流量为105t每小时的固定管板式换热器的设计学士学位论文.doc

目 录第一章前言 11.1 换热器的介绍 11.2 固定管板式换热器的特点 11.3 换热器的未来发展趋势 2第二章换热器传热工艺计算 42.1原始数据 42.2定性温度及确定其物性参数 42.3传热量与水蒸气流量计算 52.4有效平均温差计算 62.5管程换热系数计算 72.6 结构的初步设计 82.7壳程换热系数计算 92.8 总传热系数计算 102.9 管壁温度计算 112.10 管程压力降计算 112.11 壳程压力降计算 12第三章 固定管板式换热器结构设计计算 153.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 153.2 布管方式的选择 153.3 筒体内径的确定 163.4 筒体壁厚的确定 163.5 筒体水压试验 173.6 封头厚度的确定 173.7 管箱短节壁厚计算 183.8 管箱水压试验 193.9 管箱法兰的选择 193.10 管板尺寸的确定及强度计算 203.11 是否安装膨胀节的判定 323.12 防冲板尺寸的确定 323.13 折流板尺寸的确定 323.14 各管孔接管及其法兰的选择 333.15 开孔补强计算 383.16 支座的选择及应力校核 403.16.1 支座选择 403.16.2 鞍座的应力校核 41参考文献 45致谢46摘要管壳式换热器作为固定管板式换热器的一种具有代表性的结构，是当前应用较为广泛的一款换热器。这款换热器拥有诸多特点：结构简易，紧凑，适用面广泛，安全系数高，选料面广泛，低成本，换热表面清洗极方便。由于固定管板式换热器可以经受比较高的操作温度和压力，所以这类换热器占有极大优势在各类高压高温和大型换热器中。1 换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。2固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。 固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。3换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。为了按照要求设计固定管板式换热器的机械结构设计和绘图查阅GB151-1999管壳式换热器和GB150-2011钢制压力容器和GB和JB等标准。 主要的步骤有标准件的选用，各零件间连接结构的设计，零件材料的选择还有厚度的计算。其中包括了封头，筒体，管箱壁厚和管板的计算，稳定性校核和管子拉托力，支座，容器法兰，接管法兰，接管的选择以及管板与壳体之间连接结构的设计，换热器与管板之间连接结构设计，折流板，开孔补强设计。 随着经济的高速发展，我们便利的生活因有现有的科技成果有了质的飞跃，换热器的设计技术也在不停的更新换代，以后的设计前景和应用前景将会更加光明。已知条件为：设计压力为管程1.1MPa，壳程0.88MPa，工作温度管程25，壳程175，设计温度管程180，壳程105，管程介质为1MPa的水，壳程介质为0.8MPa的水蒸气。依据给定条件所得传热面积为95m2。考虑到介质特性等因素，采用252.53000的#20（材料）的无缝钢管，本设计采用410根换热管可满足换热量。设定拉杆数量为7根，计算得到筒体直径为DN=1000mm。完成了压降计算、强度计算、开孔补强、管箱短节壁厚计算等。在强度设计中，依据GB150进行筒体、封头强度设计及校核，依据流量进行入口接管、出口接管等管口直径的选择，依据等面积补强法进行开口补强计算。本设计选择管板延长兼做法兰，依据GB151中的弹性支撑假设对管板进行设计和校核，管板与换热管的连接方式为焊接，拉杆与管板为螺纹连接结构。本设计充分的利用材料，适用比较多的场合。410根换热管更加体现了换热的效率。在同样的换热器中此换热器十分的廉价、安全。所以该换热器在工厂中占有重要位置。4关键词： 换热器； 结构设计； 计算； 校核AbstractTube shell type heat exchanger as fixed tube plate heat exchanger, a structure with a representative, is the more extensive application of a heat exchanger. This heat exchanger has many characteristics: simple structure, compact, wide range of application, high safety factor, a wide range of materials, low cost, heat exchanger surface cleaning is very convenient. Due to the fixed tube plate heat exchanger can withstand higher operating temperatures and pressures, so this kind of heat exchanger occupies a great advantage in all kinds of high temperature and high pressure anlarge heat exchanger.Heat exchanger is a simple with different temperatures of two or more fluid between heat transfer equipment. In industrial production process, different