【毕业论文】卧式油-油固定管板换热器设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流【毕业论文】卧式油-油固定管板换热器设计.精品文档. 沈阳化工大学 本科毕业论文题 目： 卧式油-油固定管板换热器设计 院 系： 机械工程学院 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 年 月 日论文答辩日期： 年 月 日朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词 1. summary2. abstract目 录第一章 引言. 1第二章 文献综述. 2第三章 设计说明书73.1、传热工艺计算73.1.1原始数据73.1.2 定性温度及物性参数73.1.3传热量与柴油出口温度及定性温度83.1.4有效平均温度83.1.5管程换

2、热系数计算93.1.6结构的初步设计：103.1.7壳程换热系数计算103.1.8传热系数计算113.1.9管壁温度计算123.1.10管程压降计算123.1.11壳程压降计算133.2、强度计算143.2.1换热管材料及规格的选择和根数确定143.2.2管子的排列方式143.2.3确定筒体直径153.2.4筒体壁厚的确定153.2.5液压试验173.2.6封头厚度的计算173.2.7法兰的选择183.2.8管板的设计203.2.9折流板的选择313.2.10接管及开孔补强323.2.11管箱短节壁厚的计算353.2.12拉杆和定距管的确定353.2.13分层隔板厚度选取363.2.14支座的

3、选择及应力校核36参考文献42致谢44第三章 设计说明书3、1传热工艺计算3.1.1原始数据壳程柴油的进口温度 壳程柴油的工作压力管程原油的进口温度管程原油的出口温度管程原油的工作压力壳程柴油的流量管程原油的流量 3.1.2 定性温度及物性参数管程原油定性温度=90管程原油密度查物性表得=815管程原油比热查物性表得=2.2管程原油导热系数查物性表得=0.128 管程原油的粘度=310-3Pa.s管程原油普朗特数查物性表得Pr2=51.56壳程柴油密度查物性表得壳程柴油比热查物性表得壳程柴油导热系数查物性表得壳程柴油黏度壳程柴油普朗特数查物性表得Pr1=10001Cp11=11.933.1.3

4、传热量与柴油的出口温度及柴油的定性温度取定换热效率为则设计传热量则柴油的出口温度壳程柴油定性温度=175+0.3(175130)=188.53.1.4有效平均温度参数P：参数R：换热器按单壳程双管程设计， 则查管壳式换热器原理与设计图 2-6（a） 得： 温差校正系数： 有效平均温差：3.1.5管程换热系数计算 参考表27管壳式换热器原理与计算初选传热系数： 则初选传热面积为：选用 不锈钢的无缝钢管作换热管。 则 管子外径 管子内径 管子长度 则所需换热管根数：=405.1可取换热管根数为 406 根 则管程流通面积为（两管程）管程流速为： 管程质量流速为： 管程雷诺数为管程传热系数为：3.1

5、.6结构的初步设计：查GB1511999知管间距按取：管间距为：S=1.250.019=0.025m 管束中心排管数为： 取 22根则壳体内径为： 故内径为0.7m则内径比为（合理）折流板由书可知可以选择弓形折流板。则弓形折流板的弓高为： 折流板间距为： 折流板数量为： 取 6块 3.1.7壳程换热系数计算壳程流通面积为： 壳程流速为： 壳程质量流速为： 壳程当量直径为：壳程雷诺数为： 切去弓形面积所占比例按查得为0.145 壳程传热因子由管壳式换热器原理与设计书图2-12可查得：管外壁温度假定值为：壁温下油的黏度为： 黏度修正系数为：壳程换热系数为： 3.1.8传热系数计算查GB151199

6、9书第138页可知：壳程选用柴油、管程选用原油则油侧污垢热阻为： 由于管壁比较薄，管壳层阻力损失都不超过0.3103N/m3所以管壁的热阻可以忽略不计。所以可以计算出总传热系数为：则传热系数比为：(合理)所以假设合理。3.1.9管壁温度计算 管外壁热流温度计算为：管外壁温度为：误差校核：因为误差不大，所以合适。3.1.10管程压降计算壁温下油的黏度为：黏度修正系数：查得管程摩擦系数为：管程数 管内沿程压为：回弯压降为：取出口处质量流速为：进出口管处压降为：管程污垢校正系数为：则管程压降：3.1.11壳程压降计算壳程当量直径为：=0.0445m壳程雷诺数为：经查壳程的摩擦系数为：管束压降为：取进

