蒸汽凝液冷凝器毕业设计说明书

walkinnet吉林化工学院毕业设计

摘要

换热器是石油、化工、动力食品以及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中，换热器可以作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器，应用十分广泛。换热器种类很多，但根据冷热流体热量交换的原理和方式，基本可分三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。间壁式换热器中的U 型管式换热器在化工生产中较为常用。本设计是关于U型管换热器的设计，用冷却水冷却低压蒸汽。根据最新的技术标准，结合传统的设计方法，经过结构设计、强度校核以及换热器的制造、检验、安装、维修等步骤，完成了该设计。其中结构设计主要包括管箱、圆筒、管板、折流板、防冲挡板、旁路挡板、接管和法兰、容器法兰、支座等的设计；强度校核包括筒体、封头、垫片、管箱短节、开孔补强、法兰、管板的校核。

关键词：换热器 U型管设计校核

蒸汽凝液冷凝器

Abstract

The abstract heat interchanger is the petroleum, chemical, power foodas well as other many industry sector's general purpose equipment,holds the important status in the production. In the chemicalproduction, the heat interchanger may as the heater, the chiller, thecondenser, the evaporator and boiling, the application really for isagain widespread. Heat interchanger type very many, but acts accordingto the cold heat flow body interchange of heat the principle and theway, is basic may divide three big kinds, namely next door type, mixedstyle and regeneration type. In the next door type heat interchanger Utubular heat exchanger is commonly used in the chemical production.This design is about the U tube heat interchanger design, cools thelow pressure steam with the cooling water. According to the newestindustry standard, the union tradition supposes the method, processstep and so on structural design, intensity examination, moreover alsoinvolved the heat interchanger manufacture, the examination, theinstallment, the service, has completed this design. Structural designmainly includes the tube box, the cylinder, the tube plate, thebaffle, guards against flushes the back plate, the bypass back plate,takes over control with the flange, the vessel flange, the support andso on the design; The intensity examination including the tube body,seals, the filling piece, the tube box short festival, opens KongBuqiang, the flange, the tube plate, the saddle type supportexamination.

Key word: Heat interchanger U tube design examination

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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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作者签名：日期：

蒸汽凝液冷凝器

目录

摘.....................................................................................................................................I Abstract....................................................................................................................... II 目录.............................................................................................................................. I II 绪论.. (1)

设计任务书 (3)

第一章壳程圆筒计算 (4)

1.1 计算条件 (4)

1.2 厚度及重量计算 (4)

1.3 压力实验时应力校核 (5)

1.4 压力及应力计算 (5)

第二章前端管箱筒体计算 (6)

2.1 计算条件 (6)

2.2 厚度及重量计算 (6)

2.3 压力试验时应力校核 (7)

2.4 压力及应力计算 (7)

第三章前端管箱封头计算 (8)

3.1 计算条件 (8)

3.2 厚度及重量计算 (8)

3.3 压力计算 (9)

第四章后端管箱封头计算 (9)

4.1 计算条件 (9)

4.2 厚度及重量计算 (9)

4.3 压力计算 (10)

第五章筒体法兰计算 (10)

5.1 设计条件 (10)

5.2 螺栓受力计算 (12)

5.3 力矩计算 (12)

5.4 螺栓间距校核 (13)

5.5 形状常数确定 (13)

5.6 法兰应力校核 (14)

第六章前端管箱法兰计算 (14)

6.1 设计条件 (14)

6.2 螺栓受力计算 (16)

6.3 力矩计算 (16)

6.4 螺栓间距校核 (17)

6.5 形状常数确定 (17)

6.6 法兰应力校核 (18)

第七章管板及换热管计算 (19)

7.1 管板 (19)

7.1.1设计条件 (19)

7.1.2 管板各个参数 (19)

7.2 换热管 (20)

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7.2.1 计算条件 (20)

7.2.2 参数计算 (20)

7.2.3 管板厚度或管板应力计算（a型） (21)

7.2.4 换热管轴向应力计算及校核 (22)

7.2.5 换热管与管板连接拉脱力校核 (22)

第八章开孔补强计算 (22)

φ (22)

8.1 接管A.C.D 10

1.

