毕业设计（论文）-卧式半容积式换热器设计（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153893706题 目： 卧式半容积式换热器设计 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 1201 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 5 月 25 日论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日毕业设计任务书 过程装备与控制工程专业 1201班学生：毕业设计（论文）题目：卧式半容积式换热器设计毕业设计（论文）内容：设计计算说明说一份； 设计图纸一份毕业设计（论文）专题部分： 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 物料之间传递热量需要换热器，因此，换热器的设计是一个关键的步骤。随着我国国民经济的飞速发展，在化工，化肥，炼油，制药，冶金，电力等行业都有着广泛的应用。在上述行业中，换热器的投资所占比重很大，约占到企业投资的35-40%，数量上也远远多于其他设备。换热器作为上述行业的通用设备，在企业生产中占有十分重要的地位。锁着国家科学技术的发展，对能源利用，开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日渐加强。一台换热器产品的设计，应符合企业实际生产需要。对着国际科学技术的发展，对换热器的研究水品也有了显著的提高。换热器的设计，制造，结构改进和以及传热机理的研究也十分活跃。列管式换热器的应用有着悠久的历史，即使现代，列管式换热器作为一款传统的标准换热设备在很多工业部门中有着广泛的使用和深远的影响。尤其在化工，化肥，炼油，等传统工业领域所实用的设备中，列管式换热器仍占据着主导地位。欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的换热器。我国对各种新型换热器的研究虽然起步较晚，但经过对国外换热器的借鉴、消化、吸收，也得到了飞速的发展。我国科技工作者也加快了自主研发新型节能换热器的步伐，我国很多大型石化公司和设计院的新型换热器产品如板壳式换热器、蒸发式空冷器、波节管换热器等不断获得国际大奖并出口应用于国外大型设备和厂家。随着近年对设备环保、节能的要求越来越高，如果有效利用工业余热废热成为研究的热门问题，同时随着人民生活水平的提升，对热水供暖的需求加大，快速传热，稳定供热的环保设备得到更多的认可。而半容积式换热器具有的换热快速，传热系数高，换热量大，容积利用率大，节能，节省空间等优点。1关键词: 换热器设计； 自主研发； 环保； 节能 Abstract Heat transfer between the material need heat exchanger, therefore, the design of heat exchanger is a key step. With the rapid development of national economy in our country, in the chemical, fertilizer, oil refining, pharmaceutical, metallurgy, electric power and other industries have a wide range of applications. Heat exchanger in the industry, investment proportion is very big, about 35-40% of the enterprise investment, the number is far more than other devices. General equipment, heat exchanger as the industry occupies an important position in the enterprise production. Locked state science and technology development, the energy utilization, the requirement of increasing the development and conservation, and also to the requirement of heat exchanger intensified. A heat exchanger in the design of the product, should conform to the enterprise actual production needs. The development of the international science and technology, the study of heat exchanger water quality has improved significantly. Heat exchanger design, manufacture, structure improvement and the research and the heat transfer mechanism is also very active. The application of shell and tube heat exchanger has a long history, even