压缩空气冷却器的设计本科毕业论文

大学生本科毕业设计

压缩空气冷却器的设计

The Design of The Compressed Air Cooler

学 生: ################# 专业/班级：过程装备与控制工程 指导教师：################# 学 院: #################

######年##月

、

长春理工大学毕业设计

目 录

绪 论 ............................................................................................................................. 2 第一章 工艺计算 ......................................................................................................... 3

1.1 试算并初选换热器规格 ................................................................................. 3 1.2 初步选定换热器的型号 ................................................................................. 4

1.3 计算管程压力降及传热系数?i .................................................................... 5 1.4 计算壳程压力降及传热系数?0 .................................................................... 5 1.5 计算传热面积 ................................................................................................. 7 第二章 强度计算 ......................................................................................................... 8

2.1 壳体壁厚的设计计算 ..................................................................................... 8 2.2 管箱短节壁厚的设计计算 ............................................................................. 8 2.3 椭圆封头厚度的设计计算 ............................................................................. 9 2.4管板厚度的设计计算 ...................................................................................... 9 第三章 零部件结构尺寸设计 ................................................................................... 19

3.1 折流板的设计 ............................................................................................... 19 3.2 拉杆的设计 ................................................................................................... 19 3.3 法兰联接结构设计 ....................................................................................... 20 3.4法兰密封垫片的设计 .................................................................................... 21 3.5鞍座的结构设计 ............................................................................................ 21 第四章 制造、检验和验收 ....................................................................................... 26

4.1焊接结构 ........................................................................................................ 26 4.2 水压试验 ....................................................................................................... 26 4.3 加工制造要求 ............................................................................................... 28 结 论 ........................................................................................................................... 29 参考文献 ..................................................................................................................... 30 致 谢 ........................................................................................................................... 31 附录 符号说明 ........................................................................................................... 32

I

摘 要

简要介绍了换热器在工业中的应用，技术发展情况和研究现状；着重介绍了管壳式换热器的传热工艺的计算，及物料与结构因素对换热能力的影响和换热器的机械设计，包括工艺计算与机械结构设计和换热器受力元件如鞍式支座等的受力计算和强度校核，以保证换热器安全运行，其中，前者主要是确定有关部件的结构形式，结构尺寸和零件之间的连接，如壳体、封头、接管、管板、折流板和防冲板等的结构形式和尺寸，管板与换热管、壳体、管箱的连接等。还介绍了管壳式换热器制造、检验、安装和维修时应注意的事项。 关键词:管壳式换热器 传热计算 结构设计 传热能力 影响因数

Abstract

This thesis introduces the general situation of heat exchanger and its application status in the industry, development of the technology and studies on them. It introduces emphatically the calculation of heat technologic process of Tube-shell heat exchangers, the effect with the fluids and structure of heat exchanger, and design of kinds of mechanical structure, including caculation of technologic process and mechanical structure design and the loading conditions of objects of heat exchanger and strength check ,such as, saddle support, aimed to make the heat exchangers work safely, the former is mostly related to component structural form and dimension, such as shell ,Vessel Head, nozzle, tube sheet, baffle plate and impingement plate ,and so on. And it also involves connection between tube sheet and accessories, such as heat exchange tube, the shell and channel. Besides it also introduces some events to taking into account when manufacturing, inspecting, installing and maintaining. Keywords: Tube-shell heat exchangers Calculation of heat transfer Design of

structure Heat transfer capacity Influence Factors

绪 论

在化工业生产中，为了实现物料之间的热量传递通常都会用到换热器。它是化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热设备有多种多样的的形式，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，却不太合适，或根本就不能使用。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。

通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10～20℅，在石化炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35～40℅。鉴于换热器在生产中占有如此大的比例，因此，在选型时考虑到设备的经济性是很重要的。换热器选型时，需要考虑的因素很多，主要是流体的性质；压力、温度及允许压力降的范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。

