固定管板换热器毕业设计

沈阳化工大学学士学位论文Abstract沈阳化工大学本科毕业论文题目：卧式油-油固定管板换热器设计院系：机械工程学院专业：班级：学生姓名：指导教师：论文提交日期：年月日论文答辩日期:目录第一章引言1第二章文献综述2第三章设计说明书73.1、传热工艺计算73.1.1原始数据73.1.2定性温度及物性参数73.1.3传热量与柴油出口温度及定性温度83.1.4有效平均温度83.1.5管程换热系数计算93.1.6结构的初步设计：103.1.7壳程换热系数计算103.1.8传热系数计算113.1.9管壁温度计算123.1.10管程压降计算123.1.11壳程压降计算133.2、强度计算143.2.1换热管材料及规格的诜择和根数确定143.2.2管子的排列方式143.2.3确定筒体直径15沈阳化工大学学士学位论文设计计算3.2.4筒体壁厚的确定153.2.5液压试验173.2.6封头厚度的计算173.2.7法兰的选择183.2.8管板的设计203.2.9折流板的选择313.2.10接管及开孔补强323.2.11管箱短节壁厚的计算353.2.12拉杆和定距管的确定353.2.13分层隔板厚度选取363.2.14支座的选择及应力校核36参考文献42致谢44沈阳化工大学学士学位论文第三章设计说明书第三章设计说明书3、1传热工艺计算3.1.1 原始数据壳程柴油的进口温度t；=175C壳程柴油的工作压力?i=1.6MPa管程原油的进口温度t2=70C管程原油的出口温度t；=110C管程原油的工作压力=1.6MPa壳程柴油的流量G1=68000kgh管程原油的流量G2=88000*3.1.2 定性温度及物性参数管程原油定性温度t2=(t2t2)/2=90C管程原油密度查物性表得p2=815kgm3管程原油比热查物性表得CP2=2.2KJ/g，七管程原油导热系数查物性表得%=0.128wm.久管程原油的粘度=310-3Pa.s管程原油普朗特数查物性表得Pr2=51.56壳程柴油密度查物性表得；1=715kg3m壳程柴油比热查物性表得Cp1=2.48%g产C壳程柴油导热系数查物性表得人i=0.133%七壳程柴油黏度1=64010-6Pas壳程柴油普朗特数查物性表得Pri=100OX仙iXCp/入1=11.933.1.3 传热量与柴油的出口温度及柴油的定性温度取定换热效率为=0.98则设计传热量Q=G2Cp2t2-t210003600=880002.2(70-110)0.981000/3600=2108089W则柴油的出口温度t1=t13600Q036002108089=1/5二130CGCP11000680002.481000.一一，一一、，.，一.、.一冗程柴油止性温度t1=t1+Fc(t1-t1)=175+0.3(175130)=188.53.1.4 有效平均温度温差校正系数：中=0.93：tNt1-t2-t；-t2175-110-130-70InFj、t1-t2,.t1-t2JIn175-110；f1-.0190.06m2is）i0.025J壳程流速为：1G360068000=0.44壳程质量流速为:壳程当量直径为:壳程雷诺数为:36007150.06W1=1R=7150.44=314.8deRei二s_22_2_2DNd.=0.7-4060.019-0.0445Ntdg4060.019巳值7150.440.0445_664010=21874切去弓形面积所占比例按2=0.2查得为0.145Di壳程传热因子由管壳式换热器原理与设计书图2-12可查得：Js=120管外壁温度假定值为：145C壁温下油的黏度为：U=64010Pas0.140.14黏度修正系数为：电=I上=4I=1【%)1640J1壳程换热系数为：%=量匚中Js=0.133X(11.93)1x1x120=819.44de0.04453.1.8 传热系数计算查GB151999书第138页可知：壳程选用柴油、管程选用原油则油侧污垢热阻为：1=0.0001722=0.000172由于管壁比较薄，管壳层阻力损失都不超过0.3X103N/m3所以管壁的热阻了可以忽略不计。所以可以计算出总传热系数为：Kj1：idi 二 2 di1819.440.0190.0190.000172 0.000172 -0.015 6740*0.015=553.72WmC则传热系数比为：Kj=55372=1.11(合理)K0500所以假设合理。3.1.9 管壁温度计算管外壁热流温度计算为:QoNt 二 d0l2108089406 3.14 0.019 3口28996 w m2管外壁温度为：tw1=t1q+?1=188.828996父一1+0.0001721=148.49曲)819.44)误差校核：tw1-tw1=148.4-145=3.4C因为误差不大，所以合适。3.1.10 管程压降计算tw2M。