毕业设计（论文）-流量为170th双管程固定管板式换热器设计（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：流量为170t/h双管程固定管板式换热器 专 业： 过控 班 级： 1201 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 6 月 1 日论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日毕业设计（论文）任务书过程装备与控制工程1201班学生：毕业设计（论文）题目：流量为170t/h双管程固定管板式换热器毕业设计（论文）内容： 有关换热器综述一篇； 计算书说明书一份； 毕业设计（论文）专题部分： 固定管板式换热器起止时间：2016年5月25至2016年6月6日指导教师： 签字 2016年 3 月 1 日 课题名称流量为170t/h双管程固定管板式换热器设计者何香颐图号GK311202110-01设计参数管口表容器类别符号公称尺寸用途或名称参数名称壳程管程a450进油管工作压力MPa1.62.5b450出油管设计压力MPa1.652.5c200热水出口工作温度2085d设计温度52.5110e20放气口介质水油f20放气口介质特性h200冷水进口推荐材料Q34520钢g20排液口腐蚀余量mm0.32m20排液口焊接接头系数0.850.85程数12传热面积465465换热管推荐尺寸管子与管板连接方式强度焊接强度焊接设计参数： 管程： 管程为油，入口温度为130，出口温度为90壳程：壳程介质为热水，由20加热到85；流量为170t/h结构为固定管板式换热器 摘要 在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。换热器是化工、交通、动力、石油、冶金国防等工业部门重要工艺设备之一。由于物料的性质、要求各不相同，换热器的种类很多，根据使用场合，使用目的有所不同。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器很重要。按照热量交换的方式不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛，在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体的温度较高，放出热量；另一流体温度较低，吸收热量。换热器在动力、制冷、石油、食品、化工等等行业中都有广泛的应用，而且他们是上述这些行业的通用设备，并有着十分重要的部位。固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用最广泛的一种换热器。固定管板式化热器的优点为结构简单，成本低、选材广、适应性强、耐压性强、方便清洗、管子损坏时便于堵管或更换，在各工业部门应用最为广泛。这种换热器使用于壳侧介质清洁且不宜结垢，并能进行清洗管束，壳程两侧温差不大或者温差较大但壳侧压力不高的场合。换热设备在石油化工、炼油以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷凝、冷却、蒸发和废热回收等等方面。 列管式换热器分为U型管换热器和固定管板式换热器。U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块板上，其管程至少为两程。U型管换热器的优点是：只有一块管板，结构简单，密封面少，运行可靠；管件清洗方便，管束可以抽出。缺点是管板利用率较低，管内清洗困难，管束内程管间距大，壳程易短路，内程管子坏了无法更换，所以报废率高。固定管板式换热器主要是由封头、管板、换热管、简体、管箱、法兰及折流板等组成，管班上两端分别固定着管束，简体和管板之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，换热器结构简单、造价低、制造方便，在相同直径的壳体内可排列安装较多的换热管，并且每个换热管都可单独进行管内清洗或更换，但是管外清洗比较困难。因此，固定管板式换热器更适用于不易结垢的壳程流体清洁，而冷热流体温差不太大的管程常用清洗的场合不太适用。 固定管板式换热器的设计包括：流体设计、结构设计、热力设计和强度设计。在本次设计中进行了对物料及热量衡算，并对换热器整体机构进行计算和对换热器的基本附件进行选择和设计，最后绘出非标零件图和装配图。其中课题设计以强度校核和结构设计为主要设计内容。热力计算是指根据使用单位提出的基本要求，合理选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。关键字：换热器，固定管板，壳体，封头Abstract In different temperature of liu medical transfer heat device become a heat exchanger, heat exchanger for short.Heat exchanger is chemical industry, transportation, power, petroleum, metallurgy, national defense industry one of the important technological equipment.Due to the nature of the material, requirements vary, there are many kinds of heat exchanger, according to the using situation, using low is different.To understand the characteristics of all kinds of heat exchanger, according to the technological requirements it is very important to correctly choose the right type of heat exchanger.According to the heat exchange in a different way, divided into recuperative heat exchanger, direct contact heat exchanger, three kinds of regenerative heat exchanger.Chemical production in the vast majority of cases are not allowed to cold and hot fluid in the process of heat transfer in