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煤油冷却器的设计【含CAD图纸、说明书】,含CAD图纸、说明书,煤油,冷却器,设计,CAD,图纸,说明书
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毕业设计（论文）任务书过程装备与控制工程 专业 毕业设计（论文）题目：煤油冷却器的设计（处理量3500kg/h） 毕业设计（论文）内容：设计说明书一份； 绘制装配图A0号图1张， 绘制零件图（折合两张A0号图）。毕业设计（论文）专题部分： 固定管板式换热器 起止时间： 年3月1日 年5月23日指导教师： 2016年 3月 1 日本科毕业设计 题 目： 煤油冷却器的设计 (处理量3500kg/h) 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 年5 月23日论文答辩日期： 年6 月 6 日 毕业论文文献综述煤油冷却器的设计文献综述一、引言冷却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。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。二、换热器概况换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。管式换热器中由于管束和壳体结构的不同，可划分为固定管板式，浮头式，填料函式，U形管式和釜式重沸器五类。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈或膨胀节。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器型式有卧式，与立式两种。主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。固定管板式换热器适用于石油、化学工业、电力等行业，也运用于其他行业类似的换热器。型式由气-气、气-液，液-液和气相冷凝过程。换热管可用光管也可用螺纹管。换热器的主要构件有：管箱、接管法兰、设备法兰、管板、壳程接管、拉杆、膨胀节、壳体、换热管、排气管、吊耳、封头、顶丝、双头螺柱、螺母、垫片、防冲板、折流板或支撑板、定距管、拉杆螺母、支座、排液管、管箱壳体、管程接管、分程隔板、管箱盖等。板壳式换热器是目前国际上先进的高效、节能型换热设备。板壳式换热器采用波纹板片做为传热元件，板束板片间采用先进的专用程控自动氩弧焊焊机进行焊接，全焊接式板束装在压力壳内。波纹板片具有“静搅拌”作用，能在很低的雷诺数下形成湍流，传热效率是管壳式换热器的23倍。板壳式换热器可实现真正的“纯逆流”换热，与管壳式换热器相比,冷端及热端温差小,可以多回收热量,从而可大大节约装置的操作费用。板壳式换热器板束装在压力壳内,提高了安全可靠性,与管壳式换热器一样,除了受压力容器设计级别限制外,板壳式换热器的使用压力没有绝对的限制。因此,板壳式换热器既具有传热效率高、结构紧凑、重量轻的优点,同时又继承了管壳式换热器承高压及耐高温,密封性能好,安全可靠等优点。三、换热器的发展及应用换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。1、换热器的发展近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在既定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。对换热器的基本要求是换热器要满足换热要求，即达到需求的换热量和热媒温度；换热器的热损失要少，换热效率要高；流动阻力要小；要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少；结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂；要便于制造、安装和检修；经济上要合理，设备全寿命期的总投资要少（总投资包括设备及附属装置初投资费用和运行维护管理费用）；生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满足，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对换热器的主要要求。2、换热器的作用换热器的作用就是换热，具体地说，更高效，更节能的换热器。比如，用更少的金属材料达到最好的换热效果。 在很多工业和民用设备中，需要高效的换热，这时需要结合工作情况，合理选择材料、布置形式、换热方式等，即换热器的设计。一般的说，优秀的换热器有以下特点：换热效率高，本身热阻小，热惯性低，灵敏，节省材料和空间，节省动力，流动阻力小，噪音低等。四、总结 通过一个多月的努力，我终于在汤方丽老师和同学的帮助下完成了本次毕业设计煤油冷却器的设计。通过对已知条件的分析，采用了固定管板式换热器的结构。本次煤油冷却器是利用冷却水对煤油进行冷凝。换热器通过换热管使管内外介质进行热力交换达到冷凝效果。通过对筒体和封头的校核来保证换热器的安全性。由于需要介质的进出，所以壳体上有很多开孔，必须对开孔进行补强计算，通过计算确定筒体上的开孔需要另行补强，选择了补强圈补强法。换热管需要利用折流板和支撑板对其起支撑作用。这次设计，用到了大学四年来所学的很多知识，几乎是把大学所学复习了一遍。通过这次设计，我提高了分析查阅的技巧，提高了理论计算和绘图能力。由于毕业设计比较重要和严格。培养了我严肃认真的科学态度和严谨的学风作风。今后我会继续努力，为我们这个换热器行业贡献自己的一份力量。