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1、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252.53000的无缝钢管换热，则可计算出622根换热管，D=
2、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
3、； 强度设计； 结构设计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
4、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
5、 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 temperatur
6、e 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 t
7、o 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 calc
8、ulating 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
9、 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 co
10、rresponding 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 e
11、xchanger； strength design； structure design目 录第一章传统工艺计算11.1工艺计算11.1.1介质原始数据11.1.2介质定性温度及物性参数11.2 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51.7总传热系数计算61.8管壁温度计算71.9管程压力降计算81.10壳程压力降计算8第二章强度计算112.1结构设计说明书112.1.1换热管材料及规格的选择和根数的确定112.1.2布管方式的选择112.1.3筒体内径的确定112.1.4筒体壁厚的确定122.1.5封头形式的
12、确定122.1.6管箱短节壁厚计算132.1.7容器法兰的选择132.1.8管板尺寸的确定及强度计算142.1.9是否安装膨胀节的判定：262.1.10各管孔接管及其法兰的选择：262.1.11设备法兰的选择302.1.12拉杆和定距管的确定312.1.13开孔补强计算：322.2筒体管箱耐压试验的应力校核计算342.2.1筒体核算342.2.2、支座的选择及应力校核352.2.3 耳座的应力校核36参考文献39致 谢40沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 传统工艺计算第一章传统工艺计算1.1工艺计算1.1.1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
13、力管程水的流量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=0.85MPa1.1.2介质定性温度及物性参数管程：管程水定性温度 =（+ ）/2=（20+90）/2=55管程水密度查物性表得=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=5.06410-4 Pas管程水普朗特数查物性表得 壳程：壳程水蒸汽定性温度：壳程水蒸汽冷凝点 : ti = t2=170.7冷却段： =（ti + t2）/2=（170.7+85）/2=
14、127.85冷凝段：= （t2+ ti）=（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: 2=4.194/ m3壳程水蒸汽比热查物性表得:冷却段：Cp2=4.319 KJ/（KgK）冷凝段：p2=2.589 KJ/（KgK）r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：2= 0.03218 W/（mK） 壳程水蒸汽粘度：冷却段：2 =217.19110-6 Pas冷凝段：2=14.61910-6 Pas壳程水蒸汽普朗特数查物性表得：冷却段：Pr2 =1.344冷凝段：r2=1.1341.2 传热量与水
15、蒸汽流量计算取定换热效率 =0.98则设计传热量 := G1Cp1(t1- t1)1000/3600=2900004.176(90-20)1000/3600=23.55106W由=r+ Cp2(t2- t2) 导出水蒸气流量G2，r为t2时的汽化潜热，r=2047.1KJ/Kg水蒸汽流量:G2= Q0/ /r+ Cp2(ti - t2) =23.55106/0.98/2047.11000+4.3191000(170.7-85)=6.703Kg/s冷却段传热量：Q2=G2Cp2(ti- t2)=6.7034.319103(170.7-85)=2481037W冷凝段传热量:2= G2r=6.703
16、2047.11000=13721711.3W设冷凝段和冷却段分界处的温度为根据热量衡算 : = =2/ G1/ Cp1+ t1=13721711.30.983600/290000/4176+20=59.9741.3 有效平均温差计算逆流冷却段平均温差:tn=85.843逆流冷凝段平均温差:tn=94.923冷却段:参数:P=0.271参数:R=2.854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 =1.0f -有效平均温差: tm= tn=1.085.843=85.843- - -冷凝段：参数:P=0.265参数:R=0换热器按单壳程 单管程设计则查图 2-6(a)，得:
