流量为100t每小时的u型管式换热器设计学士学位论文.doc

摘要 本文介绍了U型管换热器整体的结构与强度设计计算。U型管换热器是将管子弯成U型，管子的两端均固定在同一个管板上。出于壳体和管子的分开，管束可以进行自由的伸缩，因此没有热应力，热的补偿功能好；管程采用的是双管程，流程比较较长，流速比较高，传热性能较好，承压的能力较强。管束可从壳体抽出，优点是方便检修和清洁，而且结构简单造价便宜。缺点是管内清洗困难，这就要求管内通过的流体必须是清洁不易产生污垢的物料1。 它的主要特点是在单位体积内传热的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。而U型管式换热器一般用在高温高压状态下，尤其是高压下，这就要求在弯管段要加强壁厚来弥补弯管后管壁的减薄1。 这次设计的题目是“流量为100t/h U形管式换热器”，U型管式换热器是管壳式换热器里的一种，它的结构主要包括管板、壳体、管束管箱、封头、换热管、支座等零其他部件，重量相对比较轻。在这次的设计中由于设计的压力和温度都比较高，因此设计的要求比较高，在对换热器的设计中，主要对其结构、强度进行了设计以及对零部件的选型和工艺设计。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，这些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油，管程介质为水。流量为100t/h，壳程的工作温度为190，管程的工作温度为70，壳程的设计温度为200，管程的设计温度为90。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2.0MPa，壳程1.5MPa。依据给定的条件，查看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193.3m.考虑到介质特性，采用252.56000的20#的无缝钢管，本设计采用420根换热管可以满足换热量。接管法兰我选择了板式平焊法兰，并采用鞍式支座支撑。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，一张总装配图和四张零件图的绘制。 换热器在工业、农业等许多的领域运用十分的广泛，当然在日常的生活中和现实中传热设备也随处可以见到，这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： U型管换热器； 结构； 强度；设计计算AbstractThis paper describes the U-tube heat exchanger overall structure and strength of the design calculations. U-tube heat exchanger tube is bent into a U-shape, both ends of the tubes are fixed in the same tube plate. Since the housing and separate tubes, tube bundle can freely stretch without heat stress, good compensation performance heat; tube uses a dual tube, process is relatively long, high velocity, good heat transfer performance, pressure the ability. Can be withdrawn from the housing tube bundle, the advantage of easy maintenance and cleaning, and low cost structure is simple. The disadvantage is difficult to clean the inner tube, which requires fluid through the inner tube material must be easy to produce clean dirt2.Its main feature is the heat transfer area per unit volume and greater heat transfer effect is better. In addition, its simple structure, flexible operation is also large, so in the case of high temperature, high pressure, and more use of shell and tube heat exchangers in the application of large-scale equipment. The U-tube heat exchanger is generally used at high temperature and pressure conditions, especially under high pressure, which requires strengthening the wall thickness of the elbow segment to make up after the bend wall thinning.The design is entitled Flow of 100t / h U-tube type heat exchangers, U-tube heat exchanger is a shell and tube heat exchanger in which one of its main