五、参考文献1国家技术监督局.GB151-1999 管壳式换热器.北京：中国标准出版社，19992国家技术监督局.GB150-2011 钢制压力容器.北京：中国标准出版社，20113柴诚敬，王军，张缨.化工原理课程设计.天津大学化工学院，2011 4曲文海，董大勤，袁凤隐.压力容器与化工设备实用手册（上、下册）.北京：化学工业出版社，2003，35杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础.北京：高等教育出版社6国家技术监督局.容器支座压力容器法兰.北京：中国标准出版社，1998，57郑津洋.过程设备设计.北京：化学工业出版社，20108夏清等. 化工原理（上册）. 天津：天津大学出版社，20059郑津洋. 过程设备设计. 北京：化学工业出版社，200510刘朝儒. 机械制图. 北京：高等教育出版社，200111换热器设计手册 钱颂文主编 化学工业出版社12 JB 4730-2005 压力容器无损检测4摘要 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,固定管板式换热器的优点是锻造用量少，成本低;传热面积比浮头热交换器小20至30小，旁通流大。 本台换热器主要完成的是煤油-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，本次设计的主要设计参数为：管程介质为水，温度由30加热到42 ，工作压力，流量为 ，壳程介质为煤油，入口温度1380C，出口温度40、压力为，流量为。，传热面积为22.38，采用252.54500的无缝钢管换热，则可计算出58根换热管，D=325mm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、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： 冷凝器； 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 kerosene 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.The main design parameters of this design are: tube medium is water temperature from 30 heated to 42 , working pressure, flow, shell medium kerosene inlet temperature 138, outlet temperature 40 , pressure flow rate . A heat transfer area 22.38, seamless steel pipe heat exchanger 25 2.5 4500, you can calculate the heat transfer tubes 58, D = 325mm cylinder is determined based on the number of heat transfer tubes of the heat transfer tubes are arranged and the heat transfer tubes according to the arrangement and to determine the length and diameter of the cylinder baffles choice. And to determine the thickness of the shell head and the inner diameter of the container by calculation of internal pressure. Then in the heat exchanger design strength member flange design, selecting the various components and calculated the strength verification and inspection, inspection and pull shackle and floating head flange design calculations and piping De-force calculations. 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.Key words: heat exchanger； strength design； structure design 目 录 第一章绪论 1 1.1 换热器的重要性及意义 11.2 换热器的研究现状及其发展趋势 1 1.2.1 国内的研究现状 11.2.2 国外的研究现状 21.3 换热器的发展趋势 31.3.1 换热器强化传热技术的发展 31.3.2大型化及能耗研究 31.3.3 材料的研究 31.3.4 腐蚀的研究 31.4 换热器的种类 41.5工艺流程 5第二章传统工艺计算 62.1 设计任务与条件 62.2 换热器类型的确定 72.3 计算换热器的热负荷Q 72.4 冷却水用量 72.5 平均温差的计算 82.6 初算传热面积 82.7 管子选择和管数的确定 92.8 平均传热温差校正及壳程数 102.9 管子排列方式和管间距的确定 102.9.1 管子排列方式 102.9.2 换热管中心距的确定 112.10 壳程内径的确定 122.11 折流板的选择及间距确定 122.12 确定总传热系数K 