浮头式换热器毕业设计.doc

毕业设计（论文） 专 业： 过程装备与控制工程 题 目：BJS1200浮头式冷凝器设计 作 者 姓 名： 导师及职称： 导师所在单位： 二一三年 六 月 十六 日 本科毕业设计（论文）任务书 2012 届 机械与汽车工程 学院 过程装备与控制工程 专业学生姓名： 毕业设计（论文）题目中文：BJS1200浮头式冷凝器设计 英文：The design of BJS1200 floating head condenser 原始资料1. 马小明、钱颂文、朱冬生等. 管壳式换热器M，北京：中国石化出版社，2010.2. 董其伍、 张垚。换热器 M，北京：化学工业出版社，2008.3. GB_151-1999_管壳式换热器 毕业设计（论文）任务内容1、课题研究的意义换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。 随着现 代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍 把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新 的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性 起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已 达 96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的 30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。 在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器主要有固定管板式，U型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式作了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力。浮头式换热器的优点还在于方便拆卸，清洗方便，对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况很能适应。其缺点在于结构复杂、填塞式滑动面处在高压时易泄露，这使其应用受到限制，适用压力为：1.0Mpa6.4Mpa。 换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。 在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。2、本课题研究的主要内容： （1）完成冷凝器（管程设计压力为2.5MPa，壳程设计压力为1.0MPa,壳程介质R113即三氯三氟乙烷进出口温度65C/40C，管程介质自来水进出口温度18C/34C，公称换热面积610m2）整体结构及零部件设计计算。 （2）进行冷凝器的热力过程分析，完成换热器受压元件的强度计算，完成传热面积及换热量的计算。3、提交的成果：（1）毕业设计（论文）正文；（2）A1图纸1张，A2图纸1张，A3图纸1张；（3）至少一篇引用的外文文献及其译文；（4）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要。指导教师（签字） 教研室主任（签字）批 准 日 期接受任务书日期 完 成 日 期 接受任务书学生（签字）BJS1200浮头式冷凝器设计摘 要换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。 随着现 代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍 把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新 的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性 起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已 达 96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的 30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。 在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。本设计旨在本课题研究的主要内容：（1）完成冷凝器整体结构及零部件设计计算。（2）进行冷凝器的热力过程分析，完成换热器受压元件的强度计算，完成传热面积及换热量的计算。 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管板对热膨胀是自由的，因此当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样方便清洗和检修。由于该换热器结构复杂，而且浮动端小盖在操作时无法得知其泄露情况，所以在安装时应特别注意其密封。 在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。关键词：浮头;换热器;换热管;筒体强度 The design of BJS1200 floating head condenserAbstract The heat exchanger is the national economy and industrial production is widely used in the field of heat exchange equipment. With modern new techniques, new technologies, new materials and the continuous development of increasingly serious energy problems, the world has generally been the depth of petrochemical processing and comprehensive utilization of energy placed a very important position. Heat exchanger and thus facing new challenges. The performance of the heat exchanger product quality, energy efficiency and system reliability, economy of operation and plays an important role, and sometimes a decisive role. Currently in the advanced industrial countries has reached 96% heat recovery. Heat exchanger equipment in modern devices accounted for 30% of the total weight, shell and tube heat exchangers which still account for the absolute advantage, about 70%. The remaining 30% for all types of efficient and compact heat exchangers, heat pumps and new heat pipe heat storage and other equipment, including plate, spiral plate, plate-fin heat transfer components and a variety of efficient development very rapidly. Continue to improve the thermal efficiency of the device at the same time, to promote heat transfer equipment, compact structure, product serialization, standardization and specialization, and the direction toward the large-scale development. The design of the main aims of this research content：(1) Completion of the overall structure and components condenser design calculations.