本科毕业设计---固定管板式换热器设计.doc

沈阳化工大学本科毕业设计题 目： 固定管板式换热器设计 院 系： 能源与动力工程学院 专 业： 热能与动力工程 毕业设计任务书热能与动力工程专业班学生：毕业设计（论文）题目：固定管板式冷却器设计 毕业设计（论文）内容：文献综述CAD软件制图英文翻译毕业实习毕业设计（论文）专题部分： 起止时间： 2012 年 3 月-2012 年 6 月指导教师： 签字 年 月 日教研主任： 签字 年 月 日学院院长： 签字 年 月 日毕业设计开题报告论文题目: 固定管板式换热器的设计 学生姓名: 专业班级: 学号: 指导教师: 2013年3月1日1. 选题的目的和意义 换热器为石油化工、食品、原子能及其它化工部门所广泛使用的一种工艺设备。一般情况换热器约占石油化工装置设备总重量的40%。 近年来,随着制造技术的进步,强化转热元件的开发,使得新型高效换热研究有了较大的发展,根据不同的工艺条件与换热工况制造了不同结构形式的新型换热器,并已在化工、炼油、石油化工、制冷和制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。2.题目要完成的主要内容和预期目标本次设计的换热器是固定管板式换热器，主要完成冷却水一煤油间的热量交换。管程工作压力为0.25Mpa，壳程工作压力为0.2Mpa。设计温度壳程是75，管程为35。管程内介质是自来水，壳程内为煤油。选用石棉作保温材料，厚度为100mm。根据任务书中流体进、出口的温度计算传热负荷，确定，选定换热器形式，选取换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度。结构设计的一般顺序为:1.管箱设计，选择管箱短节、分程隔板、的材料尺寸及管箱深度。2.圆筒设计，选择合适的材料，计算结构尺寸。3.封头设计，选择封头形式，分别计算所受内压和外压。4.管板设计，确定连接形式，计算最小厚度。5.拉杆和定管距，确定拉杆的结构形式、直径和数量、布置及定管距结构尺寸。6.折流板设计，选择折流板形式、尺寸及板间距。7.容器法兰及支座的选取。8.强度校核，对上述步骤确定的结构尺寸形式进行强度校核，如不满足要求需重新进行结构设计、再校核，直至符合要求。最后通过设计计算提高换热器的传热效率和减少能源消耗，达到更高效，更节能的目的。3.进度计划1. 查阅中外文期刊文献、整理成文献综述、翻译一篇英文资料、写出开题报告。时间:第1周一第4周 2. 进行换热器传热计算、设计计算和强度校核，用Auto CAD对换热器本体图及主要零部件图进行初步绘制。时间:第5周一第7周 3. 确定结构、正式计算。（5月4日5月6日中期检查） 时间:第8周一第11周 4.完善设计说明书，初步进行结构设计，为出图做准备。时间:第12周一第14周 5. 计算说明书及图纸全部整理完毕，将电子版上交给指导教师。进一步修改图纸，准备答辩。时间:第15周一第16周 6.做答辩准备。时间:第17周一第18周 4.论文提纲一、文献综述二、传热工艺计算三、强度计算参考文献致谢附录一 英文文献及翻译附录二 实习报告指导教师意见指导教师签字: 年 月 日沈阳化工大学学士学位论文 摘要内容摘要 换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。以炼油厂为例，换热器占设备总金属消耗量的 20%左右。它既是工艺流程中的重要装备，同时又是企业减少能源消耗、降低生产成本的主要手段。由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为：直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类，其中间壁式换热器用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料比较齐全，在许多国家都有了系列化标准，工业生产中有高度的可靠性并具有广泛的适应性本课题设计一个固定管板式换热器，相对于其他几种换热器，它具有以下优点：结构简单，加工方便，造价低；在相同壳体直径内排管最多，结构紧凑，可以使用各种材质的换热管；处理介质包括有相变和无相变各种介质的换热过程。根据GB151-1999管壳式换热器、GB150-1998钢制压力容器进行设计，主要包括以下四个部分：文献综述、传热工艺计算、强度校核CAD制图。第一，文献综述：查阅与课题相关中外期刊，编写文献综述。第二，传热工艺计算：根据所给数据查的相关物性参数并计算有效平均温差；由Dittus-Boetler公式计算管程换热系数；同理，有相关公式计算壳程换热系数并初定换热器结构；再计算总传热系数；根据相关公式计算管程压降与壳程压降并进行校核。第三，强度校核：选择换热器材料、规格，排列方式；确定筒体壁厚、管箱短节壁厚与管程封头壁厚并进行应力校核与液压实验；选择设备法兰与接管法兰；设计管板的厚度并对危险工况下的管板应力、壳程法兰应力、管子应力、壳程圆筒轴向应力、拉脱力进行校核；拉杆与定距管的确定；折流板、防冲板、分程隔板的选择；接管的选择与是否需开口补强的确定；鞍座的选择及应力校核。第四，运用AutoCAD软件进行绘图设计，图纸包括装配图和拉杆、左右管板、左右管箱等零件图。换热器既可以是一种单独的设备，也可是某一工艺设备的组成部分。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。通过这次设计使我更深入的了解了影响传热过程的各种因素，并通过改变它们使之符合设计要求。同时，也因CAD作图中所遇的各种困难与错误，并在逐步的克服与改正过程中知道换热器某一部分的具体构造以及为什麽这样。