122.12.1管程换热热系数的确定 132.12.2 壳程侧换热系数的确定132.12.3 计算传热面积 142.13 流体压降的计算 152.13.1 管程压降的计算 152.13.2 壳程压降的计算 162.13.3 壁温核算 16第三章结构设计及强度校核 183.1 换热器的整体结构 183.2 筒体的结构设计及校核 183 .2.1 筒体内径的确定 183.2.2 筒体厚度的确定 193.2.3 筒体水压试验 193.3 封头形式的选择 203.3.1 封头厚度的确定 203.3.2 封头的水压试验 213.4 管箱的设计及校核 213.4.1 管箱简介 213.4.2 短节的设计及校核 213.4.3 管箱水压试验 223.5 管箱法兰的选择 233.5.1 各管孔接管及其法兰的选择 233.6管板的结构图 263.7 连接设计 273.7.1 连接简介 273.7.2 管板与壳体和管箱的连接结构 273.7.3 管板与壳体和管箱的连接结构图 273.7.4 管板与换热管的连接的结构确定 273.8 换热器的热补偿 293.8.1 管程和壳程的压应力 293.8.2 壳体和管子截面积 293.8.3 管程和课程的压应力 303.8.4 管程和壳程的温差应力及补偿措施 303.8.5 拉脱应力 323.8.6 判断是否需要热补偿 333.9 接管的设计 343.9.1 接管材料的选择 343.9.2 管程接管直径 343.9.3 管程接管厚度 353.9.4 壳程接管直径 353.9.5 壳程接管厚度 353.10 开孔的判定 36第四章附件的选择 384.1鞍座的选择 384.1.1 换热器总质量的计算 384.1.2 鞍座的尺寸及结构选择 414.2 分程隔板选择 414.3 折流板 424.4 拉杆 424.4.1 拉杆的选择 424.4.2 拉杆的形式 434.5 定距管 434.6 法兰螺栓规格 434.7 设计结果表汇 44参考文献 45致谢 46第一章 绪论1.1 换热器的重要性及意义 换热器的发展历史，已在许多领域被广泛应用于国民经济的近一个世纪。80年代以来，由于不断改进制造技术，先进的材料科学技术和传热学理论的研究，设计和能源相关的热交换器关注日益引起人们的应用。特别是在最近几年，能源和材料成本的上升大大促进了节能热交换器的研究中，作为一种节能设备，换热器，不仅以确保过程不可缺少的设备的正常运行，并且金属消费，电力消费和投资，其份额已对整个项目的一大部分。据统计，在设备投资的所有投资的40左右热交换器。因此，能源，材料和观点省钱角度，如何选择高效换热器是不可避免的面临的每一个工程设计的问题。目前，节能减排已成为中国“十二五”的重要战略举措。期间，高效节能换热器研究已成为地下换热器研究领域的一个热点。1.2 换热器的研究现状及其发展趋势11.2.1 国内的研究现状 我国的换热器产品在一些重要领域取得了突破性进展，但基础研究换热器技术仍然薄弱。与国外先进水平相比，中国的换热器行业最大的研究，技术差距上热交换产品基本原理的研究，特别是缺乏物理数据介质，缺乏流场，温度场，流动情况等研究工作。 在换热器制造，中国仍然是模仿，虽然制造小的差距的整体水平，但在加工和模具压板的水平仍有一定差距，与发达国家。 在标准的换热器的设计和技术的设计标准相对滞后。目前，最大的产品直径的标准管壳式换热器被限制在2.5米，并与大型石化领域的要求，目前的管壳式换热器的直径为4.5米或5米，超出标准范围热交换器设计的，因此，按照美国公司的热交换器的设计必须TEMA标准。 1.2.2 国外的研究现状 研制新的强化传热管： 加入扰动的管推进，为了提高与添加的捻，螺旋片，螺旋，涡流发生器的入口传热管翅片管，静态混合器等的传热效果。 扩大热传递表面。嵌入的表面传热片，以增加额外的热传递表面，并且改善的流体湍流。嵌入式翅片，不仅翅片管外，而且还翅片管内。鳍本身有各种各样的类型，日立电线株式会社最近呈现锯齿状翼片的外表面，它在滴冷凝侧相信，较光滑管下部或翅片这些尖头管更有效，残留在管内的膜保持薄和热阻非常低，所以传热效率高。 促进原有传热表面的性能。使用永久的表面处理方法，以提高原始性能的传热面。如蒸汽冷凝，利用永久覆盖层的热传递表面，沸腾的条件下，用于冷凝和沸腾的条件适用使用多孔覆盖层的，使用有纹理的或成形表面。 增强热传递的激励。使用一个静电场，得到振动法或流体的传热面，以增强热传递。根据研究的结果J.L.Galner。等，并在广泛的实验，与该脉动的传热系数的增加，最大增强在过渡流区域中观察到。 壳程传热及流动的研究：矛盾壳管式换热器，很长一段时间，有一个壳传热效率和压降和流动引起的振动所造成的壳热交换器管振动的问题。美国飞利浦公司开发出了折流杆换热器专利技术，三井造船在1978年引进的链接，而不是挡板的新技术。 新型材料换热器的研究：近年来，为了应对高腐蚀性媒体，研究和开发新材料迅速促进热量的应用，尤其是氟塑料热交换器和帝国系统和其它更突出。 当一家英国公司最近做了一个玻璃换热器，有158管，5000气体处理能力过20万计“/500最高工作温度。 电子计算机在换热登中的应用：目前使用的计算机进行换热器的设计，受到了广泛的重视和发展。在这方面，美国的迅速发展，他们已经开发了多种计算机程序设计，所有的组件可以按照美国使用和英国的规范进行设计的管壳式换热器，并进行优化设计，寻求最轻和最低-cost组件。1.3 换热器的发展趋势21.3.1 换热器强化传热技术的发展 可以很好的改善强化传热技术的传热性能是一种节能技术。由于不同情况下的传热流体因素，外壳的探索强化传热必须与加强的优化组合通管，这就是后来的强化传热技术的发展趋势。 在工业生产中的地位和不同的换热器的作用，换热器型多样，不是同一类型的换热器也是不同的优点和缺点，它的性能也有很大不同。