煤油冷却器的设计（处理量1500kgh）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 冷凝器是使用范围很广的一种化工设备，属于换热器的一种。本设计任务主要是根据已知条件选择采用固定管板式换热器的设计 ,固定管板式换热器的优点是锻件使用少，造价低；传热面积比浮头式换热器大20%到 30 且旁路渗流小。 本台换热器主要完成的是煤油 首先根据给出的设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳程和管程的材料，然后根据物料性质和传热面积来确定换热管的材料，尺寸， 本次设计的主要设计参数为：管程介质为水，温度由 30 加热到 42 ，流量为 500 ，壳程介质为煤油，入口温度 138 ，出口温度 40 、压力为 流量为 500 。 采用 25无缝钢管换热，并根据换热管的排列和长度来确定筒体直径以及折流板的选择。通过对容器的内径和内外压的计算来确定壳体和封头的厚度并进行强度校核。然后是对换热器各部件的零部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，钩圈及浮头法兰的设计计算与校 核和管子拉脱力的计算。还包括管板的结构设计、防冲挡板、滑道结构的设计以及支座设计。结构设计中的标准件可以参照国家标准根据设计条件直接选取；非标准件，设计完结构后必须进行相应的应力校核。 管板与换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点，也是一个难点。 关键词 : 冷凝器 ; 强度设计 ; 结构设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 he is of a of a of to a of is to of is is 0% 0% is is to to of of to to of in 0 2 , 380 c, 0 , is 25*2.5 to of to of to of to of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of in of of of of of of be to to of be of of is a is a 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第一章 换热器的概述 . 1 题研究的目的 . 1 题研究的意义 . 1 课题在国内 外的研究现状 . 2 计标准 . 3 第二章 工艺条件的选择及设计方案 . 4 计方案的拟定 . 4 度 . 4 动方式的选择 . 4 速的选择 . 5 许压降 . 5 料的选择 . 5 第三章 换热器的工艺计算 . 6 定冷热流体的物性参数 . 6 算换热器的热负荷 Q . 6 却 水的用量 . 7 均温差的计算 . 7 择传热系数初算传热面积 . 8 子选择和管数的确定 . 9 子的选择 . 9 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 子的选择 . 9 均温差的校正及壳程数 . 10 子排列方式和管间距的确定 . 10 子排列方式 . 10 心距 . 11 程内径的确定 . 11 定总传热系数 . 12 程换热系数的确定 . 12 程侧换热系数的确定 . 12 体压降的计算 . 14 程压降的计算 . 14 程压降的计算 . 15 垢热阻和管壁热阻 . 16 体壁温的计算 . 16 体平均温度的确定 . 16 体壁温的确定 . 17 热管壁温的确定 . 17 第四章 换热器的结构设计 . 19 子与管板的连接 . 19 板与壳体的连接 . 19 板与分程隔板的连接 . 19 板与法兰的连接 . 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 杆与管板的连接 . 21 流板 . 21 体进出口接管 . 24 油进出口 . 24 的进出口 . 24 第五章 换热器元件强度和刚度的计算 . 25 体设计及校核 . 25 计参数的确定 . 25 度计算 . 25 体的水压试验 . 26 头 . 26 类和参数的确定 . 26 度计算 . 26 头直边高度 . 27 箱 . 28 度计算 . 28 箱的水压试验 . 28 子与管板的拉脱应力 . 29 算是否安装膨胀节 . 29 、壳壁温差所产生的轴向力 . 29 力作用于壳体上的轴向力 . 30 力作用于管子上的轴向力 . 30 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 管开口补强的计算 . 31 第六章 其他辅助结构及标准件的选用 . 34 管法兰及密封面形式 . 34 的选择 . 34 热器总质量的计算 . 34 座的尺寸 及结构选择 . 35 耳 . 36 兰螺栓规格 . 36 杆与定距管 . 36 冲挡板 . 36 条的选择及焊接形式 . 37 计结果表 . 39 结论 . 40 参考文献 . 42 附录 . 42 致谢 . 45 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章 换热器的概述 题研究的目的 换热器是石油、化工、食品、核能和其他化工部门广泛使用的一种工艺设备。一般换热器占石油化工设备总量的 40%,其中以管壳式换热器为主要换热器 ,因此 ,研究和开发壳管式换热器和标准制定收到各个国家的注意。