沈陽化工大學科亞學院 本科畢業設計全套圖紙，加153893706題 目： 臥式半容積式換熱器設計 專 業： 過程裝備與控制工程 班 級： 1201 學生姓名： 指導教師： 論文提交日期： 2016 年 5 月 25 日論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日畢業設計任務書 過程裝備與控制工程專業 1201班學生：畢業設計（論文）題目：臥式半容積式換熱器設計畢業設計（論文）內容：設計計算說明說一份； 設計圖紙一份畢業設計（論文）專題部分： 換熱器起止時間：2016年3月1日2016年5月23日指導教師： 2016 年 3 月 1 日摘要 物料之間傳遞熱量需要換熱器，因此，換熱器的設計是一個關鍵的步驟。隨著我國國民經濟的飛速發展，在化工，化肥，煉油，制藥，冶金，電力等行業都有著廣泛的應用。在上述行業中，換熱器的投資所占比重很大，約占到企業投資的35-40%，數量上也遠遠多于其他設備。換熱器作為上述行業的通用設備，在企業生產中占有十分重要的地位。鎖著國家科學技術的發展，對能源利用，開發和節約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日漸加強。一臺換熱器產品的設計，應符合企業實際生產需要。對著國際科學技術的發展，對換熱器的研究水品也有了顯著的提高。換熱器的設計，制造，結構改進和以及傳熱機理的研究也十分活躍。列管式換熱器的應用有著悠久的歷史，即使現代，列管式換熱器作為一款傳統的標準換熱設備在很多工業部門中有著廣泛的使用和深遠的影響。尤其在化工，化肥，煉油，等傳統工業領域所實用的設備中，列管式換熱器仍占據著主導地位。歐美發達國家于20世紀80年代起開始競相開發、研制各種型式的換熱器。我國對各種新型換熱器的研究雖然起步較晚，但經過對國外換熱器的借鑒、消化、吸收，也得到了飛速的發展。我國科技工作者也加快了自主研發新型節能換熱器的步伐，我國很多大型石化公司和設計院的新型換熱器產品如板殼式換熱器、蒸發式空冷器、波節管換熱器等不斷獲得國際大獎并出口應用于國外大型設備和廠家。隨著近年對設備環保、節能的要求越來越高，如果有效利用工業余熱廢熱成為研究的熱門問題，同時隨著人民生活水平的提升，對熱水供暖的需求加大，快速傳熱，穩定供熱的環保設備得到更多的認可。而半容積式換熱器具有的換熱快速，傳熱系數高，換熱量大，容積利用率大，節能，節省空間等優點。1關鍵詞: 換熱器設計； 自主研發； 環保； 節能 Abstract Heat transfer between the material need heat exchanger, therefore, the design of heat exchanger is a key step. With the rapid development of national economy in our country, in the chemical, fertilizer, oil refining, pharmaceutical, metallurgy, electric power and other industries have a wide range of applications. Heat exchanger in the industry, investment proportion is very big, about 35-40% of the enterprise investment, the number is far more than other devices. General equipment, heat exchanger as the industry occupies an important position in the enterprise production. Locked state science and technology development, the energy utilization, the requirement of increasing the development and conservation, and also to the requirement of heat exchanger intensified. A heat exchanger in the design of the product, should conform to the enterprise actual production needs. The development of the