毕业设计蒸汽冷凝器设计.doc

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1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)蒸汽冷凝器设计 Design of Steam Condenser 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： （副教授） 2013 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要蒸汽冷凝器的设计摘 要：冷凝器是使用范围很广的一种化工设备，属于换热器的一种。本设计任务主要是根据已知条件选择采用浮头式换热器机的设计。首先根据给出的设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳程和管程的材料，然后根据物料性质和传热面积来确定换热管的材料，尺寸，根数。根据换热管的根数确定换热管的排列，并根据换热管的排列和长度来确定筒体直

2、径以及折流板的选择。通过对容器的内径和内外压的计算来确定壳体和封头的厚度并进行强度校核。然后是对换热器各部件的零部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，钩圈及浮头法兰的设计计算与校核和管子拉脱力的计算。还包括管板的结构设计、防冲挡板、滑道结构的设计以及支座设计。结构设计中的标准件可以参照国家标准根据设计条件直接选取；非标准件，设计完结构后必须进行相应的应力校核。关键词：换热器；强度设计；结构设计毕业设计（论文）外文摘要The Design of Steam CondenserAbstract: Condenser is a kind of chemical equipment which

3、 has wide range of application and it is also a kind of heat exchanger.The main task of this thesis is to design a floating heat exchanger based on some known information. It is important to determine the type of construction of the equipment and the material of its shell pass and tube pass first. T

4、hen, the material, size and number of the exchange tube are decided by material property and its heat transfer area. The exchange tubes need to be arranged on the basis of its number. Whats more, the diameter and the choice of baffle board are influenced by the arrangement and length of exchange tub

5、es. Furthermore, the thickness of the shell and shell cover is determined by the inner diameter and the calculation of inner and outer pressure of the container. Meanwhile, its intensity also needed to be checked. Next, it is also vital to design the intensity of components of heat exchanger, includ

6、ing the choice, calculation and checking of flange, floating flange and backing device, also the calculation of pulling-out force of the tubes. In addition, there are other things to be designed carefully, including tube plate, impingement baffle, slide and support. During the design of structure, s

7、tandard components can be referred to national standards according to the design conditions of the direct selection; as to the non standard components, corresponding stress checking is needed after the design of the construction.Keywords: heat exchanger；strength design；structure design目 录1 绪论11.1 换热

8、设备冷凝器过内外研究现状水平和发展趋势11.2 冷凝器的类型及特点12换热器的结构计算与强度校核32.1 已知条件32.2 确定管子数32.3 壳体的内径和厚度42.4拉杆的确定52.5 确定折流板52.6右端管箱的设计62.7接管和管法兰的设计72.8后端管板的设计102.9浮头盖的设计152.10右端管箱的设计 222.11侧法兰的设计 232.12支座的设计与选择 272.13吊环螺钉的设计 272.14防冲板的设计 282.15滑道的设计 283设备的维护与检修293.1设备的检查293.2换热器的清理和维护29结论 30致谢 31参考文献 32.1 绪论1.1换热设备冷凝器国内外发展

9、现状冷凝器是一种用于冷却流体的换热设备。把压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽，通过散热冷凝为液体制冷剂，制冷剂从蒸发器中吸收的热量，被冷凝器周围的介质所吸收。有蒸汽冷凝器，锅炉用冷凝器等。冷凝器常被用于空调系统，工业化工程序，发电厂及其他热交换系统中。早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器；二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业；30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热；30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工

10、厂；60年代左右，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展；70年代中期，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。与国外先进水平相比较，我国换热器产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟

11、制造、仿真制造，缺乏自主知识产权的大型专业计算软件。根据中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。国内经济发展带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业良好的发展前景。1.2冷凝器的类型和特点冷凝器有蒸汽冷凝器和锅炉用冷凝器。蒸汽冷凝器这种冷凝常应用于多效蒸发器末效二次蒸汽的冷凝，保证末效蒸发器的真空度。喷淋式冷凝器，冷水