流体的种类、导热率、黏度、等物理性质，以及腐蚀性、热敏性等化学性质，对换热器选型有很大的影响。换热介质的压力、温度等参数对选型也有影响。如在高温和高压下操作的大型换热器，需要承受高温、高压，可选用管壳式换热器。若操作温度和压力都不高，处于里的量又不大，处理的物料具有腐蚀性，可选用板面式换热器。因为板面式换热器具有传热效率高、结构紧凑和金属材料消耗低等优点。

在此设计中，封头、法兰和换热器都选用标准尺寸，可以直接购买，换热器的经济性主要需从初投资即购买费用和日常操作费用，以及清洗、除垢和维修费用三个方面来考虑的。管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占据了主导地位,此次设计仍选用管壳式换热器。

第一章 工艺计算

1.1 试算并初选换热器规格

1.确定流体通入的空间 壳程 空气 管程 冷却水

2.确定流体的定性温度，物性数据，并选择列管式换热器的形式 管程介质为冷却水 入口温度 31℃ 出口温度 42℃ 壳程介质为空气 入口温度 270℃

出口温度 42℃

270?42?156?C （1.1）空气的定性温度 T? 231?42?36.5?C （1.2）水的定性温度 t? 2两流体的温差 T?t?156?36.5?119.5?C （1.3） 两流体在定性温度下的物性数据如下：

物性 空 气 水

3.计算传热量Q 根据空气压缩机额定功率和出口压力查表确定压缩空气的流量 qm1=5520kg/h

温度 ℃ 156 36.5 密度ρ Kg/m3 5.76 1000 粘度μ mPa2S 0.024 0.70 比热容Cp 导热系数λ KJ/Kg2℃ 1.015 4.2 W/(m2℃) 3.5310-2 62310-2

Q?qm1?Cp1??T?5520?1.015??270-42??1.28?106kJ/h?0.36?106W4.计算水流量qm2

（1.4）

qm2?QCp1(t2?t1)0.36?106? （1.6） 4.2??42?31??27650kg/h5．计算平均温差?tm逆 逆流温差

?t??T1?t2???T2?t1?m逆T??270?42???42?31?270?42?71.6?C ln1?t2T2?tln142?31R?T1?T2270t??42?19.73 1?t242?31P?t2?t1T?42?31?0.046 1?t1270?31由R和P查文献[1]图6-57a查得修正系数 ψ=0.9 ，所以

?tm????tm逆?0.9?71.6?65.87?C 又因为ψ=0.9>0.8，故初步选用单壳程双管程浮头式换热器。1.2 初步选定换热器的型号

初选： 外 壳 直 径 D=600mm

管 程 数 Np=2 管 数 Nt=198 管 长 L=3m

管 子 直 径 2532.5mm 不锈钢管管子排列方式 正三角形 管子 中心距 t=32m 公称换热面积 A=44.9mm2

公 称 压 力 1.6MP

选用BES600-0.7-45-3/25-2Ⅰ型

（1.7）

（1.8） （1.9）

（1.10）

1.3 计算管程压力降及传热系数?i

n?d2NT198?0.785?0.022??0.0311m2 （1.11）管程流动面积 Ai?

4NP2管内冷却水流速 ui??2qm2?27650?0.247m/s （1.12）

3600?1000?0.0311Rei?diui?2?2?d?0.02?0.247?1000（1.13） ?7057 ?30.70?10取管壁粗糙度?=0.15㎜ ，

?0.0075查文献?1?图1-34得?=0.0035

ui230.2472?l???管程压降?P?3?ftNp???0.0035??3??1.4??1000 t???d20.022????=0.7kPa （1.14）

?P?允许值30kPa可行。

0.023?2Re0.8Pr0.3?i?di?0.023?0.62??7057?0.0280.8?4.2?0.70????0.62?0.3 （1.15）

?1364W/?m2??C?1.4 计算壳程压力降及传热系数?0

取折流板间距B=200㎜，因系三角形排列管束中心线的管数

NTC=1.19?NT?=1.193

0.5?198?0.5=16.7 （1.16）

壳程流动面积 A0?B?D?NTCd0??0.2??0.5?16.7?0.025??0.0165m2 （1.17）

u0?qm15520kg/h??16m/s （1.18） ?1A13600?5.76?0.0165d0u0?1?9.6?104 （1.19） u1Re0?