structure comprises a tube plate, shell zero other parts bundle header, head, heat transfer tubes, bearings, etc., are relatively light weight. In this design because of the design pressure and temperature are high, so the design requirements, the design of the heat exchanger structure, strength and design of components selection and process design. The selection of appropriate heat exchanger material, the main dimensions of the structure were also a reasonable choice, are able to meet the heat exchanger in terms of checking the strength, stiffness, stability and hydrostatic test and other requirements. The U-tube heat exchanger design shell medium is oil, tube medium is water. Flow rate of 100t / h, the shell of the operating temperature of 190 , tube operating temperature of 70 , shell design temperature of 200 , the tube design temperature is 90 . In its structure mounted eight baffles to increase the velocity of the fluid turbulence. Tube design pressure of 2.0MPa, shell 1.5MPa. Based on the given conditions, consult GB150-2011 steel pressure vessel, GB151-1999 shell and tube heat exchanger, as well as heat exchangers manuals and other standards, to get the total heat transfer coefficient through the test algorithm, and the resulting heat transfer area 193.3m. Taking into account the characteristics of the medium, the use of 25 20 # seamless steel pipe of 2.5 6000, the design uses 420 calories of heat transfer tubes to meet the change. I chose to take over the flange plate welded flange, and the choice of saddle supports support. In this graduation design process Ive done a literature review, design specifications, draw a general assembly drawings and four part drawing.Heat in many areas of use in industry, agriculture and other very widely, of course, in everyday life and the reality of heat transfer equipment also can be seen everywhere, it is the lack of equipment and one unit can not process. With the deepening of research, industrial applications has also made remarkable achievements. And in many chemical unit operation occasions as a very important ancillary equipment may be used, so the heat exchanger in chemical production also occupies a very important position3.Keywords: U-tube heat exchanger; structure; strength; design calculati目 录 第一章换热器的结构类型与发展 1 1.1 换热器的概述 1 1.2 换热器的分类 1 1.2.1 换热器按传热方式分类 1 1.2.2 换热器按用途分类 2 1.2.3 换热器按其结构分类 2 1.3 换热器的结构介绍 3 1.4 换热器的主要组合部件 4 1.5 换热器的设计 5 1.5.1 估算传热面积初选换热器型号 5 1.5.2 计算管程和壳程压强降 5 1.5.3 核算总传热系数和传热面积 5 1.6 换热器的发展 5 第二章U型管换热器传热工艺计算 7 2.1 原始数据 7 2.2 