【疏水冷却管壳式换热器的设计7500字（论文）】

疏水冷却管壳式换热器的设计目录TOC\o"1-2"\h\u24518疏水冷却管壳式换热器的设计 126375绪论 2266931机械设计 3174631.1设计参数 3254231.2选定流体流动空间及流速 4141911.3确定物性参数 421161.4计算总传热系数 5189081.4.1每小时处理柴油的能力 5219521.4.2热流量 5146551.4.3冷却水用量 5198901.4.4计算平均传热温差 556861.4.5总传热系数K 589621.5计算传热面积 686461.6工艺结构及尺寸计算 6280191.6.1管径和管内流速 6195001.6.2管程数和传热管数计算 6239861.6.3平均传热温差 718561.6.4换热管排列和分程方式 7313981.6.5壳体直径计算 8289141.6.6折流板选择及参数计算 8313621.6.7接管参数计算 8160402换热器核算 1074642.1热量核算 1022656该换热器的实际换热面积 11232602.2换热器内压降的核算 12194052.2.1管程阻力计算 1244422.2.2壳程阻力计算 12138913辅助设备的计算与选型 14273373.1疏水冷却段形式 1460563.2疏水管束对换热计算结果的影响 1421797疏冷段理论总传热系数 1597464强度设计 17220344.1换热器壁厚设计计算 17248134.1.1壳程壁厚设计计算 1797874.1.2管箱短节壁厚设计校核 17167394.1.3封头壁厚设计校核 1863094.1.4左端平盖封头的设计校核 1968804.2换热管失稳应力分析 20137274.3补强设计 2053114.3.1开孔补强计算方法判别 20282174.3.2开孔所需补强面积 20118824.4密封装置选型及设计 22134154.4.1垫片选型与设计 2224194.4.2管法兰设计 22259094.5拉杆和定距管的选取 2320844根据下列各表确定拉杆的相关参数 2376174.6支座的设计 2460254.6.1选型 2463504.6.2具体尺寸 24267074.7焊接结构设计 26251404.7.1焊接接头 26214944.7.2主要焊接结构 26221285总结 309709附表 3122568换热器主要结构尺寸和计算结果 3112053参考文献 32摘要：换热器在化工、制药当生产中屡见不鲜，作为一种高效利用资源的换热设备，它很好的发挥了热能的利用、传递、吸收和转化的作用。其中管壳式换热器在众多类型的换热器中也具有其独特的优势。它的类型主要包括填料函式、U形管式、固定管板式、浮头式等。其中固定管板式换热器具有制造结构简单，相同传热面积下所需要的壳体内径最小等优点，但同时也由于温差问题而存在温差应力，壳程清洗比较困难等缺点。本设计主要是结合现有管壳式换热器的研究背景和专业知识，对其进行一个更优化的系统设计过程。主要是对该换热器采用疏水冷却段，可以达到减少疏水对下一级较低压力的汽机抽汽利用的影响，提高它的传热效率。具体设计过程包括对换热器进行物性参数的确定、基本机械设计、换热器部分零部件的核算以及强度计算校核等方面的设计，同时也对疏水冷却段进行材料的选择、具体疏水管束的选择及问题优化等设计。关键词：疏水冷却管壳式换热器；结构设计；强度校核绪论在科技迅猛发展的当代，是否能够做到合理使用和节约能源的问题早已变成全球重点关注的核心问题。高效利用能源以达到节能环保的目的也是当今各产业生产的关键环节，尤其是在各种与资源利用相关的实际生产中，换热器的所具有的独特处理热能的作用得到众多的使用。换热器作为化工、石油、食品等领域中的一种节约资源利用的设备，实现了对热能的高效传递、进行回收、合理转化和最大限度的利用。从降低能源消耗进而提高获得效益的角度考虑，不断提升换热器的使用性能，将优化的换热器投入实际生产中更为有益。