u型管换热器设计-毕业论文.doc

吉林化工学院课程设计（说明书）吉林化工学院过程设备设计课程设计换热器设计-U型管式 专业：过程装备与控制工程姓名：黄少华学号：05420338指导教师：张志文2008年12月1525日22摘要本文扼要介绍了U型管换热器的特点及在工业中的应用和发展前景，详细的阐述了U型管式换热器的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。参照GB151-1999及换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。 设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。关键词：换热器、U型管式、结构设计、强度设计目 录摘要- -第一章 绪论1第二章 U型管换热器的特点2第三章 结构设计33.1 管箱设计33.3 封头设计43.4 管板设计53.5 拉杆和定距管的确定73.7 旁路挡板设计83.8 容器法兰的设计83.9 选取支座9第四章 强度校核94.1 管箱筒体计算94.1.1计算条件：94.1.2厚度及重量计算94.1.3压力试验时应力校核104.1.4压力及应力计算104.2 壳程圆筒计算104.2.1计算条件104.2.2厚度及重量计算114.2.3压力实验时应力校核114.2.4压力及应力计算114.3 开孔补强计算114.3.1计算条件114.3.2开孔补强计算124.3.3设计条件124.3.4开孔补强计算134.4管板和法兰的强度计算134.5仅有壳程压力作用下的危险组合工况154.6仅有管程压力作用下的危险组合工况17第五章 换热器的制造、检验、安装与维修185.1 换热器的制造、检验与验收185.1.1筒体185.1.2 换热管185.1.3管板185.1.4 折流板、支持板185.1.5 管束的组装185.1.6换热器的组装195.1.7 压力试验195.2 换热器的安装与维护195.2.1安装195.2.3 维护19结束语20参考文献21第一章 绪论在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。本次课程设计的内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以结构设计最为重要, U型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其它特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力和温度。换热器管程与壳程的温度差，换热器的热负荷，检修清洗的要求等因素决定采用哪一类的列管式换热器。由于我们水平和能力有限，设计时间仓促，存在不妥之处在所难免，恳请老师给予批评指正。第二章 U型管换热器的特点 U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器的优点是：管束可以自由伸缩，不会因为管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。缺点：管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分部管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。这就影响了其适用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的场合。第三章 结构设计3.1 管箱设计3.1.1管箱短节a 材料：由于管程走循环水，对管箱来说，要求不高，腐蚀性极低，所以选其材料为20R板材。b 加工：采用20R钢板卷制，使用氩弧打底的单向焊焊接。c 尺寸：根据GB151-1999表8中低合金钢圆筒的最小厚度规定公称直径DN=10001500时，U型管换热器筒体最小厚度为12，即=12根据GB151-89规定，短节长度L300，取L=500所以短节尺寸DN=1300，=12mm L=500。3.1.2分程隔板a 材料 ：选用Q235-A板材，许用应力。b 尺寸：根据GB151-1999表6中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定：当DN=6001200时，最小厚度为4.5,取=12。分程隔板长度L同管箱深度。c 为了使换热器在停车时将水排净，要在分程隔板上开设一个的排净孔或三角口。d 隔板应连续焊在管箱壁上。3.1.3管箱深度a 根据图21得管箱深度L=866。b 根据钢制U型管换热器结构手册P165得换热器的管箱最小长度 其中换热管内径。 各相邻的管程间分程处物料流通的最小宽度。 根据钢制U型管换热器结构手册P167表4-37选取E=1300。 h封头内曲面高度。 S封头厚度。c 管箱最大长度根据钢制U型管换热器结构手册P169中图438管箱最大长度，根据钢制U型管换热器结构手册P168：在设计中如果管箱长度不能满足，对最小长度和的要求，则应满足最小长度=365的要求来确定管箱长度，为此，取L=700。3.2 圆筒的设计a 材料：由于工作介质为丙烯，苯为易燃，中度危害的介质，以及容器的使用条件，总和经济性等选材为16MnR.b 加工与尺寸： 设计温度 T=265，设计压力 Pc=1.88Mpa,双面焊对接接头 0.85.