7、口管处质量流速为：取进口管压降为：取导流板阻力系数为：导流板压降为：壳程结垢修正系数 壳程压降为：管程、壳程允许压降为： 符合压降条件3、2强度计算3.2.1换热管材料及规格的选择和根数确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管外径GB151-1999管壳式换热器192管长GB151-1999管壳式换热器30003传热面积管壳式换热器设计原理72.544换热管根数个4065拉杆个GB151-1999管壳式换热器表43.4412/86材料GB150-1998钢制压力容器20#3.2.2管子的排列方式1正三角形排列GB151-1999管壳式换热器图112换热管中心距GB151-1999管壳

8、式换热器253隔板板槽两侧相邻中心距GB151-1999管壳式换热器383.2.3确定筒体直径1换热管中心距GB151-1999管壳式换热器表12252换热管根数根4063分程隔板厚同上104管束中心排管的管数根同上225筒体直径同上6016实取筒体直径考虑防冲板向上取7003.2.4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1工作压力给定1.62材料GB150-1998钢制压力容器Q345R3材料许用应力GB150-1998钢制压力容器1704焊接接头系数过程装备设计0.855壳程设计压力1.766筒体计算厚度4.37设计厚度6.38名义厚度7.39实取名义厚度GB151-1999

9、管壳式换热器表8810负偏差过程装备设计111腐蚀余量过程装备设计212计算厚度513设计厚度下圆筒的计算应力125 14校核179.8合格15设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.053.2.5液压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1试验压力2.22圆筒薄膜应力155.13校核 合格3.2.6封头厚度的计算序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1设计压力1.762材料GB150-1998钢制压力容器Q345R3材料许用应力GB150-1998钢制压力容器1704焊接接头系数过程装备设计0.855封头计算厚度4.36设计厚度6.37名义厚度7.38实取名义厚度GB151-1999管壳式换

10、热器表889有效厚度710设计厚度下封头的计算应力88.8811校核12设计温度下封头的最大许用工作压力2.8813 合格3.2.7法兰的选择2.7.1 设备法兰的选择按其条件 设计温度 设计压力 由压力容器法兰选择乙型平焊法兰，相关参数如下： 单位（）螺柱规格螺柱数量8608157767667636621016211827M2428由压力容器法兰选择相应垫片：非金属软垫片 JB/T47042000其相应尺寸为：D=765mm d=715mm 2.7.2接管法兰的选择1管程接管的公称直径相同设为，设进出口质量流量为 则同理 故取a =b=200mm故取公称直径 公称压力为 2壳程接管的公称直径

11、相同设为，设进出口质量流量为 则同理故取公称直径 公称压力为由钢制管法兰，垫片，紧固件选择带颈对焊法兰 a.b相关参数如下DNA/ 法兰理论重量200219.1/ 2193603101226M2430244/ 24417.4由钢制管法兰，垫片，紧固件选择带颈对焊法兰 c.d相关参数如下DNA/ 法兰理论重量200219.1/ 2193603101226M2430244/ 24417.43.2.8、管板的设计管板尺寸的确定及强度计算:本设计为管板延长部分兼作法兰的形式，即GB151-1999项目5.7中，图18所示e型连接方式的管板。A、确定壳程圆筒、管箱圆筒、管箱法兰、换热管等元件结构尺寸及管

12、板的布管方式；以上项目的确定见项目一至七。B、计算、Kt、Q、；序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1筒体内径7002筒体内径横截面积AA=/43846503筒体厚度84圆筒内壳壁金属截面积（+）177945管子金属总截面积=7.651046换热管根数4067换热管外径198换热管壁厚29换热管材料的弹性模量GB150-1998表F518500010换热管有效长度L284011沿一侧的排管数20312布管区内未能被管支撑的面积82976.2513管板布管区面积302723.7514管板布管区当量直径=62015换热管中心距SGB151-19992516隔板槽两侧相邻管中心距GB151-199

13、93817管板布管内开孔后的面积=26953718系数=/0.719壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比QQ=/As0.820壳程圆筒材料的弹性模量GB150-1998表F519000021系数=/0.2822系数=15.823系数=2.51224管板不管区当量直径与壳程圆筒内径比PtPt=/0.8925管子受压失稳当量长度GB151-1999图32200826设计温度下管子受屈服强度GB150-1998表F213327管子回转半径6.35C.对于延长部分兼作法兰的管板，计算和序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触宽度NGB150-1998表9-1252垫片基本密度宽度=N/212.

