精品煤油冷却器的设计换热器设计.docx
《精品煤油冷却器的设计换热器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品煤油冷却器的设计换热器设计.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
精品煤油冷却器的设计换热器设计
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
煤油冷却器的设计设计（论文）时间：
至
设计（论文）进行地点：
1、设计（论文）内容：
对换热器的结构进行了详细的设计，传热计算、管、壳程流体阻力计算、管板厚度计算、换热器厚度及内经、管束振动、管壳式换热器零部件结构等等。
2、设计（论文）的主要技术指标
1处理能力：
10万吨/年煤油
2设备形式：
列管式换热器
3操作条件
（1）.煤油：
入口温度140℃，出口温度40℃
（2）.冷却介质：
自来水，入口温度30℃，出口温度40℃
（3）.允许压强降：
不大于100kPa
3、设计（论文）的基本要求
1.字数文体格式要符合要求。
2.概念清晰，内容正确，条理分明。
3.要突出自己的想法和观点。
4.材料信息准确来源要有注明。
毕业设计（论文）任务书
4、应收集的资料及主要参考文献
[1]夏清，姚玉英,陈常贵,等.化工原理[M].天津：
天津大学出版社，2001
[2]华南理工大学化工原理教研组.化工过程及设备设计[M].广州：
华南理工大学出版社，1996
[3]刁玉玮,王立业.化工设备机械基础（第五版）[M].大连：
大连理工大学出版社,2000
[4]大连理工大学化工原理教研室．化工原理课程设计[M].大连：
大连理工大学出版社，1996
[5]魏崇光，郑晓梅.化工工程制图[M].北京：
化学工业出版社,1998
[6]娄爱娟,吴志泉.化工设计[M].上海：
华东理工大学出版社，2002
[16]化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2003
5、进度安排及完成情况
序号
设计（论文）各阶段任务
日期
完成情况
1
查阅毕业设计相关的资料
4月11日~4月17日
2
确定毕业设计选题及设计步骤
4月18日~4月24日
3
计算设计相关数据
4月25日~5月8日
4
撰写毕业论文
5月9日~6月19日
5
准备毕业答辩
6月20日~6月24日
学生签名：
指导教师签名：
系主任签名：
2011年月日
摘要
这篇论文主要介绍的是换热器机械计算等相关的设计过程。
本文引用这三年学过的书本知识及相关的技术标准，对换热器的结构、强度进行了系统的阐述.换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备.其中，换热器是目前应用较为广泛的换热设备。
优点:
结构简单,制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小,管程分程较方便.缺点：
壳程无法进行机械清洗,壳程检查困难,壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。
我设计的换热器内部以换热管和折流板做为基本构件，冷介质、余热介质分别在管程与壳程之间流动,以达到降温或升温的效果。
换热器由筒体、管箱、封
头、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。
通过强度计算合理选择材料，确保安全运行,提高设备的生产效率,降低设备的制造成本，实现化工单元操作的最佳化.
关键词:
换热器管箱壳体管板封头
1毕业设计任务书—1—
1。
1题目-1—
1。
2任务及操作条件—1-
1.3列管式换热器的选择与核算-1—
2概述—2—
2。
1换热器概述—2—
2。
2固定管板式—3-
2.3设计背景及设计要求-4—
2.3。
1设计背景-4—
2。
3.2设计要求—4-
3热量设计-6—
3。
1初选换热器的类型—6-
3。
2管程安排（流动空间的选择）及流速确定-6-
3。
3确定物性数据—7-
3.4计算总传热系数—7—
3.4。
1煤油的流量—7—
3。
4.2热流量—7—
3.4.3平均传热温差-7-
3。
4。
4冷却水用量—8-
3.4.5总传热系数K—8-
3.5计算传热面积—11—
4机械结构设计—12-
4。
1管径和管内流速—12—
4.2管程数和传热管数—12—
4.3平均传热温差校正及壳程数-12—
4。
4壳程内径及换热管选型汇总-13—
4。
4.1壳体内径-13—
4.4.2换热管的选型汇总—14—
4.5折流板—15—
4。
6接管-18—
4。
6。
1壳程流体进出口时接管—18—
4。
6.2管程流体进出口时的接管-18-
4。
6.3接管最小位置—18-
4。
7壁厚的确定、封头—19-
4.7。
1壁厚-19-
4.7。
2椭圆形封头—19—
4.8管板—20—
4.8。
1管板结构尺寸—20—
4。
8。
2管板与壳体的连接-20-
4。
8。
3管板厚度-21-
4。
9换热管-21—
4。
9。
1换热管的规格及尺寸偏差—21—
4。
9.2传热管排列和分程方法-21—
4.9.3横过管束中心线的管数—22-
4。
9.4布管限定圆-22-
4。
10分程隔板—23-
4.10。
1分程隔板尺寸-23—
4.10.2管子和分程隔板的连接—23—
4.11拉杆-23—
4.11.1拉杆的直径与数量-23—
4.11。
2连接与尺寸—24—
4.12换热管与管板的连接-25-
4.13。
防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图（BI型）-26-
4。
13。
1防冲板或导流筒的选择-26-
4。
14.膨胀节的设定讨论—26—
4.14.1管壁温度的估算-26-
4。
14。
2管子拉脱力-26—
5、换热器核算—28—
5。
1热量核算—28—
5.1.1壳程对流传热系数—28—
5。
1.2管程对流传热系数—29—
5。
1。
3传热系数K-29-
5.1.4传热面积S—30-
5.2流动阻力的计算—30-
5。
2。
1管程流动阻力—30—
5.2。
2壳程流动阻力-31-
6、管束振动的计算—33-
6。
1换热器的振动-33—
6。
1。
1撞击破坏—33—
6。
