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1、精选优质文档-倾情为你奉上某某大学毕业设计(论文)题 目： 煤油冷却器的设计（处理量1600kg/h） 学 院： 机电工程学院 专业班级： 过控084班 学生姓名： 某 某 指导老师： X X X 成 绩： 2012年 6 月 15 日专心-专注-专业摘 要 本次毕业设计的任务是设计一个换热器。首先分析设计任务和条件，初步选择换热器的类型，进行流程安排，接着进行工艺结构计算，并重点针对湍流程度和传热面积裕度进行核算。以上完成后是结构设计,包括管板、壳体、管箱、折流板、封头、换热管、法兰、接管等的设计，并确定连接方式和密封形式。下一步是进行强度计算，对各个部分进行计算后，再进行面积、许用应力、力
2、矩计算，然后进行各种可能情况下的应力校核。最后选择接管法兰、密封元件和鞍座，完成本次设计任务。在实际应用中，固定管板式换热器结构简单、制造方便、成本低、管程清洗方便、规格系列范围广，故在工程上得到广泛应用。所以我本次设计选择了固定管板式换热器的设计。关键词:换热器；结构设计；强调计算；应力校核AbstractThe graduation design task is to design a heat exchanger. First analysis design task and conditions, choose the type of preliminary heat exchange
3、r, process arrangement, then process structure calculation, and focusing on the turbulent flow and heat transfer area degree the margin accounts. After the completion of the above is the structure design, including the tube plate, shell and tube box, baffle plate, sealing, head of heat exchange tube
4、, flange, take over of design of, and determined the connection mode and sealing form. The next step is for strength calculation, calculated for each part, then area, allowable stress calculation, torque, and then carry out all the possible check the stress. The last choice to take over flange, seal
5、 components and saddle, complete the design task. In practical applications, fixed tube plate heat exchanger simple structure, easy fabrication, low cost, convenient washing, provide specifications series range wide, it is widely applied in engineering. So this design I chose fixed tube plate heat e
6、xchanger to design.Keywords:Heat exchanger; Structure design; Emphasize computing; Stress checking目 录第1章 绪论1.1 课题背景1.2 换热器的研究现状第2章 确定设计方案2.1 设计任务和操作条件2.2 换热器类型的选取2.3 流程安排第3章 工艺计算3.1 物性数据的确定3.1.1 定性温度的确定 参考文献，对于一般轻油和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程流体冷却水的定性温度为： （3-1）式中 冷却水定性温度（） 冷却水进口温度（） 冷却水出口温度（） ，壳程煤
