蒸汽凝液冷凝器毕业设计说明书

1、摘要换热器是石油、化工、动力食品以及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中，换热器可以作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器，应用十分广泛。换热器种类很多，但根据冷热流体热量交换的原理和方式，基本可分三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。间壁式换热器中的u型管式换热器在化工生产中较为常用。本设计是关于u型管换热器的设计，用冷却水冷却低压蒸汽。根据最新的技术标准，结合传统的设计方法，经过结构设计、强度校核以及换热器的制造、检验、安装、维修等步骤，完成了该设计。其中结构设计主要包括管箱、圆筒、管板、折流板、防冲挡板、旁路挡板、接管和法兰、容器法兰、支座等的设计；强度校核包括

2、筒体、封头、垫片、管箱短节、开孔补强、法兰、管板的校核。关键词：换热器 u型管 设计 校核 abstractthe abstract heat interchanger is the petroleum, chemical, power foodas well as other many industry sectors general purpose equipment,holds the important status in the production. in the chemicalproduction, the heat interchanger may as the heater

3、, the chiller, thecondenser, the evaporator and boiling, the application really for isagain widespread. heat interchanger type very many, but acts accordingto the cold heat flow body interchange of heat the principle and theway, is basic may divide three big kinds, namely next door type, mixedstyle

4、and regeneration type. in the next door type heat interchanger utubular heat exchanger is commonly used in the chemical production.this design is about the u tube heat interchanger design, cools thelow pressure steam with the cooling water. according to the newestindustry standard, the union traditi

5、on supposes the method, processstep and so on structural design, intensity examination, moreover alsoinvolved the heat interchanger manufacture, the examination, theinstallment, the service, has completed this design. structural designmainly includes the tube box, the cylinder, the tube plate, theba

6、ffle, guards against flushes the back plate, the bypass back plate,takes over control with the flange, the vessel flange, the support andso on the design; the intensity examination including the tube body,seals, the filling piece, the tube box short festival, opens kongbuqiang, the flange, the tube

7、plate, the saddle type supportexamination.key word: heat interchanger u tube design examination毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教

8、师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录摘iabstractii目录iii绪论1设计任务书3第一章 壳程圆筒计算41.1 计算条件41.2 厚度及重量计算41.3 压力实验时应力校核51.4 压力及应力计算5第二章 前端管箱筒体计算62.1 计算条件62.2 厚度及重量计算62.3

9、 压力试验时应力校核62.4 压力及应力计算7第三章 前端管箱封头计算73.1 计算条件73.2 厚度及重量计算83.3 压力计算8第四章 后端管箱封头计算94.1 计算条件94.2 厚度及重量计算94.3 压力计算10第五章 筒体法兰计算105.1 设计条件105.2 螺栓受力计算115.3 力矩计算125.4 螺栓间距校核125.5 形状常数确定135.6 法兰应力校核13第六章 前端管箱法兰计算146.1 设计条件146.2 螺栓受力计算156.3 力矩计算166.4 螺栓间距校核166.5 形状常数确定176.6 法兰应力校核17第七章 管板及换热管计算187.1 管板187.1.1设

10、计条件187.1.2 管板各个参数197.2 换热管207.2.1 计算条件207.2.2 参数计算207.2.3 管板厚度或管板应力计算 （a型）217.2.4 换热管轴向应力计算及校核217.2.5 换热管与管板连接拉脱力校核22第八章 开孔补强计算228.1 接管a.c.d 228.1.1 设计条件228.1.2 开孔补强计算238.2 接管248.2.1 设计条件248.2.2 开孔补强计算258.3 接管e268.3.1 设计条件268.3.2 开孔补强计算27设计小结29参考文献30绪论1. 换热器及其研究现状换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工行业中是主要的工艺设备之一。

