流量为130th立式蒸汽冷凝器.

沈阳化工大学科亚学院本科毕业论文题目：流量为 130t/h立式蒸汽冷凝器专业：过程装备与控制工程班级：1201班学生姓名：王晗指导教师：金丹论文提交日期：年月日论文答辩日期：年月日毕业设计（论文）任务书过程装备与控制工程专业1201 班学生：王晗毕业设计（论文）题目：流量为130t/h立式蒸汽冷凝器毕业设计（论文）内容：1.关于换热器综述一篇；2.计算书说明书一份；3.绘制工程图折合A1 号图四张以上；毕业设计（论文）专题部分：固定管板式换热器起止时间：年月年月日指导教师：签字年月日摘要冷凝器它是使用范围很广的一种化工设备，属于换热器一种。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件使用少， 造价低；传热面积比浮头式换热器大20%到 30且旁路渗流小。本台换热器主要完成的是水蒸气 -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，根数。 ，设计压力为管程 2.31MPa，壳程 0.935MPa，工作温度管程 50，壳程 130，设计温度管程 80，壳程 140，传热面积为 256m2，采用 252.5 3000 的无缝钢管换热，则可计算出 622 根换热管， D=1200mm 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，钩圈及浮头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、滑道结构的设计以及支座设计。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：换热器；强度设计；结构设计AbstractThe 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 thecorresponding 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目录第一章传统工艺计算 . .81.1工艺计算 .81.1.1介质原始数据 .81.1.2介质定性温度及物性参数 . .81.2传热量与水蒸汽流量计算 .21.3有效平均温差计算 .31.4管程换热系数计算 .41.5管程结构初步设计 .51.6壳程换热系数计算 .61.7总传热系数计算 .71.8管壁温度计算 .71.9管程压力降计算 .81.10 壳程压力降计算 .9第二章强度计算 . .122.1结构设计说明书 .122.1.1换热管材料及规格的选择和根数的确定 . .122.1.2布管方式的选择 .122.1.3筒体内径的确定 .122.1.4筒体壁厚的确定 .132.1.5封头形式的确定 .132.1.6管箱短节壁厚计算 .142.1.7容器法兰的选择 .142.1.8管板尺寸的确定及强度计算 . .152.1.9是否安装膨胀节的判定： . .272.1.10 各管孔接管及其法兰的选择： . .282.1.11设备法兰的选择 .312.1.12拉杆和定距管的确定 .332.1.13开孔补强计算： .342.2 筒体管箱耐压试验的应力校核计算 .362.2.1筒体核算 .362.2.2、支座的选择及应力校核 .362.2.3耳座的应力校核 .37参考文献 . .40致 谢. .41第一章传统工艺计算1.1 工艺计算介质原始数据管程水的进口温度t1 =20管程水的出口温度t1 =90管程水的工作压力P12.1MP管程水的流量G1=290t/h=290000kg/h壳程水蒸气的入口温度t2=170.7壳程水蒸气的出口温度t2 =85壳程水蒸气的入口压力P2=0.85MPa介质定性温度及物性参数管程：管程水定性温度t1 =（ t1 +t1）/2=（20+90）/2=55管程水密度查物性表得1 =985.75/m3管程水比热查物性表得Cp1=4.176KJ/（ KgK ）管程水导热系数查物性表得1=0.648W/（m）管程水粘度1=5.064 10-4 Pas管程水普朗特数查物性表得Pr13.24壳程：壳程水蒸汽定性温度：沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算壳程水蒸汽冷凝点 : t= ti2=170.