冷却器设计[互联网+].doc

《冷却器设计[互联网+].doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冷却器设计[互联网+].doc（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)轻质燃油冷却器设计Design of Light Fuel Oil Cooler 学 院： 机械工程学院 专业班级： 过程装备与控制工程 装备091 学生姓名： xxx 学 号： 010912xxx 指导教师： 张志文（副教授） 2013 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要轻质燃油冷却器设计摘 要：换热设备在炼油、石油化工以及在其他工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面，油冷却器是电力系统中普遍使用的一种油冷却设备，同时也适用于冶金、化工、矿山、轻工及重工等部门。其中固定管板式换热器是列管式换热器的一种典型结构，管束连接在管板上，管

2、板分别焊在外壳两端，当管壁与壳壁温度相差较大时，为安全起见，应有温差补偿装置。由于其制造成本低，选用材料广，故在工程上广泛应用。 本次设计在安全前提下，从原始数据开始经机械结构设计和强度计算和校核详尽地阐述了本台换热器的设计过程。换热器的机械结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，这个过程必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。而机械强度计算主要是在已确定的零部件结构下计算换热器其他结构和对所设计的设备的各个部件进行强度校核，以便可以顺利的进行运转。关键词：换热器；结构设计；强度计算毕业设计（论文）外文摘要Design

3、of Light Fuel Oil Cooler Abstract: Heat exchange equipment is widely used in petroleum refining, petrochemical, and other industries, it is suitable for cooling and heating, evaporation and condensation, heat recovery and so on. Oil cooler is a kind of oil cooling equipment widely used in power syst

4、em, also applies to the metallurgical, chemical, mining, light industry and heavy industry and other departments. The fixed tube plate heat exchanger is a kind of typical structure of the shell and tube heat exchanger, Tube connected to the tube plate, tube plate are respectively welded on both ends

5、 of the shell. When the temperature difference between the tube side and the shell side is large, for safety reasons, should have temperature compensation device. Because of its low cost, wide selection of materials, it is widely used in Engineering.The design on the premise of safety, to the princi

6、ple of economical and practical, starting from the raw data of the mechanical structure design of mechanical strength calculation in detail and explained the heat exchanger design process. Mechanical structure design of heat exchanger, is to ensure that the quality and service life of heat exchanger

7、, the process must take into account a number of factors, such as material, temperature, pressure, temperature, wall scaling, fluid properties, as well as maintenance and cleaning, and so on to choose a suitable form of structure. While the mechanical strength calculation is mainly for various compo

8、nents of heat exchanger structures and equipment designed to check its strength in structural components have been identified in the calculation, so that it can be running smoothly.Keywords: Heat exchanger; Structure design; Strength calculation目 录1 绪论12 结构设计22.1 换热器类型的确定22.2换热管结构尺寸设计22.3壳体和管箱结构设计32

9、.4分程结构设计42.5折流板和支持板结构42.6拉杆和定距管52.7防冲板和旁路挡板62.8接管及其法兰的选择63 强度计算和校核73.1筒体和封头设计73.2温差应力和管子拉脱力计算83.3法兰装置的设计及选型103.4固定管板的设计和计算123.5开孔补强的校核223.6支座设计及选型26结论 28致谢 29参考文献30互联网21 绪论1.1 换热器简介换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。1.2 换热器分

10、类换热器的种类很多，根据不同的工业领域可以选用不同的换热器，可以更大的发挥换热器的传递热量的作用。现在由于人们追求换热器重量轻、占地面积少、使用经济性高，从而推动了紧凑式换热表面的发展，所以紧凑式换热器在实际应用中种类很多。管壳式的换热器在过程工业中的应用很广泛。除了工业中用到的主要换热器种类，如紧凑式换热器、管壳式换热器、再生器和板式换热器外，还有其他特殊的换热器，如双套管、热管、螺旋式、板壳式、夹套式等。1.3 换热器的发展趋势近年来,随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人们的重视。换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及许多其他工业部门的通用设备，是调节工艺介