确定定性温度及物性数据 7 2.2.1 管程冷水的定性温度 7 2.2.2壳程煤油的定性温度 7 2.3 煤油的传热量与冷水流量的计算 8 2.4 管程换热系数的计算 9 2.5 结构的初步设计 9 2.6 壳程换热系数计算 10 2.7 传热系数计算 11 2.8 管壁温度计算 11 2.9 管程压力降计算 11 2.10 壳程压力降计算 13 第三章换热器强度计算与应力校核 14 3.1 换热管材料及规格选择和根数的确定 14 3.2 管子的排列方式 14 3.3 筒体内径的确定 14 3.4 筒体厚壁的确定 15 3.5 筒体的液压试验 16 3.6 壳程标准椭圆形封头厚度的计算 16 3.7 管程标准椭圆形封头厚度的计算 17 3.8 容器法兰的选择 18 3.8.1 设备法兰的选择 18 3.8.2 接管法兰的选择 18 3.9 管板的设计 21 3.10 管相短节壁厚的计算 22 3.11 拉杆和定距管的确定 23 3.11.1 拉杆的结构型式 23 3.11.2 拉杆的尺寸 24 3.11.3 定距管尺寸 24 3.12 折流板的选择 25 3.12.1 选型 25 3.12.2 折流板尺寸 25 3.12.3 换热管无支撑跨距或折流板间距 25 3.12.4 折流板厚度 25 3.12.5 折流板直径 25 3.12.6 折流板管孔直径 25 3.13 防冲板尺寸的确定 26 3.14 开孔补强计算 26 3.15 分程隔板厚度选取 29 3.16 支座的选择及应力校核 29 3.16.1 支座的选择 29 3.16.2 鞍座的应力校核 30 参考文献 34 致谢 35沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器的结构类型与发展第一章 换热器的结构类型与发展 使热能从热流体传送到冷流体的设备简称为换热设备。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、能源、制药、机械及其他的许多工业部门广泛使用的一种通用设备，是现代化工业生产中不可缺少的重要设备之一。1.1 换热器的概述 换热器肩负着将热流体的部分热量传递给冷流体的任务，是实现生产中热能交换和热能传递的必备机械设备。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等等，应用更为广泛。换热器种类也很多，根据冷流体、热流体热能交换的工作原理和方式上基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在这三类换热器中，间壁式换热器的应用最为广泛。 在工业生产中，换热设备的主要作用是将热能由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程规定的指标，来满足工艺过程上的需要。除此之外，换热设备也是回收余热、废热，特别是低品位热量的有效装置。1.2 换热器的分类 换热器出于用途、工作条件和物料的特性的差别，出现了各种不同形式和结构的换热设备，换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类愈来愈多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：1.2.1 换热器按传热方式分类4 间壁式换热器 间壁式换热器它是由温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式的换热器有管壳式、套管式和其他型式换热器。 蓄热式换热器 蓄热式换热器它是由固体物质构成的蓄热体与热流体、冷流体交替接触，把热能从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式的换热器还有旋转式、阀门切换式等等。 流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热能，在低温流体换热器把热能释放给低温流体。 直接接触式换热器 直接接触式换热器它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器，例如，冷水塔、气体冷凝器等。1.2.2 换热器按用途分类 加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但是加热流体没有发生相的变化。 预热器 预热器是优先加热流体，为工序操作提供标准化的工艺参数。 过热器 过热器是用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。 蒸发器蒸发器是用于加热流体，高于沸点以上温度，使其流体发生蒸发，一般有相的变化。1.2.3 换热器按其结构分类浮头式换热器、固定管板式换热器、U 形管式换热器、板式换热器等。1.3 换热器的结构介绍4 U型管式换热器主要是管箱、壳体以及管束等这些主要零部件部件组成，结构如图所示，在结构上，U型管式换热器比浮头式简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但是管程不易清洗，所以只适用于清洁而不易结垢的流体。 U型管式换热器，用在高温高压的情况下，因此在弯管段的壁厚要加厚，来弥补弯管后管壁的减薄增加强度。 壳程内可按实际要求安装折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，来提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）来增加壳侧介质流速。 下图1.1为U型管换热器整体外形，图1.2为剖面图 图1.1 U型管换热器整体外形图 图1.2 U型管换热器剖面图1.4 换热器的主要组合部件换热器的主要组合部分有前端管箱、壳体和后端结构。详细分类见下表1-15。 