modern, shell and tube heat exchanger for a traditional standard heat exchange equipment has been widely used in many industrial sectors and far-reaching influence. Especially in chemical, fertilizer, oil refining, traditional industries such as the practical equipment, shell and tube heat exchanger is still dominant.European and American developed country in the 1980 s began to development, to develop various types of heat exchanger. Though the study of all kinds of new type heat exchanger in our country starts relatively late, but after a reference, digestion, absorption of foreign heat exchangers, also got rapid development. Chinas science and technology workers also accelerated the pace of independent research and development of new energy saving heat exchanger, many large petrochemical company and design institute in China, a new type of heat exchanger products such as plate heat exchanger evaporative air cooler, bellows tube heat exchanger and other international awards and export used in large foreign equipment and As in recent years, more and more high to the requirement of equipment, environmental protection, energy saving, if the effective utilization of industrial waste heat heat become research hot topic, at the same time as peoples living standards improve, the demand for hot water heating, rapid heat transfer, environmental protection equipment stable heating to get more recognition. And half volume heat exchanger with heat fast, high coefficient of heat transfer, heat transfer, volumetric efficiency, saving energy, saving space, etc. Key words: The heat exchanger design； Independent research and development； Environmental protection ； Energy saving 目 录 第一章工艺计算 1 1.1 设计条件 1 1.2 确定物性参数 1 1.3 确定传热面积 1 1.4 平均温度差 2 1.5 总传热系数 K 2 1.6 估算换热量及产热水量 2 1.7 校核传热系数 K 3 1.7.1 壳程换热系数0 3 1.7.2 折流板的切除高度 3 1.7.3 折流板的弓形面积 3 1.7.4 管子的横截面积与壳体的横截面积之比 4 1.7.5 圆缺区内的流通面积 4 1.7.6 几何平均流通面积 4 1.7.7 几何平均流速 4 1.7.8 几何平均雷诺数 4 1.7.9 壳程平均换热系数 4 1.7.10 管程的平均换热系数 5 1.7.11 传热系数K 5 1.8 计算压力降 5 1.8.1 管程压力降Pi 5 1.8.2 壳程压力降 7 1.9 本章小结 9 第二章U 型管换热器结构设计 10 2.1 筒体的内径确定 10 2.2 管板与换热管 10 2.3 折流板 10 2.4 拉杆与定距管 11 2.4.1 拉杆 11 2.4.2 定距管 11 2.4.3 折流板、拉杆、定距管的连接 11 2.5 设计堰板防短路 12 2.6 法兰的选用 12 2.6.1 接管法兰选用 12 2.7 垫片 12 2.8 支座 12 2.9 本章小结 12 第三章强度校核 14 3.1 换热器壳体计算 14 3.1.1 筒体 14 3.1.2 封头 14 3.2 罐体计算 14 3.2.1 罐体 14 3.2.2 封头 15 3.3 开孔补强设计 15 3.3.1 接管h,j 16 3.3.2 接管a,b 16 3.4 U型管换热器开孔 16 3.4.1 椭圆形封头非中心孔处部位补强的计算 16 3.5 