hybrid, so, the most widely used, recuperative heat exchanger in the heat exchanger should have at least two different fluid temperature, the temperature of a fluid is higher, gives off heat;Another fluid temperature is low, absorption of heat.Heat exchanger in power, refrigeration, petroleum, food, chemical industry and so on are widely used in industry, second they are these industry general equipment, and has a very important part.Fixed tube plate heat exchanger is a kind of typical structure of tube and shell heat exchanger, a heat exchanger is currently the most widely used.Fixed tube plate heat exchanger of advantages as simple structure, low cost, wide material selection, strong adaptability, strong pressure resistance, convenient cleaning and pipe damage to facilitate tube jam or replaced, the most widely used in various industry departments.This kind of heat exchanger used in shell side of the media should not be clean and scaling, and can be washed, on both sides of the shell side shell temperature difference is not big or temperature difference is bigger but the occasion of the lateral pressure is not high.Heat exchange equipment in petrochemical, refining, and widely used in other industries, it is suitable for cooling, evaporation and condensation, waste heat recovery, etc.Shell and tube heat exchanger is divided into U tube heat exchanger and fixed tube plate heat exchanger.U tube heat exchanger structure characteristics is only a piece of tube plate, heat exchange tube for U, at both ends of the tube are fixed on the same piece of plate, the monitor for at least two process.The advantages of the U tube heat exchanger is: only a piece of tube plate, structure is simple, sealing surface, less reliable operation;Fitting convenient cleaning, tube bundle can be pulled out.Defect is low utilization rate of tube sheet, tube cleaning is difficult, the distance between pipe bundle in cheng, shell Cheng Yi short circuit, the process pipe is broken cant change, so the scrap rate is high.Fixed tube plate heat exchanger is mainly composed of head, tube plate, heat exchange tube, simplified, pipe, flanges and baffle plate, etc, were fixed by bundle on both ends of the tube in the class, simplified and tube plate is rigid connection between together, no relative movement between each other, heat exchanger has simple structure, low cost, easy fabrication, inside the shell of the same diameter can be arranged to install more heat exchange tube, and each heat exchange tube can separate for pipe cleaning or replacement, but outside the pipe cleaning more difficult.Therefore, fixed tube plate heat exchanger is more suitable for not easy scaling of shell side fluid cleaning, and cold and hot fluid temperature difference is not too big tube side commonly used cleaning occasions dont apply.Fixed tube plate heat exchanger design includes: fluid design, structure design, thermal design and strength