1、长春理工大学本科毕业设计摘要本文依据国家相关规范、标准，严格遵循GB151-99和GB150-98，着重介绍了U型管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，包括工艺结构与机械结构设计和换热器受力元件如管板的受力计算和强度校核，以保证蒸汽过热器安全运行，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，如封头、接管、管板、折流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U型管式换热器的制造、检验、安装和维修时 的 。关键词：蒸汽过热器 传热计算 结构设计 强度校核AbstractThis thesis is based o
2、n relevant national, standards, and strictly follows theGB151-99 and GB150-98, emphatically introduces the calculation of heattechnologic process of U-tube heat exchangers, the effect with the fluids andstructure of heat exchanger, and design of kinds of mechanical structure, includingI长春理工大学本科毕业设计s
3、tructure of technologic process and mechanical structure and the loading conditionsof objects of heat exchanger and strength check ,such as, tube sheet, aimed to makethe heat exchangers work safely, the former is mostly related to component structuralform and dimension, such as Vessel Head, nozzle,
4、tube sheet, and baffle plate, and soon. And it also involves connection between tube sheet and accessories, shell andchannel. Besides it also introduces some events to taking into account whenmanufacturing, inspecting, installing and maintaining.Key words: Steam superheater; Calculation of heat tran
5、sfer; Design of structure;Strength checkII长春理工大学本科毕业设计摘要.IAbstract.II1 .11.1 .11.2换热器 工业中的 .11.3换热器 及 .21.3.1 .21.3.2 .31.4设计 及 .41.4.1设计 .41.4.2设计 .42 工艺计算及结构设计.52.1确定物 .52.2确定热流.72.2.1传热.72.2.2热流.72.3工艺结构尺寸.82.3.1管和管流currency1.82.3.2管 和传热管 .82.3.3传热校“.92.3.4传热管.92.3.5体.92.3.6折流板.102.3.7其fifl件.112.
6、3.8接管.112.3.9 设计.122.4校核传热 及换热.122.4.1壳 传热 .122.4.2管 传热 .122.4.3热和管热.132.5换热器主要 .143 结构及强度计算.153.1 U型管换热器”本 .153.1.1 据.153.1.2管 定.153.2壳体设计及检验.153.2.1壳体 .153.2.2体 检验.163.2.3壳体封头 度的计算.17I长春理工大学本科毕业设计3.2.4折流板设计及检验.173.2.5验证U型管的部.173.3管箱设计.183.3.1管箱设计.183.3.2管箱 检验.183.3.3管箱封头设计.193.3.4管箱设计.193.4管板设计计算.
7、203.5 板的设计.223.6与定 管的设计.223.7和强设计.233.7.1壳 接管强计算.233.7.2管箱 接管强计算.264 安装 及维修.284.1安装.284.2维 和检修.294.3设 工中 的 .304.3.1设 工中管 的 .304.3.2 料 与 .304.3.3 .314.3.4 器 工.31结 .32文.33.34II长春理工大学本科毕业设计1 1.1 蒸汽过热器是管壳式换热器的 ，是以 料的 装 中的主要设 。设 热蒸汽， 工序的度要求，同时 蒸汽的焓值升高，从而生 过热蒸汽， 能增效的的。换热器 日 生活中随处可 ，是不可缺少的工艺设 之 。因此换热器的 也 受