international science and technology, the study of heat exchanger water quality has improved significantly. Heat exchanger design, manufacture, structure improvement and the research and the heat transfer mechanism is also very active. The application of shell and tube heat exchanger has a long history, even modern, shell and tube heat exchanger for a traditional standard heat exchange equipment has been widely used in many industrial sectors and far-reaching influence. Especially in chemical, fertilizer, oil refining, traditional industries such as the practical equipment, shell and tube heat exchanger is still dominant.European and American developed country in the 1980 s began to development, to develop various types of heat exchanger. Though the study of all kinds of new type heat exchanger in our country starts relatively late, but after a reference, digestion, absorption of foreign heat exchangers, also got rapid development. Chinas science and technology workers also accelerated the pace of independent research and development of new energy saving heat exchanger, many large petrochemical company and design institute in China, a new type of heat exchanger products such as plate heat exchanger evaporative air cooler, bellows tube heat exchanger and other international awards and export used in large foreign equipment and As in recent years, more and more high to the requirement of equipment, environmental protection, energy saving, if the effective utilization of industrial waste heat heat become research hot topic, at the same time as peoples living standards improve, the demand for hot water heating, rapid heat transfer, environmental protection equipment stable heating to get more recognition. And half volume heat exchanger with heat fast, high coefficient of heat transfer, heat transfer, volumetric efficiency, saving energy, saving space, etc. Key words: The heat exchanger design； Independent research and development； Environmental protection ； Energy