U形管换热器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 引言 . 9 一 文献综述 . 10 . 10 . 10 形管式换热器 . 12 . 13 . 14 二 计算说明书 . 15 始数据 . 15 性温度及物性参数 . 15 热量与冷水流量 . 16 有效平均温差 . 16 程换热系数计算 . 17 程换热系数计算 . 18 . 19 . 19 . 20 程压降计算 . 21 格的选择及功能的确定 . 21 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 子的排列方式 . 22 定壳体直径 . 22 体壁厚确定 . 23 压试验 . 24 程标准椭圆形封头厚度的计算 . 24 程标准椭圆形封头厚度的计算 . 25 兰的选择 . 26 备法兰的选择 . 26 管法兰的选择 . 27 板的设计 . 27 箱短节壁厚的确定 . 29 . 30 流板的选择 . 31 . 31 . 31 . 31 流板厚度 . 31 流板直径 . 31 管及开孔补强 . 31 箱接管开孔补强的计算 . 32 程隔板厚度选取 . 33 . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 . 34 座的应力校核 . 35 三 英文文献 . 错误 !未定义书签。 四 英文翻译 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 39 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 内 容摘要 换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是在耗能用量十分大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、工况、温度和压力的换热器，其结构和型式也不相同。按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式 3类，其中间壁式换热器应用最普遍。间壁式换热器在各工业部门中的使用极其广泛，担负着多种换热任务，由于它们的使用条件和要求差别很大，如容量、温度、压力和工作介质的性质等，涉及的范围极广，因此换热器的结构型式也多种多样。间壁式换热器，从作为换热面的 间壁形式看，主要分为管式和板式两大类。 管板、壳体、管束等零部件组成，重量较轻。在同一直径情况下换热面积最大，结构简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小。 U 形管式换热器的典型结构是只有一块管板，管束由多根 的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与 会产生热应力。其主要缺点是 管板的利用率较差，管内不易清洗， 本设计主要完成的是水蒸气 冷凝水的热量交换，设计压力 程压力为 程冷却水进，出口温度分别为 38 7 C，壳程水蒸气气进出口温度分别为 5 C，传热面积 134，采用 体 00。通买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 过设计计算提高换热器的热效率和减少能源消耗，达到 更高效，更节能的原则。 关键词 ：换热器 ; 法兰 ; 水蒸气 ; 冷凝水买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 be as a It is in in of a of in to of By of of be of in in of is a of of as of a of is a of as a of is a of a by of In 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 it is of is of a by at of in in It It is is a of is to of is 8 C 7 C. C 5 C, 34 is of N = 900. of to ey 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 引言 换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备 ，自从 21世纪以来，各国的换热器水平都有了长足的发展，我国的换热器技术在我国各方面人才的努力下也有了很大提高，本次设计就是在已有的计算基础上进行的，此次设计强调了节能与效率这两大主题。 在查阅了管壳式换热器原理与设计传热学等书的基础上，结合换热器设计的资料，进行了这次设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 一 文献综述 热器在化工生产中的应用 换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，它是化工，炼油、动力、 油田储运集输系统和原子能及其许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。在化工厂换热器约占总投资的 10%在炼油厂换热器约占全部工艺设备投资的35%由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需要。 热器的分类及其特点 换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是在耗能用量十分大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的 种类开发越来越多。适用于不同介质、工况、温度和压力的换热器，其结构和型式也不相同。按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用条件和工作环境不同，换热器又有各种各样的形式和结构。在生产中有时把换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式 3 类，其中间壁式换热器应用最普遍。 间壁式换热器在各工业部门中使用极其广泛，担负着各种换热任务，例如用以加热、蒸发、冷凝和废热回收等。由于它们的使用条件 和要求差别很大，如容量、温度、压力和工作介质的性质等，涉及的范围极广，因此换热器的结构型式也多种多样。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 间壁式换热器，从作为换热面的间壁形式看，主要分为管式和板式两大类。