流量为100t每小时的U型管式换热器设计（全套含CAD图纸）
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本科毕业设计 题 目 ： 流量为 100t/h U 型管式换热器 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 论文答辩日期： 设计任务书 过程装备与控制工程 专业 学生： 毕业设计题目： 流 量为 100t/h U 型管 式换热器 毕业设计内容： 设计说明书一份； 绘制施工图折合 纸 2 张 。 毕业设计专题部分： U 型管 式换热器 起止时间： 2016 年 3 月 1 日 2016 年 5 月 23 日 指导教师： 2016 年 3 月 1 日 摘要 本文介绍了 U 型管换热器整体的结构与强度设计计算。 U 型管换热器是将管子弯成 子的两端均固定在同一个管板上。 出于 壳体和管子的分开，管束可以 进行 自由 的 伸缩， 因此 没有热应力，热的补偿 功能好；管程采用的是双管程，流程比较较长，流速 比 较高，传热性能较好，承压的能力 较 强。管束可从壳体抽出，优点是方便检修和 清洁 ，而且结构简单造价便宜。缺点是管内清洗困难，这就要求管内通过的流体必须是清洁不易产生污垢的物料 1。 它的主要特点是在单位体积内传热的面积较大而且传热效果比较好。除此之外，它的结构简单，操作的弹性也大，所以在高温、高压的情况下以及在大型装备的应用上更多的使用管壳式换热器。而 态 下，尤其是高压下，这就要求在弯管段要加强壁厚来弥补弯管后管壁的减薄 1。 这次设计的题目是“流量为 100t/h U 形管式换热器”， U 型管式换热器是管壳式换热器 里 的一种，它的结构主要包括管板、壳体、管束管箱、封头、换热管、支座等零其他部件，重量相对比较轻。在这次的设计中由于设计的压力和温度都比较高 ，因此设计的要求 比较 高，在对换热器 的设计中，主要对其 结构、强度进行了设计以及对零部件的选型和工艺设计。换热器的材料选用恰当，主要结构的尺寸也进行了合理的选择， 这些 均能够满足换热器在强度、刚度、稳定性以及水压试验等校核方面的要求。本次 ，管程介质为 水 。流量为 100t/h，壳程的工作温度为 190 ，管程的工作温度为 70 ，壳程的设计温度为 200 ，管程的设计温度为 90 。在其结构上安装有八块折流板，以增加流体的湍流速度。设计压力为管程 据给定的条件，查 看 制压力容器，壳式换热器以及换热器手册等标准，通过试算法获得总传热系数，所得传热面积为 考虑到介质特性，采用25000 的 20#的无缝钢管，本设计采用 420 根换热管可以满足换热量。接管法兰我选 择 了板式平焊法兰，并 采用 鞍式支座支撑。在本次毕业设计过程中我已经完成了文献综述，设计说明书，一张总装配图和四 张零件图的绘制。 换热器在工业、农业等许多的领域运用十分的广泛，当然在日常 的生活中和现实中传热设备也随处可 以见到， 这 是不可能缺少的工艺设备和单元之一。随着研究的不断深入，工业应用也取得了显著的成效。并且在许多化工单元操作的场合也作为一种十分重要的附属设备进行使用，所以在化工生产中换热器也占有着非常非常重要的地位。 关键词： 结构 ； 强度 ； 设计计算 of is a of in a is be of is is to be to . is is In is so in of of in of is at of to up is 00t / h is a in of a In of so of of of of a to in of is is 00t / h, of 90 , 0 , 00 , 0 . In to of on as as to of 25 20 # 6000, 20 of to I to of In ve a a in of in of in of be it is of of in as a be so in a . 目 录 第一章换热器的结构类型与发展 . 1 热器的概述 . 1 热器的分类 . 1 热器按传热方式分类 . 1 热器按用途分类 . 2 热器按 其结构分类 . 2 热器的结构介绍 . 3 热器的主要组合部件 . 4 热器的设计 . 5 算传热面积初选换热器型号 . 5 算管程和壳程压强降 . 5 算总传热系数和传热面积 . 5 热器的发展 . 5 第二章 . 7 始数据 . 