流量為130t每小時的立式蒸汽冷凝器的設計【過程裝備與控制工程優(yōu)秀課程畢業(yè)設+含8張CAD圖紙+帶任務書+45頁加正文1.08萬字】

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摘要

  冷凝器它是使用范圍很廣的一種化工設備，屬于換熱器一種。本設計任務主要是根據已知條件選擇采用固定管板式換熱器的設計,固定管板式換熱器的優(yōu)點是鍛件使用少，造價低；傳熱面積比浮頭式換熱器大20%到30％且旁路滲流小。 

  本臺換熱器主要完成的是水蒸氣-水之間的熱量交換,首先根據給出的設計溫度和設計壓力來確定設備的結構形式以及殼程和管程的材料，然后根據物料性質和傳熱面積來確定換熱管的材料，尺寸，根數(shù)。，設計壓力為管程2.31MPa，殼程0.935MPa，工作溫度管程50℃，殼程130℃，設計溫度管程80℃，殼程140℃，傳熱面積為256m2，采用Φ25×2.5×3000的無縫鋼管換熱，則可計算出622根換熱管，D=1200mm的圓筒根據換熱管的根數(shù)確定換熱管的排列，并根據換熱管的排列和長度來確定筒體直徑以及折流板的選擇。

通過對容器的內徑和內外壓的計算來確定殼體和封頭的厚度并進行強度校核。然后是對換熱器各部件的零部件的強度設計，有法蘭的選擇和設計計算與校核，鉤圈及浮頭法蘭的設計計算與校核和管子拉脫力的計算。還包括管板的結構設計、防沖擋板、滑道結構的設計以及支座設計。結構設計中的標準件可以參照國家標準根據設計條件直接選??；非標準件，設計完結構后必須進行相應的應力校核。

  管板與換熱管的連接方式為焊接，因管板上的應力較多，且內外溫度有一定的差值，因此，對管板強度的校核是一個重點，也是一個難點..

 關鍵詞：  換熱器；  強度設計；  結構設計

Abstract

  The condenser is a kind of chemical equipment which is widely used, and belongs to a kind of heat exchanger.. The design task is mainly according to the known conditions to choose the design of fixed tube plate heat exchanger, the advantages of fixed tube plate heat exchanger is forging used less, low cost; heat transfer area ratio of floating head type for heat exchanger is 20% to 30% and a bypass flow small.

The heat exchanger is mainly completed is between water vapor and water heat exchange, first of all according to the given design temperature and pressure to determine structure of equipment and the shell side and tube side material, and then according to the nature of the material and the heat transfer area to determine the heat exchange tube materials, dimensions, number of roots. And design pressure for tube side 2.31MPa, shell 0.935MPa, the working temperature of the tube process 50 DEG C, 130 DEG C shell, design temperature tube process at a temperature of 80 DEG C, shell and 140 DEG C, heat transfer area for 256m2. The phi 25 x 2.5 x 3000 seamless steel pipe heat exchanger can be calculated 622 heat exchange tube, D=1200mm cylindrical root according to determine the root number of heat exchange tube heat exchanger tube arrangement and according to the arrangement and length of heat exchange tube to determine cylinder diameter and baffle the choice. Determine the thickness of the shell and the head and carry out the intensity verification by calculating the inner diameter and the internal pressure of the container.. Then the strength design of components of the various components of the heat exchanger, flange design, selection and calculation and checking, hook and loop and floating head flange design calculation and checking of the pipe and pull off force calculation. Also includes a tube plate structure design, anti scour baffle, slideway structure design and the design of support. The standard parts in the structure design can be selected directly according to the national standards; the non standard parts must be checked for the corresponding stress after the design of the structure.

Tube plate and tube heat exchanger and the connection mode of welding, tube plate more stress, and the temperature inside and outside have certain difference. Therefore, on the tube sheet strength check is a key and a difficulties.