saving 目 錄 第一章工藝計算 1 1.1 設計條件 1 1.2 確定物性參數 1 1.3 確定傳熱面積 1 1.4 平均溫度差 2 1.5 總傳熱系數 K 2 1.6 估算換熱量及產熱水量 2 1.7 校核傳熱系數 K 3 1.7.1 殼程換熱系數0 3 1.7.2 折流板的切除高度 3 1.7.3 折流板的弓形面積 3 1.7.4 管子的橫截面積與殼體的橫截面積之比 4 1.7.5 圓缺區內的流通面積 4 1.7.6 幾何平均流通面積 4 1.7.7 幾何平均流速 4 1.7.8 幾何平均雷諾數 4 1.7.9 殼程平均換熱系數 4 1.7.10 管程的平均換熱系數 5 1.7.11 傳熱系數K 5 1.8 計算壓力降 5 1.8.1 管程壓力降Pi 5 1.8.2 殼程壓力降 7 1.9 本章小結 9 第二章U 型管換熱器結構設計 10 2.1 筒體的內徑確定 10 2.2 管板與換熱管 10 2.3 折流板 10 2.4 拉桿與定距管 11 2.4.1 拉桿 11 2.4.2 定距管 11 2.4.3 折流板、拉桿、定距管的連接 11 2.5 設計堰板防短路 12 2.6 法蘭的選用 12 2.6.1 接管法蘭選用 12 2.7 墊片 12 2.8 支座 12 2.9 本章小結 12 第三章強度校核 14 3.1 換熱器殼體計算 14 3.1.1 筒體 14 3.1.2 封頭 14 3.2 罐體計算 14 3.2.1 罐體 14 3.2.2 封頭 15 3.3 開孔補強設計 15 3.3.1 接管h,j 16 3.3.2 接管a,b 16 3.4 U型管換熱器開孔 16 3.4.1 橢圓形封頭非中心孔處部位補強的計算 16 3.5 橢圓封頭計算直徑 17 3.5.1 接管周圍封頭補強區的計算寬度 17 3.5.2 接管外側補強設計高度 17 3.5.3 接管內側補強區計算高度 17 3.5.4 計算結果 17 3.5.5 封頭因開孔削弱需要補強的面積 18 3.5.6 封頭多余金屬面積 18 3.5.7 補強圈的金屬面積 18 3.5.8 接管外側多余金屬面積 18 3.5.9 接管內側金屬面積 18 3.5.10 一個孔需要補強面積 18 3.6 補強圈設計 18 3.6.1 人孔開孔 18 3.6.2 補強及補強方法的判別 19 3.6.3 開孔所需補強的面積 19 3.6.4 接管多余金屬面積 19 3.6.5 有效補強面積殼體的有效厚度 20 3.6.6 有效補強面積A4 20 3.7 罐體水壓試驗及其殼體的強度校核 21 3.8 換熱器管程水壓試驗及其殼體的強度校核 21 3.9 管板校核 22 3.10 本章小結 24 第四章制造、檢驗、安裝與維修 25 4.1 概述 25 4.2 材料驗收 25 4.3 筒體的制造 25 4.4 封頭的制造 26 4.5 管板的制造 27 4.6 管束的制造 27 4.7 接管的制造 28 4.8 裝配 28 4.8.1 筒體、法蘭的組裝與焊接 28 4.8.2 管箱的組裝、焊接與加工 28 4.9 油漆、包裝 29 4.10 熱器在使用中常見故障及處理 29 4.10.1 原因 29 4.10.2 現象 29 4.10.3 處理 29 結論 31 參考文獻 32 致謝 33 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 工藝計算第一章工藝計算1.1 設計條件 已知，臥式貯罐容積4m； 工作壓力：管程0.6，殼程0.6； 設計溫度：（水-水換熱） 管程：進口蒸汽 85 出口55 管程： 被加熱水： 進口10 出口55； 罐體公稱直徑： mm DN1400- 換熱器公稱直徑：mm DN400 換熱介質： 水-水1.2 確定物性參數 表1-1 通過查表可知:進口溫度出口溫度平均溫度密度 Kg/m定壓比熱容 CpKj/kg.導熱系數 10W/(m.)黏度105Pa.s普朗特數Pr管程8555709784.1957.441.42.55殼程105532.59954.1753.577.924.031.3 確定傳熱面積 假設換熱面積是 10m2，取U型波紋管直管長是1200mm。則由總面積 A= 2ndL 波1.2+ d0.1可得出： 管子根數 n = A/2dL 波1.2+ d0.1 （1-1） =10/23.140.0191.21.2+3.140.0250.1 =53 根據管板的布置圖(管的排列方式為倒角正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列)驗算上述估算結果，為了結構上的合理，每殼程布管數為 57 根。