毕业设计论文卧式半容积式换热器设计全套图纸.docx
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毕业设计论文卧式半容积式换热器设计全套图纸
沈阳化工大学科亚学院
本科毕业设计
全套图纸,加153893706
题目:
卧式半容积式换热器设计
专业:
过程装备与控制工程
班级:
1201
学生姓名:
指导教师:
论文提交日期:
2016年5月25日
论文答辩日期:
2016年6月6日
毕业设计任务书
过程装备与控制工程专业
1201班
学生:
毕业设计(论文)题目:
卧式半容积式换热器设计
毕业设计(论文)内容:
设计计算说明说一份;
设计图纸一份
毕业设计(论文)专题部分:
换热器
起止时间:
2016年3月1日——2016年5月23日
指导教师:
2016年3月1日
摘要
物料之间传递热量需要换热器,因此,换热器的设计是一个关键的步骤。
随着我国国民经济的飞速发展,在化工,化肥,炼油,制药,冶金,电力等行业都有着广泛的应用。
在上述行业中,换热器的投资所占比重很大,约占到企业投资的35-40%,数量上也远远多于其他设备。
换热器作为上述行业的通用设备,在企业生产中占有十分重要的地位。
锁着国家科学技术的发展,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渐加强。
一台换热器产品的设计,应符合企业实际生产需要。
对着国际科学技术的发展,对换热器的研究水品也有了显著的提高。
换热器的设计,制造,结构改进和以及传热机理的研究也十分活跃。
列管式换热器的应用有着悠久的历史,即使现代,列管式换热器作为一款传统的标准换热设备在很多工业部门中有着广泛的使用和深远的影响。
尤其在化工,化肥,炼油,等传统工业领域所实用的设备中,列管式换热器仍占据着主导地位。
欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的换热器。
我国对各种新型换热器的研究虽然起步较晚,但经过对国外换热器的借鉴、消化、吸收,也得到了飞速的发展。
我国科技工作者也加快了自主研发新型节能换热器的步伐,我国很多大型石化公司和设计院的新型换热器产品如板壳式换热器、蒸发式空冷器、波节管换热器等不断获得国际大奖并出口应用于国外大型设备和厂家。
随着近年对设备环保、节能的要求越来越高,如果有效利用工业余热废热成为研究的热门问题,同时随着人民生活水平的提升,对热水供暖的需求加大,快速传热,稳定供热的环保设备得到更多的认可。
而半容积式换热器具有的换热快速,传热系数高,换热量大,容积利用率大,节能,节省空间等优点。
[1]
关键词:
换热器设计;自主研发;环保;节能
Abstract
Heattransferbetweenthematerialneedheatexchanger,therefore,thedesignofheatexchangerisakeystep.Withtherapiddevelopmentofnationaleconomyinourcountry,inthechemical,fertilizer,oilrefining,pharmaceutical,metallurgy,electricpowerandotherindustrieshaveawiderangeofapplications.Heatexchangerintheindustry,investmentproportionisverybig,about35-40%oftheenterpriseinvestment,thenumberisfarmorethanotherdevices.Generalequipment,heatexchangerastheindustryoccupiesanimportantpositionintheenterpriseproduction.Lockedstatescienceandtechnologydevelopment,theenergyutilization,therequirementofincreasingthedevelopmentandconservation,andalsototherequirementofheatexchangerintensified.Aheatexchangerinthedesignoftheproduct,shouldconformtotheenterpriseactualproductionneeds.Thedevelopmentoftheinternationalscienceandtechnology,thestudyofheatexchangerwaterqualityhasimprovedsignificantly.Heatexchangerdesign,manufacture,structureimprovementandtheresearchandtheheattransfermechanismisalsoveryactive.Theapplicationofshellandtubeheatexchangerhasalonghistory,evenmodern,shellandtubeheatexchangerforatraditionalstandardheatexchangeequipmenthasbeenwidelyusedinmanyindustrialsectorsandfar-reachinginfluence.Especiallyinchemical,fertilizer,oilrefining,traditionalindustriessuchasthepracticalequipment,shellandtubeheatexchangerisstilldominant.