kinds of heat exchange process, its main function is the heat transfer by the high temperature of the fluid to fluid temperature is low, the fluid temperature to process indicators, to meet the needs of the production process. In addition, heat exchanger and recovery of waste heat, waste heat, especially an effective device for low grade heat energy.Fixed tube sheet heat exchanger composed of a tube box, shell, tube sheet, pipe and other parts, the structure is compact, discharge tube is more, in the same diameter area is larger, the manufacture is simple.Fixed tube is the structural characteristics of plate heat exchanger tube bundle is arranged in the shell, welding or expansion joint method for both ends of the pipe bundle fixing pipes on the tube plate, at both ends of the tube plate directly and shell welded together, the import and export of the shell pipe is directly welded on the shell, plate outer circumference and sealing flange with bolts, the import and export of the tube side of the tube and head directly welded together, in the tube bundle according to the length of the heat exchange tube is set a plurality of folded plate. The heat exchanger tube side can be used in any way is divided into several partitions.For the pros and cons of heat exchanger design ultimately depends on whether the application, economic, security, reliable and flexible operation, maintenance is convenient to clean, and so on. A heat transfer efficiency high, compact, low cost, safe and reliable for heat exchanger produced, requirements in design carefully consider all kinds of problems. Accurate thermal design and calculation, but also for strength check and conform to the requirements of manufacturing process levels.In order to in accordance with the requirements of the design of fixed tube plate heat exchanger, mechanical structure design and drawing of access to GB151-1999 and GB150-2011 and GB and JB standard.Standard parts of the selection of the main steps, design of connecting structure between the parts, parts and materials selection and calculation of thickness. Including the head, cylinder, the calculation of tank wall thickness and tube plate tube, stability check and pipe rato force, support, pressure vessel flange, took over the flange, took over the selection and the tube plate and the shell is connected between the structure design, heat exchangers and pipe plate is connected between the structure design, baffled, opening reinforcement