Keywords:  heat exchanger；  strength design；  structure design

目  錄

第一章傳統(tǒng)工藝計算 1

1.1工藝計算 1

1.1.1介質原始數(shù)據 1

1.1.2介質定性溫度及物性參數(shù) 1

1.2 傳熱量與水蒸汽流量計算 2

1.3 有效平均溫差計算 3

1.4管程換熱系數(shù)計算 4

1.5 管程結構初步設計 5

1.6殼程換熱系數(shù)計算 5

1.7總傳熱系數(shù)計算 6

1.8管壁溫度計算 7

1.9管程壓力降計算 8

1.10殼程壓力降計算 8

第二章強度計算 11

2.1結構設計說明書 11

2.1.1換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 11

2.1.2布管方式的選擇 11

2.1.3筒體內徑的確定 11

2.1.4筒體壁厚的確定 12

2.1.5封頭形式的確定 12

2.1.6管箱短節(jié)壁厚計算 13

2.1.7容器法蘭的選擇 13

2.1.8管板尺寸的確定及強度計算 14

2.1.9是否安裝膨脹節(jié)的判定： 26

2.1.10各管孔接管及其法蘭的選擇： 26

2.1.11設備法蘭的選擇 30

2.1.12拉桿和定距管的確定 31

2.1.13開孔補強計算： 32

2.2筒體管箱耐壓試驗的應力校核計算 34

2.2.1筒體核算 34

2.2.2、支座的選擇及應力校核 35

2.2.3 耳座的應力校核 36

參考文獻 39

致 謝 40

任務書 畢業(yè)設計（論文）題目： 流量為 130t/h 立式蒸汽冷凝器 畢業(yè)設計（論文）內容： 1 號圖四張以上； 畢業(yè)設計（論文）專題部分： 固定管板式換熱器 起止時間： 年 月 — 年 月 日 指導教師： 簽字 年 月 日 沈陽化工大學科亞學院 本科畢業(yè)論文 題 目： 流量為 130t/h 立式蒸汽冷凝器 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 1201 班 學生姓名： 王 晗 指導教師： 金 丹 論文提交日期： 2016 年 05 月 27 日 論文答 辯日期： 2016 年 06 月 06 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 過程裝備與控制工程專業(yè) 1201 班 學生：王 晗 畢業(yè)設計（論文）題目： 流量為 130t/h 立式蒸汽冷凝器 畢業(yè)設計（論文）內容： 1 號圖四張以上 ； 畢業(yè)設計（論文）專題部分： 固定管板式換熱器 起止時間： 年 月 — 年 月 日 指導教師： 簽字 年 月 日 摘要 冷凝器 它 是使用范圍很廣的一種化工設備，屬于換熱器一種。本設計任務主要是根據已知條件選擇采用固定管板式換熱器的設計 ,固定管板式換熱器的優(yōu)點是鍛件使用少，造價低；傳熱面積比浮頭式換熱器大 20%到 30％且旁路滲流小。 本臺換熱器主要完成的是水蒸氣 首先根據給出的設計溫度和設計壓力來 確定設備的結構形式以及殼程和管程的材料，然后根據物料性質和傳熱面積來確定換熱管的材料，尺寸，根數(shù)。，設計壓力為管程 程 作溫度管程 50℃ ，殼程 130℃ ，設計溫度管程 80℃ ，殼程 140℃ ，傳熱面積為 256用 Φ25×000的無縫鋼管換熱，則可計算出 622 根換熱管， D=1200圓筒根據換熱管的根數(shù)確定換熱管的排列，并根據換熱管的排列和長度來確定筒體直徑以及折流板的選擇。 通過對容器的內徑和內外壓的計算來確定殼體和封頭的厚度并進行強度校核。然后是對換熱器各 部件的零部件的強度設計，有法蘭的選擇和設計計算與校核，鉤圈及浮頭法蘭的設計計算與校核和管子拉脫力的計算。還包括管板的結構設計、防沖擋板、滑道結構的設計以及支座設計。結構設計中的標準件可以參照國家標準根據設計條件直接選??；非標準件，設計完結構后必須進行相應的應力校核。 管板與換熱管的連接方式為焊接，因管板上的應力較多，且內外溫度有一定的差值，因此，對管板強度的校核是一個重點，也是一個難點 .. 關鍵詞： 換熱器； 強度設計； 結構設計 he is a of is to a of is to to of of is of 0% 0% a is is of to to of to of to of of 0 , 130 at a 0 , 40 , 565 x 2.5 x 3000 be 22 D=1200mm to of to of to of by of of of of of a of in be to be of of on is a a 目 錄 第一章傳統(tǒng)工藝計算 ........................................... 8 藝計算 .............................................. 8 質原始數(shù)據 .................................... 8 質定性溫度及物性參數(shù) ........................... 8 熱量與水蒸汽流量計算 ............................... 2 效平均溫差計算 ..................................... 3 程換熱系數(shù)計算 ...................................... 4 程結構初步設計 ..................................... 5 程換熱系數(shù)計算 ...................................... 6 傳熱系數(shù) 計算 ........................................ 7 壁溫度計算 .......................................... 7 程壓力降計算 ........................................ 8 程壓力降計算 ....................................... 9 第二章強 度計算 .............................................. 