則布管后的換熱面積為：A= 2ndL 波1.2+ d0.1=10.7m21.4 平均溫度差 熱流體與被加熱流體的平均傳熱溫度 Dtm： 按照逆流傳熱計算， （1-2）tm按照平均溫度差計算， （1-3）1.5 總傳熱系數 K9 根據波紋管半容積式換熱器中，汽水換熱時總傳熱系數一般范圍，首先假設總傳熱系數 2 （1-4）1.6 估算換熱量及產熱水量 （1-5） 熱媒的消耗量： （1-6） 產的熱水量： （1-7）1.7 校核傳熱系數 K1.7.1 殼程換熱系數0 換熱管平均直徑是dm=(di+do) / 2 =(19+25) / 2=22mm （1-8） 流體橫著經過過管束時的流通面積是 F1= hDi(1- dm/ t) （1-9） = 0.350.4(1-0.022/0.025) =0.017m2 對于其中，Di 殼體內徑 400mm t換熱管的中心距 25mm h折流板的間距 350mm1.7.2 折流板的切除高度： （1-10）1.7.3 折流板的弓形面積 As=0.5(Di/2)-0.5b（Di/2-H） （1-11） =0.5(Di/2)x（120/360）x2-0.5x0.346（0.4/2-0.1） =0.0251.7.4 管子的橫截面積與殼體的橫截面積之比 b=0.785（dm/2） （1-12） =0.785（0.022/0.025) =0.611.7.5 圓缺區內的流通面積 F2 = As (1 )=0.01 （1-13）1.7.6 幾何平均流通面積 Am=F1F2=0.013 （1-14）1.7.7 幾何平均流速 Vm= （1-15） = =0.47m/s1.7.8 幾何平均雷諾數 Re0= （1-16） = =114031.7.9 殼程平均換熱系數 （1-17） 1.7.10 管程的平均換熱系數 i =（1164 +17.5 t pj-0.0466 t pj）w0 .64 /d0.36 （1-18） 公式中： tpj水的平均溫度，tpj=32.5 w水的流速，w=0.47 m/s d管徑，d=0.019m 將上述數據代入公式得出 i =9595 W/m.1.7.11 傳熱系數K （1-19） =2470W / m21.8 計算壓力降1.8.1 管程壓力降Pi 管程壓力降由三部分組成，即： （1-20） 式p1 流體流過波紋管部分的壓力降（Pa） pr 管程轉彎壓力降（Pa） pn 管箱進出口壓力降（Pa） 以上三項分別由下式求得 （1-21） （1-22） （1-23） 式中 管內流體的摩擦系數； 以波紋管最小內徑計算的流速（m/s） 管程數 管箱進出口的流速（m/s） 摩爾系數由下式求得： （1-24） 計算： （1-25） =0.82m/s 雷諾數： （1-26） 由式（1-24） 由式（1-22） =18729Pa 由式（1-21） 取Vn=10m/s,則 由式(1-20 )得 18729+6309+73350 =98388pa1.8.2 殼程壓力降 (1-27) 式中 殼程流體在流動路徑上所產生的壓力降（Pa） 流體在殼程回彎處產生的壓力降（Pa） 殼程進出口壓力降（Pa） 以上三式求得下式得： （1-28） （1-29） （1-30） 式中 殼程流體的摩擦系數； 殼程折流板的數目； 殼體內直徑（m）； 換熱管的平均直徑（m）； 殼程流體的密度（ kg / m3 ）； 最小流通面積處流速（m/s）。 摩爾系數由下式求得： （1-31） 流速： =0.23m/s 雷諾數： 由式（1-31） 由式（1-28） 由式（1-29） 由式（1-30）取Vn=2m/s, 得： 由式（2-35）得： 一般來說，對液體，兩側的壓力降一般控制在 0.010.1MPa 此壓降在允許的壓力范圍內，滿足要求。31.9 本章小結 在本章傳熱計算中，對換熱器的計算部分有了個基本的了解，同時，對換熱器的設計的未來方向有了一定的方向，對蒸汽和水在設計條件下的一些物性參數的查找，同時對傳熱面積，工藝結構尺寸計算，選定了換熱器形式臥式半容積換熱器，最后再經過核算，確定了換熱器的初步形式。這在設計中指導了自己接下來的工作內容。同時對自己的能力有了一個全新的認識。31沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 U型管換熱器結構設計第二章U 型管換熱器結構設計2.1 筒體的內徑確定 筒體的內徑為 DN=400mm2.2 管板與換熱管 可用可拆式管板夾持型式，厚度初選為 45mm，與法蘭連接采用凹面密封。分程隔板槽寬 12mm，深 4mm。換熱管選用不銹鋼波節換熱管，19換熱管尺寸：波谷 19mm、波峰 25mm、壁厚 0.8mm，排列形式采用轉角三角形。