11、因此，换热器的研究倍受重视。从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的实验研究一直都在进行。换热器是节约能源的有效设备，在七十年代发生能源危机以来，更是倍收重视。1.1近年来换热器及其传热技术的现状：目前世界上每年发表的有关传热及换热设备方向的文献约在六千篇以上，研究的重点是传热机理、传热强化、两相流模拟及测试技术、计算机应用和开发、以及与能源利用和环境保护有关的新型高效换热器。一种新的动向：从数学模拟出发，用数学方法推导出精确的计算公式。1.2计算机的应用：应用计算机不仅节省人力，提高效率，而且可进行最优化设计和控制，使其达到最大技术经济性，例如：美国帕斯卡炼油厂常减压装置的原油换热系统，采

12、用了换热系统的最佳设计及其改进措施，平均传热系数达到445k卡/平方米*小时*度。传热分析.应力分析.信息储存与检索，以及模拟和控制均编有程序，有些程序从工艺设计开始直到绘出图纸只需要十几分钟即可完成。1.3高温高压换热器的进展：随着工艺的进展和大型装置的出现，大型高压换热器的使用越来越多，炼油厂加氢换热器就是一个例子。今年来，高温高压换热器的结构.材料和制造方面都有一些发展，管箱结构和密封结构均有一些改进，管子进口区的热防护获得一些改善。1.4大力发展的振动的研究：换热器大型化的一个复杂的问题就是管束的震动。大型换热器在高速下极易产生振动，使管子破裂，损坏设备的基础和管路，同时产生噪音。关于

13、振动问题，人们正在大力的进行研究，现以能够预测振动的自振频率，在设计中可以确定适宜的流速范围，以防止流体的激振。在设计上也采用一些防振措施克服管件的振动，延长使用寿命。1.5发展强化传热管：传热管是管壳式换热器的主要传热元件，国外对传热管的研究十分重视，通过改进传热管的性能，提高换热管的性能，强化传热管的方法主要有两种：一是尽量扩大传热面积，但又不过分增大流体阻力。如将管子内外表面轧制成各种不同的表面形状，如翅片管.螺纹管等。另一种是改善传热表面的性能，使之符合传热机理的要求，有充分发挥其特点。如单.双面纵槽管.周向波纹管.螺旋波纹管等。1.6采用新材料：由于工艺条件的要求，新材料被广泛应用。

14、在换热器制造中，钛具有很高的抗腐蚀性能，高的强度极限和屈服极限，且比重小，重量轻，又有一定的抗污塞性，在西德的含氯溶液中采用了钛制换热器，在炼油厂中使用了钛制冷却器和冷凝器。渗铝管换热器及镀锌管换热器的使用也日益增多，非金属方面最具有代表性的材料是聚四氟乙烯材料，它的抗腐蚀性.抗污性能好，得到了广泛的应用。1.7热管换热器的使用：换管是用小的表面积传递大的热量，体现了一种优良的设计方法。热管是六七十年代中期在宇航工业中发展起来的新型传热元件，于七十年代进入民用工业，由于具有高效率.压力小.结构简单.紧凑性好等优点，发展叫我迅速。1979年美国卡特斯堡炼油厂的重整加热炉上使用了热量为80万/小时

15、的热管换热器。考虑加工、造价、 清洗三方面因素，所以选择u形管换热器作为我的设计类型。2、u型管换热器它是将管子弯成u形，管子两端固定在同一块管板上。由于壳体与管子分开，可以不考虑热膨胀。因u形管式换热器只有一快管板，且无浮头，所以结构简单，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，但管内清洗困难，所以管内的介质必须清洁及不易结垢的物料。由于传热管的结构形式关系，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不可能更换，管束中心部分存在空隙，所以流体易走短路，影响传热效果。而且管板上排列的管子较少，结构不紧凑。u型管的弯路部分曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀

16、。管子因渗漏而堵死后将造成传热面积的损失。u型管式换热器，一般使用于高温高压的情况下。尤其使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。如壳程需要经常清洗管束，则要求采用正方形排列，一般情况下都按三角形排列，管程为偶数程壳程内可按工艺要求装置折流板，纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备传热效果。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）。以增加壳侧介质流速。设计任务书设计题目: 蒸汽凝液冷凝器设计设计要求：1.型式与规格：卧室，id500x500mm 2.换热面积：30m2 3.壳程：进口：低压蒸汽 操作温度99.6，设计温度：200

17、操作压力0.1mpa,质量流率2545kg/h 出口：凝液 操作温度99.5，设计温度：200操作压力0.1mpa,质量流率2545kg/h 4.管程：进口：冷却水 操作温度30，设计温度：70操作压力0.5mpa,质量流率162641kg/h 出口：冷却水 操作温度40，设计温度：70操作压力0.48mpa,质量流率162641kg/h第一章 壳程圆筒计算1.1计算条件计算压力 2.00mpa设计温度 t=200.00内径 500.00mm材料 20r(热轧) (板材) 钢板负偏差 c=0.00mm 腐蚀裕量 c=1.50mm 焊接接头系数 =0.851.2 厚度及重量计算由（gb150-1

18、998表4-1）查得 试验温度许用应力 =133.00mpa设计温度许用应力 =123.00mpa试验温度下屈服点 =245.00mpa计算厚度 由 （gb150-1998式5-1）知：=mm有效厚度 mm名义厚度 mm重量 g=339.58kg1.3压力实验时应力校核试验压力值 由（gb150-1998式3-3）知： mpa 压力实验允许通过的应力水平 mpa试验压力下圆筒的应力 由（gb150-1998式3-4）知：mpa由于校核条件是 所以符合压力条件 合格1.4压力及应力计算最大允许工作压力 由（gb150-1998式5-4）知：mpa设计温度下计算压力 由（gb150-1998式5-

19、2）知：mpa 校核条件是 mpa验证合格 第二章 前端管箱筒体计算2.1 计算条件计算压力 p=2.00 mpa设计温度 t=70.00 内径 =500.00 mm材料 20r(热轧) (板材) 钢板负偏差 c=0.00 mm 腐蚀裕量 c=1.50 mm 焊接接头系数 =0.852.2 厚度及重量计算查（gb150-1998表4-1）得：试验温度许用应力 =133.00 mpa设计温度许用应力 =133.00 mpa试验温度下屈服点 =245.00 mpa计算厚度 由（gb150-1998式5-1）知：=mm 有效厚度 mm名义厚度 mm重量 g=56.60kg2.3压力试验时应力校核试验

20、压力值 由（gb1501998式3-3）知： mpa 压力试验允许通过的应力水平 mpa试验压力下圆筒的应力 由（gb150-1998式3-7）知：mpa 由于校核条件是 所以符合压力条件 合格 2.4压力及应力计算最大允许工作压力 由（gb150-1998式5-4）知： mpa设计温度下计算压力 由（gb150-1998式5-2）知： mpa校核条件是 mpa 验证合格第三章 前端管箱封头计算3.1计算条件计算压力 2.00mpa设计温度 t=70.00内径 500.00mm曲面高度 =125.00mm材料 20r(热轧) (板材)钢板负偏差 0.00mm腐蚀裕量 1.50mm焊接接头系数

21、0.853.2厚度及重量计算查（gb150-1998表4-1）得：试验温度许用应力 =133.00mpa设计温度许用应力 =133.00mpa计算厚度 由（gb150-1998式5-1）知： mm 名义厚度 mm有效厚度 mm 最小厚度 mm 满足最小厚度要求 合格重量 g=24.74kg3.3压力计算 最大允许工作压力 由（gb150-1998式5-4）知： mpa 满足条件要求 合格第四章 后端管箱封头计算4.1计算条件计算压力 2.00mpa设计温度 t=70.00内径 500.00mm曲面高度 =125.00mm材料 20r(热轧) (板材)钢板负偏差 0.00mm腐蚀裕量 1.50m

