畢業(yè)設計（論文）-流量為240th汽-水浮頭式換熱器設計（全套圖紙）

沈陽化工大學科亞學院 本科畢業(yè)設計全套圖紙，加153893706 題 目： 流量為240t/h汽水浮頭式換熱器 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 過控1201 學生姓名： 指導教師： 論文提交日期： 2016 年 5 月 27 日論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日 畢業(yè)設計（論文）任務書過程裝備與控制工程 專業(yè) 過控1201 班學生： 畢業(yè)設計（論文）題目：流量為 240t/h汽水浮頭式換熱器 畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容：設計說明書一份；繪制施工圖四張。畢業(yè)設計（論文）專題部分： 浮頭式換熱器 起止時間：2015年12 月 16 日 2016 年 5 月 27 日指導教師： 2016 年 3月 1日摘要 換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用的設備，在不同工作環(huán)境下對換熱器的性能要求不同，它是冷熱流體間能夠傳遞熱量的設備。本次的設計為浮頭式換熱器，浮頭式換熱器最主要的是由管箱、管板、殼體、折流板等主要部分構成。浮頭換熱器的一側是固定管板與殼體緊密固定，另外一端則為浮動管板與浮頭相連接。因此，熱應力的優(yōu)點是比較小的，容易檢查，清潔。這種結構的缺點是更復雜。 本次設計的主要設計參數(shù)為：設計壓力管程為0.99Map，殼程為2.75Mpa，工作溫度管程為80，殼程溫度為175，設計溫度管程為95，殼程溫度為200。管程介質為2.5Mpa的水，殼程介質為0.9Mpa的水蒸汽。在計算校核方面，進行了傳統(tǒng)的工藝計算和強度計算。在傳統(tǒng)的傳熱工藝計算中，主要包括有傳熱的面積，傳遞的熱量及其系數(shù)的確定，流量，壓降變化及壁溫的驗算等等問題，這些都是應用有關的國家標準和規(guī)定校核和計算得來的。在強度計算側重于管體，管箱，頭，接受，支持，隔板和板厚計算和擋板，其他部件的設計和管法蘭，墊片，安裝，組合，但也為一些強度校核。本設計主要是依GB151管殼式換熱器和 GB150壓力容器等為根據(jù)設計的。換熱器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個的領域運用十分的廣泛，當然在日常生活中和現(xiàn)實中的傳熱設備也隨處可以見到，是不可能缺少的工藝設備和單元之一。隨著研究的不斷深入，工業(yè)應用也取得了顯著的成效。本次設計中，多增加了排污口，放凈口和備用口，挺高了產(chǎn)品的清潔能力和安全性能。在數(shù)據(jù)估計中，多增加些余量，保證了產(chǎn)品的安全運行。關鍵詞: 換熱器; 管板; 傳統(tǒng)工藝計算; 強度安全校核; 應用范圍Abstract Heat exchangers are the most commonly used in industrial production equipment in different work conditions of heat exchangers performance requirements are different，it transfer it between cold and heat flow. These designs are floating head heat exchangers, they are made up of tube box 、tube sheet、shell、heat exchange tube、baffle plate、draw bar、spacer pipe、floating head cover and so on. One tube sheet of the exchangers are connected with shell. So its easy to check and clean. On the other hand the structure of they complex. The design of the main design parameters for design pressure for tube side 0.99Mpa, shell 2.75Mpa, the working temperature of the tube to 80 DEG C, shell temperature to 175 DEG C, design temperature tube pass is 95 DEG C, shell temperature for 200 DEG C. the shell is 2.5Mpa water, the tube side is 0.9Mpa water vapor. In the calculation and verification, the traditional process calculation and intensity calculation are carried out.In the calculation