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1、煤油冷却器的设计毕业设计论文摘要冷凝器是使用范围很广的一种化工设备，属于换热器的一种。本设 计任务主要是根据已知条件选择采用固定管板式换热器的设计 ，固定管板式换热器的优点是锻造用量少，成本低;传热面积比浮头热交换器小20% 至30%小，旁通流大。本台换热器主要完成的是煤油-水之间的热量交换，首先根据给出的 设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳程和管程的材料，然 后根据物料性质和传热面积来确定换热管的材料，尺寸，本次设计的主 要设计参数为：管程介质为水，温度由 30C加热到42C，工作压力 1.6Mpa，流量为3500kg / h，壳程介质为煤油，入口温度138C，出口温度 40C、压

2、力为2Mp a，流量为3500kg/h。，传热面积为 22.38川，采用 25 X 2.5 X 450无缝钢管换热，则可计算出 58根换热管，D=325mm的 圆筒根据换热管的根数确定换热管的排列，并根据换热管的排列和长度 来确定筒体直径以及折流板的选择。通过对容器的内径和内外压的计算 来确定壳体和封头的厚度并进行强度校核。然后是对换热器各部件的零 部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，钩圈及法兰的设计 计算与校核和管子拉脱力的计算。还包括管板的结构设计、防冲挡板、 支座设计。结构设计中的标准件可以参照国家标准根据设计条件直接选 取；非标准件，设计完结构后必须进行相应的应力校核。管板与

3、换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温 度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点，也是一个难点。关键词：冷凝器；强度设计；结构设计AbstractThe conden ser is a kind of chemical equipme nt which is widely used, and bel ongs to a kind of heat excha nger. The desig n task is mainly accord ing to the known con diti ons to choose the desig n of fixed tube pla

4、te heat excha nger, the adva ntagesof fixed tube plate heat excha nger is forging used less, low cost; heat tra nsfer area ratio of floati ng head type for heat excha nger is 20% to 30% and a bypass flow small.25The heat exchanger is mainly completed is between kerosene and water heat exchange, firs

5、t of all according to the given design temperature and pressure to determ ine structure of equipme nt and the shell side and tube side material, and the n accord ing to the n ature of the material and the heat tran sfer area to determ ine the heat excha nge tube materials, dime nsions, nu mber of ro

6、ots.The mai n desig n parametersof this desig n are: tube medium is water temperature from 30 C heated to 42C , working pressure, flow, shell medium kerose ne in let temperature 138C , outlet temperature 40 C , pressure flow rate . A heat transfer area 22.38川,seamless steel pipe heat exchanger 2.5 4

7、500, you can calculate the heat tran sfer tubes 58, D = 325mm cyli nder is determ ined based on the nu mber of heat tran sfer tubes of the heat tra nsfer tubes are arra nged and the heat tran sfer tubes accord ing to the arran geme nt and to determ ine the len gth and diameter of the cyli nder baffl

8、es choice. And to determine the thickness of the shell head and the inner diameter of the container by calculati on of in ter nal pressure. Then in the heat excha nger desig n stre ngth member flange desig n, select ing the various comp onents and calculated the stre ngth verificati on and in specti

9、 on, in specti on and pull shackle and floati ng head flange desig n calculatio ns and pip ing De-force calculati ons. Also includes a tube plate structure design, anti scour baffle, slideway structure desig n and the desig n of support. The sta ndard parts in the structure desig n can be selected d

10、irectly accord ing to the n ati onal sta ndards; the non sta ndard parts must be checked for the corresp onding stress after the desig n of the structure.Tube plate and tube heat excha nger and the conn ecti on mode of weld ing, tube plate more stress, and the temperature in side and outside have ce

11、rtain differenee. Therefore, on the tube sheet strength check is a key and a difficulties.Key words: heat excha nge; stre ngth design structure desig n第一章绪论 11.1换热器的重要性及意义 11.2换热器的研究现状及其发展趋势 11.2.1国内的研究现状 1122国外的研究现状 21.3换热器的发展趋势 31.3.1换热器强化传热技术的发展 31.3.2大型化及能耗研究 31.3.3材料的研究 31.3.4腐蚀的研究 31.4换热器的种类 4

12、1.5工艺流程 5第二章传统工艺计算 62.1设计任务与条件 62.2换热器类型的确定 72.3计算换热器的热负荷Q 72.4冷却水用量 82.5平均温差的计算 82.6初算传热面积 82.7管子选择和管数的确定 92.8平均传热温差校正及壳程数 102.9管子排列方式和管间距的确定 102.9.1管子排列方式 102.9.2换热管中心距的确定 112.10壳程内径的确定 122.11折流板的选择及间距确定 122.12确定总传热系数 K 122.12.1管程换热热系数的确定 132.12.2壳程侧换热系数的确定 132.12.3计算传热面积 142.13流体压降的计算 152.13.1管程压