EuropeanandAmericandevelopedcountryinthe1980sbegantodevelopment,todevelopvarioustypesofheatexchanger.Thoughthestudyofallkindsofnewtypeheatexchangerinourcountrystartsrelativelylate,butafterareference,digestion,absorptionofforeignheatexchangers,alsogotrapiddevelopment.China'sscienceandtechnologyworkersalsoacceleratedthepaceofindependentresearchanddevelopmentofnewenergysavingheatexchanger,manylargepetrochemicalcompanyanddesigninstituteinChina,anewtypeofheatexchangerproductssuchasplateheatexchangerevaporativeaircooler,bellowstubeheatexchangerandotherinternationalawardsandexportusedinlargeforeignequipmentand
Asinrecentyears,moreandmorehightotherequirementofequipment,environmentalprotection,energysaving,iftheeffectiveutilizationofindustrialwasteheatheatbecomeresearchhottopic,atthesametimeaspeople'slivingstandardsimprove,thedemandforhotwaterheating,rapidheattransfer,environmentalprotectionequipmentstableheatingtogetmorerecognition.Andhalfvolumeheatexchangerwithheatfast,highcoefficientofheattransfer,heattransfer,volumetricefficiency,savingenergy,savingspace,etc.
Keywords:
Theheatexchangerdesign;Independentresearchanddevelopment;Environmentalprotection;Energysaving
第一章工艺计算
1.1设计条件
已知,卧式贮罐容积4m³;
工作压力:
管程≤0.6,壳程≤0.6;
设计温度:
(水-水换热)℃管程:
进口蒸汽85出口55℃管程:
被加热水:
进口10出口55;
罐体公称直径:
mmDN1400-
换热器公称直径:
mmDN400
换热介质:
水-水
1.2确定物性参数
表1-1通过查表可知:
进口温度
出口温度
平均温度
密度ρ
Kg/m
定压比
热容Cp
Kj/kg.
℃
导热系
数λ×10²
W/(m².℃
)
黏度
μ×10^5
Pa.s
普朗特数
Pr
管程
85
55
70
978
4.19
57.4
41.4
2.55
壳程
10
55
32.5
995
4.17
53.5
77.92
4.03
1.3确定传热面积
假设换热面积是10m2,取U型波纹管直管长是1200mm。
则由总面积
A=2n[πdL波×1.2+πd×0.1]可得出:
管子根数n=A/2[πdL波×1.2+πd×0.1](1-1)
=10/2×[3.14×0.019×1.2×1.2+3.14×0.025×0.1]
=53
根据管板的布置图(管的排列方式为倒角正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列)验算上述估算结果,为了结构上的合理,每壳程布管数为57根。
则布管后的换热面积为:
A=2n[πdL波×1.2+πd×0.1]=10.7m2
1.4平均温度差
热流体与被加热流体的平均传热温度Dtm:
按照逆流传热计算,
∵
(1-2)
∴△tm按照平均温度差计算,
(1-3)
1.5总传热系数K[9]
根据波纹管半容积式换热器中,汽—水换热时总传热系数一般范围,首
先假设总传热系数
[2](1-4)
1.6估算换热量及产热水量
(1-5)
热媒的消耗量:
(1-6)
产的热水量:
(1-7)
1.7校核传热系数K
1.7.1壳程换热系数α0
换热管平均直径是dm=(di+do)/2=(19+25)/2=22mm(1-8)
流体横着经过过管束时的流通面积是
F1=hDi(1-dm/t)(1-9)
=0.35×0.4×(1-0.022/0.025)
=0.017m2
对于其中,Di——壳体内径400mm
t——换热管的中心距25mm
h——折流板的间距350mm
1.7.2折流板的切除高度:
(1-10)
1.7.3折流板的弓形面积
As=0.5(Di/2)²θ-0.5b(Di/2-H)(1-11)
=0.5(Di/2)²x(120/360)x2π-0.5x0.346(0.4/2-0.1)
=0.025