虽然它的密封性能不够良好，但它有简单的结构、使用寿命长、强化传热效果好、流阻较小，易于推广应用，能够带来显著的经济效益。管壳式换热器是利用壳体中的管壁进行热量交换。管壳式换热器和别的换热器比较而言，它的实际可操作性和适应工作条件的能力比较强，选择制造材料也非常多，能在高温高压的环境下工作等优点。根据我国现行的换热器设计及制造标准，参考相关的文献资料，按照工艺条件所提供的相关设计参数后，再进行以下的步骤：明确设计任务，完成换热器的基本选型，确定合适的材料，由换热面积先布管，再确定筒体直径、壁厚等数据，然后再进行结构和强度的计算，最后完成制造、检验和验收等工作。此次设计严格遵循着科学规范、认真负责的态度进行，希望可以做出符合工业标准及规范的管壳式换热器。换热器的选择应该从设备初始设计的温度、设计的压力、介质独特的性质、材料价格和加工工艺性能等方面综合考虑。压力容器常用锻件材料有20、16Mn、06Cr19Ni10等，常用螺柱材料有35、35CrMoA、06Cr19Ni10等，常用换热管材料有10、20、16Mn、06Cr19Ni10、06Cr18Ni11Ti等。部分零部件材料选择如下：椭圆封头、管箱隔板、管箱筒体等采用16MnR；筒体采用00Cr17Ni14Mo2，需要防腐的采用00Cr17Ni14Mo2;部分部件采用16Mn三级锻件。设计技术原理和准则压力容器有很多失效形式，在设计过程中必须根据不同的设计准则进行强度或刚度的校核，有效防止各类失效的出现以确保容器的安全运行。1机械设计1.1设计参数表1设计参数壳程管程入口温度150℃24℃出口温度50℃38℃工作压力1.45MPa0.40MPa设计压力2.0MPa1.0MPa物料名称柴油循环水腐蚀裕量3mm3mm焊接接头系数（筒体/封头）（0.85/1.0）（0.85/1.0）热流体：t=150-50=100℃冷流体：t=38-24=14℃因为操作情况会随外界环境的改变而有所改变，尤其是在冬天时，换热器由于受到温度的影响，在循环水经过管程去冷却介质的过程中，它的进口处的温度受到环境影响明显会比设置的温度低，又因为冷、热流体之间的温差较大，受到这些影响因素的影响，在此选择附带膨胀节的固定管板式换热器。1.2选定流体流动空间及流速表2一般流体流速（m/s）介质一般液体易结垢液体气体壳程0.2~1.5>0.53~15管程0.5~3>15~301.3确定物性参数定性温度：壳程柴油的定性温度为T=（150＋50）/2=100℃管程流体的定性温度为t=（38＋24）/2=31℃根据以上条件可查得它们的有关物性数据如下表：表3定性温度下两种流体的有关物性参数物料粘度Pa∙s密度kg/m³比热kJ/kg∙℃导热系数W/m∙℃柴油0.0008858602.560.14循环水0.0007719974.180.63161.4计算总传热系数1.4.1每小时处理柴油的能力1.4.2热流量1.4.3冷却水用量1.4.4计算平均传热温差（以逆流计算）1.4.5总传热系数K（1）管程传热系数故可以判定流体此时为湍流的流动状态，采用下列方法计算，管程内的循环水处于被加热状态，n=0.4。（2）壳程传热系数假设壳程给热系数的取值范围为300~700W/(m²∙°C）取（3）污垢热阻（4）管壁的导热系数碳钢的导热系数（5）总传热系数1.5计算传热面积1.6工艺结构及尺寸计算1.6.1管径和管内流速选择材料为碳钢的φ25×2.5mm换热管，取管内介质的流速1.6.2管程数和传热管数计算单程管数：换热管长度：从设计单程管的角度考虑，此时传热管的长度过长，因此综合以上因素取换热管长为，则管程数：故取2管程，传热管的总根数1.6.3平均传热温差平均传热温差校正系数如下：平均传热温差：通过上述计算所得的P值和R值无法查得所需要的数据，所以用代替，再用代替P值后再查图，得。于是。1.6.4换热管排列和分程方式根据相关资料，我们可以知道换热管管板的布列方式分别为正三角形、转角三角形、正方形和转角正方形。