残余应力分析系统结构设计设计
本科毕业论文(设计)
题目：X-ray残余应力分析系统结构设计
学生姓名：赵英华
指导教师：龚海
学院：机电工程学院
专业班级：机械1005班
完成时间：2014年5月27日
本科生院制
2014年5月
摘要
目前，国内残余应力测量机构多为手动或半手动装置且定位精度不高，无法满足制造业需求。故本文旨在设计一种四自由度（即X、Y、Z三维平动和Z向转动）的全自动、高精度、新型结构平台，通过此平台的移动实现放置在其上的X-ray残余应力分析仪器的精确定位，以达到高精度测量金属表面残余应力的预期效果。
本文在X、Y方向设计了滚珠丝杠副结构满足传动进给要求，Z向设计了行星滚柱丝杠副结构实现传动和一对圆锥滚子轴承实现转动。确定了系统结构主要尺寸参数，其中着重进行了三向进给传动系统的设计计算及校核。采用Pro/E软件进行三维模型绘制，重点绘制了行星滚柱丝杠副，滚珠丝杠副三维模型结构，最终构造四自由度平台三维整体模型，另外，在设计过程中对预紧、预拉伸、调隙及轴承固定等具体结构也进行了设计。后期采用Pro/E软件对此平台进行外观造型设计。
关键词：四自由度X-ray残余应力行星滚柱丝杠副三向进给传动系统计算三维模型绘制
Abstract
At present, the domestic residual stress measurement instrument mostly are manual or semi-manual device and its positioning accuracy is not high, which Can not meet industry needs .This thesis aims to design a fully automatic four degrees of freedom, high-precision, new structural platform. By moving this platform, where the X-ray residual stress analysis instruments is placed to achieve precise positioning. In order to achieve high-precision measurement of metal surface residual stress effects which is expected.
In the design process, using ball screw deputy achieve X, Y direction requirements of feed transmission, planetary roller screw deputy achieve Z direction requirements of feed transmission, a pair of tapered roller bearings for rotating the Z direction. The transmission system analysis and calculation was Completed. Determine the main dimensions of the system structure, which were focused on three directions drive feed transmission system design calculations and checking. The three-dimensional model was drawn by Using Pro / E software Focus drawn three-dimensional model of the structure of planetary roller screw deputy and ball screw deputy. Eventually construct a three-dimensional model of four degrees of freedom platform. In addition, the specific structure of preload, pre-stretch, transfer gap, and bearing fixed also were designed and constructed in the design process. In the late, the exterior of this four-DOF platform was designed by using Pro / E software
Key word: four degrees of freedom，X-ray residual stress，planetary roller screw deputy，three-dimensional model
目录
第一章绪论 (1)
1.1.··············课题的背景1
1.2.··········国内外相关产品及研发现状1
1.2.1·········国内外残余应力研究现状1
1.2.2······X射线衍射残余应力测试的基本原理2
1.3..........本文的主要研究内容及技术路线3第二章四自由度结构平台设计方案的拟定. (5)
2.1.·········X、Y方向传动进给结构的拟定5
2.2.·········Z方向几种方案可行性分析及选定5
2.2.1··········液压传动可行性分析6
2.2.2·········传统滚珠丝杠可行性分析6
2.2.3·········行星滚柱丝杠可行性分析7
2.3.···········Z方向转动结构的拟定8
2.4.·········四自由度结构平台初始参数拟定8
2.5...........四自由度平台布局形式的确定9第三章四自由度平台传动系统的理论计算 (11)
3.1.··········滚珠丝杠传动的设计与校核11
3.1.1··········滚珠丝杠传动的设计12
3.1.2··········滚珠丝杠传动的校核17
3.2.·········行星滚柱丝杠传动的设计与校核20
3.2.1········行星滚柱丝杠原理及结构介绍20
3.2.2······行星滚柱丝Z方向弯曲挠度的计算21
3.2.3·········行星滚柱丝杠传动的设计24
3.2.4··········行星滚柱丝杠的校核27
3.2.5········行星滚柱丝杠相关参数的确定30
3.3.···········同步带传动的设计与计算32
3.4.··········导轨强度校核及弯曲挠度计算35