1.7.4管子的横截面积与壳体的横截面积之比
bβ=0.785×(dm/2)²(1-12)
=0.785×(0.022/0.025)²
=0.61
1.7.5圆缺区内的流通面积
F2=As(1–β)=0.01(1-13)
1.7.6几何平均流通面积
Am=F1F2=0.013(1-14)
1.7.7几何平均流速
Vm=
(1-15)
=
=0.47m/s
1.7.8几何平均雷诺数
Re0=
(1-16)
=
=11403
1.7.9壳程平均换热系数
(1-17)
1.7.10管程的平均换热系数
Αi=(1164+17.5tpj-0.0466tpj²)w0.64/d0.36(1-18)
公式中:
tpj—水的平均温度,tpj=32.5℃
w—水的流速,w=0.47m/s
d—管径,d=0.019m
将上述数据代入公式得出αi=9595W/m².℃
1.7.11传热系数K
(1-19)
=2470W/m2℃
1.8计算压力降
1.8.1管程压力降ΔPi
管程压力降由三部分组成,即:
(1-20)
式p1——流体流过波纹管部分的压力降(Pa)
pr——管程转弯压力降(Pa)
pn——管箱进出口压力降(Pa)
以上三项分别由下式求得
(1-21)
(1-22)
(1-23)
式中
——管内流体的摩擦系数;
——以波纹管最小内径计算的流速(m/s)
——管程数
——管箱进出口的流速(m/s)
摩尔系数由下式求得:
(1-24)
计算:
(1-25)
=0.82m/s
雷诺数:
(1-26)
由式(1-24)
由式(1-22)
=18729Pa
由式(1-21)
取Vn=10m/s,则
由式(1-20)得
18729+6309+73350
=98388pa
1.8.2壳程压力降
(1-27)
式中
——壳程流体在流动路径上所产生的压力降(Pa)
——流体在壳程回弯处产生的压力降(Pa)
——壳程进出口压力降(Pa)
以上三式求得下式得:
(1-28)
(1-29)
(1-30)
式中
——壳程流体的摩擦系数;
——壳程折流板的数目;
——壳体内直径(m);
——换热管的平均直径(m);
——壳程流体的密度(kg/m3);
——最小流通面积处流速(m/s)。
摩尔系数由下式求得:
(1-31)
流速:
=0.23m/s
雷诺数:
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:
一般来说,对液体,两侧的压力降一般控制在0.01~0.1MPa
此压降在允许的压力范围内,满足要求。
[3]
1.9本章小结
在本章传热计算中,对换热器的计算部分有了个基本的了解,同时,对换热器的设计的未来方向有了一定的方向,对蒸汽和水在设计条件下的一些物性参数的查找,同时对传热面积,工艺结构尺寸计算,选定了换热器形式卧式半容积换热器,最后再经过核算,确定了换热器的初步形式。
这在设计中指导了自己接下来的工作内容。
同时对自己的能力有了一个全新的认识。
第二章U型管换热器结构设计
2.1筒体的内径确定
筒体的内径为DN=400mm
2.2管板与换热管
可用可拆式管板夹持型式,厚度初选为45mm,与法兰连接采用凹面密封。
分程隔板槽宽12mm,深4mm。
换热管选用不锈钢波节换热管,Φ19换热管尺寸:
波谷19mm、波峰25mm、壁厚0.8mm,,排列形式采用转角三角形。
换热管中心距S=25mm。
为了方便于制造加工,管子和管板的密封性与抗拉托强度,管子和管板连接全部采用强度焊。
换热管最小伸出管板长度2mm。
2.3折流板
折流板选用单弓形折流板,折流板厚度与壳体直径与折流板间距有关,见表2-1所列数据。
折流板最小厚度取8mm,折流板缺口高度为壳体内径的25%,则切去圆缺高度为110.5mm,折流板间距B=350mm,管束两端折流板应可能靠近壳程进,出口接管。
折流板外径取400-10=390mm,折流板管孔Φ19.50+0.2,材料选Q235B钢。
折流板与折流板间距为350mm。
折流板切除高度:
H=Disin²=
=390xsin²30=97.5mm,(2-1)
θ=120°
表2-1折流板厚度
壳体公称内径/mm
相邻两折流板间距/mm
≤300
300-450
450-600
600-750
>750
200-500
3
5
6
10
10
400-700
5
6
10
10
12
700-1000
6
8
10
12
16
>1000
6
10
12
16
16
2.4拉杆与定距管
2.4.1拉杆
换热管外径为19mm,故拉杆采用拉杆定距管的形式,查GB151表43及表44可得400mm内径,10mm壁厚的换热器的拉杆的直径为12mm,上下管板各2根,数量为4。
2.4.2定距管
定距管尺寸和所在换热器的换热管规格都是相同,全部才有Φ25x2,选用材料为20号钢。
2.4.3折流板、拉杆、定距管的连接
折流板与拉杆和定距管的连接形式如图2-1
图2-1连接图
2.5设计堰板防短路
2.6法兰的选用[5]
管箱法兰根据设计压力及安装使用要求选用,法兰--RF400--1.6;JB/T47012000,由于使用寿命较长,对密封、防腐的要求较高,因此,根据JB/T4704-2009标准,选用垫片400-1.6。
法兰材料选用20Ⅱ的锻件,锻件质量要求达到二级标准。
2.6.1接管法兰选用
管程接管法兰根据HG20592-2009标准中选用PL65(B)-16RF法兰,法兰的材料选用Q235B.
