毕业设计（论文）-流量为130th的立式蒸汽冷凝器的设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本 科 毕 业 论 文 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 题 目： 流量为 130t/h 立式蒸汽冷凝器 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 1201 班 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：2016 年 05 月 27 日 论文答辩日期：2016 年 06 月 06 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 130t/h 立式蒸汽冷凝器 毕业设计（论文）内容： 1.关于换热器综述一篇； 2.计算书说明书一份； 3.绘制工程图折合 A1 号图四张以上； 毕业设计（论文）专题部分： 固定管板式换热器 起止时间： 年 月 年 月 日 指导教师： 签字 年 月 日 摘要摘要 冷凝器它是使用范围很广的一种化工设备，属于换热器一种。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水蒸气- 水之间的热量交换,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。 ，设计 压力为管程 2.31MPa，壳程 0.935MPa，工作温度管程 50，壳程 130， 设计温度管程 80， 壳程 140， 传热面积为 256m2， 采用 252.53000 的无缝钢管换热，则可计算出 622 根换热管，D=1200mm 的圆筒根据换 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。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：关键词： 换热器； 强度设计； 结构设计 Abstract The condenser is a kind of chemical equipment which is widely used, and belongs to a kind of heat exchanger The design task is mainly according to the known conditions to choose the design of fixed tube plate heat exchanger, the advantages of fixed tube plate heat exchanger is forging used less, low cost; heat transfer area ratio of floating head type for heat exchanger is 20% to 30% and a bypass flow small. The heat exchanger is mainly completed is between water vapor and water heat exchange, first of all according to the given design temperature and pressure to determine structure of equipment and the shell side and tube side material, and then according to the nature of the material and the heat transfer area to determine the heat exchange tube materials, dimensions, number of roots. And design pressure for tube side 2.31MPa, shell 0.935MPa, the working temperature of the tube process 50 DEG C, 130 DEG C shell, design temperature tube process at a temperature of 80 DEG C, shell and 140 DEG C, heat transfer area for 256m2. The phi 25 x 2.5 x 3000 seamless steel pipe heat exchanger can be calculated 622 heat exchange tube, D=1200mm cylindrical root according to determine the root number of heat exchange tube heat exchanger tube arrangement and according to the arrangement and length of heat exchange tube to determine cylinder diameter and baffle the choice. Determine the thickness of the shell and the head and carry out the intensity verification by calculating the inner diameter and the internal pressure of the container Then the strength design of components of the various components of the heat exchanger, flange design, selection and calculation and checking, hook and loop and floating head flange design calculation and checking of the pipe and pull off force calculation. Also includes a tube plate structure design, anti scour baffle, slideway structure design and the design of support. The standard parts in the structure design can be selected directly according to the national standards; the non standard parts must be checked for the corresponding stress after the design of the structure. Tube plate and tube heat exchanger and the connection mode of welding, tube plate more stress, and the temperature inside and outside have certain difference. Therefore, on the tube sheet strength check is a key and a difficulties. Keywords: heat exchanger； strength design； structure design 目 录 第一章传统工艺计算 9 1.1 工艺计算 . 9 1.1.1 介质原始数据 9 1.1.2 介质定性温度及物性参数 9 1.2 传热量与水蒸汽流量计算 . 2 1.3 有效平均温差计算 . 3 1.4 管程换热系数计算 . 4 1.5 管程结构初步设计 . 5 1.6 壳程换热系数计算 . 6 1.7 总传热系数计算 . 7 1.8 管壁温度计算 . 7 1.9 管程压力降计算 . 8 1.10 壳程压力降计算 9 第二章强度计算 . 12 2.1 结构设计说明书 12 2.1.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 . 12 2.1.2 布管方式的选择 . 12 2.1.3 筒体内径的确定 . 12 2.1.4 筒体壁厚的确定 . 13 2.1.5 封头形式的确定 . 13 2.1.6 管箱短节壁厚计算 . 14 2.1.7 容器法兰的选择 . 14 2.1.8 管板尺寸的确定及强度计算 . 15 2.1.9 是否安装膨胀节的判定： . 27 2.1.10 各管孔接管及其法兰的选择： 28 2.1.11 设备法兰的选择 31 2.1.12 拉杆和定距管的确定 33 2.1.13 开孔补强计算： 34 2.2 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。 2.2.1 筒体核算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.2、支座的选择及应力校核 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.3 耳座的应力校核 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第一章传统工艺计算 1.1 工艺计算工艺计算 1.1.1 介质原始数据介质原始数据 管程水的进口温度 t1=20 管程水的出口温度 t1=90 管程水的工作压力MPP1 . 2 1= 管程水的流量 G1=290t/h=290000kg/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=85 壳程水蒸气的入口压力 P2=0.85MPa 1.1.2 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 1t =（ 1 t+ 1t ）/2 =（20+90）/2=55 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 24 . 