13、降的计算 152.13.2壳程压降的计算 162.13.3壁温核算 16第三章结构设计及强度校核 183.1换热器的整体结构 183.2筒体的结构设计及校核 183 .2.1筒体内径的确定 193.2.2筒体厚度的确定 19323筒体水压试验 193.3封头形式的选择 203.3.1封头厚度的确定 203.3.2封头的水压试验 213.4管箱的设计及校核 213.4.1管箱简介 213.4.2短节的设计及校核 223.4.3管箱水压试验 223.5管箱法兰的选择 233.5.1各管孔接管及其法兰的选择 243.6管板的结构图 263.7连接设计 273.7.1连接简介 273.7.2管板与壳体

14、和管箱的连接结构 273.7.3管板与壳体和管箱的连接结构图 273.7.4管板与换热管的连接的结构确定 283.8换热器的热补偿 293.8.1管程和壳程的压应力 293.8.2壳体和管子截面积 303.8.3管程和课程的压应力 303.8.4管程和壳程的温差应力及补偿措施 313.8.5拉脱应力 33386判断是否需要热补偿 333.9接管的设计 353.9.1接管材料的选择 353.9.2管程接管直径 353.9.3管程接管厚度 353.9.4壳程接管直径 353.9.5壳程接管厚度 363.10开孔的判定 36第四章附件的选择 384.1鞍座的选择 384.1.1换热器总质量的计算 3

15、84.1.2鞍座的尺寸及结构选择 404.2分程隔板选择 414.3折流板 424.4拉杆 424.4.1拉杆的选择 424.4.2拉杆的形式 434.5定距管 434.6法兰螺栓规格 434.7设计结果表汇 44参考文献 45致谢 46第一章绪论1.1换热器的重要性及意义换热器的发展历史，已在许多领域被广泛应用于国民经济的近一个世纪。 80年代以来，由于不断改进制造技术，先进的材料科学技术和传热学理论的研究， 设计和 能源相关的热交换器关注日益引起人们的应用。 特别是在最近几年，能源和材料成本的上升大大促进了节能热交换器的研究中， 作为一种节能设备，换热器，不仅以确保过程不可缺少的设备的正常

16、运行， 并且金属消费，电力消费和投资，其份额已对整个 项目的一大部分。据统计，在设备投资的所有投资的 40%左右热交换器。因此，能源，材料和观点省钱角度，如何选择高效换热器是不可避免的面临的每一个工程设计 的问题。目前，节能减排已成为中国 十二五”的重要战略举措。期间，高效节能换热 器研究已成为地下换热器研究领域的一个热点。1.2换热器的研究现状及其发展趋势 11.2.1国内的研究现状我国的换热器产品在一些重要领域取得了突破性进展， 但基础研究换热器技术仍然薄弱。与国外先进水平相比，中国的换热器行业最大的研究，技术差距上热交换产 品基本原理的研究，特别是缺乏物理数据介质，缺乏流场，温度场，流动

17、情况等研究 工作。在换热器制造，中国仍然是模仿，虽然制造小的差距的整体水平，但在加工和模 具压板的水平仍有一定差距，与发达国家。在标准的换热器的设计和技术的设计标准相对滞后。 目前，最大的产品直径的标准管壳式换热器被限制在2.5米，并与大型石化领域的要求，目前的管壳式换热器的直径 为4.5米或5米，超出标准范围热交换器设计的，因此，按照美国公司的热交换器的 设计必须TEMA标准。1.2.2国外的研究现状研制新的强化传热管： 加入扰动的管推进，为了提高与添加的捻，螺旋片，螺旋，涡流发生器的入 口传热管翅片管，静态混合器等的传热效果。扩大热传递表面。嵌入的表面传热片，以增加额外的热传递表面，并且改

18、善 的流体湍流。嵌入式翅片，不仅翅片管外，而且还翅片管内。鳍本身有各种各样的类 型，日立电线株式会社最近呈现锯齿状翼片的外表面， 它在滴冷凝侧相信，较光滑管下部或翅片这些尖头管更有效，残留在管内的膜保持薄和热阻非常低， 所以传热效率 高。促进原有传热表面的性能。使用永久的表面处理方法，以提高原始性能的传热 面。如蒸汽冷凝，利用永久覆盖层的热传递表面，沸腾的条件下，用于冷凝和沸腾的 条件适用使用多孔覆盖层的，使用有纹理的或成形表面。增强热传递的激励。使用一个静电场，得到振动法或流体的传热面，以增强热 传递。根据研究的结果J.L.Gal ner。等，并在广泛的实验，与该脉动的传热系数的增 加，最大

