1、煤油冷却器的设计换热器毕业论文设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 摘 要这篇论文主要介绍的是换热器机械计算等相关的设计过程。本文引用这三年学过的书本知识及相关的技术标准，对换热器的结构、强度进行了系统的阐述。换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。其中，换热器是目前应用较为广泛的换热设备。优点：结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。缺点：壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。我设计的换热
2、器内部以换热管和折流板做为基本构件，冷介质、余热介质分别在管程与壳程之间流动，以达到降温或升温的效果。换热器由筒体、管箱、封头、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。通过强度计算合理选择材料，确保安全运行，提高设备的生产效率，降低设备的制造成本，实现化工单元操作的最佳化。关键词: 换热器 管箱 壳体 管板 封头目 录1 毕业设计任务书 - 1 -1.1 题目 - 1 -1.2 任务及操作条件 - 1 -1.3 列管式换热器的选择与核算 - 1 -2 概述 - 2 -2.1 换热器概述 - 2 -2.2 固定管板式 - 3 -2.3设计背景及设计要求 - 4 -2.3.1 设计背景 -
3、4 -2.3.2 设计要求 - 4 -3 热量设计 - 6 -3.1 初选换热器的类型 - 6 -3.2 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 - 6 -3.3 确定物性数据 - 7 -3.4 计算总传热系数 - 7 -3.4.1 煤油的流量 - 7 -3.4.2 热流量 - 7 -3.4.3 平均传热温差 - 7 -3.4.4 冷却水用量 - 8 -3.4.5 总传热系数K - 8 -3.5计算传热面积 - 11 -4 机械结构设计 - 12 -4.1 管径和管内流速 - 12 -4.2 管程数和传热管数 - 12 -4.3 平均传热温差校正及壳程数 - 12 -4.4 壳程内径及换热管选型
4、汇总 - 13 -4.4.1 壳体内径 - 13 -4.4.2 换热管的选型汇总 - 14 -4.5 折流板 - 15 -4.6 接管 - 18 -4.6.1 壳程流体进出口时接管 - 18 -4.6.2 管程流体进出口时的接管 - 18 -4.6.3 接管最小位置 - 18 -4.7 壁厚的确定、封头 - 19 -4.7.1 壁厚 - 19 -4.7.2 椭圆形封头 - 19 -4.8管板 - 20 -4.8.1 管板结构尺寸 - 20 -4.8.2 管板与壳体的连接 - 20 -4.8.3 管板厚度 - 21 -4.9 换热管 - 21 -4.9.1 换热管的规格及尺寸偏差 - 21 -4
5、.9.2 传热管排列和分程方法 - 21 -4.9.3 横过管束中心线的管数 - 22 -4.9.4 布管限定圆 - 22 -4.10 分程隔板 - 23 -4.10.1 分程隔板尺寸 - 23 -4.10.2 管子和分程隔板的连接 - 23 -4.11拉杆 - 23 -4.11.1 拉杆的直径与数量 - 23 -4.11.2 连接与尺寸 - 24 -4.12换热管与管板的连接 - 25 -4.13. 防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图(BI型) - 26 -4.13.1 防冲板或导流筒的选择 - 26 -4.14.膨胀节的设定讨论 - 26 -4.14.1 管壁温度的估算 - 26 -4
6、.14.2 管子拉脱力 - 26 -5、换热器核算 - 28 -5.1热量核算 - 28 -5.1.1 壳程对流传热系数 - 28 -5.1.2 管程对流传热系数 - 29 -5.1.3 传热系数K - 29 -5.1.4 传热面积S - 30 -5.2流动阻力的计算 - 30 -5.2.1管程流动阻力 - 30 -5.2.2 壳程流动阻力 - 31 -6、管束振动的计算 - 33 -6.1换热器的振动 - 33 -6.1.1 撞击破坏 - 33 -6.1.2 挡板损伤 - 33 -6.1.3 接头泄漏 - 33 -6.1.4 应力疲劳 - 33 -6.1.5 冶金失效 - 34 -6.1.6
7、 材料缺陷扩展 - 34 -6.2流体诱发换热器管束振动机理 - 34 -6.2.1 漩涡脱落诱导振动 - 34 -6.2.2 紊流抖振 - 35 -6.2.3 流体弹性激振 - 36 -6.3管束振动的计算 - 36 -7、设计结果表汇 - 38 -谢 词 - 40 -参考文献 - 42 -1 毕业设计任务书1.1 题目煤油冷却器的设计1.2 任务及操作条件1.2.1 处理能力：10万吨年煤油1.2.2 设备形式：列管式换热器1.2.3 操作条件(1).煤油：入口温度140，出口温度40(2).冷却介质：自来水，入口温度30，出口温度40(3).允许压强降：不大于100kPa(4).煤油定性
8、温度下的物性数据：密度825kgm3，黏度7.1510-4Pa.s，比热容2.22kJ(kg.)，导热系数0.14W(m.)(5).每年按330天计，每天24小时连续运行1.3 列管式换热器的选择与核算1.3.1 传热计算1.3.2 管、壳程流体阻力计算1.3.3 管板厚度计算1.3.4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）1.3.5 管束振动1.3.6 管壳式换热器零部件结构2 概述2.1 换热器概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%20%，在炼油厂约占总费用35%40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有
