毕业设计（论文）-流量为300th立式蒸汽冷凝器设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本 科 毕 业 设 计 题 目： 流量为 300t/h 立式蒸汽冷凝器 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 23 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 1201 班 学生： 毕业设计（论文）题目：流量为 300t/h 立式蒸汽冷凝器 毕业设计（论文）内容： 有关换热器综述一篇； 计算书说明书一份； 绘制工程图折合 A2 号图 7 张以上； 毕业设计（论文）专题部分：固定管板式换热器 起止时间： 2016 年 3 月 1 日 2016 年 5 月 23 日 指导教师： 签字 年 月 日 摘要摘要 本次毕业设计使我认真的认识到了自己在本专业应学习的主要内容 以及短板，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1。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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。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，根数。 根据换热管的根数确定换热管的排列，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2。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。 关键词：关键词：换热器； 强度设计； 结构设计 Abstract Condenser is a kind of chemical equipment which has wide range of application and it is also a kind of heat exchanger.The main task of this thesis is to design a floating heat exchanger based on some known information. It is important to determine the type of construction of the equipment and the material of its shell pass and tube pass first. Then, the material, size and number of the exchange tube are decided by material property and its heat transfer area. The exchange tubes need to be arranged on the basis of its number. Whats more, the diameter and the choice of baffle board are influenced by the arrangement and length of exchange tubes. Furthermore, the thickness of the shell and shell cover is determined by the inner diameter and the calculation of inner and outer pressure of the container. Meanwhile, its intensity also needed to be checked3. Next, it is also vital to design the intensity of components of heat exchanger, including the choice, calculation and checking of flange, floating flange and backing device, also the calculation of pulling- out force of the tubes. In addition, there are other things to be designed carefully, including tube plate, impingement baffle, slide and support. During the design of structure, standard components can be referred to national standards according to the design conditions of the direct selection; as to the non standard components, corresponding stress checking is needed after the design of the construction4. Keywords: heat exchanger； strength design； structure design 目 录 第一章 引言 . 1 第二章 传统工艺计算 . 2 2.1 工艺计算 2 2.1.1 介质原始数据 . 2 2.1.2 介质定性温度及物性参数 . 