19、增强在过渡流区域中观察到。壳程传热及流动的研究：矛盾壳管式换热器，很长一段时间，有一个壳传热效率 和压降和流动引起的振动所造成的壳热交换器管振动的问题。 美国飞利浦公司开发出 了折流杆换热器专利技术，三井造船在 1978年引进的链接，而不是挡板的新技术。新型材料换热器的研究：近年来，为了应对高腐蚀性媒体，研究和开发新材料迅 速促进热量的应用，尤其是氟塑料热交换器和帝国系统和其它更突出。 当一家英国公司最近做了一个玻璃换热器，有158管，5000气体处理能力过20万计“/500E最高 工作温度。电子计算机在换热登中的应用：目前使用的计算机进行换热器的设计， 受到了广泛的重视和发展。在这方面，美国

20、的迅速发展，他们已经开发了多种计算机程序设计， 所有的组件可以按照美国使用和英国的规范进行设计的管壳式换热器， 并进行优化设计，寻求最轻和最低-cost组件。1.3换热器的发展趋势2131换热器强化传热技术的发展可以很好的改善强化传热技术的传热性能是一种节能技术。 由于不同情况下的传 热流体因素，外壳的探索强化传热必须与加强的优化组合通管， 这就是后来的强化传 热技术的发展趋势。在工业生产中的地位和不同的换热器的作用，换热器型多样，不是同一类型的换 热器也是不同的优点和缺点，它的性能也有很大不同。管式换热器有很长的历史，并 在同行业是最典型的管壳式换热器，迄今仍然是所有的热交换器的占主导地位。

21、1.3.2大型化及能耗研究与大型设备和大，超过5m的直径大得多的热交换器，每单位面积的传热面积将 达到1000平方米，紧凑式换热器将越来越普及。随着水资源的全球性短缺，新媒体将取代循环冷却水，循环水将被新的，高效的冷空 气所取代。在保温技术的发展，热损失将降低到目前的 50%或以下。1.3.3材料的研究强度高，制造工艺简单，良好的防腐蚀性，重量轻，将材料的未来发展方向，具 有使用多种稀有金属贵金属价格下跌， 钛，锆等量将逐步扩大，铬钼钢将实现发展无需预热和后加热的方向。1.3.4腐蚀的研究在节能，能效要求的发展形式，污物将是国家科研的重视和投入，通过污染的增 长速度的研究，影响因素的形成机理，

22、研究人员能够通过预测污垢曲线， 它的热量控 制结构转换效率提高一定的突破。 保证装置能耗低，经常跑循环，超声波洗牙技术将 得到大力发展。腐蚀技术将会有所突破，低成本的防腐涂层的金属防腐蚀涂料技术的 金属防腐蚀涂料技术将得到发展，电化学腐蚀技术将成为主导。1.4换热器的种类按热传递原理或传热方式进行分类：直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式 换热器、中间载热体式换热器如表 1-1所示0表1-1传热器的结构分类类型特点固定管式刚性结构适用管壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高 场合，壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洁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高温、高压的场合对于管

23、的内外壳都能够承受列U型管式管内清洗和检修麻烦管管填料函式外填料函填充容易漏水，下面适用于 4MPa的不适挥发，易爆， 有毒介质内填料函因为密封性能差，所以用在压力差小的场地间壳式釜式它可以处理脏，易结垢的媒体，能承受高温，高压（没 有温度应力）式双套管式一般用于高温，高压，小流量流体和所需传热面积不大 的场合壁套管式适应广，传热面弹性大，两侧流体均可提高流速， 两侧传热系数高沉浸式结构简单，成本低，操作灵敏度，管道可承受较咼的压螺旋管式力流体介质式喷淋式管的流体的传热系数大，便于维修和清洁板式传热效率咼，结构紧凑，灵活，易于清洁和维护，能精 确控制热交换器的温度板面式螺旋板式换热面积，传热效