17、温差校正系数 =1.0有效平均温差: tm= tn=1.094.923=94.9231.4管程换热系数计算初选冷却段传热系数:K0= 820 w/(mk)初选冷凝段传热系数: K0= 1300 w/(mk)则初选冷却段传热面积为:F0=Q2/( K0tm)= 24810370.98/(82085.843)=46.7688m2初选冷凝段传热面积为: F0=2/( K0tm)= 13721711.30.98/(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 mm则需要换热管根数:Nt=(
18、F0+ F0)/( d0L)=(46.7688+108.973)/(3.140.0253)=661.3可取换热管根数为 662根管程流通面积:a1=2= =0.207868管程流速: W1 = 290000/( 3600985.750.207868 )= 0.093m/s管程雷诺数:Re1=1w1di/1=985.750.3930.02/(5.06410-4)= 15300.148则管程冷却段的定性温度:t11=(t3+ t1)/2=(59.97+90)/2=74.987管程冷却段传热系数:a1=3605(1+0.015 t11) W10.8/(100di)0.2=8077.656管程冷凝段的
19、定性温度: t12=(t3+t1)/2=(59.974+20)/2=39.987管程冷凝段传热系数: a1=3605(1+0.015 t12) W10.8/(100di)0.2= 4101.3751.5 管程结构初步设计查 GB1511999知管间距按, 取管间距为：管束中心排管数为：Nc=1.1=28.3，取30根则壳体内径:Di=s（Nc-1）+4 d0=1.028圆整为: 则长径比:=2.5 合理折流板选择弓形折流板:弓形折流板的弓高:折流板间距:B=400取B=400折流板数量:Nb=-1=-1=6.5 取7块1.6壳程换热系数计算壳程流通面积:=0.41.2（1-0.025/0.03
20、2）=壳程流速:冷却段:w2=6.703/（937.580.105）=0.068m/s冷凝段:2=6.703/（4.1940.105）=15.22m/s壳程当量直径:de=（Di2-Ntd02）/（Ntd0）=（-711）/（7110.025）=0.056m 冷凝段管外壁温度假定值: 膜温:tm=（w+ t2）/2=（109.6+170.7）/2=140.15膜温下液膜的粘度:m=19510-6Pas膜温下液膜的密度:m=926.4Kg/m3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=2.080662 0.495=51.807冷凝负荷：=6.
21、703/（351.807）=0.0431壳程冷凝段雷诺数:=4/um=40.0431/19510-6=884.1壳程冷凝段传热系数:a2=1.51（m3mg/m2）（）=9635.7 冷却段管外壁温假定值:冷却段雷诺数：Re=937.80.0680.056/217.19110-6=16442.405壁温下水粘度:w2=298.610-6 Pas粘度修正系数:1=（）0.14=0.956壳程传热因子查图 2-12 得: 冷却段壳程换热系数:a2=（2/de）Pr2 1 js=（0.6878/0.056）1.3440.956100=1875.291.7总传热系数计算查 GB-1999 第 138
22、页可知水蒸汽的侧污垢热阻:r2=8.810-5（m2/w）管程水选用地下水，污垢热阻为: 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:Kj=1/1/a2+r2+r1d0/di+d0/（a1di）= 731.176传热面积比为: Kj/ K0=1.08(合理)冷凝段总传热系数:Kj=1/1/ a2+r2+r1d0/di+d0/（a1di）=1385.0607传热面积比为: Kj/ K0=1.06（合理）1.8管壁温度计算设定冷凝段的长度:冷却段的长度:冷却段管外壁热流密度计算:q2=Q2/(Ntd0 L)=48859.33w/（m2）冷却段管外壁温度:tw=t2-q2(1/a2+
23、r2)=97.496误差校核:e=tw2- tw=95-97.496=-2.496 误差不大冷凝段管外壁热流密度计算:q2=2/( Ntd0 L)=（13721711.30.98）/155473.7 w/（6623.140.0252.0424）=126696.88（m2）冷凝段管外壁温度:tw=tm- q2(1/ a2+r2)=115.62误差校核:= - tw=-6.02 误差不大1.9管程压力降计算管程水的流速:u1=290000/（3600985.750.207868）=0.393m/s管程雷诺准数:Re1=1w1di/1=985.750.3930.02/（5.064）=15300.14
24、8程摩擦系数:=0.3164/(Re10.25)=0.02845压降结垢校正系数:沿程压降:P1=112L di/(2di)=（0.02845985.75）/（2）=454.8Pa 取管程出入口接管内径:d1=250mm管程出入口流速:u1=4G/(3600d121)=（4290000）/（3600）=1.67m/s局部压降: P3=1 u12(1+0.5)/2=（985.751.5）/2=2061.99 Pa管程总压降: P=P1P3=454.8 2061.9=2516.7Pa管程允许压降: P P 即压降符合要求。1.10壳程压力降计算壳程当量直径:De=（Di2-Ntd02）/（Di+N