3.5..............底座螺栓的校核37第四章四自由度平台主体结构原理性设计 (39)
4.1.···········X、Y向进给传动结构设计39
4.2.···········Z向进给传动结构设计42
4.3.·············Z向转动结构设计44
4.4............同步带及带轮结构设计45第五章平台三维布局及造型辅助设计 (46)
5.1.·······四自由度平台主要部件三维参数化建模46
5.1.1···········行星滚柱丝杠副47
5.1.2··········滚珠丝杠副及导轨47
5.1.3···········Z方向转动体结构48
5.1.4··············底座49
5.2..........四自由度平台外观造型优化设计50结论 (52)
致谢 (53)
参考文献 (54)
第一章绪论
1.1.课题的背景
随着国内科技进步和制造业发展，机械仪器制造的主流趋势向着高精密的方向发展。在此大背景下，测量机构残余应力的需求的越来越强，而且进一步要求残余应力测量机构实现全自动测量、高精度定位。但目前，国内残余应力测量机构多为手动或半手动测量装置且定位精度不高，无法满足国内制造业需求。基于上述现状，本课题旨在设计一种四自由度（即X、Y、Z三维平动和Z向转动）全自动X-ray残余应力分析系统结构平台，并使X射线衍射法测量残余应力机构实现微米级定位。从而尝试改变国内测量残余应力机构多为手动、半手动且定位精度不高的现状。
1.2.国内外相关产品及研发现状
1.2.1国内外残余应力研究现状
目前残余应力的测量方法主要有机械法和无损法两大类。机械法是从工件中将具有残余应力的部件切割或分离出来以使应力释放，通过测量其应变的变化量求出残余应力，故此方法会对工件造成一定程度的破坏或损伤，但其理论较完善、技术较成熟、测量精度也较高，目前应用依旧十分广泛。主要有取条法、切槽法、钻孔法和剥层法等，其中破坏性最小是浅盲孔法。无损法也被称为物理检测法，主要有超声法、磁性法、扫描电子声显微镜法、X 射线法、X 射线衍射法、电子散斑干涉法和中子衍射法等。这些方法对被测件没有损伤，但测量设备昂贵，故成本较高、其中以超声法和X射线法的应用最为成熟。
X 射线法是现如今应用最为广泛并且最为成熟的部件表面残余应力测量方法。由电脑控制专用的应力测量仪，配备相关软件，可以进行衍射线强度的修正、进行峰值定位及计算应力等各方面工作，使整个测量变得简单、快速。具体有如下特点：（1）技术较为成熟，测量的结果可靠、准确，精度也较高。与其他的测量方法相比，X射线衍射法在应力测量的定性和定量方面都有着较高的可信度。
（2）由于X 射线衍射的穿透深度特别浅，所能测定部件的深度只有 ，故其测量的仅为材料表面的应力状态，不会对材料造成损伤，属于无损10-35m
测量。即测量构件上的应力所用的方法为无直接接触法，特别是在研究构件各种表面强化技术处理机理，检测其工艺的效果，以及控制表面机加工质量等诸多方面有着极其重要的意义。
（3）也可精确测量沿层深应力的变化，但此时的测量已经属于有损的了，需对材料进行剥除，以便进行逐层测定。]1[
1.2.2 X 射线衍射残余应力测试的基本原理
X 射线衍射法残余应力测试的基本原理是以所测得的衍射线位移作为初始数据，我们测得结果实际为残余应变量，而残余应力是通过代入残余应变量由虎克定律计算出来的。其原理为：当样品内部存在残余应力之时，晶面的间距将产生变化，进行布拉格衍射时，所得到的衍射峰将相应的移动，而且其所移动的距离与应力大小直接相关。由波长为λ的X 射线，以不同的入射角ψ先后数次照射到样品上，测得对应的衍射角2θ，求出2θ关于ψ2sin 的斜率M ，便可计算出其内应力ψσ，其原理如图1-1所示
图1-1 X 射线衍射原理图
X 射线衍射法一般为测量样品表面某一方向上的内应力,因此需运用材料力学的方法求出ψσ。 由于X 射线对样品穿透能力并不强，对高强度铝合金来说其穿透深度不会超过60m μ，故只能用来探测铝合金样品表面的残余应力，由材料力学知识可知，样品表面残余应力分布可视作二维平面内的应力状态， 其垂直方向样品方向的主应力03≈σ，因此，可求得与样品表面法向成ψ角的应变ψε为： )(sin 1212σσψσεψψ+-+=E v E v （1- 1）
式中：1σ、2σ为样品表面的主应力，E 、v 是样品的弹性模量和泊松比。
ψσ值由衍射晶面的间距相对变化引起，且可通过衍射峰的位移计算得到 )(cot 00θθθεψψ--=?=d d （1- 2）
式中0θ为在没有应力状态下样品衍射峰的布拉格角，ψθ为有应力状态下样品衍射峰的布拉格角。 将式（1-1）代入式（1-2）并求偏导，得
ψσ=180cot )1(20πθv E +-)
(sin )2(2ψθ?? （1- 3）
令K=180cot )1(20πθv E +-,M=)(sin )2(2ψθ??,则有ψσ=M K ?。 式中，K 是由样品的材质以及衍射面所选定HKL 决定，若前述样品材质及所选定HKL 不变时，K 为定值,称为应力系数。M 为2θ对ψ2sin 的斜率，如果衍射面相同，那么选定一组ψ值，测量其对应的ψθ)2(并作出ψθ)2(-ψ2sin 图，采用最小二乘法计算出斜率M,从而得到应力ψσ,ψ是试样平面内选定主应力方向后所测得的主应力和应力方向的夹角。]2[
1.3. 本文的主要研究内容及技术路线
我国国内现有X 射线衍射测量残余应力机构多为手动或半手动调节装置，定位精度不高，对于普通合金表面残余应力测试尚能满足需求，但在航空航天等高精密仪器制造过程中，需要精确定位来测量金属表面残余应力，传统测量装置便不能满足要求。基于上述情况，本课题着重设计X 射线衍射残余应力测试四自由度运动平台的结构，以求解决此方面的问题。
本论文以满足X 射线衍射残余应力测试四自由度运动平台的结构设计为核心问题展开研究，重点进行以下几个方面的设计与论述。
1、 四自由度结构平台设计方案的拟定
查阅国内外相关资料，收集国外相关产品布局形式，运用Pro/E 三维仿真手段，构造可能的几种平台总体模型。综合分析四自由度运动平台所需满足的传动要求及精度，考虑加工及装配难度，选取切实可行的方案。
2、 四自由度平台传动系统的理论计算
重点进行三向进给传动结构的设计、校核以及Z 向丝杠弯曲挠度，X 、Y 向导
轨弯曲挠度的理论计算。在计算过程中确定传动结构中比较重要的尺寸参数。
3、四自由度平台主体结构原理性设计
重点进行四自由度平台结构设计以及设计各方向预拉伸力、预紧力的施加方式，滚珠丝杠副间隙调整结构设计等。综合分析提高其传动性能结构的措施，以实现平台结构的合理设计。
4、平台三维布局及造型辅助设计
运用计算机三维建模设计手段进行平台总体仿真设计，细化仿真平台每一零部件并进行装配，在装配过程中及时发现结构及尺寸参数设计错误并改正，后期运用三维软件进行外观优化设计以达到合理美观的要求。