7、油的定性温度为： （3-2）式中 煤油定性温度（） 煤油的进口温度（） 煤油的出口温度（） ，3.1.2 物性数据参考文献，分别参考管程和壳程流体在对应的温度下，在生产中的物性数据实测值，循环冷却水在28.5时的有关物性数据如下：比热容： kJ/(kg)密 度： kg/；粘 度： Pas；导热系数： W/(m)。煤油在87.5下的有关物性数据如下：比热容： kJ/(kg)；密 度：kg/；粘 度： Pas ； 导热系数： W/(m) 。确定物性数据后，后面的计算中需用到以上数据者，可直接引用。3.2 估算传热面积3.2.1 平均传热温差煤油的进出口温度分别为140和35，冷却水的进出口温度分别
8、为25 和32。先按纯逆流计算，得： （3-3） 式中 逆流或并流的平均传热温差可按图-所示进行计算。图-列管式换热器内流型3.2.2 由煤油的流量计算热负荷依据文献公式： （3-4）式中 Qh热负荷，W； Wh工艺流体的流率，kg/h； cph工艺流体的热容；kJ/(kg)； 工艺流体的温度变化，； = W3.2.3 传热面积计算由于壳程煤油的压力不高，所以可以选择较小的K值。假设 W/(m2)，则估算的传热面积A为： 考虑到估算值对计算结果的影响，根据文献提供的经验范围，取实际传热面积为估算值的1.151.25倍，取1.15倍。即3.2.4 冷却水用量对于工艺流体被冷却的情况，工艺流体所放
9、出的热量等于冷却剂所吸收的热量与热损失之和，在实际设计中，为可靠起见，常可忽略热损失，依据公式：，计算冷却水用量： 3.3 结构尺寸的设计3.3.1 换热管的选择和管内流速的确定考虑到管径太小，流动阻力大，机械清洗困难，由文献根据具体情况选用mm传热管。材料为20号钢。参考文献取管内流速m/s。3.3.2 确定管程数和传热管数参考文献，根据公式 （3-5）可由传热管内径和流体流速确定单程传热管数目，式中 ns单程管子数目； V管程流体的体积流量，m3/s； di换热管内径，m； u-管内流体的流速，m/s。 计算得： 根按单管程计算，所需的传热管长度为L： （3-6）式中 L按单管程计算的管子
10、长度，m； A估算的传热面积，m2； d0管子外径，m。如果按照单管程设计，传热管尺寸过长。应该采用多管程结构。根据本设计实际情况，参考文献推荐的传热管长3m，则该换热器的管程数为：（管程）换热器内传热管根数为：3.3.3 平均传热温差校正及壳程数参考文献，折流情况下的平均传热温差可先按纯逆流情况计算，然后加以较正，由于在相同的流体进出口，温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以在工程上，若无特殊要求均采用逆流。平均传热温差校正系数： （3-7）式中： 热流体的进、出口温度， 冷流体的进、出口温度，。计算平均传热温差如下： （3-8）式中 折流情况下的平均传热温差； 温差校正系数。按单壳程双管
11、程，查文献图F2可知：所以，平均传热温差： =39.5参考文献,因为计算得平均传热温差校正系数为0.96，大于0.8，所以取单壳程合适。3.3.4 壳体内径参考文献采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体的内径为：mm按无缝钢管进级档，可取mm,初步选取壁厚为6mm，即。3.3.5 折流板折流板有横向折流板和纵向折流板，横向折流板同时兼有支撑传热管，防止发生震动的作用，其常用的型式有弓形折流板和和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板结构简单，性能优良，在实际中最为常用。本设计采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度约为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为：mm所以，取mm 。参考文献取折流板的的间距
12、，则mm所以，取mm 。折流板数为：折流板选择圆缺竖直装配，具体型式见总装配图。3.3.6 传热管排列和分程方法对于多管程换热器，常采用组合排列方式，每一程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方法。如图3.1所示。参考文献,管心距选择为：mm，取mm。隔板中心距离相邻的换热管中心距离S等于：各程之间相邻换热管的管心距等于：192=38mm横过管束中心线的管数：图- 换热管组合排列两管程，每程各有换热管数目为21根，管箱中隔板安装位置和介质的流通方式按照图3.2所示。图- 管程隔板安装位置和换热管分程方式3.3.7 接管1. 管程流体进、出口接管：选取接管内冷却水的