管式换热器有很长的历史，并在同行业是最典型的管壳式换热器，迄今仍然是所有的热交换器的占主导地位。1.3.2 大型化及能耗研究 与大型设备和大，超过5m的直径大得多的热交换器，每单位面积的传热面积将达到1000平方米，紧凑式换热器将越来越普及。随着水资源的全球性短缺，新媒体将取代循环冷却水，循环水将被新的，高效的冷空气所取代。在保温技术的发展，热损失将降低到目前的50或以下。1.3.3 材料的研究强度高，制造工艺简单，良好的防腐蚀性，重量轻，将材料的未来发展方向，具有使用多种稀有金属贵金属价格下跌，钛，锆等量将逐步扩大，铬钼钢将实现发展无需预热和后加热的方向。1.3.4 腐蚀的研究 在节能，能效要求的发展形式，污物将是国家科研的重视和投入，通过污染的增长速度的研究，影响因素的形成机理，研究人员能够通过预测污垢曲线，它的热量控制结构转换效率提高一定的突破。保证装置能耗低，经常跑循环，超声波洗牙技术将得到大力发展。腐蚀技术将会有所突破，低成本的防腐涂层的金属防腐蚀涂料技术的金属防腐蚀涂料技术将得到发展，电化学腐蚀技术将成为主导。1.4换热器的种类按热传递原理或传热方式进行分类：直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器、中间载热体式换热器如表1-1所示3。 表1-1 传热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构适用管壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高场合，壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洁带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式高温、高压的场合对于管的内外壳都能够承受U型管式管内清洗和检修麻烦填料函式外填料函填充容易漏水，下面适用于4MPa的不适挥发，易爆，有毒介质内填料函因为密封性能差，所以用在压力差小的场地釜式它可以处理脏，易结垢的媒体，能承受高温，高压（没有温度应力）双套管式一般用于高温，高压，小流量流体和所需传热面积不大的场合 套管式适应广，传热面弹性大，两侧流体均可提高流速，两侧传热系数高螺旋管式沉浸式结构简单，成本低，操作灵敏度，管道可承受较高的压力流体介质喷淋式管的流体的传热系数大，便于维修和清洁板面式板式传热效率高，结构紧凑，灵活，易于清洁和维护，能精确控制热交换器的温度螺旋板式换热面积，传热效率高，易于制造，材料利用率高本身冲刷易结垢，温差小伞板式低成本的，稳定的结构，便于在板之间密封，易于耐洗板壳式压降小，结构紧凑，传热单位体积内包含了管道的70壳式换热器焊接增加技术要求高的区域混合式应用于换热流体之间的直接接触蓄热式换热的过程分阶段交替进行，应用在从高温炉气中回收热能的场合1.5工艺流程53 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算第二章 传统工艺计算2.1 设计任务与条件介质原始数据如表2-1所示。 表2-1换热器的已知工艺参数 参数（Kg/h ） （ ） (mpa ) 进口 出口 水（管程）煤油（壳程） 30 42 1.6 3500 138 40 2 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2.2 换热器类型的确定 煤油的定性的温度 冷却水的定性温度 两流体的定性温度差为 确定物性参数查化学化工物性参数手册得平均温度下水的物性参数如下： 表2-2 水的物性参数 （） （ （kJ/kg)/（Pas) 查煤油平均温度下的物性参数如下: 表2-3 煤油的物性参数 (0C) （kJ/kg)/（mPas）（W/m） 2.3 计算换热器的热负荷Q 确定煤油的热流量4 =222000（w/.) （2-1）2.4 冷却水用量 根据热量平衡，可得到冷却水吸收热流量Q与的关系如下： 式中：-损失的热量根据本流程的实际情况，因此忽略换热量的流量损失，取。则 则根据 （2-2） 得 2.5 平均温差的计算 逆流时的对数平均温差 煤油：13840 水： 4230 （2-3） 式中： 2.6 初算传热面积 根据低温流体为冷却水，高温流体为煤油，所以总传热系数K的范围为（250-600） 假设K的取值300w/(.) 计算传热面积： （2-4） 考虑到15的面积裕度，则 2.7 管子选择和管数的确定 已知两流体两流体煤油和水允许压强降不大于1.6MPa,2MPa；我们初步选用252.5的无缝钢管。 表2-4 管子内内的流速范围 流体种类流速/（m/s）管程壳程冷却水13.50.51.5一般液体(黏度不高)0.53.00.21.5低黏油0.81.80.41.0高黏油0.51.50.30.8 管子内径： 管内流速取：,则管数为： 可取换热管根数为29根 则按单程换热器所需的管长为 （2-5）因为按单程计算得到的管子长度太长，故选择单管程换热器不正确，所以选用多管程的换热器。取管长为标准管长L=4.5m,则管程数 取整为程 总管子数 （2-6）2.8 平均传热温差校正及壳程数 按照平均传热温差校正系数公式有： 式中： 煤油的进出口温度，； 自来水的进出口温度，； 由化工原理王国胜主编查图4-21得，0.8,故采用单壳程。 （2-7） 因此，校正后的平均传热温差为34.98，壳程数为单程，管程数为2。2.9 管子排列方式和管间距的确定 2.9.1 管子排列方式 管子排列应根据清洗和整体结构的确定。同时，在壳体内尽可能多的装入管子，换热管在管板上的排列方式常用的有正三角形、转角正三角形、正四边形、转角正四边形以及同心圆排列以下五种基本形式。如图2-1所示。