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处理量3500kgh煤油冷却器的设计【7张CAD图纸+毕业论文】

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处理量3500kgh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Φ25×2.5×4500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 Φ25 × 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 1

1.2 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 1

1.2.2 国外的研究现状 2

1.3 换热器的发展趋势 3

1.3.1 换热器强化传热技术的发展 3

1.3.2大型化及能耗研究 3

1.3.3 材料的研究 3

1.3.4 腐蚀的研究 3

1.4 换热器的种类 4

1.5工艺流程 5

第二章传统工艺计算 6

2.1 设计任务与条件 6

2.2 换热器类型的确定 7

2.3 计算换热器的热负荷Q 7

2.4 冷却水用量 7

2.5 平均温差的计算 8

2.6 初算传热面积 8

2.7 管子选择和管数的确定 9

2.8 平均传热温差校正及壳程数 10

2.9 管子排列方式和管间距的确定 10

2.9.1 管子排列方式 10

2.9.2 换热管中心距的确定 11

2.10 壳程内径的确定 12

2.11 折流板的选择及间距确定 12

2.12 确定总传热系数K 12

2.12.1管程换热热系数的确定 13

2.12.2 壳程侧换热系数的确定 13

2.12.3 计算传热面积 14

2.13 流体压降的计算 15

2.13.1 管程压降的计算 15

2.13.2 壳程压降的计算 16

2.13.3 壁温核算 16

第三章结构设计及强度校核 18

3.1 换热器的整体结构 18

3.2 筒体的结构设计及校核 18

3 .2.1 筒体内径的确定 18

3.2.2 筒体厚度的确定 19

3.2.3 筒体水压试验 19

3.3 封头形式的选择 20

3.3.1 封头厚度的确定 20

3.3.2 封头的水压试验 21

3.4 管箱的设计及校核 21

3.4.1 管箱简介 21

3.4.2 短节的设计及校核 21

3.4.3 管箱水压试验 22

3.5 管箱法兰的选择 23

3.5.1 各管孔接管及其法兰的选择 23

3.6管板的结构图 26

3.7 连接设计 27

3.7.1 连接简介 27

3.7.2 管板与壳体和管箱的连接结构 27

3.7.3 管板与壳体和管箱的连接结构图 27

3.7.4 管板与换热管的连接的结构确定 27

3.8 换热器的热补偿 29

3.8.1 管程和壳程的压应力 29

3.8.2 壳体和管子截面积 29

3.8.3 管程和课程的压应力 30

3.8.4 管程和壳程的温差应力及补偿措施 30

3.8.5 拉脱应力 32

3.8.6 判断是否需要热补偿 33

3.9 接管的设计 34

3.9.1 接管材料的选择 34

3.9.2 管程接管直径 34

3.9.3 管程接管厚度 35

3.9.4 壳程接管直径 35

3.9.5 壳程接管厚度 35

3.10 开孔的判定 36

第四章附件的选择 38

4.1鞍座的选择 38

4.1.1 换热器总质量的计算 38

4.1.2 鞍座的尺寸及结构选择 41

4.2 分程隔板选择 41

4.3 折流板 42

4.4 拉杆 42

4.4.1 拉杆的选择 42

4.4.2 拉杆的形式 43

4.5 定距管 43

4.6 法兰螺栓规格 43

4.7 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[1]

1.2.1 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。 

参考文献

[1]Rajiv Mukherjee.Effectively designshell-and tube heatexchangers.CEP.94(2):21-37.

[2]Rajiv Mukherjee.Bwoaden your heat exchanger design skills.CEP.2005,40(3):35-47.

[3]郑津洋. 过程设备设计. 北京:化学工业出版社,2005:230-241.

[4]夏清等. 化工原理(上册). 天津:天津大学出版社,2005:40-90.

[5]王国胜 主编. 化工原理. 大连:大连理工大学出版社,2010:164-183.

[6]《换热器设计手册》 钱颂文主编 化学工业出版社:32-101.

[7]杨可桢,程光蕴,李仲生.机械设计基础.北京:高等教育出版社:34-65.

[8]国家技术监督局.GB151-1999 管壳式换热器.北京:中国标准出版社,1999:18.

[9]国家技术监督局.GB150-2011 钢制压力容器.北京:中国标准出版社,2011:12.

[10] JB/T 4700-4707-2000 《压力容器法兰》:95.

[11] HG 20592-20635-97《钢制管法兰、垫片、紧固件》:8-20.

[12]刘朝儒. 机械制图. 北京:高等教育出版社,2001:8-15.

[13] 《化工设备设计手册》边写组.材料与零部件(上册).上海:人民出版社,1973:64-101.

[14] JB 4730-2005 《压力容器无损检测》:23-56.

[15] 王者相,李庆炎,《钢制压力容器》GB150-98.北京:国家质量技术监督局, 1998.78-130.

