流量为210th-U型管式冷凝器设计毕业设计论文.doc

摘要换热设备在工业生产中的主要作用是能够使热量从温度比较高的流体传递到温度比较低的流体，从而使流体的温度达到工艺过程中规定的指标，满足工艺过程的需要。换热器中的管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备，已作为一种标准换热设备1。这一种换热器的特点是比较容易制造，生产成本相对较低，选用材料的范围比较广，换热表面的清洁相对比较方便，适应能力较强，处理问题的能力较大，在高温和高压的情况下也可以使用1。与其他的换热器作比较，它的主要特点是在单位体积内的传热面积较大而且传热效果比较好。除此之外，它的结构简单，操作的弹性也大，所以在高温、高压的情况下以及在大型装备的应用上更多的使用管壳式换热器1。本次设计的题目是“流量为210t/h U形管式冷凝器”，U型管式换热器是管壳式换热器的其中一种，它的结构主要包括管板、壳体、管束等零部件，重量相对比较轻。它将换热管弯成U形，并将换热管的两端固定在了同一块管板上，故而密封面比较少，达到了更加节能的原则。换热器的材料选用恰当，主要结构的尺寸也进行了合理的选择，均能够满足换热器在强度、刚度、稳定性以及水压试验等校核方面的要求。本次U型管式换热器设计的壳程介质为水，管程介质为水。流量为210t/h，壳程的工作温度为95，管程的工作温度为20，壳程的设计温度为70，管程的设计温度为60。在其结构上安装有八块折流板，以增加流体的湍流速度。设计压力为管程1.9MPa，壳程0.75MPa。依据给定的条件，查阅GB150-2011钢制压力容器，GB151-1999管壳式换热器以及换热器手册等标准，通过试算法获得总传热系数，所得传热面积为193.4m.考虑到介质特性，采用2526000的Q345R的无缝钢管，本设计采用412根换热管可以满足换热量。接管法兰我选取了板式平焊法兰，并选用鞍式支座支撑。在本次毕业设计过程中我已经完成了文献综述，设计说明书，一张总装配图和三张零件图的绘制。换热器在工业、农业等许多的领域运用十分的广泛，当然在日常生活中和现实中的传热设备也随处可以见到，是不可能缺少的工艺设备和单元之一。随着研究的不断深入，工业应用也取得了显著的成效。并且在许多化工单元操作的场合也作为一种十分重要的附属设备进行使用，所以在化工生产中换热器也占有着非常非常重要的地位。关键词： 换热器； 管壳式； U形管； 管板；AbstractHeat exchange equipment in industrial production, the main effect is to be able to make heat from high temperature fluid to the lower temperature of fluid, so that the temperature of the fluid can reach the indexes of the specified in the process, meet the needs of the process. In the heat exchanger tube and shell heat exchanger is the most widely used, a heat exchange equipment has as a standard heat exchange equipment. The characteristics of this kind of heat exchanger is relatively easy to manufacture, the production cost is relatively low, and the use of material range is wide, so the heat exchange surface cleaning is relatively simple, strong ability to adapt, ability to handle problems, in the case of high temperature and high pressure can also use. Compare to other heat exchanger, its main characteristic is in heat transfer area per unit volume is larger and the heat transfer effect is better. In addition, its structure is simple, the operation of the elasticity is big, so in the case of high temperature and high pressure, and the application of in