12、从上部喷嘴喷入，蒸汽从侧面入口进入，蒸汽与冷水充分接触后被冷凝为水，同时沿管下流，部分不凝汽体也可能被带出。充填式冷凝器，蒸汽从侧管进入后一上面喷下的冷水相接触冷凝器里面装了满了瓷环填料，填料被水淋湿后，增大了冷水与蒸汽的接触面积，蒸汽冷凝成水后沿下部管路流出，不凝气体同上部管路被真空泵抽出，以保证冷凝器内一定的真空度。淋水板或筛板冷凝器，目的是增大冷水与蒸汽的接触面积。混合式冷凝器具有结构简单，传热效率高等优点，腐蚀性问题也比较容易解决。锅炉用冷凝器，又称烟气冷凝器，锅炉使用烟气冷凝器后，可有效节约生产成本，降低锅炉的排烟温度，提高锅炉热效率。使锅炉运行符合国家节能减排标准。节能减排是国家“

13、十一五”规划纲要转变经济发展方式的关键和保证，是落实科学发展观和保证经济又好又快发展的重要标志，特种设备作为耗能大户，同时也是环境污染的重要源头、加强特种设备节能减排的任务任重道远。国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要确立了单位国内生产总能源消耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%为经济社会发展的约束性指标。其是有着工业生产“心脏”之称的锅炉是我国能源消耗的大户。高效能特种设备主要是指锅炉、压力容器中的换热设备等。2 结构设计与强度校核2.1 已知条件表1 设计参数管程壳程工作介质冷却水氢气等工作压力0.45MPa2.3MPa设计压力2.5MPa3.2MPa设计温度60170换热面积

14、49m两流体的温差为11050.所以需要热补偿，可采用浮头式换热器。2.2 确定管子数选用，长为3m，材料为10号钢管的换热管。由换热面积得： （公式2-1）取管子数n为286根换热管一般不小于1.25倍的换热管外径，参照文献1取中心距a为25mm.管子采用正方形排列具体方式如下图正方形排列图1 管子的排列2.3 壳体的内径和厚度2.3.1 筒体的内径参考文献3筒体的内径可由下列公式计算 （公式2-2）式中为换热管间距，位于管束中心线上的管束管子按正方形排列时，为最外层管子的中心到壳壁的距离一般取2倍的管子外径。按标准圆整取筒体内径2.3.2 筒体的壁厚根据设计要求筒体材料选择Q345R，取设

15、计压力3.2MPa。根据国标150-1998查得设计压力下许用Q345R许用应力为170MPa。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，取焊缝系数为0.85，估计厚度在8mm到25mm，取厚度负偏差，腐蚀裕量，。计算厚度 （公式2-3）工艺要求需要取计算压力取设计压力3.2MPa，以下计算皆如此设计厚度 （公式2-4）根据文献1查得公称直径在400mm到700mm的浮头换热器壳体最小厚度不得低于8mm，取名义厚度为14mm2.3.3 筒体的压力试验设备用于非极度危害的介质，所以不需要进行气密性试验，但需要做液压试验。 （公式2-5）液压试验产生的应力 （

16、公式2-6） （公式2-7）因此所选封头的强度足够。2.4 拉杆与定距管的确定拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构如下图图2 拉杆与管板的连接拉杆采用拉杆定距管结构，按文献1表43和表44取拉杆直径12mm，拉杆数为8，材料使用Q235-A.拉杆结构如下图3 拉杆结构示意图根据文献1表45可知，拉杆公称直径为的拉杆，拉杆螺纹公称直径，取100mm。根据参考文献1选取的定距管，材料采用10号钢，长度按实际情况而定。2.5确定折流板折流板采用单弓形折流板和环形折流板，环形折流板充当支持板，提高管子的稳定性，防止换热板产生过大的挠度。弓形折流板的圆缺高为壳体直径的30%。则，切去的圆缺高度为 （公式2-

17、8）根据文献1折流板的名义外直径D=DN4.5=6004.5=595.5mm （公式2-9）弓形折流板的间距取250mm。折流板板数 （公式2-10）根据浮头换热器的特点综合考虑弓形折流板取8块。在左侧第一块折流板与左侧管板之间设置一块环形折流板。折流板材料选用Q235-A弓形折流板厚度取8mm环形折流板厚度取14mm，内圆直径335mm。根据文献1表35管空直径取19.7mm。2.6 右端管箱的设计2.6.1 分程隔板的设计根据文献1表3-1，隔板的最小厚度为8mm，取隔板厚度10mm。分程隔板槽的槽深一般不小于4mm，因此，取分程隔板槽的槽深为5mm，宽度为12mm。2.6.2 封头的设计

