循环氢冷却器设计U形管换热器毕业设计.doc

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1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)循环氢冷却器设计Design of Recycle Hydrogen Cooler 学 院：机械工程学院 专业班级：过程装备与控制工程 装备092 学生姓名： 学 号： 指导教师：张志文（副教授） 2013 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要循环氢冷却器设计摘 要：循环氢冷却器主要由管束、支座、筒体、封头组成，热流体在管程内流动，冷流体在壳程流动，通过热传递，热气体将热量传递给壳程的冷流体，从而达到冷却热气体，使其达到工艺所需要的温度。我的毕业设计就是循环氢冷却器设计，在循环氢冷却器的设计过程是首先根据已知工艺条件，选择换热器的类型，计算管子数，确定筒体内径，

2、筒体及封头壁厚的计算，压力试验，计算管板尺寸，折流板设计，选取接管、定距管、拉杆，并在对开孔进行开孔补强计算，选取支座并对其进行应力校核等。毕业设计的任务：完成循环氢冷却器的设计，工作量包括：设计计算书、设备装配图、零件图。任务要求：分析现有国内循环氢冷却器的发展趋势，并分析其传热原理；进行循环氢冷却器主要技术参数（换热系数）的计算；确定设计方案，并绘制装配图及关键零件图。在这次毕业设计中，可能会遇到很多的困难，我会通过到图书馆相关书籍和到网上收集相关资料，参照已有的机构模型，同学之间的相互讨论，相互交流信息，向老师请教循环氢冷却器设计要点及其相关注意事项，从而完成循环氢冷却器的设计。关键词：

3、循环氢冷却器；毕业设计；任务要求毕业设计（论文）外文摘要Design of Recycle Hydrogen Cooler Abstract: The loop consists of hydrogen cooler tubes, bearings, cylinder, head composition, thermal fluid flowing in the tube, cold fluid in the shell side flow through heat transfer, hot gas transfers heat to the cold fluid shell , so as

4、 to cool the hot gas, to achieve the desired process temperature. I graduated from the design is to recycle hydrogen cooler design, recycle hydrogen cooler design process is first of all based on the known process conditions, select the type of heat exchanger to calculate the number of tubes to dete

5、rmine the cylinder diameter, wall thickness of the cylinder and head calculations, pressure testing, calculation tube plate size, baffle design, select receivership, fixed pitch pipe, rod, and in the right hole for opening reinforcement calculation, select the bearing and its stress check and so on.

6、 Graduation tasks: completing the cycle of hydrogen cooler design, workload include: design calculations, equipment assembly drawings, parts diagram. Mission requirements: analysis of existing domestic circulating hydrogen cooler trends and analyze the heat transfer theory; cyclic hydrogen cooler ma

7、in technical parameters (heat transfer coefficient) is calculated; determine the design scheme and key parts assembly drawing and drawing . In this graduation design, you may encounter many difficulties, Ill pass to the library books and the Internet to collect relevant information, referring to the

8、 existing institutional models, interactive discussion between students, mutual exchange of information, to the teacher ask recycle hydrogen cooler design features and related notes, thus completing the cycle of hydrogen cooler design.Keywords: recycle hydrogen coolers; graduation; mission requireme

9、nts目 录1 绪论12 结构计算与强度校核22.1 已知条件22.2 管子数22.3 管子的排列32.4 圆筒直径32.5 筒体及封头壁厚42.6 水压试验52.7 筒体与封头连接72.8 管板尺寸72.9 折流板142.10 接管142.11 定距管142.12 拉杆152.13 开孔补强152.14 支座选取222.15 支座应力校核242.16 筒体应力校核262.17 分程隔板312.18 旁路挡板32结论33致谢34参考文献351 绪论：化学工业是现代经济发展的重要指标之一，而化工生产是以化工设备为主体，以其他工艺为辅的生产方式。工业生产中，化工设备分为储存设备、传质设备、反应设备

10、及传热设备等。而传热设备是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。它主要由管束、支座、筒体、封头组成，热流体在管程内流动，冷流体在壳程流动，通过热传递，热气体将热量传递给壳程的冷流体，从而达到冷却热流体，使其达到工艺所需要的温度要求。换热器具有可靠性高、适应性广、运用广泛等特点，近年来，换热器在研发和设计方面取得了较为显著的成果，各种新思路与新结构的涌现，使得换热器朝着更高效、经济、环保的方向发展。换热器的发展主要表现在以下方面：在材料使用上，开发使用新型的防腐蚀材料，用材强度高、抗氢性好、焊接性好、耐温性好的；在结构上，换热器正不断朝着大型化发展；在制造方面，各种新材料的出现，