12 構設計說明書 ....................................... 12 熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 .............. 12 管方式的選擇 ................................. 12 體內徑的確定 ................................. 12 體壁厚的確定 ................................. 13 頭形式的確定 ................................. 13 箱短節(jié)壁厚計算 ............................... 14 器法蘭的 選擇 ................................. 14 板尺寸的確定及強度計算 ........................ 15 否安裝膨脹節(jié)的判定： .......................... 27 管孔接管及其法蘭的選擇： ..................... 28 備法蘭的選擇 ................................ 31 桿和定距管的確定 ............................ 33 孔補強計算： ................................ 34 體管箱耐壓試驗的應力校核計算 ....................... 36 體核算 ....................................... 36 座的選擇及應力校核 .......................... 36 座的應力校核 ................................. 37 參考文獻 .................................................... 40 致 謝 ....................................................... 41 第 一 章傳統(tǒng)工藝計算 藝計算 質原始數(shù)據 管程水的進口溫度 20℃ 管程水的出口溫度 90℃ 管程水的工作壓力 管程水的流量 90t/h=290000kg/h 殼程水蒸氣的入口溫度 殼程水蒸氣的出口溫度 85℃ 殼程水蒸氣的入口壓力 介質定性溫度及物性參數(shù) ① 管程： 管程水定性溫度 1t =（ 1t? + 1t? ） /2 =（ 20+90） /2=55℃ 管程水密度查物性表得 1? = /程水比熱查物性表得 K） 管程水導熱系數(shù)查物性表得 λ1= m﹒ ℃ ） 管程水粘度 μ1=0a·s 管程水普朗特數(shù)查物性表得 ② 殼程： 殼程水蒸汽定性溫度： 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 2 殼程水蒸汽冷凝點 : 冷卻段： 2t =（ /2=（ 5） /2= 冷凝段： 2t = （ =（ ℃ 殼程水蒸汽密度查物性表得： 冷卻段： ρ2= /冷凝段 : p 2= / 程水蒸汽比熱查物性表得 : 冷卻段： J/（ K） 冷凝段： C J/（ K） 殼程水蒸汽導熱系數(shù)查物性表得： 冷卻段： λ2 =（ m﹒ K） 冷凝段： λ2′= （ m﹒ K） 殼程水蒸汽粘度： 冷卻段： μ2 =0a·s 冷凝段： u 2=0a·s 殼程水蒸汽普朗特數(shù)查物性表得： 冷卻段： =凝段： P 熱量與水蒸汽流量計算 取定換熱效率 ? =設計傳熱量 : 0Q = ×1000/3600=290000×901000/3600=06W 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 3 由0Q= 2G [r+ ]·? 導出水蒸氣流量 r為 的汽化潛熱， r=g 水蒸汽流量 : ? /[r+ ] =06/000+000×(=s 冷卻段傳熱量： 2·=03×(2481037W 冷凝段傳熱量 : Q 2= G2·r=000=冷凝段和冷卻段分界處的溫度為3t 根據熱量衡算 : Q ?2 = 11 ? ?13 ?3t=Q 2·?/ 600/290000/4176+20= 效平均溫差計算 逆流冷卻段平均溫差 : △ ? ?)????t = 逆流冷凝段平均溫差 : △ ? ? ? ????????????????????312312ln tt 冷卻段 : 參數(shù) :P=數(shù) :R=''沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 4 換熱器按單殼程 單管程設計則查圖 2-6(a)，得 : 溫差校正系數(shù) ? 有效平均溫差 : △ ? ·△ 冷凝段： 參數(shù) :P='t2 3t=數(shù) :R=17=0 換熱器按單殼程 單管程設計則查圖 2-6(a)，得 : 溫差校正系數(shù) ? =效平均溫差 : △ ? ·△ 程換熱系數(shù)計算 初選冷卻段傳熱系數(shù) : 820 w/(m·k) 初選冷凝段傳熱系數(shù) : 1300 w/(m·k) 則初選冷卻段傳熱面積為 :2· ?/( △ 2481037× 820× 選冷凝段傳熱面積為 : =Q 2· ?/( △ )= 1300× 用 ?25×無縫鋼管做換熱管則 : 管子外徑 5 管子內徑 0 管子長度 L=3000 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 5 則需要換熱管根數(shù) : ( π(()=取換熱管根數(shù)為 662 根 管程流通面積 :a1=4662 ×π× 程流速 : 1113600G 290000/( 3600×= s 管程雷諾數(shù) :11=0 管程冷卻段的定性溫度 :(0)/2= 管程冷卻段傳熱系數(shù) :3605×(1+100程冷凝段的定性溫度 : t3+(0)/2= 管程冷凝段傳熱系數(shù) : 3605×(1+100程結構初步設 計 查 1999 知管間距按025.1 d, 取管間距為： 管束中心排管數(shù)為： t = 30 根 則殼體內徑 :Di=s（ +4 整為 : 1200?