处理量1500kgh煤油冷却器的设计
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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138℃，出口温度40℃、压力为 ，流量为 。采用Φ25×2.5的无缝钢管换热，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: 冷凝器; 强度设计; 结构设计
Abstract
The condenser is the use of a wide range of a kind of chemical equipment, belongs to a kind of heat exchanges. This design task is mainly according to the known condition selection using fixed tube plate heat exchanges design, the advantage of fixed tube plate heat exchanges is forgings used less, low cost; Heat transfer area is from 20% to 30% larger than the floating head heat exchanges and the bypass seepage is small.
This primary finish is kerosene-water heat exchanges, the heat exchange between the first according to the given temperature and design pressure to determine the structure of device and the shell side and tube side of the material, then according to the material properties and the heat transfer area to determine the heat exchange tube material, size, the main design parameters of this design is: in the medium passes into water, heating temperature of 30℃ to 42℃, working pressure and flow for shell side medium for kerosene, inlet temperature of 1380 c, outlet temperature 40℃, pressure, flow rate is zero. Using Φ25*2.5 seamless steel tube heat exchanges, and according to the arrangement of heat exchange tube to determine cylinder diameter and length, and the choice of the baffle plate. through the container inner diameter and the internal and external pressure calculation to determine the thickness of the shell and head and intensity. and then to various components of the heat exchanges strength design of the parts and components have the choice of the flange and design calculation and checking, hook ring, and the calculation in the design of floating head flange and the checking and calculation of the force of tube pulled off. Includes the structure design of tube sheet, prevent the impact damper, the design of the track structure and support design. The structure design of standard parts can be reference to national standards according to the design conditions of direct selection; After non standard parts, design the structure must be corresponding stress checking.
Tube plate and the heat exchange tube connections for welding, because of the stress of the tube plate more, and the internal and external temperature have certain difference, therefore, check is a key for the tubeless intensity, is also a difficulty.