exchangers of the heat transfer process, heat transfer coefficient of determination and change the inner diameter of the heat exchanger and types of heat exchange tube of choice, and heat transfers coefficient and pressure drop and wall temperature calculation and so on. In the strength calculation focuses on the tube, tube box, head, accept, support, the baffle plate and the plate thickness are calculated and the baffle, other parts of the design and pipe flanges, gaskets, installation, portfolio, but also for some strength check. This design is according to GB151 shell and tube heat exchanger and GB150 pressure vessel and other design. Heat exchanger in industrial, agriculture and other fields use is very extensive, of course, the heat transfer equipment in the daily life and the reality everywhere can see is one of is likely to lack of process equipment and unit. The industry application also obtained the remarkable effect. In this design, increase the sewage outfall, drain and reserve, cleaning ability and safety performance of the product is high. In the data estimation, the increase of some margin, to ensure the safe operation of the product.Keywords: heat exchanger; floating tube sheet; heat transfer calculation; strength check; application 目 錄 前言 1 第一章熱力計算 3 1.1 原始數(shù)據(jù) 3 1.2 定性溫度和物性參數(shù)計算 3 1.3 初選結構 4 1.4 管程換熱計算及流量計算 4 1.5 殼程換熱計算 6 1.6 傳熱系數(shù) 7 1.7 管程壓降 8 1.8 殼程壓降 9 1.9 壓強校核 9 第二章結構設計 11 2.1 換熱流程設計 11 2.2 管子和傳熱面積 11 2.3 管子排列方式 11 2.4 殼體 12 2.5 管箱 13 2.5.1. 封頭 13 2.5.2. 箱殼 14 2.6 固定管板 14 2.7 分程隔板 14 2.7.1 管程分程隔板 14 2.7.2 殼程分程隔板 15 2.8 折流板 15 2.9 拉桿 16 2.10 進出口管 16 2.10.1. 管程進出管 16 2.10.2. 殼程進出口管 16 2.11 浮頭箱 17 2.12 浮頭 17 2.13 補強圈 18 2.14 法蘭 18 2.14.1 法蘭密封面的型式 18 2.14.2 殼體法蘭 18 2.14.3 接管法蘭 19 2.15 支座 20 第三章安裝與拆卸 23 參考文獻 25 致謝 26沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 前言前言換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領域中應用十分廣泛1的熱量交換設備。 隨著現(xiàn) 代新工藝、新技術、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重，世界各國已普遍 把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新 的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性 起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96%。換熱設備在現(xiàn)代裝置中約占設備總重的 30%左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢，約70%。其余30%為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。 