管壳式、套管式换热器的换热面由管子构成，属于管式换热器 ;板翅式、板式换热器的换热面由板片构成，属于板式换热器。各种间壁式换热器的特征、工作特性、允许的使用范围等差别很大，其结构设计、热计算也各有特点。管壳式换热器又称为列管式换热器，它属于间壁式换热器。按照有无温度补 U 形管式换热器的研究与优化设计偿及补偿方法的不同，管壳式换热器主要分 为下列几种： (1)固定管板式。固定管板式换热器的典型结构是管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低 ;壳程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点是当管束与壳体的壁温差或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢的场合 ;管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。 (2)浮头式。浮头式换热器的典型结构是两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动称为浮头。浮头由浮头管板、钩 圈和浮头端盖组成，是可拆联接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便 ;但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。它适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。 (3) U 形管式。 U 形管式换热器的典型结构是只有一块管板，管束由多根 的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与 U 形换热管有温差时，不会产生热应力。其主要缺点是 U 形管 具有一定的弯曲半径，故管板的利用率较差，管内不易清洗， U 形管更换困难。 U 形管换热器结构比较简单、价格便宜，承受能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 (4)填料函式。换热器两管板中一块与法兰通过螺栓固定连接，另一块类似于浮头，与壳体间隙处通过填料密封，可做一定量的移动。此结构的特点是结构较简单，加工、制造、检修、清洗较方便，但填料密封处易产生泄漏。填料函式换热器适用于压力和温度都不高 、非易燃、难挥发的介质传热。 在近代的许多化工过程中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高温高压下进买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 行，有的压力高达 250度高达 7500C，在这样的条件下，尤其还存在腐蚀的情况下，实现换热更困难。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗和金属消耗 ;另一方面，随着精细化工的迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展的趋势，管壳式结构的换热器能满足这样的要求。 1 管式换热器 U 形管式换热器是管壳式换热器的一种，由管板、壳体、管束等零部件 组成，重量较轻。在同一直径情况下换热面积最大，结构简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小。其优点是 : (1)管束可抽出来机械清洗 ; (2)壳体与管壁不受温差限制 ; (3)可在高温、高压下工作，一般适用于温度小于等于 500 C，压力小于等于 10(4)可用于壳程结垢比较严重的场合 ; (5)可用于管程易腐蚀场合。 U 形管式换热器壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板，以增加壳侧介质流速。为了进一步开展设计，还必须选择冷热流体的流动 通道，在 U 形管式换热器中可根据以下原则选择 : (1)因为 U 形管内清洗不方便，所以不洁净和易结垢的液体宜在壳程 ; (2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀 ; (3)压力高的流体宜在管程，以免壳体承受压力 ; (4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较洁净，一般给热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出 ; (5)被冷却的流体宜走壳程，以便于散热 ; (6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，使给热系数大的流体通入壳程，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 以减少热应力 ; (7)流量小而粘度大的流体 一般通入壳程为宜。 1 壳式换热器的研究现状 管壳式换热器是石油、化工装置中应用最广泛的换热设备。由于管壳式换热器结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。虽然现在出现了波纹板换热器、板壳式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等结构紧凑、高效的换热设备，但管壳式换热器仍占据着主导地位。因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀性等特点，而管壳式换热器具有选材范围广 (可为碳钢、低合金钢、铝材、铜材、钦材等 )，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力 大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器广泛应用，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定着换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板 (或折流杆 )。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。管壳式换热器中换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两种不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给 温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，实现了两流体换热的工艺目的。