椭圆封头计算直径 17 3.5.1 接管周围封头补强区的计算宽度 17 3.5.2 接管外侧补强设计高度 17 3.5.3 接管内侧补强区计算高度 17 3.5.4 计算结果 17 3.5.5 封头因开孔削弱需要补强的面积 18 3.5.6 封头多余金属面积 18 3.5.7 补强圈的金属面积 18 3.5.8 接管外侧多余金属面积 18 3.5.9 接管内侧金属面积 18 3.5.10 一个孔需要补强面积 18 3.6 补强圈设计 18 3.6.1 人孔开孔 18 3.6.2 补强及补强方法的判别 19 3.6.3 开孔所需补强的面积 19 3.6.4 接管多余金属面积 19 3.6.5 有效补强面积壳体的有效厚度 20 3.6.6 有效补强面积A4 20 3.7 罐体水压试验及其壳体的强度校核 21 3.8 换热器管程水压试验及其壳体的强度校核 21 3.9 管板校核 22 3.10 本章小结 24 第四章制造、检验、安装与维修 25 4.1 概述 25 4.2 材料验收 25 4.3 筒体的制造 25 4.4 封头的制造 26 4.5 管板的制造 27 4.6 管束的制造 27 4.7 接管的制造 28 4.8 装配 28 4.8.1 筒体、法兰的组装与焊接 28 4.8.2 管箱的组装、焊接与加工 28 4.9 油漆、包装 29 4.10 热器在使用中常见故障及处理 29 4.10.1 原因 29 4.10.2 现象 29 4.10.3 处理 29 结论 31 参考文献 32 致谢 33 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 工艺计算第一章工艺计算1.1 设计条件 已知，卧式贮罐容积4m； 工作压力：管程0.6，壳程0.6； 设计温度：（水-水换热） 管程：进口蒸汽 85 出口55 管程： 被加热水： 进口10 出口55； 罐体公称直径： mm DN1400- 换热器公称直径：mm DN400 换热介质： 水-水1.2 确定物性参数 表1-1 通过查表可知:进口温度出口温度平均温度密度 Kg/m定压比热容 CpKj/kg.导热系数 10W/(m.)黏度105Pa.s普朗特数Pr管程8555709784.1957.441.42.55壳程105532.59954.1753.577.924.031.3 确定传热面积 假设换热面积是 10m2，取U型波纹管直管长是1200mm。则由总面积 A= 2ndL 波1.2+ d0.1可得出： 管子根数 n = A/2dL 波1.2+ d0.1 （1-1） =10/23.140.0191.21.2+3.140.0250.1 =53 根据管板的布置图(管的排列方式为倒角正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列)验算上述估算结果，为了结构上的合理，每壳程布管数为 57 根。则布管后的换热面积为：A= 2ndL 波1.2+ d0.1=10.7m21.4 平均温度差 热流体与被加热流体的平均传热温度 Dtm： 按照逆流传热计算， （1-2）tm按照平均温度差计算， （1-3）1.5 总传热系数 K9 根据波纹管半容积式换热器中，汽水换热时总传热系数一般范围，首先假设总传热系数 2 （1-4）1.6 估算换热量及产热水量 （1-5） 热媒的消耗量： （1-6） 产的热水量： （1-7）1.7 校核传热系数 K1.7.1 壳程换热系数0 换热管平均直径是dm=(di+do) / 2 =(19+25) / 2=22mm （1-8） 流体横着经过过管束时的流通面积是 F1= hDi(1- dm/ t) （1-9） = 0.350.4(1-0.022/0.025) =0.017m2 对于其中，Di 壳体内径 400mm t换热管的中心距 25mm h折流板的间距 350mm1.7.2 折流板的切除高度： （1-10）1.7.3 折流板的弓形面积 As=0.5(Di/2)-0.5b（Di/2-H） （1-11） =0.5(Di/2)x（120/360）x2-0.5x0.346（0.4/2-0.1） =0.0251.7.4 管子的横截面积与壳体的横截面积之比 b=0.785（dm/2） （1-12） =0.785（0.022/0.025) =0.611.7.5 圆缺区内的流通面积 F2 = As (1 )=0.01 （1-13）1.7.6 几何平均流通面积 Am=F1F2=0.013 （1-14）1.7.7 几何平均流速 Vm= （1-15） = =0.47m/s1.7.8 几何平均雷诺数 Re0= （1-16） = =114031.7.9 壳程平均换热系数 （1-17） 1.7.10 管程的平均换热系数 i =（1164 +17.5 t pj-0.0466 t pj）w0 .64 /d0.36 （1-18） 公式中： tpj水的平均温度，tpj=32.5 w水的流速，w=0.47 m/s d管径，d=0.019m 将上述数据代入公式得出 i =9595 W/m.1.7.11 传热系数K （1-19） =2470W / m21.8 计算压力降1.8.1 管程压力降Pi 管程压力降由三部分组成，即： （1-20） 式p1 流体流过波纹管部分的压力降（Pa） pr 管程转弯压力降（Pa） pn 管箱进出口压力降（Pa） 以上三项分别由下式求得 （1-21） （1-22） （1-23） 式中 管内流体的摩擦系数； 以波纹管最小内径计算的流速（m/s） 管程数 管箱进出口的流速（m/s） 摩尔系数由下式求得： （1-24） 计算： （1-25） =0.82m/s 雷诺数： （1-26） 由式（1-24） 由式（1-22） =18729Pa 由式（1-21） 取Vn=10m/s,则 由式(1-20 )得 18729+6309+73350 =98388pa1.8.2 壳程压力降 (1-27) 式中 壳程流体在流动路径上所产生的压力降（Pa） 流体在壳程回弯处产生的压力降（Pa） 壳程进出口压力降（Pa） 以上三式求得下式得： （1-28） （1-29） （1-30） 式中 壳程流体的摩擦系数； 壳程折流板的数目； 壳体内直径（m）； 换热管的平均直径（m）； 壳程流体的密度（ kg / m3 ）； 最小流通面积处流速（m/s）。 