18、封头采用椭圆形封头，材料为Q345R。设计压力下许用应力170MPa承受内压2.5MPa，公称直径为600mm。封头计算厚度 （公式2-11）设计厚度 （公式2-12）取名义厚度和壳体一样，所以取，根据压力容器与化工设备使用手册上册，表2-2-6，对于内径600mm，厚度12mm的标准椭圆形封头，曲面高度150mm，直边高度40mm。容积0.040m，质量45kg。2.6.3 封头的压力试验设备用于非极度危害的介质，所以不需要进行气压试验，但需要做液压试验。 液压试验产生的应力 因此所选封头的强度足够。管箱短节取和封头厚度等厚，材料采用Q345R。2.6.4 管箱法兰的设计与选取由于设备重量较

19、大，应该采用刚度较大的法兰连接。有筒体内径DN=600mm，壳程压力3.2MPa，管程压力2.5MPa。根据文献4表3-1-4和文献6 ，选取长颈对焊法兰。密封面形式选用凹面。材料为，法兰为FM 600-4，质量G=85kg。对应的垫片采用缠绕垫片A22-600-4.00.2.7 接管与管法兰的设计2.7.1 接管的设计对于内径的圆筒，开孔的最大直径，且。这里筒体直径600mm，开孔的最大直径d=300mm。按照工艺，接管如下表：表2 管口表名称公称尺寸公称压力连接标准法兰型式连接面型式蒸汽入口3.2MPaHG20615-97 PN5.0WNRF蒸汽出口3.2MPaHG20615-97 PN5

20、0WNRF出液口3.2MPaHG20615-97 PN5.0WNRF冷却水入口2.5MPaHG20615-97 PN5.0WNRF冷却水出口2.5MPaHG20615-97 PN5.0WNRF排净口2.5MPa焊接放空口2.5MPa焊接2.7.2 接管法兰的设计根据设计条件以及接管尺寸，管法兰选用带颈对焊法兰，材料使用16Mn，密封面型式为凸面。2.7.3 计算开孔补强根据文献2规定，当在设计压力小于或者等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心距大于两孔直径和的两倍，且接管公称直径小于或等于89mm时，就可以不另行补强。很明显，蒸汽进出口，冷却水出入口以及出液口需要进行补强计算。其中蒸汽

21、出入口和出液口的接管尺寸和公称压力相同，可一起计算开孔直径 （公式2-13）满足等面积开孔补强的适用条件，故可用等面积法进行计算（1）壳程接管的计算步骤如下：开孔补强所需的补强面积查文献2接管材料使用10号钢，在设计温度170下的许用应力，壳体材料Q345R在设计温度170下的许用应力。强度削弱系数 （公式2-14）接管有效厚度 （公式2-15）前面壳体计算可知，开孔壳体处的计算厚度开孔所需的补强面积A （公式2-16） 有效补强范围有效宽度B的计算如下： （公式2-17）所以B取200.6mm外侧有效高度的计算如下： （公式2-18）所以取33.52mm外侧有效厚度的计算如下： （公式2-1

22、9）所以取0有效补强面积壳体有效厚度 （公式2-20）壳体多余金属面积的计算如下： （公式2-21）接管计算厚度 （公式2-22）接管多余金属面积的计算如下： （公式2-23）焊脚高度h=6mm。焊缝金属截面积计算如下： （公式2-24）有效补强面积 （公式2-25）需要补强的面积 （公式2-26）补强圈的设计根据接管公称直径DN100，参考文献4取补强圈D=200mm，内径d=115mm。因B=200.6D，补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度 （公式2-27）考虑到厚度负偏差以及圆整以及表文献43-6-1。材料与壳体一样用Q345R。为了便于制造是准备材料，补强圈的名义厚度可以取和壳体一致即