一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性 : (1)耐高温高压，坚固、可靠、耐用 ; (2)制造应用历史悠久，制造工艺及操作、维修、检验技术成熟 ; (3)选材广泛，适用范围大。 从间壁式换热器的发展史来看，管壳式换热器的技术提高受到下列因素的限制 : (1)流体热附面层热阻的限制。即使是湍流流动，在流体与固体壁之间也要生一层附面层 (又称边界层 )，而其中接触固体壁的一层称为层流底层，其流动性质为层买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 流流动，它是靠分子扩散进行传导传热的，传热速率很小。这一厚度仅为 3薄层，其热阻几乎占了整个附面层热阻的 80%。进一步减薄、破碎、离和清除这个薄层，都可以逐步提高换热器的传热量，它是提高换热器技术的关键之一。 (2)流体压力损失的限制。通过提高流体速度，可以减薄附面层的厚度，从而提高传输的热量。但是，提高流体速度却引起一个矛盾的后果，流体的压力损失增加，其增加的速率巨大，所以不得不降低流速来接受较低的传热系数。 (3)扩大传热面积的限制。扩大传热面积是提高预热温度和增加热回收率的简单而有效的 办法，但却受到换热器成本和价格提高、换热器尺寸扩大与安装重量加大、换热器体积庞大与运输车辆超重等等的限制。 1. 5 本文设计的主要内容 本台设计的换热器是 要完成冷却水 水蒸气的热量交换，设计压力为管程 程压力为 程冷却水进，出口温度分别为 38 7 C，壳程水蒸气进出口温度分别为 5 C，传热面积 134，采用 体 00。通过设计计算 提高换热器的热效率和减少能源消耗， 达到 更高效，更节能的 原则。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 二 计算说明书 始数据 壳程水蒸气的进口温度 错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 壳程水蒸气的出口温度 错误 !未找到引用源。 =95 壳程水蒸气的工作压力 错误 !未找到引用源。 =程冷却水的进口温度 错误 !未找到引用源。 =38C 管程冷却水的出口温度 错误 !未找到引用源。 =97C 管程冷却水的工作压力 错误 !未找到引用源。 = 管程冷却水的流量 2G =120t/h 性温度及物性参数 管程冷水定性温度 错误 !未找到引用源。 (38+97)/2=64 C 错误 !未找到引用源。 管程冷水密度查物性表得 错误 !未找到引用源。 =981 3m 管程冷水比热查物性表得 错误 !未找到引用源。 =g 错误 !未找到引用源。 C 管程冷水导热系数查物性表得 错误 !未找到引用源。 =m 错误 !未找到引用源。C 管程冷水黏度 错误 !未找到引用源。 =106 误 !未找到引用源。 s 管程冷水普朗特数查物性表得 程水蒸气定性温度 2/)( 111 5） =150C 壳程水蒸气密度查物性表得 错误 !未找到引用源。 =3m 壳程水蒸汽比热查 物性表得 错误 !未找到引用源。 =g C 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 壳程水蒸气导热系数查物性表得 错误 !未找到引用源。 =m C 壳程水蒸气黏度 错误 !未找到引用源。 =510 误 !未找到引用源。 s 壳程水蒸气的普朗特数查物性表 热量与冷水流量 取定换热效率为 =查表得 r=10 则设计传热量 : 3 6 0 0/1 0 0 0)( 22220 p 错误 !未找到引用源。 120000 (97 1000/3600 错误 !未找到引用源。 8060108（ W） 则加热水流量： )(/ 21101 p=s 有效平均温差 )/()l n (/)()( 21212121 n =数 p： )/()( 2122 数 R： )/()( 2211 热器按单壳程两管程设计 经查找管 可是换热器原理与设计图 2： 温差校正系数： =有效平均温差： nm 0 C 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 程换热系数计算 参考表 2 7 错误 !未找到引用源。 管壳式换热器原理与设计 初选传热系数： )m/(1000 20 则初选传热面积为： )/( 000 m 选用 错误 !未找到引用源。 不锈钢的无缝钢管作换热管。 则管子外径 管子内径 子长度 =5m 则所需换热管根数： )0/0 t 570 根 可取换热管根数为 580 根 则管程流通面积为 : )44/(2 it m 管程流速为： )3600/( 222 =s 管程雷诺数为 : 12111e /R 程传热系数为： 100/() 6 0 5 4834 结构的初步设计： 经查阅工程手册 得管间距可按 ， 管间距为： s=程隔板槽两侧相邻管中心距 束中心排管数为 : N 6 根 取 错误 !未找到引用源。 26 根 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 则壳体内径为： 04)1( 内径 长径比为 : 理 。 选择单弓形 折流板。则弓形折流板的弓高为： 流板间距为 : 3/流板数量为： 1/ b 9 块 程换热系数计算 壳程流通面积为： )/1( 01 i m 壳程流速为： 1111 3600/ s 壳程质量流速为： 111 W s 壳程当量直径为： 0202 /)( 程雷诺数为： 1111e /R 去弓形面积所占比例按 : 过查阅图 4 38b 得为 程换热因子经过查阅图 2 12 得 20 错误 !未找到引用源。 管壳式换热器原理与设计 管外壁温度假定值为： 120 C 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 壁温下水的黏度为： 错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 黏度修正系数： ( 程传热系数： e 3/11 7180 热系数计算 查阅工程手册 138 页可得： 管程水侧污垢热阻为： r 2 壳程污垢热阻为 :错误 !未找到引用源。 =2 管壁热阻 r 忽略 ,则总传热系数为： ii 20211111=1100 则传热系数比为： 0/ 以假设合理。 壁温度计算 管外壁热流密度计算为： ) 001 t 59010W/ 2m C 外壁温度为： )/1( 21211 w 误差校核： 21 ww 所以误差不大，合适。