摩尔系数由下式求得： （1-31） 流速： =0.23m/s 雷诺数： 由式（1-31） 由式（1-28） 由式（1-29） 由式（1-30）取Vn=2m/s, 得： 由式（2-35）得： 一般来说，对液体，两侧的压力降一般控制在 0.010.1MPa 此压降在允许的压力范围内，满足要求。31.9 本章小结 在本章传热计算中，对换热器的计算部分有了个基本的了解，同时，对换热器的设计的未来方向有了一定的方向，对蒸汽和水在设计条件下的一些物性参数的查找，同时对传热面积，工艺结构尺寸计算，选定了换热器形式卧式半容积换热器，最后再经过核算，确定了换热器的初步形式。这在设计中指导了自己接下来的工作内容。同时对自己的能力有了一个全新的认识。31沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 U型管换热器结构设计第二章U 型管换热器结构设计2.1 筒体的内径确定 筒体的内径为 DN=400mm2.2 管板与换热管 可用可拆式管板夹持型式，厚度初选为 45mm，与法兰连接采用凹面密封。分程隔板槽宽 12mm，深 4mm。换热管选用不锈钢波节换热管，19换热管尺寸：波谷 19mm、波峰 25mm、壁厚 0.8mm，排列形式采用转角三角形。换热管中心距 S=25mm。 为了方便于制造加工，管子和管板的密封性与抗拉托强度，管子和管板连接全部采用强度焊。换热管最小伸出管板长度 2mm。2.3 折流板 折流板选用单弓形折流板，折流板厚度与壳体直径与折流板间距有关，见表 2-1 所列数据。折流板最小厚度取 8mm，折流板缺口高度为壳体内径的 25，则切去圆缺高度为 110.5mm，折流板间距 B=350mm，管束两端折流板应可能靠近壳程进，出口接管。折流板外径取 400-10=390mm，折流板管孔19.50+0.2，材料选 Q235B钢。折流板与折流板间距为 350 mm。 折流板切除高度： H=Disin= =390xsin30=97.5mm, （2-1） =120 表 2-1 折流板厚度壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm300300-450450-600600-750750200-5003561010400-70056101012700-10006810121610006101216162.4 拉杆与定距管2.4.1 拉杆 换热管外径为 19mm，故拉杆采用拉杆定距管的形式，查 GB151 表43 及表 44 可得 400mm 内径，10mm 壁厚的换热器的拉杆的直径为 12mm，上下管板各 2根，数量为 4。2.4.2 定距管 定距管尺寸和所在换热器的换热管规格都是相同，全部才有25x2,选用材料为 20号钢。2.4.3 折流板、拉杆、定距管的连接 折流板与拉杆和定距管的连接形式如图 2-1图2-1 连接图2.5 设计堰板防短路2.6法兰的选用5 管箱法兰根据设计压力及安装使用要求选用，法兰-RF400-1.6；JB/T4701 2000 ，由于使用寿命较长，对密封、防腐的要求较高，因此，根据 JB / T 4704- 2009标准，选用垫片 400-1.6。法兰材料选用20的锻件，锻件质量要求达到二级标准。2.6.1 接管法兰选用 管程接管法兰根据 HG20592 - 2009 标准中选用PL65（B）-16RF法兰，法兰的材料选用Q235B.2.7 垫片 管箱和管箱侧壳体垫片：JB/T 47042000 垫片 400-1.6，=3 mm 石棉橡胶板。壳程接管法兰的相应垫片：HG/T 20606 RF50-16 XB350 材料：石棉橡胶板。管程接管法兰的相应垫片：HG/T 20606 RF65-16 XB350 材料：石棉橡胶板。2.8 支座 由半容积式换热器系列估算换热器质量 m=1820kg=18.2KN 因为该换热器卧式摆放，固采用鞍式支座，按 JB/T4712-92 标准，选用轻型 A 型支座，DN=1200。材料为 Q235-AF，筋板和底板的材料 Q235-A-F. 螺栓为 M20，垫板材料为 Q235B 。鞍座标记：JB/T4712-92,鞍座 A1200-F.S。2.9 本章小结 本章主要根据工艺尺寸的要求，按照 GB151管壳式换热器中的规定对换热器零部件进行选取与设计，通过这设计选取的过程对各个零件增加较深层次的认识，初步选取相关材料与部件，对其作用也有了很大程度了解。本章为制图和强度校核提供数据数据。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 强度校核第三章强度校核3.1 换热器壳体计算3.1.1 筒体 根据工艺条件壳程筒体的设计压力为 pt =0.6MPa ，焊缝采用双面对接焊局部无损探伤，焊接接头系数=0.85，材料选Q235B，t=113MP， 按 GB/3274-2007，取钢材厚度负偏差：C1=1mm，腐蚀裕量：C2=1mm , C1+C2=C=1.8mm （3-1） 圆筒计算壁厚为： （3-2） 名义厚度：，圆整后取 10mm. （3-3）3.1.2 封头 根据换热器的工作压力不高，故可选用标准椭圆形封头，即，K=1.00，其厚度与筒体厚度相同，根据 GB / T 25198-2010-2010 标准，取管箱封头为DN400x10，曲边高度h1=100，直边高度取h2=25mm。