在繼續(xù)提高設備熱效率的同時，促進換熱設備的結構緊湊性，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器主要有固定管板式，U型管式和浮頭式換熱器。針對固定管板式與U型管式的缺陷，浮頭式作了結構上的改進，兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應力。浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于方便拆卸，清洗方便，對于管子和殼體間溫差大、殼程介質腐蝕性強、易結垢的情況很能適應。其缺點在于結構復雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應用受到限制，適用壓力為：1.0Mpa6.4Mpa。 換熱器（熱交換器）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式（混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器）、蓄熱式（蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體（填料）表面，從而進行熱量交換的換熱器）和間壁式（隨間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用最廣）三類。在我國換熱器的制造技術2遠落后于外國，由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 在我國隨著經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求： (1) 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；(2) 結構安全可靠； (3) 便于制造、安裝、操作和維修；(4) 經(jīng)濟上合理。所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結為下述兩個原理：溫度邊界層減勃和調(diào)換傳熱面附近的流體。因此最近十幾年來，強化傳熱技術受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，凝結是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結換熱系數(shù)很高，但經(jīng)過強化措施還可以進一步提升換熱效率。 (1)管外凝結換熱的強化 a.冷卻表面的特殊處理 b.冷卻表面的粗糙化 c.采用擴展表面 (2)管內(nèi)凝結換熱的強化 a.擴展表面法 b.采用流體旋轉法 c.改變傳熱面形狀按照設計要求，在結構的選取上，為了增大溫差校正系數(shù)，采用了2-4型，即殼側兩程管側四程。首先，通過換熱計算確定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結構。然后按照設計的要求以及一系列國際標準進行結構設計，在結構設計時，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質壓力、溫度、流體性質以及便于拆卸等等。之后對有些部件用ANSYS3進行了強度校核并進行對其優(yōu)化設計4。由于時間和資料有限，本人的認識也不夠全面，在設計過程中可能還存在許多問題，望老師們給予批評和指正。3沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 熱力計算第一章熱力計算1.1 原始數(shù)據(jù)水進口溫度：=144水出口溫度：=163水工作壓力：P2=2MPa油進口溫度：=175油出口溫度：=155油工作壓力：P1=1.6MPa殼體內(nèi)徑：DS=700mm管箱內(nèi)徑：DN=750mm換熱管規(guī)格：193 L=8m1.2 定性溫度和物性參數(shù)計算水的定性溫度： （1-1）水的密度：2=913kg/m3水的比熱：Cp2=4.32kJ/kg水的導熱系數(shù)：k2=0.686W/m 水的粘度：2=168.810-6水的柏朗特數(shù)：Pr2=1.08油（柴油）的定性溫度： （1-2）油的密度：1=715 kg/m3油的比熱：Cp1=2.48 kJ/kg油的導熱系數(shù)：k1=0.133 W/m油的粘度：1=6.410-4油的柏朗特數(shù)： （1-3）1.3 初選結構管排列方式 ：分程隔板兩側正方形，其余三角形管子外徑：d0=0.019m管子內(nèi)徑： di=d0-（23/1000）=0.013m （1-4）管長：L=8m管間距： s=1.5d0=1.50.19=0.0285m （1-5）殼體內(nèi)徑：Ds=0.7m管束中心排管數(shù)：由公式 （1-6）得Nc=22總管子數(shù)：由 （1-7）得Nt=400選型：采用2-4型即雙殼程四管程。