25、td0）=(1.2-662)/(1.2)=0.0443m壳程流通面积:壳程流速:冷却段:w2=G2/（2f2）=0.068m/s冷凝段:2=2/（2f2）=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: =4/um=884.1查表壳程摩擦系数: 冷却段: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:冷却段管束周边压降:Pa=(2w22/2) Di(nb+1)/De(1/d1)=164.45Pa冷凝段管束周边压降:a=(2/2)Di(nb+1)/De(2/d2)=56844.57Pa导流板压降: P
26、b= 0, （无导流板）查表取壳程压降结垢系数:冷却段d0=1.21 冷凝段d0=1.11取壳程进口接管内径:壳程出口接管内径:d2=100mm壳程出口流速:u2=4G2/(2d22)=0.90m/s壳程进口流速:u2=4G2/(d22)=32.6m/s局部压降:冷却段Pc=2 u22(1+0.5)/2=569.7Pa冷凝段c=u22(1+0.5)/2=3342.9Pa壳程总压降:冷却段壳程总压降: P=Pad0+Pb+Pc=768.7Pa冷凝段壳程总压降: =ad0+b+c=66440.4Pa壳程允许压降: P P 即压降符合要求; P 即压降符合要求. 11沈阳化工大学科亚学院学士学位论文
27、 第二章 强度计算第二章强度计算2.1结构设计说明书2.1.1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252.530003传热面积Am2A=Q/Ktm155.94换热管根数N根N=A/3.14dL6222.1.2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转角正三角形GB151-1999图112换热管中心距SmmGB151-1999表12323隔板槽两侧相邻管中心距SnmmGB151-1999表12442.1.3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换热管中心距SmmGB151-1999表12322换热管
28、根数Nt根Nt=A/3.14dL6623管束中心排管根数Nc根Nc=1.1304换热管外径d0mm255到壳体内壁最短距离6布管限定圆直径mm1187.57筒体内径10288实取筒体公称直径12002.1.4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力PcMPaPc=1.1P0.9352筒体内径dimm见三-812003筒体材料Q235-B4设计温度下筒体材料的许用应力1055焊接接头系数0.856筒体设计厚度6.317腐蚀裕量C2mm18负偏差C1mm09设计厚度mmd=+ C27.3110名义厚度项目5.3.2102.1.5封头形式的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式
29、数值1封头内径Dimm12002计算压力PcMPaPc=1.1P0.9353焊接接头系数0.854设计温度下许用压力项目5.3.21055标准椭圆封头计算厚度mm=PcDi/（2t-0.5Pc）5.356腐蚀裕量C2mm17负偏差C1mm08设计厚度dmmd=+C26.359名义厚度项目5.3.21010直边高度hmmJB/T4737-95252.1.6管箱短节壁厚计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力PcMPaPc=1.1P2.312管箱内径dimm12003管箱材料16Mn4设计温度下许用应力1705管箱计算厚度9.76焊接接头系数mm0.857腐蚀裕量C2mm18负偏差C1
30、mm09设计厚度dmmd=+ C210.710名义厚度nGB151项目5.3.2122.1.7容器法兰的选择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JB/T4702-2000PN=2.5MPa2法兰外径d0JB/T4702-200013953螺栓中心圆直径JB/T4703-200013404法兰公称直径JB/T4703-200012005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垫片公称直径JB/T4704-200012009垫片外径JB/T4704-2000127710垫片内径JB/T4704-20001227
31、11法兰厚度JB/T4704-20008412垫片厚度1JB/T4704-2000313螺栓规格及数量248M272.1.8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、As、na、Kt、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di12002筒体内径横截面积11304003筒体厚度s144圆筒内壳壁金属截面积53367.445管子金属总截面积mm211.696换热管根数n6
32、627换热管外径dmm258换热管壁厚tmm2.59换热管材料的弹性模量表F519600010换热管有效长度Lmm295011沿一侧的排管数n 2112布管区内未能被管支撑的面积1459413管板布管区面积60164514管板布管区当量直径DtmmDt=875.515换热管中心距Smm3216隔板槽两侧相邻管中心距017管板布管内开孔后的面积A1mm2A1= At -nd2/480560618系数=A1/A0.7119壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比2.5620壳程圆筒材料的弹性模量表F519000021系数=na/A10.145122系数=0.4+0.6（1+Q）/3.40823系数4.
