设计中学到的东西很多很多，很珍贵，也多亏了老师和同学们的帮助才能做完毕业设计，对于自己的设计还有很多的错误，和不足的地方，在后来也有很认真的改正，我相信还有很多错误，需要老师帮助指出，学生会认真的改正的，设计中也不能只去把一些数据不能完全对的上，还需要我们灵活运用，把相近似的数值可以拿去运用，但是只能把抗腐蚀性，压力强度弄得高一点，不可以降低，因为安全最重要，生产安全，人身安全，不管哪一个出了差错都是不可估量的损失。随着设计的算完，才发现自己已经将要从这个自己呆了五年的家里出去了，因为在这里有太多的人帮助我们，就像家人一样，这里的每一个地方都值得我去记住它，不为别的，只为了以后可以在离开他的时候，
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