图2.1 管子排列方式 因为在同一个管板区域可以被布置在相对大量管，所以等边三角形布置的最常见的形式，但难以清洁的管的外侧，该管被设计成冷凝水，堵塞，无需清洗。与方形，较高的传热系数相比较，可以节省管板面积的约15，并且容易划刻和钻井管板。因此，这样的设计使用了一个等边三角形布置。2.9.2 换热管中心距的确定一般换热管的中心距大于等于1.25倍的管外径最为合适，常用的换热管中心距，如表2-5 表2-5 换热管中心距换热管外径换热管中心距s1314161922252628323840444857647072分隔板板槽两侧相邻管中心距lE28303235384042445052566068767880 则管心距=32mm 按正三角形排列，横过管束中心点的管数 2.10 壳程内径的确定 则壳体内径: (2-8) 圆整为:=0.325m2.11 折流板的选择及间距确定 折流板选择弓形折流板: 弓形折流板的弓高: h=0.2Di=0.2*0.325=81.25m 折流板间距: 折流板数量: 2.12 确定总传热系数K 总传热系数的值见表2-6，选择时，一般除要考虑流体的物性和操作条件外，在就要考虑换热器的类型。 表2-6 总传热系数的选择管程壳程总传热系数/W/（m3）水（流速为）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物0.5mPas中有机物=mPas重有机物1mPas水（流速为1m/s）水水溶液2mPas水溶液2mPas有机物0.5mPas有机物=0.51mPas有机物1mPas水水水水水水水水水（流速为m/s）水（流速较高时）轻有机物mPas中有机物=mPas重有机物mPas轻有机物0.5mPas有机溶剂=0.30.55mPas轻有机物0.5mPas中有机物=mPas重有机物1mPas水蒸气（有压力）冷凝水蒸气（常压或负压）冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝有机物蒸气及水蒸气冷凝重有机物蒸气（常压）冷凝重有机物蒸气（负压）冷凝饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝含饱和水蒸气的氯气（50）SO2冷凝NH3冷凝氟里昂冷凝58269881411634678142906981164672335821982332334651163495823323264652174534891163107158229085821193291582114349582116311634958174582116317434981411636989307562.12.1 管程换热热系数的确定5 流速 m/s 管程雷诺系数 (2-9) (2-10) =0.023 (2-11) = ()=93.84()=2956.9W/m22.12.2 壳程侧换热系数的确定的换热管的中心距。 则流体通过管间最大截面积为： （m2） （m） (湍流） 壳程煤油被冷却，取； =276（W/m2) 污垢热阻Rs1, Rs2: （m2/W) （m2/W) 在下面的公式中，以外管为基准，代入以上数据得： (2-12) =1(+0.000344+0.000172+) =352W/m22.12.3 计算传热面积 由上面所求的的计算数据，代入到下面的计算公式，计算实际传热面积F: （m2） 安全系数： % 在之间，所以设计合理 传热面积裕度： % 面积裕度在之间，所以该换热器能完成任务。2.13 流体压降的计算2.13.1 管程压降的计算 雷诺数 流动形式为湍流 由0.005 带入经验公式 可得=0.03238 管内的阻力损失为 Pa (2-13) 回弯阻力损失 Pa 则管程内总压降为：根据计算公式，即 （2-14） 式中：Ft结垢校正因数，量纲为一，本设计选用的是的换热管，。 故壳程的压降满足题目中的要求2.13.2 壳程压降的计算6 取折流挡板间距为 计算截面积 计算流速 m/s 雷诺数的计算 摩擦系数 (2-15) 管束的损失 缺口损失 则壳程损失 (2-16) 即壳程的压降也满足题意2.13.3 壁温核算 取两侧污垢热阻为零，计算传热管的壁厚，有 （2-17） 式中 则传热管壁温为 壳体壁温与壳程的平均温度相似，则可求 壳体壁温和传热管壁温之差为 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 结构设计及强度校核 第三章 结构设计及强度校核3.1 换热器的整体结构7 图3.1 换热器的整体结构3.2 筒体的结构设计及校核8表3-1 筒体的结构设计及校核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Nt根583管束中心排管根数Nc根84换热管外径mm255到壳体内壁最短距离b3mm86筒体内径Dimm3247实取筒体公称直径DimmJB/T4737-953258布管限定圆直径Dlmm3083 .2.1 筒体内径的确定93.2.2 筒体厚度的确定 表3-2 筒体内径和厚度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2.22筒体内径见三-83253筒体材料16MnR4设计温度下筒体材料的许用应力GB150-1998表4-1 钢板许用应力1235焊接接头系数0.856筒体计算厚度3.57腐蚀裕量28负偏差09设计厚度5.510名义厚度GB151-1999 项目5.3.2 表8611有效厚度412设计厚度下圆筒应力90.513校核14设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.53.2.3 筒体水压试验 表3-3 筒体水压试验 