22、m焊接接头系数 0.854.2厚度及重量计算查（gb150-1998表4-1）得：试验温度许用应力 =133.00mpa设计温度许用应力 =123.00mpa计算厚度 由（gb150-1998式5-1）知： mm 名义厚度 mm有效厚度 mm 最小厚度 mm 满足最小厚度要求 合格重量 g=24.74kg4.3压力计算 最大允许工作压力 由（gb150-1998式5-4）知： mpa 满足条件要求 合格第五章 筒体法兰计算由压力容器设计手册第674页知：dn=500mm，pc=2mpa。先假定公称压力pn=2.5mpa。取用材料为20。可由压力容器设计手册第696页知道。可以选取“长颈对焊法兰

23、”或“乙型平焊法兰”。又由压力容器设计手册知道。这两种法兰最大允许工作压力均小于2mpa。所以选取pn=2.5mpa不合格。选取pn=4mpa时“长颈对焊法兰”的最大允许工作压力为2.90mpa。“乙型平焊法兰”的最大允许工作压力为2.97mpa。这里选取“长颈对焊法兰”。法兰相关尺寸可由压力容器设计手册第688页查得。5.1设计条件设计压力 p=2mpa计算压力 mpa设计温度 t=200.00轴向外力载荷 f=0.0 n外力矩 m=0.0 n mm壳体 材料名称 20r（热轧） 许用应力 123.0mpa法兰 材料名称 20 许用应力 130.0 mpa 104.0 mpa螺栓 材料名称

24、40mnb 许用应力 212.0 mpa 180.0 mpa 公称直径 24.0 mm 螺栓根径 20.8 mm 数量 n= 24 个垫片 材料类型 软垫片（非金属垫片）由（gb150-1998第94页9.5.1）知：结构尺寸 500.0mm 660.0mm 615.0mm 565.0 mm 525.0mm 160. mm 22.5 mm 31.5 mm h=35.0 mm 26.0 mm n=20 m=3.0mm y=69mpa b=8.0mm 549.0mm 压紧面形状 1a, 1b b= 5.2螺栓受力计算预紧状态下需要最小螺栓载荷 由（gb150-1998式9-4）知： n操作状态下需

25、要最小螺栓载荷 由（gb150-1998式9-5）知： n所需螺栓总截面积 实际使用螺栓总截面积 5.3力矩计算由（gb150-1998表9-6）知：n内压： nmm 螺栓预紧情况下 计算力矩与中大者 5.4螺栓间距校核 实际间距 由（gb150-1998表9-3）知：最小间距 mm 由（gb150-1998式9-3）知：最大间距 5.5形状常数确定由（gb150-1998表9-6）知：由k查表得9-5得 t=1.789 z=3.694 y=7.145 u=7.851整体法兰 查图9-3和图9-4 0.85944 查图9-7由得 =572246.8 5.6法兰应力校核轴向应力 计算值 许用值

26、mpa或mpa 合格径向应力 计算值 许用值 mpa 合格切向应力 计算值 许用值 mpa 合格综合应力 mpa合格第六章 前端管箱法兰计算6.1设计条件设计压力 p=2mpa计算压力 mpa设计温度 t=70.00轴向外力载荷 f=0.0 n外力矩 m=0.0 n mm壳体 材料名称 20r（热轧） 许用应力 133.0mpa法兰 材料名称 20 许用应力 130.0 mpa 123.1 mpa螺栓 材料名称 40mnb 许用应力 212.0 mpa 197.6mpa 公称直径 24.0 mm 螺栓根径 20.8 mm 数量 n= 24 个垫片 材料类型 软垫片（非金属垫片）由（gb150-

