本科毕业设计 (论文)轻质燃油冷却器设计Design of Light Fuel Oil Cooler学院：机械工程学院专业班级：过程装备与控制工程装备091 学生姓名： xxx 学号： ******xxx 指导教师：张志文（副教授）2013 年6 月目录1 绪论 (1)2 结构设计 (2)2.1 换热器类型的确定 (2)2.2换热管结构尺寸设计 (2)2.3壳体和管箱结构设计 (3)2.4分程结构设计 (4)2.5折流板和支持板结构 (4)2.6拉杆和定距管 (5)2.7防冲板和旁路挡板 (6)2.8接管及其法兰的选择 (6)3 强度计算和校核 (7)3.1筒体和封头设计 (7)3.2温差应力和管子拉脱力计算 (8)3.3法兰装置的设计及选型 (10)3.4固定管板的设计和计算 (12)3.5开孔补强的校核 (22)3.6支座设计及选型 (26)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)1 绪论1.1 换热器简介换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。

尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。

换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。

1.2 换热器分类换热器的种类很多，根据不同的工业领域可以选用不同的换热器，可以更大的发挥换热器的传递热量的作用。

现在由于人们追求换热器重量轻、占地面积少、使用经济性高，从而推动了紧凑式换热表面的发展，所以紧凑式换热器在实际应用中种类很多。

管壳式的换热器在过程工业中的应用很广泛。

除了工业中用到的主要换热器种类，如紧凑式换热器、管壳式换热器、再生器和板式换热器外，还有其他特殊的换热器，如双套管、热管、螺旋式、板壳式、夹套式等。

1.3 换热器的发展趋势近年来,随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人们的重视。

换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及许多其他工业部门的通用设备，是调节工艺介质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗的关键设备，其换热性能和动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平，其重量和造价决定了整个生产系统的投资。

根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，在现代石油化工企业中换热器的投资约占全部投资的30%-40%，其重要性可想而知。

国内对换热器强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体液态变化以及对各部件的参数优化两方面。

而其他各国对强化技术研究的侧重点不同。

换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。

近年来我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。

未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。

本课题所设计的轻质燃油冷却器是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计换热器产品，熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中去，为以后的工作和学习打下扎实基础。

2 结构设计表2-1设计条件表参数名称壳程 管程 工作压力MPa0.7 0.95 设计压力MPa1.6 1.9 工作温度(进口/出口)82.0/85.2 131.5/105.5 设计温度℃160 180 工作介质℃洗涤水 轻质燃料油 腐蚀裕量mm3.2 3.2换热面积2m 210 2.1 换热器类型的确定换热设备有多种多样的形式，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，却不太适合，或就根本不能使用。

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。

根据本课题的设计条件，两流体温度变化情况：热流体进口温度131.5℃，出口温度105.5℃；冷流体进口温度82.0℃，出口温度85.2℃，温差不大且壳程介质为洗涤水，不易结垢，管程和壳程压力都不太大，因此初步确定选用结构简单，造价较低的固定管板式换热器。

2.2 换热管结构尺寸设计2.2.3 换热管尺寸换热管的管子构成换热器的传热面，管子的尺寸和形状对传热有很大的影响。

采用小直径的管子时，换热器单位面积的换热面积大一些，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也稍高。

小管子容易结垢，不易清洗。

大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。

我国管壳式换热器常用无缝钢管，常用的尺寸主要为192mm mm φ⨯、25 2.5mm mm φ⨯和38 2.5mm mm φ⨯。

换热管长度规定为：1500mm ，2000mm ，2500mm ，3000mm ，4500mm,6000mm 和9000mm 等。

管长与壳体直径之比L D 为4~6。

本设计采用25 2.5mm mm φ⨯，长度L=4500mm 的10号无缝钢管。

2.2.4 换热管排列方式管子的排列方式有正三角形，转角正方形，正方形和转角正方形排列四种。

与正方形相比，三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。

正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。

由于本设计条件中壳程介质为洗涤水，因此换热管采用正三角形排列方法。

查参考文献[1]表3-7得管间距S=32mm 。

2.2.5 换热管数计算取插入管板的换热管总长度为0.15m换热器的实际传热面积(0.15)o F d L n π=-式中 o d —换热管外径，m ；L —换热管长度，m ；n —换热器总管数；()0.15o Fn d L π=-=()2103.140.025 4.50.15⨯⨯-=614.98根（2-1） 故换热器总管数圆整为615根换热管正三角形排列时管束中心排管数：N c=27.2==根故管束中心最大排管数可圆整为27根。

