水油浮头式换热器设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 下载文档就送 纸全套 14951605 或 1304139763 沈阳化工大学科亚学院 本 科 毕 业 设计 题 目： 流量为 270t/h 水油浮头式换热器 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 过控 1201 学生姓名： 杨 晨 指导教师： 王昭春 论文提交日期： 2016 年 6 月 2 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 5 日 毕业设计（论文）任务书 过程装备与控制工程 专业 过控 1201 班 学生： 杨晨 毕业设计（论文）题目： 流量为 270t/h 水油浮头式换热器 毕业设计（论文）内容： 有关换热器综述一篇； 设计说明书一份； 绘制 张以上。 毕业设计（论 文）专题部分 ： 浮头式换热器 起止时间： 2016 年 3 月 16 日 2016 年 6 月 8 日 指导教师 :_王昭春 2016 年 3 月 1 日 摘要 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快。浮头式换热器是作为一种广泛应用于石油、化工、食品、动力和原子能等工业部门的换热设备，尤其是在化工机械领域有着重要的意义。在工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷 却器和凝汽器等；换热设备的主要作用是使热量相互传送，使温度达到工艺过程规定的标准，以满足工艺过程的需要。换热器中的管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备，已作为一种标准换热设备。本次的设计为浮头式换热器，浮头式换热器主要是由管箱、管板、壳体、折流板、换热管、拉杆、钩圈、定距管、浮头盖等组成。浮头换热器的一端是管板与壳体固定，另一端为浮动的管板。因此其优点为热应力比较小，于检查，清洗。缺点为结构比较复杂。 本次换热器设计的壳程介质为水，管程介质为油。流量为 270t/h，壳程的工作温度为 180 ，管程的 工作温度为 100 。本次设计主要分为两个部分，第一部分传热工艺的计算，第二部分强度的计算。在传热计算工艺中，包括有传热面积的计算，传热量、传热系数的确定和换热器内径以及换热管型号的选择，以及传热系数、压降及壁温的验算等等问题。在强度计算中主要讨论的有筒体、管箱、封头、管板厚度计算及折流板、法兰、垫片和接管、支座、分隔板等零部件的设计，安装，组合，还要进行一些强度校核。本设计是按照 壳式换热器和 制压力 容器设计的。换热器在工、农业的各个领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随 处可见，是不可能缺少的工艺设备之一。随着研究的深入，工业上的应用也取得了惊人的成果。 随着社会的进步与科技的发展，换热器的设计技术也在不断的更新，现有的科研成果以后的前景必将更加美好，给生活带来了很大的方便。换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用尤为普遍，特别是耗能用量非常大的领域，随着节能技术的快速发展，换热器的种类开发也越来越多。换热器是在化学、石油化学及石油炼制工业以及其他一些行业中普遍使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中也 占有非常重要的地位。 关键词 : 浮头式换热器 ; 换热管 ; 加热器 In of is by is to of of in to of In is a as a is it is up of so of is is So its to On of it of in of 70 t/h, 80 , 00 . In of on to of of is of is is is In of of of of it of so is of of my is a be be in in is of is a in it be as a of in 目 录 第一章换热器的工艺计算 . 1 始数据 (设计已知条件 ) . 1 性温度及确定物性参数 . 1 热量与物料的计算 . 1 效平均温差的计算 . 2 程结构初步设计 . 2 程换热系数的计算 . 3 热系数的计算 . 4 壁温度的计算 . 4 程压降的计算 . 4 程压降的计算 . 5 第二章结构设计 . 6 热管材料及规格的选择和根数的确定 . 6 管方式的选择 . 6 体内径的确定 . 7 体壁厚的确定 . 8 体水压试验 . 9 箱侧封头厚度的确定 . 9 头侧封头厚度的确 定 . 10 备法兰的选择 . 11 箱侧法兰的选择 . 11 头侧法兰的选择 . 11 管法兰的选择 . 12 头换热器管板的设计计算 . 12 头设计计算 . 15 程压力（内压）作用下浮头盖的计算 . 15 程压力（外压）作用下浮头盖的计算 . 16 程压力作用下浮头法兰的计算 . 16 程压力作用下浮头法兰的计算 . 19 圈的选择 . 21 动管板的选择 . 21 流板的选择 . 22 箱短节壁厚计算 . 23 程与壳程短节的计算 . 23 冲板的选择 . 23 管及开孔补强 . 23 座的选择 . 25 向应力校核 . 26 向切应力校核 . 26 向应力校核 . 27 座腹板应力 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 绪论 浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中 应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，即壳侧两程，管侧四程。首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构 ,然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，设计的前半部分是工艺计算部分，主要设根据设计传热系数、压强校核、壳程压降、管程压降的计算；设计的后半部分则是关于结构和强度的设计。主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如壳体、折流板、管箱固定管板、分程隔板、拉杆、进出口管、浮头箱、浮头、支座、法兰、补强圈）的设计。 换热器是国民经济和工业 生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96 。