換熱管中心距 S=25mm。 為了方便于制造加工，管子和管板的密封性與抗拉托強度，管子和管板連接全部采用強度焊。換熱管最小伸出管板長度 2mm。2.3 折流板 折流板選用單弓形折流板，折流板厚度與殼體直徑與折流板間距有關，見表 2-1 所列數據。折流板最小厚度取 8mm，折流板缺口高度為殼體內徑的 25，則切去圓缺高度為 110.5mm，折流板間距 B=350mm，管束兩端折流板應可能靠近殼程進，出口接管。折流板外徑取 400-10=390mm，折流板管孔19.50+0.2，材料選 Q235B鋼。折流板與折流板間距為 350 mm。 折流板切除高度： H=Disin= =390xsin30=97.5mm, （2-1） =120 表 2-1 折流板厚度殼體公稱內徑/mm相鄰兩折流板間距/mm300300-450450-600600-750750200-5003561010400-70056101012700-10006810121610006101216162.4 拉桿與定距管2.4.1 拉桿 換熱管外徑為 19mm，故拉桿采用拉桿定距管的形式，查 GB151 表43 及表 44 可得 400mm 內徑，10mm 壁厚的換熱器的拉桿的直徑為 12mm，上下管板各 2根，數量為 4。2.4.2 定距管 定距管尺寸和所在換熱器的換熱管規格都是相同，全部才有25x2,選用材料為 20號鋼。2.4.3 折流板、拉桿、定距管的連接 折流板與拉桿和定距管的連接形式如圖 2-1圖2-1 連接圖2.5 設計堰板防短路2.6法蘭的選用5 管箱法蘭根據設計壓力及安裝使用要求選用，法蘭-RF400-1.6；JB/T4701 2000 ，由于使用壽命較長，對密封、防腐的要求較高，因此，根據 JB / T 4704- 2009標準，選用墊片 400-1.6。法蘭材料選用20的鍛件，鍛件質量要求達到二級標準。2.6.1 接管法蘭選用 管程接管法蘭根據 HG20592 - 2009 標準中選用PL65（B）-16RF法蘭，法蘭的材料選用Q235B.2.7 墊片 管箱和管箱側殼體墊片：JB/T 47042000 墊片 400-1.6，=3 mm 石棉橡膠板。殼程接管法蘭的相應墊片：HG/T 20606 RF50-16 XB350 材料：石棉橡膠板。管程接管法蘭的相應墊片：HG/T 20606 RF65-16 XB350 材料：石棉橡膠板。2.8 支座 由半容積式換熱器系列估算換熱器質量 m=1820kg=18.2KN 因為該換熱器臥式擺放，固采用鞍式支座，按 JB/T4712-92 標準，選用輕型 A 型支座，DN=1200。材料為 Q235-AF，筋板和底板的材料 Q235-A-F. 螺栓為 M20，墊板材料為 Q235B 。鞍座標記：JB/T4712-92,鞍座 A1200-F.S。2.9 本章小結 本章主要根據工藝尺寸的要求，按照 GB151管殼式換熱器中的規定對換熱器零部件進行選取與設計，通過這設計選取的過程對各個零件增加較深層次的認識，初步選取相關材料與部件，對其作用也有了很大程度了解。本章為制圖和強度校核提供數據數據。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 強度校核第三章強度校核3.1 換熱器殼體計算3.1.1 筒體 根據工藝條件殼程筒體的設計壓力為 pt =0.6MPa ，焊縫采用雙面對接焊局部無損探傷，焊接接頭系數=0.85，材料選Q235B，t=113MP， 按 GB/3274-2007，取鋼材厚度負偏差：C1=1mm，腐蝕裕量：C2=1mm , C1+C2=C=1.8mm （3-1） 圓筒計算壁厚為： （3-2） 名義厚度：，圓整后取 10mm. （3-3）3.1.2 封頭 根據換熱器的工作壓力不高，故可選用標準橢圓形封頭，即，K=1.00，其厚度與筒體厚度相同，根據 GB / T 25198-2010-2010 標準，取管箱封頭為DN400x10，曲邊高度h1=100，直邊高度取h2=25mm。材料選用Q235B,沖壓成型。3.2 罐體計算3.2.1 罐體 根據工藝條件殼程筒體的設計壓力為 pt =0.6MPa ，焊縫采用雙面對接焊局部無損探傷，焊接接頭系數=0.85，材料選Q235B，t=113MP， 按 GB/3274-2007，取鋼材厚度負偏差：C1=1mm，腐蝕裕量：C2=1mm , C1+C2=C=1.8mm 圓筒計算壁厚為： （3-4） 名義厚度：，圓整后取 10mm。 （3-5）3.2.2 封頭 由于且工作罐體的壓力不高，故可選用標準橢圓形封頭，即，K=1.00，其厚度與筒體厚度相同，根據 GB / T 25198-2010 標準，取罐體封頭為DN1200X10-Q235B，曲邊高度h1=300，直邊高度取h2=25mm。