因Re0?500，故可用下式计算管外流动摩擦系数f0

管子排列为正三角形，取校正系数F=0.4，取垢层校正系数fs?1.15 挡板数 NB?l3?1??1?14 （1.20） B0.2壳程压降

?P????Ff?2B??u20s0NTC?NB?1??NB??3.5?D????fs2?????0.4?0.366?07.7??14?1??14????3.5?2?0.2?0.6??????1.15?1622?5.76=6.47kPa 壳程传热系数A?BD???1?d0??0.025?21?t???0.2?0.6??1?0.032???0.0265m u??qm10A?5520?10.14m/s 1??13600?0.02625?5.761.23）

?2t2??d0??3.14?0.02524?2?d?4??4??0.032?4??e??d?3.14?0.025?0.027m 0Re?de??0?10???0.027?0.14?5.7640.024?10?3?7.88?10 2PCp1u1?1.015?0.024r??10.035?0.696 壳体中空气被冷却，取????0.14????1.05

w?1??0.553???0.140?0.36d?Re??Pr???e??w??0.36?0.0350.027??6.57?104?0.55??0.696?13?1.05 ?194W/?m2?0C?1.21）

（1.22）

（1.24） 1.25） （1.26）

1.27）

（（（（

1.5 计算传热面积

查文献?1?表6-6，取Ri=0.00026㎡2℃/W，R0=0.00081㎡?℃

K计?11?0??R0??1??i???i1 （1.28）

1194?0.00032?0.0025145?0.00026?1364?153W/?m2?0C?Q0.36?106AW2计?K??t??35.71m m153?0.92?71.6所选换热器的实际传热面积约为

A?nT?d0l?198?3.14?0.025?3?46.63m2

A46.63A?35.71?1.2 计所选用BES600-0.7-45-3/25-2Ⅰ型合适

（1.29）

（1.30） （1.31）

第二章 强度计算

2.1 壳体壁厚的设计计算

设计条件：

设计压力：P=1MPa 设计温度：270℃ 筒体内径：Di=600mm 腐蚀裕量：C2=1mm 筒体材料：Q235－A 焊缝隙数：φ=0.85 查《过程设备设计》附表

取Q235-B在设计温度下的许用应力[σ]t=90.8MPa

筒体计算壁厚??PDi2?????Pt?1?600?3.887mm （2.1）

2?90.8?0.85?1设计壁厚：?d???C2?3.887?1?4.887mm

查《过程设备设计》第133页表4－2，取钢板负偏差C1=0.8mm，考虑到筒体长度为3m长，为了增加钢 ?n??d?C1?4.887?0.8?5.687mm。

板刚度，把壁厚增大，根据GB151—1999表8 ?n?8，取名义厚度δn=10mm。

2.2 管箱短节壁厚的设计计算

设计条件：

设计压力：P=0.5MPa 设计温度：42℃ 筒体内径：Di=600mm 腐蚀裕量：C2=1mm 筒体材料：Q235－A 焊缝隙数：φ=0.85 查《过程设备设计》附表

取Q235-A在设计温度下的许用应力[σ]t=113MPa 筒体计算厚度??

设计厚度：?d???C2?1.56?1?2.56mm

查《过程设备设计》第133页表4－2，取钢板负偏差C1=0.8mm，

PDi2?????Pt?0.5?600?1.56mm （2.2）

2?113?0.85?0.5?n??d?C1?1.56?0.8?2.56mm。考虑到筒体为冷却水和壳体厚度为10mm，

为了增加钢板刚度，把壁厚增大，取名义厚度为δn=12mm。

2.3 椭圆封头厚度的设计计算

设计条件：

设计压力：P=0.5MPa 设计温度：42℃ 计算直径：DG=700mm 封头材料：Q235-A 腐蚀裕量：C2=1mm 焊缝系数：φ=0.85 查《过程设备设计》附表

