255吨每小时U形管式冷却器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 本文介绍了 U 型管冷却器的整体结构设计计算。 U 型管冷却器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。 U 型管式冷却器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。 换热器的设计工作主要有换热器综述，换热器的工艺计算以及结构强度计算。其中换热器工艺计算中需要根据初始数据计算其处理量以及工艺 参数，换热器的结构强度计算主要集中在折流板，筒体以及开口上。 换热器是化学工艺生产中重要的设备之一，它是一种冷热流体间的传递热量的设备，他们的使用条件和要求差别很大，如容量，温度，压力和工作介质的性质等，涉及的种类很多，因此换热器的结构形式也多种多样。 U 形管换热器仅有一个管板，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，而且结构简单，造价便宜。 U 形管换热器主要结构包括筒体，封头，换热管，接管，折流板，防冲板，导流筒，防短路结构，支座和管壳层的其他设备等。 本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。冷却器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行了冷却器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 关键词： U 型管冷却器； 结构； 强度； 设计计算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 at of in of is be a It I of of so is of of 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第一章 绪论 . 1 第二章 换热器传热工艺计算 . 3 始数据 . 3 性温度及确定其物性参数 . 3 量守恒与油流量的计算 . 3 效平均温度的公式计算 . 4 程换热系数的计算 . 4 构的初步设计 . 5 程换热系数计算 . 5 热系数计算 . 6 壁温度计算 . 7 程压力降计算 . 7 程压力降计算 . 7 第三章 管壳式冷却器的类型、结构与型号 . 9 要设计参数 . 9 却器的零部件名称 . 9 却器的主要组合部件 . 9 第四章 冷却器材料选择 . 11 材原则 . 11 第五章 冷却器结构设计 . 12 厚的确定 . 12 箱圆筒短节设计 . 13 体圆筒设计 . 14 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 头设计 1 3 . 15 封头计算 . 16 箱封头计算 . 17 热管设计 . 18 热管的规格和尺寸偏差 . 18 形管的尺寸 . 19 子的几种排列方式 . 19 管限定圆 . 20 板设计 . 21 箱结构设计 . 22 箱的最小内侧深度 . 22 程隔板 . 22 第六章 冷却器 其他各部件结构 . 24 出口接管设计 . 24 管法兰设计 . 24 管外伸长度 . 26 管开孔补强的设计计算 . 26 管最小位置 . 30 程接管位置的最小尺寸 . 30 箱接管位置的最小尺寸 . 30 板法兰设计 . 31 片的设计 . 31 栓设 . 32 兰设计 . 34 流板 . 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 流板尺寸 . 37 流板的布置 . 38 杆与定距管 . 39 杆的结构型式 . 39 杆的直径和数量 . 39 杆的尺寸 . 39 杆的布置 . 40 冲与导流 . 40 冲板的形式 . 40 冲板的位置和尺寸 . 41 流筒 . 41 壳程结构 . 41 短路结构 . 42 路挡板的结构尺寸 . 42 管 . 42 间挡板 . 42 座 . 43 结论 . 44 参考文献 . 45 致谢 . 46 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章 绪论 能源是当前人类面临的重要问题之一，随着时间的推移，人类对能源的需求越来越急，为此它却成为我们生活中的重要部分，这个过程中冷却器是能源转换的重要组成，其应用面涵盖整个工业领域，它应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的冷却器越来越受到工业界的重视，而冷却器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，冷却器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的 意义。 伴随着节能技术的研究深入，其应用的领域也在不断的扩大，冷却器的应用在进行高温和低温热能回收方面带来了很高的经济效益。冷却器的分类也是多种多样按照其工作的原理大致可以分为三种：一是储能式冷却器、二是直接接触式冷却器、三是间壁式冷却器。其中间壁式冷却器又可以分为列管式冷却器和板壳式冷却器两种，列管式冷却器由于其可靠性较高且应用较广泛等因素，在长期的设计过程中工程人员积累了丰富的经验，设计资料相对较为齐全，伴随着经济的不断发展，科技的不断进步，一些不同形式的冷却器也不断的涌现。 在最近几年的发展过程中，虽 然列管式冷却器收到了新型冷却器的挑战，但是在装备中它仍然占据不可替代的位置，因为列管式冷却器具有结构简单合理且牢固，其操作的弹性较大，应用的材料较为广泛等优点。在石油、化工还有石化行业中的应用最为广泛。 