毕业设计（论文）-流量为240th汽-水浮头式换热器设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本 科 毕 业 设 计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 题 目： 流量为 240t/h 汽水浮头式换热器 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 过控 1201 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 5 月 27 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 过程装备与控制工程 专业 过控 1201 班 学生： 毕业设计（论文）题目：流量为 240t/h 汽水浮头式换热器 毕业设计（论文）内容：设计说明书一份； 绘制施工图四张。 毕业设计（论文）专题部分： 浮头式换热器 起止时间：2015 年 12 月 16 日 2016 年 5 月 27 日 指导教师： 2016 年 3 月 1 日 摘要摘要 换热器是工业生产中经常用的设备，在不同工作环境下对换热器的 性能要求不同，它是冷热流体间能够传递热量的设备。本次的设计为浮 头式换热器，浮头式换热器最主要的是由管箱、管板、壳体、折流板等 主要部分构成。浮头换热器的一侧是固定管板与壳体紧密固定，另外一 端则为浮动管板与浮头相连接。因此，热应力的优点是比较小的，容易 检查，清洁。这种结构的缺点是更复杂。 本次设计的主要设计参数为：设计压力管程为 0.99Map，壳程为 2.75Mpa，工作温度管程为 80，壳程温度为 175，设计温度管程为 95，壳程温度为 200。管程介质为 2.5Mpa 的水，壳程介质为 0.9Mpa 的水蒸汽。在计算校核方面，进行了传统的工艺计算和强度计算。在传 统的传热工艺计算中，主要包括有传热的面积，传递的热量及其系数的 确定，流量，压降变化及壁温的验算等等问题，这些都是应用有关的国 家标准和规定校核和计算得来的。在强度计算侧重于管体，管箱，头， 接受，支持，隔板和板厚计算和挡板，其他部件的设计和管法兰，垫片， 安装，组合，但也为一些强度校核。本设计主要是依 GB151管壳式换 热器和 GB150压力容器等为根据设计的。换热器在工业、农业等 各个的领域运用十分的广泛，当然在日常生活中和现实中的传热设备也 随处可以见到，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。 本次设计中，多增加了排污口，放净口和备用口，挺高了产品的清 洁能力和安全性能。在数据估计中，多增加些余量，保证了产品的安全 运行。 关键词关键词: 换热器; 管板; 传统工艺计算; 强度安全校核; 应用范围 Abstract Heat exchangers are the most commonly used in industrial production equipment in different work conditions of heat exchangers performance requirements are different，it transfer it between cold and heat flow. These designs are floating head heat exchangers, they are made up of tube box 、 tube sheet、shell、heat exchange tube、baffle plate、draw bar、spacer pipe、 floating head cover and so on. One tube sheet of the exchangers are connected with shell. So its easy to check and clean. On the other hand the structure of they complex. The design of the main design parameters for design pressure for tube side 0.99Mpa, shell 2.75Mpa, the working temperature of the tube to 80 DEG C, shell temperature to 175 DEG C, design temperature tube pass is 95 DEG C, shell temperature for 200 DEG C. the shell is 2.5Mpa water, the tube side is 0.9Mpa water vapor. In the calculation and verification, the traditional process calculation and intensity calculation are carried outIn the calculation exchangers of the heat transfer process, heat transfer coefficient of determination and change the inner diameter of the heat exchanger and types of heat exchange tube of choice, and heat transfers coefficient and pressure drop and wall temperature calculation and so on. In the strength calculation focuses on the tube, tube box, head, accept, support, the baffle plate and the plate thickness are calculated and the baffle, other parts of the design and pipe flanges, gaskets, installation, portfolio, but also for some strength check. This design is according to GB151 “shell and tube heat exchanger“ and GB150 “ pressure vessel“ and other design. Heat