9、着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。表2-1 传热器的结构分类类型特点间壁式壁间式管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处
10、理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交
11、替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合2.2 固定管板式 因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。 固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。图2-1 固定管板式
12、换热器的示意图1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴2.3设计背景及设计要求2.3.1 设计背景 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛地使用各种换热器，且他们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%，在炼油厂约占总费用的35%-40%。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分的活跃。一些新型的换热器相继问世。随着换热器在工业生产中地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器自然有各自不同的优缺点与性能；所以在换热器的设计中，首先
13、应根据工艺要求选择使用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。2.3.2 设计要求 完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：增大传热系数提高平均温差妥善布置传热面等三个方面具体着手。（2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国钢制石油化工压力容器设计规定和钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。 （3）有利于安装操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温
14、层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。3 热量设计3.1 初选换热器的类型两流体的温度变化情况如下：（1）煤油：入口温度140，出口温度40；（2）冷却介质：自来水，入口温度30，出口温度40；该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考略到这一因素，估计所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，需考虑热膨胀的影响，相应地进行热膨胀的补偿，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器
15、。3.2 管程安排(流动空间的选择)及流速确定已知两流体允许压强降不大于100kPa；两流体分别为煤油和自来水。与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使煤油走壳程。表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围 流体种类流速（ms）管程壳程一般液体0.530.51.5易结垢液体10.5气体530315表3-3.不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）液体粘度mPas15001500500500100100353511最大流速（ms）0.60.751.11.51.82.4由上表
16、，我们初步选用252.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5ms。3.3 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程流体（煤油）的定性温度为：T= =90 管程流体（水）的定性温度为：t=。在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和煤油)的物性参数，见下表：密度（m3）比热容（kJkg）粘度（Pas）导热系数（Wm）煤油8252.227.1510-40.14水(35)9944.187.2510-40.6263.4 计算总传热系数3.4.1 煤油的流量已知要求处理能力为15万吨煤油每年（每年按330天计，每天24小时连续运行），则煤油的流量为：
17、Wh=100000t（33024）=12626kg换热管的固有频率，Hz；Kc比例系数研究表明,流体速度较低时,振动可能由漩涡脱落或紊流抖振引起,而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振。6.3管束振动的计算通过以上管束振动的分析可知，管子的振动与管子的系统的固有频率、系统的阻尼和流体流动特性等因素有关。在换热器中，换热管两端与管板连接，中间由等间距布置的多个折流板支撑，但靠近两端管板的折流板与管板之间的跨距比中间跨距要大。换热管与管板之间不论采用焊接、胀接或胀接焊接并用，都不能发生振动和位移，因而在固有频率分析时可看作刚性固定支撑；管束中间用弓形折流板支撑，管子与折流板管孔之间有很小的的