large-scale equipment on the use of more tube and shell heat exchanger.The topic of this design is the flow of 210 t/h of u-tube heat exchanger, the U tube heat exchanger is one of the tube and shell heat exchanger, and its structure mainly includes the tube plate, shell and tube bundle components, relatively light in weight. It will be bent into a u-shaped heat exchange tube, and the two end of heat exchange tube fixed on the same piece of tube plate, sealing surface is less so, to the principle of more energy efficient. Heat exchanger of the proper material selection, the size of the main structure is a reasonable choice, all can satisfy the heat exchanger in strength, stiffness, stability, and water pressure test requirements. The shell side of the U tube heat exchanger design medium for water, in the medium for oil passes. The shell side of the flow rate of 210 t/h, the working temperature of 95 , monitor the working temperature is 20 , the design of the shell side temperature is 70 , the design of tube side temperature is60 . In eight pieces of baffle are installed on the structure, to increase the turbulence velocity of the fluid. The shell side of the design pressure for the coil 1.9 MPa, 0.75 MPa. According to the given conditions, consult the GB150-2011 steel pressure vessel and GB151-1999 tube shell heat exchanger and heat exchanger manual such as standard, through the test algorithm to obtain the total heat transfer coefficient, the heat transfer area of 193.4 m squared. Considering the medium characteristic, adopt the phi 25 x 2 x 6000 Q345R of seamless steel tube, the design adopts 412 heat exchange tube can meet the change of heat. Nozzle flange I selected the plate flat welding flange, and selects the saddle support. I have already finished in the process of the graduation design review, design specifications, three part drawing and the drawing of a general assembly drawing.Heat exchanger used in many fields such as industry, agriculture is very wide, heat transfer equipment in daily life and reality, of course, also can be seen everywhere, it is impossible to a lack of process