23、14mm。（2）管程冷却水出入口的补强计算：开孔直径满足等面积开孔补强的适用条件，故可用等面积法进行 开孔补强所需的补强面积开孔处壳体计算厚度查文献2接管材料使用10号钢，在设计温度60下的许用应力，壳体材料Q345R在设计温度60下的许用应力。强度削弱系数接管有效厚度开孔所需的补强面积A 有效补强范围有效宽度B的计算如下：所以B取200.6mm外侧有效高度的计算如下：所以取33.52mm外侧有效厚度的计算如下：所以取0 有效补强面积壳体有效厚度壳体多余金属面积的计算如下：接管计算厚度接管多余金属面积的计算如下：焊脚高度h=6mm。焊缝金属截面积计算如下：有效补强面积所以不需要补强。2.8 后

24、端管板的设计2.8.1 筒体法兰与垫片的选择根据文献4表3-1-4和文献6 ，筒体法兰选择与管箱法兰相同的长颈对焊法兰。密封面形式选用凹面。材料为，法兰为FM 600-4，质量G=85kg。对应的螺柱为，数量为32个。螺母采用M24，数量为64.对应的垫片采用缠绕垫片A22-600-4.00.固定管板兼做凸面法兰，材料为Q345R。因为管板兼做法兰，所以管板与密封面相配的尺寸应按所选的法兰的相应的尺寸来确定。2.8.2 右端管板的尺寸计算（1）为设计压力，因不能保证、 在任何情况下都能同时作用，故应取、中大值, =3.2MPa（2）设计温度按文献2-1998的3.4.6及文献1的3.12.1规

25、定，应取不低于元件的金属温度,但在管板计算中无法保证管、壳程介质同时作用;且管板的金属温度很难计算,故一般取较高侧的设计温度，所以选170。管子的参数：管子的外径d=19mm，厚度=2mm。换热管中心距S=25mm，隔板槽两侧相邻管中心距=38mm。换热管根数n=286，管热管长度=3000mm。查文献2-1998表F5得换热管设计温度下的弹性模量查文献2-1998表4-3得换热管设计温度下的许用应力=105MPa设计温度下换热管材料的屈服点=163MPa管板的参数：管板材料取Q345R（正火）查文献2-1998附表F5得：设计温度下的弹性模量=1.88105MPa查文献2-1998表4-1得

26、设计温度下许用应力=154MPa许用拉脱应力=0.5=0.5105=52.5MPa管板强度削弱系数=0.4管板刚度削弱系数=0.4换热管与管板胀接长度或焊接高度l=3mm结构参数及系数得确定(1)垫片压紧作用中心圆直径DG 查文献6表得=665mm =625mm （公式2-28） 所以 （公式2-29） =-2b=665-28=649mm （公式2-30）(2)-因设置隔板槽或拉杆而未能被换热管支承得面积 （公式2-31）(3)管板布管区面积 （公式2-32）(4)管板布管区当量直径 （公式2-33）(5)管子总截面积nana= （公式2-34） （公式2-35）（6）换热管有效长度L，设管

27、板的名义厚度为50mmmm （公式2-36）（7）管束模数 （公式2-37）（8）管束无量纲刚度 （公式2-38）（9）无量纲压力 （公式2-39）（10）布管区内开孔的面积 （公式2-40）（11）系数 （公式2-41） （公式2-42）（12）系数C，根据和在文献1中查图23和图24得到 (13)换热管稳定许用应力系数 （公式2-43）换热管受压失稳当量长度根据文献1图32查得 （公式2-44）管子会装半径 （公式2-45）因为/i=598/6.05=98.846.4mm （公式2-61）垫片的有效密封宽度 （公式2-62） 垫片压紧圆直径 （公式2-63）螺栓载荷螺栓材料在常温下的许用应

28、力=210MPa螺栓材料在170时的许用应力=187MPa预紧状态下需要的最小螺栓载荷 （公式2-64）操作状态下需要的最小螺栓载荷 (公式2-65) 螺栓面积预紧状态所需的螺栓面积 （公式2-66）操作状态所需的螺栓面积 （公式2-67）所需螺栓面积取与的大值，所以=4944mm根据文献2-1998中得9.5.2螺栓最大间距 （公式2-68）其中为螺栓孔直径其中=635mm为法兰螺栓圆直径螺栓最小数量 （公式2-69）查文献2表93得螺栓的最小间距=46mm螺栓最大数量 （公式2-70）因此可以取螺栓的数量为20个，型号M20，由文献5表101，查得相应螺栓的螺纹小径=17.294mm每个M