表1-1 换热器组合分类1.5 换热器的设计 在进行换热器的设计工作时，经过了多年的实际工作中总结出来的经验，形成了一套实用的设计步骤：1.5.1 估算传热面积初选换热器型号根据传热的要求，计算传热量；确定流体在换热器两端的温度，计算定性温度并确定流体物性；计算传热温度差，根据温差校正系数t0.8的原则，决定壳程数； 选择两流体流动通道，根据两流体温差，选择换热器型式；依据总传热系数的经验范围，初选总传热系数K值；由总传热速率方程计算传热面积，由S确定换热器具体型号(若为设计时应确定换热器基本尺寸)。1.5.2 计算管程和壳程压强降 依据选定型号的换热器，分别计算管程、壳程压强降，看其是否合乎工艺要求。若不合乎要求时，再调整管程数或折流挡板间距，或着重新选择其它型号换热器，并计算压强降，直到满足要求为止。1.5.3 核算总传热系数和传热面积 按照对流传热系数关联式，计算管内、外对流传热系数，选定污垢热阻，核算总传热系数值。根据该计算K值校核实际需传热面积，若选用换热器提供的传热面积比所需传热面积大1020%时，所选换热器合适。否则需另选K值，重复以上方法，直到切合实际为止。1.6 换热器的发展 近些年与换热器相关的技术不断的发展，主要有防腐技术的应用，大型化与微小化并重，强化技术、抗震技术、防结垢技术和先进的制造技术。换热器采取的有效防腐蚀措施如下： 防腐涂层在换热器与腐蚀介质接触表面，覆盖一层耐腐蚀的涂料保护层，涂层要有较好的耐蚀性、防渗性和较好的附着力和柔韧性。对水冷系统，管内清洗干净后进行预膜处理。 金属保护层常用方法有衬里、复合板(管)、金属喷涂、金属堆焊等。 电化学保护由于阴极保护因费用太高，一般不用。阳极保护是接以外用电源的阳极保护换热器，金属表面生成钝化膜而得到保护。 防应力腐蚀措施6 胀接结构，其胀管率越大，残余应力越大，那么在腐蚀介质中它的电极电位越高，腐蚀倾向越大。在同样的腐蚀介质中，与焊接结构相对比，胀接结构，尤其是当胀接时胀管率较大时，更容易发生应力腐蚀，因此在保证胀接强度及密封性的条件下，胀接压力不宜过高来控制胀接后残余应力的大小，因此减小产生应力腐蚀的可能性。必要时可改变换热管与管板的连接形式，如果用强度焊加轻微贴胀的结构代替原先的胀接结构，这种结构既可减小结构的残余应力，又能防止只焊接而产生缝隙腐蚀的可能，通过改变换热管与管板的连接形式来减小结构的残余应力，这种方法对预防换热器的应力腐蚀破裂是有效、可行的； 胀管深度应达管板底部，以消除全部缝隙； 在强应力腐蚀介质下的换热器，应对管板进行消除应力处理； 消除氯离子的浓缩条件，如采用内孔焊接，消除管头缝隙； 随着工业中经济效益与社会中环境保护的要求，制造水平的提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路与新结构的涌现，换热器将朝着更高效，经济，环保的方向发展。目前，世界各国在换热器的理论研究、新技术和新产品的开发方面已经进入了高层次的探索阶段，涉及的领域很广。换热器的新技术得到了实用化，并进一步扩大器适用的范围，具有高效、低耗、性能优越的换热器将推广使用，我们应当借鉴国外的先进换热器技术，努力赶上国外的先进水平。36沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 U型管换热器传热工艺计算第二章 U型管换热器传热工艺计算2.1 原始数据管程冷水的进口温度:管程冷水的出口温度:管程冷水的工作压力:壳程热油的进口温度：壳程热油的出口温度：壳程热油的工作压力:壳程热油的流量:2.2 确定定性温度及物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值2.2.1 管程冷水的定性温度 （2-1）根据定性温度可查取管程冷水的有关物性数据7。冷水在47.5下的物性数据如下：密度 定压比热容 导热系数 粘度 普朗特准数 2.2.2 壳程煤油的定性温度 （2-2）根据定性温度可查取壳程煤油的有关物性数据。煤油在140下的物性数据如下：密度 定压比热容 导热系数 粘度 普朗特准数 2.3 煤油的传热量与冷水流量的计算取定换热效率为则设计的煤油传热量： （2-3） =1000002.58（19090）0.981000/3600 =7023333W则管程冷水流量为： （2-4） （2-5）参数P： （2-6）参数R： （2-7）查看换热器设计手册图1-3-6(a)，将换热器按单壳程、双管程设计，可知:温差校正系数：有效平均温差:2.4 管程换热系数的计算选K值，估算传热面积。参照化工原理表4-88，初选传热系数则初选传热面积为： （2-8）选用252.56000的无缝钢管做换热管则: 管子外径 管子内径 管子长度则需要换热管根数:=根 （2-9）可取换热管根数为420根管程流通面积: （2-10）管程流速: （2-11）管程雷诺数: = （2-12）因为水被加热，则管程传热系数:2.5 结构的初步设计查参照材料GB151-1999管壳式换热器，可知管间距不宜小于1.25倍的换热管外径，查表12可知换热管管间距:管束中心排的管数为:根，取24根则壳的体内径为:（2-13）圆整后:则长径比:，在4-6之间，合理。所以折流板选择弓形折流板，那么:折流板的弓高:折流板的间距: 折流板的数量:块 取16块2.6 壳程换热系数计算壳程流通面积: （2-14）壳程流速: （2-15）壳程质量流速: （2-16）壳程当量直径: （2-17）壳程雷诺数: （2-18）根据，切去弓形面积所占的比例，可查得为0.145通过管壳式换热器原理与设计9图2-12查得壳程传热因子：管外壁温度假定值为100，壁温下煤油的粘度：粘度修正系数: （2-19）壳程换热系数:（2-20）2.7 传热系数计算查GB151-1999管壳式换热器第140页可以得知油侧污垢热阻为:水侧污垢热阻:由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计，可得总传热系数为： （2-21） 所以传热系数比值为: （合理）2.8 管壁温度计算 管外壁热流密度计算: （2-22）管外壁温度: （2-23）误差校核:，误差不大，合理。