列管式冷却器 主要应用在 化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液 ,汽和汽 ,汽和液的对流传热 ,蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。 其主体由壳体和壳体内部的管束所组成。管子的两端分别固定在管板上，并且把壳程的流体分开，用以引导流体的流动并且起到支承管子的作用。用定距管和拉杆将折流板与管子组装在一起 。 列管式冷却器共有三种 结构型式 :固定管板式、浮头式。固定管板式冷却器的结构简单且结构紧凑合理具有造价低廉等优点，冷却器的每一根换热管都可以单独的更换和清洗，在同一结构尺寸下冷却器和浮头式冷却器其换热面积较大。由于固定管板式冷却器的壳程清洗较为困难，所以它适应于壳程压力不高和换热介质温度差不是很大的场合。浮头式冷却器应为其管束的热膨胀不会受到壳体的约束，并且可拆卸抽出管束，检修清理较为方便，所以，浮头式冷却器的应用最为广泛，在油买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 田储运系统中，百分之六十到七十的冷却器都为浮头式冷却器。 形管式冷却器 类型是 管壳式 冷却器的一种 ,其组成 由管板、壳体、管束等组成。在 相同的 直径情况下 ,形管冷却器的换热面积 是 最大 的；其自身具有 结构简单、紧凑、密封性能高 , 检修、清洗方便、 在高温、高压下金属耗量最小、造价最低 等优点。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 第二章 换热器传热工艺计算 始数据 壳程油的进口温度： ，1t =140 壳程油的出口温度： ,1t =75 壳程油的工作压力： . 4程油的流量： 55 管程水的进口温度： ,2t =25 管程水的出口温度： ,2t =65 管程水的工作压力： 2性温度及确定其物性参数 壳程（煤油） 壳程油的定性温度： 查表得壳程煤油的密度： 1=800Kg/表得壳程油的比热： ) 查表得壳程油的导热系数： 1=m ) 壳程油的粘度： 1=10s 查表得壳程油的普 朗特系数： 2 管程（水） 管程水的定性温度： 5 查表得管程水的密度： 2=998Kg/表得管程水的比热： ) 查表得管程水导热系数： 2=m ) 查表得管程水的粘度： 2=10s 查表得管程水的普朗特系数： 量守恒与油流量的计算 假定取热交换效率为 =设计传热量： 1C , 1t ,1t )1000/3600 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 =255000140 75)000/3600 =9475375W 则管程水流量为： ( ,1,120 p =）（ 475375=56752t/h 效平均温度的公式计算 ()(,2,1,2,1,2,1,2（=)1 4 065 7525)1 4 065()7525( =50 其中有关参数的计算 参数： P=,1,2,1,1 = 14025 14075 =数： R=,1,1,2,2 = 14075 6525 =却器按照单壳程双管程设计差管程式换热器原理与设计得温差校正系数=效平均温差： 0= 程换热系数的计算 采用试算的方式计算换热系数 初选换热系数为 60w/mk 则可得出下列数据： 初选传热面积 ;F0=00 = 505609475375 =340用 25无缝钢管做换热管 管子外 径为： 5子内径为： 0子长度为： L=6000需要换热管数为 : = 40 =720 根 可取换热管根数为 720 根 管程流通面积 : 2a = 422it = 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 管程流速 : 2w =2223600 = 0 9 8 7 83 6 0 0 5 6 7 5 2 =s 管程雷诺 : 2222 / 980811 管程传热系数 :2= d =126806 构的初步设计 查 壳式换热器可知，管间距按照 d 选取： 管间距 : s = 管束中心排管数 : 720 =29 根，取 30 根 则壳体内径为 : 0( ）（ =圆整为 : 1000 则长径比 :16 = 6，在 4间，合理。 折流板选择弓形折流板 : 折流板弓高 := 50 折流板间距 :3 折流板数量 : 1 块 取 16 块 程换热系数计算 壳程流通面积 : )1(f 01 . 0 7 2 2 3 30 ）（壳程流速 : 1111 3600 1 . 34 6 60 72 03 60 0 2 55 0 0 0 壳程质量流速 : 111 W =00=2/ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 壳程当量直径 : 0202 01 0 2 01 22 壳程雷诺数 : 6 3 2 8 3 4 6 6800 根据 去弓形面积所占的比例，可查得为 据管壳式换热器原理与设计图 2得壳程传热因子： 33000 ，壁温下油粘度： 1 = 粘度修正系数 : . 7()( 壳程换热系数 : 51603300. 985)42(151131111 热系数计算 查 壳式换热器第 138 页可知 水侧污垢热阻 : 1r = )/m(101 5 油侧污垢热阻为 : 2r = )/m(101 5 由于管壁比较薄，所以管壁的热阻 可以忽略不计，可得总传热系数为： 20211111 6 1 8 . 5 . 6101 7 . 651601155732 传热面积比为 : 0= （合理） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 壁温度计算 管外壁热流密度计算 : t 001 = )/( 9 4 7 53 7 5 2 管外壁温度 : 错误 !