材料选用Q235B,冲压成型。3.2 罐体计算3.2.1 罐体 根据工艺条件壳程筒体的设计压力为 pt =0.6MPa ，焊缝采用双面对接焊局部无损探伤，焊接接头系数=0.85，材料选Q235B，t=113MP， 按 GB/3274-2007，取钢材厚度负偏差：C1=1mm，腐蚀裕量：C2=1mm , C1+C2=C=1.8mm 圆筒计算壁厚为： （3-4） 名义厚度：，圆整后取 10mm。 （3-5）3.2.2 封头 由于且工作罐体的压力不高，故可选用标准椭圆形封头，即，K=1.00，其厚度与筒体厚度相同，根据 GB / T 25198-2010 标准，取罐体封头为DN1200X10-Q235B，曲边高度h1=300，直边高度取h2=25mm。材料选用Q345R，冲压成型。3.3 开孔补强设计 表 3-1标号数量公称尺寸（mm）公称压力（mm）规格（外径x壁厚）用途与说明a1651.676x6蒸汽入口b1651.676x6蒸汽出口c1501.657x5进水口d14001.0426x10人孔e120Rp1/2压力表口f120M27x2测温口h1501.657x5出水口j1501.657x5安全阀口k1501.657x5排污口3.3.1 接管h,j 接管取76X6和57x5符合不另行补强的最大开孔条件，固接管不需要空空补强计算。3.3.2 接管a,b 管程接管有 a：蒸汽进口（766） b:蒸汽出口（766），开孔尺寸一样计算一个即可，以接管 f 为例计算如下： 取接管内蒸汽流速为 10m/s，则接管内径为 （3-6） 取标准 DN=65 管程流体进出口接管 766 管程的名义厚度 dn=10mm。3.4 U型管换热器开孔3.4.1 椭圆形封头非中心孔处部位补强的计算 Di:封头内直径，1200mm d:开孔内直径，406mm H:曲面高度，300mm X:接管-封头中心距，250mm :封头开孔处的壁厚10mm ：封头开口处的计算壁厚3.76 t：接管壁厚，10mm t0：接管计算壁厚，1.25mm r：补强圈厚度，10mm C：封头壁厚附加量，1.8mm Ct:接管壁厚附加量，1mm Cr:补强圈壁厚附加量，1mm C2:封头复试裕度，1mm Ct:接管腐蚀裕度，1mm t:封头材料的许用应力113MPa tt接管材料的许用应力113MPa t:补强圈材料的许用应力，113MPa3.5 椭圆封头计算直径 （3-7）3.5.1 接管周围封头补强区的计算宽度 （3-8）3.5.2 接管外侧补强设计高度 （3-9）3.5.3 接管内侧补强区计算高度 （3-10）3.5.4 计算结果 h1、h2 之计算值，应分别与其实际数值相比较，取两者中较小值 接管许用应力比值： 取两者最小值 （3-11） 补强圈许用应力比值 取两者最小值 （3-12）3.5.5 封头因开孔削弱需要补强的面积 （3-13）3.5.6 封头多余金属面积 （3-14）3.5.7 补强圈的金属面积 （3-15）3.5.8 接管外侧多余金属面积 （3-16）3.5.9 接管内侧金属面积 （3-17）3.5.10 一个孔需要补强面积 （3-18） 3.6 补强圈设计 根据接管公称直径 DN400 选补强圈，参照补强圈标准 JB/T4736 取补强圈外径为 D2 =680mm，内径取 D1 =428mm，因 B D2 ,补强圈在有效补强范围内。 考虑钢板负偏差并圆整，但为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取筒体厚度，即=10mm。3.6.1 人孔开孔 人孔开孔处直径为426 罐体的名义厚度n=10mm 设计压力 pt=0.6MPa，设计温度：100 壳体和补偿圈的材料均为Q235-B，其许用应力为t=113MPa，人孔筒节材料为 Q235-B，其许用应力为t=113MPa，壳体和人孔筒节的附加量为 C=1.8mm。3.6.2 补强及补强方法的判别 （1）补强判别：允许不另行补强的最大接管外径为89 ，本开孔外径等于426mm，故须另外考虑其补强。补强计算方法判别：开孔直径： 开孔直径： （3-19） 本为圆筒上开孔直径d=420Di/2=600，满足等面积补强计算的适用条件，所以可用等面积法进行开孔补强的计算。3.6.3 开孔所需补强的面积 罐体开孔处的计算厚度：=3.76mm 开孔所需的补强面积： 先计算强度削弱系数 fr: （3-20） 接管的有效厚度：et=nt-c=10-1.8=8.2 开孔所需的补强面积： （3-21）3.6.4 接管多余金属面积 （1）有效宽度 B： （3-22） 取两者较大者，固B=840mm （3-23） （2）有效高度： 外伸有效高度 h1： （3-24） 内侧的有效高度h2： （3-25） 取两者最小值，所以h1=0mm3.6.5 有效补强面积壳体的有效厚度 （3-26） (1)壳体多余金属面积 A1 ： （3-27） (2)接管多余金属面积 A2 接管计算厚度： （3-28） 接管的多余的金属面积： （3-29） 接管区焊缝面积 A3：（焊脚取 6mm） （3-30）3.6.6 有效补强面积A4 （3-31） 补强面积 采用补强圈补强 dN=400mm， 外径 D2=680mm，内径D1=428mm。BD2 ， 补强圈在有效补强范围内便于制造材料，可取筒体厚度 10mm。3.7 罐体水压试验及其壳体的强度校核 水压试验压力为MPa （3-32） （容器各元件