此处采取正三角形排列。常用管心距如下表：表4常用管心距（mm）换热管外径d101214192022253032353845505557换热管中心距S13~141619252628323840444857647072分程隔板槽两侧相邻管中心距283032384042445052566068767880取管心距，则横过管束中心线的管数1.6.5壳体直径计算因为采用的是二管程结构，而板材的利用率范围为，可取，则直径为：根据卷制壳体圆整规则进行进级档圆整后，取D=500‘/1.6.6折流板选择及参数计算折流板可以用来提高热量的交换，使换热器的换热效果更加完善。从经济合理性等方面考虑，此处采用弓形折流板。它的圆缺高度范围大约占壳体内径的20～25%，取25%，取ℎ=0.25D=0.25×500=125折流板间距为B=0.3D，则B=0.3×500=150mm折流板数目1.6.7接管参数计算壳程：取流速，则内径：取标准管径为GB8163-87φ76mm×5.5mm管程：取流速，则内径：取标准管径为GB8163-87φ114mm×9.5m2换热器核算2.1热量核算（1）壳程对流传热系数根据凯恩公式：壳程流通面积当量直径由正三角形排列得流体流速雷诺数普朗特数黏度矫正传热膜系数（2）管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速管程流体雷诺数管程流体普朗特数传热膜系数（3）传热系数（4）传热面积该换热器的实际换热面积该换热器的面积裕度为上述条件及公式算出的面积裕度较大，此换热器能做到满足设计的基本要求。2.2换热器内压降的核算根据一般经验而言，对于气体的流动阻力一般控制在，而液体控制在。此外，因为操作压力有所区分，它们的流动阻力也有所差别。2.2.1管程阻力计算管程流动阻力取=1.4；管程数=2；壳程数Ns=1取换热管管壁的绝对粗糙度，又因为管子内径为20mm，则相对粗糙度为，，查图得进口接口忽然增大，，接口忽然缩小，，又因为换热器为单壳程双管程，所以管程阻力在允许的范围之内。2.2.2壳程阻力计算根据Esso法来计算公式：（对于液体Fs=1.15，对于气体Fs=1.0；Ns=1）流体流经管束的阻力校正系数F：①正三角形F=0.5；②正方形直列F=0.3；③正方形错列F=0.4。当Re>500时，摩擦系数，。折流板数；流体流经折流板缺口的阻力综合以上的计算结果可知，管程与壳程的压降均在符合条件的范围内，所以该换热器符合设计的基本条件。3辅助设备的计算与选型3.1疏水冷却段形式疏水冷却段主要有虹吸式和淹没式两种，不同的形式对应的计算思路也有所不同。①虹吸式：在疏水冷却段中凝结水是以全流量的方式通过的。②淹没式：凝结水是以部分流量的形式进入疏水冷却段，通过不断地反复迭代分别计算管侧的凝结水、壳侧的凝结水。3.2疏水管束对换热计算结果的影响热流体的壳侧介质在疏水冷却段内的传热形式往往是一种在受迫运动状态下流体的对流，在计算壳侧介质到壁面的传热系数时，具体的疏水管束措施有两种：横掠和纵掠。（1）在本次设计中，当采用横掠管束时：取换热管外径为0.025m，疏水流速：疏水雷诺数：疏水普朗特数：疏水至管壁传热分系数：疏冷段理论总传热系数：传热面积（2）在本次设计中，当采用纵掠管束时：取换热管外径为0.020m，疏水流速：疏水雷诺数：疏水普朗特数：疏水至管壁传热分系数：疏冷段理论总传热系数传热面积由上面具体的计算结果可以了解到，分别采用两种公式得出的换热面积的计算结果相对接近。因此，采用经验公式进行分析和计算，虽然不能做到确切地反映疏水的实际流动状态，但在生产应用中能够满足基本的精度需要。并且，假设边界条件是相同的，不管采用哪种管束所对应的经验公式，计算得出的结果都没有太大差别。结合实际应用，对不同的情况应用不同的分析结果。4强度设计4.1换热器壁厚设计计算4.1.1壳程壁厚设计计算（1）选材由前文可知，选碳钢钢板的材料Q245为卷制。