11、各种新结构的完善，产业市场化和生产专业化使得换热器的制造更加方便快捷；换热管（板）种类多样化的发展使得换热器的类型据越来越多。按传热方式分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热体式换热器。间壁式换热器分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器。而根据管壳式换热器的特点，可分为固定管板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、形管式换热器等。固定管板式换热器结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管的更换，缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力；适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗

12、，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。浮头式换热器管间和管内清洗方便，不会产生热应力，但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高，适用于壳体和管束间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。填料函式换热器采用填料函式密封结构，管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生热应力，其结构较浮头式简单，加工制造方便，节省材料且管束可以从壳体内抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便；一般适用4MPa以下的工作条件，且适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。形管式换热器结构简单、价格便宜，承压能力强，适

13、用于管、壳壁温差较大或壳程介质需要清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的材料。2 结构计算与强度校核：2.1 已知条件： 表2-1名 称管程壳程物料名称氢气水工作压力13 MPa0.4 MPa工作温度260 50换热面积120 m2推荐材质00Cr17Ni14Mo2Q235-B设计压力14.5 MPa0.45 MPa 根据已知条件，考虑到管壳程温差比较大，为了制造方便，减少制造成本，选用U形管式换热器。2.2 管子数n 查参考文献1和参考文献2得，换热管选用的无缝钢管，根据参考文献1换热管的长度推荐值：， m，选取换热管长度为 m。 已

14、知条件知： 换热面积： 由换热面积计算公式 （2-1） 换热面积，。 换热管的管数。 形换热管的直边长度,m。 换热管外径，。 （2-2） 取 根换热管， 根拉杆（和定距管配套使用）。2.3 管子排列方式，管间距的确定 管子的排列选用转角正三角形排列：图1. 转角正三角形排列根据参考文献1：管板上换热管排列的管间距（换热管中心距）,必须满足 （2-3）即 mm 故管间距取 mm, 分程隔板槽两侧相邻的管中心距为两倍换热管最小弯曲半径。即 mm。2.4 换热器圆筒直径的确定参考文献3，圆筒内直径由下式计算： （2-4） 换热器管间距，mm。 位于管束中心线上的可排管数，管子按转角正三角形排列时，

15、 ，取根。 最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm。取 mm。 mm根据参考文献1的规定：大于 mm筒体直径以 mm为进级挡，取 mm。2.5 换热器筒体及封头壁厚的计算 换热器筒体：取设计压力 MPa,筒体上的焊接均采用相当于双面焊的全焊透对接接头（局部无损检测），根据参考文献2，取焊缝系数，材料选，根据参考文献2查得：的许用应力MPa,厚度为 mm,宽度为 mm的钢板的厚度负偏差为mm,腐蚀裕量取mm。mm。取 筒体设计厚度： （2-5） mm筒体名义厚度： mm 根据参考文献1得：公称直径为 mm mm的形管式换热器筒体最小壁厚为 mm(包括厚度附加量)，故取筒体厚度为 mm。 封头的选

16、取： 上封头：上封头材料采用，选用球形封头，承受内压为 MPa。根据参考文献2规定受内压球形封头厚度计算公式： （2-6） mm取球形封头名义厚度为 mm。故上封头采用锻造的球形封头 ， mm。 下封头：下封头材料采用，选用标准椭圆形封头。承受内压为 MPa。根据参考文献2标准椭圆形封头厚度计算公式： （2-7） mm为了进一步保证换热器的安全运行，减小焊后热应力的影响，取下封头的壁厚为 mm。根据JB/T4737-95查得：下封头采用封头，直边高度 mm。2.6 换热器水压试验及其壳体强度校核 筒体水压试验： 根据参考文献2查得筒体水压试验试验压力： （2-8） 试验温度下材料的许用应力，M

17、Pa。 设计温度下材料的许用应力，MPa。带入数据得： MPa 筒体水压试验应力: （2-9） 带入数据得： MPa由参考文献2查得所选的板材在常温下的屈服强度极限为 MPa。 MPa MPa ,故水压试验安全。 气压试验： 根据参考文献2查得： 壳程气压试验压力： （2-10） MPa 壳程气压试验应力： MPa , 故气压试验安全。 管程水压试验： 根据参考文献2查得换热管水压试验试验压力： 带入数据得： MPa 管程水压试验应力: MPa由参考文献2查得所选的板材在常温下的屈服强度极限为 MPa。 MPa MPa ,故水压试验安全。 管程气压试验： 根据参考文献2查得：管程气压试验压力：