[16] 《钢制化工容器材料选用规定》.北京:国家石油和化学工业局,1998:38-87.

[17]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,                  2003,3.

[18] 邹广华,刘强编著. 《过程设备设计》.北京:化学工业出版社,2003:45-65.

[19] JB/T 4712-92 《鞍式支座》:60-105.

[20]柴诚敬,王军,张缨.化工原理课程设计.天津大学化工学院,2011:12-86.                     

致谢

大学的生活虽然四年时间飞逝一眨眼的功夫,一切都将成为美好的回忆,思绪万千!学生的学习生涯最后一份答卷就是毕业设计也已经顺利完成,首先应该感谢的是我的老师。在这几个月里,一直对我的学习和设计严格要求、一丝不苟。我的进步都有导师们的辛勤汗水,寄托着导师们的希望。 很感谢老师在学习方面给了我关心和帮助,她严谨的态度和耐心的指导都深深地影响着我。在做毕业设计期间中遇到的困难、难点通过老师们的讲解都会了,在她的仔细讲解下,使我在困难取得了很大的成就,使我能及时摆脱不佳的学习状态,并且在完成毕业设计中增加了信心,让我学会了在面对困难时有着一颗不放弃的心。 

在此,我真诚的衷心的感谢我的老师们! 还有我的朋友们,是他们在我毕业设计期间给了我帮助,使我信心增加了百倍,顺利的完成了毕业设计等内容,在此对他们表示感谢。在这次毕业设计中我能克服各种困难,在炎热的夏天里充满了希望并且我能够更加灵活运用有关化工的知识,为以后的生活和实践中提供了丰富的经验。在即将离开母校踏上工作岗位的道路,真诚的祝愿科亚学院再创辉煌!

