本科毕业设计论文--煤油冷却器的设计.doc

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25×2.5×4500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 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 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 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46 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25×2.5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0.5mPa·s中有机物=mPa·s重有机物1mPa·s水（流速为1m/s）水水溶液2mPa·s水溶液2mPa·s有机物0.5mPa·s有机物=0.51mPa·s有机物1mPa·s水水水水水水水水水（流速为m/s）水（流速较高时）轻有机物mPa·s中有机物=mPa·s重有机物mPa·s轻有机物0.5mPa·s有机溶剂=0.30.55mPa·s轻有机物0.5mPa·s中有机物=mPa·s重有机物1mPa·s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。