7 定定性温度及物性数据 . 7 程冷水的定性温度 . 7 . 7 油的传热量与冷水流量的计算 . 8 程换热系数的计算 . 9 构的初步设计 . 9 程换热系数计算 . 10 热系数计算 . 11 壁温度计算 . 11 程压力降计算 . 11 程压力降计算 . 13 第三章换热器强度计算与应力校核 . 14 热管材料及规格选择和根数的确定 . 14 子的排列方式 . 14 体内径的确定 . 14 体厚壁的确定 . 15 体的液压试验 . 16 程标准椭圆形封头厚度的计算 . 16 程标准椭圆形封头厚度的计算 . 17 器法兰的选择 . 18 备法兰的选择 . 18 管法兰的选择 . 18 板的设计 . 21 相短节壁厚的计算 . 22 杆和定距管的确定 . 23 杆的结构型式 . 23 杆的尺寸 . 24 距管尺寸 . 24 流板的选择 . 25 型 . 25 流板尺寸 . 25 热管无支撑跨距或折流板间距 . 25 流板厚度 . 25 流板直径 . 25 流板管孔直径 . 25 冲板尺寸的确定 . 26 孔补强计算 . 26 程隔板厚度选取 . 29 座的选择及应力校核 . 29 座的选择 . 29 座的应力校核 . 30 参考文献 . 34 致谢 . 35 沈阳化工大学科亚学院学士学 位论文 第一章 换热器的结构类型与发展 1 第一章 换热器的结构类型与发展 使热 能 从热流体传 送 到冷流体的设备 简 称为换热设备。它是化工、炼油、动力、食品、轻工 、 能源、制药、机械 及其他 的 许多工业部门广泛使用的一种通用设备，是现代化工业生产中不可 缺少 的重要设备 之一 。 热器的概述 换热器 肩负 着将热流体的部分热 量 传递给冷流体的任务，是实现生产中热 能 交换和热 能 传递的必备机械设备。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 等 ，应用更 为 广泛。换热器种类 也 很多，根据冷 流体 、热流体热 能 交换的 工作 原理和方式 上 基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在 这 三类换热器中，间壁式换热器 的 应用最 为广泛 。 在工业生产中，换热设备的主要作用是 将 热 能 由温度较高的流体传递给 温度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程规定的指标， 来 满足工艺过程上的需要。 除此之外 ，换热设备也是回收余热、废热 ， 特别是低品位热 量 的有效装置。 热器的分类 换热器 出于 用途、工作条件和物料的特性 的差别 ，出现了各种不同形式和结构的换热设备，换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速 发展，换热器的种类 愈来愈 多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 热器按 传热方式分类 4 间壁 式换热器 间壁式换热器它 是 由 温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式 的 换热器有管壳式、套管式和其他型式换热器 。 沈阳化工大学科亚学院学士学 位论文 第一章 换热器的结构类型与发展 2 蓄热式换热器 蓄热式换热器 它是由 固体物质构成的蓄热体 与热流体、冷流体交替接触 ，把热能 从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质 被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式 的 换热器 还 有旋转式、阀门切换式等 等。 流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热 能 ，在低温流体换热器把热 能 释放给低温流体 。 直接接触式换热器 直接接触式换热器 它 是 利用冷、热 流体直接接触 ， 彼此混合 进行换热的 换热器 ，例如， 冷水 塔、 气体 冷凝器等。 热器按用途分 类 加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但 是 加热流体没有发生相的变化 。 预热器 预热器 是优 先加热流体，为工序操作提供标准 化 的工艺参数 。 