材料選用Q345R，沖壓成型。3.3 開孔補強設計 表 3-1標號數量公稱尺寸（mm）公稱壓力（mm）規格（外徑x壁厚）用途與說明a1651.676x6蒸汽入口b1651.676x6蒸汽出口c1501.657x5進水口d14001.0426x10人孔e120Rp1/2壓力表口f120M27x2測溫口h1501.657x5出水口j1501.657x5安全閥口k1501.657x5排污口3.3.1 接管h,j 接管取76X6和57x5符合不另行補強的最大開孔條件，固接管不需要空空補強計算。3.3.2 接管a,b 管程接管有 a：蒸汽進口（766） b:蒸汽出口（766），開孔尺寸一樣計算一個即可，以接管 f 為例計算如下： 取接管內蒸汽流速為 10m/s，則接管內徑為 （3-6） 取標準 DN=65 管程流體進出口接管 766 管程的名義厚度 dn=10mm。3.4 U型管換熱器開孔3.4.1 橢圓形封頭非中心孔處部位補強的計算 Di:封頭內直徑，1200mm d:開孔內直徑，406mm H:曲面高度，300mm X:接管-封頭中心距，250mm :封頭開孔處的壁厚10mm ：封頭開口處的計算壁厚3.76 t：接管壁厚，10mm t0：接管計算壁厚，1.25mm r：補強圈厚度，10mm C：封頭壁厚附加量，1.8mm Ct:接管壁厚附加量，1mm Cr:補強圈壁厚附加量，1mm C2:封頭復試裕度，1mm Ct:接管腐蝕裕度，1mm t:封頭材料的許用應力113MPa tt接管材料的許用應力113MPa t:補強圈材料的許用應力，113MPa3.5 橢圓封頭計算直徑 （3-7）3.5.1 接管周圍封頭補強區的計算寬度 （3-8）3.5.2 接管外側補強設計高度 （3-9）3.5.3 接管內側補強區計算高度 （3-10）3.5.4 計算結果 h1、h2 之計算值，應分別與其實際數值相比較，取兩者中較小值 接管許用應力比值： 取兩者最小值 （3-11） 補強圈許用應力比值 取兩者最小值 （3-12）3.5.5 封頭因開孔削弱需要補強的面積 （3-13）3.5.6 封頭多余金屬面積 （3-14）3.5.7 補強圈的金屬面積 （3-15）3.5.8 接管外側多余金屬面積 （3-16）3.5.9 接管內側金屬面積 （3-17）3.5.10 一個孔需要補強面積 （3-18） 3.6 補強圈設計 根據接管公稱直徑 DN400 選補強圈，參照補強圈標準 JB/T4736 取補強圈外徑為 D2 =680mm，內徑取 D1 =428mm，因 B D2 ,補強圈在有效補強范圍內。 考慮鋼板負偏差并圓整，但為便于制造時準備材料，補強圈名義厚度也可取筒體厚度，即=10mm。3.6.1 人孔開孔 人孔開孔處直徑為426 罐體的名義厚度n=10mm 設計壓力 pt=0.6MPa，設計溫度：100 殼體和補償圈的材料均為Q235-B，其許用應力為t=113MPa，人孔筒節材料為 Q235-B，其許用應力為t=113MPa，殼體和人孔筒節的附加量為 C=1.8mm。3.6.2 補強及補強方法的判別 （1）補強判別：允許不另行補強的最大接管外徑為89 ，本開孔外徑等于426mm，故須另外考慮其補強。補強計算方法判別：開孔直徑： 開孔直徑： （3-19） 本為圓筒上開孔直徑d=420Di/2=600，滿足等面積補強計算的適用條件，所以可用等面積法進行開孔補強的計算。3.6.3 開孔所需補強的面積 罐體開孔處的計算厚度：=3.76mm 開孔所需的補強面積： 先計算強度削弱系數 fr: （3-20） 接管的有效厚度：et=nt-c=10-1.8=8.2 開孔所需的補強面積： （3-21）3.6.4 接管多余金屬面積 （1）有效寬度 B： （3-22） 取兩者較大者，固B=840mm （3-23） （2）有效高度： 外伸有效高度 h1： （3-24） 內側的有效高度h2： （3-25） 取兩者最小值，所以h1=0mm3.6.5 有效補強面積殼體的有效厚度 （3-26） (1)殼體多余金屬面積 A1 ： （3-27） (2)接管多余金屬面積 A2 接管計算厚度： （3-28） 接管的多余的金屬面積： （3-29） 接管區焊縫面積 A3：（焊腳取 6mm） （3-30）3.6.6 有效補強面積A4 （3-31） 補強面積 采用補強圈補強 dN=400mm， 外徑 D2=680mm，內徑D1=428mm。BD2 ， 補強圈在有效補強范圍內便于制造材料，可取筒體厚度 10mm。3.7 罐體水壓試驗及其殼體的強度校核 水壓試驗壓力為MPa （3-32） （容器各元件