13、流速为：m/s，则接管内径如下：m圆整后，管程进、出口接管规格为：。2. 壳程流体进、出口接管取接管内流体流速为：m/s，则接管内径如下：m为了方便取材，圆整后，壳程进、出口接管规格也选择为。3.3.8 其他附件1. 拉杆数量与直径根据文献表43和表44查得，本换热器换热管外径为19mm，所以拉杆直径。拉杆数不得少于4个，考虑到壳体内径较小，选择4根拉杆。2. 防冲挡板参考文献，当管程采用轴向入口接管或换热管内流体速度超过3m/s时，应设置防冲板。当壳程进口流体的（其中味流体密度，；味流体的流速，m/s）值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒：（1） 非腐蚀、非磨蚀性的单向流体，
14、者；（2） 其他液体，包括沸点下的液体，者。有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板；当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减小流体停滞区，增加换热器的有效换热长度。本换热器设计中，管程进口流速为2.5m/s,壳程故管程和壳程均无需设置防冲板。3.膨胀节膨胀节是装在固定管板式换热器壳体上的挠性构件，依靠这种易变形的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温度而引起的温差应力。固定管板式换热器换热过程中，管束和壳体有一定得温差存在，而管板、管束与壳体之间是刚性地连接在一起的，当温差大于50时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏或造
15、成管束弯曲。当温差很大时，可以选用浮头式、U型管及填料函式换热器。但上述换热器的造价较高，若管间不需要清洗时，也可采用固定管板式换热器，但需要设置温差补偿装置，如膨胀节。膨胀节的型式较多，通常有波形膨胀节、平板膨胀节、形膨胀节。在生产实际中，应用最多也最普遍的是波形膨胀节。本设计初步选用波形膨胀节。图-4 波形膨胀节3.4 换热器核算3.4.1 传热能力核算1. 管程传热膜系数参考文献,用克恩法进行计算，选择公式： （3-9）n=0.4(当流体被加热时) n=0.3(当流体被冷却时)所以取n=0.4正确。因为，=0.002Pas，满足条件，定性温度可取流体进出口温度的算术平均值；特征尺寸取换热
16、管的内径di。管程冷却水流通截面积计算得：m2管程冷却水流速为：m/s雷诺数=23926普兰特数用克恩法计算，则管程流体传热膜系数为： =5925 W/(m2)2. 壳程流体传热膜系数可用克恩法进行计算，当量直径，按三角形排列时公式如下： （3-10）式中 t管间距，m； d0换热管外径，m；有上式，当量直径如下：壳程流通截面积为：=0.00288壳程流体流速=，即=0.187m/s雷诺数=4315普兰特数粘度校正，则：用克恩法计算，则壳程流体传热膜系数为： =565W/(m2)3. 污垢热阻和管壁热阻查文献表F1、F7.3得：管外侧污垢热阻为：(m2K)/ W管内侧污垢热阻为：(m2K)/
17、W查表F3得：碳钢在该条件下的导热系数W/(m2K)则管壁热阻： （3-11）式中 b换热管壁厚，m； 管壁导热系数，m/W =0.00004(m2K)/ W4. 总传热系数总传热系数为： （3-12）式中 K总传热系数，W/(m2K)； 壳程流体的传热膜系数， W/(m2K)； 壳程污垢热阻，m2/W； 管壁热阻，m2/W； 管程污垢热阻，m2/W；换热管外径，m；换热管内径，m；换热管平均直径，m；管程传热膜系数，W/(m2K)；所以 =410 W/(m2K)5. 传热面积裕度实际所需的传热面积m2该换热器的实际传热面积=7.52m2该换热器的面积裕度=17.7%该换热器能够完成生产任务，