d0di二十12口20.019 =90 28996 -0.01567400.000172 =102 C壁温下油的黏度为：w2=310Pas黏度修正系数：灯=口乜=，吗)=1I”01查得管程摩擦系数为：2=0.0122管程数nt=2管内沿程压为：W22lnt26792320.0122Pi=-=1380Pa2：2,di228150.0151回弯压降为：二些4nt=679242=2263Pa2%2815取出口处质量流速为：wN2=1000kgm2s22进出口管处压降为：-：?N2=Wn21.5=10001.5=8402Pa2：22815管程污垢校正系数为：；2=1.2则管程压降：P2=：mi：Pbd2：Pn2=”38022631.28402=12773.6Pa3.1.11壳程压降计算壳程当量直径为:deDi2 - N 0Nt do0.72 -406 0.0192 =0.0445m406 0.019壳程雷诺数为：Q1Wde380.3 0.0334910 10-6=13958经查壳程的摩擦系数为：1 = 0.42管束压降为:亚 D nb 1=3W 07 180422:1 也 de2 7150.04451= 4121Pa取进口管处质量流速为:1000取进口管压降为：；：Pni=W21.5=100021.5=1049Pa2i2715取导流板阻力系数为：d=522导流板压降为：.曰当d=侬5=6993Pa2：1715壳程结垢修正系数d=1.38壳程压降为：1=0d；d匚、1=1.38412169931049=13729Pa管程、壳程允许压降为：1”1M匚31-35000Pa?1：Pi1符合压降条件.叫仃t12设计温度下封头的最大许用工作压力RMPaBJeb.w版+旌）2.8813pPaM(/N(%jx-1%+K2x(V2-m)/2ml72.514管板布管区周边剪切应力系数IpTp=(1+v)/4(Q+G2)0.05815管板布管区周边的剪切应力MPaLp，Pa%1516法兰的外径与内径之比KK=D0/D11.1417系数丫1GB150-1998表9-510.7518壳体法兰应力JMPa仃f=%父丫父MwsMPax人2“）网）7.919换热管的轴向应力5MPa1Go-vQ叫=4Pc-xPatPQ+G28.120壳程圆筒的轴向应力仃cMPaA.(1+v)crc=xXPaAsQ+G241.0521一根换热管管壁金属的横界a2mmnaa=n176.622换热管与管板连接的拉托应力qMPaaq一%父jndl0.005b、只有壳程设计压力，而管程设计压力Pt=0,并且计入膨胀变形差。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1壳程圆筒材料线膨胀系数as1/0cGB150-1998-611.62X102换热管材料线膨胀系数at1/0cGB150-1998-610.88X103换热管与壳程圆筒的膨胀变形差rrat(tt-t0)-as(ts-10)-6-173X104沿长度平均的壳程圆筒金属温度ts0c工2给定1605沿长度平均的换热管金属温度tt0C工2给定1106制造环境温度t0207当量压力组合PcMPaPc=Ps-Pt(1+P)0.888有效压力组合PaMPaPayPs-tMPt+pMr父Et30.0539基本法兰力矩系数Mm3Mm=4Mm/(人父冗MD；父Pa)0.00210管程压力下的法兰力矩系数MpMp=4Mp/(九乂冗MD；父Pa)0.00411管板边缘力矩系数MM=Mm+M父Mi0.00712管板边缘剪切系数vv=M父小0.2513管程总弯矩系数mm=(m1+vxm2)/(1+v)0.90614系数GG尸maxGie,GQ0.17515壳体法兰力矩系数MwsM；s=?xMm-iMtXM1-0.005416管板径向应力系数(Or)=(1+v)Gi/4(Q+G2)0.0013517管板的径向应力巴MPa%=Pa/D_N16J2|5318管板布管区周边外径向的应力系数（。）(仃)=3(1+v)m/4K(Q+G2)0.0719布周径应板区外的管管边向力仃rMPa5=何因乂儿2尸(%)2x1%+白(72my2ml16520管板布管区周边的剪切应力系数TpTp=(1+v)/4(Q+G2)0.0821管板布管区周边的剪切应力TpMPa.九一DiT_T乂Paxj乂1P1Ppan68922换热管的轴向应力3MPa1Go-vQ仃=Pc-_-xPatPq+g2423换热管与管板连接的拉托应力qMPaq-at父ndl0.031c、只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0,不计膨胀节变形差时:序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1当量压力组合PcMPaPc=Ps02有效压力组合PaMPaPa=EsPs+BrEt-6.4013管板边缘力矩系数MM=Mm+AM父M10.0074管板边缘剪切系数vv=M黑牛0.255管板总弯矩系数mm=(m,+vm2)/(1+v)0.9066系数GG1=maxGLe,GL。