过程装备与控制工程毕业设计说明书

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第1页引言在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。本次课程设计的内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以结构设计最为重要,U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。其主要特点是:（1）耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。（2）耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，因此一般使用温度可达110-125℃。（3）无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。（4）重量轻：对设备安装维修极为方便。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第2页冷凝器在西方发达国家得到日益普遍应用，在国内的应用中，由于西北地区缺水的实际情况，目前冷凝器在西北地区推广和应用较多，宾馆、办公楼、商场等民用建筑和印刷厂、喷漆车间、计算机房等工业建筑及果蔬保鲜、贮藏冷库、温室等农业建筑的冷却空调设备基本都采用了蒸发式冷凝器，啤酒、食品、饮料、制药、石油、化工等行业也越来越多的采用蒸发式冷凝器，据一些公司的应用数据显示，其冷凝效果好、节能节水的特点是显而易见的。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第3页符号说明A——换热面积或开孔削弱所需要的补强面积，2mm；dA——再不管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，2mm；tA——管板布管面积，2mm；三角形排列tA=1.732n2S+dA正方形排列tA=n2S+dAa——跟换热管壁金属的横截面积，2mm；B——补强有效宽度，mm；b——垫片有效密封宽度（见GB150-1998中9.5.1.1）,mm；0b——垫片基本密封宽度（见GB150-1998表9-1）,mm；C——厚度附加量，mm；1C——材料厚度负变差，mm；cC——系数，按K和t1查（GB151-1999图19）；D——管板开孔前的抗弯刚度，N.mm；2D——筒体端部密封面外径，mm；bD——螺栓中心圆直径，mm；GD——垫片压紧力中心圆直径按（GB150-1998第九章选取），mm；tD——管板布管区当量直径，mm；iD——圆筒法兰内直径，mm；0D——圆筒法兰外直径，mm；内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第4页d——换热管外径，mm；rf——强度消弱系数，等于设计温度下按管材料与桥体材料许用应力之比值，当大于1.0时，取rf=1.0；h——法兰颈部高度，对筒体端部结构，为端部圆柱段的高度，mm；1h——接管外侧有效补强高度，mm；2h——接管内侧有效补强高度，mm；0h——参数，0h=i0D，mm；fK——管板边缘旋转刚度参数，MPa；对于a型连接方式fK=0l——换热管与管板胀接长度和焊接高度，按GB150-1999中5.8.2.3或5.8.3.2规定，mm；m——垫片系数，由GB150-1998表9-2查得；n——螺栓数量或U形管根数，管板开孔数为2n；n'——沿隔板槽一侧的排管根数；cp——计算压力。MPa；tp——试验压力，MPa；sP——壳程计算压力，MPa；tP——管程计算压力，MPa；wp——圆筒的最大允许工作压力，MPa；q——换热管与管板连接的拉脱力，MPa；q——许用拉脱力，按GB151-1999中5.7.5规定，MPa；R——半径，mm；对于a型连接方式，R=Dc/2;S——换热管中心距，mm；nS——隔板槽两侧相邻管中心距，mm；y——垫片比压力，由GB150-1998表9-2查得，MPa；Z——系数，由GB150-1998表9-5或图9-8查得；内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第5页——圆筒管板的计算厚度，mm；e——圆筒的有效厚度，mm；et——接管有效厚度，et=nt-C，mm；1——法兰颈部大端有效厚度，mm；n——圆筒的名义厚度，mm；nt——接管名义厚度，mm；0——法兰颈部小段有效厚度，mm；t——换热管壁厚或接管计算厚度，mm；——管板强度削弱系数，一般可取=0.4；t——布管区当量直径tD与直径2R之比；t——设计温度下圆筒的计算应力，MPa；b——钢材标准抗拉强度下限值，MPa；t——换热管轴向应力，MPa；s——材料屈服应力，MPa；n——常温下圆筒材料的许用应力，MPa；tn——设计温度下材料的许用应力，MPa；tt——设计温度下换热管的许用应力，MPa；—焊接接头系数；内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第6页第一章设计方案的确定1.1换热器结构形式确定换热器的左端为平盖封头，即平盖管箱。右端为标准椭圆形封头，其结构见后。法兰采用长颈对法兰，垫片采用非金属软垫片，其结构见后。管束为U形管束换热管的规格为φ19×2，管子的排列方式为等边三角形排列，结构见后。