(2) For the condenser thermodynamic process analysis, the completion of the intensity of the heat exchanger calculation of pressure parts to complete the heat transfer area and heat transfer calculations.Floating head heat exchanger tube sheet and the case is fixed at one end, one end of the tube plate can be free floating within the housing, the housing and the tube plate is free to thermal expansion, so that when a large temperature difference between the two media, the bundle and the housing no temperature difference between the stress. Floating terminal designed detachable structure, the bundle can be easily inserted into or out of the housing, so easy cleaning and maintenance. Since the complex structure of the heat exchanger, and a small floating end cap in operation not know it leaks, so the installation should pay particular attention to the sealing. In the manufacture of heat exchanger technology is far behind the other countries, due to the manufacturing process and scientific level constraints, early heat exchanger only simple structure, and the heat transfer area is small, bulky and bulky, such as snakes and tube heat exchanger and so on. With the development of manufacturing processes, and gradually form a shell and tube heat exchanger, it not only has a larger unit volume heat transfer area, and the heat transfer effect is also good for a long time in industrial production as a typical exchange heat.目录引言.-1-第1章 绪论-2-第2章 热力分析及计算- 3 -2.1换热量计算- 3 -2.1.1计算冷却水流量- 3 -2.2换热管的设计- 3 -2.2.1管径及管长的选择- 3 -2.2.2换热管数量的计算- 4 -2.2.3换热管排布方式- 4 -2.2.4管中心距和相邻管中心距的确定- 4 -第3章 结构设计- 5 -3.1折流板的尺寸- 6 -3.1.2板外径的确定- 6 -3.1.3厚度和间距的确定- 6 -3.2防冲板的设计- 7 -3.3换热管与管板连接- 7 -3.4壳体、封头和管箱壳体的设计- 7 -3.4.1壳体的厚度- 7 -3.5.2接管外伸长度- 8 -3.5.3壳体接管最小位置的确定- 8 -3.5.4管箱接管位置的最小尺寸- 9 -3.6管板的设计- 9 -3.6.1固定管板管板最小厚度- 9 -3.6.2管板尺寸- 9 -3.7拉杆的选择- 10 -3.7.1拉杆的尺寸- 10 -3.8法兰的设计- 11 -3.8.1法兰密封面的型式- 11 - 3.8.2法兰种类- 11 -3.8.4管箱接管法兰- 12 -3.8.5壳体法兰- 15 -3.9 支座设计- 15 -3.9.1支座尺寸- 15 -3.9.2支座的安装尺寸- 16 -3.10补强圈的设计- 16 -3.11垫片选择- 16 -3.11.1垫片的分类- 16 -3.11.2管箱、壳体接管和筒体法兰连接垫片- 17 -3.12焊接- 17 -3.12.2焊接坡口形式- 18 -3.12.3焊接材料- 18 -第4章 水压试验和受压元件校核.-18-4.1封头水压试验-19-4.2壳体水压试验-20-4.3管箱封头计算强度校核-21-4.3.2压力计算-21-4.4筒体计算强度校核-23-致谢-24-参考文献-25-附录A 参考文献摘要-26-附录B 参考英文文献及译文.-27-附录C装配图及零件图.-43-V插图清单图2-1 换热管-3-图3-1 接管位置-7-图3-2 管板尺寸-9-图3-3 拉杆的连接尺寸-9-图3-4 带颈平焊法兰的尺寸-11-图3-5 接管法兰-11-图3-6 法兰尺寸-12-图3-7 支座尺寸-12-图3-8 管箱垫片-14-图3-9 壳体接管法兰尺寸-14-图3-10筒体法兰垫片.-14-.IV表格清单表2-1 总传热系数K一般范围-2-表2-2 流体常用流速.-2-表2-3 换热管中心距.-4-表3-1 板外直径及允许偏差-5-表3-2 折流板最大无支撑跨距. .-5-表3-3 折流板最小厚度 -5-表3-4 换热器壳体最小厚度-6-表3-5 管板最小厚度.-8-表3-6 拉杆直径选用表.-10-表3-7 拉杆的数量.-12-表3-8 支座尺寸.-12-VII引言 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工、能源、机械、交通、制冷、空调及航空航天等各个领域。换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能的主要设备。工业生产中使用的换热器型式很多，而且仍在不断发展。按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件和工作的环境不同，换热器又有各种各样的型式和结构。按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式和蓄热式3类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。间壁式换热器种类很多，如夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翅式换热器和列管式换热器，列管式换热器又叫做管壳式换热器，是目前应用最广泛的一种换热器。管壳式换热器的应用已有十分悠久的历史。管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性的能源危机，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。