本科毕业设计论文--煤油冷却器的设计(处理量1500kgh)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25×2.5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 25*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 11.1 课题研究的目的 11.2 课题研究的意义 11.3 本课题在国内外的研究现状 21.4 设计标准 3第二章 工艺条件的选择及设计方案 42.1 设计方案的拟定 42.2 温度 42.3 流动方式的选择 42.4 流速的选择 52.5 允许压降 52.6 材料的选择 5第三章 换热器的工艺计算 63.1 确定冷热流体的物性参数 63.2 计算换热器的热负荷Q 63.3 冷却水的用量 73.4 平均温差的计算 73.5 选择传热系数初算传热面积 83.6 管子选择和管数的确定 93.6.1 管子的选择 93.6.2 管子的选择 93.7 平均温差的校正及壳程数 103.8 管子排列方式和管间距的确定 103.8.1 管子排列方式 103.8.2 管心距 113.9 壳程内径的确定 113.10 确定总传热系数 123.10.1 管程换热系数的确定 123.10.2 壳程侧换热系数的确定 123.11 流体压降的计算 143.11.1 管程压降的计算 143.11.2 壳程压降的计算 153.11.3 污垢热阻和管壁热阻 163.12 壳体壁温的计算 163.12.1 流体平均温度的确定 163.12.2 壳体壁温的确定 173.12.3 换热管壁温的确定 17第四章 换热器的结构设计 194.1 管子与管板的连接 194.2 管板与壳体的连接 194.3 管板与分程隔板的连接 194.4 管板与法兰的连接 204.5 拉杆与管板的连接 214.6 折流板 214.7 流体进出口接管 244.7.1 煤油进出口 244.7.2 水的进出口 24第五章 换热器元件强度和刚度的计算 255.1 壳体设计及校核 255.1.1 设计参数的确定 255.1.2 强度计算 255.1.3 壳体的水压试验 265.2 封头 265.2.1 种类和参数的确定 265.2.2 强度计算 265.2.3 封头直边高度 275.3 管箱 285.3.1 强度计算 285.3.2 管箱的水压试验 285.4 管子与管板的拉脱应力 295.5 计算是否安装膨胀节 295.5.1 管、壳壁温差所产生的轴向力 295.5.2 压力作用于壳体上的轴向力 305.5.3 压力作用于管子上的轴向力 305.6 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 346.1 接管法兰及密封面形式 346.2 座的选择 346.2.1 换热器总质量的计算 346.2.2 鞍座的尺寸及结构选择 356.3 吊耳 366.4 法兰螺栓规格 366.5 拉杆与定距管 366.6 缓冲挡板 366.7 焊条的选择及焊接形式 376.8设计结果表 39结论 40参考文献 42附录 44致谢 46沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器的概述第一章 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45 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺条件的选择及设计方案 第二章 工艺条件的选择及设计方案2.1 设计方案的拟定 根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器为固定管板式换热器；再根据冷热流体的性质，判断其是否容易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。本设计中选择使循环工业硬水走管程，煤油走的是壳程。从资料中查得冷热流体的物性数据。如比热容，密度，粘度，导热系数等。计算出总传热系数，再计算传热面积。根据管径，管内流速确定传热管数，算出传热管程，传热管总根数等。然后校正传热温差及壳程数，确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等；接着再对换热器的热量，官称对流传热系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度，最后，对流体的流动阻力进行计算。2.2 温度 换热器的设计温度应高于最大使用温度，一般高于20，但在检修过程中，壳程空间需要空气进行置换，因此，换热器的最大使用温度要考虑到壳体置换时蒸汽温度，由于一般置换时使用水蒸气作为介质，因此，本次换热器壳体涉及温度为140。管程介质为水，最大使用温度为30，故本文管程设计温度选择为40。2.3 流动方式的选择 管壳式换热器的流动方式有并流、逆流、错流、混合流等，综合考虑，本次设计采用逆流操作。2.4 流速的选择 已知两流体允许压强降不大于100kPa；两流体分别为煤油和自来水。