33、9124管板布管区当量直径与壳程圆筒内径比0.7325管子受压失稳当量长度mm图3225826设计温度下管子受屈服强度表F2168C、对于延长部分兼作法兰的管板，计算和序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触宽度表9-1252垫片基本密度宽度BommBo=N/212.53垫片比压力表9-2114垫片系数m2.05垫片有效密封宽度bmmB=2.5396垫片压紧力作用中心圆直径mm12097预紧状态下需要的最小螺栓载荷N375829.748操作状态下需要的最小螺栓载荷N29493539常温下螺栓材料的许用应力MPa表F425810预紧状态下需要的最小螺栓面积mm21456.711操作状态下
34、需要的最小螺栓面积mm211431.612需要螺栓总截面积mm211431.613法兰螺栓的中心圆直径dbmm134014法兰中心至Fc作用处的径向距离mm65.615基本法兰力矩Nmm1.910816筒体厚度0mm1417法兰颈部大端有效厚度mm24.518螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离mm45.519螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离mm67.7520螺栓中心距FD作用处的径向距离mm7021作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力N105692422流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差N1593615.24123操作状态下需要的最小垫片压力N
35、286997.25624法兰操作力矩Nmm1.34108D、假定管板的计算厚度为，然后按结构要求确定壳体法兰厚度，计算K，k、和Kf。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1布管区当量直径与壳程圆筒内径之比0.732系数 (P31)表220.26143管板材料16Mn4设计温度下管板材料许用应力MPa（P15）1705管板刚度削弱系数GB151-19990.46壳程设计压力PsMPa0.9357管程设计压力PtMPa2.318管板设计压力PdMPaMaxPt -Pt，Pt，Ps2.319管板厚度=0.82Dg 192.610换热管加强系数7.811管板周边布管区的无量纲参数kk=K（1-t）2
36、.10612换热管材料弹性模量MPa表F519610313管束模数KtMPaKt=Etna/（LDi）636414壳体法兰材料弹性模量MPa表F519010315壳体圆筒材料弹性模量表F519010316壳体法兰宽度mm97.517系数图260.000618壳体法兰与圆筒的选装刚度MPa9.519旋转刚度无量纲参数0.0012E、 由GB151-1999 P51图27按照K和Kf查m1，并计算值，由图29按照K和Kf查G2值序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管板第一矩系数m1GB151-1999图270.32系数=m1/（KKf）32.53系数G2GB151-1999图294.6F、计算
37、M1，由图30按照K和Q查G3，计算，M、Mf。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管箱法兰材料的弹性模量MPa表F51961032管箱法兰厚度fmmJB/T4702-2000323系数GB151-1999图260.00064管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数=10.25系数G3GB151-1999图308.410-46系数= /（+G3）0.597管板边缘力矩的变化系数0.6578法兰力矩变化系数=/ Kf0.6129管板第二弯矩系数图28（a）2.04G、按课程设计压力，而管程设计压力，膨胀变形差，法兰力矩的的危险组合（项目5.7.3.2分别讨论）a、只有壳程设计压力，而管程设计压力，不计膨
38、胀节变形差（即）。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=Ps2.312系数ss=0.4+0.6（1+Q）/0.753.0083有效压力组合MPa28.534基本法兰力矩系数0.00695管程压力下的法兰力矩系数=4Mp/0.00496法兰力矩折减系数0.00857管板边缘力矩系数0.01258管板边缘剪切系数vv= 0.4069管板总弯矩系数mm=（m1+vm2）/（1+v）0.80210系数0.34111系数0.12312系数G1G1=maxGle，Gli13壳体法兰力矩系数-0.0011314管板径向应力系数=0.017515管板的径向应力34.41.5tr16管板布管区周边外径向的应力系数0.015817管板布管区周边外径向的应力45.551.5tr18管板布管区周边剪切应力系数=（1+v）/4（Q+G2）0.065719管板布管区周边的剪切应力MPa Pa（/）（Dt/）15.120.5tr20法兰的外径与内径之比KK=D0/Di1.16