理 折流板選擇弓形折流板 : 弓形折流板的弓高 : ???B=31200=400 ㎜取 B=400 ㎜ 折流板數(shù)量 : 7 塊 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 6 程換熱系數(shù)計算 殼程流通面積 :???? ????? i 02 1= = m 殼程流速 : 冷卻段 :22 =s 冷凝段 :w 2=222 =s 殼程當量直徑 : （ =（ 711× /（ 711×= 冷凝段管外壁溫度假定值 : 膜溫 : t w+ /2=（ ℃ 膜溫下液膜的粘度 :μm=195×10s 膜溫下液膜的密度 :ρm=溫下液膜的導熱系數(shù)為 :λm= m﹒ ℃ ） 正三角形排列 t 62 凝負荷： Γ= 3×=程冷凝段雷諾數(shù) :4Γ/×95×10程冷凝段傳熱系數(shù) : λ31（ 31 = 冷卻段管外壁溫假定值 : 952 ? 冷卻段雷諾數(shù)： 0溫下水粘度 :μ0a·s 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 7 粘度修正系數(shù) :?1=（程傳熱因子查圖 2 : 100?（ λ2/·1 ·j s=（ ×00=傳熱系數(shù)計算 查 138 頁可知 水蒸汽的側污垢熱阻 :0 /w） 管程水選用地下水，污垢熱阻為 : ? ?o /51 ??? ? 由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻可以忽略不計 冷卻段總傳熱系數(shù) : 1/[1/r2+r1×d 0/di+ ]= 熱面積比為 : 理 ) 冷凝段總傳熱系數(shù) : 1/[1/ r2+r1×d 0/di+ ]=熱面積比為 : 理） 壁溫度計算 設定冷凝段的長度 : ? 冷卻段的長度 : 冷卻段管外壁熱流密度計算 : ′)= ） 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 8 冷卻段管外壁溫度 : 1/ 誤差校核 :e′= 誤差不大 冷凝段管外壁熱流密度計算 : Q 2?/( ″)=（ （ 662? ） 冷凝段管外壁溫度 : 1/ 誤差校核 :e = 誤差不大 程壓力降計算 管程水的流速 : 11 290000/（ 3600? =s 管程雷諾準數(shù) :11= =摩擦系數(shù) :ξ= 降 結 垢 校 正 系 數(shù) : 4.1? 程 壓 降 :△ ρ1μ12L ?2（ ） /（ 2 ） =管程出入口接管內徑 :250程出入口流速 :4G/(3600πρ1)=（ 4? 290000） /（ 3600 ? ）=s 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 9 局部壓降 : △ 1 (1+2=（ △ P=△ △ 程允許壓降 :? ?5000??△ P >,選擇法蘭的材料均為 16陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 33 桿和定距管的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源及計算公式 數(shù)值 1 拉桿直徑 1999151 ?殼式換熱器》表 43 16 2 拉桿數(shù)量 n 1999151 ?管殼式換熱器》表 44 6 3 定距管規(guī)格 1999151 ?管殼式換熱器》取 4 拉桿在管板端螺紋長度 1999151 ?殼式換熱器》表 45 60 5 拉桿在折流板端螺紋長度 1999151 ?殼式換熱器》表 45 20 6 拉桿上倒角高 b 1999151 ?管殼式換熱器》表 45 2 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 34 孔補強計算： a 孔 （ 1998150 ?項目 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源和計算公式 數(shù)值 1 接管壁厚 δ′ 接管外徑 d0 325 3 接管內徑 di mm di=306 4 開孔直徑 d mm d= C 310 5 殼體開孔處的計算厚度 δ = ? ?i??? 接管名義厚度 δnt 10 7 接管有效厚度 δet 8 設計溫度下接管材料的許用應力 ??n? 998150 ?130 9 設計溫度下殼體材料的許用應力 ??t? 998150 ?105 10 強度削弱系數(shù) ? ? ?? /? 1 圓筒開孔所需補強面積 A ? ??1 2??? 3015 12 補強有效寬度 B ? 22,2? 610 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 35 13 接管外側有效補強高度 h1 mm h1= } 4 接管內側有效補強高度 h2 0 15 殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 1A 6 接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 2A 7 接管計算厚度 δt 8 焊縫金屬截面 積 A3 36 19 補強面積 Ae A ∴ a 孔不需要補強圈 根據公稱內徑 450?選取補強圈參照 4736/補強圈。 補強圈在有效范圍內。補強圈厚度為 ? ?12/4 ?? 考慮鋼板負偏差并圓整取補強圈厚度為 為了便于制造，材料補強圈的名義厚度取封頭厚度即 同理：其他各孔不需要補強。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 36 體管箱耐壓試驗的應力校核計算 體核算 1、筒體的應力校核計算：見筒體壁厚的確定 2、管箱耐壓試驗應力校核計算：見六、管箱短節(jié)壁厚的計算 3、水壓試驗 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源和計算公式 數(shù)值 備注 1 管程液壓試驗壓力 ? ? ?P ?? / 2 管程液壓試驗應力 ζT T=e） /2δe 殼程液壓試驗壓力 4 殼程液壓試驗應力 ζT T=e） /2δe 設計溫度下圓筒的允許最大工作壓力 [2 [ζ] e） 6 封頭液壓試驗壓力 ? ? ?P ?? / 7 封頭液壓試驗應力 ζT T=e） /2δe 、支座的選擇及應力校核 支座的選擇 序號 項目 符號 單位 數(shù)值 1 公稱直徑 DN 200 