浮头式换热器的设计.docx

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课程设计
课程名称：化工原理
设计题目：浮头式换热器的设计
学院专业：环境学院环境XX
年级班别：08环境XXX班
学 号：3108XXXXXX
学生姓名：XXX
联系方式：hdpzdn@
任课教师：XXX

2011年月日
一、前言
本次课程设计的题目是浮头式换热器的设计。目的是培养我们综合运用本门课程及有关先修课程的基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力。目标为：设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。设计条件如下：管程和壳程的压力均不大于1.0MPa，管程和壳程的压力降均不大于30kPa。物料为庚烷，Wh =1750t/d。
这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。
二、方案设计
1、冷却剂的选用：冷水，＝30℃；
2、换热器型式的选择：浮头式；
3、流体管壳程的选择：冷水走管程，庚烷走壳程；
4、流体流动方向的选择：二管程+单壳程；
三、工艺设计
1、查出物料的正常沸点：＝98.4℃
2、选定物料的出口温度：＝46℃
3、选定加热剂的进出口温度：＝30℃，＝43℃
4、计算逆流传热平均温度差：

5、校正传热平均温度差：

根据查表可得， =0.87

6、计算出定性温度、和管壁定性温度
（庚烷）
（冷水）
（管壁）
7、 查出物料和加热剂的物性参数：

ρ(kg*m-3)
cp(J*kg-1*K-1)
μ(Pa*s)
λ(w*m-1*K-1)
庚烷
638
2369.7
2.5X10-4
0.107
冷水
993.4
4174
7.1X10-4
0.629
管壁（铜）的导热系数选为381.3
8、计算热负荷：

9、根据总传热系数K的大致范围，初选总传热系数定 ＝500
10、初算传热面积：

11、根据工艺条件，选定公称压力
12、根据流体物性，选定换热管材为铜
13、由初算传热面积和选定的公称压力PN，初定换热器的工艺尺寸：
实际换热面积S
公称直径DN
管长L
管径×壁厚厚
总管数n
中心排管数
管程流通面积
213.5m2
800mm
6000mm
Φ19X2
610
19
0.0539m2
管子的排列形式
管心距t
管程数
壳程数
折流扳间距h
折流板型式
正方形转45°
25mm
2
1
150mm
25%圆缺形

14、计算物料的流量和加热剂的流量：

15、计算管程流速：

因为在0.5-3m/s,所以满足要求
16、计算管程对流传热系数：
管程中的冷水n=0.4

17、计算壳程当量直径和流速

18、计算壳程对流传热系数：
液体被冷却

19、根据冷热流体的性质及温度，选定污垢热阻：
和
20、计算总传热系数：

得 =514.77
21、计算传热面积：

22、核算实际面积:
，符合要求
23、核算压力降：
⑴ 管程压力降：

对于铜,取＝0.015， 查表得
， ，

⑵壳程压力降：
F＝0.4

满足设计要求
四、结构设计
1、根据GB151-99P21表8，选定圆筒厚度为12mm
2、椭圆形封头（JB/T4737-95）：

公称直径/mm
曲面高度/mm
直边高度/mm
厚度/mm
内表面积/m2
容积
质量
固定式
800mm
200mm
40mm
12mm
0.7943m2
0.0871m33
75.1kg
浮动式
900mm
225mm
40mm
12mm
0.9911m2
0.102m3
93.39kg

3、管箱短节厚度（GB151-99P20）：12mm
4、压力容器法兰：（JB4701-92（2个甲型凹型），JB4703-92（长颈凹型））
甲型平焊法兰（凹面密封面）：

DN/mm
D/mm
D1/mm
D2/mm
D3/mm
δ/mm
d/mm
螺柱规格
螺柱数量
法兰质量 Kg
800
930
890
855
845
54
23

40
70.17

长颈凹型：(mm)

DN
D
D1
D2
D3
D4
δ
H
h
900
1040
1000
965
955
952
52
105
25
a
a1
δ1
δ2
R
d
螺柱规格
螺柱数量
δ0
17
14
12
22
12
23
M20
36
10

5、外头盖侧法兰（JB4721-92（凸型）(mm)

DN
D
D1
D2
D3
D4
δ
H
h
800
1040
1000
965
955
952
46
110
42
a1
δ1
δ2
R
d
螺柱规格
螺柱数量
δ0

14
12
26
12
23
M20
36
10

6、管板（《化工过程及设备设计》P28~36）：
固定式板式

浮动式管板式

已知：Φ = 19， D = 800， PN = 1.0MPa， = 2，查得

公称压力
Kg/ cm2

MX×L
管孔数
净重（kgf）
固定式
1.0
842
796
796
48
M24×30
642
136.2
浮动式
1.0
790
762
762
48
M24×30
642
113