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 程压降计算 管内壁温度 : )1( 110222 92 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 壁温下水的黏度为： 2w 510 黏度修正系数： ( w 得管程摩擦系数为： 2 程数 错误 !未找到引用源。 2 管内沿程压降为： 222222 i ti d a 回弯压降为： P 42 222 a 取进出口处质量流速为： 1600 进出口管处压降为： 2212 2 5.1P a 管程污垢 校正系数为： 错误 !未找到引用源。 管程压降为： 222 )( a 管程允许压降 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 即管程压降符合要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 程压降计算 壳程当量直径： 诺数 6656 查得壳程摩擦系数： 错误 !未找到引用源。 （ 错误 !未找到引用源。 管壳式换热器原理与设计图 3 管束压降： 11112 )1(22 2273进出口质量流速： sm/1 进出口压降： P 111 22 1055导流板阻力系数： 错误 !未找到引用源。 （取 5 导流板压降： P 112 2 6330程结垢修正系数： 错误 !未找到引用源。 程压降： 101 12273 330+1055=25549程允许压降： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源 。 1 符合要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 热管材料、规格的选择及功能的确定 序号 项 目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 换热管外 径 d0 误 !未找到引用源。 管壳式换热器 25 2 管长 L 上 3000 3 传热面积 F 管壳式换热器原理与设计 换热管根 数 t 0580 5 拉杆 d/ 误 !未找到引用源。 管壳式换热器表 43、44 6 6 材料 钢制压力容器选 20 钢 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 正三角形排列 误 !未找到引用源。 2 换热管中 心距 S 误 !未找到引用源。 32 3 隔板槽两侧相邻管最小中心距 Sn 误 !未找到引用源。 100 定壳体直径 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 S 误 !未找到引用源。 32 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 表 12 2 换热管根 数 t 0580 3 分程隔板 厚度 误 !未找到引用源。 表 6 10 4 管束中心 排管数 误 !未找到引用源。 26 5 筒体直径 Di 4)1( 900 6 实取筒体 直径 Dn 误 !未找到引用源。 900 体壁厚确定 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 工作压力 P 定 材料 误 !未找到引用源。 16 材料许用 应力 t 误 !未找到引用源。 表 470 4 焊接接头 系数 过程设备设计 壳程设计 压力 P c ) 筒体计算 厚度 mm 2 设计厚度 d 名义厚度 n 1 10 9 实取名义 厚度 n 误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 10 10 负偏差 C1 过程设备设计 0 11 腐蚀裕量 过程设备设计 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 12 有效厚度 1 8 13 设计厚度下圆筒的计算应力 t P 2 )( 121 14 校核 t 格 15 设计温度下圆筒的最大允许工作压力 )(2 压试验 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 试验压力 t= 圆筒薄膜 应力 t P 2 )( 常温下材料强度指标 s 过程设备设计表 45 4 校核 未找到引用源。 T 未找到引用源。 格 程标准椭圆形封头厚度的计算 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 设计压力 c=( 工作压力 P 定 材料 制压力容器 164 材料许用 应力 t 钢制压力容器 表 470 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 5 焊接接头 系数 过程设备设计 封头计算 厚度 mm 2 设计厚度 d 名义厚度 n 2 10 9 实取名义 厚度 n 壳式换热器 10 10 负偏差 C1 过程设备设计 0 11 腐蚀裕量 过程设备设计 2 12 有效厚度 e 1 8 13 设计温度下封头的计算应力 t P 2 )( 121 14 校核 t 格 15 设计温度下封头的最大允许工作压力 )2 6 公称直径 Dn 体公称直径 900 17 曲面高度 h1 B/00 18 直边高度 B/0 程标准椭圆形封头厚度的计算 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 设计压力 c=( 工作压力 P 定 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 26 3 材料 钢制压力容器 164 材料许用 应力 t 钢制压力容器 表 470 5 焊接接头 系数 过程设备设计 封头计算 厚度 mm 2 10 7 设计厚度 d 10 8 名义厚度 n 2 10 9 实取名义 厚度 n 误 !未找到引用源。 管壳式换热器 10 10 负偏差 C1 过程设备设计 0 11 腐蚀裕量 过程设备设计 2 12 有效厚度 e 1 8 13 设计温度下封头的计算应力 109 14 校核 t 格 15 设计温度下封头的最大允许工作压力 )2 6 公称直径 Dn 体公称直径 900 17 曲面高度 h1 B/00 18 直边高度 B/0 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 27 兰的选择 备法兰的选择 按其条件 00计温度 97 错误 !未找到引用源。 设计压力 压力容器法兰，选择乙型平焊法兰，连接面形式为突面，相关参数如下：单位（ D 3 H h R d 螺柱规格 螺柱数量 1060 1015 966 1275 52 16