29、20螺柱的有效面积 （公式2-71）实际螺栓总面积 （公式2-72） 螺栓设计载荷预紧状态下的螺栓设计载荷 （公式2-73）操作状态下的螺栓设计载荷 （公式2-74） 法兰力矩浮头法兰内径根据文献1，表15和图13可知，可以取，图4法兰内径 （公式2-75）法兰外径 （公式2-76） （公式2-77）作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力 （公式2-78）流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差 （公式2-79）窄面法兰垫片压紧力 （公式2-80）作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力 （公式2-81）螺栓中心至法兰环内侧的径向距离mm （公式2-82）螺栓

30、中心至作用位置处的径向距离 （公式2-83） 螺栓中心至作用位置处的径向距离 （公式2-84）对法兰环截面形心的力臂 （公式2-85）管程压力操作工况下的法兰力矩 （公式2-86）预紧法兰力矩=101220018=18219600 Nmm （公式2-87）系数 （公式2-88）系数J操作工况下的 （公式2-89）预紧工况 （公式2-90）法兰厚度操作工况下厚度 （公式2-91）预紧工况下的厚度 （公式2-92）浮头法兰的公称厚度取两种工况下的大者 （公式2-93）所以假设的90mm符合要求。（2）壳程压力作用下螺栓载荷螺栓材料在常温下的许用应力=210MPa螺栓材料在170时的许用应力=187

31、MPa预紧状态下需要的最小螺栓载荷操作状态下需要的最小螺栓载荷 螺栓面积预紧状态所需的螺栓面积操作状态所需的螺栓面积所需螺栓面积取与的大值，所以=6101mm根据文献2-1998中得9.5.2螺栓最大间距其中为螺栓孔直径其中=635mm为法兰螺栓圆直径螺栓最小数量查文献2表93得螺栓的最小间距=46mm螺栓最大数量因此可以取螺栓的数量为20个，型号M20，由文献5表101，查得相应螺栓的螺纹小径=17.294mm每个M20螺柱的有效面积实际螺栓总面积 螺栓设计载荷预紧状态下的螺栓设计载荷操作状态下的螺栓设计载荷 法兰力矩浮头法兰内径根据文献1，表15和图13可知，可以取，法兰内径法兰外径作用在

32、法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差窄面法兰垫片压紧力作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力螺栓中心至法兰环内侧的径向距离mm螺栓中心至作用位置处的径向距离 螺栓中心至作用位置处的径向距离对法兰环截面形心的力臂管程压力操作工况下的法兰力矩 （公式2-94）预紧法兰力矩=113368518=20406330 Nmm系数系数J操作工况下的预紧工况法兰厚度操作工况下厚度预紧工况下的厚度浮头法兰的公称厚度取两种工况下的大者所以假设的90mm符合要求。2.9.3吊耳的设计根据文献1的规定，重量大于30kg的管箱或管箱盖须设置吊耳。吊

33、耳的尺寸如下：内圆直接为25mm，下方长宽都为60mm，厚度为20mm。2.9.4 浮头钩圈的计算选用B型钩圈，材料采用与浮头管板相同的16MnII。钩圈的设计厚度 （公式2-95） 式中：钩圈设计厚度，mm 浮头管板厚度，mm根据国标中关于B型钩圈的尺寸规定以及计算结果，确定钩圈的其它尺寸图5 钩圈示意图2.10 右端管箱的设计2.10.1 封头的设计由于压力较大，选用应力较好的标准椭圆形封头，材料采用Q345R封头内直径 （公式2-96）封头计算厚度 （公式2-97）设计厚度 取名义厚度和筒体等厚为14mm。封头曲面高度为175mm，直边高度为40mm。容积0.060m，质量为71kg。2.10.2 封头的校核液压试验产生的应力因此所选封头的强度足够。2.10.3 筒节的设计