公称直径 DN=800mm,钢板负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=3mm.由设计公式取厚度为12mm。 筒体长度l=5975mm.由于筒体的公称直径DN=800mm400mm,所以采用板材卷制而成，查换热器设计手册表1-6-5得 筒体的总重量为 240x5975x0.001=1434kg.3.3 封头设计3.2.1 受内压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800 材料：16MnR 负偏差c=0.00 腐蚀余量c=3.00取 封头的总重 71.5kg.3.2.2受外压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800 材料16MnR 假设名义厚度 负偏差c=0.00 腐蚀余量c=3有效厚度=12-0-3=9当量球壳外半径 则查GB150-1998图63 E=2.010P= 故=12合适。椭圆封头简图：（1）椭圆封头3.4 管板设计材料：选用16MnR,其许用应力（1）管板和换热器的连接型式：要求管板和换热器的连接接头严密不漏，管壳程介质不能接触，且有很高的腐蚀危险，同时由于胀接是不连续的，管子和管孔间的间隙会成为腐蚀的起点，则管板和换热器采用焊接形式。（2）管板最小厚度a 布管：管子的材料：选用材料16MnR作为换热器。本设计选取464根换热管，由GB151-1999中知管子的排列形式分为四种：三角形、转角三角形、正方形、转角正方形排列。设计的U型管换热器的换热管外径为25，壳程需用机械清洗时不采用三角形排列，所以选择正方形旋转形排列形式。由换热器手册表1-6-16得外径为25mm的换热管，当用转置正方形排列时，其换热管分程板槽两侧相邻的管中心距应为32mmx32mm正方形的对角线长，即Sn=45.255mm.b 管孔：由GB151-1999表17得换热管和管孔直径允许偏差为：换热管：管孔 。c 换热器中心距及分程隔板槽两侧相邻管中心距由于分程隔板厚度为14，为此我们取管板上的分程隔板槽深为4，宽为12。管板分程隔板槽示意图：（2）管板分程隔板槽d 布管限定圆根据表1-6-17布管限定圆有且不小于10得 所以取即其中：d管板的计算厚度 U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离Di换热器筒体内直径。布管限定圆示意图：（3）布管限定圆示意图e.管板计算管板的计算厚度： 其中：d管板的计算厚度 垫片压紧力作用中心圆直径 管板设计压力 根据锅炉压力容器法规取两值中较大值 管板强度消弱系数 设计温度下管板材料的许用应力即 据（7-556）：管板厚度应小于下列三者之和1）管板的计算厚度2）壳程腐蚀余量或结构开槽深度取大者3）管程腐蚀余量或分程隔板开槽深度取大者由前面知：1）管板的计算厚度2）壳程腐蚀余量，开槽深度 ，所以管板厚度： 取 3.5 拉杆和定距管的确定a 拉杆拉杆的结构形式：拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束。下图为拉杆定距管结构： （4）拉杆定距管结构拉杆的直径和数量由GB151-1999表43选取拉杆直径d=16mm，筒体内径为800时，拉杆数目n=6。尺寸如下图：（5）拉杆尺寸图拉杆的布置拉杆应尽量均匀的布置在管束的边缘外侧，这样可减少轻流体冲击带来的振动，防止管束损坏。b 定距管定距管采用换热器切向间距和折流板间距相同的管段套在拉杆上，一端固定在管板上，另一端用螺母拧紧国定，用来固定折流板，防止移动。尺寸：同换热器尺寸相同，长度如组件图ZB0604-2 材料选用20。3.6 折流板设计折流板的结构设计主要根据工艺过程和要求来确定，其设置的主要目的是为了增加管间流速，提高传热效果。折流板主要形式：弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计采用圆缺形单缺边折流板。材料：为保持物料清洁，选用Q235-A板材制作折流板，许用应力：。折流板尺寸：折流板缺边位置尺寸：切去部分的高度一般取折流板的间距：最小板间距：取壳体内径的或50中的较大值。本设计取50。最大板间距：折流板最大间距应保持换热管的无支承长度。用作折流时，其值应大于壳体内径。本设计取1900。折流板的厚度：折流板厚度与壳体直径换热管无支承长度有关。本设计取16。3.7 旁路挡板设计a 旁路挡板的数目：由7P600知：当公称直径DN=7001000时，采用两对挡板。b 材料：选用Q235-A板材c 尺寸及安装形式：查文献7P600知：旁路挡板的厚度一般取与折流板相同的厚度，旁路挡板嵌入折流板槽，并与折流板焊死。3.8 容器法兰的设计a 法兰的形式：根据本设计使用的介质、设计压力、设计温度、公称直径确定。法兰的结构形式为对焊法兰，法兰的密封面形式为凹凸面，材料选取16MnR。许用压力。b 法兰的选取：管法兰：HG50015028-58设备法兰：JB11571164-82拉管法兰：HG50015028-58管箱上的设备法兰：本设计选取JB1158-82甲型平焊法兰3.9 选取支座卧式换热器采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，鞍式支座是固定卧式容器中的支座形式，按照鞍式支座标准。