换热设备在现代装置中约占设备总重 30 左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约 70 。其余 30 为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备。其中板式、螺旋板式、板翅式以 及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。随着我国工业化和城镇化进程的加 快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持 稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。 未来散热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢 制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。 换热器在工业生产和生活的各个领域都得到了广泛的应用，而且其功作性能的优劣直接影响着整个装置和系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要，所以一个合理的换热器应满足一下的几点要求： （ 1） 在给定的工作条件（流体流量、进口温度等）下，达到要求的传热量和流体出口温度； （ 2） 流体压降要小，以减小运行的能量消耗； （ 3） 满足外形尺寸和重量要求； （ 4） 安全可靠，满足最高工作压力，工作温度以及防腐、防漏、 工作寿命等方面要求； （ 5） 制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证，以减少初投资； （ 6） 安装、运输以及维修方便等。按照设计要求，在结构的选取上，为了增大压差校正系数，采用了壳侧两程管侧四程。 通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构，然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计。在结构设计时，要考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、流体性质以及拆卸等等。之后对有些部件进行强度校核并进行对其优化设计。 热设备的应用 浮头式换热器由于管束的膨胀不 受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗，在化工工业中应用非常广泛。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热和废热，特别是低位热能的有效装置。 热器设备的分类 按作用原理分类 : （ 1） 直接接触式换热器 （ 2） 蓄热式换热器 （ 3） 间壁式换热器 （ 4） 中间载流体式换热器 按作用方式分类 : （ 5） 管式换热器 （ 6） 板面式换热器 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器传热工艺计算 1 第 一 章 换热器 的 工艺计算 始数据（设计已知条件） 已知： 机油（管程）进口温度 :180 ；出口温度 :100 冷水（壳程）进口温度 :20 出口温度 :80 工作压力 :管程 :P=壳程 :P=热管材料 :体规格 700；管箱规格 800；传热面积 :85性温度及确定物性参数 查工程常用物质的热物理性质手册机油和液态水 表 1程常用物质的物理性表 进口温 度 出口温 度 平均温 度 密度 /压比热容J/ 导热数 W/（ m ） 黏度 Pas 普朗特 数管程 180 100 140 40 81416 壳程 20 80 50 0178 热量与物料 的 计算 第一次选择传热面积为 850A 2m 换热器选 25 无缝钢管 管子外径 管子内径 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器传热工艺计算 2 初选换热管长度 所需换热管 数 5000 (1 则取换热管根数 361 流通面积（管程）： 221 (1流速（管程）： 7 0 0 0 0360011 11 (1雷诺准数（管程） : 331111 6 ie 效平均温差的计算 逆流的平均温度差： = 参数 S： 0201 801 001112 参数 R： 01 8080201221 换热器按单壳程两管程设计，查化工工艺设计手册 5图 7 温差修正系数为： 效平均温差： (1程结构的初步设计 一般按等边三角形排列时，流体流动方向和三角形的一条边垂直，最内侧六边形边长等于 S ，在管板周边与六边形的边之间有六个弓形部分内部排列管子，但当层数 a6 时，则在这些弓形部分也应当排列管子，这时最外层管子的中心不能超出沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器传热工艺计算 3 最大六边形的外接圆周。 管束中心排管数： N 取 20故壳体内径为： 0 取 长径比 （设计合理） 弓形折流板弓高： 2.0h 折流板间距： i (1折流板数量 : 1 (1程换热系数的计算 壳程当量直径 t 2 壳程流通面积 202 (1壳程流速 2 0 0 2222 (1壳程雷诺准数 572222 gg (1壳程质量流速 壳程传热因子 22515 P a 1 5 w 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器传热工艺计算 4 1131221 4 2 12 2 4 1 (1热系数的计算 查 第 138 页可知， 管程机油垢热阻 1r = . /w, 壳程机油污垢热阻 2r = . /w, （管壁热阻忽略 ） 故 合理 壁温度的计算 管壁外壁热流密度计算：2001 3 4 3 6 误差校核： 15 = 误差不大，合适。 