27、1998第94页9.5.1）知：结构尺寸 500.0mm 660.0mm 615.0mm 565.0 mm 525.0mm 16.0 mm 22.5 mm 31.5 mm h=35.0 mm 26.0 mm n=20 m=3.0mm y=69mpa b=8.0mm 549.0mm 压紧面形状 1a, 1b b= 6.2螺栓受力计算预紧状态下需要最小螺栓载荷 由（gb150-1998式9-4）知： n操作状态下需要最小螺栓载荷 由（gb150-1998式9-5）知： n所需螺栓总截面积 实际使用螺栓总截面积 6.3力矩计算由（gb150-1998表9-6）知：n内压： nmm 螺栓预紧情况下 计

28、算力矩与中大者 6.4螺栓间距校核 实际间距 由（gb150-1998表9-3）知：最小间距 mm 由（gb150-1998式9-3）知：最大间距 6.5形状常数确定由（gb150-1998表9-6）知：由k查表得9-5得 t=1.789 z=3.694 y=7.145 u=7.851整体法兰 查图9-3和图9-4 0.85944 松式法兰 查图9-5和图9-6 查图9-7由得 =572246.8 6.6法兰应力校核轴向应力 计算值 许用值 mpa或mpa 合格径向应力 计算值 许用值 mpa 合格切向应力 计算值 许用值 mpa 合格综合应力 计算值 许用值 mpa 法兰校核结果 合格第七章

29、 管板及换热管计算7.1管板7.1.1设计条件 壳程设计压力 2.0mpa管程设计压力 2.0mpa壳程设计温度 =200管程设计温度 mpa壳程筒体壁厚 10mm管程筒体壁厚 10mm壳程筒体腐蚀裕量 c=1.50管程筒体腐蚀裕量 c=1.50换热管公称直径 换热管使用场合 一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 a型换热管与管板连接方式 焊接7.1.2管板各个参数由（gb151-1999第28-35页）知：材料名称 20r(热轧) (板材)名义厚度 mm强度削弱系数 刚度削弱系数 材料泊松比 隔板面积 换热管与管板胀接长度 i=3.50mm设计温度下管板材料弹性模量 mpa设计温度下管板材料许用

30、应力mpa许用拉脱力 设计温度下许用应力 123mpa壳程侧结构 深 =6.00mm管程侧隔板 深 mm壳程腐蚀裕量 mm管程腐蚀裕量 mm7.2换热管7.2.1计算条件材料名称 10（热轧）管子外径d=19.00mm管子壁厚 mm由压力容器设计手册第571页知：u型管根数 n=109由压力容器设计手册第569页知：换热管中心距 s=25.00mm设计温度下换热管材料许用应力mpa7.2.2参数计算管板布管区面积 由（gb151-1999第28页）知：（三角型排列）一根换热管管壁金属横截面积a=106.81由（gb151-1999第36页）知：管板布管区当量直径 由（gb151-1999第30

31、页）知：半径 a型 系数系数 按和查图所得系数 按和查图所得壳程圆筒与法兰或凸缘的旋转刚度参数 a d型 =0管箱圆筒与法兰或凸缘的旋转刚度参数 a c型 =0管板边缘旋转刚度参数 a 型 =0 旋转刚度无量刚系数=， 系数 按和查（gb151-1999第43页图19）分别得： =0。2563 =0。0958 =0。00007.2.3管板厚度或管板应力计算 （a型） 管板计算厚度 由（gb151-1999第31页）知： 管板的名义厚度结论：合格7.2.4换热管轴向应力计算及校核由（gb151-1999第32页）知：分三种计算工况1只有壳程设计压力，管程设计压力 合格 2只有管程设计压力，壳程设

32、计压力=0 合格 3壳程设计压力，管程设计压力 合格7.2.5换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力 由（gb151-1999第32页）知： q= 合格重量：68.65 kg第八章 开孔补强计算8.1接管a.c.d 8.1.1设计条件计算压力 mpa设计温度 t=200.00壳体型式 圆形筒体壳体材料名称及类型 20r(热轧) (板材)壳体开孔处焊接接头系数 壳体内直径 mm 壳体开孔处名义厚度 mm壳体厚度负偏差 mm壳体腐蚀裕量 mm壳体材料许用应力 mpa接管实际外伸长度 88mm接管实际内伸长度 0mm接管焊接接头系数 1接管腐蚀裕量 1.5mm接管厚度负偏差 1.25mm接管材料许用应力