7.钩圈式浮头（GB151-99P82图50） B型

8、分程隔板（GB151-99P20表6和图9）
分层隔板的最小厚度为：

9、分程隔板槽两侧相邻管中心距（GB151-99P24表12和图12）
换热管外径d
换热管中心距S
隔板槽两侧相邻管中心距Sn
19mm
25mm
38mm

10、布管限定圆（GB151-99P25表13和图13）

11、拉杆的直径、数量和尺寸（GB151-99P77~78表43、表44、表45和图42）
拉杆直径dn/mm
拉杆数量n
拉杆螺纹公称直径dn/mm
/mm
/mm

/mm

12
8
12
15

2.0

12、拉杆孔（GB151-99P27公式(16)、P28图16(b)）

螺孔深度：

13、换热管与管板的连接（强度焊）（GB151-99P71表33和图34(a)）
换热管最小伸出长度l1/mm
最小坡口深度l2/mm
1.5
2

14、折流板的厚度和外径（GB151-99P74表34、P75表41）
折流板名义外直径:
折流板直径允许偏差: 0-0.8

折流板的最小厚度为：
15、接管（《化工单元设备设计》P33和《化工原理》P350热轧无缝纲管）
a．壳程中物料庚烷适宜流速
物料初选u=1.8m/s

选择所以选取管的规格为
核算,
符合1.5m/s<u<3 m/s,故可选管的规格为
b．管程中冷水适宜流速
初选＝1.4m/s

选择所以选取管的规格为
核算,
符合 1.0m/s<u<1.5m/s, 故可选管的规格为
16、管法兰（《化工单元设备设计》P 256~258，HG20593-97）：

DN/mm
A1/mm
D/mm
K/mm
L/mm
n
Th/mm
C/mm
B1/mm
m/kg
冷水
200
219
340
295
22
12
M20
20
222
9.24
庚烷
150
159
285
240
22
8
M20
24
161
7.61

17、防冲板或导流筒（GB151-99P78~79）
由于管程不采用轴向入口且，所以不用设置防冲板
壳程，故不需设防冲板
18、鞍式支座（《化工单元设备设计》P263~267，JB/T4712-92），建议选BI型

底板
腹板
筋板
垫板

DN
Q
h
l1
b1
δ1
δ2
l3
b3
δ3
弧长
b4
δ4
e
l2
800
220
200
720
150
10
10
400
120
10
940
200
6
36
530

19、组装尺寸（JB/T4714-92P13~15）
L/mm
DN/mm
F/mm
G/mm
E/mm
6000
800
4000
4920
400
B/mm
D/mm
H/mm
/mm
C/mm
370
800
200
200
200

五、设计体会
时间如流水，转眼之间我们的课程设计即将结束。本次设计是大学以来的第一次课程设计，极为重要，同时这次课程设计让我受益匪浅。
首先，这次课程设计对培养我的实际工程能力具有重要意义。通过课程设计，我把先修课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以动用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。这次设计，初步培养了我对压力容器设计的工作能力；树立正确的设计的思想；掌握一些容器设计有基本方法和步骤，为以后进行设计工作打下了良好的基础。另外还使我能训练地应用有关参考资料、计算图表、手册；熟悉有关的国家标准，为成为一个工程技术人员在培养基本技能。
其次，我从这次设计中得到了以下经验：
1、设计前应做好计划
1). 学习计划
在设计前进行相关知识的系统学习，包括过程设备的结构特点以及autoCAD软件的熟悉；设计时对此设计内容进行学习。
2). 布图计划
①设置图层（便于整体修改）；②颜色不宜多；③细节使用应注意。
2、设计中应做到以下几点：
1).学习相关基础知识。
2).借鉴以前的实例，对别人的设计多问几个为什么。
3).向指导老师以及工厂的工程师咨询，与同学讨论。
3、关于计算
首先，计算公式必须符合规范的要求，在多种公式中选择更安全、更合理的公式；其次，计算的步骤可以参照以往的计算书或者其它资料，计算的每一步结果都要确保正确；最后，要认真地对计算书进行检查校正。
4、关于制图
首先，图框应按标准纸张画；其次，标注必须充分并且剖面的位置要正确。总之，要尽量避免错误。
最后，我想说：通过这次设计，使我的各方面的能力得到提高和增强，不仅在画图和计算机能力得到提高，还有增强了我的独立思考和创新能力。但是由于水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。
六、参考资料
1、《常用化工单元设备设计》 李功样 陈兰英 崔英德 编 华南理工大学出版社
2、《化工原理》王志魁 刘丽英 刘伟编 化学工业出版社
3、《化工过程及设备设计》
4、GB151－99
5、JB/T4737-95
6、JB/T4701-92
7、HG20593-97
8、JB/T4712-92
9、JB/T4714-92