煤油冷却器的设计毕业设计论文.docx
《煤油冷却器的设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤油冷却器的设计毕业设计论文.docx（68页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
煤油冷却器的设计毕业设计论文
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30C加热到42C，工作压力1.6Mpa，流量为3500kg/h，壳程介质为煤油，入口温度138°C，出口温度40C、压力为2Mpa，流量为3500kg/h。
，传热面积为22.38川，采用①25X2.5X450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
Thecondenserisakindofchemicalequipmentwhichiswidelyused,andbelongstoakindofheatexchanger..Thedesigntaskismainlyaccordingtotheknownconditionstochoosethedesignoffixedtubeplateheatexchanger,theadvantagesoffixedtubeplateheatexchangerisforgingusedless,lowcost;heattransferarearatiooffloatingheadtypeforheatexchangeris20%to30%andabypassflowsmall.
①25
Theheatexchangerismainlycompletedisbetweenkeroseneandwaterheatexchange,firstofallaccordingtothegivendesigntemperatureandpressuretodeterminestructureofequipmentandtheshellsideandtubesidematerial,andthenaccordingtothenatureofthematerialandtheheattransferareatodeterminetheheatexchangetubematerials,dimensions,numberofroots.Themaindesignparametersofthisdesignare:
tubemediumiswatertemperaturefrom30°Cheatedto42C,workingpressure,flow,shellmediumkeroseneinlettemperature138C,outlettemperature40C,pressureflowrate.Aheattransferarea22.38川,seamlesssteelpipeheatexchanger2.5>4500,youcancalculatetheheattransfertubes58,D=325mmcylinderisdeterminedbasedonthenumberofheattransfertubesoftheheattransfertubesarearrangedandtheheattransfertubesaccordingtothearrangementandtodeterminethelengthanddiameterofthecylinderbaffleschoice.Andtodeterminethethicknessoftheshellheadandtheinnerdiameterofthecontainerbycalculationofinternalpressure.Thenintheheatexchangerdesignstrengthmemberflangedesign,selectingthevariouscomponentsandcalculatedthestrengthverificationandinspection,inspectionandpullshackleandfloatingheadflangedesigncalculationsandpipingDe-forcecalculations.Alsoincludesatubeplatestructuredesign,antiscourbaffle,slidewaystructuredesignandthedesignofsupport.Thestandardpartsinthestructuredesigncanbeselecteddirectlyaccordingtothenationalstandards;thenonstandardpartsmustbecheckedforthecorrespondingstressafterthedesignofthestructure.
Tubeplateandtubeheatexchangerandtheconnectionmodeofwelding,tubeplatemorestress,andthetemperatureinsideandoutsidehavecertaindifferenee.Therefore,onthetubesheetstrengthcheckisakeyandadifficulties.
Keywords:
heatexchange;strengthdesignstructuredesign
第一章绪论1
1.1换热器的重要性及意义1
1.2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1
122国外的研究现状2
1.3换热器的发展趋势3
1.3.1换热器强化传热技术的发展3
1.3.2大型化及能耗研究3
1.3.3材料的研究3
1.3.4腐蚀的研究3
1.4换热器的种类4
1.5工艺流程5
第二章传统工艺计算6
2.1设计任务与条件6
2.2换热器类型的确定7
2.3计算换热器的热负荷Q7
2.4冷却水用量8
2.5平均温差的计算8
2.6初算传热面积8
2.7管子选择和管数的确定9
2.8平均传热温差校正及壳程数10
2.9管子排列方式和管间距的确定10
2.9.1管子排列方式10
2.9.2换热管中心距的确定11
2.10壳程内径的确定12
2.11折流板的选择及间距确定12
2.12确定总传热系数K12
2.12.1管程换热热系数的确定13
2.12.2壳程侧换热系数的确定13
2.12.3计算传热面积14
2.13流体压降的计算15
2.13.1管程压降的计算15
2.13.2壳程压降的计算16
2.13.3壁温核算16
第三章结构设计及强度校核18
3.1换热器的整体结构18
3.2筒体的结构设计及校核18
3.2.1筒体内径的确定19
3.2.2筒体厚度的确定19
323筒体水压试验19
3.3封头形式的选择20
3.3.1封头厚度的确定20
3.3.2封头的水压试验21
3.4管箱的设计及校核21
3.4.1管箱简介21
3.4.2短节的设计及校核22
3.4.3管箱水压试验22
3.5管箱法兰的选择23
3.5.1各管孔接管及其法兰的选择24