与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环的冷却水较容易结垢，如果它的流速太低，会使污垢增长速度加快，换热器的热流量也会下降，因为要考虑到换热器散热降温等方面的因素，所以应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。2.5 允许压降 流体流经换热器，它的阻力应在允许的数值范围内。如果流动的阻力太大，则应该进行修正设计。 正常情况下，流体流经换热器的阻力为104105Pa，气体为103104Pa。允许的流体阻力与换热器的操作压力有关，操作压力大，允许流体阻力可相应大一些。管程和壳程的压力降必须小于允许压力降。2.6 材料的选择 不锈钢具有耐腐蚀性、耐高温等特点。所以为了防止腐蚀，选用0Crl8Ni9不锈钢材料。由于煤油走壳程，所以换热器的壳体、管板、换热管和折流板(支承板)的材料均都需要采用0Crl8Ni9不锈钢。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器的工艺计算 第三章 换热器的工艺计算3.1 确定冷热流体的物性参数 根据换热器所在的工艺流程，确定流程参数和物性参数如表3-1和3-2所示。 表3-1 换热器的已知工艺参数 参数 壳程（煤油） 管程（水） 进口T1 出口T2 进口t1 出口t2 流量(kg/h) 温度(0C) 流速u(m/s) 1500 1500 - - 138 40 30 42 - - 0.5 - 水的定性温度:煤油的定性温度: 表3-2 介质的性质密度/（kg/m3）比热容/（kJ/kg）粘度/（Pas）导热系数/（W/m）煤油89 773.552.335.8× 0.106水36 993.6 4.1747.1388× 62.732 表3-3 列管式换热器内的适宜流速范围 流体种类流速/（m/s）管程壳程一般液体0.530.51.5易结垢液体>1>0.5气体5303153.2 计算换热器的热负荷Q 换热器的热流量是指通过冷热流体间壁所传递的热量。本文设计热流体存在相变，根据冷凝量和冷凝蒸汽的冷凝热，从而来确定煤油的热流量为 (3-1) 式中： 冷凝蒸汽的质量流量;kg/s 液体的比热容；kJ/kg3.3 冷却水的用量 冷却剂的用量要取决于工艺流体所需的热量及冷却剂进口和出口的温度，另外还跟设备的热损失有关。 根据热量的平衡，可以得到冷却水吸收热流量与关系如下： 式中： Q损失的热量根据该流程的实际情况，所以忽略该换热器的热流量，取则: 该热流量均由冷却水升温得到，则根据 得: 3.4 平均温差的计算换热器的传热推动力是平均传热的温差。它的数值不但跟流体的进口温度和出口温度有关，而且还与换热器中的两种流体的流型有关。 该设计中，管程和壳程换热采用逆流操作。对于逆流操作，平均传热温差可用换热器两端流体温度的对数平均温差来表示。 (3-2) 式中： 3.5 选择传热系数初算传热面积 壳程传热系数： 假设壳程的传热系数是：=700 W/m2 污垢热阻： Rsi=0.000344m2/W Rso=0.000172 m2/W 管壁的导热系数： =45 m2/W 管壁厚度： b=0.0025 内外平均厚度： dm=0.0225 在下面的公式中，代入以上数据，可得: (3-3)则： (3-4)实际传热面积: A0 =1.158.34=9.591m23.6 管子选择和管数的确定3.6.1 管子的选择管子的规格和形状对传热影响很大。采用直径小的管子，在单位体积内，换热面积大，设备紧凑，单位传热面积的金属消耗量就会相对较少，传热系数较大，但是制造起来比较麻烦，并且容易结垢，而且结垢后，清洗比较困难。通常大直径的管子宜用于粘性比较大或污浊的流体，小直径的管子宜用于较清洁的流体。管子的直径和长度的确定与工艺计算有密切关系，但管子规格的选择，应考虑到管子材料的合理使用，应尽量采用我国现有的管子标准规格。根据我国的材料标准，综合考虑本设计要求，管程介质为水易清洗，并考虑压降，根据我国目前常用的换热管规格，选择GB2270的不锈钢标准管，管子规格为，即管子外径为25mm厚度为2.5mm。换热管直接与两种换热流体接触，因此必须根据两种流体的温度、压力、介质的腐蚀性等工艺参数及加工性能和经济合理性选用换热管的材料。3.6.2 管子的选择确定了管径和管内流速后，换热器的单程管子数计算如下： u管内液体流速，m/s， (3-5)取整为 根式中： ns单程管子数目； vs管程流体的体积流量，； di传热管内径，m，di=0.02m u管内液体流速，u=0.5m/s，则单程换热器所需的管长为: (3-7)由于按单程计算得到的管子长度太长，因此选择单管程换热器不合理，必须选用多管程的换热器。取管长为标准管长L=4.5,则管程数 取整为程总管子数: N=Npns 取整为26根3.7 平均温差的校正及壳程数 此时： 由图4-25（参见大连理工出版社的化工原理169页，可查得：=0.920.8，所以，修正后的传热温度差为： = 于是，校正后的平均传热温差是34.98，壳程数为单程，管程数为2。3.8 管子排列方式和管间距的确定 3.8.1 管子排列方式管子排列应考虑清洗和整体结构的要求。同时在壳体内装入尽可能多的管子，换热管在管板上的排列方式常用的有以下五种基本形式，即正三角形、转角正三角形、正四边形、转角正四边形以及同心圆排列。具体形式如图3-1所示。