33、123mpa8.1.2开孔补强计算 壳体计算厚度（查gb150-1998表7-2得）mm 接管计算厚度 由（gb150-1998式8-2）知： mm补强圈强度削弱系数 接管材料强度削弱系数 开孔直径 d=mm d=204。6 mmmm 满足等面积法开孔补强计算的运用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。接管有效厚度 mm有效补强范围：补强区有效宽度 由（gb150-1998式8-7）知： mm mm 取两者中大值 b=409.2mm有效高度： 外侧有效高度 由（gb150-1998式8-8）知： 取小值 故 内侧有效高度 由（ gb150-1998式8-9）知： 取小值 故封头有效厚度 mm开

34、孔削弱所需的补强面积 由（gb150-1998第76页）知：=mm 壳体多余金属面积 由（gb150-1998第77页）知： 接管多余金属面积由（gb150-1998第77页）知： 补强区内的焊缝面积 mm mm，大于，所以补强满足要求，不需要另加补强。8.2接管8.2.1设计条件计算压力 mpa设计温度 t=200.00壳体型式 圆形筒体壳体材料名称及类型 20r(热轧) (板材)壳体开孔处焊接接头系数 壳体内直径 mm 壳体开孔处名义厚度 mm壳体厚度负偏差 mm壳体腐蚀裕量 mm壳体材料许用应力 mpa接管实际外伸长度 120mm接管实际内伸长度 0mm接管焊接接头系数 1接管腐蚀裕量

35、1.5mm接管厚度负偏差 1.0 mm接管材料许用应力 123mpa8.2.2开孔补强计算 壳体计算厚度：查gb150-1998表7-2得 查gb150-1998表4-1 20r 表4-3 20管材（gb8163）mm 接管计算厚度 由（gb150-1998式8-2）知：mm补强圈强度削弱系数 接管材料强度削弱系数 开孔直径 d=mm d=77.9 mmmm 满足等面积法开孔补强计算的运用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。接管有效厚度 mm有效补强范围：补强区有效宽度 由（gb150-1998式8-7）知： mm mm 取两者中大值 b=155.8mm有效高度： 外侧有效高度 由（gb15

36、0-1998式8-8）知： 取小值 故内侧有效高度 由（ gb150-1998式8-9）知： 取小值 故封头有效厚度 mm开孔削弱所需的补强面积 由（gb150-1998第76页）知：=mm 壳体多余金属面积 由（gb150-1998第77页）知： 接管多余金属面积 由（gb150-1998第77页）知： 补强区内的焊缝面积 mm mm，大于，所以补强满足要求，不需要另加8.3接管e8.3.1设计条件计算压力 mpa设计温度 t=70.00壳体型式 圆形筒体壳体材料名称及类型 20r(热轧) (板材)壳体开孔处焊接接头系数 壳体内直径 mm 壳体开孔处名义厚度 mm壳体厚度负偏差 mm壳体腐蚀

37、裕量 mm壳体材料许用应力 mpa接管实际外伸长度 89mm接管实际内伸长度 0mm接管焊接接头系数 1接管腐蚀裕量 1.5mm接管厚度负偏差 1.25mm接管材料许用应力 130mpa接管材料 20（gb8163）管材补强圈材料名称 16mnr(热轧)补强圈外径 640 mm补强圈厚度 22 mm补强圈厚度负偏差 0 mm补强圈许用应力 162.2mpa8.3.2开孔补强计算 壳体计算厚度： 查gb150-1998表4-1 用插值法得20r 表4-3 20管材（gb8163）mm 接管计算厚度 由（gb150-1998式8-2）知：mm补强圈强度削弱系数 接管材料强度削弱系数 开孔直径 d=mm d=204.6 mmmm 满足等