此时，，（2）计算厚度对于Q245，钢板负偏差（3）名义厚度因而圆整取名义厚度（4）有效厚度（5）壳程水压试验所选材料的屈服应力（6）水压试验应力校核通过计算水压强度满足要求。4.1.2管箱短节壁厚设计校核（1）选材由前文可知，此时材料Q235-C的，，（2）计算厚度（3）名义厚度圆整取名义厚度（4）有效厚度（5）壳程水压试验压力所选材料的屈服应力（6）水压试验应力校核通过计算水压强度满足要求。4.1.3封头壁厚设计校核该换热器选用材质为Q235的椭圆形封头。如下图：图1椭圆形封头（1）计算厚度（2）名义厚度取（3）有效厚度（4）壳程水压试验压力所选取材料的屈服应力（5）水压试验应力校核通过计算水压强度满足要求。根据以上计算结果，按照的标准选用椭圆形封头，具体尺寸如下表：表5DN500标准椭圆封头尺寸和质量公称直径DN/mm曲面高度直边高度内表面积容积厚度质量500125250.310.0216154.1.4左端平盖封头的设计校核（1）计算厚度（2）名义厚度取（3）有效厚度（4）壳程水压试验压力所选取材料的屈服应力（5）水压试验应力校核通过计算水压强度满足要求。4.2换热管失稳应力分析换热管材料（1）临界长度所以判定换热管为长圆筒（2）临界压力本次设计选用的是碳钢管，所以E=200综上换热管不会发生失稳。4.3补强设计4.3.1开孔补强计算方法判别开孔补强一共有4种方法。分别为面积补强法、压力面积法、极限载荷法、有限元分析设计法。本次选择等面积补强法。4.3.2开孔所需补强面积已知管箱的计算厚度为2.36mm，循环水出入口接管的公称压力，公称直径为，接管内径为114mm，接管钢板负偏差，腐蚀裕度，焊缝系数为0.85，fr=1.0。所以循环水出入口接管的直径为由于内径，开孔最大直径故满足等面积补强的计算条件，可以采用这个方法进行补强。①壳体的计算厚度②开孔削弱的面积查阅资料可知，接管31℃下材料的许用应力，壳体100℃下材料的许用应力，则强度削弱系数接管有效厚度为：（1）有效补强范围①有效宽度B取最大值为B=217.2mm②有效高度外侧有效高度；内侧有效高度：（2）有效补强面积①壳体多余金属面积：筒体的有效厚度：②接管多余金属面积：③焊缝截面积：④有效补强面积：由于，所以需要开孔补强。除此以外还需要增加补强圈或用较厚的壁管进行补强，增加的补强金属截面积应满足：4.4密封装置选型及设计4.4.1垫片选型与设计垫片的作用是防止流体泄露。本次选用橡胶石棉垫片。其尺寸如下表：表6垫片参数表（mm）公称直径DN垫片内径垫片外径垫片厚度φ50053064534.4.2管法兰设计确定Q235-A作为接管法兰的材料，以全平面形式作为密封面。其具体尺寸如下表：表7管法兰与接管的尺寸表法兰类型公称压力PN/MPa公称通径DN/mm基本尺寸/mm板式平焊法兰（PL)0.610~600ƒ1≥ƒ2≥1.632b=5ƒ2≥2.520b=4ƒ2≥4.5拉杆和定距管的选取按照换热器设计手册，定距管的尺寸需要和换热管的尺寸相同，材料同为20号钢。（1）结构形式的选择拉杆有拉杆定距管结构和点焊结构两种形式，该换热器在此选则拉杆定距管结构来代替点焊结构。（2）拉杆尺寸及数量的确定根据下列各表确定拉杆的相关参数表8拉杆直径（mm）换热管外径10141932384557拉杆直径10121216161616表9拉杆数量（mm）公称直径拉杆直径≥400<700≥700<900≥900<1300≥1300<1500≥1500<1800≥1800<200010610121618242812481012141820164668101214表10拉杆的连接尺寸（mm）拉杆直径拉杆螺纹公称直径LaLbLd101013>4016121215>5018161620>6020确定拉杆的直径是16mm，拉杆孔的深度是18mm，数量为14根。4.6支座的设计4.6.1选型支座起到支撑筒体的作用，能够分担一些应力载荷。因为容器在现实工程中，根据作用不同，具体的形式和安放位置也不一样。压力容器可分为立式、卧式、球形三类。