3.6管板的结构图26
3.7连接设计27
3.7.1连接简介27
3.7.2管板与壳体和管箱的连接结构27
3.7.3管板与壳体和管箱的连接结构图27
3.7.4管板与换热管的连接的结构确定28
3.8换热器的热补偿29
3.8.1管程和壳程的压应力29
3.8.2壳体和管子截面积30
3.8.3管程和课程的压应力30
3.8.4管程和壳程的温差应力及补偿措施31
3.8.5拉脱应力33
386判断是否需要热补偿33
3.9接管的设计35
3.9.1接管材料的选择35
3.9.2管程接管直径35
3.9.3管程接管厚度35
3.9.4壳程接管直径35
3.9.5壳程接管厚度36
3.10开孔的判定36
第四章附件的选择38
4.1鞍座的选择38
4.1.1换热器总质量的计算38
4.1.2鞍座的尺寸及结构选择40
4.2分程隔板选择41
4.3折流板42
4.4拉杆42
4.4.1拉杆的选择42
4.4.2拉杆的形式43
4.5定距管43
4.6法兰螺栓规格43
4.7设计结果表汇44
参考文献45
致谢46
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[1]
1.2.1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：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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“/500E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[2]
1・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⑻0
表1-1传热器的结构分类
类型
特点
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
列
U型管式
管内清洗和检修麻烦
管
管
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
间
壳
式
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）
式
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
壁
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
沉浸式
结构简单，成本低，操作灵敏度，管道可承受较咼的压
螺旋管式
力流体介质
式
喷淋式
管的流体的传热系数大，便于维修和清洁
板式
传热效率咼，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
板
面
式
螺旋板式
换热面积，传热效率咼，易于制造，材料利用率咼本身冲刷易结垢，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
1
i
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
流里（Kg/h）
温度
（C）
压力（mpa）
进口
出口
水（管程）
30
42
1.6
煤油（壳程）
3500
138
40
2
2.2换热器类型的确定
煤油的定性的温度T卄1384°二89C
2
冷却水的定性温度t卄匹空二36C
2
两流体的定性温度差为Tm-tm=89-36=53c
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
温度（C）
密度（（kg/m3）
比热容
（kJ/kg?
C）
粘度/（Pa?
s）
36
993.6
4.174
7.138810-4
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
温度（°C）
密度kg/m3比热容
（kJ/kg?
C）
粘度/（mPa?
S）导热系数/
（W/m?
C）
89
773.552.33
_4
5.810
0.106
2.3计算换热器的热负荷Q
确定煤油的热流量⑷
=222000
（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Qc的关系如下：
Q=QcQ
式中：
Q-------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Q=0。
则
Q=Qc=799190kJ/h=222kw
则根据
（2-2）
Qc二WcCpc（t2-ti）
得
Cp（t2-ti）
2.5平均温差的计算
逆流时的对数平均温差氏m
煤油：
138C—40r
水：
42°CJ30C
式中：
£=飞-12=96C
t2=T2_鮎=10C
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/（m2.C）
计算传热面积：
F—22200019.46m2
（2-4）
K也tm300x38.02
考虑到15%的面积裕度，则
F=1.1519.46=22.38m2
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
①25X2.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
1~3.5
0.5~1.5
般液体（黏度不冋）
0.5~3.0
0.2~1.5
低黏油
0.8~1.8
0.4~1.0
咼黏油
0.5~1.5
0.3~0.8
管子内径：
dj=25-2.52=20mm
管内流速取：
Uj=1.5m/s,则管数为：
4.43
Nt=—V28.（根）
ndi2u‘n（0.02）21.5
44
可取换热管根数为29根
则按单程换热器所需的管长为
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Np=L'L
Np十詈=212（管程）
取整为Np=2程
总管子数
（2-6）
N=NPNt=229=58（根）
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：
P
t2-匕
42-30
12
二0.11
—
—
—
Ti-T2
138-30
108
R
T1-T2
138-40
98
8.17
=
==
t2―'ti
42-30
12
式中：
飞"2――煤油的进出口温度，°c；匕，t2——自来水的进出口温度，c；
由《化工原理》王国胜主编查图4-21得，；=0.92>0.8,故采用单壳程。
：
tm=；；：
tm逆-0.9238.02=34.98
（2-7）
因此，校正后的平均传热温差为34.98C，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
10
12
14
16
18
20
22
25
30
32
35
38
45
50
55
57
换热管中心距s
13
14
16
19
22
25
26
28
32
38
40
44
48
57
64
70
7
升级会员 