design.With the rapid development of economy, convenience of our life because of the existing achievement of science and technology has been a qualitative leap, for heat exchanger design technology is also in constantly upgrading, the future prospects of design and application prospects will be brighter.Short . rod meet the change ( to consider . income on the basis of the Cheng, Cheng Cheng, pipe, tube, Cheng, as known condition: the design pressure for tube side shell working temperature range shell design temperature range shell tube medium water shell medium water vapor. The given conditions the heat transfer area of the medium characteristic factors, the diameter of 25 x 2.5 x 3000 materials) seamless steel tube, the design of the heat pipes heat. Set number is 7, the calculated cylinder diameter of the pressure drop calculation, strength calculation, opening reinforcement, tube box wall thickness calculation. In the strength design, according to cylinder head strength of Design and verification, according to the flow of inlet pipe, outlet nozzle and orifice diameter selection, based on area method of reinforcement of ringent strength calculation. The tubesheet extended as flange concurrently, according to the elastic support hypothesis of tube sheet design and verification, the tube plate and the heat exchange tube and the connection mode of welding, the pull rod and the tube plate is threaded connection structure.The design of full use of materials, for more occasions.410 root tube shows that the heat transfer efficiency of heat exchange. In the same for heat exchanger in the heat exchanger is very cheap. Security. Therefore, the change heat exchanger in the factory occupies an important position.Key words: heat exchanger; structural design; calculation; check目 录第一章前言 11.1 换热器的介绍 11.2 固定管板式换热器的特点 11.3 换热器的未来发展趋势 2第二章换热器传热工艺计算 42.1 原始数据 42.2 定性温度及确定其物性参数 42.3 传热量与水蒸气流量计算 52.4 有效平均温差计算 62.5 管程换热系数计算 72.6 结构的初步设计 82.7 壳程换热系数计算 92.8 总传热系数计算 102.9 管壁温度计算 112.10 管程压力降计算 112.11 壳程压力降计算 12第三章固定管板式换热器结构设计计算 153.1 换热管材料及规格的选择和根数的确定 153.2 布管方式的选择 153.3 筒体内径的确定 163.4 筒体壁厚的确定 163.5 筒体水压试验 173.6 封头厚度的确定 173.7 管箱短节壁厚计算 183.8 管箱水压试验 193.9 管箱法兰的选择 193.10 管板尺寸的确定及强度计算 203.11 是否安装膨胀节的判定 323.12 防冲板尺寸的确定 323.13 折流板尺寸的确定 323.14 各管孔接管及其法兰的选择 333.15 开孔补强计算 383.16 支座的选择及应力校核 403.16.1 支座选择 403.16.2 鞍座的应力校核 41参考文献 45致谢 46沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 前言第一章 前言1.1 换热器的介绍换热器的定义是将热流体的一部分热量传递给冷流体的设备，又叫做热交换器。