219?

8.1.1 设计条件 (22)

8.1.2 开孔补强计算 (23)

φ (25)

8.2 接管Ｂ8

9.

88?

8.2.1 设计条件 (25)

8.2.2 开孔补强计算 (25)

φ (27)

8.3 接管E11

3.

168?

8.3.1 设计条件 (27)

8.3.2 开孔补强计算 (28)

设计小结 (29)

参考文献 (30)

绪论

1.换热器及其研究现状

换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工行业中是主要的工艺设备之一。因此，换热器的研究倍受重视。从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的实验研究一直都在进行。换热器是节约能源的有效设备，在七十年代发生能源危机以来，更是倍收重视。

1.1近年来换热器及其传热技术的现状：

目前世界上每年发表的有关传热及换热设备方向的文献约在六千篇以上，研究的重点是传热机理、传热强化、两相流模拟及测试技术、计算机应用和开发、以及与能源利用和环境保护有关的新型高效换热器。一种新的动向：从数学模拟出发，用数学方法推导出精确的计算公式。

1.2计算机的应用：

应用计算机不仅节省人力，提高效率，而且可进行最优化设计和控制，使其达到最大技术经济性，例如：美国帕斯卡炼油厂常减压装置的原油换热系统，采用了换热系统的最佳设计及其改进措施，平均传热系数达到445K卡/平方米*小时*度。传热分析.应力分析.信息储存与检索，以及模拟和控制均编有程序，有些程序从工艺设计开始直到绘出图纸只需要十几分钟即可完成。

1.3高温高压换热器的进展：

随着工艺的进展和大型装置的出现，大型高压换热器的使用越来越多，炼油厂加氢换热器就是一个例子。今年来，高温高压换热器的结构.材料和制造方面都有一些发展，管箱结构和密封结构均有一些改进，管子进口区的热防护获得一些改善。

1.4大力发展的振动的研究：

换热器大型化的一个复杂的问题就是管束的震动。大型换热器在高速下极易产生振动，使管子破裂，损坏设备的基础和管路，同时产生噪音。关于振动问题，人们正在大力的进行研究，现以能够预测振动的自振频率，在设计中可以确定适宜的流速范围，以防止流体的激振。在设计上也采用一些防振措施克服管件的振动，延长使用寿命。

1.5发展强化传热管：

传热管是管壳式换热器的主要传热元件，国外对传热管的研究十分重视，通过改进传热管的性能，提高换热管的性能，强化传热管的方法主要有两种：一是尽量扩大传热面积，但又不过分增大流体阻力。如将管子内外表面轧制成各种不同的表面形状，如翅片管.螺纹管等。另一种是改善传热表面的性能，使之符合传热机理的要求，有充分发挥其特点。如单.双面纵槽管.周向波纹管.螺旋波纹管等。

1.6采用新材料：

由于工艺条件的要求，新材料被广泛应用。在换热器制造中，钛具有很高的抗腐蚀性能，高的强度极限和屈服极限，且比重小，重量轻，又有一定的抗污塞性，在西德的含氯溶液中采用了钛制换热器，在炼油厂中使用了钛制冷却器和冷凝器。渗铝管换热器及镀锌管换热器的使用也日益增多，非金属方面最具有代表性的材料是聚四氟乙烯材料，它的抗腐蚀性.抗污性能好，得到了广泛的应用。

1.7热管换热器的使用：

换管是用小的表面积传递大的热量，体现了一种优良的设计方法。热管是六七十年代中期在宇航工业中发展起来的新型传热元件，于七十年代进入民用工业，由于具有高效率.压力小.结构简单.紧凑性好等优点，发展叫我迅速。1979年美国卡特斯堡炼油厂的重整加热炉上使用了热量为80万/小时的热管换热器。