如美国的 日本的 是管壳式换热器的专用标准。 最近几年来 ,随着制造技术的不断进步与发展 ,强化传热元件的研发 ,使新型高效率的换热器的研究有了更大的发展 ,根据不同的工艺条件和不同的换热工况设计并制造了不同结构形式的新型换热器 ,并且已在化工、炼油、石化、制冷和制药等行业得到了广泛的应用和推广，并取得了较大的经济效益。 各种换热器的设计结构和设计思想都各有自己的特点和新颖之处。有的在于增强传热管和壳程传热 ,一些改进的管箱设计 ,一些专注于防止管板诱导振动 ,一些紧凑了设备结构、有的在于防 腐蚀防垢。最先进要数 s 板式换热器、螺旋折流板换热器 ,麻花扁管换热等。 固定管板式换热器管板采用焊接方法和外壳连接固定。换热管为光管或低翅管等等。其结构简单 ,制造成本低 ,能得到壳体内径比较小 ,管程的样式可分为多种 ,壳程也可以使用纵向隔板分成多程 ,规格范围比较广 ,所以广泛应用于工程实践 。 题研究的意义 换热器是合理利用和现有节能新能源和开发新能源发展的关键设备。在当今世界 ,现有的能源主要是煤、石油、天然气和其他资源。有限的储量难以满足不断增长的工业和人们的生活 ,因此 ,合理使用现有的能源和开发新能源已成为一个研究课题。大部分的燃料生产的能量释放是通过换热设备 ,换热器的合理设计 ,提高性能将直接关系到现有能源的合理利用。现在能开发的新能源有 ,核能、太阳能、地热能等提供工业和生活使用 ,都是需要大量符合使用要求的格样式换热器。换热器的正确设置 ,设计合理 ,性能的改善对于能源的有效利用和发展具有十分重要的意义。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 应用最广泛的换热设备是固定管板式换热器 ,它具有可靠性高、适应性广 ,所以被广泛应用于各种工业领域。尽管还有其他的新型换热器的挑战 ,但是 ,这样反过来也促进了自己本身的发展 。在换热器的参数高 ,大规模发展的今天 ,管壳换热器仍占主导地位。 固定管板式换热器的结构简单 ,紧凑 ,能承受高压力、可靠性高、易于制造、处理能力强 ,成本比较低 ,可选择的材料广泛 ,方便清洗 ,能承受较高的工作压力和温度、管道损坏时容易堵塞管道或更换的优势 ,在温度高、压强大和大型换热器中 ,管壳式换热器具有绝对的优势 ,研究并且着重开发这种新型的换热器 ,对于未来工业的发展和经济增长具有重大意义。 课题在国内外的研究现状 换热器是石油、化工、食品、核能和其他化学部门广泛使用的一种工艺设备 ,由于管壳 式换热器具有适应性强 ,可靠性高 ,材料范围广等优势，所以被广泛应用。所以管壳式换热器的研究和发展一直在我们国家很受重视。在国防工业技术的发展 ,近年来我国进行了大量的研究来增强传热器技术。主要提高换热器性能方面的优势。比如，节能和增加效换热器是石油、化工、食品、核能和其他化学部门广泛使用的一种工艺设备。换热器设率 ,提高传热效率 ,减少传热面积降低压降 ,提高设备热强度等方面取得了举世瞩目的成就。但在新高效换热器的开发方面与国外差距仍很大 ,和实际的推广和应用新型高效换热器仍非常有限。还有待专业技术人员在从事换热器制造 过程中更加努力专研 ,使我国换热器从各个方面赶上国际先进技术 ,还需要使用换热设备制造商引入和推广高效换热器 ,为中国节能做出贡献。 国外换热器的市场调查 ,据统计 ,在换热器中使用现代化学工业的投资约占设备总投资的 30%在炼油厂换热器占总工艺设备的 40%、海水淡化设备几乎完全是由热交换器。早在 70 年代 ,世界各地的能源危机 ,大力促进传热强化技术的发展。为了节约能源 ,减少消耗 ,提高工业生产的经济效益 ,开发适用于各种工业过程高效换热设备的需求。所以 ,几十年来 ,高效换热器的研究和发展一直是关注的主题 ,推出了一系列国 内外新型高效换热器。尽管各种板式换热器的竞争力在上升 ,但是管壳换热器仍占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 高压、大型化方向发展。 计标准 (1) 中华人民共和国机械标准 管式固定管板热交换器 (2) 中华人民共和国国家标准 制管壳式换热器 (3) 中华人民共和国机械标准 定管板式换热器型式与基本参数 (4) 器、换热器专业设备简图设计规定 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第二章 工艺条件的选择及设计方案 计方案的拟定 根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器为固定管板式换热器；再根据冷热流体的性质，判断其是否容易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。本设计中选择使循环工业硬水走管程，煤油走的是壳程。从资料中查得冷热流体的物性数据。如比热容，密度，粘度，导热系数等。计算出总传热系数，再计算传热面积。根据管径，管内流速确定传热管数，算出传热管程，传热管总根数等。然后校正传热温差及壳程数，确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内 径，选择折流板，确定板间距，折流板数等；接着再对换热器的热量，官称对流传热系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度，最后，对流体的流动阻力进行计算。 