equipment and one of the unit. With the deepening of the research, industrial application has made significant achievements. Occasions and in many chemical unit operations are also used as a kind of important auxiliary equipment, so the heat exchanger in chemical industry production also plays a very important position.Keywords: Heat exchanger; Shell and Tube; U-shaped tube; Tube plate.目 录 第一章、换热器的综述 1 引言 1 1.1 换热器 1 1.2 换热器的发展前景 2 1.3 换热器的工作原理 3 1.4 管壳式换热器类型 3 1.4.1 固定管板式换热器 3 1.4.2浮头式换热器 4 1.4.3形管式换热器 5 1.4.4 填料函式换热器 7 1.5结语 . 8 参考文献 . 9 第二章、设计说明书 10 2.1 原始数据 10 2.2 定性温度及确定其物性参数 10 2.3传热量与水流量计算 11 2.4有效平均温差计算 11 2.5管程换热系数计算 12 2.6结构的初步设计 12 2.7壳程换热系数计算 13 2.8 传热系数计算 14 2.9 管壁温度计算 14 2.10壳程压力降计算 14 2.11 管程压力降计算 15 第三章、U型管换热器结构设计计算 17 3.1换热管材料及规格的选择和根数的确定 17 3.2管子的排列方式 17 3.3筒体内径的确定 17 3.4筒体壁厚的确定 18 3.5 筒体水压试验 18 3.6 壳程标准椭圆形封头厚度的计算 19 3.7 管程标准椭圆形封头厚度的计算 20 3.8容器法兰的选择 21 3.8.1设备法兰的选择 21 3.8.2接管法兰的选择 23 3.9管板的设计 23 3.10管箱短节壁厚的计算 25 3.11 拉杆和定距管的确定 26 3.12折流板的选择 26 3.13防冲板尺寸确定 27 3.14 接管及开孔补强 28 3.15 支座的选择及应力校核 32 3.15.1 支座的选择 32 3.15.2 鞍座的应力校核 33 致谢 37 附 录 4.2英文翻译沈阳化工大学科亚学学士学位论文 第一章 换热器的综述第一章换热器的综述引言 根据换热器在现代的工业生产中所起到的作用的不同和其地位的不同，使换热器的种类也变得不尽相同，不一样种类的换热器也各有各的特点，性能也是各不相同。在进行对换热器设计时，第一点应该是根据设计时的工艺要求从而选择适合的换热器种类，接下来是对换热器所需要的传热面积进行计算，进一步确定换热器的结构尺寸。换热器按照其作用和用途不同可分为以下几类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 对于换热器组内的传热，传热过程效果可以分以下为两类:一类是为了对热做功的转换,而第二种类型的目的是使物体加热或者冷却。在相应的过程中,传热的过程同样包含着不同的优化原理，这两种优化原理分别是：熵产最小和火积耗散极大。 通过对换热器进行组内换热过程的分析,根据不同的原理和在生产需要中的不同需求，从而对换热器组进行了优化,这个优化主要是对其面积的分配。从而确定熵产最小原理，这个原理对换热器设备进行了更进一步的优化,这个原理对于包含在热力循环中的换热器同样适用。火积耗散极大原理，对只含有传热的换热器优化问题更加实用。 在采用熵产最小原理优化过的换热器时,需要考虑冷端换热器产生的熵产、热端换热器产生的熵产和乏汽释放进外界环境所产生的熵产。对换热器进行设计时，设计出来的换热器优化合理、安全可靠是各种各样的外界因素都会影响到的，这关系到设计出的换热器能不能正常的工作和运行、高效率的工作、工作时损耗低、经久耐用。1.1 换热器 换热器是让冷、热流体进行热量交换的设备，又称热交换器。同时它也是在化工、石油、动力、食品、轻工、能源、制药、机械等领域应用及其广泛的通用设备之一，在工业生产中起到相当重要的作用。在不同的生产条件下可以起到加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等作用，而提高换热器的工作效率和性能更是被认为是提高能源利用的重要因素之一1。换热器的作用是将能量高的流体传递给能量较低的流体，从而得到有预期温度和热量的流体。 换热器还有其他的作用，其还能对预热、废热和低品位热能进行回收。伴随着时代的发展，换热器也在飞速的发展，出现了各种种类的换热器，新型结构的换热器、新材料的换热器层出不穷。为了换热器更好的发展，国家对换热器中的一些种类设立了标准，让它们拥有了完整的系列。