关键字：换热器；换热管；固定管板沈阳化工大学学士学位论文 AbstractAbstractHeat exchanger for heat exchange operation is a common sectors, especially in the petroleum, chemical production more widely used .In the refinery, for example, the total heat consumption of metal equipment accounted for about 20%. It is an important process equipment , is also the companies to reduce energy consumption, the primary means of reducing production costs. As a worldwide energy crisis, in order to reduce energy consumption, industrial production, the demand for more and more heat exchanger, the heat exchanger quality requirements are also increasing.Heat exchanger classification diverse, according to its working principle can be divided into: direct -contact heat exchangers, heat exchanger accumulator and recuperative heat exchanger three categories, including the largest amount of recuperative heat exchanger , according to statistics, such heat exchanger 99% of the total amount .Recuperative heat exchanger can be divided into a shell and tube and shell heat exchanger types, including shell and tube heat exchanger in the long-term operation has accumulated rich experience in the design data more complete, in many countries have a standard series, industrial production has high reliability and wide range of adaptability.Design of this project a fixed tube heat exchanger, heat exchanger relative to other types , it has the following advantages: simple structure, easy processing, low cost, within the same shell diameter discharge pipe up, compact structure, you can use the kind of material tubes, treatment media including phase transition and no phase change heat transfer process a variety of media. According to GB151-1999 shell and tube heat exchangers, GB150-1998 Steel Pressure Vessels for design, including the following four sections: literature review, heat transfer process calculation, strength check CAD drawings.First, the literature review : Review and issues related to foreign journals, writing literature review .Second, the heat transfer process calculation : According to the data related to the investigation and calculation of effective physical parameters of mean temperature difference, Calculated by the Dittus-Boetler tube heat transfer coefficient, Similarly, relevant formula shell heat exchanger heat transfer coefficient and an initial structure; then calculate the overall heat transfer coefficient; calculated according to the relevant tube and shell side pressure drop pressure drop and be checked. Third, the strength check : Select exchanger materials, specifications and arrangement, determine the cylinder wall thickness, tube box with a short section of wall thickness of