第二章四自由度结构平台设计方案的拟定对于此四自由度结构平台，需实现X、Y、Z方向平动和Z向转动。卧式机床设计也需实现三向进给传动，且其传动过程与四自由度结构平台有相似之处，故在设计过程中可参考其结构，并结合四自由度结构平台实际要求做进一步设计。对于三向进给机床与四自由度平台的主要区别分析如下：
1)三向进给机床不需要实现Z方向转动，而四自由度平台需考虑Z向转动结
构及其位置安装方面设计问题。
2)机床需切削加工零件，轴向受力较大，而四自由度结构平台只需实现传动
需求，所受轴向力、扭矩较小，所需功率也较小。
3)机床Z向安装可采用两端固定的方式，但对于四自由度平台，由于平台上
需放置X-ray残余应力测量仪器，故Z向只能采用一端固定一端自由的安
装方式，由此衍生出Z向弯矩、挠度等问题需解决。
4)四自由度结构平台定位精度较高，对于大部分机床其设计没有如此高的精
度要求。
综上所述，对于三向进给机床，其在X、Y向传动进给结构设计对于本课题有一定参考价值，而对于Z方向的设计参考价值不大。
2.1.X、Y方向传动进给结构的拟定
X、Y方向可参考三向进给机床采用滚珠丝杠结构将旋转运动转换成线性运动，同时滚珠丝杠还兼具高精度、可逆性和高效率的特点。在此结构中，导轨承受X-ray残余应力分析仪器的重量，滚珠丝杠副传动只需克服摩擦力即可。由于滚珠丝杠结构较为成熟，此处不再赘述。
2.2.Z方向几种方案可行性分析及选定
平台的Z方向为垂直进给方向，由于Z轴上方要安装平台放置X-ray残余应力分析仪器，故只能采用一端固定一端自由的安装方式，而对于这种方式并没有办法安装导轨，故Z轴将承受整个平台的重量。且当仪器由于X、Y方向平移不在Z轴正上方时，对Z轴强度要求较高。经过查阅国内外相关资料，收集整理后提出以下几种解决方案
进行可行性分析。
2.2.1液压传动可行性分析
液压传动可以承受较大平台重量，对于本课题的仪器重量完全可以承受，但其定位精度能否达到微米级呢？
影响液压传动定位精度的因素主要有液压传动的移动速度和电液控制系统的响应滞后时间，理论上，两者的乘积即为定位误差。但在实际控制过程中,因电磁阀的机械滞后、液压缸运动惯性等原因也会引起定位误差,这可以通过现场调试来解决。
液压缸活塞的最低移动速度
v受活塞及活塞杆运动摩擦，以及缸筒、活塞杆等
m in
加工精度的制约而不宜太低，否则活塞杆在运动中可能产生爬行（不均匀运动）。一般
v0.1~0.2m/min。。对于电液控制系统，响应滞后的主要因素有3个：输入滤波min
器响应时间、输出继电器响应时间、程序执行扫描时间。查阅相关资料，液压传动的定位精度在2000年已经可以达到0.2mm。]6[
随着科学技术日益进步，电液控制系统的滞后时间进一步缩短，液压传动的最低速度进一步降低，使液压传动的定位精度大幅度提高，已经可以达到本课题所要求的微米级精度，可满足方案设计要求，但因我们设计的四自由度结构平台为便携式，若在此平台中增加液压系统，结构体积将会增大，且不易于携带，故此方案并不理想。
2.2.2传统滚珠丝杠可行性分析
由于本课题X射线衍射测量残余应力机器体积较小，重量仅有几十千克，经过计算，对于传统滚珠丝杠，在采用较大直径的情况下，也能勉强满足Z方向传动进给要求，但此时滚珠丝杠直径已经较大，相应的四自由度平台体积也较大。
若此X射线衍射测量残余应力机器重量进一步增加，传统滚珠丝杠则无法满足传动进给要求，由于初步方案选定时计算结果并不一定准确且所考虑因素较多，故对于测量残余应力机器重量进一步增加的情况也作了进一步分析。
对于X射线衍射测量残余应力机器重量进一步增大的情况经查阅资料分析思考，能否采用几根滚珠丝杠并联的形式？
对于几根滚珠丝杠并联的形式，电机通过同步带轮传动，使三根滚珠丝杠同时转动。因为此平台定位精度要求达到微米级，所以必须保证三根滚珠丝杠的运动形式完全相同，尤其是滚珠丝杠停止转动以及方向改变时，而这对于加工及安装精度要求过高，在现有的生产条件下很难达到，而且此种设计同样也会导致平台体积增大。综上
所述若采用此方案，尤其是单根滚珠丝杠副支承的形式，不符合机械设计的基本原则，且无创新性可言。故在指导老师的建议下，放弃此方案。
2.2.3行星滚柱丝杠可行性分析
行星滚柱丝杠是一种将旋转运动转换成线性运动的机械装置。与梯形丝杠、滚珠丝杠的传动方式有点相近，但不同点则是：行星丝杠能够在极其艰苦的工作环境下承受重载上千个小时，这样就使得行星丝杠成为要求连续工作制应用场合的理想选择。
行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线接触；而滚珠丝杠载荷传
递元件为滚珠，是点接触。主要优势是有众多的接触点来支撑负载。螺纹滚柱替代
滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高的抗冲能力。行星滚柱丝杠
的传动力的方式是与众不同的，在主螺纹丝杠周围，行星布置安装了6-8个螺纹滚
柱丝杠，这样将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动。
图2-1 行星滚柱丝杠
行星滚柱丝杠与液压缸/气缸的性能对比：
在那种需要较高承载力，或高速度的应用场合中，比起液压缸、气缸，行星丝杠电动推杆是更加理想的一种选择。行星丝杠配置简单单一的控制系统，便带来了无与伦比的优越性。并不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。行星滚柱丝杠体积小，工作寿命长，日常无需维护，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著减小
行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的性能对比：
负载与硬度：行星滚柱丝杠为受力多线接触，而滚珠丝杠为受力多点接触。接触面的增加，行星滚柱丝杠的承载能力和刚性将大大提高。在实际的应用中，对于相同的负载，选择行星滚柱丝杠将节约2/3的空间。
运行寿命：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠都适用于赫兹Hertz定律，由赫兹Hertz
压力定律，我们可以得出：行星滚柱丝杠能承受的静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍。。
超高速度：普通的滚珠丝杠为了避免滚珠之间相互碰撞，因而输入速度不超过2000rpm ；而行星滚柱丝杠的行星丝杠均布固定在主丝杠的四周，故可以运行在5000rpm 或更高的转速下，最高速度可至 2000mm/s.