8、世界各国政府及 机构的高度重视。随着 投入的 大， 批具有 的高效换热器和强化传热元件也随之诞生。随着 的深入，工业 取得了令人瞩 的 就，社会效益得 了显著提高，缓 了能源紧张问题。换热设 是 热从热流体传递 冷流体的设 ， 化工、炼油、动力、食品、轻工、子能、制药、机械及其fi许多工业部门广泛 的 通 设 。 化工厂中，换热设 的投资约占总投资的10%20%； 炼油厂中，约占总投资的35%40%。1.2换热器 工业中的 工业生产中，换热设 的主要作 是 热由度较高的流体传递给稳较低的流体， 流体度 工艺流的指标，以满足工业流上的需要。由世界 的能源危机， 了降低能耗，工业生产中对换热器的需
9、求越越多，对换热器的质要求也越越高。近几十年，紧凑式换热器(板式、板翅式、 焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得 。前国 的换热器多 管换热器和螺旋板换热器。它的主要特点是管外换热相等。这样当交换 相较大的交换介质 管外行热交换时，由其不恒 而 不 理 的交换 的，换热效率相对较低。虽然 大结构紧凑高效的换热设 ，例如：波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等，但 各行业的换热设 中，管壳式换热器仍占据着主导地位。因 许多工艺过都具有高、高 、高 、有 等特点，而管壳式换热器具有 范 广(可 、低 、高 、 、 等)，换热 较 ， 强，处理能力大，特 是能 受高和
10、高 等特点， 以管壳式换热器 广泛 化工、炼油、 油化工、制药、 以及其它许多工业中，它 冷 、冷 、 热、蒸 和 热 等 。管壳式换热器主要由换热管 、壳体、管箱、 板、等 。换热管包括换热管、管板、折流板、 板、定 管等。换热管可 通 管，也可 翅 的翅 管，翅 管有 体制翅 管、 制翅 管、式翅 管、 式翅 管等， 料有 、低 、不currency1 、 、 、 等。壳体 形，也可 形。管箱有“封头管箱、形封头管箱和管箱等。 板可管及壳介质 多，以满足工艺需要。管壳式换热器 结构设计时，fifl 许多因素，例如传热件、 料、介质 力、度、管壳、介质结、流体 质以及检修和 件等1长春理工大
11、学本科毕业设计等，从而确定 的结构形式。对同 形式的换热器，由各 不同工， 的结构不相同。 工设计中， 其特定的件行设计，以满足工艺需要。型换热设 结构及 料 及过装 CAD/CAE/CAM” 以工流体力学、传热学、 力学 理 ”，过、工艺、结构 之中，行了化与 ， 了传 板管壳式换热器的换产品。 地 和 了流壳换热器的流体力学、传热 能及强化机理，结构的设计强度，强化换热管及管 制造，结构 能的 化，管的动力和计算机设计及 ”。从理 上 型流壳换热器”的 与工 定”。十年中 ，主要从 型管壳式换热器的 工作。由传 的板式 流壳管壳式换热器，它的高度可 和广泛 ，是其它板式高效换热器 不能 的
12、。因此， 它仍 工业生产中占主要地位。 日本其产占全部换热器的70 ， 国高 90 以上。但它 传热效率低、流体流动力大和 产生 导 动等缺点。因此 型高效能管壳式换热器， 理 和 工 中有重要 。此 直接产生 大 效益和社会效益。1.3换热器 及 20世 80年以，换热器” currency1 ， 了能源 的提高。各 型、高效换热器的相 与 了 大的社会 效益， 的、有化 例的 大，降低 本 业 求的 标。因而能设 的 与 受关 。能源的日 紧张、全 的不 升高、 保 要求的提高给换热器及高、高 换热器 了日益广的 前 。1.3.1 国传热 Heat Transfer Research In
13、c. HTRI，是1962年 的 国际 、非赢 的 作 机构。 传热机理、两相流、 动、及测 ” 做 了重要贡。近年， 计算机 软件 上很快， 的网络化软件、各 换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅省了人力，提高了效率，而且提高了” 能。英国传热及流体服 中心Heat Transfer and Fluid Flow Service HTFS，1967年 立，隶英国子能管理局。长期从 传热与流体课题的 ， 累的验和 不仅广泛 子能工业，而且 工业。 大特点是与各大学和 业 作，行专门的课题 ， 显著。 传热与流体计算上更准确， 的HTFS、TASC各类换热器微机计算软件 受欢迎。国各 机构和高等
14、院校 不 陈 ， 强化传热元件 华南理工大学相 多管、螺旋槽管、波纹管、 管等；天津大学流路、 动等 显著； 华大学 板 传热 有深入的； 强度软件 化工设 设计”中心站 SW6等；这 ” 国民 快currency1 ， 中国炼油、化工工业的 了重要作 ，也 2长春理工大学本科毕业设计中国的传热”水 入国际先水。1.3.2 物 换热器传热与流体流动计算的准确 ，取 物 的准确 。因此，物 直 传热界重点 课题之 ，特 是两相流物 的。其”源验室际工的，这恰恰是与际工 的体。有时验室与际工 较大， 此，要求物 验手段上更 先，测 的准确率更高。从而 换热器设计更 精确， 料更省。设计的 设计是近
15、 的 门兴学科，通过设计可以得 流体的流动， 得给 规强度计算 更准确、更捷的手段。这”随着计算机 的 ， ”水的 跃。会逐 取强度 验，摆脱验室繁重的劳动。大型化及能耗的 换热器随装 大型化而大型化，紧凑型换热器越越受 欢迎。当 换热器的 动损失逐渐克服，高、高 、安装、可地换热器结构朝着结构简、制造 、重轻 。强化” 各 型、高效换热器逐 取 有 规产品。电动力效 强化传热”、添 物强化沸腾传热”、通入惰 体强化传热”、滴冷 ”，微生物传热”、磁动力传热” 的世 得 和 。 料 料朝着强度高、制造工艺简、防 效好、重轻的 。控制结 的 随着能、增效要求提高， 会受 国家的重视和投入。通过对