度 换热器的设计温度应高于最大使用温度，一般高于 20 ，但在检修过程中，壳程空间需要空气进行置换，因此，换热器的最大使用温度要考虑到壳体置换时蒸汽温度，由于一般置换时使用水蒸气作为介质，因此，本次换热器壳体涉及温度为140 。 管程介质为水，最大使用温度为 30 ，故本文管程设计温度选择为 40 。 动方式的选择 管壳式换热器 的流动方式有并流、逆流、错流、混合流等，综合考虑，本次设计采用逆流操作。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 速的选择 已知两流体允许压强降不大于 100流体分别为煤油和自来水。与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环的冷却水较容易结垢，如果它的流速太低，会使污垢增长速度加快，换热器的热流量也会下降，因为要考虑到换热器散热降温等方面的因素，所以应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。选用 25内流速取 s。 许压降 流体流经换热器，它的阻力应在允许的数值范围内。如果流动的阻 力太大，则应该进行修正设计。 正常情况下，流体流经换热器的阻力为 104 105体为103 104许的流体阻力与换热器的操作压力有关，操作压力大，允许流体阻力可相应大一些。管程和壳程的压力降必须小于允许压力降。 料的选择 不锈钢具有耐腐蚀性、耐高温等特点。所以为了防止腐蚀，选用 0锈钢材料。由于煤油走壳程，所以换热器的壳体、管板、换热管和折流板 (支承板 )的材料均都需要采用 0锈钢。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 第三章 换热器的工艺计算 定冷热流体的物性参 数 根据换热器所在的工艺流程，确定流程参数和物性参数如表 3 3示。 表 3换热器的已知工艺参数 水的定性温度 : 362 4230 t 煤油的定性温度 : 892 40138 T 表 3介质的性质 密度 /（ kg/ 比热容 /（ kJ/ ） 粘度 /（ Pas） 导热系数 /（ W/m ） 煤油89 410 36 410 3列管式换热器内的适宜流速范围 流体种类 流速 /（ m/s） 管程 壳程 一般液体 结垢液体 1 体 530 315 算换热器的热负荷 Q 换热器的热流量是指通过冷热流体间壁所传递的热量。本文设计热流体存在相变，根据冷凝量和冷凝蒸汽的冷凝热，从而来确定煤油的热流量为 参数 壳程（煤油） 管程（水） 进口 出口 进口 出口 量 (kg/h) 温度 (0C) 流速 u(m/s) 1500 1500 - - 138 40 30 42 - - - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 )(21 (3 4 2 5 1 0)40138( 式中： 冷凝蒸汽的质量流量 ;kg/s 液体的比热容； kJ/ 却水的用量 冷却剂的用量要取决于工艺流体所需的热量及冷却剂进口和出口的温度，另外还跟设备的热损失有关。 根据热量的平衡，可以得到冷却水吸收热流量 Q 与 系如下： 式中： Q 损失的热量 根据该流程的实际情况，所以忽略该换热器的热流量，取 0 Q 则 : 4 2 5 1 0 该热流量均由冷却水升温得到，则根据 )3042(12 3 8 均温差的计算 换热器的传热推动力是平均传热的温差。它的数值不但跟流体的进口温度和出口温度有关，而且还与换热器中的两种流体的流型有关。 该设计中，管程和壳程换热采用逆流操作。对于逆流操作，平均传热温差可用换热器两端流体温度的对数平均温差来表示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 10122 式中： 96211 择传热系数初算传热面积 壳程传热系数： 假设壳程的传热系数是：0=700 W/ 污垢热阻： /W 管壁的导热系数： =45 ： b=外平均厚度： 下面的公式中，代入以上数据，可得 : 11 ） 2/(300 则 ： 0 0 (3实际传热面积 : 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 子选择和管数的确定 子的选择 管子的规格和形状对传热影响很大。采 用直径小的管子，在单位体积内，换热面积大，设备紧凑，单位传热面积的金属消耗量就会相对较少，传热系数较大，但是制造起来比较麻烦，并且容易结垢，而且结垢后，清洗比较困难。通常大直径的管子宜用于粘性比较大或污浊的流体，小直径的管子宜用于较清洁的流体。管子的直径和长度的确定与工艺计算有密切关系，但管子规格的选择，应考虑到管子材料的合理使用，应尽量采用我国现有的管子标准规格。根据我国的材料标准，综合考虑本设计要求，管程介质为水易清洗，并考虑压降，根据我国目前常用的换热管规格，选择 子规格为 ，即管子外径为 25 换热管直接与两种换热流体接触，因此必须根据两种流体的温度、压力、介质的腐蚀性等工艺参数及加工性能和经济合理性选用换热管的材料。 子的选择 确定了管径和管内流速后，换热器的单程管子数计算如下： u 管内液体流速， m/s， 取整为 13式中： 单程 管子数目； 管程流体的体积流量， ； 传热管内径， m， u 管内液体流速， u=s， 则单程换热器所需的管长为 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 9 (3由于按单程计算得到的管子长度太长，因此选择单管程换热器不合理，必须选用多管程的换热器。