通过行星滚柱丝杠和液压缸、滚珠丝杠性能的对比，我们可以得出行星滚柱丝杠的诸多优越性。行星滚柱丝杠完全能够达到此四自由度结构平台的精度要求，轴向也完全可以承受平台的重量，且具有一定的创新性。基于上述理由，Z 方向采用行星滚柱丝杠实现传动进给运动。
2.3. Z 方向转动结构的拟定
平台Z 方向转动结构设计较为简单，对于此四自由度结构平台，其Z 向装动结构既受向下轴向力又受倾覆力矩。查阅相关资料，可采用相对安装的一对圆锥滚子轴承构成的回转支承，作为滚动回转导轨使用。但由于此平台精度要求较高，故要求其回转运动部件在径向的摆动量和轴向的窜动量不得超过一定值，即对径向和轴向有精度要求。
2.4. 四自由度结构平台初始参数拟定
根据X 射线衍射测量残余应力机构的精度需要，最高定位精度应能够达到微米级，由于此四自由度结构平台承载测量仪器，故其运动速度要求不高，甚至在不影响测量时间的前提下越慢越好，故此平台轴向最高移动速度不宜过快。
对于此四自由度结构平台，X 、Y 方向性能基本相同，故可将X 、Y 方向设置为相同参数，进而减少设计计算量，同时也降低加工及安装难度。综合考虑以上因素，查阅相关资料，结合实际情况，X 、Y 方向滚珠丝杠副初始参数确定如下：
工作台轴向最高移动速度m ax v =0.6m/min ，X 、Y 方向所承受重量约为800N ，滚珠丝杠副定位精度15m μ/300mm ，全行程定位精度25m μ，重复定位精度10m μ，安装方式为两端固定，所选电机最高转速m ax n =2000 r/min ，选用滑动导轨，其中动导轨材料为HT150，支承导轨材料为HT200（淬火处理），导轨表面进行磨削处理。
平台的Z 方向为垂直进给方向，采用行星滚柱丝杠副实现传动进给要求。对于无特殊要求的参数，尽量设置为与X 、Y 方向相同，以使平台整体参数结构较为合
理。按照上述原则，Z 方向初始参数确定如下：
工作台轴向最高移动速度m ax v =0.6m/min ，Z 方向所承受重量约为1200N ，行星滚柱丝杠副定位精度30m μ/300mm ，全行程定位精度50m μ，重复定位精度30m μ，安装方式为一端固定一端自由，所选电机最高转速m ax n =2000 r/min 。
2.5. 四自由度平台布局形式的确定
经过收集分析国内外相关资料，确定布局方案如下：
1）X 、Y 向采用滚珠丝杠与导轨配合工作的机构。由电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，从而沿导轨直线运动。
2）Z 向转动通过电机联轴器形式传动，带动一对圆锥滚子轴承转动实现。但其放置位置尚未确定。
3）竖直方向（即Z 向）进给运动通过行星滚柱丝杠副将转动变为直线运动实现，其放置位置有X 、Y 向上方和下方两种选择。
综合上述布局形式的初步确定，运用Pro/E 软件做出两种不同的布局造型如下： 方案一（如图2-2所示）：将X 、Y 向结构置于最下方作为底座，Z 向移动安装于X 、Y 向上方，Z 向转动机构安装于最上方（即圆形平台下方）。
方案二（如图2-3所示）：将Z 向移动结构置于最下方通过底座固定，传动形式为电机同步带轮传动，以减小平台高度及体积。Z 想转动机构安装于Z 向移动结构上方（即X 、Y 结构下方），X 、Y 向结构安装于最上方。
图2-2 平台布局方案一
图2-3 平台布局方案二
考虑到Z向所受负载较大，且质量较大，若置于X、Y向导轨上方（即方案一），有可能导致失稳。而方案2底座较大可避免此种情况发生，另外方案2底座Z向移动采用同步带轮传动，可降低竖直方向的高度。参考国外此种平台的设计，也是将Z方向垂直进给运动安装于最下方，故在指导老师建议下确定选用方案二。
第三章四自由度平台传动系统的理论计算传动系统的理论计算是四自由度平台结构总体设计的重要部分。在总体设计阶段，我们将重点进行X、Y方向滚珠丝杠传动的设计与校核，Z方向行星滚柱丝杠传动的设计与校核等。
3.1.滚珠丝杠传动的设计与校核
滚珠丝杠的计算步骤如图3-1所示
图3-1 滚珠丝杠计算步骤
下述滚珠丝杠副均有精度要求，故选用P 类丝杠副
3.1.1 滚珠丝杠传动的设计
1）确定滚珠丝杠副的导程Ph ： m ax m ax n v P h = （2- 1）
式中：h P ——滚珠丝杠副的导程，mm ；
m ax v ——滚珠丝杠副最大移动速度，mm/min ；
m ax n ——滚珠丝杠副最大相对转速，r/min ；
已知工作台最高移动速度m ax v =0.6m/min=600mm/min ，滚珠丝杠副最大相对转速m ax n =100 r/min ，代入得h P =0.6/100=6mm ，查阅《机械设计手册》，选取h P =6mm 。
2）确定当量转速与当量载荷
（1）当量转速计算
快速进给方式下，丝杠转速 h i i P v n = （2- 2）
式中：i n ——丝杠转速，r/min ，i=1.2··· ；
i v ——进给速度，m/min ，i=1.2··· ；
①1v =0.6m/min 代入得n 1=100 r/min ，工作时间百分比为70%
②2v =0.06m/min,代入得n 2=10 r/min ，工作时间百分比为30%
当量转速
n m =n 11001t +n 21002t （2- 3） 式中：n m ——当量转速，r/min ；
t 1、t 2——工作时间百分比；
代入得n m =100?0.7+10?0.3=73 r/min
（2）当量载荷计算
平台进给过程中，滚珠丝杠所受载荷基本不变，
N m F F μ= （2- 4) 式中：μ——导轨的静摩擦系数；
N F ——导轨所受压力；
查阅相关资料，动导轨材料为HT150，支承导轨材料为HT200（淬火处理），导轨表面进行磨削处理，在润滑良好的工作条件下，速度较慢时动摩擦系数μ随运动速度变化，静摩擦因数随静止接触时间而变化，综上所述，μ取0.30。代入得F m =800?0.3=240N 。
3）预期额定动载荷计算
（1）按滚珠丝杠副预期工作时间估算
C am =c a W m h m f f f F L n 100603 （2- 5）
式中：L h ——预期工作时间（小时）（见表3-1）；
f a ——精度系数，根据初定精度等级选（见表3-2）；
f c ——可靠性系数。一般情况下f c =1.在重要场合，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90%以上时，f c （见表3-3）选；
f W ——负荷系数。根据负荷性质（见表3-4）选；
已经求得n m =73 r/min ，F m =240N ，根据表1选取L h =15000（小时），根据表3-2选取f a =1，根据表3-3选取f c =0.62，根据表3-4选取f W =1.2代入上式计算得
62
.011002.12401500073603??????=am C =1874.4N 。
表3-1 各类机械预期工作时间L h
机械类型
h L 备注 普通机械
5000-10000 h L =250（天）?16（小时）?10（年）?0.5（开机率） 普通机床
10000 数控机床
15000 精密机床
20000 测示机械
15000 航空机械 100
表3-2 精度等级f a
精度等级
1.2.3 4.5 7 10 a f 1 0.9 0.8 0.7
表3-3 可靠性系数f c
可靠性%
90 95 96 97 98 99 c f 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21
表3-4 负载性质系数f W
负荷性质
无冲击（很平稳） 轻微冲击 伴有冲击或震动 W f 1-1.2 1.2-1.5 1.5-2
（2）按滚珠丝杠副预期运行距离计算
C am =c a w m h s f f f F P L 3 （2- 6）
式中：L s ——预期运行距离（km ），一般取250km ；
上述已算得h P =6mm ，F m =240N ，已选取f a =1，f c =0.62，f W =1.2代入上式计算得
am C =62
.012.124062503???=1610.4N （3）有预加负荷的滚珠丝杠副还需按最大轴向负荷F m ax 计算：
C am =f e F m ax （2- 7） 式中：f e ——预加负荷系数，根据预载（见表3-5）选；
滚珠丝杠为轻预载，根据表3-5选取预加载荷系数f e =6.7，代入上式得am C =6.7?240=1608N
表3-5 预加载荷系数f e
预加负荷系数
轻预载 中预载 重预载 e f
6.7 4.5 3.4
取以上三种结果中较大值，最终得C am =1874.4N
4）根据精度要求确定滚珠丝杠允许的最小螺纹底径
化工原理课程设计说明书 列管式换热器的选用和设计 苏州科技学院 班级应化0921 姓名朱子屹 指导教师杨兰 2011-6-30 目录 1 化工原理课程设计任务书 2 设计概述 3 换热器方案的确定 3.1 确定设计方案 3.2确定物性数据 3.3 计算总传热系数 4 计算换热面积 5 工艺结构尺寸 5.1 管径和管内流速 5.2 管程和传热管数
5.3 平均传热温差校正及壳程数 6传热管的排列和分程方法 7换热器核算 8 换热器的主要结构尺寸和计算结果表 9 设计评述 10 参考资料 11 主要符号说明 12 特别鸣谢 1化工原理课程设计任务书 欲用井水将6000kg/h的煤油从140℃冷却至40℃，冷水进、出口温度分别为30℃和40℃。若要求换热器的管程和壳程压强降不大于30kpa，试选择合适型号的列管式换热器。假设管壁热阻和热损失可以忽略。 名称水煤油 密度 994 825 比热 4.08 2.22 导热系数 0.626 0.14 粘度 0.725×10^-3 0.715×10^-3 2.概述和设计方案简介 换热器的类型 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目和管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 2.1换热器 换热器是化工、石油、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。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体