Key words: Condenser; Strength design; The structure design
目 录
第一章 换热器的概述 1
1.1 课题研究的目的 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 本课题在国内外的研究现状 2
1.4 设计标准 3
第二章 工艺条件的选择及设计方案 4
2.1 设计方案的拟定 4
2.2 温度 4
2.3 流动方式的选择 4
2.4 流速的选择 5
2.5 允许压降 5
2.6 材料的选择 5
第三章 换热器的工艺计算 6
3.1 确定冷热流体的物性参数 6
3.2 计算换热器的热负荷Q 6
3.3 冷却水的用量 7
3.4 平均温差的计算 7
3.5 选择传热系数初算传热面积 8
3.6 管子选择和管数的确定 9
3.6.1 管子的选择 9
3.6.2 管子的选择 9
3.7 平均温差的校正及壳程数 10
3.8 管子排列方式和管间距的确定 10
3.8.1 管子排列方式 10
3.8.2 管心距 11
3.9 壳程内径的确定 11
3.10 确定总传热系数 12
3.10.1 管程换热系数的确定 12
3.10.2 壳程侧换热系数的确定 12
3.11 流体压降的计算 14
3.11.1 管程压降的计算 14
3.11.2 壳程压降的计算 15
3.11.3 污垢热阻和管壁热阻 16
3.12 壳体壁温的计算 16
3.12.1 流体平均温度的确定 16
3.12.2 壳体壁温的确定 17
3.12.3 换热管壁温的确定 17
第四章 换热器的结构设计 19
4.1 管子与管板的连接 19
4.2 管板与壳体的连接 19
4.3 管板与分程隔板的连接 19
4.4 管板与法兰的连接 20
4.5 拉杆与管板的连接 21
4.6 折流板 21
4.7 流体进出口接管 24
4.7.1 煤油进出口 24
4.7.2 水的进出口 24
第五章 换热器元件强度和刚度的计算 25
5.1 壳体设计及校核 25
5.1.1 设计参数的确定 25
5.1.2 强度计算 25
5.1.3 壳体的水压试验 26
5.2 封头 26
5.2.1 种类和参数的确定 26
5.2.2 强度计算 26
5.2.3 封头直边高度 27
5.3 管箱 28
5.3.1 强度计算 28
5.3.2 管箱的水压试验 28
5.4 管子与管板的拉脱应力 29
5.5 计算是否安装膨胀节 29
5.5.1 管、壳壁温差所产生的轴向力 29
5.5.2 压力作用于壳体上的轴向力 30
5.5.3 压力作用于管子上的轴向力 30
5.6 接管开口补强的计算 31
第六章 其他辅助结构及标准件的选用 34
6.1 接管法兰及密封面形式 34
6.2 座的选择 34
6.2.1 换热器总质量的计算 34
6.2.2 鞍座的尺寸及结构选择 35
6.3 吊耳 36
6.4 法兰螺栓规格 36
6.5 拉杆与定距管 36
6.6 缓冲挡板 36
6.7 焊条的选择及焊接形式 37
6.8设计结果表 39
结论 40
参考文献 42
附录 44
致谢 46
第一章 换热器的概述
1.1 课题研究的目的
换热器是石油、化工、食品、核能和其他化工部门广泛使用的一种工艺设备。一般换热器占石油化工设备总量的40%,其中以管壳式换热器为主要换热器,因此,研究和开发壳管式换热器和标准制定收到各个国家的注意。如美国的TEMA和日本的JISB8249就是管壳式换热器的专用标准。
最近几年来,随着制造技术的不断进步与发展,强化传热元件的研发,使新型高效率的换热器的研究有了更大的发展,根据不同的工艺条件和不同的换热工况设计并制造了不同结构形式的新型换热器,并且已在化工、炼油、石化、制冷和制药等行业得到了广泛的应用和推广，并取得了较大的经济效益。
各种换热器的设计结构和设计思想都各有自己的特点和新颖之处。有的在于增强传热管和壳程传热,一些改进的管箱设计,一些专注于防止管板诱导振动,一些紧凑了设备结构、有的在于防腐蚀防垢。最先进要数Packing's板式换热器、螺旋折流板换热器,麻花扁管换热等
固定管板式换热器管板采用焊接方法和外壳连接固定。换热管为光管或低翅管等等。其结构简单,制造成本低,能得到壳体内径比较小,管程的样式可分为多种,壳程也可以使用纵向隔板分成多程,规格范围比较广,所以广泛应用于工程实践。
1.2 课题研究的意义
换热器是合理利用和现有节能新能源和开发新能源发展的关键设备。在当今世界,现有的能源主要是煤、石油、天然气和其他资源。有限的储量难以满足不断增长的工业和人们的生活,因此,合理使用现有的能源和开发新能源已成为一个研究课题。大部分的燃料生产的能量释放是通过换热设备,换热器的合理设计,提高性能将直接关系到现有能源的合理利用。现在能开发的新能源有,核能、太阳能、地热能等提供工业和生活使用,都是需要大量符合使用要求的格样式换热器。换热器的正确设置,设计合理,性能的改善对于能源的有效利用和发展具有十分重要的意义。
应用最广泛的换热设备是固定管板式换热器,它具有可靠性高、适应性广,所以被广泛应用于各种工业领域。尽管还有其他的新型换热器的挑战,但是,这样反过来也促进了自己本身的发展。在换热器的参数高,大规模发展的今天,管壳换热器仍占主导地位。
固定管板式换热器的结构简单,紧凑,能承受高压力、可靠性高、易于制造、处理能力强,成本比较低,可选择的材料广泛,方便清洗,能承受较高的工作压力和温度、管道损坏时容易堵塞管道或更换的优势,在温度高、压强大和大型换热器中,管壳式换热器具有绝对的优势,研究并且着重开发这种新型的换热器,对于未来工业的发展和经济增长具有重大意义。