exchanger in industrial, agriculture and other fields use is very extensive, of course, the heat transfer equipment in the daily life and the reality everywhere can see is one of is likely to lack of process equipment and unit. The industry application also obtained the remarkable effect. In this design, increase the sewage outfall, drain and reserve, cleaning ability and safety performance of the product is high. In the data estimation, the increase of some margin, to ensure the safe operation of the product. Keywords: heat exchanger; floating tube sheet; heat transfer calculation; strength check; application 目 录 前言 . 1 第一章热力计算 . 3 1.1 原始数据 . 3 1.2 定性温度和物性参数计算 . 3 1.3 初选结构 . 4 1.4 管程换热计算及流量计算 . 4 1.5 壳程换热计算 . 6 1.6 传热系数 . 7 1.7 管程压降 . 8 1.8 壳程压降 . 9 1.9 压强校核 . 10 第二章结构设计 . 11 2.1 换热流程设计 . 11 2.2 管子和传热面积 . 11 2.3 管子排列方式 . 11 2.4 壳体 . 13 2.5 管箱 . 13 2.5.1. 封头 . 13 2.5.2. 箱壳 14 2.6 固定管板 14 2.7 分程隔板 . 15 2.7.1 管程分程隔板 . 15 2.7.2 壳程分程隔板 . 15 2.8 折流板 . 15 2.9 拉杆 . 16 2.10 进出口管 . 16 2.10.1. 管程进出管 16 2.10.2. 壳程进出口管 17 2.11 浮头箱 . 17 2.12 浮头 . 18 2.13 补强圈 . 18 2.14 法兰 . 19 2.14.1 法兰密封面的型式 . 19 2.14.2 壳体法兰 . 19 2.14.3 接管法兰 . 20 2.15 支座 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第三章安装与拆卸 . 23 参考文献 . 25 致谢 . 26 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 前言 1 前言 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛1的热量交换设备。 随着现 代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍 把 石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新 的挑 战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性 起着重 要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96%。换 热设备在现代装置中约占设备总重的 30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优 势，约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备， 其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。 在继续提高 设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并 朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，换热管束包括换 热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅 片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、 叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般 为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔 板可将管程及壳程介质分成多程， 以满足工艺需要。 管壳式换热器主要有固定管板式， U 型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与 U 型管式的缺陷，浮头式作了结构上 的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头 式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束， 因此不会因管束之间的差胀而产生温差热 应力。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、 壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处 在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa6.4Mpa。 换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热 方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热 量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交 替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 前言 2 此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。 