冷却段： t2 =（ti + t2）/2=（170.7+85）/2=127.85冷凝段： t2 = （t2 +i）t =（ 170.7+170.7） /2=170.7壳程水蒸汽密度查物性表得：冷却段： 2=937.8 /m3冷凝段 : p 2=4.194 / m3壳程水蒸汽比热查物性表得:冷却段： Cp2=4.319 KJ/（Kg K ）冷凝段： C p2=2.589 KJ/（Kg K ）壳程水蒸汽导热系数查物性表得：冷却段： 2=0.6878 W/（mK ）冷凝段： = 0.03218 W/（m K ）2壳程水蒸汽粘度：-6冷却段： =217.191 10Pa s2-6冷凝段： u 2=14.619 10Pa s壳程水蒸汽普朗特数查物性表得：冷却段： Pr2=1.344冷凝段： P r2=1.1341.2 传热量与水蒸汽流量计算取定换热效率? =0.98则设计传热量:Q0 = G1Cp1(t1- t1 ) 1000/3600=290000 4.176-20) (901000/3600=23.55 106W2沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算由 Q0 = G2 r+ Cp2(t2-t2 ) 导?出水蒸气流量 G2，r 为 t 2时的汽化潜热，r=2047.1KJ/Kg水蒸汽流量 :G2= Q0/ ? /r+ Cp 2(ti - t2 )6=23.55 10 /0.98/2047.1 1000+4.319 1000(170.7-85)=6.703Kg/s冷却段传热量：3Q2=G2Cp2(ti- t 2 )=6.703 4.319 (170.7-85)=2481037W冷凝段传热量 :Q 2= G2r=6.703 2047.1 1000=13721711.3W设冷凝段和冷却段分界处的温度为t3根据热量衡算: Q 2= G1Cp1 t3t1Q?/ G / Cp + t =13721711.3 0.98 3600/290000/4176+20=59.974t3 =21111.3 有效平均温差计算逆流冷却段平均温差 : tn= ti - t3 (t 2 - t 1) =85.843ln( t i - t3)t 2 - t1逆流冷凝段平均温差 :t 2t1ti t3=94.923 tn=t 2t1lnt it3冷却段 :参数 :P=参数 :R=t1-t390- 59.974 =0.271=ti - t3 170.7 - 59.974ti - t2 170.7 - 85=2.854t1 -t390 - 59.9743沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算换热器按单壳程单管程设计则查图2-6(a)，得 :温差校正系数? =1.0有效平均温差 : tm= ? tn=1.0 85.843=85.843冷凝段：参数 :P= t3 - t1 = 59.974 - 20 =0.265t2 - t1170.7 - 20参数 :R= t2-ti= 170.7 -170.7 =0t3 - t159.974- 20换热器按单壳程单管程设计则查图2-6(a)，得 :温差校正系数? =1.0有效平均温差 : tm = ? tn =1.0 94.923=94.9231.4 管程换热系数计算初选冷却段传热系数初选冷凝段传热系数:K = 820 w/(mk)0: K = 1300 w/(mk)0则初选冷却段传热面积为 :F0=Q2?/( K0 tm)= 24810370.98/(820 85.843)=46.7688m2初选冷凝段传热面积为 : F0 = Q 2 ?/( K0 tm )=13721711.3 0.98/(130094.923)=108.973 m2选用 ?252.5 的无缝钢管做换热管则 :管子外径 d0=25 mm管子内径 di=20 mm管子长度L=3000 mm4沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算则需要换热管根数 :Nt=( F0+ F0 )/( 0L)=(46d.7688+108.973)/(3.14 0.025 3)=661.3可取换热管根数为662 根管程流通面积di20.022:a1= N t =662 =0.20786844管程流速 : W1=G1= 290000/( 3600 985.75 0.207868 )= 0.093m/s3600 p1a1管程雷诺数 :Re =/ -41 1w1di1=985.75 0.393 0.02/(5.064 10 )= 15300.148则管程冷却段的定性温度:t111=(t3+ t)/2=(59.97+90)/2=74.987管程冷却段传热系数 :a =3605 (1+0.1 t0.81015 ) W1 /(100di )0.2=8077.6562管程冷凝段的定性温度 : t1 =(t3+t1 )/2=(59.974+20)/2=39.98720.8管程冷凝段传热系数 : a1=3605(1+0.015 t/(100di)0.2= 4101.3751) W11.5 