在近代的许多化工过程中，如裂解、合成和聚合等，大都要求在高温高压下进行，有的压力高达250 ，温度则高达750，又腐蚀的情况下，实现换热更困难。而管壳式结构具有选材范围广、换热表面清洗方便、适应性强、处理能力大、能承受高温和高压等特点。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的日益增大，换热设备也相应地向大型化方向发展，以降低动力消耗和余属消耗；另一方面，随着精细化工的迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展的趋势。管壳式结构的换热器能满足这样的要求。近几十年来，随着紧凑式换热器(板式、板翅式等)、热管式换热器和直接接触式换热器等的发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被一些新型换热器所取代，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，它的产量至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部用量的70%。管壳式换热器结构也有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板加光滑管的结构，发展为其它类型的管间支撑物加强化管的结构，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展。第1章 绪论 换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。 在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件；（2） 结构安全可靠；（3） 便于制造、安装、操作和维修；（4） 经济上合理。70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。为了节能将耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。所以这些年来，换热器的开发和研究成了人们关注的课题。当今换热器技术的发展以CFD（计算流体力学技术）、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。第2章 热力分析及计算2.1换热量计算 本设计为非标准换热器、逆流，换热量计算由公式1-1得出： Q=KAtm （2-1）式中：K总传热系数；A总传热面积；tm对数平均温差；其中A=610； tm=(t1-t2)/ln(t1-t2)；K值是衡量换热器性能的重要参数，取决于流体特性，传热过程的操作条件及换热器的类型等多种因素，变化范围很大。确定K的值一般采用两种方法，即生产实际的经验数据和现场直接测定。本设计采用生产实际的经验数据选取，如表2-1：表2-1 总传热系数K一般范围冷流体热流体总传热系数K/W/（）水水8501700水气体17280水有机溶剂280850水轻油340910水重油60280有机溶剂有机溶剂115340 本设计取K估=600W/（） 得出：Q=9.6 W 2.1.1计算冷却水流量 由公式1-2得 Q= （2-2） 式中：冷却水流量；冷却水比热容；代入求得=143.5kg/s；2.2换热管的设计2.2.1管径及管长的选择 选用换热管为252（外径壁厚） 根据管内流体粘度及常用流速 如下表2-2：表2-2 流体常用流速流体性质及情况常用流速/一般液体（水及黏度低于水的流体）1.53.0黏性液体0.51.0饱和水蒸气2030冷凝水0.30.5 本设计管内流体为液体且流体黏度小于水，则选择管内流体流速为=1.5m/s2.2.2换热管数量的计算 由公式2-3得 n=4/ （2-3）式中：换热管内径；管内流体流速；代入各参数，得换热管根数n=277，按单程管程计算管长L=28m（太长），又因为DN=1200mm，允许选用4壳程，则管程数N=4，L=7m 则管数为2774=1108根2.2.3换热管排布方式管子在管板上的排列方式，应力求均布、紧凑并考虑清扫和整体结构的要求。基本的排列方式有五种：等边三角形。其一边与流向垂直，是最常用的形式。与正方形排列相比传热系数高，可节省15%的管板面积。适用于不生污垢或可用化学清洗污垢以及允许压降较高的工况；转角三角形。三角形的一边与流向平行，其特点介于等边三角行和正方形两种排列之间，不宜用于卧式冷凝器，因下方管子形成的厚度越来越厚的凝膜会使传热削弱；正方形排列最不紧凑，但便于机械清扫，常用于壳程介质易生污的浮头式换热器；同心圆排列。用于小壳径换热器时比正三角形排列还紧凑，靠近壳体的地方布管均匀。对于多管程换热器常采用组合排列法，每程均属正三角形排列，而各层面间呈正方形排列，以便于安排分程隔板。综合比较以上几种布管方式，采用三角形排列方式。布管位置及尺寸如图2-1所示： 图2-1 换热管2.2.4管中心距和相邻管中心距的确定根据换热管的外径由文献1查表2-3所得：- 5 -换热管外径d/mm19202530323538455055换热管中心距S/mm25263238404448576470分程隔板槽两侧相邻管中心距/mm38404450525660687678表2-3 换热管中心距 本设计中换热管外径 =25mm，所以管中心距为32mm。第3章 结构设计3.1折流板的尺寸 折流板的结构设计主要是根据工艺工程要求来确定，设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形折流板又分为单弓形和双弓形，本设计选用单弓形 如图所示：3.1.1弓形折流板的缺口高度 弓形折流板的缺口高度应使与横过管束时的流速接近，缺口大小用切去的弓形高度占圆筒直径的百分比来确定单弓形折流板缺口，缺口弦高一般取0.2-0.45倍的圆筒内直径。 本设计中取 =0.2DN=240mm，角度为90度。3.1.2板外径的确定 由文献2得如表3-1表3-1 板外直径及允许偏差公称直径DN/mm400500500900900130013001700折流板名义外直径/mmDN-2.5DN-3.5DN-6DN-8折流板外直径允许偏差/mm0-0.50-0.80-1.2则名义外直径为=1196mm。3.1.3厚度和间距的确定折流板的厚度的确定是根据最大无支撑间距和公称直径由文献1经查表3-2、3-3确定：表3-2 折流板最大无支撑跨距换热管外径/mm10141925323845最大无支撑跨距/mm110015001850220025002750表3-3 折流板最小厚度公称直径DN/mm换热管无支撑跨距/mm600900L900120012001500折流板或支持板的最小厚度/mm 40070061010 700900810129001500101218 由上可确定折流板厚度为20mm。- 7 - 3.1.4折流板间距的确定： 折流板间距过大会影响传热效果，所以通常情况下，折流板的最大间距不大于筒体内径，最小间距不小于筒体内经的1/5，且不小于50mm。取间距=800mm。3.2防冲板的设计为了防止壳程物料进口处,流体对换热管的直接冲刷，应在壳程进口管处设置防冲板。为了使气液介质更均匀的流入管间，防止流体对进口处的冲刷，并减少远离接管处的死区，提高传热效果，可考虑在壳程处设置防冲板，下面是设置防冲板的条件：对有腐蚀性或有磨蚀的气体、蒸气及气液混合物，应设置防冲板。对液体物料，当壳程进口处流体的（为流体密度，；为流体流速，）非腐蚀、非磨蚀性的单相流体，2300其他液体、包括沸点以下的液体，730本设计 2300，所以不需要设置防冲板。3.3换热管与管板连接连接形式有胀接、焊接、胀焊并用，无论采用什么形式都要满足两个基本条件：良好的气密性和足够的结合力。强度胀接系指为保证换热器与管板连接的密封性能及抗拉强度的胀接；1设计压力小于等于4Mpa；2设计温度小于等于300；3操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。强度焊系指保证换热管与管板连