考虑加工、造价、清洗三方面因素，所以选择U形管换热器作为我的设计类型。

2、U型管换热器

它是将管子弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。由于壳体与管子分开，可以不考虑热膨胀。因U形管式换热器只有一快管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内的介质必须清洁及不易结垢的物料。由于传热管的结构形式关系，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不可能更换，管束中心部分存在空隙，所以流体易走短路，影响传热效果。而且管板上排列的管子较少，结构不紧凑。U型管的弯路部分曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。管子因渗漏而堵死后将造成传热面积的损失。

U型管式换热器，一般使用于高温高压的情况下。尤其使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。

如壳程需要经常清洗管束，则要求采用正方形排列，一般情况下都按三角形排列，管程为偶数程

壳程内可按工艺要求装置折流板，纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）。以增加壳侧介质流速。

设计任务书

设计题目: 蒸汽凝液冷凝器设计

设计要求：1.型式与规格：卧室，ID500x500mm

2.换热面积：30m2

3.壳程：进口：低压蒸汽

操作温度99.6C

?

?，设计温度：200C

操作压力0.1MPa,质量流率2545kg/h

出口：凝液

操作温度99.5C

?

?，设计温度：200C

操作压力0.1MPa,质量流率2545kg/h

4.管程：进口：冷却水

操作温度30C

?

?，设计温度：70C

操作压力0.5MPa,质量流率162641kg/h

出口：冷却水

操作温度40C

?，设计温度：70C

?

操作压力0.48MPa,质量流率162641kg/h

第一章 壳程圆筒计算

1.1计算条件

计算压力 =c P 2.00MPa

设计温度 t=200.00C ?

内径 =i D 500.00mm

材料 20R(热轧) (板材)

钢板负偏差 C 1=0.00mm

腐蚀裕量 C 2=1.50mm

焊接接头系数 φ=0.85

1.2 厚度及重量计算

由（GB150-1998表4-1）查得

试验温度许用应力 [σ]=133.00MPa

设计温度许用应力 [σ]t =123.00MPa

试验温度下屈服点 s σ=245.00MPa

计算厚度 由 （GB150-1998式5-1）知：

δ=83.40

.285.012325000.2][2=-???=-c t i c P D P φσmm 有效厚度 50.850.100.000.1021=--=--=C C n e δδmm

名义厚度 00.10=n δmm

重量 G=339.58Kg

1.3压力实验时应力校核

试验压力值 由（GB150-1998式3-3）知： 7033.21231330.225.1][][25.1=??==t

T P P σσMpa 压力实验允许通过的应力水平

50.22024590.090.0][=?=≤s T σσMPa

试验压力下圆筒的应力 由（GB150-1998式3-4）知：

13.9585

.05.82)5.8500(7033.22)(=??+?=+=φδδσe e i T T D P MPa 由于校核条件是 T T ][σσ≤

所以符合压力条件 合格

1.4压力及应力计算

最大允许工作压力 由（GB150-1998式5-4）知：

49528.3)

5.8500(85.01235.82)(][2][=+???=+=e i t e w D P δφσδMpa 设计温度下计算压力 由（GB150-1998式5-2）知：

82.595

.82)5.8500(.22)(=?+?=+=e e i c t D P δδσMPa 校核条件是 55.104][=φσt MPa ≥t σ

验证合格

第二章 前端管箱筒体计算

2.1 计算条件

计算压力 P c =2.00 MPa

设计温度 t=70.00 C ?

内径 i D =500.00 mm

材料 20R(热轧) (板材)

钢板负偏差 C 1=0.00 mm

腐蚀裕量 C 2=1.50 mm

焊接接头系数 φ=0.85

2.2 厚度及重量计算

查（GB150-1998表4-1）得：

试验温度许用应力 [σ]=133.00 MPa

设计温度许用应力 [σ]t =133.00 MPa

试验温度下屈服点 s σ=245.00 MPa

计算厚度 由（GB150-1998式5-1）知：

δ=46.40

.285.013325000.2][2=-???=-c t i c P D P φσmm 有效厚度 50.850.100.000.1021=--=--=C C n e δδmm