11、质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗的关键设备，其换热性能和动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平，其重量和造价决定了整个生产系统的投资。根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，在现代石油化工企业中换热器的投资约占全部投资的30%-40%，其重要性可想而知。国内对换热器强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体液态变化以及对各部件的参数优化两方面。而其他各国对强化技术研究的侧重点不同。换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳

12、化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。本课题所设计的轻质燃油冷却器是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计换热器产品，熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中去，为以后的工作和学习打下扎实基础。2 结构设计 表2-1设计条件表参数名称壳程管程工作压力MPa0.7

13、0.95设计压力MPa1.61.9工作温度(进口/出口)82.0/85.2131.5/105.5设计温度160180工作介质洗涤水轻质燃料油腐蚀裕量mm3.23.2换热面积2102.1 换热器类型的确定换热设备有多种多样的形式，每种结构形式的换热设备都有其本身的结构特点和工作特性。有些结构形式，在某种情况下使用是好的，但是，在另外的情况下，却不太适合，或就根本不能使用。只有熟悉和掌握这些特点，并根据生产工艺的具体情况，才能进行合理的选型和正确的设计。根据本课题的设计条件，两流体温度变化情况：热流体进口温度131.5，出口温度105.5；冷流体进口温度82.0，出口温度85.2，温差不大且壳程介

14、质为洗涤水，不易结垢，管程和壳程压力都不太大，因此初步确定选用结构简单，造价较低的固定管板式换热器。2.2 换热管结构尺寸设计2.2.3 换热管尺寸换热管的管子构成换热器的传热面，管子的尺寸和形状对传热有很大的影响。采用小直径的管子时，换热器单位面积的换热面积大一些，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也稍高。小管子容易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。我国管壳式换热器常用无缝钢管，常用的尺寸主要为、和。换热管长度规定为：1500mm，2000mm，2500mm，3000mm，4500mm,6000mm和9000mm等。管长与壳体直径之比

15、为46。本设计采用，长度L=4500mm的10号无缝钢管。2.2.4 换热管排列方式管子的排列方式有正三角形，转角正方形，正方形和转角正方形排列四种。与正方形相比，三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。由于本设计条件中壳程介质为洗涤水，因此换热管采用正三角形排列方法。查参考文献1表3-7得管间距S=32mm。2.2.5 换热管数计算 取插入管板的换热管总长度为0.15m换热器的实际传热面积式中 换热管外径，m； 换热管长度，m； 换热器总管数； =614.98根 （2-1） 故换热器总管数圆整为

16、615根换热管正三角形排列时管束中心排管数：根故管束中心最大排管数可圆整为27根。2.3 壳体和管箱结构设计2.3.1 筒体直径确定壳体内径 （2-2）圆整为 则长径比 所以设计合理。2.3.2 布管限定圆查参考文献1表3-8固定管板式： （2-3）2.3.3 管箱确定400mm为平盖管箱；500mm800mm为平盖管箱或封头管箱，推荐使用封头管箱；900为封头管箱。故本设计分别采用B型和M型封头管箱。2.3.4 管箱短节前端管箱圆筒节取，长度。后端管箱圆筒节取，长度。Q345R钢板是屈服强度为340MPa级的压力容器专用钢板，它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能。主要用于制造中低压压力容器

17、和多层高压容器。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。故本设计中管箱圆筒节和壳体材料都选用Q345R。2.4 分程结构设计2.4.1 分程隔板分程隔板采用与封头、管箱短节相同的材料Q345R，除密封面(为可拆而设置)外，满焊于管箱上，在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面。为了提高传热效率采用4管程结构，前端管箱隔板采用平行隔板，后端管箱隔板采用工字型隔板。分程隔板的最小厚度不得小于下表2-2所示的数值，厚度大于10mm的分程隔板，在距离端部15mm处开始削成楔形，使端部保持10mm，结构参照图2-1。 表2-2 分程隔板的最小厚度 mm