the tube head and conduct stress check with the hydraulic test, selection device flange and take over the flange, design tube plate thickness and dangerous conditions of the tube sheet stress, stress shell flanges, pipe stress, axial stress cylindrical shell, pull-off force to be checked, Tie with fixed pitch pipe to determine, baffles, anti-red plates, partition plates choice, takeover selection and the need to determine the opening reinforcement, saddle selection and stress check. Fourth, the use of AutoCAD software for graphic design, drawings, including assembly drawings and rod, so the tube plate, left tube boxes and other parts diagram .Heat exchanger can be either a stand-alone device, but also a part of the process equipment. Its main function is to ensure that the process media required for the particular temperature, but also improve the energy efficiency of the main equipment. Through this design makes me a better understanding of the various factors that influence the heat transfer process, and by changing them to conform to the design requirements. At the same time, also because of CAD drawing in the various difficulties encountered with errors and corrections in the gradual process of overcoming and a portion of the heat exchanger to know the specific structure and why.Keywords : Heat exchanger ; Tubes ; Fixed tube plate沈阳化工大学学士学位论文 目录目录 引言1 第一章 绪论21.1 研究的目的和意义21.2 国内外发展状况31.3 发展方向7 第二章 传热工艺计算82.1原始数据82.2 定性温度及物性参数82.3传热量与柴油的出口温度及柴油的定性温度92.4有效平均温度92.5管程换热系数计算102.6结构的初步设计112.7壳程换热系数计算112.8传热系数计算122.9管壁温度计算132.10管程压降计算132.11壳程压降计算14 第三章 强度计算153.1换热管材料及规格的选择和根数确定153.2管子的排列方式153.3确定筒体直径163.4筒体壁厚的确定163.5液压试验183.6封头厚度的计算183.7法兰的选择20 3.7.1 设备法兰的选择20 3.7.2 接管法兰的选择203.8、管板的设计213.9. 折流板的选择37 3.9.1 选型37 3.9.2 折流板尺寸37 3.9.3 换热管无支撑跨距或折流板间距37 3.9.4 折流板厚度37 3.9.5 折流板直径383.10 管箱短节壁厚的计算383.11 拉杆和定距管的确定383.12 分程隔板厚度选取393.13 支座的选择及应力校核39 3.13.1 支座的选择39 3.13.2 鞍座的应力校核41参考文献43附录一 英文文献原文46附录二 英文文献翻译63沈阳化工大学学士学位论文 引言引言换热器设备是化学工业石油工业、石油化工等生产中最重要的设备之一，为了帮助我们的复习与巩固以往学习过的专业知识，并对换热器设备有一个深入了解。毕业设计是我们在学校结束阶段的一个综合学习、训练，培养独立工作能力的重要教学环节，毕业设计作为一个独立的教学环节，不同于一门课程的学习，又不同于实际工程设计工作。毕业设计是一项学习任务，又是一项独立的创造性工作。最大限度的采用新技术成就，反映现代技术的发展水平，充分发挥独立工作能力，一定要遵循理论联系实践的原则。 由于知识贫乏与经验不足，这次设计中不可避免的会有错漏之处，敬请老师们给予谅解。44沈阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1 研究的目的和意义 随着现代工业的发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现1。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右,占总投资的30%一45%。近年来随着节能技术的发展,换热器的应用领域不断扩大,带来了显著的经济效益2。 目前,在换热设备中,管壳式换热器使用量最大。因此对其进行研究就具有很大的意义。 