图3-1 管子排列方式正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管束，故用的最为普遍，虽然管外不易清洗，但此次设计中管外为蒸汽冷凝，不易结垢，无需清洗。与正方形相比，传热系数比较高，大约可以节约15%的管板面积，而且有利于管板的划线与钻孔。因此这个设计采用的是正三角形排列。3.8.2 管心距管板上的两个传热的管中心距离称作为管心距。管心距的大小与传热管和管板的连接方式有关，此外需要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。本次设计采用焊接方式连接管子和管板，焊接时，管心距=31.25mm32mm3.9 壳程内径的确定 采用多管程的结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 (3-8)圆整可取 D=205mm取标准径 D=273mm3.10 确定总传热系数3.10.1 管程换热系数的确定 流速： m/s (3-9)管程雷诺数： （湍流) (3-10) 管程换热系数： (3-11) = ()=82.7×()=2605.05（W/m2·)3.10.2 壳程侧换热系数的确定25×2.5mm的换热管的中心距s=32mm。则流体通过管间最大截面积为： (3-12) （m2） M0 /A0 =1500/36000.135（m/s） (3-13) =0.020 (m) =0.135773.550.02/5.810-4 3601(湍流) =壳程煤油被冷却，取； 557（W/m2·) 污垢热阻Rs1, Rs2: Rs1 =0.00017（m2·/W) Rs2=0.00034 （m2·/W) 总的传热系数K: (3-14) = =333（W/m2·) 实际传热面积F: （m2） (3-15) 安全系数： 传热面积裕度： （满足设计要求，范围为15% 20%）3.11 流体压降的计算3.11.1 管程压降的计算 (1) 雷诺数: 流动形式为湍流由0.005 带入经验公式 可得=0.03238 (2) 管内的阻力损失为: (3-16) (3) 回弯阻力损失: (3-17) 则管程内总压降为： 根据计算公式，即 (3-18)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3.11.2 壳程压降的计算现在提出的壳程压降的计算公式较多，由于流速的流动状况比较复杂，以至计算的记过相差的也比较大，本设计采用埃索法计算壳程的压降，公式即： (3-19)式子中Fs壳程压降的结垢校正因数，量纲为1，液体取1.15，气体取1.0。本设计煤油为液体，故取Fs=1.15。 (3-20) (3-21)式中Fl管子排列方法对压降校正因数，正三角形排列Fl=0.5，正方向斜转45°排列为0.4，正方形排列0.3，本设计选正三角形排列取Fl=0.5； Zo=1。 正三角形排列时，取折流板间距0.3，数目为19个。(1) 计算截面积: (3-22) (2) 计算流速: m/s (3-23) (3) 雷诺数的计算: (4) 摩擦系数: (3-24) (5) 管束的损失: (6) 缺口损失: (7) 则壳程损失: 即壳程的压降也满足题意3.11.3 污垢热阻和管壁热阻 由于所处理的物料种类繁多，操作的条件也各不相同，所以对污垢生成的规律也难以掌握。目前对污垢热阻的选取主要凭生产经验数据。 管程污垢热阻 取； 壳程污垢热阻 取； 管壁导热系数，本次设计管壁材料选择不锈钢，查文献1得取17所以，总传热系数得 3.12 壳体壁温的计算 3.12.1 流体平均温度的确定 根据GB1511999中规定：液体在过渡流及湍流阶段平均温度计算公式为： (3-25) (3-26) 液体在层流阶段和气体的平均温度计算公式为： (3-27) (3-28)本设计流体均在过渡区和湍流阶段利用公式(3-25)、（3-26）管子外侧平均温度： （） 管子内侧平均温度： （）3.12.2 壳体壁温的确定当圆筒外部有良好的保温，或者壳程流体的温度近似于环境温度，或者传热条件使得圆筒的壁温接近于介质温度时，壳体的壁温取壳程流体的平均温度。 （）3.12.3 换热管壁温的确定换热管放热侧的壁温： （3-29） = = 78.5（）换热管吸热侧的壁温： （3-30） = = 35（）换热管的壁温： 56.75（） (3-31)沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 换热器的结构设计 第四章 换热器的结构设计4.1 管子与管板的连接 管子与管板的连接通常采用胀接或焊接的方法固定。对于不锈钢管子与管板，一般都采用焊接的结构，不管其压力大小，温度高低。4.2 管板与壳体的连接 管板与壳体的连接方式与换热器的形式有关，在刚性结构，两端管板均固定的换热器中，经常采用不可拆的连接，这时两端管板通常直接焊在壳体上。采用如下图4.1所示的结构。图4.1 管板与壳体的连接4.3 管板与分程隔板的连接 为了把换热器做成多管程，在管箱中安装与管子中心线相平行的分成隔板，管板上刨出沟槽以安放垫片，以保证管内各程之间的密封。槽宽12mm，交角处用直线过渡。此外，管板上法兰面应与加工成的沟槽凹面相平，隔板两侧第一排管子中心距查文献2c=38mm。管板与分程隔板的连接采用单层隔板与管板之间的密封连接，由于隔板另一端与封头焊接连接，因此要求隔板材料应与封头材料相同。如图4.2所示