18、公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金高合金钢60086600120010812001410本设计的分程隔板厚度选择14mm。 图2-1 分程隔板结构形式 2.4.2 分程隔板槽碳钢，低合金钢管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm，本设计管板材料选用16Mn锻件，所以用宽度为12mm的隔板槽，槽深为5mm，分程隔板槽拐角处，倒角。2.5 折流板和支持板结构2.5.1 折流板类型选择常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，也可以根据需要选择其他形式的折流板。弓形折流板压降比较大，而且存在流动死区，盘环型的压降比单弓形的小，但是传热效果较差。矩形折流板是

19、由开有矩形孔的大圆板和矩形挡板交错排列而成，适用于大直径大流量的场合，矩形折流板有竖放和横放两种型式，竖放用于壳程介质是液相或有冷凝液的情况，横放用于壳程是气相。如图2-2所示。 综合考虑下本设计选择竖放形式的矩形折流板，由于折流板并不需要承受大的载荷，所以选择Q235-A材料。 图2-2 矩形折流板结构形式2.5.2 折流板间距和数量折流板间距应不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm，最大间距查参考文献1表3-22不超过1900mm。最大间距应不大于圆筒内径，取，则：根据标准，取B=500mm。折流板数块 （2-4）折流板太少会影响传热效果，折流板过多会使换热器两端压力降过大，综合考虑

20、折流板数取7块。2.5.3 折流板尺寸筒体内径为1000mm，矩形孔高度和宽度分别是筒体内径0.60.8倍和0.20.45倍筒体内径，故可取缺口高度和宽度分别为734mm和334mm，矩形挡板的高度和宽度分别为734mm和442mm。换热管无支撑跨距取500mm。查参考文献1表3-19得折流板最小厚度为8mm，取折流板厚度为12mm。2.5.4 折流板管孔和外径换热器管孔尺寸及允许偏差查参考文献1表3-20（b）取mm折流板外直径按参考文献1表3-21规定，取外直径为。2.6 拉杆和定距管2.6.1 拉杆的结构形式常用的拉杆形式有两种，由于换热管外径为25mm19mm，本设计选用拉杆定距管结构

21、。拉杆材料为Q235-A，定距管材料为20号无缝钢管。拉杆的直径查参考文献1表3- 23为16mm，根据需要采用长度L=3230mm拉杆4根，长度L=3730mm拉杆8根。2.6.2 拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在布管区内或靠近折流板缺口处也布置适当数量的拉杆。2.6.3 定距管尺寸定距管的尺寸取与换热管规格相同，取规格。2.7 防冲板和旁路挡板2.7.1 防冲板尺寸根据设计要求，在壳程设置防冲板以减少液体的不均匀分布和对换热管的冲蚀。防冲板表面到圆筒内壁距离，一般为接管外径的，接管DN=300mm，=325mm，因此距离可取，防冲板的边长应大于接管外径50mm，根据设计要求取

22、388mm。防冲板的最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。故选择Q235-A材料，厚度为5mm。2.7.2 旁路挡板尺寸旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接筒体公称直径DN1.6MPa （3-4）3.1.3 封头与管箱短节厚度计算给定设计参数为：设计温度为180，设计压力为1.9MPa，计算压力取1.9Mpa材料选用Q345R钢板，设计温度下材料许用应力=183MPa（假设厚度为616mm时），焊缝系数0.85，腐蚀裕量3.2mm。(1)封头厚度计算标准椭圆形封头计算厚度：=6.13mm （3-5）设计厚度=6.13+3.2=9.33mm （3-6）取=0.3mm =9.33+0.3=

23、9.63mm为方便焊接与制造安装，名义厚度取与筒体相同即=14mm。有效厚度=10.5mm。 （3-7）(2)管箱短节厚度计算管箱圆筒节计算厚度：=6.14mm （3-8）=6.14+3.2=9.34mm （3-9）取=0.3mm =9.34+0.3=9.64mm为了焊接方便取=14mm。=10.5mm。 （3-10）3.1.4 封头工作压力校核标准椭圆形封头最大允许工作压力：MPa1.9MPa （3-11）3.1.5 筒体与封头压力试验及其强度校核(1)确定试验水压Q345R在设计温度t=180下许用应力=183MPa，试验温度下许用应力=183MPa。 （3-12）取两者中的较大值故=2.