取16MnR在设计温度下的许用应力[σ]t=157MPa 椭圆封头计算厚度??PDi2?????0.5Pt?0.5?700?1.31mm

2?157?0.85?0.5?0.5 （2.3） 设计厚度：?d???C2?1.31?1?2.31mm

查《过程设备设计》第133页表4－2，取钢板负偏差C1=0.8mm，

?n??d?C1?1.31?0.8?2.11mm。考虑到筒体为冷却水和壳体厚度为10mm，

为了增加钢板刚度，把壁厚增大，取名义厚度为δn=12mm。

2.4管板厚度的设计计算

设计条件： 1 壳程圆筒

内径Di?600mm厚度?s?10mm3.14?6002内径面积A???282600mm244金属横截面积As???s?Di??s??3.14?10??600?10??19154mm2?Di2 (2.4)

2 管箱

圆筒厚度?h?12mm 3 管子

管子外径d?25mm管子壁厚?t?2.5mm管子根数n?198管间距S?32mm隔板槽面积Ad?12?1200?2?28800mm2管子金属总截面积na?n??t?d??t??198?3.14?2.5??25?2.5??34972mm2n?d2198?3.14?252开孔面积??97144mm2 (2.5) 44管子有效长度L?3000?2?40?2920mm

Etna1.784?105?149966.4管束模数Kt???3160.32MPa (2.6)

LDi3000?600管子回转半径2112d2??d?2?t??252??25?2?2.5??10.63mm (2.7) 44管子受压失稳当量长度Lcr?860mmi?系数Cr?2?2Et?st2?3.142?1.784?105??163.375131.8 (2.8)

Lcr149.76??14.088?Cri10.63管子稳定许用应力???cr?LCR?????1?I2?2Cr??ts???cr??14.088???131.8?1????60.22MPa (2.9)

?2?2?163.375???4 系数计算

n?d2开孔后面积 Al?A??132665?639856.64?686793.36mm2 （2.10）

4管板布管区面积 At?0.866nS2?Ad?0.866?198?322?28800?1131737.6mm2 （2.11）

A686793.36??l??0.5177 （2.12）

A1326650Etna1.784?105?149966.4Q???2.199 （2.13） 5EsAs1.84?10?66115.84

??na149966.4??0.22 （2.14） Al686793.360.6?0.6Q?0.4??s?0.4?0.62.199?0.6??4.108 （2.15）

??0.51770.51770.6Q0.62.199?t?0.4???0.4??0.4???0.4?0.22?5.815 （2.16）

??0.51770.5177?t?Dt1200.71??0.9236 （2.17） Di13005 法兰力矩

基本法兰力矩Mm?Am?SG????b?15430.7?115?212 ?376200466 管程压力作用时法兰力矩Mp?FDLD?FTLT?FGLG?7498161.9 6 管板

假定管板厚度??40mm

管子加强系数K2?1.318DiEtna?Ep?L??1.318?1301.784?149966.4401.29?0.4?3000?40 ?27.15K?5.21

k?K?1??t??5.21??1?0.9236??0.398

7 法兰

法兰外径Df?730mm法兰宽度bf?Df?Di?730?600 22?40mm管箱法兰厚度??f??60mm?h?16D?.0123?i1300?? ?查图3?15????0.00055??f?D?601300?0.046??i?旋转刚度

（2.18） （2.19） （2.20）

1?2E?f?bfK?f???12?Di?bf??2??f???D?i3????Eh????????3?1?2?1.74?105?80?2?60?5?????1.821?10?0.00055? （2.21） 12??1300?80?1300????18MPa确定壳体法兰厚度??f?40mm?s?16?D?0.0123i1300?????查图3?45，???0.00055

fD?60?0.046?i1300??旋转刚度K??1?2E?fbf??2???3f12???Di?bf?f???Di???Es??????1?12?2?1.74?105?80?3??2?60??5??1300?80?1300??1.821?10?0.00055????18MPa旋转刚度无量纲参数

