1、2012 届毕业（设计）论文题 目 常二线-原油换热器设计 专业班级 过程装备与控制工程 学 号 0803020218 学生姓名 石熠 学 院 机电工程学院 指导教师 刘丽芳 指导教师职称 副教授 完成日期： 2012 年 6月 3日目 录摘 要 .ABSTRACT.前言 .第一章 换热器基本知识 .1第二章 设计计算 .132.1 设计条件 .132.2 核算换热器传热面积 .132.3 压力降的计算 .202.4 换热器壁温计算 .23第三章 换热器结构设计与强度计算 .243.1 壳体与管箱厚度的确定 .243.2 开孔补强计算 .273.3 水压试验 .323.4 换热管 .333.5
2、 管板设计 .353.6 折流板 .413.7 拉杆与定距管 .443.8 防冲板 .453.9 保温层 .453.10 法兰与垫片 .453.11 钩圈式浮头 .503.12 分程隔板 .553.13 鞍座 .553.14 接管的最小位置 .57第四章 换热器的腐蚀、制造与检验 .584.1 换热器的腐蚀 .584.2 换热器的制造与检验 .59第五章 焊接工艺评定 .625.1 壳体焊接工艺 .635.2 换热管与管板的焊接 .635.3 法兰与筒体的焊接 .64第六章 换热器的安装、试车与维护 .646.1 安装 .64I6.2 试车 .656.3 维护 .65总结 .66参考文献 .6
3、8附录 A 相关文献 .69附录 B 等面积补强 VB 源程序 .76II摘 要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。本文以 PN1.6 DN800浮头式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要以常二线和原油为介质，按实际设计步骤依次进行热工计算、结构设计和强度设计，并画出换热器的 CAD结构图。主要研究内容如下：（1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。（2）通过查阅
4、换热器设计相关标准得出的数据，对浮头式换热器的进行设计，具体分为换热器的热工计算，结构计算和强度计算。（3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器支座的设计。（4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准，在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出 CAD图，对我们了解换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。关键词： 换热器 压力容器 固定管板
5、式IIIABSTRACTHeat exchanger is part of the essential equipments, which transfer thermal fluid heat to thecold fluid in the chemical production process, to achieve heat exchange and transmission.In this paper, fixed heat exchanger was used as the research object, and the development, background, class
6、ification, use, exploration and research of the heat exchanger was discussed on the basis of referring to much literature home and abroad.The comprehensive description of the whole process design of heat exchanger was discussed, using the heat exchanger design process as the main line and the struct
7、ural design as the main body. In this paper, HCl mixture was used as the medium, according to the actual design procedure followed by the calculation of thermal engineering, structural design and strength design, and also heat exchanger CAD chart was drown at last. Main research contents are as foll
8、ows:(1) The development, classification, materials, and the use of the heat exchange was elaborated to understand the basic structure and basic principles of the heat exchanger.(2) The fixed heat exchanger design was divided into the calculation, structural calculation and strength calculation on th
9、e data obtained by referring to the heat exchanger design-related standards.(3) The external heat exchanger design included the design of its cylinder, head, tube boxes and supports.(4) The interior design of heat exchanger included the design of the size of its heat exchange tube, fixed tube sheet
10、thickness and baffled baffle size.In addition, openings and opening of the pipe, as well as its attachments, each hole stress check, etc.The design data and the CAD structure map of the heat exchanger was obtained, using the pressure vessel design applications on the basis of classification and refe
11、rring to the heat exchanger design-related criteria.KEYWORDS: heat exchanger；pressure vessel；fixed heat exchangeIV前言换热器（heat exchanger） ，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其他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作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。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为三大类型即：间壁式、混合式和蓄热式。列管式换热器