序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1实验压力2.752圆筒薄膜应力113.83校核=187.4Mpa 合格3.3 封头形式的选择 本设计选择椭圆形封头形式如图3.2图3.2 椭圆形封头3.3.1 封头厚度的确定 表3-4 封头厚度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3252计算压力2.23焊接接头系数0.854封头材料16Mn5设计温度下许用压力GB151-1999 项目5.3.2表4-11706标准椭圆封头计算厚度2.487腐蚀裕量18负偏差09设计厚度3.4810名义厚度GB151-1999 项目5.3.2611实取名义厚度612有效厚度513曲面高度JB/T4737-95续表115014直边高度JB/T4737-95续表12515内表面积AJB/T4737-95续表10.437416容积VJB/T4737-95续表10.035317质量mJB/T4737-95续表120.443.3.2 封头的水压试验 表3-5 封头的水压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1实验压力2.752圆筒薄膜应力65.23校核=263.9Mpa 合格3.4 管箱的设计及校核3.4.1 管箱简介管箱是在换热器的两端或一端，它是由封头、短节、法兰、分隔板（单管程没有）和管程介质的进出口接管构成。3.4.2 短节的设计及校核 表3-6 短节的设计及校核 序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力2.22管箱内径3253管箱材料16Mn4设计温度下许用应力GB150-19981705焊接接头系数0.856管箱计算厚度2.487腐蚀裕量18负偏差09设计厚度3.48810名义厚度GB151-1999 项目5.3.2611实取名义厚度612有效厚度513设计厚度下圆筒应力52.214校核 =144.5Mpa 合格15设计温度下圆筒的最大许用工作压力6.13.4.3 管箱水压试验 表3-7 管箱水压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1实验压力2.752圆筒薄膜应力65.23校核=263.9Mpa 合格3.5 管箱法兰的选择10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JB/T4703-20004903螺栓中心圆直径JB/T4703-20004504法兰公称直径JB/T4703-20003255法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4704-2000PN=2.5MPa7垫片材料石棉橡胶板片GB/T3985-19958垫片公称直径JB/T4704-20003259垫片外径JB/T4704-200040410垫片内径JB/T4704-200036011法兰厚度JB/T4704-20006812垫片厚度JB/T4704-2000313螺栓规格及数量M272363.5.1 各管孔接管及其法兰的选择11 接管a、d选择相同型号法兰，设水的流速 2.0m/s 根据公式取d=80mm设计压力为2.2MPa由钢制法兰、垫片、紧固件选择板式平焊法兰，公称压力为2.5MPa.。相关尺寸如下： A,D进出水口接管法兰的选择： 表3-8 各管孔接管及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接管公称直径DNHG20593-97表4-5802接管外径HG20593-97表4-5893法兰外径HG20593-97表4-51904螺栓中心圆直径KHG20593-97表4-51505螺栓孔直径HG20593-97表4-5186螺栓孔数量n个HG20593-97表4-547螺纹HG20593-97表4-5M168法兰厚度HG20593-97表4-5189法兰内径HG20593-97表4-59110坡口宽度HG20593-97表4-5811法兰理论重量表4-514.212法兰密封面形式HG20593-97RF13法兰密封面尺寸sHG20593-97表8.0.1614法兰密封面直径DHG20592-9730 B,E,煤油入口，出口接管法兰的选择，设煤油的流速,则 根据公式 d=m取d=200mm,取 设计压力为1.76MPa。由钢制法兰、垫片、紧固件选择板式平焊法兰，公称压力为2.5MPa由HG/T 2059220635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件选择板式平焊法兰(PL)，相关尺寸如下：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径HG/T 20592-2009表8.2.1-32002接管外径HG/T 20592-2009表8.2.1-32193法兰外径HG/T 20592-2009表8.2.1-33204螺栓中心圆直径KHG/T 20592-2009表8.2.1-32805螺栓孔直径HG/T 20592-2009表8.2.1-3186螺栓孔数量n个HG/T 20592-2009表8.2.1-387螺纹HG/T 20592-2009表8.2.1-3M168法兰厚度HG/T 20592-2009表8.2.1-3229法兰内径HG/T 20592-2009表8.2.1-322210法兰理论质量HG/T 20592-2009表D-320.211法兰密封面形式HG/T 20592-2009表3.2.1RF12法兰密封面尺寸mmHG/T 20592-2009表3.2.5-120C 温度计口序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径DNHG20593-97表4-3322接管外径HG20593-97表4-3383法兰外径DHG20593-97表4-31204螺栓中心圆直径KHG20593-97表4-3905螺栓孔直径LHG20593-97表4-3656螺栓孔数量n个HG20593-97表4-3117螺纹HG20593-97表4-3M108法兰厚度CHG20593-97表4-3129法兰内径HG20593-97表4-31510法兰理论重量kgHG20593-97表4-34.3111法兰密封面形式HG20593-97RF12法兰密封面尺寸HG20593-97表8.0.1343.6 管板的结构图12以下两个图为管板的结构尺寸简图。