换热器换热过程是为了实现下列目的：通过减小设计传热面积来减小换热器的体积和质量提高已有换热器的换热能力使换热器能在较低额温差下正常工作通过减小换热器的流体阻力来减少换热器的动力消耗2 国内外发展状况2.1管程强化传热研究进展 换热管是管壳式换热器的主要组成部分，以下是列举的集中国内外新型高效换热管以及它们的作用2.1.1螺旋槽管 螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分,其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角。美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究12.1.2横纹管 华南理工大学曾研究过1974年前苏联提出的一种换热管，研究表明：在相同流速下，横纹管的流体阻力较单头螺旋槽管的流体阻力要小。22.1.3螺旋扁管 梁龙虎3经实验研究,表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,达23倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数50%以上。这是由瑞士Allares公司首先提出的一种换热管。管子具有独特结构,流体在管内处于螺旋流动,促使湍流程度。2.1.4管内插入物 英国CalGavin公司研制一种叫Heatex的插入物,它由一组延伸至管壁的圆态体组成,可使管侧传热效率提高215倍4。 该公司还开发了一种叫HitranMatrixElements的花环式插入物,能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍;用于气体工况,可使相应值提高5倍。此外,与正常流速相比,这种插入物使换热管的防垢能力提高810倍52.1.5内翅片管 内翅片管的特点是通过在换热管管内扩大换热面积，强化管内传热途径来提高换热效率。该换热管在1971年由美国提出，日本，俄罗斯等国家进行过大量研究，研究表明：内翅片管的可以使管内换热系数提高到光管的25倍62.1.6缩放管 缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成,流体在该管结构的作用下引起湍动,从而提高传热效率。缩放管应用于单相流的研究已开展很多。华南理工大学提出一种改型缩放管,将每个缩放单元段中的扩张段减到最小,并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换热特性的实验研究,表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管7。陈颖8,9经实验和模拟计算,表明该改进型缩放管有较好的强化传热效果。2.1.7三维内肋管 三维内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄,从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中,三维内肋管具有独特的自清灰功能,李清方10经实验,发现烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍,比其它强化管如螺纹管的传热效果好。2.2壳程强化换热研究进展2.2.1杆式支撑结构11 美国菲利浦石油公司于20世纪70年代,为改进传统换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用，开发了壳程流体纵流折流杆式换热器。纵流形支承结构的特征是壳程流体的流动方向与管束平行,这类换热器基本实现了壳程、管程流体的完全逆流,增大了有效平均温差,提高了传热效果。2.2.2螺旋折流板12-13 从结构上看该换热器主要包括2大类:一类是没有中心管,折流板为非整体连续的螺旋结构,其设计原理为:将圆截面的特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”中,每块折流扳占换热器壳程横剖面的1/4,倾角朝向换热器的轴线,使壳程流体做螺旋运动,减少了管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热效率。在气-水换热的情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%40%的传热面积,节省材料20%30%。另一类是设有中心管,折流板为整体连续的螺旋结构。其设计形式是折流板围绕中心管螺旋缠绕,形成整体连续的螺旋折流板结构,这种结构文献中报道较少,张正国等14和英国公司15均有相关专利。另外辽宁石油化工大学陈世醒16又提出了一种特殊形式的折流板。商利艳17等分别对螺旋角为12、18、30、40的单螺旋板折流换热器性能进行了实验研究,随着螺旋角的减小传热效果增强,但压降增大,得出螺旋角为18的综合性能最好。王树立18等实验结果表明最佳的螺旋角与壳程流体的雷诺数有关.2.2.3空心环支撑19空心环支承是由华南理工大学研发的,它是由直径较小的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同一截面上,呈线性接触,其结构如图4所示。研究表明,空心环管壳式换热器取代折流板式换热器使换热器钢材减少35%50%,气体压降减少30%40%,已成功应用于硫酸工业与石化工业。广东鹤山市磷肥厂年产4104t硫酸的工业过程中,应用该换热器比传统换热器节省换热面积50%,节省钢材40%。空心环常常与强化传热管配合使用,能够同时强化管程、壳程传热,可获得比普通光管高80%100%的传热膜系数。但空心环支承的扰流作用不如折流杆支承,而且管束固定工艺相对较复杂。3 发展方向 管壳式换热器是当今应用最广泛的换热设备,它具有高的可靠性和简单易用性。特别是在较高参数的工况条件下,管壳式更显示了其独有的长处“目前在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热,适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。