18、F(1525),符合要求。3.4.2 壁温核算因为管壁很薄，且管壁热阻很小，所以管壁温度可以按公式 （3-13）计算；取循环冷却水进口温度为25，出口温度为32计算传热管壁温。计算中按最不利的操作条件考虑，所以取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。所以：=35.5式中： W/(m2K) W/(m2K)壳体壁温可近似取为壳体流体的平均温度，即：T=87.5。壳体壁温和传热管壁温之差为：51.9参考文献,该温差大于50，所以需要设置温度补偿装置。由于浮头式、U型管式及填料函式换热器造价较高，且操作压力较小，所以初步选用带膨胀节的固定管板式换热器比较合适。3.4.3 换热器内流体的流动阻力1. 壳程流体
19、阻力由于，m/s，=0.7416则流体流经管束的阻力损失为： =1830Pam，m，则流体流过折流板圆缺的阻力损失： =1966Pa总阻力损失为：=3796Pa=0.038MPa0.1MPa参考文献,壳程流体的阻力损失比较适宜。2. 管程流体阻力 因为， ，传热管的相对粗糙度，查莫狄图得：摩擦因子，流速m/s， kg/m3。所单程直管阻力：=5123Pa因为局部阻力系数一般取3，所以局部阻力：=1281Pa=8966Pa=0.0896MPa0.1MPa参考文献,管程流体阻力在允许范围之内。3.5 换热器主要结构尺寸表换热器主要结构尺寸表如表3.1所示。表3-1 换热器主要结构尺寸和计算结果表管
20、程壳程流量kg/h127651600温度进/出25/32140/35压力Mpa0.40.4物性定性温度28.587.5密度kg/m3995.7825比热容kJ/(kg)4.1732.22黏度Pas0.800710-37.1510-4导热系数w/(m)0.61760.14普兰特数5.4111.338设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径207壳程数1管径192管心距25管长3000管子排列管数目（根）42折流板个数44传热面积m27.59折流板距60管程数2材质碳钢冷流体进出口接管452.5材质碳钢热流体进出口接管382.5材质碳钢排污管252.5材质碳钢主要计算结果管程壳程流速m/s0.96
21、20.187传热膜系数W/m25925565污垢热阻m2/W3.4410-41.7210-4阻力损失MPa0.0890.038热负荷kw103.6传热温差51.6传热系数W/m2410裕度%17.7第4章 换热器结构设计4.1 壳体、管箱壳体和封头设计根据文献，查图7，选择前端管箱为封头管箱，型号为A型，壳体型式为E型；后端结构为M型。如图4-1所示。图4-1 换热器结构4.2 选取接管接管材料均为10号钢。在壳体的左端上部设有管径为的煤油出口管，在壳体的右端底部设有管径为的煤油出口管；在前端管箱顶部设有管径为的冷却水进口管，在前端管箱底部设有管径为的冷却水进口管，在壳体的右端上部设有管径为的
22、排气管出口管，在壳体的左端底部设有管径为的排污管出口管；接管位置如上图4-1所示。 4.2.1 接管外伸长度工艺煤油进、出口接管外伸长度=250mm；冷却水进、出口接管外伸长度=250mm；排液管和排气管的外伸长度=100mm。4.2.2 接管与筒体和管箱壳体的连接接管与壳体和管箱壳体及封头连接的结构型式采用插入式焊接结构。接管不得凸出于壳体的内表面。如图4-2所示。图4-2 焊接结构4.2.3 接管位置的确定在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应尽量靠近两端管板，管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱壳体长度，减轻设备的重量。为了保证设备的制造、安装，管口距
23、地的距离也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。1. 壳程接管位置的最小尺寸参考文献8,公式 （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）式中 b管板厚度，mm/壳程/管箱接管位置的最小尺寸，mmC补强圈外边缘（无补强圈时为管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mm补强圈的外圆直径，mm接管外径，mm（1）带补强圈时接管的位置：=99mm（2）无补强圈时接管的位置：=91mm综合考虑尺寸的大小，取=100mm2. 管箱接管位置的最小尺寸（1）带补强圈时接管的位置：=108mm（2）无补强圈时接管的位置：=98.5mm所以，综合考虑后取=120mm4.3 换热管与管板4.3.1 换热