0.0048167管板的径向应力MPa0r=(%产Pax(九/N)x,2(D/6)-2.713M1.5b18管板布管区周边外径向的应力系数)(%)=3(1+v)m/4K(Q+G2)-0.0749管板布管区周边外径向的应力%MPa0r=(%jxPax(九/N产(XLrFM+Yx(V2-m)/2m1-89.73W1.5b：10管板布管区周边的剪切应力系数TpTp=(1+v)/4(Q+G2)0.070411管板布管区周边的剪切应力TpMPaTp/PaW；%J-4.5870.5lrir12壳体法兰应力*MPaaf=n/4XYXMwsxPax2九乂/3)-8213换热管的轴向应力仃tMPa1rcG2vQ/c5=甘Pc-xPaPQ+G219.2tEki14壳程圆筒的轴向应力仃cMPaoc=A/AsX1+V)XPaQ+G2-39.2-bi15换热管与管板连接的拉托应力qMPaaq=/Mndl0.02M0.5hjd、只有管程设计压力Pt,而壳程设计压力Ps=0,同时计入膨胀变形差时:序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1换热管与壳程圆筒的膨胀艾形差rrat(tt-t0as(ts-t0)-173X10-62当量压力组合PcMPaPc=Ps-Pt(1+P)-1.0323有效压力组合PaMPaPa=8sMPs%MPt+0xrMEt-11.724基本法兰力矩系数Mm3Mm=4Mm/(九*冗D13父Pa)-0.005235管板边缘力矩系数MM=Mm+AMMM10.000196管板边缘剪切系数vv=Mm0.00677管程总弯矩系数mm=(m1+vxm2)/(1+v)0.2048系数G1G尸maxGe,Gii0.005249管板布管区周边外径向的应力系数（，）(%)=3(1+v)m/4K(Q+G2)0.013310管板布管区周边外径向的应力系数仃rMPa%=HrFPaT2(D1/6)Mb-K/m+KM(1.414-m)/2m11.4W3kl11管板布管区周边的剪切应力系数TpTp=(1+v)/4(Q+G2)0.06512管板布管区周边的剪切应力TpMPaTp=TpMPax-xppk每-27.961.5fcr13换热管的轴向应力9MPa1Go-vQ54Pc-/xPaPQ+G230.63btr14换热管与管板连接的拉托应力qMPaaq=5父ndl0.190.5foH、由管板计算厚度来确定管板的实际厚度:在舁厅p项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1管板计算厚度6mm6=0皿度184.22壳程腐蚀裕量Gmm23管程腐蚀裕量C2mm24结构开槽深度h1mm根据结构确定35管板的实际厚度8mm90考虑圆整是否安装膨胀节的判定由G,a、b、c、d计算结果可以看出：四组危险组合工况下，换热管与管板的连接拉托力均没超过设计许用应力，并且各项应力均没超过设计许用应力。所以，不需要安装膨胀节。3.2.9 .折流板的选择3.2.9.1 选型根据GB1511999管壳式换热器图37选择单弓形水平放置的折流板。3.2.9.2 折流板尺寸缺口弦高h值，一般取0.200.45倍的圆筒内直径，取h=0.2di=0.20.7=0.14m3.2.9.3 换热管无支撑跨距或折流板间距由GB1511999表42知，但换热管为外径19父2钢管时，换热管的最大无支撑跨距为l=1500mm，且折流板最小间距一般不小于圆筒内直径五分之一且不小于50mm由传热计算得到折流板间距B=350mm3.2.9.4 折流板厚度由GB1511999表34,DN=700mml=1500mm查得折流板最小厚度为10mm,实取折流板厚度10mm由GB1511999表36查得管孔直径为19.6mm允许偏差为00.4mm3.2.9.5 折流板直径由GB1511999表41查得折流板名义外直径为DN=695.5mm允许偏差为-0.80mm3.2.10 .接管及开孔补强补强及补强方法判别补强判别由GB150-1998表81知当满足下列所有条件时不另行补强。1设计压力小于或等于2.5MPa两相邻开孔中心距应不小于两孔直径之和的两倍；2接管公称直径小于或等于89mm3接管最小壁厚满足表81要求(GB1501998p75)由于接管200mm的公称直径大于89mm所以要补强，但由于设计的筒体或封头的厚度远大于理论厚度，所以要进行计算看是否要进行补强。补强计算方法判别开孔直径d=di2c=20021=202mm本凸形封头开孔直径d=202mm2021.9-20mmh2=0故取h2-0有效补强面积封头多余金属面积封头有效厚度e=、n-C=8-1=7mm封头多余金属面积A=(B-d诵e-6)-2$ete-6(1-f,)=(230-202)(10.2-8)=16.8mm2接管多余金属面积2A=2h1、戌一、tfr2h2、戌一C2fr=223.92.51.57=44.45mm=3.14mm苴中M1.76200/t2?。