1.4 管程換熱計算及流量計算試選傳熱系數(shù)：k0=240 W/m2（查表）傳熱面積：由 （1-8）得F0=190.91 m2逆流平均溫差： （1-9）參數(shù)： （1-10） （1-11）溫差校正系數(shù)：按2殼程4管程查表得 有效平均溫差： （1-12）設計傳熱量： （1-13）換熱效率：取=0.98油流量： （1-14）水流量： （1-15）管程流通截面（按4管程）： （1-16）管程流速： （1-17）管程雷諾數(shù)： （1-18）管程換熱系數(shù)： （1-19）1.5 殼程換熱計算折流板的設計5：縱向折流板中間分程，橫向安置弓形折流板弓形折流板弓高： （1-20）折流板間距： （1-21）殼程流通截面： （1-22）殼程流速： （1-23）殼程量流速 （1-24）殼程當量直徑： （1-25）殼程雷諾數(shù)： （1-26）切去弓形面積所占比例：查圖得 （1-27）殼程傳熱因子：查圖得管外壁溫度：假定后再復核，設=160壁溫下的粘度： （1-28）粘度修正系數(shù)： （1-29）殼程換熱系數(shù)： （1-30）1.6 傳熱系數(shù)水側污垢熱阻6： m2/W油側污垢熱阻： m2/W管壁熱阻：r忽略總傳熱熱阻： （1-31）傳熱系數(shù)： （1-32）傳熱系數(shù)的比值： （1-33）合適管外壁熱流密度： =4118W/m2（1-34）管外壁溫度： =167.2（1-35）誤差校核： =167.2-160=7.2（1-36）誤差不太大，不再重算。1.7 管程壓降壁溫： =161.3（1-37）壁溫下水的粘度：管程摩擦系數(shù)：查表得管子沿程壓降7： （1-38）回彎壓降： （1-39）進出口管處質量流速： （1-40）進出管口處壓降： （1-41）管程結垢校正系數(shù)：根據(jù)r2及193得 管程壓降： （1-42）1.8 殼程壓降當量直徑： （1-43）雷諾數(shù)： （1-44）殼程摩擦系數(shù)：查表得 管束壓降： （1-45）管嘴處質量流量： （1-46）進出口管壓降： （1-47）導流板阻力系數(shù)：取 導流板壓降： （1-48）殼程結垢修正系數(shù)：查表取 殼程壓降： （1-49）1.9 壓強校核管程工作壓力，查表得殼程工作壓力，查表得壓強校核8： 符合要求 符合要求11沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝第二章結構設計2.1 換熱流程設計采用2殼程4管程的2-4型換熱器。由于換熱器尺寸不大，可以用一臺，未考慮采用多臺組合使用。管程分程隔板采用丁字型結構，其主要優(yōu)點是布管緊密。殼體分程采用縱向隔板9。管程的分程隔板采用丁字型結構如圖2-1所示，其主要優(yōu)點是布管緊密。 圖2-1 丁字形隔板2.2 管子和傳熱面積換熱管除要求具有足夠的強度外，當采用脹管法固定時，還要求管子有良好的塑性，避免因脹接而產(chǎn)生裂縫。焊接固定時，要求管子可焊性好，一般采用優(yōu)質碳鋼，以保證管子質量，一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用10號鋼和20號鋼管，在強腐蝕性流體的情況下，可采用不銹鋼（189）10、鋼、鋁等無縫管，在強腐蝕性流體的情況下，可采用石墨管、聚四氟乙烯管等。由于水、油腐蝕性不大，故可采用碳鋼，現(xiàn)選擇20號鋼的無縫鋼管。根據(jù)設計要求采用的無縫鋼管管子總數(shù)為400根。其傳熱面積為： 2.3 管子排列方式管子在管板上的排列方式，應力求均布、緊湊并考慮清掃和整體結構的要求?；镜呐帕蟹绞接形宸N：等邊三角形。其一邊與流向垂直，是最常用的形式。與正方形排列相比傳熱系數(shù)高，可節(jié)省15%的管板面積。適用于不生污垢或可用化學清洗污垢以及允許壓降較高的工況；轉角三角形。三角形的一邊與流向平行，其特點介于等邊三角行和正方形兩種排列之間，不宜用于臥式冷凝器，因下方管子形成的厚度越來越厚的凝膜會使傳熱削弱；正方形排列最不緊湊，但便于機械清掃，常用于殼程介質易生污的浮頭式換熱器；同心圓排列。用于小殼徑換熱器時比正三角形排列還緊湊，靠近殼體的地方布管均勻。對于多管程換熱器常采用組合排列法11，每程均屬正三角形排列，而各層面間呈正方形排列，以便于安排分程隔板。綜合比較以上幾種布管方式，可采用組合排列形式，中間正方形，其余三角形。布管位置如圖2-2示。十字形的走廊是為了裝設分程隔板，故有殼程流體的泄漏和旁流的問題，共有406個管孔，其中6個孔為安裝拉桿用。圖2-2 管子排列2.4 殼體殼體材料除要滿足一定的強度外，由于制造過程中經(jīng)過卷板、沖壓和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量較低的、等，現(xiàn)選用鋼12。殼體內(nèi)徑Ds=700mm 殼體壁厚： （2-1）為殼體工作溫度下的許用應力，已知殼程設計溫度為220，則tw220。根據(jù)碳鋼板許用應力，表查得=167為焊縫系數(shù)13，取=0.85，p1為工作壓力，等于1.6MPac=2mm則 實取，之后要用有限元分析軟件ANSYS進行強度校核。2.5 管箱2.5.1 封頭根據(jù)壓力容器設計規(guī)范采用材質為16MnR的標準橢圓封頭，在滿足強度要求的情況下，其壁厚可用以下公式計算： （2-2）已知管程設計溫度為200，則tw80mm就必須加開孔補強， 當殼體名義厚度小于或等于12mm時，接管Dg50mm就必須加開孔補強，。因此，對于Dg100的管箱接管和Dg150的