24、375MPa(2)内压试验薄膜应力校核圆筒校核公式 （3-13）椭圆形封头校核公式 （3-14）Q345R常温下屈服极限=345MPa，=264MPa筒体内：=114MPa264MPa 封头内：=113.7MPa264MPa各处应力均小于，故水压试验是安全的。3.2 温差应力和管子拉脱力计算3.2.1 温差应力计算由壳体和换热管之间的温差所产生的轴向力： （3-15）式中 分别为管壁和壳壁温度下的材料线膨胀系数，1/；安装时的温度；分别为操作状态下管壁和壳壁温度，； 分别为操作温度下管子和壳体材料弹性模量，MPa； 换热管总截面积，；壳壁横截面面积，； 根据设计条件，操作状态下壳壁温度取壳程进

25、出口的平均温度，即=83.6 管壁温度粗略估计为管壁温度和管程进出口平均温度的平均温度即=101查参考文献2附录F5，=189000MPa；=203000MPa 查参考文献2附录F6，1/；1/=108624.4 （3-16）=44575 （3-17） =1438068N （3-18） =1140134N由壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；由壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；=348790N （3-19）=791344N （3-20）查参考文献2表4-1和表4-3得管子设计温度下许用应力=101MPa，壳体设计温度下许用应力=183MPa。 则 =40.09MPa （3-21）=-

26、5.96MPa （3-22）3.2.2 管子拉脱力计算在操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力： = （3-33）胀接长度=57mm式中=396 （3-33）=0.17MPa温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力： （3-34）式中=13.24MPa （3-35）=0.52MPa由已知条件得，和作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力：=+=0.17+0.52=0.69MPa （3-36）由于换热管与管板间的连接结构形式为强度焊加贴胀，查参考文献1表3-12得换热管与管板连接许用拉脱力=50.5MPa。6.4mmmm （3-38）(3)垫片预紧力预紧状态下需要的最小垫片预紧力：=1829440

27、N （3-39）操作状态下需要的最小垫片压紧力：=215228N （3-40）3.3.3 螺栓的设计和选型(1)螺栓材料及许用应力根据参考文献3表4，螺栓材料选用，根据参考文献1表2-1，螺母材料。=228MPa，=196MPa(2)螺栓载荷预紧状态下需要的最小螺栓载荷：=1829439N （3-41）操作状态下需要的最小螺栓载荷： （3-42）=1655912N(3)螺栓面积预紧状态下需要的最小螺栓面积：=8024 （3-43）操作状态下需要的最小螺栓面积： （3-44）需要的螺栓面积取8449(4)螺栓配置螺栓规格参照参考文献3续表1，查得螺栓规格M27，数量为36个，螺栓小径截面积A=4

28、43。实际螺栓面积 （3-45）螺栓中心圆直径以下列三者之大值确定a满足法兰背面的径向结构要求 =1140mmb满足法兰密封面的径向结构要求=1140mmc满足螺栓孔环向结构要求=711mm式中由根据参考文献1表9-3查取实际螺栓中心圆直径取上述最大值，根据标准圆整为=1140mm。(5)螺栓设计载荷预紧状态螺栓设计载荷按下式计算：=2586082N （3-46）操作状态螺栓设计载荷：=1655912N3.4 固定管板的设计和计算3.4.1 管板材料和设计基本参数管板材料选用16Mn锻件设计温度下许用应力=135MPa，弹性模量MPa，壳体法兰弹性模量=196000MPa。设计温度下换热管=1