21700.85-1.76接管区焊缝面积（焊角取6.0mm）1ccccccc2A3=26.06.0=36.0mm32有效补强面积2Ae=Aa2A3=16.844.4536.0=97.25mm2所需另行补强面积2A4=A-A1A2A3=2939.2-97.25=2842mm2拟采用补强圈补强补强圈设计根据接管公称直径DN200选补强圈，参!I补强圈标准JB/T4736取补强圈外径D=400mm内径d=215mm因B=420mmaD补强圈在有效补偿范围内补强圈厚度为、.=A=1842=8.5mmD-d400-215考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为6n=10mm3.2.11. 管箱短节壁厚的计算在舁厅P项目符号单位数据来源及计算公式数值1设计压力PcMPaPc=1.1P1.762选材GB150-1998钢制压力容器选Q345R3计算厚度5mmB-PcDi一2kH-Pc4.34设计厚度6dmm8d=5+C26.35名义厚度&nmmGn=GdC17.36实取名义厚度6nmm87有效厚度5emme&n-C7注：其符号意义及取值同筒体壁厚计算的符号及意义水压试验比较筒体的水压试验和短节的水压试验同样可以满足要求3.2.12. 拉杆和定距管的确定在舁厅p项目符号单位数据来源及计算公式数值1拉杆直径dnmmGB151-1999管壳式换热器表43122拉杆数量nGB151-1999管壳式换热器表4483定距管规格GB151-1999管壳式换热器取619父24拉杆在管板端螺纹长度LdmmGB151-1999管壳式换热器表45505拉杆在折流板端螺纹长度LsmmGB151-1999管壳式换热器表45156拉杆上倒角高bmmGB151-1999管壳式换热器表452.03.2.13. 分程隔板厚度选取根据GB151-1999管壳式换热器，分层隔板厚度取10mm3.2.14. 支座的选择及应力校核3.2.14.1 支座的选择BI根据钢制管法兰垫片紧固件JB/T4712-92鞍式支座的选择重型型焊制鞍式支座（表7）当DN=700mm取鞍式支座的相关尺寸如下:在舁厅P项目符号单位数值1公称直径DNmm7002允许载荷QKN1703鞍座局度hmm2004底板1imm640bimm150mm105腹板占2mm86筋板l3mm350b2mm140b3mm200坛mm107垫板弧长mm830b4mm350S4mm6emm368螺栓间距l2mm4609带垫板鞍座质量Mkg2810包角otQ12011型号BI7003.2.14.2鞍座的应力校核(1)原始数据表在舁厅p项目符号单位数值1设计压力PMPa1.762设计温度T(1453物料密度pkg/3/m8154筒体内径Dimm7005筒体长度Lmm30906公称厚度6nmm87厚度附加量Cmm28鞍座型号BIF,S型各一个9鞍座中心线离封头切线的距离Amm84810鞍座腹宽bmm17011腹板厚度bomm1012鞍座包角Q012013容器与封头的材料Q345R14容器与封头的许用应力ErMPa17015鞍座材料Q235B16鞍座材料许用应力bJsaMPa12517容器自重M1kg200018物料重量M2kg150019总重量Mkg3500（2）校核计算序项目符号单位根据来源及计算公式数值号1支座反力FN1F=万Mg625782系数G1+2j但Y”2lL0.24513LJ3系数C2C/4H2=1+3L1.1024系数C3C3R2-H2-2RL0.6065Nmm-4.21义同体仕支MiMi=F(GL-A)座跨中截107面处的弯矩6筒的支座截面的弯M2NmmRA_FAM2C2；A+R1-十C3-C2L3A2J-4.92X107矩7跨中截面处的轴向仃iMPaCT_M11_0尔瓦0.936应力（最高点）8跨中截面2MPa(JPRifM152.36处的轴向22名喑鼠应力（最低点）9系数A八0,094g0.002110系数BMPaGB150-1998图6-312811轴向许用压缩应力LacMPa卜1=B12812比较C1i2|&L=128MPa,验算合格筒体和封头中的切问剪应力13系数K3过程装备设计表5-21.1714切向男应力7axMPaK3FL-2AYmax-、Ai_iRi露L+生33.0915椭圆形封头的形状系数K标准椭圆形封头K=1.01.016封头内压引起应力CTMPaKPDi国一次76.8117比较%ax0.8t户max1.25.再,验算合格筒体的周向应力18鞍座截面筒体最低处的周向应力MPa-K5F仃5=53-9.3419系数K5过程装备设计表5-30.76020筒体后效宽度b2mmb2=1.56id256.821鞍座边角处筒体的周向应力CbMPa-F12K6FRi0b-452-L6；-42.3622系数K6过程装备设计表5-30.052823比较（丁5&1,杵11.25口1,验算合格。鞍座腹板应力24系数