未找到引用源。 = 017. 65160 1( 误差校核 : 011 ww ，误差不大，合理。 程压力降计算 参考换热去设计手册 1 由 179209，查图 1 3 24 得壳程压强摩擦因子中： 壳体内径 管子长度 L=6m； 折流板间距 流体密度 1 =800 3/ 流体粘度10 =493.7 610 ； 管外流体壁温 下粘度 w =； 则壳程压强 7 8 P ，符合压 强计算。 程压力降计算 参考换热器设计手册公式 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 管程压强： 其中 ： 直管压降； 回弯压降； P 管箱进出口压降； 结构校正系数， 串联的壳程数， 1； 管程数，； 22 其中 2 2 2 2 il 5902 0 3 5 则 233 32322 2 即 P ，符合压强条件。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 第三章 管 壳式冷却器的类型、结构与型号 要设计参数 管程 :管程介质为水，温度由 25050C，工作压力 数 2 壳程：壳程介质为高温油，程数 1，由 140050C、压力为 量为 255t/h。 却器的零部件名称 表 号 名称 序号 名称 序号 名称 1 接管法兰 11 活动鞍座（部件） 21 纵向隔板 2 管箱法兰 12 22 接管 3 壳体法兰 13 挡管 23 内导流筒 4 防冲板 14 固定鞍座（部件） 24 圆筒 5 补强圈 15 滑到 25 管箱侧垫片 6 壳体（部件） 16 管箱垫片 26 凸形封头 7 折流板 17 管箱圆筒（短节） 27 双头螺柱或螺栓 8 拉杆 18 封头管箱（部件） 28 放气口 9 定距管 19 分层隔板 29 螺母 10 支持板 20 中间挡板 图 U 型管式冷却器 却器的主要组合部件 冷却器的主要组合部件有前段管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。详细分类见图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 主要零部件分类和代号 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第四章 冷却器材料选择 材原则 冷却器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、无损检测标准及检测项目均按的规定。 冷却器它的主要用途是为了把热量散出去，在我们的生活中它时常经常容易发生电化学反应。为此，避免金属受到为了保护金属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。冷却器主要部件材料选择见表 材料 零部件 材料 设计压 力 设计温 度 许用应力 st 标准 管箱封头 15 323 封头 1573 体 1573 箱圆筒短节 15 323 板 023 热管 0 323 B/程接管 1573 程接管 073 筒体法兰 1573 000 管程接管法兰 0 程接管法兰 1523 箱法兰 1573 000 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 第五章 冷却器结构设计 管壳式冷却器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。 通常相同形式的冷却器，由于各种条件的制约，其设计时所选用的结构会有所不同。在实际工程 设计的过程中，除了满足尽量选取标准系列产品外，往往也会按照其特定的要求进行设计，来满足工艺性的要求。 它在外界给它施加较大的压力的情况下，由于管壁有点薄，故此要加厚它的管壁。 厚的确定 管式冷却器的外壳由壳体和封头还有管箱壳体所组成，其壳体一般采用管材或者板材劵制成型。压力容器的公称直径选取参考 直径大于等于400 毫米的情况，选取板材来劵制壳体和管箱壳体；当直径小于 400 毫米的时候，一般会选用成型管。管式冷却器的直径系列应该与封头和连接法兰的系列相互匹配，以方便进行封头和法 兰的选型。通常当直径小于 1000 毫米时，相差 100 毫米作为一个系列，在有必要的时候也可以选用 50 毫米作为一个系列；当直径大于 1000毫米时，直径相差 200毫米为一个系列。 表 称直径 400700 700 1000 1000 1500 1500 2000 2000 2600 浮头式， 8 10 12 14 16 固定式管板式 6 8 10 12 14 表 称直径 400500 500 700 700 1000 1000 1500 1500 2000 2000 2600 最小厚度 8 10 12 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 箱圆筒短节设计 管箱圆筒（短节）计算按 开孔补强计算按筒的最小厚度按表 计条件见表 表 件 材料 设计温 度 设计压力 t 标准 1C 箱圆筒短节 1523 0 圆筒计算： 在保证设计温度的前提下圆筒的计算厚度按式（ 5算，公式的适用范围为 0 2 （ 5 其中 8 . 0p M p a； 800iD 1 2 8 t M p a ； = 厚度计算： = 计厚度：2 2 5 . 7 6 d C m 1C 2 5 . 7 6 nd 圆整取 n= 26效厚度：21C 2 6 0 2 6 m 5算： 2 C i （ 5 得： 8 . 0 8 0 0 2 6 1272 2 6 t M p a t 3 1000 2600 4 800 b = 28 表 700 10 3 700 13 5 取30b= 5有2 1 . 5 3 0 1 . 5 3 1 . 