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 37 2 允 許載荷 Q 0 3 耳座高度 h 50 4 底板 l1 00 b1 40 δ1 4 5 腹板 δ2 0 6 筋板 l3 90 b3 60 δ3 0 7 墊板 弧長 20 b4 50 δ4 e 0 8 螺栓間距 l2 20 9 帶墊板耳座質量 M 0 包角 α ° 120 11 型號 座的應力校核 a、各部件重量及總重量 序號 項目 單位 數(shù)量 總重 備注 1 接管 Φ480×9.5 2 管法蘭 3 管板 4 管法蘭 5 接管 Φ108×9.5 6 防沖板 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 38 7 拉桿（ 1） 8 折流板 375 9 筒體 0 10 接管法蘭 11 接管 Φ57×3.5 12 螺柱 4 48 13 長頸對焊法蘭 14 橢圓封頭 15 式支座 16 定距管 短不一 17 拉桿（ 2） 18 換熱管 62 19 物料 2000 20 總重 M b、校核計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源 數(shù)值 1 筒體內徑 Di B/000 2 殼體名義厚度 n? B/8 3 筋板間距 2b B/00 4 筋板寬度 L2 B/00 5 筋板厚度 2? B/8 6 墊板厚度 3? B/6 8 耳座安裝尺寸 D B/式支座實際承受 載荷的近似計算 序 項目 符 單位 數(shù)據來源 數(shù)值 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 39 號 號 1 重力加速度 g 2/ 偏心載荷 3 偏心距 Se B/ 4 水平力作用點至底板高度 H B/500 5 不均勻系數(shù) K 設備總質量 g 000 7 支座數(shù)量 n 8 地震系數(shù) e? 容器外徑 0D B/220 10 風壓高度變化系數(shù) 11 容器總高度 0H B/000 12 基本風壓值 [1]國家技術監(jiān)督局 殼式換熱器 國標準出版社， 1999 [2]國家技術監(jiān)督局 制壓力容器 國標準出版社， 2011 [3]柴誠敬，王軍，張纓 天津大學化工學院， 2011 [4]曲文海，董大勤，袁鳳隱 、下冊） 學工業(yè)出版社， 2003， 3 [5]楊可楨，程光蘊，李仲生 北京：高等教育出版社 [6]國家技術監(jiān)督局 北京：中國標準出版社， 1998， 5 [7]鄭津洋 北京： 化學工業(yè) 出版社， 2010 [8]夏清等 . 化工原理（上冊） . 天津：天津大學出版社， 2005 [9]鄭津洋 . 過程設備設計 . 北京：化學工業(yè)出版社， 2005 [10]劉朝儒 . 機械制圖 . 北京：高等教育出版社， 2001 [11]《換熱器設計手冊》 錢頌文主編 化學工業(yè)出版社 [12] 730壓力容器 無損檢測》 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝 41 致 謝 完成畢業(yè)設計的過程使我學到了很多、很多 …… 這些寶貴的財富得益于學校布置的任務，以及委派的指導教師金老師、林老師。所以感謝校領導、金老師、林老師給了我這樣一段珍貴而難忘的記憶。 我在剛看到畢業(yè)設計的內容時，真是一頭霧水，完全不知如何下手，甚至懷疑自己是否從事過本專業(yè)的學習，一直到完成了的現(xiàn)在，都感覺像在做夢，可能由于自身水平和要求時間的限制，所以一直都在趕夜車，也就不知自己是否醒著。如果不是金老師和林老師優(yōu)于常人的耐心、不厭其煩、不畏艱難的幫助、指引我 ，恐怕我就不能完成這項艱巨的任務。 通過畢業(yè)設計的全過程，不僅知識方面有了進步，也加深了同學間的友誼。因為我們互相幫助，共同協(xié)作，取長補短，順利完成了畢業(yè)設計。 最后，感謝我的組員們守望相助，感謝老師們誨人不倦，愿我輩自強不息，振興中華！祝老師芝蘭縈繞、桃李滿天下！ 任務書 畢業(yè)設計（論文）題目： 流量為 130t/h 立式蒸汽冷凝器 畢業(yè)設計（論文）內容： 1 號圖四張以上； 畢業(yè)設計（論文）專題部分： 固定管板式換熱器 起止時間： 年 月 — 年 月 日 指導教師： 簽字 年 月 日 沈陽化工大學科亞學院 本科畢業(yè)論文 題 目： 流量為 130t/h 立式蒸汽冷凝器 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 1201 班 學生姓名： 王 晗 指導教師： 金 丹 論文提交日期： 2016 年 05 月 27 日 論文答 辯日期： 2016 年 06 月 06 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 過程裝備與控制工程專業(yè) 1201 班 學生：王 晗 畢業(yè)設計（論文）題目： 流量為 130t/h 立式蒸汽冷凝器 畢業(yè)設計（論文）內容： 1 號圖四張以上 ； 畢業(yè)設計（論文）專題部分： 固定管板式換熱器 起止時間： 年 月 — 年 月 日 指導教師： 簽字 年 月 日 摘要 冷凝器 它 是使用范圍很廣的一種化工設備，屬于換熱器一種。本設計任務主要是根據已知條件選擇采用固定管板式換熱器的設計 ,固定管板式換熱器的優(yōu)點是鍛件使用少，造價低；傳熱面積比浮頭式換熱器大 20%到 30％且旁路滲流小。 本臺換熱器主要完成的是水蒸氣 首先根據給出的設計溫度和設計壓力來 確定設備的結構形式以及殼程和管程的材料，然后根據物料性質和傳熱面積來確定換熱管的材料，尺寸，根數(shù)。，設計壓力為管程 程 作溫度管程 50℃ ，殼程 130℃ ，設計溫度管程 80℃ ，殼程 140℃ ，傳熱面積為 256用 Φ25×000的無縫鋼管換熱，則可計算出 622 根換熱管， D=1200圓筒根據換熱管的根數(shù)確定換熱管的排列，并根據換熱管的排列和長度來確定筒體直徑以及折流板的選擇。 通過對容器的內徑和內外壓的計算來確定殼體和封頭的厚度并進行強度校核。然后是對換熱器各 部件的零部件的強度設計，有法蘭的選擇和設計計算與校核，鉤圈及浮頭法蘭的設計計算與校核和管子拉脫力的計算。還包括管板的結構設計、防沖擋板、滑道結構的設計以及支座設計。結構設計中的標準件可以參照國家標準根據設計條件直接選??；非標準件，設計完結構后必須進行相應的應力校核。 