1.2挡板损伤—33-
6。
1.3接头泄漏—33—
6。
1.4应力疲劳—33—
6。
1。
5冶金失效—34—
6.1.6材料缺陷扩展—34-
6.2流体诱发换热器管束振动机理-34—
6。
2.1漩涡脱落诱导振动-34-
6.2。
2紊流抖振-35—
6.2.3流体弹性激振—36—
6。
3管束振动的计算—36-
7、设计结果表汇—38-
谢词—40-
参考文献-42-
1毕业设计任务书
1.1题目
煤油冷却器的设计
1.2任务及操作条件
1。
2.1处理能力：
10万吨/年煤油
1。
2。
2设备形式:
列管式换热器
1。
2。
3操作条件
（1）.煤油：
入口温度140℃，出口温度40℃
（2）.冷却介质：
自来水，入口温度30℃,出口温度40℃
（3）.允许压强降：
不大于100kPa
（4）。
煤油定性温度下的物性数据:
密度825kg/m3，黏度7。
15×10-4Pa。
s，比热容2.22kJ/（kg。
℃）,导热系数0。
14W/（m.℃）
（5）。
每年按330天计，每天24小时连续运行
1.3列管式换热器的选择与核算
1。
3.1传热计算
1。
3.2管、壳程流体阻力计算
1。
3.3管板厚度计算
1.3。
4U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）
1.3。
5管束振动
1。
3。
6管壳式换热器零部件结构
2概述
2。
1换热器概述
换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。
在化工厂,换热器的费用约占总费用的10％～20%，在炼油厂约占总费用35％～40％.换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。
因此,设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用.
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。
换热器的类型按传热方式的不同可分为:
混合式、蓄热式和间壁式。
其中间壁式换热器应用最广泛,如表2—1所示。
表2-1传热器的结构分类
类型
特点
间
壁
式
壁
管
壳
式
列
管
式
固定管式
刚性结构
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗
间
式
带膨胀节
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力
浮头式
管内外均能承受高压，可用于高温高压场合
U型管式
管内外均能承受高压,管内清洗及检修困难
填料函式
外填料函
管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质
内填料函
密封性能差，只能用于压差较小的场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
双套管式
结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中
套管式
能逆流操作,用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器
螺旋管式
沉浸式
用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板面式
板式
拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热
螺旋板式
可进行严格的逆流操作,有自洁的作用，可用做回收低温热能
伞板式
结构紧凑,拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净
板壳式
板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高
混合式
适用于允许换热流体之间直接接触
蓄热式
换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合
2。
2固定管板式
因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。
固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。
但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。
当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。
有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时,补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩）,以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。
这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合.
图2—1固定管板式换热器的示意图
1-挡板2-补偿圈3-放气嘴
2.3设计背景及设计要求
2.3.1设计背景
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛地使用各种换热器,且他们是上述这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20％,在炼油厂约占总费用的35%-40％。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高,因而对换热器的要求也日益加强.换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分的活跃。
一些新型的换热器相继问世.随着换热器在工业生产中地位和作用不同，换热器的类型也多种多样,不同类型的换热器自然有各自不同的优缺点与性能；所以在换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择使用的类型，然后计算换热所需传热面积,并确定换热器的结构尺寸.