名义厚度 00.10=n δmm

重量 G=56.60Kg

2.3压力试验时应力校核

试验压力值 由（GB1501998式3-3）知： 5000.2133

1330.225.1][][25.1=??==t T P P σσMpa 压力试验允许通过的应力水平

50.22024590.090.0][=?=≤s T σσMPa

试验压力下圆筒的应力 由（GB150-1998式3-7）知：

98.8785

.050.82)50.8500(500.22)(=??+?=+=φδδσe e i T T D P Mpa 由于校核条件是 T T ][σσ≤

所以符合压力条件 合格

2.4压力及应力计算

最大允许工作压力 由（GB150-1998式5-4）知： 77945.3)

5.8500(85.01335.82)(][2][=+???=+=e i t e w D P δφσδMPa 设计温度下计算压力 由（GB150-1998式5-2）知： 82.595

.82)5.8500(0.22)(=?+?=+=e e i c t D P δδσMPa 校核条件是 05.113][=φσt MPa ≥t σ

验证合格

第三章 前端管箱封头计算

3.1计算条件

计算压力 =c P 2.00MPa

设计温度 t=70.00C ?

内径 =i D 500.00mm

曲面高度 i h =125.00mm

材料 20R(热轧) (板材)

钢板负偏差 =1C 0.00mm

腐蚀裕量 =2C 1.50mm

焊接接头系数 =φ0.85

3.2厚度及重量计算

查（GB150-1998表4-1）得：

试验温度许用应力 [σ]=133.00MPa

设计温度许用应力 [σ]t =133.00MPa

计算厚度 由（GB150-1998式5-1）知： 44.40

.25.085.013325000.215.0][2=?-????=-=c t i c P D KP φσδmm 名义厚度 00.10=n δmm

有效厚度 50.85.101021=--=--=C C n e δδmm

最小厚度 75.0min =δmm 满足最小厚度要求

合格

重量 G=24.74Kg

3.3压力计算

最大允许工作压力 由（GB150-1998式5-4）知： 81130.35

.85.050015.885.013325.0][2][=?+????=+=e i e t w KD P δφδσMPa 满足条件要求 合格

第四章 后端管箱封头计算

4.1计算条件

计算压力 =c P 2.00MPa

设计温度 t=70.00C ?

内径 =i D 500.00mm

曲面高度 i h =125.00mm

材料 20R(热轧) (板材)

钢板负偏差 =1C 0.00mm

腐蚀裕量 =2C 1.50mm

焊接接头系数 =φ0.85

4.2厚度及重量计算

查（GB150-1998表4-1）得：

试验温度许用应力 [σ]=133.00MPa

设计温度许用应力 [σ]t =123.00MPa

计算厚度 由（GB150-1998式5-1）知：

81.40

.25.085.012325000.215.0][2=?-????=-=c t i c P D KP φσδmm

名义厚度 00.10=n δmm

有效厚度 50.85.101021=--=--=C C n e δδmm

最小厚度 75.0min =δmm

满足最小厚度要求 合格

重量 G=24.74Kg

4.3压力计算

最大允许工作压力 由（GB150-1998式5-4）知： 81130.35

.85.050015.885.013325.0][2][=?+????=+=e i e t w KD P δφδσMPa 满足条件要求 合格

第五章 筒体法兰计算

由《压力容器设计手册》第674页知：

D N =500mm ，P C =2MPa 。先假定公称压力P N =2.5MPa 。取用材料为20。可由《压力容

器设计手册》第696页知道。可以选取“长颈对焊法兰”或“乙型平焊法兰”。又由《压力容器设计手册》知道。这两种法兰最大允许工作压力均小于2MPa 。所以选取P N =2.5MPa 不合格。选取P N =4MPa 时“长颈对焊法兰”的最大允许工作

压力为2.90MPa 。“乙型平焊法兰”的最大允许工作压力为2.97MPa 。这里选取“长颈对焊法兰”。法兰相关尺寸可由《压力容器设计手册》第688页查得。

5.1设计条件

设计压力 P=2MPa

计算压力 2=c P MPa

设计温度 t=200.00C ?