24、管换热管的规格为192，查文献可得，其外径偏差为0.4.，壁厚偏差为。考虑煤油粘度较低，不易结垢，则采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其换热管的管心距为25mm，分程板槽两侧相邻管中心距为38 mm。如图4-4所示。图4-4 换热管排列4.3.2 管板管板是管壳式换热器中一个重要元件，它除了与管子和壳体等的连接外，还是换热器中的一个重要受压元件。对管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。1. 管板结构参考文献,管板结构如图4-5所示。选择固定管板兼作法兰的管板，管板与法兰连接的密封面为凸面。分程隔板拐角处，倒角为445。图4-5 管板结构2. 管
25、板最小厚度管板的最小厚度除了要满足强度计算要求外，当管板和换热管采用焊接时，应满足结构设计和制造的要求，且不小于12mm。当管板和换热管采用胀接时，管板的最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足文献表1-6-8。管板应满足较高的强度要求，具体尺寸如图4-6所示。 图4-6 管板尺寸4.4 壳体与管板、管板与换热管的连接4.4.1 壳体与管板的连接考虑到介质温度、压力及物料性质，本设计采用管板兼作法兰的不可拆结构，连接型式如图4-7所 图4-7 管板与筒体的连接4.4.2 换热管与管板的连接因为壳程介质是煤油，换热管和管板材料都是碳钢，焊接工艺性好，故本设计换热器与管板的连接采用焊接连接。如图4-8所示
26、。图4-8 换热管与管板的连接4.5 其他部件4.5.1 拉杆与定距管选择了拉杆定距结构，拉杆直径为12mm，拉杆螺纹公称直径为12mm，拉杆数量为4根，均匀安装于管束的外边缘。其型式如图4-9所示。图4-9 拉杆定距结构4.5.2 折流板为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的同时为缓解换热管的受力状况和防止流体流动诱发振动，本设计设置44块竖直弓形折流板。折流板的缺口高度为40mm，厚度为3mm，折流板管孔直径为，折流板外直径为，靠近管板的折流板与管板间距为180mm，折流板间距为60mm。4.5.3 膨胀节膨胀节计算管子拉脱力计算在换热器中承受流体压力换
27、热管壳壁的温差应力的联合作用，这两个力在管 子与管板的连接接头处产生了一个拉托力，使管子与管板由脱离的倾向。拉脱力是管子平均每平方米胀接周边所受到的力，单位为Pa。对于管子与管板是焊接连接的接头，实验表明，接头的强度高于管子本身金属的强度，拉脱力不足以引起街头的破坏。由于管子和管板采用的是焊接连接，因此在这里我们不需要计算管子拉脱力。膨胀节设置计算必须设置膨胀节的条件：对于固定管板式换热器，用下式计算壳体和管子中的应力：若满足下述条件之一者，必须设置膨胀节：式中F1是由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N； F2是由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N； 其中 F3是由于壳程和管程压力作
28、用于管子上的轴向力，N； At,As分别为管程和壳程的横截面积，mm2； 。 分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，； t0安装时的温度； tt,ts分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，oC；壳体和管子的材质都为碳素钢，其物性常数如下：查外压圆管、管子和球壳厚度计算图（屈服点大于207MPa的碳素钢）得：B=140MPa。st=113MPa，tt=112MPa，=0.85。由此可知此换热器并不必设置膨胀节。第5章 强度计算5.1 设计条件换热器设计条件如表5-1所示。表5-1 设计条件管程 壳程压力 MPa温度 金属温度 操作 0.4 0.4设计 0.5 0.5操作 进/出 25/32 140/