design.In the design of material and heat balance, and a calculation is made of heat exchanger overall mechanism and basic attachments for selection and design of heat exchanger, the final draw non-standard parts drawing and assembly drawing.With intensity and structure design of the project design among them as the main design content.Thermodynamic calculation is according to put forward the basic requirement of units used, the reasonable selection operation parameters, and according to the knowledge of heat transfer, heat transfer calculation.Key words: heat exchanger, fixed tubesheet and shell, head目 录 第一章工艺计算说明书 1 1.1 原始数据 1 1.2 定性温度及物性参数 1 1.3 传热量与油流量 2 1.4 有效平均温差计算 2 1.5 管程换热系数计算 3 1.6 结构的初步设计 3 1.7 壳程换热系数计算 4 1.8 传热系数计算 5 1.9 管外壁热流密度计算 5 第二章换热器零部件的工业结构设计 6 2.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 6 2.2 布管方式的选择 6 2.3 筒体内径的确定 6 2.4 筒体壁厚的确定 7 2.5 封头形式的确定 7 2.6 管箱短节壁厚计算 8 2.7 容器法兰的选择 8 第三章换热器的强度设计及校核 10 3.1 筒的计算 10 3.2 对于延长部分兼作法兰的管板的计算 11 3.3 假定管板厚度的计算 13 3.4 值的计算 15 3.5 法兰厚度的计算 15 3.6 法兰力矩的组合 16 3.6.1 只有壳程设计压力Ps,而管程设计压力Pt=0,不计膨胀节变形差（即r=0） 16 3.6.2 只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0，并且计入膨胀变形差 17 3.6.3 只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0，不计膨胀节变形差 19 3.6.4 只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0，同时计入膨胀变形差 20 3.6.5 由管板计算厚度来确定管板的实际厚度 21 3.7 是否安装膨胀节的确定 21 3.8 折流板尺寸的确定 21 3.9 各管控接管及其法兰的确定 22 3.10 设备法兰的选择 24 3.11 拉杆和定距管的确定 25 3.12 开孔补强计算a孔DN=mm（GB150-1998 项目8.1） 26 3.13 筒体管箱耐压试验的应力校核的计算 28 3.14 支座的选择及应力校核 29 3.14.1 支座的选择 29 3.14.2 鞍座的应力校核 29 参考文献 34 致谢 35第一章 工艺计算说明书11原始数据管程油的进口温度t1=130管程油的出口温度t1=90管程油的工作压力P1=2.5MPa壳程水的入口温度t2=20壳程水的出口温度t2=85壳程水的出口压力P2=1.6MPa壳程水的流量G1=170000kg/h12定性温度及物性参数管程油定性温度t1=110管程油密度查物性表得1=759kg/m3管程油比热查物性表得Cp1=2.43KJ/（Kg ）管程油导热系数查物性表1=0.1042w/mk管程油粘度1=0.5510-3Pas管程油布朗特数查物性表得Pr=16.1壳程水定性温度t2=52.5壳程水比热查物性表得Cp2=4.17KJ/（Kg ）壳程水密度查物性表得2=988.1kg/m3壳程水导热系数查物性表得2=0.65W/（mk）壳程水粘度2=0.5510-3Pas 壳程水布朗特数查物性表得Pr=3.5429沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 工艺计算书说明书1.3传热量与油流量取定换热效率： 设计传热量： Q= =1700004.17（85-20） =1.25 W由 导出煤油流量，得 1.4有效平均温差计算有效平均温度： = =75.53 参数P： P=0.36参数R： R=1.625换热器按单壳程双管程设计，查图表得：温差校正系数： =0.75有效平均温差： =0.7573.53=55.15 1.5管程换热系数计算查图表可得：初选传热系数： =600 W/m.则初选传热面积为： =377.76 选用不锈钢的无缝钢管做换热管，则 管子外径： =0.025 m 管子内径： =0.02 m 管子长度： =6 m则 所需换热器根数： =803可取换热管根数为： 804 根则管程流通面积为： =0.252 管程流速：=0.191 m/s管程雷诺数：=5271.6管程传热系： =25421.6结构的初步设计查GB-1999知管间距按1.25取管间距： s=0.032 m 管束中心排管数：=1.1=1.1=32根 则壳体内径：=+=0.032（32-1）+40.025=1.092 m 取整为：=1.1 m 则长径比：=5.45 合理折流板选择弓形折流板 弓形折流板的弓高：h=0.2=0.21.1=0.22 m 折流板间距：B=0.367 m 折流板数为：=-1=-1=15 块1.7壳程换热系数计算壳程流通面积：=0.0883 壳程流速为：=0.541 m/s壳程质量流量为：=988.10.541=539.972 kg/壳程当量直径为：=0.035 m壳程雷诺数：=34017切去弓形面积所占比例按 =0.2壳程传热因子： =171.43 得=125管外壁温度假定值：=40壁温下水的粘度：=0.62 粘度修正系数：=0.38壳程换热系数为：=10401.8传热系数计算查GB-1999可知壳程水污垢热阻：=0.000176 w/管程油侧污垢热阻：=0.000172 w/由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可忽略不计可以算出总传热系数：=632则传热面积比为：=1.05 合理 1.9管外壁热流密度计算=33050.16 w/管外壁温度：=t-=39.16 误差校核：-=39.16-40= -0.84 