——大学《化工原理》列管式换热器 课程设计说明书 学院： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 时间：年月日
目录 一、化工原理课程设计任务书............................................................................ . (2) 二、确定设计方案............................................................................ (3) 1.选择换热器的类型 2.管程安排 三、确定物性数据............................................................................ (4) 四、估算传热面积............................................................................ (5) 1.热流量 2.平均传热温差 3.传热面积 4.冷却水用量 五、工艺结构尺寸............................................................................ (6) 1.管径和管内流速 2.管程数和传热管数 3.传热温差校平均正及壳程数 4.传热管排列和分程方法 5.壳体内径 6.折流挡板 (7) 7.其他附件 8.接管 六、换热器核算............................................................................ . (8) 1.热流量核算 2.壁温计算 (10) 3.换热器内流体的流动阻力 七、结构设计............................................................................ . (13) 1.浮头管板及钩圈法兰结构设计 2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 3.管箱结构设计 4.固定端管板结构设计 5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设计 (14) 6.外头盖结构设计 7.垫片选择
化工原理课程设计 设计题目：列管式换热器的设计班级：09化工 设计者：陈跃 学号：20907051006 设计时间：2012年5月20 指导老师：崔秀云
目录 概述 1.1.换热器设计任务书 .................................................................... - 7 - 1.2换热器的结构形式 .................................................................. - 10 - 2.蛇管式换热器 ........................................................................... - 11 - 3.套管式换热器 ........................................................................... - 11 - 1.3换热器材质的选择 .................................................................. - 11 - 1.4管板式换热器的优点 .............................................................. - 13 - 1.5列管式换热器的结构 .............................................................. - 14 - 1.6管板式换热器的类型及工作原理............................................ - 16 - 1.7确定设计方案.......................................................................... - 17 - 2.1设计参数................................................................................. - 18 - 2.2计算总传热系数...................................................................... - 19 - 2.3工艺结构尺寸.......................................................................... - 19 - 2.4换热器核算 ............................................................................. - 21 - 2.4.1．换热器内流体的流动阻力 (21) 2.4.2.热流量核算 (22)
列管式换热器的设计计算 晨怡热管2008-9-49:49:33 1．流体流径的选择 哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例) (1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。 (2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。 2.流体流速的选择 增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。 此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。 3.流体两端温度的确定 若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。 4.管子的规格和排列方法 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有 φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。 管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。 如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，如第
根据给定的原始条件，确定各股物料的进出口温度，计算换热器所需的传热面积，设计换热器的结构和尺寸，并要求核对换热器压强降是否符合小于30 kPa的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标准来完成。具体项目如下：设计要求： =0.727Χ10-3Pa.s 密度ρ=994kg/m3粘度μ 2 导热系数λ=62.6Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.184 kJ/(kg.K) 苯的物性如下： 进口温度：80.1℃出口温度：40℃ =1.15Χ10-3Pa.s 密度ρ=880kg/m3粘度μ 2 导热系数λ=14.8Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=1.6 kJ/(kg.K) 苯处理量：1000t/day=41667kg/h=11.57kg/s 热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.57×1.6×1000×(80.1-40)=7.4×105W 冷却水用量：Wc=Q/[c pc(t2-t1)]=7.4×105/[4.184×1000×(38-30)]=22.1kg/s
4、传热面积的计算。 平均温度差 确定R和P值 查阅《化工原理》上册203页得出温度校正系数为0.8，适合单壳程换热器，平均温度差为 △tm=△t’m×0.9=27.2×0.9=24.5 由《化工原理》上册表4-1估算总传热系数K（估计）为400W/（m2·℃） 估算所需要的传热面积： S0==75m2 5、换热器结构尺寸的确定，包括： （1）传热管的直径、管长及管子根数； 由于苯属于不易结垢的流体，采用常用的管子规格Φ19mm×2mm 管内流体流速暂定为0.7m/s 所需要的管子数目：，取n为123 管长：=12.9m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，选用三管程 管子的排列方式及管子与管板的连接方式: 管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。（2）壳体直径； e取1.5d0，即e=28.5mm D i=t(n c—1)+2e=19×(—1)+2×28.5=537.0mm，按照标准尺寸进行整圆，壳体直径为600mm。此时长径比为7.5，符合6-10的范围。