29、35设计 进/出 -10/70 -10/170壳程圆筒ts 140换 热 管tt 40介质 水 煤油腐蚀裕量 mm 2 2程数 2 1焊接接头系数 0.85 0.855.2 结构尺寸换热器公称直径DN200，即mm；换热管为正三角形排列,管心距t=25mm；换热管排列根数；换热管规格，mm；换热管与管板的连接形式：焊接连接；管板分程隔板槽深4mm；壳程侧管板结构开槽深度3mm；管箱法兰采用HG/T 20592-2009 法兰 PL200(B)-16RF Q345R法兰外直径mm；法兰螺柱孔中心圆直径mm；法兰密封面尺寸mm；法兰颈部大端厚度mm；法兰颈部小端厚度mm；管箱法兰厚度mm；柱数量；
30、柱规格，查JB4707-2000，得，则螺柱有效承载面积mm2；垫片采用JB/T4718-2000标准规定的石棉橡胶板；垫片尺寸，mm；垫片接触宽度mm；基本密封宽度，查文献1表9-1得： mm （5-1）查表9-2，垫片系数，比压力；5.3 材料选择及许用应力的计算查文献：圆筒、管箱封头选择材料Q345R，查表4-1，70设计温度下许用应力MPa； 170设计温度下许用应力MPa；查表F5，140金属温度下弹性模量MPa；查表F6 140金属温度平均线性膨胀系数mm/mm；管板材选择料Q345R锻件查表4-5，常温下许用应力MPa； 70设计温度下许用应力MPa； 170设计温度下许用应力M
31、Pa；查表F5，70金属温度下弹性模量MPa；170金属温度下弹性模量MPa；螺柱材料：40MnB查表4-7，常温下许用应力MPa； 70设计温度下许用应力MPa； 170设计温度下许用应力MPa；接管材料：10号钢查表4-3，常温下许用应力MPa； 70设计温度下许用应力MPa； 170设计温度下许用应力MPa垫片材料：石棉橡胶板。表9-2，垫片系数；比压力MPa；换热管，法兰材料选用20号钢 ；查表4-3，170设计温度下许用应力MPa；查表F2, 170设计温度下屈服应力MPa；查表F5，170金属温度下弹性模量MPa；40金属温度下弹性模量MPa；查表F6，40金属温度平均线性膨胀系数
32、mm/mm；5.4 管箱设计由公式计算圆筒部分计算厚度： （5-2）式中 计算厚度，mm 计算压力，mm 筒体内径，mm 设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa 焊接接头系数 mm 设计厚度：mm参考文献，查得钢板负偏差mm。名义厚度：mm根据文献中表8查得公称直径为200mm的固定管板换热器的最小壁厚为6mm，按参考文献，因此取名义厚度mm比较合适。5.5 封头计算设计中选择标准型椭圆封头，所以：计算厚度：mm设计厚度：mm按文献，选择钢板负偏差mm。所以名义厚度：mm参考文献中表8查得公称直径为200mm的固定管板式换热器的壁厚最小值为6mm，取名义厚度mm比较合适。5.6 筒体设计圆筒计算
33、厚度：mm设计厚度；mm按文献，查得钢板负偏差mm。名义厚度：mm参考文献中表8查得公称直径200mm的固定管板换热器的壁厚最小值为6mm，所以取名义厚度mm比较合适。5.7 换热器管板设计5.7.1 相关面积计算壳侧筒体横截面积：mm2隔板槽两侧相邻管中心距mm；沿隔板槽一侧的排管根数；换热管支撑的面积由公式： （5-3）mm2开孔后管板面积： mm2 所以，筒体金属横截面积： （5-4） mm2布管区面积： （5-5） mm2 参考文献附录J1得：mm2，所以全部换热管管壁金属横截面积： mm2 所以，由公式 （5-6） 5.7.2 换热管许用应力的计算参考文献附录表J1查得换热管的回转半
34、径mm，前面计算换热器折流板间距等于60mm，参考文献图32得换热管受压失稳当量长度mm。所以由公式得系数： （5-7）因此由直线公式得许用应力： （5-8） 符合要求。5.7.3 力矩计算布管区当量直径：mm直径与壳程圆筒内径之比由下式计算： （5-9）管板凸缘宽度由下式计算： （5-10） 1. 螺柱面积的确定预紧状态下需要的最小螺栓面积由下式计算： （5-11）mm2操作状态下需要的最小螺栓面积： （5-12）mm2需要螺柱面积： mm22. 压紧力中心圆直径的确定因为mm，所以，mmmm3. 螺柱载荷的计算预紧状态下需要的最小螺柱载荷： （5-13）N操作状态下需要的最小螺栓载荷： （5-14） N需要螺柱载荷： N4. 管程压力操作工况下的法兰力矩为螺柱中心至作用位置处的径向距离由下式计算： （5-15） mm螺柱中心至作用位置处的径向距离由下式计算： （5-16）mm螺栓中心至作用位置处的径向距离： （5-17） mm法兰垫片压紧力由下式计算： （5-18） N作用于法兰内径截面上的流体