我们选取BI1300-S和BI1300-F的支座，材料为Q235-A.F,垫板材料为16MnR板材，各部分尺寸如下所示：图为B型鞍式支座：（6）鞍式支座第四章 强度校核4.1 管箱筒体计算4.1.1计算条件：计算压力：设计温度：t=265.00内径：材料：16MnR板材试验温度许用应力设计温度许用应力试验温度下屈服点钢板负偏差腐蚀裕量焊接接头系数4.1.2厚度及重量计算计算厚度：有效厚度：名义厚度：重量为194.13kg4.1.3压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值：压力试验允许通过的应力水平：试验压力下圆筒的应力：因为 所以校核结果合格4.1.4压力及应力计算最大允许工作压力：设计温度下计算应力：因为 所以结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00 合格。 4.2 壳程圆筒计算4.2.1计算条件计算压力设计温度t=265.00内径：材料：16MnR板材试验温度许用应力：设计温度许用应力：试验温度下屈服点：钢板负偏差：腐蚀裕量：焊接接头系数：4.2.2厚度及重量计算计算厚度：有效厚度：名义厚度：重量：1434kg4.2.3压力实验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值：压力试验允许通过的应力水平：试验压力下圆筒的应力：因为 所以校核结果合格。4.2.4压力及应力计算最大允许工作压力：设计温度下计算应力：因为 所以结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00 合格。4.3 开孔补强计算接管：A 4.3.1计算条件计算压力：设计温度：t=70壳体形式：圆形筒体壳体材料名称及类型：16MnR板材壳体开孔处焊接接头系数：壳体内直径：壳体开孔处名义厚度：壳体厚度负偏差：壳体腐蚀裕量：壳体材料许用应力：接管实际外伸长度：200接管实际内伸长度：0接管焊接接头系数：1接管腐蚀裕量：2接管厚度负偏差：接管材料许用应力：4.3.2开孔补强计算壳体计算厚度：接管计算厚度： 接管材料强度削弱系数：开孔直径：补强区有效宽度：接管有效外伸长度：接管有效内伸长度：开孔削弱所需的补强面积：壳体多余金属面积：接管多余金属面积：补强区内的焊缝面积：因为，大于，所以不需要另加补强。结论：补强满足要求，不需要另加补强。 接管：B 4.3.3设计条件计算压力：计算温度：60接管实际外伸长度：200接管实际内伸长度：0接管焊接接头系数：1接管腐蚀裕量：2接管厚度负偏差：接管材料许用应力： 4.3.4开孔补强计算壳体计算厚度：接管计算厚度：接管材料强度削弱系数：开孔直径：补强区有效宽度：接管有效外伸长度：接管有效内伸长度：开孔削弱所需的补强面积：壳体多余金属面积：接管多余金属面积：补强区内的焊缝面积：因为大于A，所以不需另加补强。结论：补强满足要求，不需另加补强。4.4管板和法兰的强度计算 1.管板：材料名称：16MnR设计温度：设计温度下许用应力：设计温度下弹性模量：管板腐蚀裕量：管板输入厚度：管板计算厚度：隔板槽面积：管板强度削弱系数：管板刚度削弱系数：管子加强系数： 管板和管子连接型式：焊接管板和管子焊接高度：焊接许用拉脱应力：2.壳体法兰：材料名称：16Mn壳体法兰厚度：法兰外径：法兰宽度：比值：比值：系数：系数：旋转刚度： 3.系数计算：法兰外径与内径之比：壳体法兰应力系数Y：按k查GB150-1998表9-5得16.73旋转刚度无量纲参数：管板第一弯矩系数：按系数：系数：按查GB151-1998图29得换热管束与不带膨胀节壳刚度之比：管板第二弯矩系数：按K，Q查GB151-1999图28（a）得系数：系数：按K，Q查图30得法兰力矩折减系数：管板边缘力矩变化系数：法兰力矩变化系数：4.5仅有壳程压力作用下的危险组合工况 1.基本法兰力矩系数：不计温差应力：计温差应力： 2.壳体法兰力矩系数：不计温差应力：计温差应力：3.壳体法兰应力：不计温差应力：计算值 许用值 计温差应力：计算值 许用值 4.换热管与管板连接拉脱应力：不计温差应力：计算值 许用值 计温差应力：计算值 许用值 4.6仅有管程压力作用下的危险组合工况 1.壳体法兰力矩系数：不计温差应力：计温差应力：2.壳体法兰应力：不计温差应力：计算值 许用值 计温差应力：计算值 许用值 3.换热管与管板连接拉脱应力：不计温差应力：计算值 许用值 计温差应力：计算值 许用值 3计算结果：管板名义厚度 管板校核通过。第五章 换热器的制造、检验、安装与维修5.1 换热器的制造、检验与验收换热器的制造、检验与验收，应遵守GB151-1999和GB150-1998的有关规定。5.1.1筒体a 圆筒内直径允许偏差：用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差为0。b 圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e0.5%DN，DN=0.5%1100=5.5mmc 圆筒直线度偏差为L/1000，且当L6000mm时，其值不大于4.5mm。L=6000mm 所以直线度允许偏差4.5mm。