2 2.2 传热量与水蒸汽流量计算 3 2.3 有效平均温差计算 4 2.4 管程换热系数计算 . 5 2.5 管程结构初步设计 6 2.6 壳程换热系数计算 . 7 2.7 总传热系数计算 . 8 2.8 管壁温度计算 . 8 2.9 管程压力降计算 . 9 2.10 壳程压力降计算 . 10 第三章 强度计算 . 12 3.1 结构设计说明书 . 12 3.1.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 12 3.1.2 布管方式的选择 12 3.1.3 筒体内径的确定 12 3.1.4 筒体壁厚的确定 13 3.1.5 封头形式的确定 13 3.1.6 管箱短节壁厚计算 13 3.1.7 容器法兰的选择 14 3.1.8 管板尺寸的确定及强度计算 14 3.1.9 是否安装膨胀节的判定： 24 3.1.10 各管孔接管及其法兰的选择： 25 3.1.11 设备法兰的选择 27 3.1.12 拉杆和定距管的确定 29 3.1.13 开孔补强计算： 29 3.2 筒体管箱耐压试验的应力校核计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.1 筒体核算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.2 支座的选择及应力校核 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.3 耳座的应力校核 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第四章 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 41 致 谢 . 42 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 引言 1 第一章 引言 本论文的设计目的是达到设备设计人员训练的基本要求。 冷凝器是一种用于冷却 流体的换热设备。 把压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽， 通过散热冷凝为液体制冷剂， 制冷剂从蒸发器中吸收的热量，被冷凝器周围的介质所吸收。有蒸汽冷凝器，锅炉用 冷凝器等。冷凝器常被用于空调系统，工业化工程序，发电厂及其他热交换系统中。 早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大且笨重，如蛇管式 换热器等。近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅 上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大 的供给缺口需要进口来弥补。目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟制造、仿 真制造，缺乏自主知识产权的大型专业计算软件。根据中华人民共和国国民经济和社 会发展第十一个五年规划纲要，“十一五” 期间我国经济增长将保持年均 7.5的速度。 而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计 2010 年钢铁工业 总产值将超过 5000 亿元，化工行业总产值将突破 4000 亿元5。这些行业的发展都将 为换热器行业提供更加广阔的发展空间。国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产 品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 2 第二章 传统工艺计算 2.1 工艺计算工艺计算 2.1.1 介质原始数据介质原始数据 管程水的进口温度 t1=25 管程水的出口温度 t1=85 管程水的工作压力 P1=1.5Mpa 管程水的流量 G1=300t/h=300000kg/h 壳程水蒸气的入口温度 t2=170.7 壳程水蒸气的出口温度 t2=95 壳程水蒸气的入口压力 P2=0.6MPa 2.1.2 介质定性温度及物性参数介质定性温度及物性参数 管程： 管程水定性温度 t1= （t1+ t1） /2 = （25+85） /2=55 （2- 1） 管程水密度查物性表得1=985.75 /m3 管程水比热查物性表得 Cp1=4.176KJ/（KgK） 管程水导热系数查物性表得1=0.648W/（m） 管程水粘度1=5.06410- 4 Pas 管程水普朗特数查物性表得 Pr1=3.24 壳程： 壳程水蒸汽定性温度： 壳程水蒸汽冷凝点 : ti = t2=170.7 冷却段： t2 = （ti + t2） /2= （170.7+95） /2=132.85 （2- 2） 冷凝段：t 2= （t2+ ti） = （170.7+170.7） /2=170.7 （2- 3） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 3 壳程水蒸汽密度查物性表得： 冷却段：2=937.8 /m3 冷凝段: p2=4.194 / m3 壳程水蒸汽比热查物性表得: 冷却段：Cp2=4.319 KJ/（KgK） 冷凝段：Cp2=2.589 KJ/（KgK） 壳程水蒸汽导热系数查物性表得： 冷却段：2 =0.6878 W/（mK） 冷凝段：2= 0.03218 W/（mK） 壳程水蒸汽粘度： 冷却段：2 =217.19110- 6 Pas 冷凝段：u2=14.61910- 6 Pas 壳程水蒸汽普朗特数查物性表得： 冷却段：Pr2 =1.344 冷凝段：P r2=1.134 2.2 传热量与水蒸汽流量计算传热量与水蒸汽流量计算 取定换热效率 =0.98 则设计传热量： Q0= G1 Cp1 (t1 - t1 ) 1000/3600=300000 4.176 (85- 25) 1000/3600=20.88106W （2- 4） 由 Q0=G2r+ Cp2(t2- t2) 导出水蒸气流量 G2，r 为 t2时的汽化潜热， r=2047.1KJ/Kg （2- 5） 水蒸汽流量： G2= Q0/ /r+ Cp2(ti - t2)= 23.55106/0.98/2047.11000+4.3191000 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 4 (170.7- 95)=6.703Kg/s （2- 6） 冷却段传热量： Q2=G2 Cp2 (ti- t2)=6.7034.319103(170.7- 95)=2481037W （2- 7） 冷凝段传热量: Q2= G2 r=6.7032047.11000=13721711.3W （2- 8） 设冷凝段和冷却段分界处的温度为 t3 根据热量衡算： Q2= G1Cp1（t3- t1） （2- 9） t3=Q2/ G1/ Cp1+ t1=13721711.30.983600/300000/4176+20=59.775 2.3 有效平均温差计算有效平均温差计算 逆流冷却段平均温差: tn= () ) t -t t -t ln( )t -t (-t 12 3i 123i t =85.843 （2- 10） 逆流冷凝段平均温差: tn= () () 3 12 312 ln tt tt tttt i i =94.923 （2- 11） 冷却段: 参数:P= t3-ti - t3 t1 = 59.974-0.717 59.974-90 =0.271 （2- 12） 参数:R= - t3t1 t2-ti = 59.974-09 58-0.717 =2.854 （2- 13） 换热器按单壳程 2 管程设计则查图 2- 6(a)，得: 温差校正系数 =1.0 有效平均温差: tm= tn=1.085.843=85.843 （2- 14） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 5 冷凝段： 参数:P= t1-t2 t1-3t = 02-0.717 20-59.974 =0.265 （2- 15） 参数:R= t1-t3 t2- ti = 20-59.974 7 . 017-7 . 017 =0 （2- 16） 换热器按单壳程 2 管程设计则查图 2- 6(a)，得: 温差校正系数 =1.0 有效平均温差: tm= tn=1.094.923=94.923 （2- 17） 2.4 管程换热系数计算管程换热系数计算 初选冷却段传热系数:K0= 820 w/(mk) 初选冷凝段传热系数: K0= 1300 w/(mk) 则初选冷却段传热面积为:F0=Q2/( K0tm)= 24810370.98/(820 85.843)=46.7688m2 初选冷凝段传热面积为: F0=Q2/( K0tm)= 13721711.30.98/(1300 94.923)=108.973 m2 选用 252.5 的无缝钢管做换热管则: 管子外径 d0=25 mm 管子内径 di=20 mm 管子长度 L=3000 mm 则需要换热管根数:Nt=( F0+ F0)/( d0L)=(46.7688+108.973)/(3.140.025 3)=661.3 （2- 18） 可取换热管根数为 662 根 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 6 管程流通面积:a1= t N 4 di2= 662 4 0.022 =0.207868 （2- 19） 管程流速: W1 = 11 1 3600 G ap = 300000/( 3600985.750.207868 )= 0.094m/s 管程雷诺数:Re1=1w1di/1=985.750.3930.02/(5.06410- 4)= 15300.148 则管程冷却段的定性温度:t11=(t3+ t1)/2=(59.97+90)/2=74.987 （2- 20） 管程冷却段传热系数:a1=3605(1+0.015 t11) W10.8/(100di)0.2=8077.656 管程冷凝段的定性温度: t12=(t3+t1)/2=(59.974+20)/2=39.987 （2- 21） 管程冷凝段传热系数: a1=3605(1+0.015 t12) W10.8/(100di)0.2= 4101.375 2.5 管程结构初步设计管程结构初步设计 查 GB1511999 知管间距按 1.25d0，管间距为：s= 0.032m 管束中心排管数为：Nc=1.1Nt =28.3，取 30 根 则壳体内径： Di=s （Nc- 1） +4 d0=1.028 （2- 22） 圆整为：Di=1200 则长径比: iD L = 1.2 3 =2.5 合理 （2- 23） 折流板选择弓形折流板: 弓形折流板的弓高:h=0.2 Di=0.21.2=0.24 （2- 24） 折流板间距： B= 3 Di = 3 1200 =400取B=400 （2- 25） 折流板数量： Nb= B L - 1= 0.4 3 - 1=6.5 取 7 块 （2- 26） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 7 2.6 壳程换热系数计算壳程换热系数计算 壳程流通面积:f2=BDi（1-s d0 ）=0.41.2（1- 0.025/0.032）= 2 0.105m 壳程流速: 冷却段:w2= 22 2 fp G =6.703/ （937.580.105） =0.068m/s （2- 27） 冷凝段:w2= 22 2 fp G =6.703/ （4.1940.105） =15.22m/s （2- 28） 壳程当量直径:de=（Di2- Ntd02）/（Ntd0）=（ 2 1.2 - 711 2 0.025 ）/（7110.025） =0.056m （2- 29） 冷凝段管外壁温度假定值: tw=109.6 膜温:tm= （tw+ t2） /2= （109.6+170.7） /2=140.15 （2- 30） 膜温下液膜的粘度:m=19510- 6Pas 膜温下液膜的密度:m=926.4Kg/m3 膜温下液膜的导热系数为:m=0.6842/（m） 正三角形排列 ns=2.080 Nt 0.495=2.080662 0.495=51.807 （2- 31） 冷凝负荷： = s 2 Ln G =6.703/ （351.807） =0.0431 （2- 32） 壳程冷凝段雷诺数:Re=4/um=40.0431/19510- 6=884.1 （2- 33） 壳程冷凝段传热系数: a2=1.51（m3mg/m2） 3 1 （Re） 3 1 =9635.7 （2- 34） 冷却段管外壁温假定值:tw2=95 冷却段雷诺数：Re= 2 e22 u dwp =937.80.0680.056/217.19110- 6=16442.405 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 8 壁温下水粘度:w2=298.610- 6 Pas 粘度修正系数:1= （ w2 2 u u ） 0.14=0.956 （2- 35） 壳程传热因子查图 2- 12 得: js=100 冷却段壳程换热系数:a2=（2/de） Pr2 3 1 1 js=（0.6878/0.056）1.344 3 1 0.956100=1875.29 （2- 36） 2.7 总传热系数计算总传热系数计算 查 GB- 1999 第 138 页可知 水蒸汽的侧污垢热阻:r2=8.810- 5（m2/w） 管程水选用地下水，污垢热阻为: r1=35.210- 5（m2/w） 由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计 冷却段总传热系数: Kj=1/1/a2+r2+r1d0/di+d0/ （a1di） = 731.176 （2- 37） 传热面积比为: Kj/ K0=1.08(合理) 冷凝段总传热系数: Kj =1/1/ a2+r2+r1d0/di+d0/ （a1di） =1385.0607 （2- 38） 传热面积比为: Kj / K0 = 1300 1385.0607 =1.06 （合理） （2- 39） 2.8 管壁温度计算管壁温度计算 设定冷凝段的长度:L=2.0424m 冷却段的长度:L=0.9576m 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 9 冷却段管外壁热流密度计算: q2=Q2/(Ntd0 L)=48859.33w/ （m2 ） （2- 40） 冷却段管外壁温度: tw=t2- q2(1/a2+r2)=97.496 （2- 41） 误差校核:e=tw2- tw=95- 97.496=- 2.496 误差不大 （2- 42） 冷凝段管外壁热流密度计算: q2 = Q 2/( Ntd0 L )= （ 13721711.3 0.98 ） /155473.7 w/ （6623.140.0252.0424） =126696.88 （m2 ） （2- 43） 冷凝段管外壁温度: tw=tm- q2(1/ a2+r2)=115.62 （2- 44） 误差校核:e= wt - tw=- 6.02 误差不大 2.9 管程压力降计算管程压力降计算 管程水的流速: u1= 11 1 ap3600 G =300000/ （3600985.750.207868） =0.394m/s （2- 45） 管程雷诺准数:Re1=1w1di/1=985.750.3940.02/（5.064 - 4 10 ）=15301.148 程摩擦系数:=0.3164/(Re10.25)=0.02845 （2- 46） 压降结垢校正系数:di=1.4 沿程压降:P1=112L di/(2di)= （0.02845985.75 2 0.3931.43） / （20.02） =454.8Pa （2- 47） 取管程出入口接管内径:d1=250mm 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 10 管程出入口流速: u1=4G/(3600d121)=（4300000）/（36003.14 2 0.25985.75）=1.67m/s （2- 48） 局部压降: P3=1 u12(1+0.5)/2=（985.75 2 1.67 1.5）/2=2061.99 Pa 管程总压降: P=P1P3=454.8 2061.9=2516.7Pa （2- 49） 管程允许压降: P= 35000 Pa P ,选择法兰的材料均为 16Mn 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢 29 3.1.12 拉杆和定距管的确定拉杆和定距管的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 拉杆直径 n d mm GB151- 1999管壳式换热器表 43