管程结构初步设计查 GB1511999 知管间距按 1.25d0 ,取管间距为： S0.032m管束中心排管数为： Nc=1.1Nt =28.3，取 30 根则壳体内径 :Di =s（Nc-1）+4 d0=1.028圆整为 :Di1200则长径比 : L = 3 =2.5 合理Di1.2折流板选择弓形折流板 :弓形折流板的弓高 : h0.2Di0.2 1.2 0.24Di1200取 B=400 折流板间距 :B=40033L-1=3折流板数量 :Nb=-1=6.5 取 7 块B0.45沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算1.6 壳程换热系数计算壳程流通面积 : f2BDi 1d0=0.4 1.2 （ 1-0.025/0.032）= 0.105m2s壳程流速 :G2冷却段 :w 2= p2f 2 =6.703/（ 937.58 0.105）=0.068m/sG 2冷凝段 : w 2= p2f2 =6.703/（4.194 0.105）=15.22m/s壳程当量直径 :de=（ Di2-Ntd02）/（ Ntd0）=（ 1.22 -711 0.0252 ）/（7110.025）=0.056m 冷凝段管外壁温度假定值: tw109.6 膜温 :tm=（ t w+ t2）/2=（109.6+170.7）/2=140.15-6膜温下液膜的粘度 : m=19510Pas膜温下液膜的密度 : 3m=926.4Kg/m膜温下液膜的导热系数为: m=0.6842/（ m）正三角形排列ns=2.080 Nt 0.495=2.080 662 0.495=51.807G 2冷凝负荷： =6.703/（351.807）=0.0431Ln s-6壳程冷凝段雷诺数 : Re=4/um=40.0431/195 10=884.1壳程冷凝段传热系数 :11332Re3a2 =1.51（m mg/ m ）（）=9635.7 冷却段管外壁温假定值 : tw 295冷却段雷诺数： Re=p2w 2de-6=937.8=16442.4050.068 0.056/217.191 10u2壁温下水粘度 : -6w2=298.6 10Pa s6沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算20.14粘度修正系数 :?1=（ u）=0.956uw21壳程传热因子查图 2-12得 :j s100=（ ）Pr3冷却段壳程换热系数 1:a22/de 2?1js=3（ 0.6878/0.056） 1.344 0.956 100=1875.291.7 总传热系数计算查 GB-1999 第 138 页可知水蒸汽的侧污垢热阻 :r2=8.8 10-5（m2 /w ）管程水选用地下水，污垢热阻为: r135.2 10 5 m2 oC / W由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计冷却段总传热系数 :K =1/1/a +r+r d /d +d）= 731.176/（a dj2 2 1 0 i 01 i传热面积比为 : Kj / 0K =1.08(合理 )冷凝段总传热系数 :）=1385.0607K=1/1/ a +r+rd/d +d /（ a dj22 1 0i01i1385.0607=1.06（合理）传热面积比为 : K j/K0 =13001.8 管壁温度计算设定冷凝段的长度 : L2.0424m冷却段的长度 : L0.9576m冷却段管外壁热流密度计算:q =Q?/(N dL )=48859.33w/（m2）2 2t 07沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算冷却段管外壁温度 :t =t-q (1/a +r)=97.496w2222误差校核 :e =t - t =95-97.496=-2.496误差不大w2w冷凝段管外壁热流密度计算:q =N dL=（13721711.30.98）/155473.7 w/（6623.14 0.025 2.0424）2 Q 2?/(t 0 )=126696.88（m2）冷凝段管外壁温度 :tw =t (1/ 2a +rm- q22)=115.62误差校核 : e= tw- tw=-6.02误差不大1.9 管程压力降计算管程水的流速 :G1u1= 3600p1a1 =290000/（3600 985.75 0.207868）=0.393m/s管程雷诺准数 :Re （5.064-4）=15300.1481= 1w1di/ 1=985.75 0.3930.02/100.25程摩擦系数 : =0.3164/(Re1)=0.02845压降结垢校正系数:1.4沿程压降2di: P = L?