课程设计设计题目：列管式换热器 专业班级：应化1301班 姓名：王伟 学号： U201310289 指导老师：王华军 时间： 2016年8月
目录 1.课程设计任务书 (5) 1.1 设计题目 (5) 1.2 设计任务及操作条件 (5) 1.3 技术参数 (5) 2.设计方案简介 (5) 3.课程设计说明书 (6) 3．1确定设计方案 (6) 3.1.1确定自来水进出口温度 (6) 3.1.2确定换热器类型 (6) 3.1.3流程安排 (7) 3.2确定物性数据 (7) 3．3计算传热系数 (8) 3.3.1热流量 (8) 3.3.2 平均传热温度差 (8) 3.3.3 传热面积 (8) 3.3.4 冷却水用量 (8) 4.工艺结构尺寸 (9) 4.1 管径和管内流速 (9) 4.2 管程数和传热管数 (9)
4.3 传热管排列和分程方法 (9) 4.4 壳体内径 (10) 4.5 折流板 (10) 4.6 接管 (11) 4.6.1 壳程流体进出管时接管 (11) 4.6.2 管程流体进出管时接管 (11) 4.7 壁厚的确定和封头 (12) 4.7.1 壁厚 (12) 4.7.2 椭圆形封头 (12) 4.8 管板 (12) 4.8.1 管板的结构尺寸 (13) 4.8.2 管板尺寸 (13) 5.换热器核算 (13) 5.1热流量衡算 (13) 5.1.1壳程表面传热系数 (13) 5.1.2 管程对流传热系数 (14) 5.1.3 传热系数K (15) 5.1.4 传热面积裕度 (16) 5.2 壁温衡算 (16) 5.3 流动阻力衡算 (17) 5.3.1 管程流动阻力衡算 (17) 5.3.2 壳程流动阻力衡算 (17)
设计（论文）题目： 列管式换热器的设计 目录 1 前言 (3) 2 设计任务及操作条件 (3) 3 列管式换热器的工艺设计 (3) 3.1换热器设计方案的确定 (3) 3.2 物性数据的确定 (4) 3.3 平均温差的计算 (4) 3.4 传热总系数Ｋ的确定 (4) 3.5 传热面积A的确定 (6) 3.6 主要工艺尺寸的确定 (6) 3.6.1 管子的选用 (6) 3.6.2 管子总数n和管程数Np的确定 (6) 3.6.3 校核平均温度差 t m及壳程数Ns (7) 3.6.4 传热管排列和分程方法 (7) 3.6.5 壳体径 (7) 3.6.6 折流板 (7)
3.7 核算换热器传热能力及流体阻力 (7) 3.7.1 热量核算 (7) 3.7.2 换热器压降校核 (9) 4 列管式换热器机械设计 (10) 4.1 壳体壁厚的计算 (10) 4.2 换热器封头选择 (10) 4.3 其他部件 (11) 5 课程设计评价 (11) 5.1 可靠性评价 (11) 5.2 个人感想 (11) 6 参考文献 (11) 附表换热器主要结构尺寸和计算结果 (12) 1 前言 换热器（英语翻译：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、食品及其它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上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。 列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。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：固定管板式换热器、浮头式换热器、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，还应该满足传热效率高、体积小、重量轻、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，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，
酒泉职业技术学院 毕业设计（论文） 2013 级石油化工生产技术专业 题目：列管式换热器设计 毕业时间： 2015年7月 学生姓名：陈泽功刘升衡李侠虎 指导教师：王钰 班级： 13级石化（3）班 2015 年 4月20日 酒泉职业技术学院 2013 届各专业 毕业论文（设计）成绩评定表
答辩小 组评价 意见及 评分 成绩：签字（盖章）年月日 教学系 毕业实 践环节 指导小 组意见 签字（盖章）年月日 学院毕 业实践 环节指 导委员 会审核 意见 签字（盖章）年月日 一、列管式换热器计任务书 某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102℃冷却至40℃。已知有机料液的流量为2.23×104 kg/h，循环冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。 已知： 有机料液在71℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度 定压比热容℃ 热导率℃
粘度 循环水在35℃下的物性数据： 密度 定压比热容K 热导率K 粘度 二、确定设计方案 （1）选择换热器的类型 （2）两流体温的变化情况： 热流体进口温度102℃出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度为40℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 （3）管程安排 从两物流的操作压力看，应使有机料液走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。 三、确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为 T= =71℃ 管程流体的定性温度为 t=℃ 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对有机料液来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。有机料液在71℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度
（封面） XXXXXXX学院 列管式换热器课程设计报告 题目： 院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导老师： 时间：年月日 目录
1、设计题目（任务书） (2) 2、流程示意图 (3) 3、流程及方案的说明和论证 (3) 4、换热器的设计计算及说明 (4) 5、主体设备结构图 (10) 6、设计结果概要表 (11) 7、设计评价及讨论 (12) 8、参考文献 (12) 附图：主体设备结构图和花版设计图 一．任务书
（一）设计题目： 列管式冷却器设计 （二）设计任务： 将自选物料用河水冷却或自选热源加热至生产工艺所要求的温度 （三）设计条件： 1.处理能力：G=学号最后2位×300t物料/d； 2.冷却器用河水为冷却介质，考虑广州地区可取进口水温度为20~30C；加热器用热水或水蒸气为热源，条件自选； 3.允许压降：不大于105Pa； 4.传热面积安全系数5～15％ 5.每年按330天计，每天24小时连续运行。 （四）设计要求： 1.对确定的设计方案进行简要论述； 2.物料衡算、热量衡算； 3.确定列管壳式冷却器的主要结构尺寸； 4.计算阻力； 5.选择合宜的列管换热器并运行核算； 6.用Autocad绘制列管式冷却器的结构（3号图纸）、花板布置图（3号图纸）； 7.编写设计说明书（包括：①.封面；②.目录；③.设计题目；④.流程示意图；⑤.流程及方案的说明和论证；⑥设计计算及说明；⑦主体设备结构图；⑧设计结果概要表；⑨对设计的评价及问题讨论；⑩参考文献。） （五）设计进度安排： 备注：参考文献格式： 期刊格式为：作者姓名.出版年.论文题目.刊物名称.卷号（期号）：起止页码。专著格式为：作者姓名.出版年.专著书名.出版社名.起止页码。 二．流程示意图
化工原理课程设计说明书列管式换热器的选用和设计
目录 1 化工原理课程设计任务书 2 设计概述 3 换热器方案的确定 3.1 确定设计方案 3.2确定物性数据 3.3 计算总传热系数 4 计算换热面积 5 工艺结构尺寸 5.1 管径和管内流速 5.2 管程和传热管数 5.3 平均传热温差校正及壳程数 6传热管的排列和分程方法 7换热器核算 8 换热器的主要结构尺寸和计算结果表 9 设计评述 10 参考资料 11 主要符号说明 12 特别鸣谢
1化工原理课程设计任务书 欲用自来水将2.3万吨/年的异丁烯从300℃冷却至90℃，冷水进、出口温度分别为25℃和90℃。若要求换热器的管程和壳程压强降不大于100kpa，试选择合适型号的列管式换热器。假设管壁热阻和热损失可以忽略。 名称水异丁烯 密度 996 12 比热 4.08 130 导热系数 0.668 0.037 粘度 0.37×10^-3 13×10^-3 2.概述与设计方案简介 换热器的类型 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 2.1换热器 换热器是化工、石油、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。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。