18、间隙，管子可以转动，但不能发生纵向位移，因而可以看作是简支。换热管的简化模型为多跨度梁，因此，求解换热管的固有频率归结为求解多跨度梁的固有频率，其理论基础是梁的横向振动微分方程。换热器管束的管子具有多个固有频率，每一种固有频率对应一种不同振型。当受其中一种特定频率的激发载荷作用时，就可以发生某种振型的共振。利用管子两端的固定条件与管子在中间管子简支处的连续条件，求解方程组可得到换热管的各阶固有频率。影响管子振动关键是第一二阶的固有频率。对于多跨直管的固有频率求解方程相当复杂，为方便计算，美国的管壳式换热器制造者协会设计了相应的计算公式和振型常数，将等跨距直管的固有频率简化为跨度数和两端支撑条件
19、决定的参数，由下面的式子计算：换热管发生振动的基本条件是各种激振力的频率等于或接近换热管的固有频率。因此，要想有效防振，必须分别算出漩涡脱流频率f1、紊流抖振频率f2和管子的固有频率fn，用下式判断：(1)当壳程流体是气体或液体时，0.5f1fn0.6; 0.5f2fn0.6;(2)当管程流体是气体或蒸汽时，0.8f1fn1.2; 0.8f2fn1.2;(3)当壳程流体是气体或液体时，应有横向流速vvc。6.4振动的防止与有效利用换热器内流体诱导振动的机理相当复杂,能够有效地防止振动的完整的设计准则尚未建立起来。这就需要在运行过程中根据不同的操作情况,采用不同的措施来防止换热器的振动。振动是不
20、可避免的但是轻微的振动不但不会带来损坏,而且还有强化传热和减少结垢的作用。但是强烈的振动应该采取必要的防振措施以减缓振动,避免换热器振动破坏。抗振的根本途经是激振力频率尽量避开管子的固有频率。工程实践中常采用以下的抗振措施:(1)制定合理的开停工程序,加强在线监测,严格控制运行条件,在流体入口前设置缓冲板或导流筒,既可以避免流体直接冲击管束,降低流速,又可以减小流体脉动。(2)降低换热器壳侧流体速度是防止管束振动的最直接的方法。因为当传热元件的固有频率不变时,降低流速,可使流体脉动的频率降低,从而避免共振的产生,但同时传热效率也会随之降低。(3)提高传热元件的固有频率是防止振动的另一个关键因素
21、,减少跨距与有效质量,增加材料的弹性模量与惯性矩,都可以提高传热元件的固有频率。适当增大管壁厚度、增大圆管直径和折流板厚度,折流板上的管孔与管子采用紧密配合,间隙不要过大,可以优化结构设计等。(4)改变管束支撑形式,采用新型的纵向流管束支撑,例如折流杆式、空心环式、整圆形异形孔折流板,还可以用折流带或折流棒来代替折流板等。这些方法都可以有效地防止管束振动。(5)在换热管外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条，可抑制周期性漩涡的形成。当然。振动问题最好是在事前预防,而不是待振动出现后再去修正。这就要求我们能在设计过程中充分考虑各种因素,只有这样才能使设计的产品更加完善,操作使用更加安全可靠。7
22、、设计结果表汇换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程进、出口温度，304014040压力，MPa33142317流量，kgh6705612626物性物性温度，3590密度，kgm3994825定压比热容，kJ（kg）4.182.22粘度，Pas0.0007250.000715热导率，Wm0.6260.14结构参数形式管板式换热器壳程数1壳体内径，mm600台数1管径，mm管心距，mm32管长，mm6000管子排列管数，根232折流板数，个29传热面积，m2100折流板间距，mm200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，ms0.4970.2176污垢热阻，m2W0.0003440.00
23、0172热流量，KW778.6传热温差，32传热系数，W(m2K)390裕度%21.88谢 词论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的杨老师，他渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人格魅力对我影响深，也离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。 另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。在论文的写作过程中也学到
24、了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。总之，此次论文的写作过程，我收获了很多。此次论文的完成既为大学三年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。 再次感谢在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们!参考文献1 夏清，姚玉英,陈常贵,等. 化工原理M. 天津：天津大学出版社，20012 华南理工
25、大学化工原理教研组. 化工过程及设备设计M. 广州：华南理工大学出版社，19963 刁玉玮,王立业. 化工设备机械基础（第五版）M. 大连：大连理工大学出版社, 20004 大连理工大学化工原理教研室化工原理课程设计M. 大连：大连理工大学出版社，19965 魏崇光，郑晓梅. 化工工程制图M. 北京：化学工业出版社,19986 娄爱娟,吴志泉. 化工设计M.上海：华东理工大学出版社，20027 华东理工大学机械制图教研组. 化工制图M. 北京：高等教育出版社，19938 王静康. 化工设计M. 北京：化学工业出版，19989 傅启民. 化工设计M. 合肥：中国科学技术大学出版社，200010 董大勤. 化工设备机械设计基础M. 北京：化学工业出版社,199911 GB 151-1999管壳式换热器12 JBT 4715-92 固定管板式换热器与基本参数13 靳明聪. 换热器M. 重庆：重庆大学出版社，199014 兰州石油机械研究所. 换热器M. 北京：烃加工出版社，198615GB150-98钢制压力容器16化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2003