在我国换热器的制造技术2远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早 期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器 等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的 传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结 构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经 建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： (1) 合理地实现所规定的工艺条件；(2) 结构安全可靠； (3) 便于制造、安装、操作和维修；(4) 经济上合理。 所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和 传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热 面附近的流体。 因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的 发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强 化措施还可以进一步提升换热效率。 (1)管外凝结换热的强化 a.冷却表面的特殊处理 b.冷却表面的粗糙化 c.采用扩展表面 (2)管内凝结换热的强化 a.扩展表面法 b.采用流体旋转法 c.改变传热面形状 按照设计要求，在结构的选取上，为了增大温差校正系数，采用了 2- 4 型，即壳 侧两程管侧四程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。然 后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，在结构设计时，要考虑许多因 素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及便于拆卸等等。之后对有 些部件用 ANSYS3进行了强度校核并进行对其优化设计4。由于时间和资料有限，本 人的认识也不够全面， 在设计过程中可能还存在许多问题， 望老师们给予批评和指正。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 3 第一章热力计算 1.1 原始数据原始数据 水进口温度： 2 t =144 水出口温度： “ 2 t =163 水工作压力：P2=2MPa 油进口温度： 1 t =175 油出口温度： “ 1 t =155 油工作压力：P1=1.6MPa 壳体内径：DS=700mm 管箱内径：DN=750mm 换热管规格：193 L=8m 1.2 定性温度和物性参数计算定性温度和物性参数计算 水的定性温度： C tt t= + = + = 5 . 153 2 163144 2 22 2 （1- 1） 水的密度：2=913kg/m3 水的比热：Cp2=4.32kJ/kg 水的导热系数：k2=0.686W/m 水的粘度：2=168.810- 6 水的柏朗特数：Pr2=1.08 油（柴油）的定性温度： C tt t= + = + =165 2 155175 2 11 1 （1- 2） 油的密度：1=715 kg/m3 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 4 油的比热：Cp1=2.48 kJ/kg 油的导热系数：k1=0.133 W/m 油的粘度：1=6.410- 4 油的柏朗特数： 93.11 133 . 0 104 . 648 . 2 10001000 Pr 4 1 11 1 = = k Cp （1- 3） 1.3 初选结构初选结构 管排列方式 ：分程隔板两侧正方形，其余三角形 管子外径：d0=0.019m 管子内径： di=d0- （23/1000）=0.013m （1- 4） 管长：L=8m 管间距： s=1.5d0=1.50.19=0.0285m （1- 5） 壳体内径：Ds=0.7m 管束中心排管数：由公式 sc DdNs=+ 0 4) 1( （1- 6） 得 Nc=22 总管子数：由 ct NN =1 . 1 （1- 7） 得 Nt=400 选型：采用 2- 4 型即双壳程四管程。 1.4 管程换热计算及流量计算管程换热计算及流量计算 试选传热系数：k0=240 W/m2（查表） 传热面积：由 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 5 = t N ld F 0 0 （1- 8） 得 F0=190.91 m2 逆流平均温差： C tt tt tN= = = 5 . 19 19 20 ln 1920 )ln( 小大 小大 （1- 9） 参数： 612 . 0 33 19 144175 144163 21 22 = = = tt tt P （1- 10） 05 . 1 19 20 144163 155175 22 11 = = = tt tt R （1- 11） 温差校正系数：按 2 壳程 4 管程查表得 有效平均温差： Ctt Nm =16.17 5 . 1988 . 0 （1- 12） 设计传热量： WtkFQ m 78624416.1724091.190 000 = （1- 13） 换热效率：取 =0.98 油流量： hkg ttCp Q G/58231 100098 . 0 2048 . 2 7862443600 )( 111 0 1 = = = （1- 14） 水流量： 0 2 222 3600 786244 34484/ ()4.32 19 1000 Q Gkg h Cp tt = （1- 15） 管程流通截面（按 4 管程） ： 222 2 0133 . 0 013 . 0 4 ) 4 400 ( 4 ) 4 (md N ai t = （1- 16） 管程流速： 88 . 0 = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 6 2 2 22 34484 0.789/ 3600913 0.0133 3600 G wm s a = （1- 17） 管程雷诺数： 55478 10168 013 . 0 789 . 0 913 Re 6 2 22 2 = = i dw （1- 18） 管程换热系数： CmW dth i = += += / 4 . 2385 )013 . 0 100/(789. 0) 5 . 