29、62MPa，壳体=275MPa。3.4.2 换热管稳定许用压应力=151.7 （3-47）= （3-48） =8.004mm=124.94 （3-49） =47.64MPa=101MPa3.4.3 结构参数的计算查参考文献5得对于如图3-1所示的换热管三角形排列设置：= （3-50）式中 布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆的需要，未能被换热管支承的面积，；沿隔板槽一侧的排管根数；换热管中心距，；隔板槽两侧相邻管中心距，； 图3-1 三角形排列=44mm，=32，S=32mm= （3-51）=49660壳程圆筒内径面积： （3-52） 壳程圆筒金属横截面积： = （3-53）查参考文献1附录H得一

30、根换热管金属横街面积管板开孔后的面积：= （3-54）管板布管区当量直径： （3-55） （3-56） （3-57） 系数计算=0.2249 （3-58）=4564.4MPa （3-59） =0.6156 （3-60）=2.270 （3-61）=3.587 （3-62） （3-63）=5.1573.4.4 法兰力矩(1)基本法兰力矩=34.5mm （3-64） （3-65）(2)管程压力操作工况下法兰力矩法兰颈部大端厚度=32mm=38mm （3-66） （3-67）=52.25mm （3-68）=1491500N （3-69） （3-70）=219312N=215228（3-71） （3-7

31、2） =3.4.5 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数由于管箱法兰为采用16Mn锻件的长颈对焊法兰，管箱圆筒材料的弹性模量取管箱法兰材料的弹性模量。根据参考文献2附录F5，设计温度下的弹性模量。法兰宽度=97.5mm=26mm=0.0032 （3-73）=3.4.6 管子加强系数假设管板名义厚度=75mm，壳程侧管板结构槽深=3mm，管程分程隔板槽深=5mm，管板有效厚度，换热管伸出管板厚度1.5mm，换热管有效长度=4347mm。管子加强系数： （3-74） =4.319管板周边不布管区无量纲宽度：=0.561.0 （3-75）3.4.7 旋转刚度无量纲参数(1)壳体法兰与圆筒旋转刚度参数：假定壳

32、体法兰厚度=61mm查参考文献1图3-15得=0.00092 （3-76）=20.83MPa(2)旋转刚度无量纲参数： （3-77）(3)壳体法兰应力参数Y：令=1.195 查参考文献2表9-5得Y=10.95(4)确定系数：由K=4.319， =0.00352查参考文献1图3-16得管板第一弯矩系数=0.2查参考文献1图3-18得=2.8由K=4.319，Q=2.270查参考文献1图3-17得管板第二弯矩系数=2.485查参考文献1图3-19得=0.0115 （3-78）=0.00457 （3-79） （3-80）= （3-81）= （3-82）3.4.8 换热管与壳体圆筒的热膨胀变形差 （

33、3-83）=9.73MPa3.4.9 设计条件不同危险组合工况的应力计算第一组危险组合工况，即只有壳程设计压力，不计膨胀变形差。=1.6MPa； =5.739MPa （3-84） （3-85）= （3-86）= （3-87） （3-88）=0.2424 （3-89） =0.0699（3-90） （3-91） （3-92）（3-93）令Z=8.832MPa （3-94）=33.25MPa=202.5MPa=Z （3-95） =37.91MPa=Z （3-96）=8.02MPa0.5=67.5MPa （3-97）=23.67=202.5MPa （3-98） =2.21MPa=47.64MPa （3-99）=38.84MPa=155MPa胀接长度为57mm=0.087MPa=50.5MPa （3-100）同理，第二组危险组合工况：只有壳程设计压力，同时计入膨胀变形差，即=1.6MPa；=9.73MPa，两种情况计算结果见下表3-1： 表3-1 延长部分兼做法兰的固定式管板计算表壳程压力作用下的危险组合壳程设计压力MPa 管程设计压力=0 不记膨胀差 计入膨胀差