K~??K?f3.14?18f4K??0.00447 t4?3160.32壳体法兰应力参数Y

按K?DfD查GB150?99第七章表9?57,Y为16.74

i按K，K?f查图3?16m1?0.33 ??m1KK??0.335.21?0.00447?14.17 f按K，K~f查图3?18G2?3.0

2.22） 2.23）

（2.24） （（

M1?m10.33??0.0061 （2.25）

2K(Q?G2)2?5.21?(2.199?3.0)按K，Q查图3?19G3?6.6?10?3

?????0.404 （2.26）

Kf?G30.00447?6.6?10?3K'fK\f?18?1 1811??0.712 （2.27） K'f0.404?1??\Kf?Kf0.00447???M???MfK'fK\f??1?0.712?0.712 （2.28） ??M2.5补强计算

2.5.1 型号为?100?4mm,l=160的接管 (1) 补强及补强方法判别 a：补强判别

根据《过程设备设计》表4－14，允许不另行步强的最大接管外径φ89mm，本开孔外径为φ100mm，故需另行考虑其补强。 开孔补强的形式：外加强平齐接管

结构简单,制造与检验方便

开孔补强的结构：补强板搭焊结构 b：补强计算方法判别

开孔直径：d?di?2C?486?2?1.8?489.6mm

1本筒体开孔直径d=489.6mm＜Di=813mm,且d≤520mm，满足等面积法

2孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。

(2) 开孔所需补强面积 a：筒体计算厚度

??PcDi2?????Pct?1?600?9.536mm （2.29）

2?90.8?0.85?1

b：开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数fr

f????t151.2rn???r?90.8?1.665?1,取fr=1 接管有效厚度为?et??nt?C?12?1.8?10.2mm 开孔所需补强面积按《过程设备设计》式（4－76）确定

A?d??2??et?1?fr??489.6?9.536?0?4668.83mm2 有效补强范围

a：有效宽度B，按《过程设备设计》式（4－79）确定

B?2d?2?489.6?979.2mm???取大值

B?d?2?n?2?nt?489.6?2?16?2?12?545.6mm??故B=979.2mm b：有效高度

外侧有效高度h1，按《过程设备设计》式（4－80）确定

h1?d?nt?489.6?12?76.65mm???取小值 h1?215mm?实际外伸高度???故h1=76.55mm

内侧有效高度h2，按《过程设备设计》式（4－81）确定

h2?d?nt?489.6?12?76.65mm???取小值 h2?0?实际内伸高度???故h2=0

有效补强面积 a：筒体多余金属面积

筒体有效厚度 ?e??n?C?16?1.8?14.2mm

筒体多余金属面积A1，按《过程设备设计》式（4－82）确定2.30）（ (3) (4)

A1??B?d??e???2?et?e??1?fr??979.2?489.6???14.2?9.536??2283.49mm2?????? （2.31）

b：接管多余金属面积 接管计算厚度

?t?2???n??PctPcdi?0.9?489.6 ?1.708mm （2.31）

2?151.2?0.85?0.9接管多余金属面积A2，按《过程设备设计》式（4－83）确定

A2?2h1?et??tfr?2h2?et?C2fr?2?76.65??10.2?1.708??1?1301.842mm2???? （2.32）

c：接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm）

由于补强圈与接管及壳体的焊接是搭接焊,采用角焊缝(见下图)焊缝截面积(打网格部分)近似于三角形面积,计算时只考虑补强圈内缘与组合焊缝中填角焊缝的填角高度,如图按等腰直角三角形计算得

1A3?2??6.0?6.0?36.0mm2

2补强圈与接管及筒体焊接结构 d：有效补强面积

Ae?A1?A2?A3?2283.49?1301.842?36?3621.314mm2 (5) 所需另行补强面积

A4?A?Ae?4668.83?3621.314?1047.52mm2 (6) 补强圈设计

根据接管公称直径DN500选补强圈，查《化工设备机械基础》表13－1取补强圈外径D`=840mm，内径d`=534mm。因B=797.2mm> D`,补强圈在有效补强范围内补强圈厚度为：