/(2d )=1 1 1dii（ 0.02845 985.75 0.3932 3 1.4 ） /（2 0.02 ）=454.8Pa取管程出入口接管内径 :d1 =250mm管程出入口流速 :u2（）（2） =4G/(3600 d43600 3.140.25 985.7511 1)=290000 /=1.67m/s8沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算2（2）局部压降 : P 3= 1 u1(1+0.5)/2=985.75 1.67 1.5 /2=2061.99 Pa管程总压降 : P= P1P3=454.8 2061.9=2516.7Pa管程允许压降 :P35000PaP P即压降符合要求。1.10 壳程压力降计算22） / （ Di+Ntd0 ） =(1.2-6620.0252)/(1.2壳 程 当 量 直 径 :De= （ Di -N td06620.025 )=0.0443m2壳程流通面积 : f2Bdi 1d0 / s0.105m冷却段 :w2=G2/（）=0.068m/s2f 2冷凝段 : W 2= G 2/（ p 2f 2）=15.22m/s壳程雷诺数 :壳程冷却段雷诺数 :Re=2w2de/ 2=16442.4壳程冷凝段雷诺数 : Re=4/um=884.1查表壳程摩擦系数 : 冷却段 :10.35冷凝段 :2=0.54壳程粘度修正系数 :冷却段 d1=1.0冷凝段 d2=1.0管束周边压降 :9沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算冷却段管束周边压降 :2 Pa=( w /2) D(n +1)/D (/d)=164.45Pa2 2i be 1 1冷凝段管束周边压降 :2(n +1)/D ( /d)=56844.57Pa2w2/2) D P a=( pibe 2 2导流板压降 : Pb=0,（无导流板）查表取壳程压降结垢系数:冷却段 d =1.110=1.21冷凝段 d0取壳程进口接管内径 : d2250mm壳程出口接管内径 :d2 =100mm2壳程出口流速 :u =4G/( d)=0.90m/s22222壳程进口流速 :u2 =4G2/( p2 d2)=32.6m/s局部压降 :冷却段2 Pc= 2u2(1+0.5)/2=569.7Pa2冷凝段 P c= p2 u2(1+0.5)/2=3342.9Pa壳程总压降 :冷却段壳程总压降 : P=PadPb+Pc=768.7Pa0+冷凝段壳程总压降 : p = pad+ P b+ P c=66440.4Pa0壳程允许压降 :P250000PaP P 即压降符合要求 ; p P即压降符合要求 .10沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章传统工艺计算11沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章强度计算第二章强度计算2.1 结构设计说明书换热管材料及规格的选择和根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管材料16Mn2换热管规格 25 2.5 30003传热面积Am2A=Q/Kt m155.94换热管根数N根N=A/3.14dL622布管方式的选择序号项目符号单位数据来源和数据计算数值1转角正三角GB151-1999图 11形2换热管中心SmmGB151-1999表 1232距3隔板槽两侧SnmmGB151-1999表 1244相邻管中心距筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1换热管中心SmmGB151-1999 表 1232距2换热管根数Nt根Nt =A/3.14dL6623管束中心排N c根Nc=1.1 Nt30管根数4换热管外径d0mm2512沈阳化工大学科亚学院学士学位论文5到壳体内壁b3最短距离6布管限定圆dL直径7筒体内径di8实取筒体公D称直径筒体壁厚的确定序号项目符号1计算压力Pc2筒体内径di3筒体材料设计温度下t4筒体材料的许用应力5焊接接头系数6筒体设计厚度7腐蚀裕量C28负偏差C19设计厚度d10名义厚度n封头形式的确定第二章强度计算mmb30.25d06.25mmdLdi2B31187.5mmdi s Nc14d1028mmJB / T 4737951200单位数据来源和计算公式数值MPaPc=1.1P0.935mm见三 -81200Q235-BMPaGB150 981050.85mmPc