18、 MPa 管程气压试验应力： MPa , 故气压试验安全。2.7 筒体与封头的连接考虑到筒体内直径为mm,下封头壁厚与筒体壁厚相等，材料相同，为了减少成本，保证换热器的密封性能，将下封头和筒体用对接焊焊接（单面焊焊透），并进行局部无损检测；上封头厚度为 mm,考虑到管壳压力比较高，且管程介质无结垢和污染，无需清洗，将上封头（锻件）开坡口至凸缘厚度为 mm，与筒体用对接焊焊接（单面焊全焊透），并进行无损检测，以保证换热器的密封性能及安全运行。2.8 确定管板尺寸 选用形管式固定管板，材料采用三级锻件与复合材料，管板、筒体、封头通过对接焊焊在一起。根据参考文献2和前面计算结果换热管数，定距管根，管

19、间距为 mm，可以得下表：表2 类别 管程 壳程材 质 00Cr17Ni14Mo2 16Mn Q235-B线膨胀系数（1/） 17.210-6 11.210-6 210-6弹性模量 E（Mpa） 1.99105 2.1105 2.06105尺 寸(mm) 2526000(管子) 720106250（壳体）管子数（根） 133+8(定距管)管间距（mm） 322.8.1 确定壳程圆筒、管箱圆筒（封头）、换热管等元件结构尺寸及管板布管方式 壳程圆筒内径 mm，圆筒厚度 mm，筒体长度 mm 管箱圆筒（上封头）：球形封头 ， 厚度 mm 换热管：无缝钢管 ，管长 mm。 管子数 根，根拉杆。 管板布

20、管方式： 转角正三角形排列。2.8.2 根据布管尺寸计算，和 图2，隔板槽两侧的排管图 在布管区范围内，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，mm。 按转角正三角形排列的计算公式： （2-11） 沿隔板槽一侧的排管根数。 换热管中心距，mm。 隔板两侧的两排换热管中心距，取 mm。 mm板管布管区面积，mm。按转角正三角形排列的计算公式： （2-12） U形管根数，管板开孔数为。 mm 管板布管区当量直径，mm。 （2-13） mm 布管区当量直径与壳程圆筒内直径之比。 （2-14）带入数据得： 2.8.3 计算管板抗弯刚度D和各项旋转刚度系数， 假设管板计算厚度为 mm。对

21、于筒体、管板、管箱（封头）的连接方式，根据参考文献1，选用型连接，且，。 为管板开孔前的抗弯刚度，Nmm。 （2-15）管板材料的弹性模量，Mpa。由于管板采用的是复合材料，取两者中弹性模量较小者，取 MPa。 管板计算厚度, mm。 管板材料的泊松比，取。 Nm 为壳程圆筒与管板旋转刚度系数，MPa。 （2-16） 系数，按和根据参考文献1可查得。 壳程圆筒厚度，mm。 壳程圆筒内径, mm。 球形封头内直径，mm。 管板直径，mm。 壳体凸缘厚度，mm。 由参考文献1查得： 为封头（管箱）与管板的旋转刚度系数，MPa。 （2-17） 系数，按和 在参考文献1查出。 封头（管箱）圆筒厚度，m

22、m。 封头（管箱）凸缘厚度，mm。 由参考文献1查得： 壳体材料的弹性模量 MPa。 封头（管箱）材料（）的弹性模量 由参考文献2查得 MPa。 管板边缘旋转刚度系数。MPa。 （2-18） 为旋转刚度无纲量参数。 （2-19） 2.8.4 由参考文献1图19、图20、图21，按和分别查取， 由图查得： 由图查得： 由图查得：2.8.5 确定管板设计压力 若能保证壳程设计压力与管程设计压力在任何情况下都同时作用，或壳程设计压力与管程设计压力之一为负压时，则管板设计压力，否则取或中较大值。 MPa MPa 考虑到换热器的运行安全，取管板设计压力为 MPa。2.8.6 计算管板中心距（）,布管区周