153015. 01 (3605 )100/()015 . 0 1 (3605 2 . 08 . 0 2 . 0 8 . 0 222 （1- 19） 1.5 壳程换热计算壳程换热计算 折流板的设计5：纵向折流板中间分程，横向安置弓形折流板 弓形折流板弓高： mDh s 14 . 0 70 . 0 20 . 0 20 . 0 = （1- 20） 折流板间距： mDB s 233 . 0 3/70 . 0 3= （1- 21） 壳程流通截面： 20 1 027 . 0 ) 0285 . 0 019 . 0 1 (70 . 0 23 . 0 2 1 )1 ( 2 1 m s d BDa s = （1- 22） 壳程流速： sm a G w/0838 . 0 027 . 0 715 )360058231()3600( 11 1 1 = = （1- 23） 壳程量流速 smkgwW 2 111 /599838 . 0 715= （1- 24） 壳程当量直径： m dN dND d t ts e 046 . 0 019 . 0 400 019 . 0 40070 . 0 22 0 2 0 2 = = = （1- 25） 壳程雷诺数： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 7 43053 104 . 6 046 . 0 599 Re 4 1 1 = = e f dW （1- 26） 切去弓形面积所占比例：查图得 0145 . 0 = Tf aa （1- 27） 壳程传热因子：查图得96= s j 管外壁温度： 1 W t假定后再复核，设 1 W t=160 壁温下的粘度： sPa W = 4 10 6 . 11 1 （1- 28） 粘度修正系数： 92 . 0 ) 6 . 11 4 . 6 ()( 14 . 0 14 . 0 1 1 1 = W （1- 29） 壳程换热系数： CmWj d k h s = 231 1 31 0 1 1 / 5 . 5839692 . 0 93.11 046 . 0 0133 . 0 Pr （1- 30） 1.6 传热系数传热系数 水侧污垢热阻6： 5 117.210r = m2/W 油侧污垢热阻： 5 252.010r = m2/W 管壁热阻：r 忽略 总传热热阻： 00 12 12 2 11 10.01910.019 0.0001720.00052 583.50.0132385.40.013 0.00326/ ii dd rrr hdhd m C W =+ =+ = （1- 31） 传热系数： 7 . 30600326 . 0 /11= rk j （1- 32） 传热系数的比值： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 8 28 . 1 240/ 7 . 306/ 0 =kk j （1- 33） 合适 管外壁热流密度： 8019 . 0 400 786244 0 0 1 = ldN Q q t =4118W/m2 （1- 34） 管外壁温度： ) 1 ( 1 1 11 1 r h qttW+= 1 1754118 (0.000172) 583.5 =+=167.2 （1- 35） 误差校核： = 11 WWW ttt=167.2- 160=7.2 （1- 36） 误差不太大，不再重算。 1.7 管程压降管程压降 壁温： ) 1 ( 1 1 11 2 r h qttW+= 1 153.541880.00172 583.5 =+（） =161.3 （1- 37） 壁 温 下 水 的 粘度： 管程摩擦系数：查表得 管子沿程压降7： 141313Pa 99 . 0 02 . 0 013 . 0 48 9132 )913789 . 0 ( )()() 2 ( 2 22 2 2 = = = i i n i d L W P i （1- 38） 回弯压降： tr n W P4) 2 ( 2 2 2 = Pa 9 . 454644 9132 913789 . 0 2 = = ）（ （1- 39） 进出口管处质量流速： smkgwWN 222 / 7 . 13142 . 1913 2 = 进出口 （1- 40） SPa W = 5 103 .80 2 02 . 0 = i 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 9 进出管口处压降： Pa W P N N 9 . 14195 . 1 9132 7 . 1314 5 . 1) 2 ( 2 2 2 2 = = （1- 41） 管程结垢校正系数：根据 r2及 193 得 2 1.2 d = 管程压降： Pa PPPP Ndri 23834 9 . 14192 . 1) 9 . 4546 3 . 1413( )( 22 2 =+= += （1- 42） 1.8 壳程压降壳程压降 当量直径： m dND dND d ts ts e 0427 . 0 019 . 0 40070 . 0 019 . 0 40070 . 0 2 22 0 2 0 2 = + = + = （1- 43） 雷诺数： 39965 104 . 6 427 . 0 599 eR 4 1 1 1 = = = e dW （1- 44） 壳程摩擦系数：查表得27 . 0 0 = 管束压降： Pa d d nDW P e e Bs 3 . 41043) 92 . 0 27 . 0 ( 13370 . 0 7152 599 ) 1( )( 2 1 0 1 2 1 0 = + = + = ）（ ）（ （1- 45） 管嘴处质量流量： 1 222 715 1.51608.8/ N Wwkg m s= 进出口 （1- 46） 进出口管压降： Pa W P N N 9 . 27145 . 1 7152 8 . 1608 5 . 1 2 2 1 2 2 1 = = （1- 47） 导流板阻力系数：取5= ip 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 热力计算 10 导流板压降： Pa W P ip N ip 8 . 90495 7152 8 . 1608 2 2 1 2 2 = = （1- 48） 壳程结垢修正系数：查表取38 . 1 0 = d 壳程压降： Pa PPPP Nipd 68404 9 . 2714 8 . 904938 . 1 3 . 41043 10 01 =+= += （1- 49） 1.9 压强校核压强校核 力 2 2.0PMPa=，查表得 2 2.5PMPa=V 管程工作压 壳程工作压力，查表得 1 1.8PMPa=V 压强校核8： 22 PP80mm 就必须加开