管板與換熱管的連接方式為焊接，因管板上的應力較多，且內外溫度有一定的差值，因此，對管板強度的校核是一個重點，也是一個難點 .. 關鍵詞： 換熱器； 強度設計； 結構設計 he is a of is to a of is to to of of is of 0% 0% a is is of to to of to of to of of 0 , 130 at a 0 , 40 , 565 x 2.5 x 3000 be 22 D=1200mm to of to of to of by of of of of of a of in be to be of of on is a a 目 錄 第一章傳統(tǒng)工藝計算 ........................................... 8 藝計算 .............................................. 8 質原始數(shù)據 .................................... 8 質定性溫度及物性參數(shù) ........................... 8 熱量與水蒸汽流量計算 ............................... 2 效平均溫差計算 ..................................... 3 程換熱系數(shù)計算 ...................................... 4 程結構初步設計 ..................................... 5 程換熱系數(shù)計算 ...................................... 6 傳熱系數(shù) 計算 ........................................ 7 壁溫度計算 .......................................... 7 程壓力降計算 ........................................ 8 程壓力降計算 ....................................... 9 第二章強 度計算 .............................................. 12 構設計說明書 ....................................... 12 熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 .............. 12 管方式的選擇 ................................. 12 體內徑的確定 ................................. 12 體壁厚的確定 ................................. 13 頭形式的確定 ................................. 13 箱短節(jié)壁厚計算 ............................... 14 器法蘭的 選擇 ................................. 14 板尺寸的確定及強度計算 ........................ 15 否安裝膨脹節(jié)的判定： .......................... 27 管孔接管及其法蘭的選擇： ..................... 28 備法蘭的選擇 ................................ 31 桿和定距管的確定 ............................ 33 孔補強計算： ................................ 34 體管箱耐壓試驗的應力校核計算 ....................... 36 體核算 ....................................... 36 座的選擇及應力校核 .......................... 36 座的應力校核 ................................. 37 參考文獻 .................................................... 40 致 謝 ....................................................... 41 第 一 章傳統(tǒng)工藝計算 藝計算 質原始數(shù)據 管程水的進口溫度 20℃ 管程水的出口溫度 90℃ 管程水的工作壓力 管程水的流量 90t/h=290000kg/h 殼程水蒸氣的入口溫度 殼程水蒸氣的出口溫度 85℃ 殼程水蒸氣的入口壓力 介質定性溫度及物性參數(shù) ① 管程： 管程水定性溫度 1t =（ 1t? + 1t? ） /2 =（ 20+90） /2=55℃ 管程水密度查物性表得 1? = /程水比熱查物性表得 K） 管程水導熱系數(shù)查物性表得 λ1= m﹒ ℃ ） 管程水粘度 μ1=0a·s 管程水普朗特數(shù)查物性表得 ② 殼程： 殼程水蒸汽定性溫度： 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 2 殼程水蒸汽冷凝點 : 冷卻段： 2t =（ /2=（ 5） /2= 冷凝段： 2t = （ =（ ℃ 殼程水蒸汽密度查物性表得： 冷卻段： ρ2= /冷凝段 : p 2= / 程水蒸汽比熱查物性表得 : 冷卻段： J/（ K） 冷凝段： C J/（ K） 殼程水蒸汽導熱系數(shù)查物性表得： 冷卻段： λ2 =（ m﹒ K） 冷凝段： λ2′= （ m﹒ K） 殼程水蒸汽粘度： 冷卻段： μ2 =0a·s 冷凝段： u 2=0a·s 殼程水蒸汽普朗特數(shù)查物性表得： 冷卻段： =凝段： P 熱量與水蒸汽流量計算 取定換熱效率 ? =設計傳熱量 : 0Q = ×1000/3600=290000×901000/3600=06W 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 3 由0Q= 2G [r+ ]·? 