换热器在生活中应用广泛，在正常生活中汽轮机装置中的凝汽器还有日常生活中的取暖用的暖气散热片以及航天火箭上的油冷却器等，都叫做换热器。换热器还广大运用于化工工业，石油，动力和原子能等工业部门。换热器的主要作用是保证介质在工艺过程中所要求的特定温度，同时也是其中之一的主要设备在提高能源利用率方面。在节能技术改革中，换热器具有的作用表现在两大方面：一方面在生产工艺流程中明显能减少能源的消耗的办法是使用大量的换热器的效率；第二方面可以明显提高设备的热效率的方法是用换热器来收回工业余热。51.2 固定管板式换热器的特点固定管板式换热器的经典结构如图1.1图1.1 立式固定管板式换热器 固定管板式换热器由许多零件组成：例如管箱，壳体，管板，管子等零件。换热器内部结构较为紧凑，排管较为多，面积较大在于相同直径下，制造较为简单。固定管板式换热器的结构特点如下：在壳体中设置有管束，管束两端用胀接或者焊接的方式将管子固定在管板上，壳体直接和和两端管板焊在一起，壳程的进出口管直接焊接在壳体上，封头法兰和管板外圆周用螺栓紧紧固定，封头直接和管程的进出口管焊接在一起，管束内根据换热管的长度设置若干块折流板。这类换热器管程能使用隔板分成任何程数。6特点：固定管板式换热器具有结构简易，制造的成本低廉，管程清洗方式方便，管程可以分类成多程，壳程也能分类成双程，规格范围广泛，所以广泛应用于工程工艺中。对于有腐蚀性或者较为脏的介质不宜采用，会产生壳程清洗困难的问题。可以在壳体上设置膨胀节为了减少因管与壳程温差而出现的热应力，在发生膨胀差较为大时候。7固定管板式换热器的特点是：（1） 旁路渗流较小（2） 锻件使用较少，造价低；（3） 无内漏；（4） 浮头式换热器比固定管板式换热器的传热面积要小20%30%；固定管板式换热器的缺点是：（1） 管壁和壳体的温差较大，管壁和壳体的温差要控制的范围是t50；（2） 当t50一定要在壳体上面设置好膨胀节；（3） 容易出现温差应力，管头与管板间极易由于产生温差应力而损坏；（4） 壳程无法应用机械清洗；（5） 管子遭受腐蚀后连带着壳体报废，设备使用寿命较低；81.3 换热器的未来发展趋势我国的换热器工业起步比较晚，1963年抚顺机械设备有限公司以美国TEMA标准为蓝本造出我国第一台管壳式换热器。时隔两年，兰州石油机械制造出我国第一架板式换热器。原苏州化工机械厂，现苏州新苏化工机械有限公司在二十世纪60年代成功研制出我国第一座螺旋板式换热器。9此后，我国在引进德国Schmid和法国Vicarb的换热技术后，我国换热器产业取其精华，去其糟粕，开始自主研发并且获取了较快的发展。1980年以后，我国显现出自主研发传热技术的新方向，极大部分的强化传热原件被传入市场，折流杆换热器，高效重沸机，双壳程换热器，表面蒸发式空冷器，新结构高效换热器，高效冷凝器，板壳式换热器等新一批优良的高效换热器作为我国传热技术高潮时代的主要代表作。换热器的发展现状由于进入二十一世纪之后，工业装置中应用了大量的强化传热技术，我国换热器工业产业获得了飞速的发展在技术水平上，并且板式换热器日益崛起。10最近这几年，我国在如下几方面取得了巨大突破：例如大型管壳式换热器，高效节能板壳式换热器，大直径螺纹锁紧环高压换热器，大型板式空气预热器等方面。而且近几年来，由于我国石油化工，钢铁行业等行业的飞速发展，其需求水平大幅度的上涨，但国内企业的制造水平有限，供给能力受限，所以导致其行业出现了供不应求的市场状态。其现缺口状况只能依靠进口来弥补。我国换热器市场份额增长的速度已经远超出供给增长速度。由此可得出我国的现状是对高端换热器产品需求量极其大，但是供给不足。据统计，石化产业和钢铁行业依旧作为我国重要的支柱型产业，将要持续保持飞速发展的势头，以及化工产业也在快速发展。11这些产业都将为换热器行业提供更广阔的空间和光明的发展前景。在将来，国内市场的需求会出现环保；节能型产品；要求产品的性价比；多样化需求；产品的特点化等需求逐步成为主导。由于国内的经济发展带来良好机遇和进口产品巨大的可转化性共同寓意着我国换热器行业的优良发展前景。并且，行业发展一定要注重高端产品的研制。3沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热工艺计算第二章 换热器传热工艺计算2.1 原始数据管程水的进口温度=25管程水的出口温度=90管程水的工作压力=1.0MPa管程水的流量=105000kg/h壳程水蒸气的入口温度=175壳程水蒸气的出口温度=95壳程水蒸气的工作压力=0.8MPa2.2 定性温度及确定其物性参数管程水的定性温度 2-1管程水密度查物性表得管程水比热查物性表得管程水导热系数查物性表得=0.658w/(m)管程水黏度=5.22910-4pas管程水普朗特数查物性表得Pr1=3壳程水蒸气定性温度：壳程水蒸气冷凝点：冷却段：冷凝段：壳程水蒸汽密度查物性表得：冷却段：=930.49kg/m冷凝段: =4.617kg/m壳程水蒸汽比热查物性表得：冷却段：=4.1KJ/(kg)冷凝段：=2.416KJ/(kg)壳程水蒸汽导热系数查物性表得：冷却段：2=0.69w/(m)冷凝段：=0.3w/(m)壳程水蒸汽粘度：冷却段：2=201.03610-6pas冷凝段：壳程水蒸汽普朗特数查物性表得：冷却段：冷凝段：2.3 传热量与水蒸气流量计算取定换热效率=0.98则设计传热量:Q0=G1Cp1()1000/3600 =2450004.178(85-20)1000/3600 =7.926106w 2-2由导出水蒸气气流量G2，r为时的汽化潜热r=2032J/kg水蒸气流量：=3.43kg/s 2-3冷却段传热量： 2-4 冷凝段传热量:设冷凝段和冷却段分界处的温度为根据热量衡算: 2-52.4 有效平均温差计算逆流冷却段平均温差: 2-6逆流冷凝段平均温差:= 2-7冷却段：参数： 2-8参数： 因为所设计的换热器为双管程，所以用平均温度即可冷凝段：参数： 2-9参数：因为所设计的换热器为双管程，所以用平均温度即可=119.82初选冷却段传热系数:2.5 管程换热系数计算初选冷凝段传热系数:则初选冷却段传热面积为: 2-10选用252.5的无缝钢管做换热管则: 管子外径d0=25mm管子内径di=20mm管子长度L=3000mm则需要换热管根数:根 2-11可取换热管根数为410根.