2.3 壳体和管箱结构设计2.3.1 筒体直径确定壳体内径()13i c o D S N d =-+（2-2） ()32271325=-+⨯907mm =圆整为1000i D mm = 则长径比 4.51 4.5i L D == 所以设计合理。

2.3.2 布管限定圆查参考文献[1]表3-8固定管板式：32L i D D b =-（2-3） 0.5i D d =-10000.525=-⨯987.5mm =2.3.3 管箱确定DN ≤400mm 为平盖管箱；500mm ≤DN ≤800mm 为平盖管箱或封头管箱，推荐使用封头管箱；DN ≥900为封头管箱。

故本设计分别采用B 型和M 型封头管箱。

2.3.4 管箱短节前端管箱圆筒节取1000DN mm =，长度879H mm =。

后端管箱圆筒节取1000DN mm =，长度186H mm =。

Q345R钢板是屈服强度为340MPa级的压力容器专用钢板，它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能。

主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

故本设计中管箱圆筒节和壳体材料都选用Q345R。

2.4 分程结构设计2.4.1 分程隔板分程隔板采用与封头、管箱短节相同的材料Q345R，除密封面(为可拆而设置)外，满焊于管箱上，在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面。

为了提高传热效率采用4管程结构，前端管箱隔板采用平行隔板，后端管箱隔板采用工字型隔板。

分程隔板的最小厚度不得小于下表2-2所示的数值，厚度大于10mm的分程隔板，在距离端部15mm处开始削成楔形，使端部保持10mm，结构参照图2-1。

表2-2 分程隔板的最小厚度mm公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金高合金钢≤600 8 6 >600~≤1200 10 8>1200 14 10本设计的分程隔板厚度选择14mm。

图2-1 分程隔板结构形式2.4.2 分程隔板槽碳钢，低合金钢管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm，本设计管板材料选用16Mn锻件，所以用宽度为12mm的隔板槽，槽深为5mm，分程隔板槽拐角处，倒角1045⨯。

2.5 折流板和支持板结构2.5.1 折流板类型选择常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，也可以根据需要选择其他形式的折流板。

弓形折流板压降比较大，而且存在流动死区，盘环型的压降比单弓形的小，但是传热效果较差。

矩形折流板是由开有矩形孔的大圆板和矩形挡板交错排列而成，适用于大直径大流量的场合，矩形折流板有竖放和横放两种型式，竖放用于壳程介质是液相或有冷凝液的情况，横放用于壳程是气相。

如图2-2所示。

综合考虑下本设计选择竖放形式的矩形折流板，由于折流板并不需要承受大的载荷，所以选择Q235-A 材料。

图2-2 矩形折流板结构形式2.5.2 折流板间距和数量折流板间距应不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm ，最大间距查 参考文献[1]表3-22不超过1900mm 。

最大间距应不大于圆筒内径，取0.5i B D =，则：0.51000500B mm =⨯=根据标准，取B =500mm 。

折流板数4500-1=-1=8500B N =换热管长折流板间距块 （2-4） 折流板太少会影响传热效果，折流板过多会使换热器两端压力降过大，综合考虑折流板数B N 取7块。

2.5.3 折流板尺寸筒体内径为1000mm ，矩形孔高度和宽度分别是筒体内径0.6~0.8倍和0.2~0.45倍筒体内径，故可取缺口高度和宽度分别为734mm 和334mm ，矩形挡板的高度和宽度分别为734mm 和442mm 。

换热管无支撑跨距l 取500mm 。

查参考文献[1]表3-19得折流板最小厚度为8mm ，取折流板厚度为12mm 。

2.5.4 折流板管孔和外径换热器管孔尺寸及允许偏差查参考文献[1]表3-20（b ）取0.40025.8+mm折流板外直径按参考文献[1]表3-21规定，取外直径为()0.80.8006994DN mm ---=。

2.6 拉杆和定距管2.6.1 拉杆的结构形式常用的拉杆形式有两种，由于换热管外径为25mm>19mm ，本设计选用拉杆定距管结构。

拉杆材料为Q235-A ，定距管材料为20号无缝钢管。

拉杆的直径查参考文献[1]表3- 23为16mm ，根据需要采用长度L=3230mm 拉杆4根，长度L=3730mm 拉杆8根。