2。
3。
2设计要求
完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：
（1）合理地实现所规定的工艺条件：
可以从：
①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手.
（2）安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
（3）有利于安装操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层.
（4）经济合理
评价换热器的最终指标是：
在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。
在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。
3热量设计
3.1初选换热器的类型
两流体的温度变化情况如下：
（1）煤油：
入口温度140℃，出口温度40℃；
（2）冷却介质：
自来水，入口温度30℃，出口温度40℃；
该换热器用循环冷却自来水进行冷却,冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素,估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器.
3。
2管程安排（流动空间的选择）及流速确定
已知两流体允许压强降不大于100kPa；两流体分别为煤油和自来水.与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。
由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。
表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围
流体种类
流速/（m/s）
管程
壳程
一般液体
0。
5~3
0。
5～1.5
易结垢液体
〉1
>0.5
气体
5~30
3～15
表3-3。
不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）
液体粘度/mPa．s
＞1500
1500～500
500～100
100～35
35～1
＜1
最大流速/（m/s）
0。
6
0.75
1.1
1.5
1。
8
2。
4
由上表，我们初步选用Φ25×2.5的碳钢管,管内流速取ui=0。
5m/s。
3。
3确定物性数据
定性温度:
对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
壳程流体（煤油）的定性温度为：
T=
=90℃
管程流体（水）的定性温度为：
t=
℃。
在定性温度下，分别查取管程和壳程流体（冷却水和煤油）的物性参数，见下表：
密度/（㎏/m3）
比热容/（kJ/kg•℃）
粘度/（Pa•s）
导热系数/（W/m•℃）
煤油
825
2.22
7.15×10-4
0.14
水（35℃）
994
4.18
7。
25×10-4
0。
626
3.4计算总传热系数
3。
4。
1煤油的流量
已知要求处理能力为15万吨煤油每年（每年按330天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：
Wh=100000t/（330×24）=12626kg/h
Wh——热流体的流量,kg/h;
3。
4。
2热流量
由以上的计算结果以及题目已知，代入下面的式子，有：
Q=
=12626kg/h×2。
22kJ/kg•℃×（140—40）℃
=778603W
3.4。
3平均传热温差
计算两流体的平均传热温差
暂时按单壳程、多管程计算。
逆流时，我们有
煤油:
140℃→40℃
水：
40℃←30℃
从而,
=
39.1℃
而此时，我们有：
式中T1，T2——热流体（煤油）的进出口温度,K或℃；
t1,t2-—冷流体（自来水）的进出口温度，K或℃;
由图4—19（参见天津大学出版社的《化工原理（上册修订版）》233页）可查得:
=0.82﹥0。
8，所以,修正后的传热温度差为:
=
=39。
1×0。
82=32℃
3。
4。
4冷却水用量
由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得：
Wc=
=
=67056.7kg/h
3.4。
5总传热系数K
总传热系数的经验值见表3-4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考.选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外,还应考虑换热器的类型。
表3-4总传热系数的选择
管程
壳程
总传热系数/［W/（m3·℃）
水（流速为0。
9～1.5m/s）
水
冷水
冷水
冷水
盐水
有机溶剂
轻有机物μ＜0。
5mPa·s
中有机物μ=0.5～1mPa·s
重有机物μ＞1mPa·s
水（流速为1m/s）
水
水溶液μ＜2mPa·s
水溶液μ＞2mPa·s
有机物μ＜0.5mPa·s
有机物μ=0。
5～1mPa·s
有机物μ＞1mPa·s
水
水
水
水
水
水（流速为0.9~1。
5m/s）
水（流速较高时）
轻有机物μ＜0。
5mPa·s
中有机物μ=0。
5～1mPa·s
重有机物μ＞1mPa·s
轻有机物μ＜0.5mPa·s
有机溶剂μ=0.3～0.55mPa·s
轻有机物μ＜0.5mPa·s
中有机物μ=0。
5～1mPa·s
重有机物μ＞1mPa·s
水蒸气（有压力）冷凝
水蒸气（常压或负压）冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
有机物蒸气及水蒸气冷凝
重有机物蒸气（常压）冷凝
重有机物蒸气（负压）冷凝
饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝
含饱和水蒸气的氯气（＜50℃）
582～698
814～1163
467～814
290~698
116～467
233～582
198～233
233～465
116～349
58～233
2326～4652
1745～3489
1163～1071
582～2908
582～1193
291~582
114～349
582～1163
116~349
58~174
582~1163
174~349
管程
壳程
总传热系数/［W/（m3·℃）
水
水
水
SO2冷凝
NH3冷凝
氟里昂冷凝
814~1163
698～930
756
（1）.管程传热系数：