过热器 过热器 是 用于把流体 (工艺气或蒸汽 )加热到过热状态 。 蒸发器 蒸发器 是 用于加热流体， 高于 沸点以上温度，使其流体 发生 蒸发，一般有相的变化。 热器 按其 结构 分类 浮头式换热器、固定管板式换热器、 U 形管 式 换热器、板式换热器等。 沈阳化工大学科亚学院学士学 位论文 第一章 换热器的结构类型与发展 3 热器的结构介绍 4 U 型管式换热器主要是管箱、壳体以及管束等这些主要零部件部件组成，结构如图所示，在结构上， U 型管式换热器比浮头式简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但是管程不易清洗，所以只适用于清洁而不易结垢的流体。 U 型管式换热器，用在高温高压的情况下，因此在弯管段的壁厚要加厚，来弥补弯管后管壁的减薄增加强度。 壳程内可按实际要求安装折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，来提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）来增加壳侧介质流速。 下 图 U 型管换热器整体外形， 图 剖面图 图 U 型管换热器整体外形图 图 U 型管换热器剖面图 沈阳化工大学科亚学院学士学 位论文 第一章 换热器的结构类型与发展 4 热器的主要组合部件 换热器的主要组合 部分 有 前端 管箱、壳体和后端结构。详细分类见 下表 1。 表 1换热器组合分类 沈阳化工大学科亚学院学士学 位论文 第一章 换热器的结构类型与发展 5 热器的设计 在进行换热器的设计 工作 时，经过 了 多年 的 实际工作中总结出来的经验，形成了一套 实用 的设计步骤： 根据传热 的 要求，计算传热量； 确定流体在换热器两端的温度，计算定性温度并确定流体物性； 计算传热温度差，根据温差校正系数 t定壳程数； 选择两流体流动通道，根据两流体温差，选择换热器型式； 依据总传热系数的经验范围，初选总传热系数 K 值； 由总传热速率方程计算传热面积，由 S 确定换热器具体型号 (若为设计时应确定换热器基本尺寸 )。 算管程和壳程压强降 依 据选定型号的换热器，分别计算管程、壳程压强降，看其是否 合乎工艺 要求。若不 合乎 要求时，再调整管程数或折流挡板间距，或 着 重 新 选 择 其它型号换热器，并计算压强降，直到满足要求为止。 算总传热系数和传热面积 按照对流传热系数关联式，计算管内、外对流传热系数，选定污垢热阻，核算总传热系数值。根据该计算 K 值校核实际需传热面积，若选用换 热器提供的传热面积比所需传热面积大 10 20%时，所选换热器合适。否则需另选 K 值，重复以上 方法 ，直 到切合实际 为止。 热器的发展 近些年与换热器相关的技术不断的发展，主要有防腐技术的应用，大型化与微小化并重，强化技术 、 抗震技术 、 防结垢技术和先进的制造技术。 换热器采取的有效防腐蚀措施如下： 沈阳化工大学科亚学院学士学 位论文 第一章 换热器的结构类型与发展 6 防腐涂层 在换热器与腐蚀介质接触表面，覆盖一层耐腐蚀的涂料保护层，涂层要有较好的耐蚀性、防渗性和较好的附着力和柔韧性。对水冷系统，管内清洗干净后进行预膜处理。 金属保护层 常用方法有衬里、复合板 (管 )、金属喷涂、金属堆焊等。 电化学保护 由于 阴极保护因费用太高，一般不用。阳极保护是接以外用电源的阳极保护换热器，金属表面生成钝化膜而得到保护。 防应力腐蚀措施 6 胀接结构，其胀管率越大，残余应力越大， 那么 在腐蚀介质中 它的 电极电位越高，腐蚀倾向越大。在同 样的 腐蚀介质中，与焊接结构相 对比 ，胀接结构， 尤其是 当胀接时胀管率较大时，更容易 发生 应力腐蚀，因 此 在保证胀接强度及密封性的条件下，胀接压力不宜过高 来 控制胀接后残余应力的大小， 因此 减小产生应力腐蚀的可能性。必要时可改变换热管与管板的连接形式，如 果 用强度焊加轻微贴胀的结构代替原 先的胀接结构，这种结构既 可 减小结构的残余应力，又能防止只焊接而产生缝隙腐蚀的可能，通过改变换热管与管板的连接形式来减小结构的残余应力， 这种方法 对预防换热器的应力腐蚀破裂是有效、可行的； 胀管深度应达管板底部，以消除全部缝隙； 在强应力腐蚀介质下的换热器，应对管板进行消除应力处理； 消除氯离子的浓缩条件，如采用内孔焊接，消除管头缝隙； 随着工业中经济效益与社会中环境保护的要求，制造水平的提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路与新结构的涌现，换热器将朝着更高效，经济，环保的方向发展。