管程流通面积： 2-12管程流速: 2-13管程雷诺数: 2-14管程冷却段的定性温度:管程冷却段传热系数: 2-15管程冷凝段的定性温度:管程冷凝段传热系数: 2-162.6 结构的初步设计查GB151-1999 知管间距按1.25d0取管间距:s=0.032 m管束中心排管数：根，取25根则壳体内径: 2-17圆整为:Di=1m则长径比; 合理折流板选择弓形折流板:弓形折流板的弓高: h=0.2Di=0.2*1=0.2m 折流板间距: 折流板数量: 2.7 壳程换热系数计算 壳程流通面积:壳程流速: 冷却段: 2-18 冷凝段: 壳程当量直径: 2-19 冷凝段管外壁温度假定值:膜温：膜温下液膜的粘度:188.3膜温下液膜的密度:917.3膜温下液膜的导热系数：正三角形排列冷凝负荷:=壳程冷凝段雷诺数: 2-20壳程冷凝段传热系数: 2-21冷却段管外壁温假定值:冷却段雷诺数： 2-22壁温下水粘度:粘度修正系数； 2-23壳程传热因子查图2-12得:冷却段壳程换热系数: 2-242.8 总传热系数计算查GB-1999 第138 页可知水蒸汽的侧污垢热阻12: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冷却段总传热系数: 2-25传热面积比为: （合理）冷凝段总传热系数:传热面积比为: (合理)2.9 管壁温度计算设定冷凝段的长度:=2.0424m冷却段的长度: 冷却段管外壁热流密度计算: 2-25冷却段管外壁温度: 误差不大冷凝段管外壁热流密度计算:冷凝段管外壁温度: 2-262.10 管程压力降计算管程水的流速: 2-27管程雷诺准数:管程摩擦系数:压降结垢校正系数:沿程压降: 2-28管程数: 管程回弯次数:n=5回弯压降: 2-29取管程出入口接管内径: 管程出入口速: 2-30局部压降:管程总压降: 管程允许压降: 即压降符合要求。2.11 壳程压力降计算壳程当量直径: 2-31壳程流通面积:壳程流速: 冷却段: 冷凝段:壳程雷诺数: 壳程冷却段雷诺数: 壳程冷凝段雷诺数:查表壳程摩擦系数: 冷却段: 冷凝段:壳程粘度修正系数: 冷却段: 冷凝段:管束周边压降:冷却段管束周边压降:冷凝段管束周边压降:导流板压降: （无导流板）查表取壳程压降结垢系数: 冷却段： 冷凝段： 取壳程进口接管内径: 壳程出口接管内径: 壳程出口流速: 2-32壳程进口流速: 2-33局部压降: 冷却段： 2-34 冷凝段： 2-35壳程总压降:冷却段壳程总压降:冷凝段壳程总压降:壳程允许压降:即压降符合要求 即压降符合要求46沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 固定管板式换热器结构设计计算第三章 固定管板式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序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管材料#202换热管规格3传热面积A95.454换热管数Nt根4105拉杆直径dnmmGB151-1999管壳式换热器表43166拉杆数量根GB151-1999管壳式换热器表4463.2 布管方式的选择序号项目符号单位数据来源和数据计算数值1正三角形GB151-1999 图112换热管中心距SmmGB151-1999 表12323隔板槽两侧相邻 管中心距SnmmGB151-1999 表12443.3 筒体内径的确定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4103管束中心排管根数Nc根254换热管外径d0mm255到壳体内壁最短距离b3mm86筒体内径Dimm7687实取筒体公称直径DimmJB/T4737-958008布管限定圆直径Dlmm7523.4 筒体壁厚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MPa0.882筒体内径mm见三-88003筒体材料20R4设计温度下筒体材料的许用应力MPaGB150-1998表4-1 钢板许用应力1235焊接接头系数0.856筒体计算厚度mm3.67腐蚀裕量mm28负偏差mm09设计厚度mm5.610名义厚度mmGB151-1999 项目5.3.2 表8811有效厚度mm612设计厚度下圆筒应力MPa7313校核14设计温度下圆筒的最大许用工作压力MPa1.253.5 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MPa1.22圆筒薄膜应力MPa100.63校核=187.4Mpa 合格3.6 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mm8002计算压力MPa1.13焊接接头系数0.854封头材料Q3455设计温度下许用压力GB151-1999 项目3.2表4-11706标准椭圆封头计算厚度mm3.87腐蚀裕量mm18负偏差mm09设计厚度mm4.810名义厚度mmGB151-1999 项目.3.21011实取名义厚度mm1012有效厚度mm913曲面高度mmJB/T4737-95续表114直边高度mmJB/T4737-95续表115内表面积Am2JB/T4737-95续表116容积Vm3JB/T4737-95续表117质量