内容简介:
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: 论文答辩日期: 毕业设计(论文)任务书 过程装备与控制工程 专业 学生: 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 图 1 张, 绘制零件图(折合两张 图)。 毕业设计(论文)专题部分: 固定管板式换热器 起止时间: 2016 年 3 月 1 日 2016 年 5 月 23 日 指导教师: 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 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 ,流量为 500 ,壳程介质为煤油,入口温度 1380C,出口温度40 、压力为 流量为 500 。 ,传热面积为 ,采用25500的无缝钢管换热,则可计算出 58根换热管, D=325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 he is a of is to a of is to to of of is of 0% 0% a is is of to to of to of to of of is 0 2 , 38 , 0 , A , 25 4500, 8, D = 325mm is on of of to to of to of of by of in a of in be to be of of on is a a 目 录 第一章绪论 . 1 热 器的重要性及意义 . 1 热器的研究现状及其发展趋势 . 1 内的研究现状 . 1 外的研究现状 . 2 热器的发展趋势 . 3 热器强化传热技术的发展 . 3 . 3 料的研究 . 3 蚀的研究 . 3 热器的种类 . 4 . 5 第二章传统工艺计算 . 6 计任务与条件 . 6 热器类型的确定 . 7 算换热器的热负荷 Q . 7 却水用量 . 8 均温差的计算 . 8 算传热面积 . 8 子选择和管数的确定 . 9 均传热温差校正及壳程数 . 10 子排列方式和管间距的确定 . 10 子排列方式 . 10 热管中心距的确定 .程内径的确定 . 12 流板的选择及间距确定 . 12 定总传热系数 K . 12 . 13 程侧换热系数的确定 . 13 算传热面积 . 14 体压降的计算 . 15 程压降的计算 . 15 程压降的计算 . 16 温核算 . 16 第三章结构设计及强度校核 . 18 热器的整体结构 . 18 体的结构设计及校核 . 18 3 筒体内径的确定 . 19 体厚度的确定 . 19 体水压试验 . 19 头形式的选择 . 20 头厚度的确定 . 20 头的水压试验 . 21 箱的设计及校核 . 21 箱简介 . 21 节的设计及校核 . 22 箱水压试验 . 22 箱法兰的选择 . 23 管孔接管及其法兰的选择 . 24 . 26 接设计 . 27 接简介 . 27 板与壳体和管箱的连接结构 . 27 板与壳体和管箱的连接结构图 . 27 板与换热管的连接的结构确定 . 28 热器的热补偿 . 29 程和壳程的压应力 . 29 体和管子截面积 . 30 程和课程的压应力 . 30 程和壳程的温差应力及补偿措施 . 31 脱应力 . 33 断是否需要热补偿 . 33 管的设计 . 35 管材料的选择 . 35 程接管直径 . 35 程接管厚度 . 35 程接管直径 . 35 程接管厚度 . 36 孔的判定 . 36 第四章附件的选择 . 38 . 38 热器总质量的计算 . 38 座的尺寸及结构选择 . 40 程隔板选择 . 41 流板 . 42 杆 . 42 杆的选择 . 42 杆的形式 . 43 距管 . 43 兰螺栓规格 . 43 计结果表汇 . 44 参考文献 . 45 致谢 . 46 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 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。 热器的研究现状及其发展趋势 1 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 ,并与大型石化领域的要求,目前的管壳式换热器的直径为 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 准。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 2 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 ,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 件。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 3 热器的发展趋势 2 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。 型化及能耗研究 与大型设备和大,超过 5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。 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。 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。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 4 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示 3。 表 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 4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 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 5 艺流程 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 6 第二章 传统工艺计算 计任务与条件 介质原始数据如表 2示。 表 2 热器的已知工艺参数 参数 流量 ( Kg/h ) 温度 ( ) 压力 ( 进口 出口 水(管程) 煤油(壳程) 30 42 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 7 热器类型的确定 煤油的定性的温度 892 4013 8 冷却水的定性温度 362 4230 两流体的定性温度差为 533689 mM 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水的物性参数 温度 ( ) 密度 ( )/( 3 比热容 ( kJ/ ) 粘度 /( Pas) 36 查煤油平均温度下的物性参数如下 : 表 2煤油的物性参数 温度 (0C) 3/ 比热容 ( kJ/ ) 粘度 /( s) /导热系数( W/m ) 89 算换热器的热负荷 Q 确定煤油的热流量 4 h /7 9 9 1 9 0401 3 8( 0 0)(C 21 ) =222000 ( w/ . ) ( 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 8 却水用量 根据热量平衡,可得到冷却水吸收热流量 Q 与 c 式中: Q 根据本流程的实际情况,因此忽略换热量的流量损失,取 0Q 。则 2 2 2k J /7 9 9 1 9 0 则根据 )(12 ( 2 k g / 5 9 5 6)3042(1 7 9 9 1 9 0)(12 )( 均温差的计算 逆流时的对数平均温差 138 40 水: 42 30 22121 096l n (1096( 2 式中: 96211 10122 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 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 9 假设 K 的取值 300w/( . )计算传热面积: 02 2 2 0 0 0 ( 2 考虑到 15的面积裕度,则 F 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 们初步选用25无缝钢管。 表 2管子内内的流速范围 流体种类 流速 /( m/s) 管程 壳程 冷却水 1般液体 (黏度不高 ) 黏油 黏油 子内径: 管内流速取: i ,则管数为: (根) 9根 则按单程换热器所需的管长为 ( 2 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=管程数 p (管程) 第二章 传统工艺计算 10 取整为 2总管子数 根)(58292 ( 2 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: TT 01 3 812 21 21,煤油的进出口温度, ; 21 自来水的进出口温度, ; 由化工原理王国胜主编查图 4, 采用单壳程。 逆mm ( 2 因此,校正后的平均传热温差为 ,壳程数为单程,管程数为 2。 子排列方式和管间距的确定 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阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 传统工艺计算 11 图 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。 热管中心距的确定 一般换热管的中心距大于等于 的管外径最为合适,常用的换热管中心距,如表 2 2换热管中心距 换热管外径 10 12 141618 2022253032353845 50 5557 换热管中心距 s 13 14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72 分隔板板槽两侧相邻管中心距 8 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 则管心距32正三角形排列,横过管束中心点的管数 根,取 NN c 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 12 程内径 的确定 则壳体内径 : 3 2 44)1( 0i c (2整为 :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=流板间距 : i 取折流板数量 : 定总传热系数 K 总传热系数的值见表 2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总传热系数的选择 管程 壳程 总传热系数 /W/( ) 水 ( 流 速 为 水 冷水 冷水 冷水 盐水 有机溶剂 轻有机物 s 中有机物 = 1 s 重有机物 1s 水(流速为 1m/s) 水 水溶液 2s 水溶液 2s 有机物 s 水(流速为 5.1 m/s) 水(流速较高时) 轻有机物 u 5.0 s 中有机物 = 1 s 重有机物 u 1 s 轻有机物 s 有机溶剂 =s 轻有机物 s 中有机物 = 1 s 重有机物 1s 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 582 698 814 1163 467 814 290 698 116 467 233 582 198 233 233 465 116 349 58 233 2326 4652 1745 3489 1163 1071 582 2908 582 1193 291 582 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 13 有机物 =1s 有机物 1s 水 水 水 水 水 水 水 水 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 ) 凝 凝 氟里昂冷凝 114 349 582 1163 116 349 58 174 582 1163 174 349 814 1163 698 930 756 程换热热系数的确定 5 流速 8 0 31 5 9 5 63 6 0 0m/s 管程雷诺系数 45 u du (23 (2i = )()( (2= = 程侧换热系数的确定 的换热管的中心距 2 。 则流体通过管间最大截面积为: )1( 00 3 20 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 14 0 9 30 1 0 0 3 5 0 0u 000 23424e o od s d d 2234 ( 0 . 0 1 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: 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。 2 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 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 2 3 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 3 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
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