14、53垫片比压力yGB150-1998表9-2114垫片系数m2.05垫片有效密封宽度bB=2.5396垫片压紧力作用中心圆直径=D-2b6827预紧状态下需要的最小螺栓载荷N=3.142133588操作状态下需要的最小螺栓载荷N=0.7827232969常温下螺栓材料的许用应力GB150-1998表F4272.510预紧状态下需要的最小螺栓面积=/909.211操作状态下需要的最小螺栓面积= /189112需要螺栓总截面积mm2=max，189113法兰螺栓的中心圆直径Db81514法兰中心至作用处的径向距离=/23415基本法兰力矩N=1.810716筒体厚度817法兰颈部大端有效厚度=1.

15、751418螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离49.519螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离= (+)/251.520作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力N=0.785Pc51867621流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差N=-10289722操作状态下需要的最小垫片压力N=6.28bmPc90092.923法兰操作力矩N=+3.3210724螺栓中心距FD作用处的径向距离=0.5（-）49.5D、假定管板的计算厚度为，然后按结构要求确定壳体法兰厚度，计算K，k、和Kf。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1假定管板计算厚度802壳体法兰厚度6

16、63管板材料弹性模量GB150-1998表F51901034换热管材料的弹性模量GB150-1998表F51911035管板刚度削弱系数GB151-19990.46换热管有效程度28407管板强度削弱系数Gb151-19990.48管子金属总截面积2.531049换热管加强系数KK=2.610管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比=0.8911管板周边布管区的无量纲参数kk=K（1-）0.412管束模数=/（L）399513壳体法兰材料弹性模量GB150-1998表F519010314壳体圆筒材料弹性模量GB150-1998表F519010315壳体法兰宽度=/26616系数GB151-199

17、9图260.0005517壳体法兰与圆筒的选装刚度=9.92318旋转刚度无量纲参数=/（4）0.00195E、由GB151-1999 P51图27按照K和查，并计算值，由图29按照K和查G2值 序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管板第一矩系数GB151-1999图270.182系数=/（K）35.53系数GB151-1999图291.92F、计算M1，由GB151-1999图30按照K和Q查，计算，、。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管箱法兰材料的弹性模量GB150-1998表F51911032管箱法兰厚度JB/T4702-2000663系数GB151-1999图260.000

18、554管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数=9.885管板边缘力矩的变化系数=1/（/ +）0.436法兰力矩变化系数=/ 0.427管板第二弯矩系数GB151-1999图28（a）3.8G、按壳程设计压力，而管程设计压力=0，膨胀变形差r，法兰力矩的的危险组合（GB151-1999项目5.7.3.2分别讨论）a、 只有壳程设计压力，而管程设计压力=0，不计膨胀节变形差（即r=0）。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1当量压力组合1.762有效压力组合5.253基本法兰力矩系数0.00324管程压力下的法兰力矩系数0.0235管板边缘力矩系数0.026管板边缘剪切系数0.517管板总弯矩系数0.7

19、58系数0.339壳体法兰力矩系数0.03210管板径向应力系数=0.0711管板的径向应力8812管板布管区周边外径向的应力系数0.02513管板布管区周边外径向的应力72.514管板布管区周边剪切应力系数0.05815管板布管区周边的剪切应力1516法兰的外径与内径之比1.1417系数YGB150-1998表9-510.7518壳体法兰应力7.919换热管的轴向应力=8.120壳程圆筒的轴向应力=41.0521一根换热管管壁金属的横界面积176.622换热管与管板连接的拉托应力0.005b、只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0，并且计入膨胀变形差。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值

20、1壳程圆筒材料线膨胀系数GB150-199811.6210-62换热管材料线膨胀系数GB150-199810.8810-63换热管与壳程圆筒的膨胀变形差-17310-64沿长度平均的壳程圆筒金属温度工艺给定1605沿长度平均的换热管金属温度工艺给定1106制造环境温度207当量压力组合0.888有效压力组合Pa30.0539基本法兰力矩系数0.00210管程压力下的法兰力矩系数0.00411管板边缘力矩系数0.00712管板边缘剪切系数0.2513管程总弯矩系数0.90614系数=max，0.17515壳体法兰力矩系数-0.005416管板径向应力系数0.0013517管板的径向应力5318管