3 1=r P 壳程： 壳程水蒸汽定性温度： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 2 壳程水蒸汽冷凝点 : ti = t2=170.7 冷却段： 2 t =（ti + t2）/2=（170.7+85）/2=127.85 冷凝段： 2 t = （t2+ ti）=（170.7+170.7）/2=170.7 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 1.2 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 : 0 Q = G1Cp1(t1- t1)1000/3600=2900004.176(90- 20)1000/3600=23.55106W 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 3 由 0 Q = 2 G r+ Cp2(t2- t2) 导出水蒸气流量G2， r为t2时的汽化潜热， r=2047.1KJ/Kg 水蒸汽流量: G2= Q0/ /r+ Cp2(ti - t2) =23.55106/0.98/2047.11000+4.3191000(170.7- 85)=6.703Kg/s 冷却段传热量： Q2=G2Cp2(ti- t2)=6.7034.319103(170.7- 85)=2481037W 冷凝段传热量: Q2= G2r=6.7032047.11000=13721711.3W 设冷凝段和冷却段分界处的温度为 3 t 根据热量衡算 : Q 2 = 11p CG () 13 tt 3 t=Q2/ G1/ Cp1+ t1=13721711.30.983600/290000/4176+20=59.974 1.3 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 逆流冷凝段平均温差: tn= () () 3 12 312 ln tt tt tttt i i =94.923 冷却段: 参数:P= t3-ti - t3 t1 = 59.974-0.717 59.974-90 =0.271 参数:R= - t3t1 t2-ti = 59.974-09 58-0.717 =2.854 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 4 换热器按单壳程 单管程设计则查图 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 冷凝段： 参数:P= t1-t2 t1-3t = 02-0.717 20-59.974 =0.265 参数:R= t1-t3 t2- ti = 20-59.974 7 . 017-7 . 017 =0 换热器按单壳程 单管程设计则查图 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 1.4 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/(82085.843)=46.7688m2 初选冷凝段传热面积为: F0=Q2/( K0tm)= 13721711.30.98/(130094.923)=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 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 5 则需要换热管根数:Nt=( F0+ F0)/( d0L)=(46.7688+108.973)/(3.140.0253)=661.3 可取换热管根数为 662 根 管程流通面积:a1= t N 4 di2= 662 4 0.022 =0.207868 管程流速: W1 = 11 1 3600 G ap = 290000/( 3600985.750.207868 )= 0.093m/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 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 管程冷凝段传热系数: a1=3605(1+0.015 t12) W10.8/(100di)0.2= 4101.375 1.5 管程结构初步设计管程结构初步设计 查 GB1511999 知管间距按 0 25 . 1 d , 取管间距为：mS032. 0= 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 圆整为: 1200= i D 则长径比: iD L = 1.2 3 =2.5 合理 折流板选择弓形折流板: 弓形折流板的弓高:24 . 0 2 . 12 . 02 . 0= i Dh 折流板间距:B= 3 Di = 3 1200 =400 取 B=400 折流板数量:Nb= B L - 1= 0.4 3 - 1=6.5 取 7 块 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 6 1.6 壳程换热系数计算壳程换热系数计算 壳程流通面积: = s d BDf i 0 2 1=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 冷凝段:w2= 22 2 fp G =6.703/（4.1940.105）=15.22m/s 壳程当量直径:de=（Di2- Ntd02）/（Ntd0）=（ 2 1.2 - 711 2 0.025 ）/（7110.025）=0.056m 冷凝段管外壁温度假定值: 6 . 109= w t 膜温:tm=（tw+ t2）/2=（109.6+170.7）/2=140.15 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 冷凝负荷：= s 2 Ln G =6.703/（351.807）=0.0431 壳程冷凝段雷诺数:Re=4/um=40.0431/19510- 6=884.1 壳程冷凝段传热系数: a2=1.51（m3mg/m2） 3 1 （Re） 3 1 =9635.7 冷却段管外壁温假定值:95 2 = w t 冷却段雷诺数：Re= 2 e22 u dwp =937.80.0680.056/217.19110- 6=16442.405 壁温下水粘度:w2=298.610- 6 Pas 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 7 粘度修正系数:1=（ w2 2 u u ）0.14=0.956 壳程传热因子查图 2- 12 得: 100= s j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 1.7 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: ()WCmr o /10 2 . 35 25 1 = 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 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 传热面积比为: Kj / K0 = 1300 1385.0607 =1.06（合理） 1.8 管壁温度计算管壁温度计算 设定冷凝段的长度:mL0424. 2= 冷却段的长度:mL9576. 0= 冷却段管外壁热流密度计算: q2=Q2/(Ntd0 L)=48859.33w/（m2） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 8 冷却段管外壁温度: tw=t2- q2(1/a2+r2)=97.496 误差校核:e=tw2- tw=95- 97.496=- 2.496 误差不大 冷凝段管外壁热流密度计算: q2=Q2/( Ntd0 L)=（13721711.30.98）/155473.7 w/（6623.140.0252.0424） =126696.88（m2） 冷凝段管外壁温度: tw=tm- q2(1/ a2+r2)=115.62 误差校核:e= wt - tw=- 6.02 误差不大 1.9 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 =290000/（3600985.750.207868）=0.393m/s 管程雷诺准数:Re1=1w1di/1=985.750.3930.02/（5.064 - 4 10 ）=15300.148 程摩擦系数:=0.3164/(Re10.25)=0.02845 压 降 结 垢 校 正 系 数 :4 . 1= i d沿 程 压 降:P1=112L di/(2di)= （0.02845985.75 2 0.3931.43）/（20.02）=454.8Pa 取管程出入口接管内径:d1=250mm 管程出入口流速:u1=4G/(3600d121)=（4290000）/（36003.14 2 0.25985.75） =1.67m/s 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算 9 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 管程允许压降: a PP35000= 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 33 2.1.12 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 1999151GB管壳式换热器 表 43 16 2 拉杆数 量 n 199