换热器在各个领域应用是及其广泛的，各种各样的传热设备在我们身边也是随处可见的，已经成了我们生产、生活中不可缺少的设备之一6。打个比方，老式的冰箱，空调，都是换热器。 换热器在各个工业部门是应用相当普遍的，像石油、化工、能源动力等。 据有效数据显示，现代的化学工业中总设备的投资里有近30%的资金是投资在了换热器上，而在石油方面对于换热器的投资更是高达总投资的39%，而海水淡化的投资基本上都是投资于换热器，因为这些装置几乎都是由换热器组成的2。 在早些年因为没有良好的工艺和较高的科学水平，所以换热器也都比较简陋，那时候的换热器的结构都比较简单，不但传热的面积小而且体积很大，蛇管式换热器就是典型的例子。而随着时代的发展，现代工艺水平提高，出现了管壳式换热器，相比于老式换热器有了长足的进步，各方面性能有明显的提高，大量应用在工业生产中，成为了换热器中的中流砥柱。1.2 换热器的发展前景 在换热器的所有样式中，管壳式换热器无疑是数量最多的，而且它的种类也很多，在国防工业技术的日益进步下，换热器所需要的材料也变得越来越挑剔，需要更加满足条件的材料，需要满足耐磨、耐腐蚀、强度高等特点。近几年来，我国在研究新材料方面的进步各不相同，虽然都有进步，但是进步最大的还是含钛的材料。氯、碱、醋酸的腐蚀性是比较强的，但是钛面对这样的腐蚀性表现出 来了很好的能力，要是对传热方面再进一步改造，结果将会更加理想，目前为止这种对钛材的加工技术已经有很多公司掌握了。而一些国外研究成果比较高的技术我国也已经引入国内3。而铝镁合金这种材料不但抗腐蚀性好导热性也相当不错，比钛材更加的廉价，应该多一些关注。最近几年我国在节约能源、提高工作效率等方面进行研究，取得了不俗的效果。比如：提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等5。在换热器普及的同时也大大减少了能源的损耗。1.3 换热器的工作原理 换热器是冷、热流体互相传递能量的设备，就是一个大型的密闭容器，里面有管道，两种不同的流体分别从管道和容器内流过，一种是物料，另一种是介质，介质一般是水或者其他流体4。让热流体从管道流过，冷流体从容器内流过，冷、热流体之间存在温差，由简单的物理知识热平衡可以知道，在流动的过程中热流体会把热量传递给冷流体，这样冷热流体之间的温度就达到了交换的目的。换热器又称热交换器。1.4 管壳式换热器类型 因为流经管内部和流经管外部的流体的温度不一样，所以这时候换热器的壳体和内部管的温度也不同。假设壳体和管束的温差很大，那么换热器内部就会有相当大的热应力，很大的热应力会使管子弯曲甚至是断裂，从管板上面脱落也是有可能的。故当换热器的壳体和管束之间的温差大于50的时候，就需要及时采取补救措施，通过这些措施来减小热应力。从补偿措施的不同来将管壳式换热器分为以下几种主要类型：1.4.1 固定管板式换热器 固定管板式换热器如图1所示：1-折流挡板；2-管束；3-管壳；4-封头；5-接管；6-管板图1 固定管板式换热器（1） 结构特点：管板跟壳体之间的连接方式都是焊接，并且在其中加了膨胀节原件。（2） 优点：结构简单、紧凑性强、抗压能力强，节省经费，管程易清洁，易维护。（3） 缺点：壳程不易清洁（4） 适用场合：适用于壳程内流体清洁，管程与壳程之间温度差不大或者温差虽大但是壳程承受压力不大的情况。（5） 膨胀节的作用：因为两块管板和管壳之间是焊接固定的，膨胀节会减小热应力并且可以吸收膨胀差，从而改善壳体和换热管在太热、压力太强情况下产生的形变7。1.4.2 浮头式换热器 浮头式换热器如图2所示： 1-壳盖；2-固定管板；3-隔板；4-浮头勾圈法兰；5-浮动管板；6-浮头盖图2 浮头式换热器（1） 结构特点：只有一块管板，第二块是由浮头勾圈法兰连接在浮头盖上面的浮头。（2） 优点：没有热应力。（3） 缺点：设备繁琐，高投资，设备在运行时无法检查。（4） 适用场合：会导致设备内温差大的情况下使用，非清洁介质的情况下使用。1.4.3 形管式换热器 形管式换热器如图3、图4所示：1-中间挡板；2-U型管；3-内导流筒图3 U型管换热器1-盘环形折流板管板；2-盘环形折流板盘板；3-纵向隔板；4-换热管；5-管箱；6-分程隔板；7-定距管；8-拉杆图4 双壳程U型管式换热器（1） 结构特点：只有一块管板，其中管的部分是U形的。（2） 优点：简单，廉价，性能好，没有热应力。（3） 缺点：不易维护。（4） 适用场合：适合温度高、腐蚀性强、压力大的流体，因为不容易维护，所以物料应尽可能为清洁物料。1.4.4 填料函式换热器 填料函式换热器如图5所示：1-活动管板；2-填料压盖；3-填料；4-填料函；5-纵向隔板图5 填料函式换热器（1） 结构特点：跟浮头式换热器有点相似，浮头是在管壳外的，区别处是其中用填料函密封。（2） 优点：管束是相对自由的，可以在壳体轴向上自由的伸缩，这样也有效地解决了热应力带来的负面效果，从而不会因为产生热应力而发生形变。从结构上来说就没有浮头式换热器那么繁琐，相对简单，制造起来就比较方便了，而且价格上比较便宜，节省经费。