换热器设计书2.doc
嘉兴学院南湖学院管壳式换热器课程设计报告 设 计 题 目：管壳式换热器课程设计 学 院 名 称： 嘉兴学院南湖学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工N111 姓 名： 郭潇琼 学 号： 201145849209 指 导 教 师： 欧阳玉霞 2013年 7月11日目 录设计任务书.工艺设计1、 选择合适的换热器.1 1.1 确定物性参数.1 1.2 计算热负荷和.1 1.3 计算温差和估计传热系数.1 1.4 估算换热面积.2 1.5 试算和初选换热器的规格.22、核算总传热系数.3 2.1 计算管程给热系数.3 2.2 计算壳程对流传热系数.4 2.3 确定污垢热阻 .5 2.4 总传热系数.53、 核算压强降.6 3.1 计算管程压强降.6 3.2 计算壳程压强降.6机械设计1管子数n.82 换热管的排列形式.83 换热器壳体直径的确定.84 换热器壳体壁厚的计算.95 换热器封头的选择.96 容器法兰的选择.107管板.117.1管板与壳体的连接.117.2 管板厚度的计算.118 管子拉脱力的计算.129 计算是否需要膨胀节.1310 折流板设计.1411裙座设计.14化机基础课程设计任务书一、设计起讫时间2013年7月8日2013年7月19日。二、设计内容设计一台管壳式换热器。三、设计参数和技术特性指标（1）有机液：入口温度：70，出口温度：30质量流量:1班：20000+1000×10 = 30000kg/h 密度=950kg/m3，比热cp=2.261 kJ/(kg·) 导热系数=0.172W/( m·) 粘度µ=0.742×10-3 Pa ·s （2）水：入口温度：25，出口温度：40四、设计任务（1）工艺设计：进行物料衡算和热量衡算，选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求（2）机械设计：进行材料选择和厚度计算，设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板等。（3）编写课程设计说明书（嘉兴学院稿纸）。（4）绘制换热器的装配图（1张A2）。 一、 工艺设计1、选择合适的换热器1.1 确定物性参数有机液的定性温度： 水的定性温度： 两流体在定性温度下的物性数据如下: 物性流体密度 /m3比热KJ/(·oC)粘度 mPa·s导热系W/(m·oC)有机液9502.2610.742×10-3 0.172水1994.8254.1740.764×10-30.6221.2 计算热负荷和由热量衡算2化原p148(5-22)1.3 计算温差和估计传热系数逆流时， 3化原p148(5-24)而 由化工原理上册页查图519(a)可得: ,管程数 Np=6 所以 又因为0.82>，故可选用单壳程的列管换热器。根据管程走有机液，壳程走水，且逆流，总传热系数K的范围是290870W/(·oC）4现暂取：1.4 估算换热面积 5化原P154（5-23）1.5 试算和初选换热器的规格 又因为有机液走管程且初选，所以设 6由 V=Ms/p=31.58 可求得单管程的管子根数： 所以 据此初选固定管板式换热器规格尺寸为：壳径D=a（b-1）+2L 有化工设备机械基础P208表7-4可知，b=25，由表7-5可取a=25mm 所以 D=25*（25-1）+2*4.5=609mm圆整后为700mm壳 径 D700管 子 尺 寸19×2mm管 程 数 4管 长L4.5 m管子总数 n546管子排列方法正三角形 2、核算总传热系数 2.1 计算管程给热系数 （与假设相一致 合适）化原P5（1-13）7化原p16(1-26) 8 所以 9 2.2 计算壳程对流传热系数 换热器中心附近管排中流体流通截面积为： 10 式中 折流挡板间距，取200；t=25mm 因为是正三角形排列，所以 因为 所以 由正三角形排列得： 11 因为 在范围内，故可用下式计算 12 壳程中水被冷却，取 ， 所以 2.3 确定污垢热阻 管内、外侧污垢热阻分别取为： 13 2.4 总传热系数 因为管程走有机物，管子材料选用20R， 取其导热系数为(m·oC)，总传热系数为： 14化原 p145(5-11c) ，所以合理由前面计算可知，选用该型号换热器时，要求过程的总传热系数为，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的为，其安全系数为：故所选择的换热器是合适的。3、核算压强降3.1 计算管程压强降 15 前面已算出：， （湍流）取不锈钢管壁粗糙度 则，由化工原理上册第一章P25的关系图中查得： 所以 对于的管， 3.2 计算壳程压强降 16 其中 管子为正三角形排列，取F=0.5 取折流挡板间距 折流挡板数： 所以 所以 由上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选换热器合适。机械设计1管子数n选的20R无缝钢管，管长4.5m , F为A估 其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=549-6=543根2 换热管的排列形式采用正三角形排列，由化工设备机械基础表7-4查的层数为12，查表7-5，取板间距a=25mm。3 换热器壳体直径的确定其中换热器内径，mmb正六角形对角线上的管子数，查表7-4的b=25L最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取圆整后取壳体内径4 换热器壳体壁厚的计算材料选用20R计算壁厚为： 化设p90(4-5) 式中:为计算压力，假设一个标准大气压，取=0.1Mpa；700mm；采用双面焊的对接接头100%无损检测，所以=1;t =132Mpa（设壳壁温度为70°C） 将数值代入上述厚度计算公式，可以得知： 查化工设备机械基础表4-9得 查化工设备机械基础表4-11取 ；GB150-1998钢制压力容器中对容器最小厚度的规定是：对碳素钢取所以5 换热器封头的选择上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2000标准，封头为DN700×3，查化工设备机械基础表4-15得曲面高度 ，直边高度 ，材料选用20R钢 6 容器法兰的选择材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN700，PN1.6Mpa的榫槽密封面长颈对焊法兰。7管板7.1管板与壳体的连接本次换热换热管为碳素钢，设计压力<4MPa,设计温度在300以内，并无明显的应力腐蚀，所以采取胀接的连接方法7.2 管板厚度的计算根据换热器设计手册第147页，1-6-9得最小厚度为40mm8 管子拉脱力的计算计算数据按表项目管子壳体操作压力/Mpa0.10.1材质20钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa132132尺寸管子根数543排列方式正三角形管间距/mm25管壳壁温差/管子与管板连接方式开槽胀接胀接长度/mm50许用拉脱力/Mpa4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 化设p217(7-9) 其中 , mm 2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力 化设P218（7-10） 其中 由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力： 因此拉脱力在许用范围内。9 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为： 压力作用于壳体上的轴向力： 其中 = 压力作用于管子上的轴向力为： 则 根据GB151-1999管壳式换热器条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。10 折流板设计折流板为弓形，折流板间距取525mm，查化工设备机械基础表7-7得折流板最小厚度为6 mm,查化工设备机械基础表7-9折流板外径为696 mm,材料Q235-A钢查化工设备机械基础表7-10拉杆12，共8根，材料Q235-AF钢11 裙座设计采用圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接采用焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可承受较大的轴向力，故采用对接形式。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的厚度与封头的厚度相同，即裙座尺寸为700×3mm.。裙座材料选用Q235-A。文献1 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 251-251 附录52 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 148-148 公式5-223 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 148-148 公式5-244 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 146-146 表5-65 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 148-148 公式5-236 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 203-203表6-17 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 16-16 公式1-268 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 164-1649 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 165-165 公式5-63a10 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 172-172 公式5-7411 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 171-171 公式5-73a12 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 171-171 公式5-72a13 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 145-145 表5-514 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 145-145 公式5-11c15 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 203-203 公式6-116 谭天恩，窦梅化工原理M北京：化学工业出版社，2006.4 204-204 公式6-4