=2753W/m2•℃
（2）。
壳程传热系数：
假设壳程的传热系数是：
=500W/m2•℃
污垢热阻：
Rsi=0.000344m2℃/W
Rso=0。
000172m2℃/W
管壁的导热系数：
=45m2℃/W
管壁厚度：
b=0.0025
内外平均厚度：
dm=0.0225
在下面的公式中，代入以上数据，可得
=1÷0.00312
=320W/m2•℃
3。
5计算传热面积
由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积：
考虑15％的面积裕度，则:
4机械结构设计
4.1管径和管内流速
换热器中最常用的管径有φ19mm×2mm和φ25mm×2。
5mm.小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄;同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少.所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下,采用φ19mm×2mm直径的管子更为合理.如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。
标准管子的长度常用的有1500mm,2000mm，3000mm，6000mm等.当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格,合理裁用，避免材料的浪费。
选用φ25×2。
5的碳钢管,管长6m，管内流速取ui=0。
5m/s。
4.2管程数和传热管数
根据传热管的内径和流速，可以确定单程传热系数：
按单程计算，所需传热管的长度是：
若按单程管计算,传热管过长，宜采用多管程结构，可见取传热管长l=6m,则该传热管程数为:
则传热管的总根数为：
N=Np×ns=2×120=240（根）
4.3平均传热温差校正及壳程数
由前面的计算已求得，按单壳程、多管程计算,逆流时：
=
39.1℃
而此时，我们有：
P=
R=
由（参见天津大学出版社的《化工原理（上册修订版）》233页）可查得：
=0.82﹥0。
8,所以,修正后的传热温度差为：
=
=39.1×0.82=32℃
于是，校正后的平均传热温差是32℃,壳程数为单程，管程数为2。
4。
4壳程内径及换热管选型汇总
4。
4.1壳体内径
采用多管程（2管程）结构，
D=a（b—1）+2e
式中D——壳体内径，mm；
—-管心距，mm；
——横过管束中心线的管数，管子按正三角形排列:
；管子按正方形排列：
，n为换热器的总管数;
e—-管束中心线上最外层管中心到壳体内壁的距离，一般取e=（1～1.5）d0。
壳径的计算值应圆整到最接近部颁标准尺寸，
所以，代入数据我们有：
D=32×18+2×（1.0～1。
5）×25
=626～651mm
取D=600mm
4.4。
2换热管的选型汇总
根据以上的计算可以得到如下的计算结果：
DN，mm
600
管程数
2
壳程数
1
管子规格
φ25×2。
5
管子根数
240
中心排管数
19
管程流通面积,m2
0。
03768
换热面积,m2
100
换热器长度，mm
6000
通过查表，可以发现下面的结构尺寸的换热器和所需的比较接近，故而选择该种换热器：
DN，mm
600
管程数
2
壳程数
1
管子规格
φ25×2.5
管子根数
232
中心排管数
16
管程流通面积，m2
0.0364
换热面积,m2
107.5
换热器长度，mm
6000
4。
5折流板
设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。
常用的有弓形折流板和圆盘—圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形［图4—1（a）］、双弓形[图4—1（b）]、三重弓形［图4—1（c）］等几种形式。
图4-1弓形折流板
单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%～45％，最好是20％，见图4—2（a）；在卧式冷凝器中,折流板底部开一90°的缺口，见图4-2（b）。
高度为15～20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头,这时可采用带堰的折流板，见图4—2（c）。
在大直径的换热器中，如折流板的间距较大,流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来,形成对传热不利的“死区”。
为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。
从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板.但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理.折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图4—3。
由于换热器是功用不同,以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为:
100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm.
允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。
允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。
折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高,但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要
求适宜。
折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表4-1所列数据.
表4—1折流板厚度/mm
壳体
公称内径
/mm
相邻两折流板间距/mm
≤300
300~450
450~600
600~750
＞750
200~250
3
5
6
10
10
400～700
5
6
10
10
12
700~1000
6
8
10
12
16
＞1000
6
10
12
16
16
支承板厚度一般不应小于表4—2（左）中所列数据.
支承板允许不支承的最大间距可参考表4-2（右）所列数据。
壳体直径/mm
＜400
400~800
升级会员 