21、板布管区周边外径向的应力系数0.0719管板布管区周边外径向的应力16520管板布管区周边的剪切应力系数0.0821管板布管区周边的剪切应力8922换热管的轴向应力=Pc-Pa423换热管与管板连接的拉托应力0.031c、只有管程设计压力Pt，而壳程设计压力Ps=0，不计膨胀节变形差时：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1当量压力组合=02有效压力组合Pa=sPs+rEt-6.4013管板边缘力矩系数0.0074管板边缘剪切系数0.255管板总弯矩系数0.9066系数0.0048167管板的径向应力-2.7138管板布管区周边外径向的应力系数-0.0749管板布管区周边外径向的应力-8

22、9.7310管板布管区周边的剪切应力系数0.070411管板布管区周边的剪切应力-4.58712壳体法兰应力-8213换热管的轴向应力=Pc-Pa19.214壳程圆筒的轴向应力=A/AsPa-39.215换热管与管板连接的拉托应力0.02d、只有管程设计压力Pt，而壳程设计压力Ps=0，同时计入膨胀变形差时：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1换热管与壳程圆筒的膨胀变形差r-17310-62当量压力组合Pc-1.0323有效压力组合Pa-11.724基本法兰力矩系数-0.005235管板边缘力矩系数0.000196管板边缘剪切系数0.00677管程总弯矩系数0.2048系数=max，0

23、.005249管板布管区周边外径向的应力系数 0.013310管板布管区周边外径向的应力系数11.411管板布管区周边的剪切应力系数0.06512管板布管区周边的剪切应力-27.9613换热管的轴向应力 =Pc-Pa30.614换热管与管板连接的拉托应力0.19H、由管板计算厚度来确定管板的实际厚度：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1管板计算厚度84.22壳程腐蚀裕量23管程腐蚀裕量24结构开槽深度根据结构确定35管板的实际厚度90考虑圆整是否安装膨胀节的判定 由G，a、b、c、d计算结果可以看出：四组危险组合工况下，换热管与管板的连接拉托力均没超过设计许用应力，并且各项应力均没超过

24、设计许用应力。所以，不需要安装膨胀节。3.2.9. 折流板的选择3.2.9.1选型根据GB1511999管壳式换热器图 37 选择单弓形水平放置的折流板。3.2.9.2折流板尺寸缺口弦高值，一般取0.200.45倍的圆筒内直径，取3.2.9.3换热管无支撑跨距或折流板间距由GB1511999表42知，但换热管为外径钢管时，换热管的最大无支撑跨距为 ，且折流板最小间距一般不小于圆筒内直径五分之一且不小于由传热计算得到折流板间距3.2.9.4折流板厚度由GB1511999表34， 查得折流板最小厚度为 ，实取折流板厚度 由GB1511999表36查得管孔直径为 允许偏差为 3.2.9.5折流板直径

25、 由GB1511999表 41 查得折流板名义外直径为 允许偏差为3.2.10. 接管及开孔补强补强及补强方法判别补强判别由GB1501998 表81知当满足下列所有条件时不另行补强。1 设计压力小于或等于两相邻开孔中心距应不小于两孔直径之和的两倍；2 接管公称直径小于或等于3 接管最小壁厚满足表81要求（GB1501998 p75）由于接管 的公称直径大于 所以要补强，但由于设计的筒体或封头的厚度远大于理论厚度，所以要进行计算看是否要进行补强。补强计算方法判别开孔直径本凸形封头开孔直径满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算开孔所需补强面积强度削弱系数接管有效厚度开

26、孔所需补强面积有效补偿范围有效宽度取值故取有效高度外侧有效高度故内侧有效高度故取有效补强面积封头多余金属面积封头有效厚度封头多余金属面积接管多余金属面积其中接管区焊缝面积（焊角取）有效补强面积所需另行补强面积拟采用补强圈补强补强圈设计根据接管公称直径选补强圈，参照补强圈标准取补强圈 外径内径因补强圈在有效补偿范围内补强圈厚度为考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为3.2.11. 管箱短节壁厚的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1设计压力1.762选材GB150-1998钢制压力容器选Q345R3计算厚度4.34设计厚度6.35名义厚度7.36实取名义厚度87有效厚度7注：其符号意义

27、及取值同筒体壁厚计算的符号及意义。水压试验比较筒体的水压试验和短节的水压试验同样可以满足要求。3.2.12. 拉杆和定距管的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1拉杆直径GB151-1999管壳式换热器表43122拉杆数量GB151-1999管壳式换热器表4483定距管规格GB151-1999管壳式换热器取4拉杆在管板端螺纹长度GB151-1999管壳式换热器表45505拉杆在折流板端螺纹长度GB151-1999管壳式换热器表45156拉杆上倒角高GB151-1999管壳式换热器表452.03.2.13. 分程隔板厚度选取根据GB151-1999管壳式换热器，分层隔板厚度取3.2.14.