进行检查时，应通过中心线和垂直面即沿圆周0、90、180、270四个部位测量。d 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平。e 插入式接管不应伸出管箱、壳体和头盖的内表面。5.1.2 换热管a 换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。b 管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。5.1.3管板a 管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。b 拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于级，或超声检测中的级为合格。c 换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。 d 管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值25m。5.1.4 折流板、支持板a 折流板、支持板的管孔直径及允许误差按GB151-1999中5.9.3的规定为：19.6，但允许超差0.1mm的管孔数不得超过4%。b 折流板、支持板外圆表面粗糙度Ra值不得大于25m，外圆面两侧的尖角应倒钝。还应取出折流板、支持板上的任何毛刺。5.1.5 管束的组装a 拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。b 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。 c 除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。d 管箱应在补焊后作消除应力的热处理，设备法兰应在热处理后加工。e 换热器的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等二损坏密封面。5.1.6换热器的组装a 换热器零、部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其他杂物等。b 吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管。c 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开120角。5.1.7 压力试验压力试验的方法及要求应符合GB150-1998钢制压力容器第十章10.9的规定。U型管换热气的压力试验的顺序：先用试验压环进行壳程试验，同时检查接头，水压试验压力1Mpa（表压）在进行壳程试验，合格后，再以0.105（表压）进行气密性试验。5.2 换热器的安装与维护5.2.1安装1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。3.地脚螺栓和垫铁（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有13mm的间隙。（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。5.2.3 维护换热器不得在超过铭牌规定的条件下进行。要经常对管壳程介质的温度和压降进行监督，分析换热器的泄漏和结构情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应经常监视管束的振动情况。结束语这次设计是在大学完成四年全部课程的基础上，通过实习对102、104厂的实地考察，参观了一系列的换热设备，查阅了相关资料的基础上进行的。是一次理论与实践相结合的综合性训练。两个多星期以来，我们在指导教师的热心指导下，经过个人的努力，顺利完成了本次设计任务。本次设计大致分四个步骤，首先进行的是工艺部分的计算，确定出换热面积、换热管数、管长、管程及壳程流体的流速、换热器筒体的内径等：然后就开始换热器的结构设计，通过已知条件及工艺计算部分的结果选定U型管换热器，其中涉及到了一系列零部件的设计和选择，这步工作需要参照GB151，GB150等国家标准进行设计；接着进行各零部件的强度校核，用以保证各零部件的强度和刚度，这也是设计的难点和重点。这三步工作完成以后，最后就是绘图和论文的编排与打印。设计是一个从无到有的过程，其中有很多因素都必须考虑到，因此需要一定的耐心和细心才能够完得成。在这次的课程设计过程中，使我学到了很多知识，把以前的理论知识联系到实际当中，但是，由于时间和自己掌握的知识有限，在设计的过程中难免有错误，衷心希望老师指正。参考文献1 化工设备设计手册.上海：科学技术出版社；19822 管壳式换热器:GB151-1999. 中国标准出版社出版3 钢制压力容器:GB150-1998. 中国标准出版社出版4 中华人民共和国行业标准JB/T47004707-2000.压力容器法兰，20005 压力容器与化工设备使用手册.北京：化学工业出版社 20006 换热器设计手册.北京：化学工业出版社，20027 化工原理. 天津 天津大学出版社 19998 过程设备设计. 北京 化学工业出版社 2001附件 U型管式换热器装配图图纸一张（A1）