误差不大，合适沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器零部件的工艺结构设计第二章 换热器零部件的工业结构设计2.1换热管材料及规格的选择和根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管材料20#2换热管规格mm252.560003传热面积Am2A=Q/4464换热管根数N根N=A/3.14dL9482.2布管方式的选择序号项目符号单位数据来源和数据计算数值1转角正三角形GB151-1999图112换热管中心距SmmGB151-1999表12323隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-1999表12442.3筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1换热管中心距SmmGB151-1999表12322换热管根数根=A/3.14dL9483管束中心排管根数根=1.1334换热管外径mm255到壳体内壁最短距离mm=0.256.256布管限定圆直径mm=-21143.57筒体内径mm=s（-1）+411288实取筒体公称直径DmmJB/T4737-9512002.4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力=1.12.312筒体内径mm见三-812003筒体材料20R4设计温度下筒体材料的许用应力GB150-981505焊接接头系数0.856筒体设计厚度mm=10.17腐蚀裕量C2mm28负偏差C1mm09设计厚度mm=+ C212.110名义厚度mmGB151-1999项目5.3.2142.5封头形式的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1封头内径Dimm12002计算压力=1.11.873焊接接头系数0.854设计温度下许用压力GB151-1999项目5.3.21505标准椭圆封头计算厚度mm=106腐蚀裕量C2mm27负偏差C1mm08设计厚度mm=+C2129名义厚度mmGB151-1999项目5.3.21410直边高度hmmJB/T4737-95402.6管箱短节壁厚计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力=1.12.312管箱内径mm12003管箱材料20R4设计温度下许用应力GB150-981505管箱计算厚度mm=116焊接接头系数mm0.857腐蚀裕量C2mm28负偏差C1mm09设计厚度mm=+ C21310名义厚度GB151-1999项目5.3.2142.7容器法兰的选择序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1法兰类型长颈对焊法兰JB/T4703-2000PN=2.5MPa2法兰外径d0mmJB/T4703-200013953螺栓中心圆直径d1mmJB/T4703-200013404法兰公称直径mmJB/T4703-200012005法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4703-2000PN=2.5MPa7垫片材料GB/T3985-19958垫片公称直径mmJB/T4704-200012009垫片外径D0mmJB/T4704-2000127510垫片内径DmmJB/T4704-2000122511法兰厚度mmJB/T4704-20008512垫片厚度mmJB/T4704-2000313螺栓规格及数量248M27沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢第三章 换热器的强度设计及校核3.1筒的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1筒体内径mm12002筒体内径横截面积Amm2A=9498503筒体厚度mm144圆筒内壳壁金属截面积mm2=48971.445管子金属总截面积mm2=1563156换热管根数N9487换热管外径Dmm258换热管壁厚mm2.59换热管材料的弹性模量GB150-1998表F518200010换热管有效长度Lmm598011沿一侧的排管数3012布管区内未能被管支撑的面积mm2=1720013管板布管区面积Atmm2At=0.866nS2+80200314管板布管区当量直径mm=1010.7715换热管中心距SmmGB151-19993216隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-19994417管板布管内开孔后的面积mm2=80200218系数=0.7119壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比QQ=2.7120壳程圆筒材料的弹性模量GB150-1998表F519600021系数=0.1922系数=0.4+3.5423系数=+5.5424管板布管区当量直径与壳程圆筒内径比PtPt=0.8425管子受压失稳当量长度mmGB151-1999图3226设计温度下管子受屈服强度GB150-1998表F21963.2对于延长部分兼作法兰的管板的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触宽度NMmGB150-1998表9-1252垫片基本密度宽度Mm=12.53垫片比压力yGB150-1998表9-2114垫片系数m2.05垫片有效密封宽度bMmB=2.5396垫片压紧力Mm= -2b12607预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaNWa=3.14dGby391372.758操作状态下需要的最小螺栓载荷WpNWp=0.78DG2Pc+6.28DGbmPc2578132.09常温下螺栓材料的许用应力bMPaGB150-1998表F4272.510预紧状态下需要的最小螺栓面积Aamm2Aa=Wa/b1436.2511操作状态下需要的最小螺栓面积Apmm2Ap= Wp/b119461.0312需要螺栓总截面积Ammm2Am=maxAa，Ap119461.0313法兰螺栓的中心圆直径dbMm134014法兰中心至Fc作用处的径向距离LGMmLG=（db-dG）/240.515基本法兰力矩MmNmmMm=AmLGb1.0410816筒体厚度0Mm1417法兰颈部大端有效厚度1Mm1=1.75024.518螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离LAMmLA=（db-di）/2-145.519螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离LTMmLT= (LA+ LG+1)/252.7520螺栓中心距FD作用处的径向距离LDMmLD=（db-di）/27021作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力FDNFD=0.785di2Pc211384822流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差FTNFT=F-FDF=0.78dG2*PC=2719998.996606150.99623操作状态下需要的最小垫片压力FGNFG=6.28DGbmPc266133.463223法兰操作力矩MpNmmMp=FDLD+FTLT+FGLG1.911083.3假定管板厚度的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1布管区当量直径与壳程圆筒内径之比tt=Dt/Di0.842系数CcGB151-1999 (P31)表220.27963管板材料16MnR4设计温度下管板材料许用应力rtMPaGB150-1998（P15）1385管板刚度削弱系数GB151-19990.46壳程设计压力PsMPa1.877管程设计压力PtMPa2.28管板设计压力PdMPaMaxPt -Pt，Pt，Ps2.29管板厚度=0.82Dg 108.910换热管加强系数KK=1.318Di/14.5211管板周边不布管区的无量纲参数kk=K（1-t）2.3212换热管材料弹性模量EtMPaGB150-1998表F518610313管束模数KtMPaKt=Etna/（LDi）4049.5614壳体法兰材料弹性模量EfMPaGB150-1998表F519610315壳体圆筒材料弹性模量EsGB150-1998表F519610316壳体法兰宽度bfmmBf=（Df-Di）/238.517系数GB151-1999图260.0005518壳体法兰与圆筒的选装刚度KfMPa=15.0519旋转刚度无量纲参数KfKf=Kf/（4Kt）0.00313.4 值的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管板第一矩系数m1GB151-1999图270.642系数=m1/（KKf）15.203系数G2GB151-1999图315.83.5法兰厚度的计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管箱法兰材料的弹性模量EfMPaGB150-1998表F51861032管箱法兰厚度fmmJB/T4702-2000108.93系数GB151-1999图260.000554管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数KfMPa8.535系数G3GB151-1999图303.710-46系数= Kf/（Kf+G3）0.8867管板边缘力矩的变化系数MM=1/（Kf/ Kf+）0.3778法兰力矩变化系数MfMf=KfM/ Kf0.000139管板第二弯矩系数m2GB151-1999图28（a）1.803.6法兰力矩的组合3.6.1只有壳程设计压力Ps,而管程设计压力Pt=0,不计膨胀节变形差（即r=0）序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1当量压力组合PcMPaPc=Ps1.872系数ss=0.4+0.6（1+Q）/0.753.543有效压力组合PaMPaPa=sPs+rEt39.44基本法兰力矩系数MmMm=4Mm/(Di3Pa)0.0035管程压力下的法兰力矩系数MpMp=4Mp/（Di3Pa）0.0056法兰力矩折减系数M1M1=m1/2K（Q+G3）0.0087管板边缘力矩系数MM= Mm+MM1 0.0068管板边缘剪切系数vv= M0.09129管板总弯矩系数mm=（m1+vm2）/（1+v）0.7410系数G1G1=maxGle，Gli0.16311壳体法兰力矩系数MwsMws=Mm-MfM10.002712管板径向应力系数rr=0.00513管板的径向应力rMPar=rPa（/）（Di/）242.461.5tr14管板布管区周边外径向的应力系数rr=3（1+v）m/4K（Q+G2）0.00515管板布管区周边外径向的应力rMPar=rPa（/）（Di/）21-K/m+K2（1.414-m）/2m72.51.5tr16管板布管区周边剪切应力系数pp=（1+v）/4（Q+G2）0.03217管板布管区周边的剪切应力pMPap=p Pa（/）（Dt/）20.770.5tr18法兰的外径与内径之比KK=D0/Di1.1619系数YGB150-1998表9-513.1520壳体法兰应力fMPaf=/4YMwsPa（Di/f）294.681.5tr21换热管的轴向应力tMPat=Pc-Pa-125.4cr22壳程圆筒的轴向应力cMPac=A/AsPa75.9823一根换热管管壁金属的横界面积amm2A=na/n176.624换热管与管板连接的拉托应力qMPaQ=ta/dl-47.15tr3.6.2只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0，并且计入膨胀变形差序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1壳程圆筒材料线膨胀系数as1/GB150-199811.6210-62换热管材料线膨胀系数at1/GB150-199810.8810-63换热管与壳程圆筒的膨胀变形差Rr=at（tt-t0）-as（ts-t0）927.410-64沿长度平均的壳程圆筒金属温度ts工艺给定905沿长度平均的换热管金属温度tt工艺给定1806制造环境温度t0207当量压力组合PcMPaPc=Ps-Pt(1+)1.878有效压力组合PaMPaPa=sPs-t+rEt39.49基本法兰力矩系数MmMm=4Mm/（Di3Pa）0.00310管程压力下的法兰力矩系数MpMp=4Mp/（Di3Pa）0.00511管板边缘力矩系数MM= Mm+MM10.00612管板边缘剪切系数Vv= M0.091213管程总弯矩系数Mm=（m1+vm2）/（1+v）0.7414系数G1G1=maxGLe，GLe0.16315壳体法兰力矩系数MwsMws=Mm-MfM10.00316管板径向应力系数（r）（r）=（1+v）G1/4（Q+G2）0.00517管板的径向应力rMPar=（r）Pa（/）（Di/）242.463tr18管板布管区周边外径向的应力系数（r）（r）=3（1+v）m/4K（Q