综上所述,随着强化传热理论的研究,加强管壳式换热器的改进,将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合是今后换热器发展的一个重要方向。不仅要重视加强换热器传热元件的研究,而且防腐措施的强化同样具有举足轻重的作用,综合考虑各方面因素,生产高质量、低成本的换热器,在推动生产发展的同时,也会获得较高的经济效益。沈阳化工大学学士学位论文 第二章 传热工艺计算第二章 传热工艺计算2.1原始数据壳程煤油的流量壳程煤油的进口温度 120壳程煤油的进口温度壳程柴油的工作压力管程冷却水的进口温度管程冷却水的出口温度管程冷却水的工作压力2.2 定性温度及物性参数管程冷却水定性温度=30管程冷却水密度查物性表得=995.7管程冷却水比热查物性表得=4.174管程冷却水导热系数查物性表得=0.618 管程冷却水的粘度=801.510-6Pa.s管程冷却水普朗特数查物性表得Pr2=5.41壳程煤油定性温度=40+0.3(12040)=64壳程煤油密度查物性表得壳程煤油比热查物性表得壳程煤油导热系数查物性表得壳程煤油黏度壳程煤油普朗特数查物性表得Pr1=10001Cp11=12.12.3传热量与柴油的出口温度及柴油的定性温度取定换热效率为则设计传热量:冷却水流量: 2.4有效平均温度= 参数P：参数R：换热器按单壳程四管程设计， 则查管壳式换热器原理与设计图 2-6（a） 得： 温差校正系数： 有效平均温差：2.5管程换热系数计算 参考表27管壳式换热器原理与计算初选传热系数： 则初选传热面积为：选用 不锈钢的无缝钢管作换热管。 则 管子外径 管子内径 管子长度 则所需换热管根数：=380可取换热管根数为400 根 则管程流通面积为（四管程）管程流速为： 管程质量流速为： 管程雷诺数为管程传热系数为：2.6结构的初步设计：查GB1511999知管间距按取：管束中心排管数为： 取 22根则壳体内径为： 故内径为0.8m则长径比为（合理）折流板由书可知可以选择弓形折流板。则弓形折流板的弓高为： 折流板间距为： 折流板数量为： 2.7壳程换热系数计算壳程流通面积为： 壳程流速为： 壳程质量流速为： 壳程当量直径为：壳程雷诺数为： 切去弓形面积所占比例按查得为0.145 壳程传热因子由管壳式换热器原理与设计书图2-12可查得：管外壁温度假定值为：壁温下油的黏度为： 黏度修正系数为：壳程换热系数为： 2.8传热系数计算查GB1511999书第138页可知：壳程选用煤油、管程选用冷却水污垢热阻为： 由于管壁比较薄，管壳层阻力损失都不超过0.3103N/m3所以管壁的热阻可以忽略不计。所以可以计算出总传热系数为：则传热系数比为：(合理)所以假设合理。2.9管壁温度计算 管外壁热流温度计算为：管外壁温度为：误差校核：因为误差不大，所以合适。2.10管程压降计算壁温下油的黏度为：黏度修正系数：查得管程摩擦系数为：管程数 管内沿程压为：回弯压降为：取进出口处质量流速为：进出口管处压降为：管程污垢校正系数为：管程压降：2.11壳程压降计算壳程当量直径为：m壳程雷诺数为：经查壳程的摩擦系数为：0.47管束压降为：取进口管处质量流速为：取进口管压降为：取导流板阻力系数为：5导流板压降为：壳程结垢修正系数 壳程压降为：管程、壳程允许压降为： 符合压降条件沈阳化工大学学士学位论文 第三章 强度计算第三章 强度计算3.1换热管材料及规格的选择和根数确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管外径GB151-1999管壳式换热器252管长GB151-1999管壳式换热器30003传热面积管壳式换热器设计原理89.344换热管根数个4005拉杆个GB151-1999管壳式换热器表43.4416/86材料GB150-1998钢制压力容器20#3.2管子的排列方式1正三角形排列GB151-1999管壳式换热器图112换热管中心距GB151-1999管壳式换热器323隔板板槽两侧相邻中心距GB151-1999管壳式换热器443.3确定筒体直径1换热管中心距GB151-1999管壳式换热器表12322换热管根数根4003分程隔板厚同上104管束中心排管的管数根同上225筒体直径同上7726实取筒体直径考虑防冲板向上取800 3.4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工作压力给定0.252材料GB150-1998钢制压力容器Q235R3材料许用应力GB150-1998钢制压力容器2354焊接接头系数过程装备设计0.855壳程设计压力0.2756筒体计算厚度0537设计厚度2.538名义厚度3.539实取名义厚度GB151-1999管壳式换热器表8610负偏差过程装备设计111腐蚀余量过程装备设计212计算厚度313设计厚度下圆筒的计算应力35.5 14校核263.9合格15设计温度下圆筒的最大许用工作压力1.243.5液压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1试验压力0.412圆筒薄膜应力 41.23校核 合格3.6封头厚度的计算序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1设计压力0.2752材料GB150-1998钢制压力容器Q235R3材料许用应力GB150-1998钢制压力容器2354焊接接头系数过程装备设计0.855封头计算厚度0.536设计厚度2537名义厚度3.538实取名义厚度GB151-1999管壳式换热器表869有效厚度510设计厚度下封头的计算应力 35.511校核12设计温度下封头的最大许用工作压力1.2513 合格3.7法兰的选择3.7.1 设备法兰的选择按其条件 设计温度 设计压力 由压力容器法兰选择甲型平焊法兰，相关参数如下： 单位（）螺柱规格