Di6.312tPcmm1mm0mm= + C7.31d2mmGB1511999项目5.3.210序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1封头内径Dimm12002计算压力PcMPaPc=1.1P0.93513沈阳化工大学科亚学院学士学位论文3焊接接头系数4设计温度下tMPa许用压力5标准椭圆封mm头计算厚度6腐蚀裕量C2mm7负偏差C1mm8设计厚度dmm第二章强度计算0.85GB151 1999项目5.3.2105 =PcDi/5.35t（ 2 -0.5Pc）10d= +C26.359名义厚度mmGB151 1999 项目10n5.3.210直边高度hmmJB/T4737-9525管箱短节壁厚计算序号项目1计算压力2管箱内径3管箱材料4设计温度下许用应力5管箱计算厚度6焊接接头系数7腐蚀裕量8负偏差9设计厚度10名义厚度容器法兰的选择符号单位数据来源和计算公式数值PcMPaPc=1.1P2.31dimm120016MntMPaGB15098170mmPcdi9.7tPc2mm0.85C2mm1C1mm0dmmd= + C210.7nGB151 项目 5.3.212序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1法兰类型乙型平焊法兰PN=2.5MPaJB/T4702-200014沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章强度计算2法兰外径d0mmJB/T4702-200013953螺栓中心圆d1mmJB/T4703-20001340直径4法兰公称直dnmmJB/T4703-20001200径5法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4703-2000非金属软垫片7垫片材料GB/T3985-19958垫片公称直dnmmJB/T4704-20001200径9垫片外径D0mmJB/T4704-2000127710垫片内径DmmJB/T4704-2000122711法兰厚度mmJB/T4704-20008412垫片厚度1mmJB/T4704-2000313螺栓规格及248M27数量管板尺寸的确定及强度计算本设计为管板延长部分兼作法兰的形式，即 GB1511999 项目 5.7 中，图 18 所示e 型连接方式的管板。A 、确定壳程圆筒、管箱圆筒、管箱法兰、换热管等元件结构尺寸及管板的布管方式；以上项目的确定见项目一至七。B、计算 A 、A s、na、K t、 cr、Ac、Dt、Q、 s、t、Pt；序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1筒体内径dimm12002筒体内径横截面Amm2ADi2/ 41130400积3筒体厚度smm144圆筒内壳壁金属Asmm2Ass Di53367.44截面积s5管子金属总截面namm 2nan t dt11.69积1046换热管根数n66215沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章强度计算7换热管外径8换热管壁厚换热管材料的弹9性模量10 换热管有效长度11 沿一侧的排管数布管区内未能被12管支撑的面积13 管板布管区面积管板布管区当量14直径15 换热管中心距隔板槽两侧相邻16管中心距管板布管内开孔17后的面积18系数壳体不带膨胀节19 时换热管束与圆筒刚度比20壳程圆筒材料的弹性模量21系数22系数23系数管板布管区当量24 直径与壳程圆筒内径比管子受压失稳当25量长度设计温度下管子26受屈服强度dmm25tmm2.5EtMPaGB1501998表 F5196000Lmm2950n21Ad2Adn s Sn 0866 S14594mmAtmm2At0.866nS2Ad601645DtmmDt=4At /875.5SmmGB151199932SnmmGB15119990A 1mm22805606A 1= At - nd/4 =A/A0.711QQ Etna / EsAs2.56ESGB1501998 表 F5190000 =na/A10.1451ss =0.4+0.6 （ 1+Q） / 3.408tt0.4 14.910.6Q /PtPtDt / Di0.73LcrmmGB1511999图 32258tMPaGB1501998s表 F2168C、对于延长部分兼作法兰的管板，计算M n 和 M p序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触NmmGB150 1998 表 9-12516沈阳化工大学科亚学院学士学位论文宽度2垫片基本Bo密度宽度