12、在工业上使用最广泛。其优点是单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。列管式换热器主要有以下几个类型：固定管板式、浮头式、U 形管式换热器等。设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应满足传热效率高、体积轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作安全等要求。列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，然后进行强度和结构设计。武汉工程大学本科毕业（设计）论文1第一章 换热器基本知识1.1、传热在化工生产中的应用传热，即热量传
13、递，是自然界中普遍存在的现象。传热与化工过程的关系尤为密切。因为无论生产中的化学过程（化学反应操作） ，还是物理过程（化工单元操作） ，几乎都伴有热量的传递。传热在化工生产过程中的应用主要有以下几方面：（1） 、物料的加热、冷却或冷凝，使物料达到指定的温度和相态，以满足反应、加工、储存等的要求；（2） 、在某些单元操作（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）中，都需要输入或输出热量，才能使这些单元操作正常的进行；（3） 、化工生产中热能的合理利用和废热的回收；（4） 、化工设备和管道的保温，减少热量（或冷量）的损失。传热设备不仅在化工厂的设备投资中占有相当大的比例，而且它们所消耗的能量也是很大的。化工生
14、产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果良好；另一种是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减小热损失。传热是一门内容很广的学科，应用于许多工程领域。这里讨论的重点是传热基本原理和典型传热设备在天然气处理厂的应用。1.2、传热的基本方式根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热可以依靠一种方式进行，也可以以两种或三种方式同时进行。（1） 、热传导热传导又称导热。由于物质的分子、原子或电子的运动使热量从物体内高温处向低温处的传递过程称为热传导。一切物体，不论其内部有无质点的相对运动，只要存在温度差，就
15、必发生热传导。可见热传导是静止物体内的一种传递方式。气体、液体和固体的热传导各不相同。在气体中，热传导是由分子不武汉工程大学本科毕业（设计）论文1规则的热运动引起的；在大部分液体和不良导体的固体中，热传导是由分子的动量传递所致；在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动，因此良好的导电体也是良好的导热体。热传导不能在真空中进行。（2）热对流（对流传热）热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递。热对流仅发生在液体和气体中。由于引起流体质点相对位移原因的不同，对流可分为强制对流和自然对流。由于泵、风机或其它外力作用而引起的流体流动称为强制对流，在强制对流情况下进行的热量传递过程称为强制对流传
16、热。由于流体各部分温度的不均而形成了密度的差异，使流体发生相对运动而传热，这种过程称为自然对流传热。在流体中发生强制对流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。习惯上把流体与固体壁面间的传热，统称为对流传热。（3） 、热辐射（辐射传热）因热的原因物体发出辐射能的过程，称为热辐射。它是一种通过电磁波传递能量的过程。具体的说，物体将热能转变为辐射能，电磁波的形式在空间传递，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分地或全部地吸收而变为热能。辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的总结果。因此辐射传热不仅是能量的传递，还同时伴有能量形式的转换。热辐射不需任何介质作媒介，即可在真空中传播。这是热辐射与
17、其它传热方式不同的特点。应指出，只有在物体的温度较高时辐射传热才能成为主要的传热方式。实际上，传热过程往往不是以某种传热方式单独出现的，而是两种或三种传热方式的组合。例如化工厂普遍使用的间壁式换热器中冷、热流体间的换热，主要是以热对流和热传导相结合的方式进行传热。1.3、典型的间壁式换热器化工生产中最常见的是冷、热两种流体间的热交换。一般情况下，两种流体被固体壁面（传热面）所隔开，它们分别在壁面的两侧流动。固体壁面构成间壁式换热器。换热器是实现传热过程的基本设备。一、套管式换热器套管式换热器是由直径不同的两根直管同心套在一起组成的，热、冷流体分别流经内管和环隙，进行热的传递。内管壁表面积为传热
18、面积。武汉工程大学本科毕业（设计）论文2二、管壳式换热器1 2图 6-5 套管式换热器1内管 2外管12 3 4图 6-6 双层管壳式换热器1隔板 2壳体 3管束 4管板管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、隔板、防冲板和封头等部件构成。一种流体在换热器的管束内流动，该流体称为管程（或管方）流体；另一种流体在管束外流动，该流体称为壳程（或壳方）流体。若管程流体在管束内只流过过一次，则称为单程管壳式换热器。若流体在管束内来回流过多次，则称为多程（二程、四程等）换热器。图 为双程管壳式换热器，器内隔板将封头与管间板的空间（称为分配室）等分为二，管程流体先流过一半管束，流到另一分配室后折回再流过另一半
19、管束，最后从接管流出换热器。由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壳式换热器的传热面积是管束管壁的全部表面积，即：SndL武汉工程大学本科毕业（设计）论文3式中 S传热面积，m 2；n 管束的管数；d管径， m；L管长，m。应予指出，因管径 d 可以分别用管内径 di、管外径 d0或管平均直径 dm 来表示，故对应的传热面积分别为管内侧表面积 Si、管外侧表面积 S0和管内、外侧的平均表面积 Sm。对于一定的传热任务，确定换热器的传热面积是设计换热器的核心。1.4、换热管的排列方式流体横向流过管束时，由于管与管之间的影响，情况较复杂。管束的几何条件，如管径、管间距、排数及排列方式等都影响对流传热系数。通常管子的排列方式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形四种。3 006 009 004 50（a） (b) (c) (d) （a）正三角形 （b）转角正三角形 （c）正方形 （d）转角正方形图 6-7 管子排列方式1.5、换热器的分类化工生产中所用的换热器很多，通常可按其用途分类，也可按传热原理及换热方法分类。（一） 、按换热器的用途分类1、加热器加热器用于将流体加热到所需的温度，被加热的流体在加热过程中不发生相变化。2、冷却器