其中卧式又可分为圈式、支承式和鞍式，本次选择焊制鞍式支座。鞍式支座又包括轻型（A型）和重型（B型）。固定式（F）和移动式（S）存在于每一种形式中。根据所得换热器的直径，选择支座的材料为Q235-B，在这里可以选择一个BI型(重型)鞍座，包角为120°，并且附加一个筋板和加强垫板带加强垫板。4.6.2具体尺寸其相应的结构和尺寸应符合下图和表格：图2F型鞍式支座的结构图3S型鞍式支座的结构表11鞍式支座的结构和尺寸（mm）公称直径DN允许载荷Q/KN鞍座高度h底板腹板筋板垫板垫板底板底板筋板筋板垫板弧长垫板螺栓间距鞍座质量/kg增加100mm高度增加的质量/kg5001232001088636460170250150580230330234.74.7焊接结构设计4.7.1焊接接头焊接接头的选择要点如下：①设计要求；②焊接的难易与焊接变形；③焊接成本；④施工条件。结合以上各要求，本次焊缝决定采用角接和对接两种方式作为焊接接头。4.7.2主要焊接结构壳体焊接根据壳体材料Q245的材料特性，查阅相关资料可知其可焊接性能比较良好，所以不需要进行焊前预热。焊接方法选为埋弧自动焊，焊丝为HO8MnA，坡口为V型，焊剂为HJ431，坡口为V型。又因前面计算得知壳体的厚度只有12mm，故无需进行焊接后的热处理。焊接结构如下图所示:图4焊接结构换热管与管板的焊接因为手工电弧焊和惰性气体保护焊是换热管与管板的常用焊接方法，本次选择手工电弧焊，焊条为J422。对于厚度有些大的管板需要焊前预热处理，并使预热温度在处理过程中为100~200℃，焊接后需要进行热处理，使温度在操作过程中保持在600~640℃这个范围。相关尺寸和结构如下表：换热管规格25×2.5换热管最小伸出长度/2最小坡口高度/1表12换热管外伸长度（mm）法兰与筒体的焊接法兰与简体的焊接属于C类接头。查阅资料可知法兰材料20号钢和筒体材料Q235-B的综合机械性能和焊接性能都比较良好，所以在这里选择埋弧自动焊，焊丝和焊剂都和壳体相同，并且焊后还需要进行热处理，并使温度在操作过程中保持为600~640℃这个范围。结构如下图：图5法兰与筒体的焊接管板与壳体、封头的焊接因为它们的材料都是Q235-B，有前面已经查到的资料可知焊接性能比较良好，根据材料特性，此处选择埋弧自动焊。在操作时还需要进行焊前预热，并使预热温度在过程中保持为100~200℃这个范围，焊丝和焊剂的种类与壳体相同，焊接后的热处理温度同样需要维持在600~640℃这一范围内。结构如下图：图6管板与壳体焊接（5）接管与壳体焊接由接管和壳体的材料特性，在实际操作过程中不需要进行焊前预热，开坡口为V型，使用的焊丝和焊剂同壳体一样，焊后无需热处理。接管焊接方式使用插入式。结构如下图：图7接管与壳体焊接5总结毕业在即，毕业论文设计在修修改改的日子中也逐渐完毕。回顾初次选题到完成毕业论文及毕业设计已经过去有一段日子，在这期间，让我对毕业设计的步骤程序、计算方法等有了更多的认识。完成毕业设计，不仅简单检验我们对所学知识的总结概括和有效应用，还是一种发掘潜能、锻炼能力的提高方式。通过这次毕业设计的撰写，让我明白管壳式换热器在实际工业生产中的重要性，设计一种更优化的换热器更是一种有益投资。在这次毕业设计中，我进行了查阅、整理各种文献和图书资料，增加了对管壳式换热器的了解，随后积极向老师请教、和同学交流讨论等，开始了我的初步设计。主要从机械尺寸设计、强度验算和换热器校核三大方面进行展开论述和计算。在设计过程中，由于自身专业水平的限制，我又去查阅了很多相关的书籍和国家标准，并对必要的零部件绘制了CAD图形，尽量确保整个设计的准确性和完整性。在这个过程中，不但培养了我吃苦耐劳、学会独立思考的能力，锻炼了我的动手能力，同时也使我养成乐观、积极向上的良好人生态度，树立了我在困难面前坚定地信心，让我明白在成功的路上必然会伴随艰辛，但是我们的收获和成长远远大于不足。由于本人才疏学浅，毕业设计也许做的不能够尽善尽美，但这个过程是我莫大的财富，使我终生受益。