（如图3.3，图3.4）具体尺寸见大图。图3.3 管板结构图 图3.4 管板的结构图3.7 连接设计133.7.1 连接简介 管板的连接涉及到管板与壳体和管箱的连接结构，涉及到管板与换热管的连接方式的管孔结构3.7.2 管板与壳体和管箱的连接结构 法兰连接是管板与管箱之间采用的连接结构，固定管板式换热器一般采用延长部分兼作法兰的管板。管板直接焊在筒体上，在于管箱法兰连接的一面可采用不同的密封面。主要有平面密封面、榫槽密封、凹凸面密封，由于本设计管程即非高压也不是稀有流体所以采用较为经济方便的平面密封。3.7.3管板与壳体和管箱的连接结构图下图为管板与壳体和管箱的连接结构图简图（如图3.5），具体尺寸见图纸。 图3.5 管板与壳体和管箱的连接结构图3.7.4 管板与换热管的连接的结构确定 本设计通过以上的介绍综合分析采用强度焊接.下图（3.6）为选定强度焊的结构图。该图所示的换热管伸出管板表面，不论焊接接头的结构尺寸如何调整，焊缝的剪切面积不应低于换热管横截面积的1.25倍，即 式中 换热管外径，mm 焊缝高度，mm 换热管管壁金属的横截面，mm 图3.6 管板与换热管的连接结构图 本设计选择焊接尺寸根据表3-9 表3-9 焊接尺寸换热管141.5161.5192252.53834513换热管最小伸长量b1.01.52.5c2.02.53.5最小坡口深度a1.02.02.5 通过表4-2综合考虑选定焊缝高度为l=3.0mm、坡口深度为a=2.0mm、伸长量为c=3.0mm，b=2.0mm。 在通过判断 所以符合。3.8 换热器的热补偿143.8.1 管程和壳程的压应力轴向力是由压力引起的，因为壳程流体的压力作用于管板的净表面上，管程压力作用于封头和管截面在内的管板上。故有公式： （3-1） 式中 、壳侧设计压力、管侧设计压力；pa 、换热管内、外径，m n管子根数。 代入数据： =420935.06（N）3.8.2 壳体和管子截面积 壳体截面面积： （3-2） （m2） 单管截面面积： （m2） 管程总截面面积： （m2）3.8.3 管程和课程的压应力 上面算得的轴力由壳体和管子共同承受，因而壳体所受之力与管束所受之力的和应等于F1；又因为壳体与管子的应力分配与弹性模数成正比，故： 壳体应力 （3-3） 式中 、分别为壳程、管程材料的弹性模量，本设计材料相同，通过查表可知它们的值均为Mpa。 代入数据，可得： （Pa）=27（MPa） 管子应力 代入数据，可得： （Pa）=27（MPa）3.8.4 管程和壳程的温差应力及补偿措施153.8.4.1 温差应力的计算方法在计算固定管板式换热器的温差应力时，通常假定：管与管板没有发生弯曲变形，因此每个管遭受同样的应力; 以管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的计算温度。在上一章中已经算出固定管板换热器在工作时的管壁管壁温度，壳体壁温ts=89.5。管子的自由伸长量为 （3-4） 而壳体的自由伸长量为 式中 、分别为管子和壳体材料的线性膨胀系数，1/； 安装时的温度，。 由于管子与壳体不能独立地自由伸长，而只能共同伸长，因而当时，管子受到压缩，被压缩之长为（-）。而壳体受到拉伸，被拉伸之长为（-）。应用胡克定律，可分别求出管子所受的压缩力和壳体所受的拉伸力。显然，两个力应相等，即 （3-5） 式中 管子受到的压缩力和壳体所受的拉伸力。 将以上两式合并，经整理后可得： （3-6） 于是，管壁所受压应力为 （3-7）壳壁所受拉应力为 故有温差产生的轴向应力 （3-8） 3.8.4.2 确定温差应力 壳体温差应力： 代入数据: （MPa） 换热管温差应力： 代入数据：（MPa）3.8.4.3 确定轴向合力 在上一节的计算说明壳体受压缩，管子受拉伸。温差应力、方向是相反的，一个为拉应力，另一个为压应力，因此与、合成时，壳体膨胀量大于管子，则 壳体轴向合成应力 （MPa） 管子轴向合成应力 （MPa）3.8.5 拉脱应力 在压力和温差的共同作用下，则管子拉脱力为 （3-9） 式中 L焊接高度，m。 管子中所产生的应力。 取L=0.003m，代入数据得： 3.8.6 判断是否需要热补偿163.8.6.1 热补偿方法简介 一般情况下，当管子与壳体使用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于50时，就要考虑热补偿，以解决膨胀的差异。其措施主要是从工艺和结构两方面着手，可以采取的方法有： 减小管子与壳体的温差 由于壁温度总是接近流体的传热系数来发挥的温度，因此它可以通过壳体加热流体的传热系数，外壳时的温度比管束的温度低，绝缘壳体管可以减小外壳与之间的温度差。 采用膨胀节采用膨胀节的作用主要是补偿轴向位移，它的特点是受轴向力后容易变形，从而降低壳体和管子的温差应力。