24、率咼，易于制造，材料利用率咼本身 冲刷易结垢，温差小伞板式低成本的，稳定的结构，便于在板之间密封，易 于耐洗板壳式压降小，结构紧凑，传热单位体积内包含了管道的 70%壳式换热器焊接增加技术要求高的区域混合式应用于换热流体之间的直接接触蓄热式换热的过程分阶段交替进行，应用在从高温炉气中回收 热能的场合1.5工艺流程1i第二章传统工艺计算2.1设计任务与条件介质原始数据如表2-1所示表2-1换热器的已知工艺参数参数流里（Kg/h ）温度(C)压力（mpa ）进口出口水（管程）30421.6煤油（壳程）35001384022.2换热器类型的确定煤油的定性的温度 T卄138 4二89 C2冷却水的定性

25、温度 t卄匹空二36 C2两流体的定性温度差为 Tm -tm =89 - 36 = 53 c确定物性参数查化学化工物性参数手册得平均温度下水的物性参数如下:表2-2水的物性参数温度（C）密度（kg / m3）比热容(kJ/kg?C)粘度 / (Pa?s)36993.64.1747.1388 10-4查煤油平均温度下的物性参数如下：表2-3煤油的物性参数温度（C）密度kg / m3 比热容(kJ/kg?C )粘度/（mPa?S）导热系数/（W/m? C）89773.55 2.33_45.8 100.1062.3计算换热器的热负荷 Q确定煤油的热流量=222000(2-1)2.4冷却水用量根据热量

26、平衡，可得到冷却水吸收热流量 Q与Qc的关系如下：Q =Qc Q式中：Q -损失的热量根据本流程的实际情况，因此忽略换热量的流量损失，取 Q =0。则Q = Qc = 799190 kJ/ h = 222 kw则根据(2-2)Qc 二 WcC pc (t2 - ti )得C p (t2 - ti )2.5平均温差的计算逆流时的对数平均温差氏m煤油：138C 40 r水：42CJ 30C式中： =飞-12 =96 Ct2 =T2 _鮎=10 C2.6初算传热面积根据低温流体为冷却水，高温流体为煤油，所以总传热系数K的范围为（250-600）假设K的取值300w/( m2. C)计算传热面积：F

27、222000 19.46 m2(2-4)K 也 tm 300x38.02考虑到15%的面积裕度，则F =1.15 19.46 =22.38 m22.7管子选择和管数的确定已知两流体两流体煤油和水允许压强降不大于 1.6MPa,2MPa；我们初步选用25 X 2.的无缝钢管。表2-4管子内内的流速范围流体种类流速/ （m/s）管程壳程冷却水13.50.51.5般液体（黏度不冋）0.53.00.21.5低黏油0.81.80.41.0咼黏油0.51.50.30.8管子内径：dj =25-2.5 2 = 20mm管内流速取：Uj =1.5m/s,则管数为：4 .43Nt = V 28 .(根)n di

28、2u n (0.02 )2 1 .54 4可取换热管根数为29根则按单程换热器所需的管长为因为按单程计算得到的管子长度太长， 故选择单管程换热器不正确，所以选用多 管程的换热器。取管长为标准管长L=4.5m,则管程数Np = L LNp十詈=212（管程）取整为N p =2程总管子数(2-6)N = NP Nt =2 29 =58(根)2.8平均传热温差校正及壳程数按照平均传热温差校正系数公式有：Pt2 -匕42-3012二 0.11Ti -T2138-30108RT1 -T2138 -40988.17= =t2 ti42 -3012式中：飞2 煤油的进出口温度，c； 匕，t2 自来水的进出口

29、温度，c；由化工原理王国胜主编查图 4-21得，；=0.92 0.8,故采用单壳程。：tm=； ；：tm逆 -0.92 38.02 =34.98(2-7)因此，校正后的平均传热温差为34.98C，壳程数为单程，管程数为2。2.9管子排列方式和管间距的确定2.9.1管子排列方式管子排列应根据清洗和整体结构的确定。同时，在壳体内尽可能多的装入管子，换热管在管板上的排列方式常用的有正三角形、 转角正三角形、正四边形、转角正四边形以及同心圆排列以下五种基本形式。如图 2-1所示。图2.1管子排列方式因为在同一个管板区域可以被布置在相对大量管，所以等边三角形布置的最常见 的形式，但难以清洁的管的外侧，该管被设计成冷凝水，堵塞，无需清洗。与方形， 较高的传热系数相比较，可以节省管板面积的约15%,并且容易划刻和钻井管板。因 此，这样的设计使用了一个等边三角形布置。2.9.2换热管中心距的确定一般换热管的中心距大于等于1.25倍的管外径最为合适，常用的换热管中心距,如表2-5表2-5换热管中心距换热管外径10121416182022253032353845505557换热管 中心距s131416192225262832384044485764707