2.9 管程压力降计算查换热器设计手册P76可知，管程压力降可按照公式1-3-47计算： （2-24）式中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压降,单位Pa; 流体流过弯管因摩擦阻力引起的压降，单位Pa； 流体流过管箱进出口的压降，单位Pa； 结构校正系数，； 串联的壳程数，； 管程数，；查换热器设计手册P76，可知公式 （2-25） （2-26） （2-27）式中：管内流速，; 管内径，; 管长，; 摩擦系数 管内流体密度，其中即 ，符合压强条件。2.10 壳程压力降计算查换热器设计手册P81可知，管程压力降可按照公式1-3-75计算： （2-28）式中： 壳程压降摩擦因子 壳体内流体的流速，单位; 壳体内径，单位; 管子长度，单位； 管外流体定性温度下的密度，单位； 管外流体定性温度下的粘度，单位; 管外流体壁温下的粘度，单位; 折流板间距，单位; 壳程当量直径，单位;管外流体壁温89下粘度由，可查图1324得壳程压强摩擦因子则壳程压强 ，符合压强计算。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算与应力校核第三章 换热器强度计算与应力校核3.1 换热管材料及规格选择和根数的确定 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20#2换热管的外径GB151-1999管壳式换热器253换热管管长GB151-1999管壳式换热器60004传热面积193.35换热管根数个4206拉杆直径GB151-1999管壳式换热器表43167拉杆数量根GB151-1999管壳式换热器表4463.2 管子的排列方式序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1正三角形GB151-1999图112换热管中心距GB151-1999表12323隔板槽两侧相邻管中心距GB151-1999表121003.3 筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管中心距GB151-1999表12322换热管根数根4203分程隔板厚104到壳体内壁最短距离且不小于885管束中心排管根数根246筒体内径8367布管限定圆直径8208实取筒体公称直径JB/T4737-199510003.4 筒体厚壁的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1壳程工作压力设计任务书1.52筒体材料GB150-1998钢制压力容器1020R3设计温度下筒体材料的许用应力GB150-1998钢制压力容器1234焊接接头系数过程装备设计0.855壳程设计压力1.656筒体计算厚度7.957设计厚度9.958名义厚度GB151-1999项目5.3.2129负偏差过程装备设计010腐蚀裕量过程装备设计211有效厚度1012设计温度下圆筒的计算应力83.32513校核 合格14设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.073.5 筒体的液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2.232圆筒薄膜应力112.623校核 合格3.6 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和计算公式数值1封头内径10002设计压力1.653封头材料GB150-1998钢制压力容器16MnR4设计温度下许用压力GB150-1998钢制压力容器1705焊接接头系数过程装备设计0.856标准椭圆封头计算厚度5.737设计厚度7.738名义厚度GB151-1999管壳式换热器129有效厚度1010设计厚度下封头的计算应力83.32511校核 合格12设计温度下封头的最大许用工作压力2.8813 合格根据JB/T4737-95得：公称直径为曲面高度为 直边高度为 3.7 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和计算公式数值1设计压力2.202材料GB150-2011钢制压力容器16MnR3设计温度下许用应力GB150-2011钢制压力容器111704焊接接头系数过程装备设计0.855封头计算厚度7.646设计厚度9.647名义厚度GB151-1999项目5.3.2128有效厚度109设计厚度下封头的最大许用工作压力111.110校核 合格11设计温度下封头的最大许用工作压力2.8812 合格根据JB/T4737-95得12：公称直径为曲面高度为 直边高度为 3.8 容器法兰的选择3.8.1 设备法兰的选择按其条件设计温度140 设计压力2.0MPa由压力容器法兰选择长颈对焊法兰，相关参数如下13： 符号单位数值119511401098108810856815542211820321530螺栓规格M27螺栓数量个36最小厚度14根据压力容器法兰选取相应垫片：根据JB/T47042000选取非金属软垫片，其相应尺寸为：,. 厚度.3.8.2 接管法兰的选择、接管a、b选择相同型号的法兰，设水的流速，则 （3-1）取，设计压力为由HG/T 2059220635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件选取板式平焊法兰(PL)，公称压力为，相关数据如下14：a、b进出水口接管法兰的选择：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径HG/T20592-2009表8.2.1-