導出水蒸氣流量 r為 的汽化潛熱， r=g 水蒸汽流量 : ? /[r+ ] =06/000+000×(=s 冷卻段傳熱量： 2·=03×(2481037W 冷凝段傳熱量 : Q 2= G2·r=000=冷凝段和冷卻段分界處的溫度為3t 根據熱量衡算 : Q ?2 = 11 ? ?13 ?3t=Q 2·?/ 600/290000/4176+20= 效平均溫差計算 逆流冷卻段平均溫差 : △ ? ?)????t = 逆流冷凝段平均溫差 : △ ? ? ? ????????????????????312312ln tt 冷卻段 : 參數(shù) :P=數(shù) :R=''沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 4 換熱器按單殼程 單管程設計則查圖 2-6(a)，得 : 溫差校正系數(shù) ? 有效平均溫差 : △ ? ·△ 冷凝段： 參數(shù) :P='t2 3t=數(shù) :R=17=0 換熱器按單殼程 單管程設計則查圖 2-6(a)，得 : 溫差校正系數(shù) ? =效平均溫差 : △ ? ·△ 程換熱系數(shù)計算 初選冷卻段傳熱系數(shù) : 820 w/(m·k) 初選冷凝段傳熱系數(shù) : 1300 w/(m·k) 則初選冷卻段傳熱面積為 :2· ?/( △ 2481037× 820× 選冷凝段傳熱面積為 : =Q 2· ?/( △ )= 1300× 用 ?25×無縫鋼管做換熱管則 : 管子外徑 5 管子內徑 0 管子長度 L=3000 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 5 則需要換熱管根數(shù) : ( π(()=取換熱管根數(shù)為 662 根 管程流通面積 :a1=4662 ×π× 程流速 : 1113600G 290000/( 3600×= s 管程雷諾數(shù) :11=0 管程冷卻段的定性溫度 :(0)/2= 管程冷卻段傳熱系數(shù) :3605×(1+100程冷凝段的定性溫度 : t3+(0)/2= 管程冷凝段傳熱系數(shù) : 3605×(1+100程結構初步設 計 查 1999 知管間距按025.1 d, 取管間距為： 管束中心排管數(shù)為： t = 30 根 則殼體內徑 :Di=s（ +4 整為 : 1200?理 折流板選擇弓形折流板 : 弓形折流板的弓高 : ???B=31200=400 ㎜取 B=400 ㎜ 折流板數(shù)量 : 7 塊 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 6 程換熱系數(shù)計算 殼程流通面積 :???? ????? i 02 1= = m 殼程流速 : 冷卻段 :22 =s 冷凝段 :w 2=222 =s 殼程當量直徑 : （ =（ 711× /（ 711×= 冷凝段管外壁溫度假定值 : 膜溫 : t w+ /2=（ ℃ 膜溫下液膜的粘度 :μm=195×10s 膜溫下液膜的密度 :ρm=溫下液膜的導熱系數(shù)為 :λm= m﹒ ℃ ） 正三角形排列 t 62 凝負荷： Γ= 3×=程冷凝段雷諾數(shù) :4Γ/×95×10程冷凝段傳熱系數(shù) : λ31（ 31 = 冷卻段管外壁溫假定值 : 952 ? 冷卻段雷諾數(shù)： 0溫下水粘度 :μ0a·s 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 7 粘度修正系數(shù) :?1=（程傳熱因子查圖 2 : 100?（ λ2/·1 ·j s=（ ×00=傳熱系數(shù)計算 查 138 頁可知 水蒸汽的側污垢熱阻 :0 /w） 管程水選用地下水，污垢熱阻為 : ? ?o /51 ??? ? 由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻可以忽略不計 冷卻段總傳熱系數(shù) : 1/[1/r2+r1×d 0/di+ ]= 熱面積比為 : 理 ) 冷凝段總傳熱系數(shù) : 1/[1/ r2+r1×d 0/di+ ]=熱面積比為 : 理） 壁溫度計算 設定冷凝段的長度 : ? 冷卻段的長度 : 冷卻段管外壁熱流密度計算 : ′)= ） 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 8 冷卻段管外壁溫度 : 1/ 誤差校核 :e′= 誤差不大 冷凝段管外壁熱流密度計算 : Q 2?/( ″)=（ （ 662? ） 冷凝段管外壁溫度 : 1/ 誤差校核 :e = 誤差不大 程壓力降計算 管程水的流速 : 11 290000/（ 3600? =s 管程雷諾準數(shù) :11= =摩擦系數(shù) :ξ= 降 結 垢 校 正 系 數(shù) : 4.1? 程 壓 降 :△ ρ1μ12L ?2（ ） /（ 2 ） =管程出入口接管內徑 :250程出入口流速 :4G/(3600πρ1)=（ 4? 290000） /（ 3600 ? ）=s 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 傳統(tǒng)工藝計算 9 局部壓降 : △ 1 (1+2=（ △ P=△ △ 程允許壓降 :? ?5000??△ P >,選擇法蘭的材料均為 16陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 33 桿和定距管的確定 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源及計算公式 數(shù)值 1 拉桿直徑 1999151 ?殼式換熱器》表 43 16 2 拉桿數(shù)量 n 1999151 ?管殼式換熱器》表 44 6 3 定距管規(guī)格 1999151 ?管殼式換熱器》取 4 拉桿在管板端螺紋長度 1999151 ?殼式換熱器》表 45 60 5 拉桿在折流板端螺紋長度 1999151 ?殼式換熱器》表 45 20 6 拉桿上倒角高 b 1999151 ?管殼式換熱器》表 45 2 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 34 孔補強計算： a 孔 （ 1998150 ?項目 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源和計算公式 數(shù)值 1 接管壁厚 δ′ 接管外徑 d0 325 3 接管內徑 di mm di=306 4 開孔直徑 d mm d= C 310 5 殼體開孔處的計算厚度 δ = ? ?i??? 