28、 支座的选择及应力校核3.2.14.1支座的选择根据钢制管法兰 垫片 紧固件 鞍式支座的选择重型BI型焊制鞍式支座（表7） 当取鞍式支座的相关尺寸如下：序号项目符号单位数值1公称直径7002允许载荷1703鞍座高度2004底板640150105腹板86筋板350140200107垫板弧长8303506368螺栓间距4609带垫板鞍座质量2810包角12011型号BI7003.2.14.2鞍座的应力校核（1）原始数据表序号项目符号单位数值1设计压力1.762设计温度1453物料密度8154筒体内径7005筒体长度30906公称厚度87厚度附加量28鞍座型号BIF，S型各一个9鞍座中心线离封头切线

29、的距离84810鞍座腹宽17011腹板厚度1012鞍座包角12013容器与封头的材料Q345R 14容器与封头的许用应力17015鞍座材料16鞍座材料许用应力12517容器自重200018物料重量150019总重量3500（2）校核计算序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1支座反力625782系数0.243系数1.1024系数0.6065筒体在支座跨中截面处的弯矩-4.216筒的支座截面的弯矩-4.927跨中截面处的轴向应力（最高点）0.9368跨中截面处的轴向应力（最低点）52.369系数A0.002110系数GB1501998图6-312811轴向许用压缩应力12812比较，验算合格筒体

30、和封头中的切向剪应力13系数过程装备设计表5-21.1714切向剪应力3.0915椭圆形封头的形状系数标准椭圆形封头1.016封头内压引起应力76.8117比较，验算合格筒体的周向应力18鞍座截面筒体最低处的周向应力-9.3419系数过程装备设计表5-30.76020筒体有效宽度256.821鞍座边角处筒体的周向应力-42.3622系数过程装备设计表5-30.052823比较，验算合格。鞍座腹板应力24系数过程装备设计表5-50.20425鞍座承受水平分力5938.0926鞍座计算高度取实际高度20027取和中较小者为，即28鞍座有效断面平均应力5.0929比较，验算合格参考文献1金志浩管壳式

31、换热器原理与设计M沈阳：辽宁科学技术出版社，2001：1-12刘月芹浅谈换热器的分类和特点J化工设计通讯，2003，29(3)：39-423spence.J.Tooth.A.S.Pressure Vessels Dessign:Concepts and Principles.Oxford:Alden Press UK 1994.4杨长威姜爱华，周勤等肋片管式蒸发器的计算机辅助设计J机电工程，2002，19(5)：1-35陈维汉板翅式换热器综合考虑传热、流动与结构的优化设计J化工装备技术，2004，25(1)：27-326郑钢，杨强翅片管换热器最佳回路长度的仿真计算J制冷与空调，2006，6(4

32、)：48-517董玉军，包涛，胡跃明等板式蒸发器换热性能的数值模拟1：数学模型J制冷空调与电力机械，2004，25(4)：10-138董玉军，包涛，胡跃明等板式蒸发器换热性能的数值模拟2：结果及分析J制冷空调与电力机械2004，26(5)：16-219胡跃明，董玉军，周翔等人字形波纹板式蒸发器数值模拟J制冷与空调，2005，5(2)：42-4610黄兴华，王启杰，王如竹基于分布参数模型的满液式蒸发器性能模拟J上海交通大学学报，2004，38(7)：1164-116911宋伟宏，赵辉，臧润清等直接蒸发式表面冷却器的结霜状况计算机模拟计算J天津商学院学报，2002，22(6)：3-612陈楠，申江，徐烈等管翅式表冷器数值模拟与性能分析J低温与超导，2003，31(2)：60-6413赖建波，车晶，苏文肋片管式换热器表面结霜问题的研究J暖通空调，2004，(3)：17-2114曾文良，林培森，王世平等板式换热器作为压缩机冷却器的传热和流阻性能实验研究J流体机械，1999，2