对于一台受内压的换热器，如果下列三个条件有一个不满足，就应设置膨胀节，即 ； （3-10） 式中 焊缝系数； 许用拉脱力当采用胀接法时，管端不卷边，管板孔不开槽胀接，；管端卷边，管板孔开槽胀接，。当采用焊接法时，。使管束和壳体均能自由膨胀 这种方法能较好地消除热应力，例如U形管式换热器、填料函式热交换器、浮头式热交换器均有这种作用。 弹性管板补偿 高温和热交换器管板，强度要求和减少热应力的要求是相互矛盾的压力，可以减少热应力的热侧和冷侧的管板小管板的厚度，但通过高压强度要求 限制。3.8.6.2 确定是否需要补强 本设计的壳壁与管壁的温差为38.1摄氏度小于50，通过上面的介绍可知一般不需要温差补偿。 通过应力分析 （MPa）； =163（MPa） （MPa） 所以可得出不需要设置膨胀节等补强措施。3.9 接管的设计3.9.1 接管材料的选择接管选择16Mn钢管。3.9.2 管程接管直径管程流通面积：通常取液体进口流速为u=1.5 （mm）3.9.3 管程接管厚度 管程接管的计算厚度 （3-11） （mm） 取腐蚀余量（mm） 设计厚度d：（mm）对于16Mn钢管负偏差（mm） (查表可知) ，因而可取名义厚度（mm）。查16Mn钢管的标准，选用的钢管管程接管的有效厚度： （mm）3.9.4 壳程接管直径 壳程的流通面积（m2），将进口流速提高一倍，则流通面积取一半。 查设计手册壳程接管直径选用； 解得：（mm）3.9.5 壳程接管厚度壳程接管的计算厚度 （mm） 取腐蚀余量（mm） 设计厚度：（mm）对于16Mn钢管负偏差（mm）(查表可知)，因而可取名义厚度（mm）。查16Mn钢管的标准，选用的钢管。壳程接管的有效厚度： （mm）3.10 开孔的判定17 孔（ 项目8.1） 表3-10 开孔的判定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管壁厚mm3.52接管外径mm3接管内径mm4开孔直径dmmd= di+2C475壳体开孔处的计算厚度mm=6接管名义厚度mm107接管有效厚度mm98设计温度下接管材料的许用应力9设计温度下壳体材料的许用应力 10强度削弱系数mm20.95311圆筒开孔所需补强面积mm138.8212补强有效宽度mm8513接管外侧有效补强高度 mmh1=min，21.714接管内侧有效补强高度mm015壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm299.116接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm217接管计算厚度tmm18焊缝金属截面积A3mm23619补强面积Aemm2246.4Ae Aa孔需要补强圈沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 附件的选择 第四章 附件的选择4.1 鞍座的选择4.1.1 换热器总质量的计算 壳体质量 壳体材料体积为： 壳体质量为： 壳体容积 壳体容积为： （4-1） 查文献得,EHB椭圆封头的数据如表4-1所示18。公称直径mm总深度内表面积容积 封头质量kg325880.1210.0053 3.88 表4-1 椭圆封头数据 管箱筒体质量 管箱筒体金属体积为： （4-2） 管箱筒体质量为： （4-3） 管箱容积 换热管质量 换热管金属体积为： 换热管质量为： 接管质量 物料进、出口接管质量 物料进、出口接管金属体积为： 物料进、出口接管质量为： 排气、排污接管质量 排气、排污接管金属体积为： 排气、排污接管质量为： 管板质量 根据化学工业出版社的文献，得管板的质量为： =38.38kg 装满水的质量 换热器总容积为： 装满水的质量为： 估算定距管、螺母螺栓等质量 估算拉杆定距管及螺母螺栓的质量为：m=100Kg 换热器最大载荷 设备装满水总质量设备装满水的总质量为： 总载荷 4.1.2 鞍座的尺寸及结构选择19 根据JB/T4712-92 鞍式支座，重型BI表(4-2）当DN=325mm 时，取鞍式支座的相关尺寸如下： 表4-2 鞍座的尺寸及结构序号项目符号单位数值1公称直径3252允许载荷KN593鞍座高度2004底板30012085腹板86筋板2901409687垫板3901606288螺栓间距2109带垫板鞍座质量kg1010包角12011型号重型F、S各一4.2 分程隔板选择 在管箱内安装分割板是为了将换热器的管程分为若干流程。流程的组织应注意每一个管程管束大致相等。分隔板的形状应力求简单。根据GB151-1999的规定，所采用的程数为1、2、4、6、8、10、12等七种程数。本设计程数为双管程20。分成隔板选用低合金钢16MnR,通过下表（表4-3）可查出分隔板的厚度： 表4-3 分隔板的最小厚度管箱的工称直径（mm）隔板的最小厚度碳钢及低合金钢高合金钢60086600 12001081200 20001410 查的，厚度为8mm4.3 折流板 在工艺计算时已经将折流板的基本尺寸已经算出部分，只差折流板的厚度及材料。折流板的间距为200mm 折流板管孔,有GB151-1999 表36 查得管孔直径为25.4mm,允许偏差 表4-3 折流板的数据序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1折流板的厚度mmGB151-1999 项目5.9.2-252折流板的直径mmGB151-1999 表413253折流板直径的允许偏差mmGB151-19994折流板的材料mmQ235-A5折流板的缺口高度mmGB151-1999 P73图206折流板的高mmGB151-1999P71 图120 4.4 拉杆4.4.1 拉杆的选择
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