化工原理课程设计 学院: 化学化工学院 班级： | 姓名学号： 指导教师： $
目录§一.列管式换热器 ！ .列管式换热器简介 设计任务 .列管式换热器设计内容 .操作条件 .主要设备结构图 §二.概述及设计要求 .换热器概述 .设计要求 ~ §三.设计条件及主要物理参数 . 初选换热器的类型 . 确定物性参数 .计算热流量及平均温差 壳程结构与相关计算公式 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 计算传热系数k 计算传热面积 ^ §四.工艺设计计算 §五.换热器核算 §六.设计结果汇总 §七.设计评述 §八.工艺流程图 §九.主要符号说明 §十.参考资料
： §一 .列管式换热器 . 列管式换热器简介 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 设计任务 ￥ 1.任务 处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行） 设备形式：列管式换热器 2．操作条件 (1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃ (2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃ (3)允许压强降：不大于一个大气压。 备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。 [ .列管式换热器设计内容 1.3.1、确定设计方案 （1）选择换热器的类型；（2）流程安排 1.3.2、确定物性参数 （1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数 1.3.3、估算传热面积 （1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量 % 1.3.4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）
第一章列管式换热器的设计 1.1概述 列管式换热器是一种较早发展起来的型式，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家中已有系列化标准。列管式换热器在换热效率，紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但是它具有结构牢固，适应性大，材料范围广泛等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中得以继续应用下去。目前仍是化工、石油和石油化工中换热器的主要类型，在高温高压和大型换热器中，仍占绝对优势。例如在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜（或再沸器）和冷凝器、化工厂中蒸发设备的加热室等，大都采用列管式换热器[3]。 1.2列管换热器型式的选择 列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温度差补偿结构来分，主要有以下几种：（1）固定管板式换热器：这类换热器的结构比较简单、紧凑，造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器。 为了克服温差应力必须有温度补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。 （2）浮头换热器：换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上来连接有一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。这种型式的优点为：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。 （3）填料函式换热器：这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构与比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程终不应处理易挥发、易爆、易燃和有毒的介质。 （4）U型管换热器：这类换热器只有一个管板，管程至少为两程管束可以抽出清洗，
食品工程原理课程设计 设计题目：列管式换热器的设计 班级：食品卓越111班 设计者：张萌 学号：5603110006 设计时间：2013年5月13日~5月17日指导老师：刘蓉
目录 概述 1.1.换热器设计任务书 ......................................................................... - 7 - 1.2换热器的结构形式 ....................................................................... - 10 - 2.蛇管式换热器 ................................................................................. - 11 - 3.套管式换热器 ................................................................................. - 11 - 1.3换热器材质的选择 ....................................................................... - 11 - 1.4管板式换热器的优点 ................................................................... - 13 - 1.5列管式换热器的结构 ................................................................... - 14 - 1.6管板式换热器的类型及工作原理 ............................................... - 16 - 1.7确定设计方案 ............................................................................... - 17 - 2.1设计参数........................................................................................ - 18 - 2.2计算总传热系数 ........................................................................... - 19 - 2.3工艺结构尺寸 ............................................................................... - 20 - 2.4换热器核算.................................................................................... - 21 - 2.4.1．换热器内流体的流动阻力 (21) 2.4.2.热流量核算 (22)
第2章工艺计算 2.1设计原始数据 2.2管壳式换热器传热设计基本步骤 （1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。 （3）确定流体进入的空间 （4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据 （5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管流速 （7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核 （8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍 l （9）选取管长 N （10）计算管数 T （11）校核管流速，确定管程数 D和壳程挡板形式及数量等 （12）画出排管图，确定壳径 i （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积 （16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。
2.3 确定物性数据 2.3.1定性温度 由《饱和水蒸气表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃情况下为蒸汽，所以在不考虑开工温度、压力不稳定的情况下，壳程物料应为蒸汽，故壳程不存在相变。 对于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程混合气体的平均温度为： t=420295 357.5 2 + =℃（2-1） 管程流体的定性温度： T=310330 320 2 + =℃ 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 2.3.2 物性参数 管程水在320℃下的有关物性数据如下：【参考物性数据无机表1.10.1】 表2—2 壳程蒸气在357.5下的物性数据[1]：【锅炉手册饱和水蒸气表】 表2—3