程压降的计算 壁温下水的黏度 62 1014850管 内壁温度 iw (1黏度修正系数 w 查得管程摩擦系数 ；管程数 2n 管内沿程压降 0 1 3222222 取进出口处质量流速n 22 907沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器传热工艺计算 5 回弯压降 2 622222 进出口管处压降 22222 225 钢管可取 d 管程压降 8 1 022 (1管程允许压降 =50000符合要求） 程压降的计算 壳程当量直径为 20202 m (1 壳程摩擦系数 管束压降 111211 取进出口质量流速n 21 1 1壳程雷诺数45111 2 6 1 1 ee 进出口管压 181 取导流板阻力系数 5d ， 壳程结构修正系数 05.1d壳程压降 6 6 5102 壳程允许压降 =50000 12 壳程压降符合要求 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 6 5000 第二章 结构设计 热管材料及规格的选择和根数的确定 表 2热管的选择及根数统计 管方式的选择 表 2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 11 （ 2） 换热管中心距 S 12 50 （ 3） 隔板槽两侧相邻管中 心距 12 44 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） 换热管规格 25000 （ 3） 传热面积 A 2m 85 85 （ 4） 换热管根数 N 根 361 （ 5） 拉杆直径 管壳式换热器表 16 （ 6） 拉杆数量 根 管壳式换热器表 6 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 7 5000 体内径的确定 表 2体内径尺寸 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 S 12 50 （ 2） 换热管 根数 根 361 （ 3） 管束中心排管根数 根 N 20 （ 4） 换热管 外径 0D 25 （ 5） 筒体内 径 7 0 80 2 708 （ 6） 实取筒体公称直径 473700 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 8 体壁厚的确定 表 2体壁厚尺寸表 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 （ 1） 计算压力 P aP c 2） 筒体内径 见三 00 （ 3） 筒体材料 （ 4） 设计温度下筒体材料的许用应力 t 13 （ 5） 焊接接头系数 6） 筒体计算厚度 32 7 0 ct 7） 腐蚀裕量 2C 1 （ 8） 负偏差 1C 9） 设计厚度 d 10） 名义厚度 n 取 8 （ 11） 有效厚度 e 12） 设计厚度 下圆筒 t 2 e P 13） 校核 9 6 . 0 5 P a 合格 （ 14） 设计温度下圆筒的最大许用工作压力 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 9 体水压试验 表 2力的测试与校核 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） 圆筒薄膜应力 2 3） 校核 M p T 合格 箱侧封头厚度的确定 表 2头定性系数表 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 （ 1） 封头内径 700 （ 2） 计算压力 3） 焊接接头系数 4） 封头材料 16（ 5） 设计温度下许用压 力 t 目 70 （ 6） 标准椭圆封头计算厚度 7） 腐蚀裕量 2C 1 （ 8） 负偏差 1C 9） 设计厚度 d 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 10 （ 10） 名义厚度 n 目 （ 11） 设计压力下筒体的计算应力 t P 12） 校核 0 合格 管箱侧封头尺寸：公称直径 700面高度 175表面积 m ； 质量 边高度 40 头侧封头厚度的确定 表 2头定性系数表 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 （ 1） 封头内径 800 （ 2） 计算压力 3） 焊接接头系数 4） 封头材料 16（ 5） 设计温度下许用压 力 t 目 13 （ 6） 标准椭圆封头计算 厚度 328 0 7） 腐蚀裕量 2C 1 （ 8） 负偏差 1C 9） 设计厚度 d mm 10） 名义厚度 n 目 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 11 （ 11） 有效厚度 e mm 12） 设计压力下筒体的 计算应力 （ 13） 校核 M P 3 t 合格 （ 14） 设计温度下筒体的最大许用工作压力 D 校核合格 浮头侧封头尺寸：公称直径 800深度 175边高度 40表面积 m 。 备法兰的选择 选用 4700力容器法兰 9中的法兰可免除 的有关计算。 箱侧法兰的选择 按尺寸条件 00计压力 量 压力容器法兰选择长颈对焊法兰，相关参数见表：单位（ D 3 H h 1 2 R d 螺柱规格 螺柱数量 860 815 776 763 50 120 35 16 32 12 27 8 由压力容器法兰 9选择相关垫片：选用非金属软垫片 其相关尺寸为： D=765d=715 =3 头侧法兰的选择 按尺寸条件 i+100=800计压力 计温度 180 ， 重量 压力容器法兰 9选择长颈对焊法兰，相关参数见表：单位（ 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 结构设计 12 D 2 H 1 a d 格 数量 800 915 876 866 48 115 16 21 27 18 4 由压力容器法兰 9选择相关垫片：选用非金属软垫片 其相关尺寸为： D=865 d=815 =3 管法兰的选择 接管 a、 b 选择相同型号法兰，设液体流速 s， 0 01 7 0 0 0 0 (2取 d=200计压力 用板式平焊钢制法兰，尺寸参数见表：单位（ 接管 d， h 选择相同型号法兰，设计压力 d=200，选用板式平焊钢制法兰，尺寸参数见表：单位（ 1 D K L n B1 b 法兰理论重量（ 200 219 340 295 22 12 6 222 8 管 e， f， m 选择相同型号法兰，取 d=20计压力 用板式平焊法兰，尺寸参数见表：单位（ 1 D K L n 兰理论重量（ 20 25 90 65 11 4 4 26 管 g， c 取 d=50计压力 用板式平焊法兰，尺寸参数见表：单位（ 1 D K L n 兰理论重量（ 50 57 165 125 18 4 0 59 头换热器管板的设计计算 根据换热管外径 50 查管壳式换热器原理与设计 16 知管板最小厚度1 D K L n B1 b 法兰理论重量 （ 200 219 360 310 26 17 2 222 8 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文