由于自身结构的特点，填料函式换热器清洁起来也很方便，因为换热管可以取出，便于清洗和维护8。1.5结语 经过此次毕业设计的研究，基本完成了210t/h U型管式冷凝器的设计任务。成果：（1）通过设计过程对过去学到的专业知识进行了系统的回顾和学习；（2）较全面的了解和学习了U型管式换热器设计的设计步骤和设计要求；（3）学习了换热器设计中常用的规范和标准；（4）了解了焊接工艺常用的规范和技术要求；（5）懂得了独立研究和思考问题的方法。不足:（1） 对于管箱隔板的设计研究还不够深入，设计部够精准；（2）接管的补强设计还需完善，以使结构更加美观和经济；（3）由于设计压力较高有些结构需要自行设计，设计经验少，研究不够深入设计的结构还需完善和完美。此次设计已经结束，受益匪浅，设计规范中一些细节之处可参考的资料较少，在设计过程中遇到的一些难以解决的问题。苦于自身知识结构还不够完善，缺乏深度，希望在以后的工作中不断充实与完善自我知识。8沈阳化工大学科亚学学士学位论文 参考文献参考文献：1换热器秦叔经.叶文邦等,化学工业出版社（2003）2化工过程及设备设计华南工学院化工原理教研室3化工原理天津大学化工原理教研室编天津:天津大学出版社.（1999）4过程设备设计（第二版）化学工业出版社5GB151-1999,管壳式换热器6黄伟昌，王玉.管壳式换热器设计要点综述J.管道技术与设备，2009，（06）.7董宝春.管壳式换热器的工艺设计J.甘肃石油和化工，2009，（03）.8陈群.换热器组传热性能的优化原理比较9沈阳化工大学科亚学学士学位论文 第二章 设计说明书 第二章设计说明书2.1 原始数据壳程水的进口温度:壳程水的出口温度:壳程水的工作压力:壳程水的流量:管程水的入口温度:管程水的出口温度:管程水的工作压力:2.2 定性温度及确定其物性参数壳程：壳程水定性温度：82.5壳程水密度查物性表得 r1 =989.3Kg /m3壳程水比热查物性表得 Cp1 =4.174KJ /(Kg C)壳程煤油导热系数查物性表得 l1 =0.644w/(m C)壳程煤油粘度 m 1=0.5810-3Pas壳程煤油普朗特数查物性表得Pr1 =3.759管程：管程水定性温度：t2=40管程水密度查物性表得： r2 =989.3Kg/m3管程水比热查物性表得： Cp2=4.174 KJ /(Kg C)管程水导热系数查物性表得： l2 =0.644管程水粘度： m2 =0.58 10-3 Pa s管程水普朗特数查物性表得： Pr2 =3.7592.3 传热量与水流量计算取定换热效率=0.96 h则设计传热量: Q0=G1CP1(t1-t”1)1000/3600=2100004.174(95-70)1000/3600=6087083 W则管程水流量：G2=136718 Kg/h W2.4 有效平均温差计算t1-t2=95-60=35t1-t2=70-20=50由于=2，所以逆流平均温差采用算数平均温差：=42.5参数：P=0.533参数：R=0.625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=0.7f 有效平均温差：2.5 管程换热系数计算参考管式换热器原理与设计表2-7，初选传热系数： K0=550w/mk初选传热面积为：F0=388选用的无缝钢管做换热管 则：管子外径d0=25mm管子内径=20mm管子长度L=6000mm则需要换热管根数为：=823.77可取直换热管根数为824根，U形管的根数为=412根管程流通面积：a2=0.129m2管程流速：w2= =0.3m/s管程雷诺数：Re2=2w2di/2=10234则管程的传热系数为：2=0.023Re0.8Pr20.4 =0.023102340.83.7590.4=2030.712.6 结构的初步设计查GB151-1999知管间距按1.25d0取管间距：s=0.032m管束中心排管数：=1.1=1.1= 31.6根，取32根则壳体的内径为：Di=s（Nc-1）+4d0=0.032(32-1)+40.025= 1.092 m圆整为：Di=1.1m则长径比为：=5.45 在46之间，合理折流板选择弓形折流板：弓形折流板的弓高：h=0.2Di=0.21.1=2.2m折流板间距：B=0.370.55m 取B=0.5m折流板数量：= -1= -1= 11块折流板数量应为偶数 =10块2.7 壳程换热系数计算壳程流通面积：壳程流速：壳程当量直径：壳程雷诺数：切去弓形面积所占比例， 雷诺数Re1=28224壳程传热因子由管壳式换热器原理与设计图2-12可查得：=40假设管外壁温度为70，壁温下水的粘度为 粘度修正系数：壳程换热系数：2.8 传热系数计算查GB-1999第138页可知壳程水选用地下水，污垢热阻为：管程水选用地下水，污垢热阻为：由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计=555.56传热面积比为： (在1.01.05的范围内，值合理)2.9 管壁温度计算管外壁热流密度计算：管外壁温度：误差校核：误差不大 合理2.10壳程压力降计算参考换热器设计手册1-3-75由Re1=28224，查图1-3-24得壳程压强摩擦因子 其中 壳体内径 管子长度L=6m折流板间距壳程流速流体密度流体密度管外流体壁温66.6下粘度 则壳程压强 符合压强计算2.11 管程压力降计算参考换热器设计手册公式1-3-47管程压强 其中 直管压降 回弯压降 管箱出口压降 结构校正系数 串联壳程数 管程数 其中则所以 符合压强条件。