化工原理课程设计 题目：列管式换热器设计 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2015 年-2016 年学年第1 学期
目录 设计任务书3 前言4 一．工艺说明及流程示意图5 1. 工艺流程5 酒精的工艺流程5 冷却流程图5 白酒加工工艺流程5 冷却流程5 2. 工艺说明6 流体流入空间的选择6 出口温度的确定(含算法程序)6 流速的选择7 计算平均温差8 二．流程及方案的论证与确定8 1. 设计方案的论证8 2. 确定设计方案及流程 8 选择物料8 确定两流体的进出口温度9 确定流程9 换热器类型的选择 9 三．设计计算及说明9 1. 流体物性的确定9 水的物性9 无水乙醇的物性9 2. 初步确定换热器的类型和尺寸9 计算两流体的平均温度差9 计算热负荷和冷却水流量10 传热面积10 选择管子尺寸11 计算管子数和管长,对管子进行排列,确定壳体直径11根据管长和壳体直径的比值,确定管程数12 3. 核算压强降12 管程压强降12 壳程压强降12 4. 核算总传热面积14 管程对流传热系数α014 壳程对流传热系数αi14 污垢热阻15
总传热系数K’15 传热面积安全系数 15 壁温的计算15 4. 7 偏转角的计算 (15) 四．设计结果概要表16 五．对设计的评价及问题的讨论17 1.对设计的评价 (17) 2.问题的讨论 (17) 六．参考文献18 七．致谢 八．附录：固定管板式换热器的结构图、花板布置图 设计任务书 设计题目：列管式换热器设计。 设计任务：将自选物料用河水冷却或自选热源加热至生产工艺所要求的温度。 /d； 三、设计条件：1．处理能力G = 学生学号最后2位数×300 t 物料 2．冷却器用河水为冷却介质，考虑广州地区可取进口水温度为20～30℃；加热器用热水或水蒸汽为热源，条件自选。
化工原理课程设计说明书列管式换热器设计 专业：过程装备与控制工程 学院：机电工程学院
化工原理课程设计任务书 某生产过程的流程如图3-20所示。反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为220301kg h ，压力为6.9MPa ，循环冷却水的压力为0.4MPa ，循环水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。 已知： 混合气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度 3190kg m ρ= 定压比热容1 3.297p c kj kg =g ℃ 热导率10.0279w m λ=g ℃ 粘度51 1.510Pa s μ-=?g 循环水在34℃下的物性数据： 密度 31994.3kg m ρ= 定压比热容1 4.174p c kj kg =g K 热导率10.624w m λ=g K 粘度310.74210Pa s μ-=?g
目录 1、确定设计方案 ............................................................................................. - 4 - 1.1选择换热器的类型 (4) 1.2流程安排 (4) 2、确定物性数据............................................................................................. - 4 - 3、估算传热面积............................................................................................. - 5 - 3.1热流量 (5) 3.2平均传热温差 (5) 3.3传热面积 (5) 3.4冷却水用量 (5) 4、工艺结构尺寸............................................................................................. - 5 - 4.1管径和管内流速 (5) 4.2管程数和传热管数 (5) 4.3传热温差校平均正及壳程数 (6) 4.4传热管排列和分程方法 (6) 4.5壳体内径 (6) 4.6折流挡板 (7) 4.7其他附件 (7) 4.8接管 (7) 5、换热器核算 ................................................................................................ - 8 - 5.1热流量核算 (8) 5.1.1壳程表面传热系数.......................................................................................... - 8 -5.1.2管内表面传热系数.......................................................................................... - 8 -5.1.3污垢热阻和管壁热阻...................................................................................... - 9 -5.1.4传热系数.......................................................................................................... - 9 -5.1.5传热面积裕度.................................................................................................. - 9 -5.2壁温计算. (9) 5.3换热器内流体的流动阻力 (10) 5.3.1管程流体阻力................................................................................................ - 10 -5.3.2壳程阻力........................................................................................................ - 11 - 5.3.3换热器主要结构尺寸和计算结果................................................................ - 11 - 6、结构设计 .................................................................................................. - 12 - 6.1浮头管板及钩圈法兰结构设计 (12) 6.2管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 (13) 6.3管箱结构设计 (13) 6.4固定端管板结构设计 (14) 6.5外头盖法兰、外头盖侧法兰设计 (14) 6.6外头盖结构设计 (14) 6.7垫片选择 (14)
列管式换热器结构设计毕业设计论文 第一章换热器概述 过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂，约占总投资的35%～40%。 1.1 换热器的应用 在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。 1.2 换热器的主要分类 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。 1.2.1 换热器的分类及特点 按照传热方式的不同，换热器可分为三类： 1.直接接触式换热器 又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两
种流体混合的场合。 2.蓄热式换热器 在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。 蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气--气热交换的场合。 3.间壁式换热器 这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为： （1）管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等； （2）板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等； （3）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。 1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。 管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图1-2-1所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。