5nb b m m 。 布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，布管限定圆按表 表 冷却器型式 固定管板式、 浮头式 布管限定圆直径 122iD b b b 得：32 8 0 0 2 8 7 8 4 b m m 。 板设计 管板作为管式冷却器的一个非常重要的组成元件，不仅与壳体和管子连接，它还是冷却器中的一个重要的承受压力的元件，管板在设计的过程中不仅要考虑其自身的强度要满足还要考虑结构的设计合理性。管板得合理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本、确保使用安全都具有重要意义。 U 型管冷却器只有一块管 板，采用可以拆卸式连接，管板通过垫片与管法兰和壳体法兰连接。其连接形式见图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 图 当管板与换热管采用胀接时，管板得最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足表若管板采用复合管板，其复层最小厚度应不小于 10应保证距复层表面深度不小于 8 表 热管外径 D， 25 25 （ 6）垫片宽度校核 m i 6 6 1 8 0 5 2 8 . 4 86 . 2 8 6 . 2 8 8 7 0 1 7 9 . 3b ，垫片选择满足条件。 （ 7）螺栓设计载荷 2 （ 3 3 4 4 3 . 7 1 3 4 6 6 1 8 0 5 2 7 4 1 2 1 4 5 . 7 82 6182404. 875 N （ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 34 兰设计 （ 1）法兰力臂 取 01 . 5 1 . 5 2 6 3 9h m m，法兰颈部斜度为 1： 3，则有 1 39 12 2 ( 4 8 3 9 ) 8 0 0 9 7 4b A D m m 10 . 5 4 8 0 . 5 3 9 6 7 . 5 m m 9 7 4 8 7 0 5222m m 1 / 2 4 8 3 9 5 2 / 2 6 9 . 5T A L m m （ 2）法兰载荷 220 . 7 8 5 0 . 7 8 5 8 0 0 8 . 5 4 2 7 0 4 0 0D i p N G c F D p F 20 . 7 8 5 8 7 0 8 . 5 4 2 7 0 4 0 0 7 8 0 0 1 5 . 2 5 N （ 3）法兰力矩 N 2 1425431581a G L N m m （ P D D T T G L F L F L （ 4 2 7 0 4 0 0 6 7 . 5 7 8 0 0 1 5 . 2 5 52 m m （ 4）法兰设计力矩 法兰设计力矩取以下大者： m m 取 m 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 35 （ 5）法兰形状常数 0 8 0 0 2 6 1 4 4 . 2 2 m m 1 1.1 5 3 9 9h 5 9 / 1 4 4 . 2 2 0 . 4 0 / 2 2 / 8 7 0 2 5 2 2 3 6 / 8 0 0 1 . 3 0 8i G G e D D L L D 10 3 9 / 2 6 1 . 5 查表 9,确定下列系数： T = Z = Y = U = 图 9，得： ，得： ，得： 0/ 0 . 8 8 4 / 1 4 4 . 2 2 0 . 0 0 6 1 3 h 2 2 31 0 0 4 4 . 2 2 2 6 2 0 6 4 1 0 3 . 6 h m 度 70有： 1 1 7 0 0 . 0 0 6 1 3 1 2 . 0 4 2 1f e 44 1 1 7 0 0 . 0 0 6 1 3 1 2 . 3 8 9 533f e / T = 3 31170 1 . 1 3 4 5 2 . 3 8 3 . 5 1 4 5 （ 6）法兰应力 5 1 4 5 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 36 21 . 3 3 1D（ 21 . 3 3 1 7 0 0 . 0 0 6 1 3 1 5 1 4 5 1 7 0 401326800 22 1 1 8 5 1 0 4 . 8 81 7 0 8 0 0 （ 7）法兰应力校核 nm i n 1 . 5 2 . 5f ， 1 . 5 1 . 5 1 1 9 . 7 8 1 7 9 . 6 7 P 5 2 . 5 1 2 8 . 2 4 3 2 0 . 6 P 1 . 5 1 7 9 . 6 7 a 1 . 5 1 1 9 . 7 8 f 1 1 9 . 7 8 f 1 1 8 . 2 5 1 1 . 7 8 5 6 5 . 0 2 a 52规定）； （ 2）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于 14ld； （ 3）当管板较薄时，也可采用其他的连接结构。 本次设计采用拉杆定距管结构。 图 拉杆的直径和数量 拉杆的直径和数量可以按表 432和表 442选取。 选取拉杆直径为 12 选取拉杆数量为 8根。 杆的尺寸 拉杆的长度按实际需要确定，拉杆的连接尺寸按图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 40 图 拉杆直径 d 拉杆螺纹公称直径0 10 13 40 2 12 15 50 6 16 20 60 取拉杆螺纹公称直径为 12mm，5mm，0 杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的冷却器，在布管区内或靠近折流板缺口