1.3 本课题在国内外的研究现状
换热器是石油、化工、食品、核能和其他化学部门广泛使用的一种工艺设备,由于管壳式换热器具有适应性强,可靠性高,材料范围广等优势，所以被广泛应用。所以管壳式换热器的研究和发展一直在我们国家很受重视。在国防工业技术的发展,近年来我国进行了大量的研究来增强传热器技术。主要提高换热器性能方面的优势。比如，节能和增加效换热器是石油、化工、食品、核能和其他化学部门广泛使用的一种工艺设备。换热器设率,提高传热效率,减少传热面积降低压降,提高设备热强度等方面取得了举世瞩目的成就。但在新高效换热器的开发方面与国外差距仍很大,和实际的推广和应用新型高效换热器仍非常有限。还有待专业技术人员在从事换热器制造过程中更加努力专研,使我国换热器从各个方面赶上国际先进技术,还需要使用换热设备制造商引入和推广高效换热器,为中国节能做出贡献。
国外换热器的市场调查,据统计,在换热器中使用现代化学工业的投资约占设备总投资的30%在炼油厂换热器占总工艺设备的40%、海水淡化设备几乎完全是由热交换器。早在70年代,世界各地的能源危机,大力促进传热强化技术的发展。为了节约能源,减少消耗,提高工业生产的经济效益,开发适用于各种工业过程高效换热设备的需求。所以,几十年来,高效换热器的研究和发展一直是关注的主题,推出了一系列国内外新型高效换热器。尽管各种板式换热器的竞争力在上升,但是管壳换热器仍占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。
1.4 设计标准
(1) 中华人民共和国机械标准JB1145-73《列管式固定管板热交换器》
(2) 中华人民共和国国家标准GB151-89《钢制管壳式换热器》
(3) 中华人民共和国机械标准JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》
(4) HG/T20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》
致谢
首先，特别感谢指导老师，她在百忙中抽出时间对我细心的指导，在规定时间完成此次毕业设计。她严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风让我对其非常钦佩，是我今后工作和学习中的榜样。其次，感谢学院其他各位老师，我在设计中所运用的知识全部都是他们精心传授的，是他们帮助我完成大学四年的学业，而且，每位老师雷厉风行的实干精神、坦坦荡荡的做人原则更使我获得了宝贵的精神财富。在此，谨向各位老师表示最诚挚的谢意。
最后，感谢我的同窗好友，在设计过程中我们一起查资料，遇到问题一起解决，完成老师交给的任务。在四年的大学生活中，他们每个人都曾给予我真诚的关心和帮助，我们建立起深厚的友谊。对此，我将终生铭记。
结论
经过连续三周紧锣密鼓的奋战，化工原理课程设计终于告一段落。
经过这次化工原理课程设计，我充分认识到以下几点：
(1) 实践来自理论，又高于理论
这次专业性较强的课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好，没有落实到实处，是远远不够的。换热器的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节，我觉得这是最大的一个挑战。
(2) 化工制图，要一丝不苟
初次见到往届学生的课程设计所绘的图纸，我感到很震惊！那么大的一个图，还要仔细标注每一个细枝末节，还要有很多的剖开或放大的局部零件，这得需要多大的工作量啊！当我落实到图纸上的时候，我再一次遇到挫折感，零件尺寸的确定、绘制的简洁美观、局部细节的准确性，还有眼力、笔力、精力的多重考验，真的，既是体力活，又是脑力活啊。当我看到参考书上的准确、美观的设计图的时候，我总会告诉自己：化工制图，一丝不苟。
(3) 图书馆的作用大，在资料的海洋里不再害怕
课程设计动员会一结束，我就跑到本部图书馆，借了三本超厚的换热器的设计相关的图书，当我把它们塞进书包的时候，我很担心：我啥时候能把这么厚的书给翻完呢？
没想到啊没想到，最后不仅看完了这三本里和设计相关的部分，而且还抢着看了其他同学借的好几本书。当我完成报告，再回头看我看过的书的时候，一种成就感油然而生。图书馆的作用大，在资料的海洋中不再害怕。
(4) 实践报告，计算、打字都很辛苦
这次实践报告，统一要求用电子稿打印装订。这对没有电脑的我来说，实在又是一个挑战，不仅仅是硬件条件的缺乏，更是打字熟练程度的限制让我痛苦不堪。我连续一周跑到电子阅览室，将做好的草稿，输入word文档。还记得第一天回寝室的时候，我的手指好累，脑子也很乏很困，这考验忒大了点。
(5) 老师指导，团队合作，是胜利的催化剂。
课程设计的前、中、后，指导老师多次给我们释疑答惑，多次给我们的画图和设计做出指导。特别是教师节的那一天，汤芳丽老师还花了一个上午的时间给我们解决问题，同学们虽然口头上没说什么，但是心里挺感动的，感谢老师。
还有一点我觉得非常重要，那便是团队合作。起初，老师布置班级的同学分为若干个组，然后携手完成，我们起先不理解老师为何这样安排，于是就各自为战。但是，设计过程中，遇到的一些来不及问老师的小疑问，经同学间的相互点醒和帮助，真的是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。于是，我觉得，那句老生常谈还是有道理的：团结就是力量。
这次课程设计真的收获良多。
参考文献
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