轴向外力载荷 F=0.0 N

外力矩 M=0.0 N mm

壳体 材料名称 20R （热轧）

许用应力 []=t

n σ123.0MPa 法兰 材料名称 20

许用应力 []=f σ130.0 MPa

[]=t

f σ104.0 MPa 螺栓 材料名称 40MnB

许用应力 []=b σ212.0 MPa

[]=t

b σ180.0 MPa 公称直径 =B d 24.0 mm

螺栓根径 =1d 20.8 mm

数量 n= 24 个

垫片 材料类型 软垫片（非金属垫片）

由（GB150-1998第94页9.5.1）知：

结构尺寸 =i D 500.0mm =0D 660.0mm

=b D 615.0mm =外D 565.0 mm

=内D 525.0mm =0δ160. mm

=e L 22.5 mm =A L 31.5 mm

h=35.0 mm =1δ26.0 mm

N=20 m=3.0mm

y=69MPa b=8.0mm

=G D 549.0mm

压紧面形状 1a, 1b

mm b 4.60≤ b=0b ()2内外D D D G +=

mm b 4.60> 053.2b b = b D D G 2-=外

5.2螺栓受力计算

预紧状态下需要最小螺栓载荷 由（GB150-1998式9-4）知：

6.952117==y bD W G a π N

操作状态下需要最小螺栓载荷 由（GB150-1998式9-5）知：

9.639022=+=F F W p p N

所需螺栓总截面积

21.4491),max(mm A A A a p m ==

实际使用螺栓总截面积 N d n A b 5.811742

1==π 5.3力矩计算

由（GB150-1998表9-6）知：

N p D F c i D 0.3925002500785.0785.022

=??==

mm L L A D 5.44265.05.315.01=?+=+=δ

Nmm L F M D D D 0.174662505.440.392500=?== N F F P G 9.165501==

()()mm D D L G b G 0.330.5490.6155.05.0=-=-=

Nmm L F M G G G 0.54616530.339.165501=?==

7.80697=-=D T F F F N

()()mm L L L G A T 3.450.330.265.315.05.01=++=++=δ

Nmm L F M T T T 2.36515923.457.80697=?==

内压：T G D P M M M M ++= 0.26579494=P M Nmm

螺栓预紧情况下

N

W 8.1336510=

mm L G 0.33=Nmm W L M G a 0.441055880.338.1336510=?==

计算力矩P M M =0与[][]f t f a M σσ中大者 Nmm M 0.35284472

0= 5.4螺栓间距校核

实际间距 mm n D L b 5.802461514.3=?==π

由（GB150-1998表9-3）知：

最小间距 0.56min =L

mm

由（GB150-1998式9-3）知：

最大间距 mm L 9.126max =

5.5形状常数确定

由（GB150-1998表9-6）知：

44.891650000=?==δi D h

4.044.890.350==h h

320.10.5000.6600===i D D K

6.10.160.2601==δ

由K 查表得9-5得 T=1.789 Z=3.694

Y=7.145 U=7.851

整体法兰 查图9-3和图9-4

=1F 0.85944 31415.01=V 00961.01==h F e

查图9-7由01δδ得

06578.11=f 2.013

==d f δη I

V U h d 2

001δ==572246.8

44.11=+=e f δψ

81.0==ψγ 59.1134=+?=e f δβ 98.0=+=ηγλ

5.6法兰应力校核

轴向应力

计算值 MPa D fM i H 44.1102

10==λδσ 许用值 []0.1565.1=t f σMPa 或[]5.3075.2=t n σMPa 合格

径向应力

计算值 ()201.33154.30R f f i e M D MPa σδλδ=?+= 许用值 []0.104=t

f σMPa 合格

切向应力

计算值 MPa Z D Y M R i f T 70.372

0=-=σδσ 许用值 []0.104=t f σMPa 合格

综合应力 MPa T H R H 37.82))(5.0),(5.0max(=++σσσσ []0.104=t

f σMPa

合格

第六章 前端管箱法兰计算

6.1设计条件

设计压力 P=2MPa 计算压力 2=c P MPa 设计温度 t=70.00C ?