接管名義厚度 δnt 10 7 接管有效厚度 δet 8 設計溫度下接管材料的許用應力 ??n? 998150 ?130 9 設計溫度下殼體材料的許用應力 ??t? 998150 ?105 10 強度削弱系數(shù) ? ? ?? /? 1 圓筒開孔所需補強面積 A ? ??1 2??? 3015 12 補強有效寬度 B ? 22,2? 610 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 35 13 接管外側有效補強高度 h1 mm h1= } 4 接管內側有效補強高度 h2 0 15 殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 1A 6 接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 2A 7 接管計算厚度 δt 8 焊縫金屬截面 積 A3 36 19 補強面積 Ae A ∴ a 孔不需要補強圈 根據公稱內徑 450?選取補強圈參照 4736/補強圈。 補強圈在有效范圍內。補強圈厚度為 ? ?12/4 ?? 考慮鋼板負偏差并圓整取補強圈厚度為 為了便于制造，材料補強圈的名義厚度取封頭厚度即 同理：其他各孔不需要補強。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 36 體管箱耐壓試驗的應力校核計算 體核算 1、筒體的應力校核計算：見筒體壁厚的確定 2、管箱耐壓試驗應力校核計算：見六、管箱短節(jié)壁厚的計算 3、水壓試驗 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源和計算公式 數(shù)值 備注 1 管程液壓試驗壓力 ? ? ?P ?? / 2 管程液壓試驗應力 ζT T=e） /2δe 殼程液壓試驗壓力 4 殼程液壓試驗應力 ζT T=e） /2δe 設計溫度下圓筒的允許最大工作壓力 [2 [ζ] e） 6 封頭液壓試驗壓力 ? ? ?P ?? / 7 封頭液壓試驗應力 ζT T=e） /2δe 、支座的選擇及應力校核 支座的選擇 序號 項目 符號 單位 數(shù)值 1 公稱直徑 DN 200 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 37 2 允 許載荷 Q 0 3 耳座高度 h 50 4 底板 l1 00 b1 40 δ1 4 5 腹板 δ2 0 6 筋板 l3 90 b3 60 δ3 0 7 墊板 弧長 20 b4 50 δ4 e 0 8 螺栓間距 l2 20 9 帶墊板耳座質量 M 0 包角 α ° 120 11 型號 座的應力校核 a、各部件重量及總重量 序號 項目 單位 數(shù)量 總重 備注 1 接管 Φ480×9.5 2 管法蘭 3 管板 4 管法蘭 5 接管 Φ108×9.5 6 防沖板 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 38 7 拉桿（ 1） 8 折流板 375 9 筒體 0 10 接管法蘭 11 接管 Φ57×3.5 12 螺柱 4 48 13 長頸對焊法蘭 14 橢圓封頭 15 式支座 16 定距管 短不一 17 拉桿（ 2） 18 換熱管 62 19 物料 2000 20 總重 M b、校核計算 序號 項目 符號 單位 數(shù)據來源 數(shù)值 1 筒體內徑 Di B/000 2 殼體名義厚度 n? B/8 3 筋板間距 2b B/00 4 筋板寬度 L2 B/00 5 筋板厚度 2? B/8 6 墊板厚度 3? B/6 8 耳座安裝尺寸 D B/式支座實際承受 載荷的近似計算 序 項目 符 單位 數(shù)據來源 數(shù)值 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 強度計算 39 號 號 1 重力加速度 g 2/ 偏心載荷 3 偏心距 Se B/ 4 水平力作用點至底板高度 H B/500 5 不均勻系數(shù) K 設備總質量 g 000 7 支座數(shù)量 n 8 地震系數(shù) e? 容器外徑 0D B/220 10 風壓高度變化系數(shù) 11 容器總高度 0H B/000 12 基本風壓值 [1]國家技術監(jiān)督局 殼式換熱器 國標準出版社， 1999 [2]國家技術監(jiān)督局 制壓力容器 國標準出版社， 2011 [3]柴誠敬，王軍，張纓 天津大學化工學院， 2011 [4]曲文海，董大勤，袁鳳隱 、下冊） 學工業(yè)出版社， 2003， 3 [5]楊可楨，程光蘊，李仲生 北京：高等教育出版社 [6]國家技術監(jiān)督局 北京：中國標準出版社， 1998， 5 [7]鄭津洋 北京： 化學工業(yè) 出版社， 2010 [8]夏清等 . 化工原理（上冊） . 天津：天津大學出版社， 2005 [9]鄭津洋 . 過程設備設計 . 北京：化學工業(yè)出版社， 2005 [10]劉朝儒 . 機械制圖 . 北京：高等教育出版社， 2001 [11]《換熱器設計手冊》 錢頌文主編 化學工業(yè)出版社 [12] 730壓力容器 無損檢測》 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝 41 致 謝 完成畢業(yè)設計的過程使我學到了很多、很多 …… 這些寶貴的財富得益于學校布置的任務，以及委派的指導教師金老師、林老師。所以感謝校領導、金老師、林老師給了我這樣一段珍貴而難忘的記憶。 我在剛看到畢業(yè)設計的內容時，真是一頭霧水，完全不知如何下手，甚至懷疑自己是否從事過本專業(yè)的學習，一直到完成了的現(xiàn)在，都感覺像在做夢，可能由于自身水平和要求時間的限制，所以一直都在趕夜車，也就不知自己是否醒著。如果不是金老師和林老師優(yōu)于常人的耐心、不厭其煩、不畏艱難的幫助、指引我 ，恐怕我就不能完成這項艱巨的任務。 通過畢業(yè)設計的全過程，不僅知識方面有了進步，也加深了同學間的友誼。因為我們互相幫助，共同協(xié)作，取長補短，順利完成了畢業(yè)設計。 最后，感謝我的組員們守望相助，感謝老師們誨人不倦，愿我輩自強不息，振興中華！祝老師芝蘭縈繞、桃李滿天下！