1.2计算条件的确定由已知条件知：壳程工作压力0.9Mpa管程工作压力0.57Mpa壳程工作温度110/60℃管程工作温度40/60℃壳程程数2管程程数2壳程介质乙醇管程介质水介质特性易燃腐蚀裕量3mm换热面积11m2容器类别二类所以壳程设计压力取1.1倍工作压力即1.1×0.9=0.99Mpa，同理管程设计压力为1.1×0.57=0.63，设计温度取150℃。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第7页1.3焊接接头系数的确定焊接接头形式焊接接头系数φ全部无损检测局部无损检测双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头Φ=1.00Φ=0.85单面焊对接街头Φ=0.9Φ=0.8本设计焊接接头系数Φ选用1.001.4焊条型号的选择碳钢焊条型号E4303，这类焊条为钛钙型，熔渣流动性好，脱渣容易，电弧稳定，熔深市中，飞溅少，焊波整齐，这类焊条适用于全位置的焊接，焊接点刘伟直流或交流电，正反接，主要用于焊接较重要的碳钢结构。埋弧自动焊采用HJ401-H08MnA内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第8页第二章筒体直径的确定和筒体壁厚计算2.1筒体直径的确定2.1.1换热器中的换热管数n列管换热器常用无缝钢管，规格如下碳钢Φ19×2Φ25×2.5Φ32×3Φ38×3不锈钢Φ19×2Φ25×2Φ32×2Φ38×2.5管子材质的选择依据是介质种类，如果介质没有腐蚀，可选碳钢，而介质有腐蚀则选择不锈钢。管长规格有1000㎜，1500㎜，2000㎜,3000㎜,4500㎜,6000㎜，7500㎜,9000㎜,12000㎜.初选20#钢管子为Φ19×2，管长为3000㎜。管子数为：3723019.014.315.111dmLAn查U形换热管参数选38根管，布置4根拉杆，所以实际换热管根数为34根。可以满足换热面积。2.1.2换热管排列方式，管间距确定管子排列方式一般在程内采用正三角排列。管间距根据下表最小管间距选择。管子外径d（㎜）14192532384557内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第9页最小管间距S（㎜)19253240485772所以管间距选择为25㎜2.1.3换热器壳体直径的确定初选壳体直径：288192)111(252)1(bntDcN㎜式中ND——壳体内径t——管中心距cn——位于管束中心线上的管数。经布管的cn=11b——管束中心线上最外层的中心至壳体内壁的距离，一般取1-1.50d取ND=300㎜2.1.4实际换热管数布管如下所以实际换热管数为38根2.1.5管孔查CB151-1999表17得外径为19㎜的Ⅱ级管束管孔直径为19.4㎜。表17换热管外径1416192532384557管孔直径14.416.419.425.432.538.545.557.7内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第10页允许偏差+0.15+0.200+0.300+0.4002.2壳程筒体的计算2.2.1壳程通体的设计参数设计压力p=0.99Mpa，设计温度150℃，内径为300㎜，φ=1.0初选材料为16MnR，由GB150-1998表4-1如下16MnR厚度)(Mpab)(Mpas常温下（20℃）)(Mpa设计温度（150℃）)(Mpa6-16㎜510345170170取1C=0，2C=3㎜，厚度附加量C=1C+2C=3㎜2.2.2壳程筒体壁厚计算mmPDPctic88.099.01170230099.02对于低合金钢制的容器规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3㎜取δ=3㎜设计厚度：2336dCmm圆整后取名义厚度：10mm有效厚度：1037enCmm2.2.3壳程筒体水压试验由GB150-1998式（3-3）得水压试验压力：MpaPPtcT24.199.025.125.1试验压力下圆筒的应力由GB150-1998式（3-7）得：内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第11页MpaDPeeiTT19.2772)7300(24.12)(Mpas5.31034519.09.0由计算得sT9.0所以校核合格2.2.4压力及应力计算设计温度下圆筒的最大允许工作压力由GB150-1998式（5-4）得MpaDPeitew75.773001170722设计温度下圆筒计算应力按GB150-1998式（5-2）得MpaDPeeict7.2172)7300(99.02)(Mpat1701170tt所以校核合格2.3管箱筒体壁厚计算2.3.1管箱筒体的设计参数设计压力p=0.63Mpa，设计温度为150℃，内径为300㎜，φ=1.材料选为16MnR，由GB150-1998表4-1得=170Mpa，t=170Mpa.取1C=0，2C=3㎜，厚度附加量C=1C+2C=3㎜2.3.2管箱筒体厚度计算mmPDPctic56.063.01170230063.02对于低合金钢制的容器规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3㎜取δ=3㎜内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第12页设计厚度：2336dCmm圆整后取名义厚度：8mm有效厚度：835enCmm2.3.3管箱筒体水压试验由GB150-1998式（3-3）得：水压试验压力：MpaPPtcT79.063.025.125.1试验压力下圆筒的应力由GB150-1998式（3-7）得