目前，世界各国在换热器的理论研究、新技术和新产品的开发方面已经进入了高层次的探索阶段，涉及的领域很广。换热器的新技术得到了实用化，并进一步扩大器适用的范围，具有高效、低耗、性能优越的换热器将推广使用，我们应当借鉴国外的先进换热器技术，努力赶上国外的先进水平。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 U 型管换热器传热工艺计算 7 第二章 U 型管换热器传热工艺计算 始数据 管程冷水的进口温度 : 251 70管程冷水的工作压力 : 壳程热油的进口温度： 1901 251 壳程热油的流量 : 1 0 0 0 0 0/1 0 02 定定性温度及物性数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值 程冷水的定性温度 0252 （ 2 根据定性温度可查取管程冷水的有关物性数据 7。 冷水在 下的物性数据如下： 密度 3/定压比热容 1 7 度 朗特准数 程煤油的定性温度 1402 901902 （ 2 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 U 型管换热器传热工艺计算 8 根据定性温度可查取壳程煤油的有关物性数据。 煤油在 140 下的物性数据如下： 密度 3/736 定压比热容 度 朗特准数 油的传热量与冷水流量的计算 取定换热效率为 则设计的煤油传热量： 3 6 0 0/1 0 0 0)( 212 hh （ 2 =100000 190 90） 000/3600 =7023333W 则管程冷水流量为： p c 6 1 111 0 0 025 0 2 3 3 3 33 6 0 0)(1201 ）（ （ 2 ，逆 l n ()()(12211221 2 参数 P： 5701112 tt （ 2 参数 R： 01901221 tt （ 2 查 看 换热器 设计手册 图 1a)，将换热器按单 壳 程、双管程设计， 可知 : 温差校正系数： 9.0 逆,t 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 U 型管换热器传热工艺计算 9 程换热系数的计算 选 K 值，估算传热面积。参照化工原理表 4， 初选传热系数 20 /450 2000 23 3 3 3 （ 2 选用 25000 的无缝钢管做换热管 则 : 管子外径 5管子内径 0管子长度 000 则需要换热管根数 := 9 3 . 3 根 （ 2 可取换热管根数为 420 根 管程流通面积 : 222 0 6 5 9 管 （ 2 管程流速 : 7 3 5 9 93 6 0 0 1 3 4 6 1 1 0 0 1 管 （ 2 管程雷诺数 : 6 8 3 c c ii （ 2 因为水被加热， 4.0n 则管程传热系数 : 2 6 8 50 2 6 4 3.0 构的初步设计 查 参照材料 壳式换热器 ， 可知 管间距 不宜小于 的换热管外径，查表 12 可知 换热管 管间距 : 管束中心排 的 管数 为 : 根，取 24 根 则壳 的 体内径为 : 3 ( 0 （ 2 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 U 型管换热器传热工艺计算 10 圆整 后 : 000i 则长径比 : 616i 4间，合理。 所以 折流板选择弓形折流板 ， 那么 : 折流板 的 弓高 : 折流板 的 间距 : i 折流板 的 数量 : 1 取 16 块 程换热系数计算 壳程流通面积 : 20 (A i ）（壳 （ 2 壳程流速 : 0 0 1 0 0 0 0 03 6 0 0 21 壳 （ 2 壳程质量流速 : 211 /5 1 07 3 65 1 （ 2 壳程当量直径 : 20202 （ 2 壳程雷诺数 : 5 6 6 4 1 5 1 73671 h （ 2 根据 去弓形面积所占的比例，可查得为 过 管壳式换热器原理与设计 9图 2得壳程传热因子： 25000 ，壁温下 煤油的 粘度： 3105 4 粘度修正
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