2.7垫片
管箱和管箱侧壳体垫片:
JB/T4704—2000垫片400-1.6,δ=3mm石棉橡胶板。
壳程接管法兰的相应垫片:
HG/T20606RF50-16XB350材料:
石棉橡胶板。
管程接管法兰的相应垫片:
HG/T20606RF65-16XB350材料:
石棉橡胶板。
2.8支座
由半容积式换热器系列估算换热器质量m=1820kg=18.2KN
因为该换热器卧式摆放,固采用鞍式支座,按JB/T4712-92标准,选用轻型A型支座,DN=1200。
材料为Q235-A·F,筋板和底板的材料Q235-A-F.螺栓为M20,垫板材料为Q235B。
鞍座标记:
JB/T4712-92,鞍座A1200-F.S。
2.9本章小结
本章主要根据工艺尺寸的要求,按照GB151《管壳式换热器》中的规定对换热器零部件进行选取与设计,通过这设计选取的过程对各个零件增加较深层次的认识,
初步选取相关材料与部件,对其作用也有了很大程度了解。
本章为制图和强度校核
提供数据数据。
第三章强度校核
3.1换热器壳体计算
3.1.1筒体
根据工艺条件壳程筒体的设计压力为pt=0.6MPa,焊缝采用双面对接焊局部无损探伤,焊接接头系数Φ=0.85,材料选Q235B,[δ]t=113MP,按GB/3274-2007,取钢材厚度负偏差:
C1=1mm,腐蚀裕量:
C2=1mm,
C1+C2=C=1.8mm(3-1)
圆筒计算壁厚
为:
(3-2)
名义厚度:
,圆整后取10mm.(3-3)
3.1.2封头
根据换热器的工作压力不高,故可选用标准椭圆形封头,即,
,K=1.00,其厚度与筒体厚度相同,根据GB/T25198-2010-2010标准,取管箱封头为DN400x10,曲边高度h1=100,直边高度取h2=25mm。
材料选用Q235B,冲压成型。
3.2罐体计算
3.2.1罐体
根据工艺条件壳程筒体的设计压力为pt=0.6MPa,焊缝采用双面对接焊局部无损探伤,焊接接头系数Φ=0.85,材料选Q235B,[δ]t=113MP,按GB/3274-2007,取钢材厚度负偏差:
C1=1mm,腐蚀裕量:
C2=1mm,
C1+C2=C=1.8mm
圆筒计算壁厚为:
(3-4)
名义厚度:
,圆整后取10mm。
(3-5)
3.2.2封头
由于且工作罐体的压力不高,故可选用标准椭圆形封头,即
,K=1.00,其厚度与筒体厚度相同,根据GB/T25198-2010标准,取罐体封头为DN1200X10-Q235B,曲边高度h1=300,直边高度取h2=25mm。
材料选用Q345R,冲压成型。
3.3开孔补强设计
表3-1
标号
数量
公称尺寸(mm)
公称压力(mm)
规格(外径x壁厚)
用途与说明
a
1
65
1.6
Φ76x6
蒸汽入口
b
1
65
1.6
Φ76x6
蒸汽出口
c
1
50
1.6
Φ57x5
进水口
d
1
400
1.0
Φ426x10
人孔
e
1
20
Rp1/2
压力表口
f
1
20
M27x2
测温口
h
1
50
1.6
Φ57x5
出水口
j
1
50
1.6
Φ57x5
安全阀口
k
1
50
1.6
Φ57x5
排污口
3.3.1接管h,j
接管取Φ76X6和Φ57x5符合不另行补强的最大开孔条件,固接管不需要空空补强计算。
3.3.2接管a,b
管程接管有a:
蒸汽进口(φ76×6)b:
蒸汽出口(φ76×6),开孔尺寸一样计算一个即可,以
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