取管长为标准管长 L=管程数 p 总管子数 : N=取整为 26根 均温差的校正及壳程数 此时： 042 01 3 812 21 见大连理工出版社的化工原理 169 页，可查得： t =以，修正后的传热温度差为： = t 于是，校正后的平均传热温差是 ，壳程数为单程，管程数为 2。 子排列方式和管间距的确定 子排列方式 管子排列应考虑清洗和整体结构的要求。同时在壳体内装入尽可能多的管子，换热管在管板上的排列方式常用 的有以下五种基本形式，即正三角形、转角正三角形、正四边形、转角正四边形以及同心圆排列。具体形式如图 3文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 3管子排列方式 正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管束，故用的最为普遍，虽然管外不易清洗，但此次设计中管外为蒸汽冷凝，不易结垢，无需清洗。与正方形相比，传热系数比较高，大约可以节约 15%的管板面积，而且有利于管板的划线与钻孔。因此这个设计采用的是正三角形排列。 心距 管板上的两个传热的管中心距离称作为管心距。管心距的大小与传热管和管板的连接方式有关，此外需要 考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。本次设计采用焊接方式连接管子和管板，焊接时，管心距2程内径的确定 采用多管程的结构，取管板利用率 =壳体内径为 (3圆整可取 D=205标准径 D=273文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 定总传热系数 程换热系数的确定 流速： 4 0 0 3 83 6 0 0m/s (3管程雷诺数 45 u du （湍流 ) (3 管程换热系数 i ： 0 . 8 0 . 40 . 0 2 3 R e P i (3= =W/ ) 程侧换热系数的确定 25换热管 的中心距 s=32 则流体通过管间最大截面积为： (1 )h D s (30 0 0 3 20 2 （ 0A 0 =1500/3600 m/s） 223424e o od s d d (32234 ( 0 . 0 3 2 ) 0 . 0 2 5 ( 3 . 1 4 0 . 0 2 5 )24 =m) o o e =10文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 3601(湍流 ) 0壳程煤油被冷却，取 0 . 1 4 0 . 9 5 ； 10 . 5 5 0 . 1 4300 . 3 6 P r ( )o o e e o o o wd d u 0 0 557（ W/ ) 污垢热阻 /W) /W) 总的传热系数 K: 12 111 s s i i R (3= )575 =333（ W/ ) 实际传热面积 F: 39 5 1 4 0 mc （ (3安全系数： %16300 300352 K 传热面积裕度： % F 足设计要求，范围为 15% 20%） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 体压降的计算 程压降的计算 (1) 雷诺数 : 5 u du 流动形式为湍流 由 d 12800 d 可得 i =2) 管内的阻力损失为 : 22 (3 3 52 0 3 2 3 (3) 回弯阻力损失 : 23 (3 52 ) 2 则管程内总压降为： 根据计算公式，即 12p ( p p )i t i Z (3式中： 结垢校正因数，量纲为一，本设计选用的是 的换热管，4.1 F i Mp ak p ）（ 故壳程的压降满足题目中的要求 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 程压降的计算 现在提出的壳程压降的计算公式较多，由于流速的流动状况比较复杂，以至计算的记过相差的也比较大，本设计采用埃索法计算壳程的压降，公式即： 12p ( p p )o s (3式子中 壳程压降的结垢校正因数，量纲为 1，液体取 体取 设计煤油为液体，故取 21p ( 1 ) 2o c f n N (3222p 3 . 52 (3式中 管子排列方法对压降校正因数，正三角形排列 方向斜转 45排列为 方形排列 设计选正三角形排列取 。 正三角形排列时， 根，取 目为 19 个。 (1) 计算截面积 : c 2m (32) 计算流速 : 0 3 30 1 0 0 1 5 0 0u 000 s (3(3) 雷诺数的计算 : 50012001058 0000 u (4) 摩擦系数 : 2 f (35) 管束的损失 : 22001 ）（买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 (6) 缺口损失 : 202 92 (7) 则壳程损失 : M p ak p s 20 7 9 即壳程的压降也满足题意 垢热阻和管壁热阻 由于所处理的物料种类繁多，操作的条件也各不相同，所以对污垢生成的规律也难以掌握。目前对污垢热阻的选取主要凭生产经验数据。 管程污垢热阻 取 104 3 9 4 ； 壳程污垢热阻 取 107 1 9 4 ； 管壁导热系数，本次设计管壁材料选择不锈钢，查文献 1得 取 17 )/( 所以，总传热系数得 872 2 c 体壁温的计算 体平均温度的确定 根据