16、的形 机理、生长currency1度、影响因素的 ，预测曲线，从而控制结，这传热效率的提高 重大突破。1.4设计 及 1.4.1设计 设计 台蒸汽过热器，设计件如 ：壳 管 物料名称 蒸汽 介质 质 毒 燃 爆，中度毒 设计 力MPa 4.6 6 工作 力MPa 3.75 5.5 工作度C 248.2/400 443.1/416.3设计度C 400 450 换热 m2 105 1 2 寿命 12年结构型式 BIU1.4.2设计 设计 遵循质、高产、安全、低耗的则，尽可能 先的”、 的国家与行业标准，以满足”先， 理之要求，具体可 括 ：1根据GB151-1999 制 力 器与 力 器 等国家标
17、准行设计。2满足工艺和操作要求。 设计的流和设 确保得 质稳定的产品，同时 设计的流与设 要具有 定的操作弹 ，以期 地对流和传3长春理工大学本科毕业设计热行调。3满足 上的要求。设计省热能和电能的消耗，减少设 与”的费， 的 流 ，省水蒸汽，设计时要全 ，力求总费 尽可能的低。4保证生产安全。 设计的换热器 具有 定的刚度和强度，设计中 根据设计 力确定 ,再校核其fi零件的强度,行水 验，保证 器具有足够的 裕度。2 工艺计算及结构设计2.1确定物 定 度：对 体和水等低黏度流体，其定 度可取流体 度的值1。故壳蒸汽的定 度 ：1.3242 4002.248 T 管 的定 度 ：7.429
18、2 3.4161.443 t 根据定 度， 查取计算壳和管流体的有关物 据的 及 例 2-1。2-1 例 2CO CO 2H 2N 4CH OH2 计含% 11.78 3.27 44.33 16.16 0.27 24.19 100根据 2-1以及化学化工物 据手册2查得各 定 度 的物 ， 2-2。2-2 物 热)/( KkgJCp 密度)/( 3mkg粘度)( sPa导热 )/( KmW 2CO 1042.22 94.1351086.2 0.0494长春理工大学本科毕业设计CO 1112.14 57.82 51073.5 0.0502H 14604 3.8651058.1 0.332N 10
19、96.25 57.8551075.6 0.0514CH 3974.91 33.6951016.3 0.11OH2 2838.9 41.34 51081.2 0.0766根据查得的物 及 化工元设 的设计3关混 体的计算式计算 的各 物 。2CO 的摩尔率 ：%09.118%19.2416%27.028%16.162%33.4428%27.344%78.1144%78.111 yCO的摩尔率 ：%48.018%19.2416%27.028%16.162%33.4428%27.344%78.1128%27.32 y2H 的摩尔率 ：%52.9018%19.2416%27.028%16.162%33
20、.4428%27.344%78.112%33.443 y2N 的摩尔率 ：%36.218%19.2416%27.028%16.162%33.4428%27.344%78.1128%16.164 y4CH 的摩尔率 ：%07.018%19.2416%27.028%16.162%33.4428%27.344%78.1116%27.05 yOH2 的摩尔率 ：%48.518%19.2416%27.028%16.162%33.4428%27.344%78.1118%19.246 y物 计算式 ： iim y 2-15.05.0iiiiim MyMy 2-2 iim CpyCp 2-5长春理工大学本科毕
21、业设计33131iiiiimMyMy 2-4式2-1计算得 密度 ：3/45.848.5%34.41%52.9086.3%07.069.33%36.285.57%48.082.57%09.113.94mkgm式2-2计算得 粘度 ：sPam 55.05.05.05.05.05.05.05.05.05.05.05.01023.218%48.52%52.9016%07.0 18%48.581.22%52.9058.116%07.016.328%36.228%48.044%09.128%36.275.628%48.073.544%09.186.2式2-3计算得 热 ：KkgkJCpm/42.1348
22、.5%9.2838%52.9014604%07.091.3974%36.225.1096%48.014.1112%09.122.1042式2-4计算得 导热 ：KmWm/28.018%48.52%52.9016%07.018%48.50766.02%52.9033.016%07.011.028%36.228%48.044%09.128%36.2051.028%48.005.044%09.1049.0313131313131313131313131则有：蒸汽 324.1，4.6MPa 的物 据如 ：密度 3/68.18 mkg定 热 KkgkJcp ./76.2导热 KmW ./054.0粘度 SPa.10096.2 5429.7，6MPa 的物 据如 ：密度 3/45.8 mkg定 热 KkgkJcp ./42.13导热 KmW ./054.0粘度 SPa.1023.2 52.2确定热流2.2.1传热先照纯逆流计算，根据式2-5计算6