?`?A41047.52 ??3.423mm （2.33）``840?534D?d考虑钢板负偏差，并经圆整，取补强圈名义厚度为5mm,

如果不考虑多余金属面积，全部削去的承受应力必须截面A均由补强圈补

偿，则

?`?A4668.83??9.26mm （2.34）

D`?d`840?534（为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取为筒体的厚度，即。 ?`?10mm）

2.5.2 型号为?150?5，l=198mm的接管 ⑴ 补强及补强方法判别 a：补强判别

根据《过程设备设计》表4－14，允许不另行步强的最大接管外径为φ89mm，本开孔外径为φ100mm，故需另行考虑其补强。 开孔补强的形式：外加强平齐接管

结构简单,制造与检验方便

开孔补强的结构：补强板搭焊结构 b：补强计算方法判别

开孔直径：d?di?2C?100?2?40?180mm

1Di=300mm,且d≤520mm，满足等面积法开孔补2强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。

本筒体开孔直径d=180mm＜

⑵ 开孔所需补强面积 a：筒体计算厚度

??PcDi2?????Pct?1?1476?8.656mm （2.35）

2?90.8?0.85?1b ：开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数fr

fr???tn????r?151.2?1.665?1,取fr=1 90.8接管有效厚度为?et??nt?C?10?1.8?8.2mm

开孔所需补强面积按《过程设备设计》式（4－76）确定

A?d??2??et1?fr?308.6?8.656?0?2671.24mm2 （2.36） ⑶ 有效补强范围

??

a：有效宽度B，按《过程设备设计》式（4－79）确定

B?2d?2?308.6?617.2mm???取大值

B?d?2?n?2?nt?308.6?2?16?2?10?360.6mm??故B=617.2mm b：有效高度

外侧有效高度h1，按《过程设备设计》式（4－80）确定

h1?d?nt?308.6?10?55.55mm???取小值 h1?198mm(实际外伸高度)??故h1=55.55mm

内侧有效高度h2，按《过程设备设计》式（4－81）确定

h2?d?nt?308.6?10?55.55mm???取小值 h2?0(实际内伸高度)??故h2=0

⑷ 有效补强面积 a：筒体多余金属面积

筒体有效厚度 ?e??n?C?16?1.8?14.2mm

筒体多余金属面积A1，按《过程设备设计》式（4－82）确定

A1??B?d???e????2?et??e????1?fr???617.2?308.6???14.2?8.656? ?1710.88mm2b：接管多余金属面积 接管计算厚度

?.9?305t?Pcdi2???tn??P?02?151.2?0.85?0.9?1.072mm c接管多余金属面积A2，按《过程设备设计》式（4－83）确定A2?2h1??et??t?fr?2h2??et?C2?fr?2?55.55??8.2?1.072??1 ?791.92mm22.37）

（2.38）（2.39）（

c：接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm）

由于补强圈与接管及壳体的焊接是搭接焊,采用角焊缝(见下图)焊缝截面积(打网格部分)近似于三角形面积,计算时只考虑补强圈内缘与组合焊缝中填角焊缝的填角高度,如图按等腰直角三角形计算得

1A3?2??6.0?6.0?36.0mm2

2补强圈与接管及筒体焊接结构 d：有效补强面积

Ae?A1?A2?A3?1710.88?791.92?36?2538.8mm2 （2.40） ⑸ 所需另行补强面积

A4?A?Ae?2671.24?2538.8?132.44mm2 ⑹ 补强圈设计

根据接管公称直径DN300选补强圈，查《化工设备机械基础》表13－1取补强圈外径D`=540mm，内径d`=329mm。因B=617.2MM> D`,补强圈在有效补强范围内补强圈厚度为：

?`?A4132.44（2.41） ??0.63mm

D`?d`540?329考虑钢板负偏差，并经圆整，取补强圈名义厚度为5mm,如果不考虑多余金属面积，全部削去的承受应力必须截面A均由补强圈补偿，则

AD`?d`??`?1710.88?8.11mm （2.42）

540?329 为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取为筒体的厚度， ?`?10mm。

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