28沈阳化工大学科亚学学士学位论文 第三章 U型管换热器结构设计计算第三章U型管换热器结构设计计算3.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 表1 换热管材料及规格的选择和根数的确定序号 项目符号单位数据来源及结算公式结果1换热管特性d0mmGB151-1999管壳式换热器252.52管长Lmm60003传热面积F0m2管壳式换热器设计原理3884换热管根数根4125材料GB151-1999管壳式换热器16MnR3.2 管子的排列方式 表2 管子排列方式序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1正三角形GB151-1999管壳式换热器图112换热管中心距SmmGB151-1999管壳式换热器323隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-1999管壳式换热器1004布管限定圆mmGB151-1999管壳式换热器7603.3 筒体内径的确定 表3 筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1换热管中心距SmmGB151-1999管壳式换热器322换热管根数根4123分程隔板厚mmGB151-1999管壳式换热器144管束中心排管数根GB151-1999管壳式换热器325筒体直径mm8106实取筒体公称直径mmJB/T4737-19958003.4 筒体壁厚的确定 表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P给定0.752材料GB150.2-2011压力容器16MnR3许用应力GB150.2-2011压力容器1704焊接接头系数过程设备设计0.855壳程设计压力0.8256筒体计算厚度mm3.687设计厚度mm5.688名义厚度mm99钢材负偏差mm过程设备设计0.310腐蚀裕量mm过程设备设计211有效厚度mm6.712设计温度下圆筒的计算应力79.4613校核合格14设计温度下圆筒的最大许用工作压力1.53.5 筒体水压试验 表5 筒体水压试验序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1试验压力1.032试验压力下圆筒的应力99.23校核，合格3.6 壳程标准椭圆形封头厚度的计算 表6 壳程标准椭圆形封头厚度的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1设计压力0.8252材料GB150-2011压力容器16MnR3材料许用应力GB150-2011压力容器1704焊接接头系数过程设备设计0.855标准椭圆封头的计算厚度mm3.686设计厚度mm5.687名义厚度mm98有效厚度mm6.79计算温度下封头的计算应力79.4610校核，合格11设计温度下封头的最大工作许用工作压力1.512,合格13封头曲面高度h1mmJB/T4731-95350封头直边高度h2mmJB/T4731-95403.7 管程标准椭圆形封头厚度的计算 表7 管程标准椭圆形封头厚度的计算序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1设计压力2.092材料GB150-2011压力容器16MnR3材料许用应力GB150-2011压力容器1704焊接接头系数过程设备设计0.855标准椭圆封头的计算厚度mm9.36设计厚度mm11.37名义厚度mm14.38有效厚度mm10.39设计温度下封头的计算应力131.310校核,合格11设计温度下封头的最大工作许用工作压力2.3112，合格13封头曲面高度h1mmJB/T4731-95350封头直边高度h2mmJB/T4731-95403.8 容器法兰的选择3.8.1 设备法兰的选择根据设计温度，由压力容器法兰选择PN=2.5MP凹凸面密封的长颈对焊法兰，相关参数如下： 表8 设备法兰的选择序号项目符号单位数据来源及计算公式结果1法兰尺寸压力容器法兰15951540149814781475100195482118223215302螺栓规格压力容器法兰M27螺栓数量个603对接筒体的最小厚度164非金属软垫片尺寸压力容器法兰非金属软垫片JB/T4704-2000147714273