23、边处（），边缘处（）的径向应力 （2-20） （2-21） （2-22） 管板强度削弱系数，一般取。 壳程圆筒圆筒内直径，mm。 管板计算厚度，mm。 表示压力作用下，分别为管板中心处，布管区周边处，边缘处的径向应力，MPa。 MPa MPa MPa 设计温度下,管板材料的许用应力,Mpa。的许用应力 MPa的许用应力 MPa MPa 综上所得： 满足要求。2.8.7 换热管的轴向应力 （2-23） 换热管外径，mm。 根换热管管壁金属的横截面积，mm。 mm MPa 满足要求。2.8.8 换热管与管板连接的拉脱力 （2-24） 换热管的轴向力，MPa。 换热管与管板胀接长度或焊脚高度， mm

24、 。 MPa 由参考文献1规定，查得许用拉脱力 MPa。 满足要求。2.9 折流板设计 由于壳程是水，采用折流板上下水平布置（单弓形）。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口大小用切去弓形的弦高占圆筒内直径的百分比来确定，缺口弦高h值，取倍的圆筒内直径。 （2-25） mm查参考文献1得最大无支撑跨距为 mm，折流板间距取 mm，折流板最小厚度为 mm，取 mm。折流板开管孔直径 mm，折流板名义外直径为：，允许偏差为：，折流板材料：。2.10 接管 查参考文献4根据壳程压力0.45MPa,冷却水进口和出口管选取两个2197 L=155的接管，壳体上开孔并焊接一个89

25、6 L=155的接管（安全阀接口），距椭圆形封头200mm处开孔并焊接一个575 L=155的接管（排气口）。2.11 定距管根据参考文献1选取的定距管，材料采用。2.12 拉杆根据参考文献1选取的拉杆，根据圆筒公称直径为mm,查得至少应为根，取根拉杆。材料采用。2.13 开孔补强 根据参考文献2规定,当在设计压力小于或等于Mpa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径和的两倍，且接管公称外径小于或等于mm时，只要接管最小厚度满足下表，就可不另行补强。表3 不另行补强的接管最小厚度 接管公称外径（mm） 最小厚度（mm） 25 32 38 3.5 45 48 4.

26、0 57 65 5.0 76 89 6.0 按照规定：筒体上有两开孔处开孔需要计算是否需要另行补强，既进液口接，和出液口接管处，开孔处。 接管， 处开孔处的开孔补强计算： 圆筒开孔所需补强面积： （2-26）d为开孔直径，圆形孔取接管内直径和两倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），mm。接管的厚度负偏差取为： mm，腐蚀裕量为： mm， mm。 （2-27） mm 接管计算厚度，mm。 接管外径，mm。 （2-28） mm 壳体开孔处的计算厚度， mm。 接管名义厚度， mm。 接管有效厚度， mm。 强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力

27、的比值，当该值大于时，取。 故取由式（2-25）带入数据得： mm 有效补强范围：有效宽度：取和中的较大值。 mm mm 故取 mm。 有效高度，： 取和实际外伸高度中的较小值。 取和实际内伸高度中的较小值。 mm。 实际外伸高度为： mm。 实际内伸高度为： 外侧高度： mm 内测高度： 补强面积： 在有效补强范围内，可作为补强的截面积： （2-29） 补强面积，mm。为壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm。 （2-30） mm为接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm。 （2-31） mm为焊缝金属截面积，mm。 mm由于，此两处开孔不需另行补强。 故筒体上的接管均不必另行补强

28、。端部结构处开孔补强计算：端部结构厚度为： mm ， 内径为： mm 。端部结构的厚度负偏差取 mm，腐蚀裕量取 mm。端部结构的计算厚度： （2-32） mm 端部结构名义厚度： mm 端部结构有效厚度： （2-33） mm 球壳开孔处所需的补强面积： 球形封头的开孔直径，圆形孔取端部结构内直径和两倍厚度附加量，椭圆型或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸，mm。端部结构的厚度负偏差取为： mm，腐蚀裕量为： mm， mm。 mm 强度削弱系数，等于设计温度下端部结构材料与壳体材料许用应力的比值，当该值大于时，取。 mm 有效补强范围： 有效宽度：取和中的较大值。 mm mm 故取 mm。 有效高度，： 取和实际外伸高度中的较小值。 取和实际内伸高度中的较小值。 mm。 实际外伸高度为： mm。 实际内伸高度为： 外侧高度： mm 内测高度： 补强面积： 在有效补强范围内，可作为补强的截面积： 补强面积，mm。为封头有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm。 mm为端部结构有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm。 mm为焊缝金属截面积，mm。 mm 由于，故端部结构处不需另行补强。管台结构处开孔补强计算：管台结构厚度为： mm 内径为： mm 管台结构的厚度负偏差取 mm，腐蚀裕量取 mm。管台结构的计算厚度： mm