BIU毕业设计方案说明指导书.doc

摘 要换热器是进行热互换操作惯用工艺设备，它被广泛应用于各个换热工业部门。特别是在石油和化学工业生产中占有很大作用，换热器经常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。随着信息时代及全球经济一体化进程到来，虚拟制造先进制造模式和技术正在成为制造工程界研究和应用重点领域，本文就针对虚拟制造技术一种重要环节虚拟装配技术进行了研究。本文重要研究内容：本次设计重要运用Solidworks软件对换热器进行实体建模。（1）对BIU1200甲烷换热器国内外发呈现状进行了概述；（2）对BIU1200甲烷换热器研究意义及内容做了简朴简介；（3）对BIU1200甲烷换热器进行构造设计与强度计算。（4）本次设计重点，BIU1200甲烷换热器3D零件库建立及虚拟装配。通过这次BIU1200甲烷换热器实体建模使我进一步理解了换热器构造构成，在装配过程中，更加直观抽象掌握了换热器各元件之间装配关系以及互相之间联系。运用Solidworks将二维图形生成实体，通过零件之间关系组装成装配体，然后运用Solidworks工程图功能，将装配后实体图转化成二维平面图。保存为.dxf格式，在AutoCAD里编辑成图。核心词：换热器；构造设计；实体建模；虚拟装配AbstractThe heat exchanger is the general process equipment for exchanging heat，and is used in many kinds of the industrial department. Especially，in petroleum and chemical industry production，we usually need The heat exchanger to heat the hypothermia fluid or cool the hypothermia fluid，and carburet the fluid to fume or condense the fume to fluid. With the coming of Information Times and economy intergrative,advanced pattern of manufacture and technology for Virtual Assembly is becoming important area in manufacture engineering.This design uses software of Solidworks to build model for boiler （1）Summarize of domestic and overseas developing situation for BIU1200 marsh gas heat exchanger; （2）Simply introduce research significant and content for BIU1200 marsh gas heat exchanger; （3）Simply do structural design and strength calculation for BIU1200 marsh gas heat exchanger;（4）The main point of this design，3D Design and Virtual Assembly for BIU1200 marsh gas heat exchanger; Through this substantive process make me know more about structure component of boiler ,in the process of assembly，I learn relationship and connection between every component of boiler more intuitional and abstract. Use Solidworks change two-dimension to substantive，assemble component，then ，make use of function about schedule drawing in Solidworks change substantive to two-dimension and save to .dxf pattern,and edit in AutoCAD.Key Words：the heat exchanger；structural design；solid model building；virtual assembly目 录摘 要IAbstractII第1章 引 言11.1换热器国内外发呈现状及发展趋势11.2 BIU1200甲烷换热器三维设计及虚拟装配研究重要研究内容31.3 BIU1200甲烷换热器三维设计及虚拟装配研究意义4第2章 BIU1200甲烷换热器总体设计52.1 计算介质定性温度及拟定其物性数据52.2平均有效温差计算62.2.1 平均有效温差62.2.2 按流程分派形式修正平均有效温差62.3 热量衡算72.4 物料衡算72.5 传热计算82.5.1 初选总传热系数，估算换热面积82.5.2 拟定换热管规格和排布形式82.5.3 估算换热管根数82.5.4 按介质特性决定流体走向及管程数92.5.5 换热器排管并拟定参数92.5.6 计算换热器管程流速、管内传热系数102.5.7 计算壳程流速、管外传热系数122.5.8 计算总传热膜系数152.5.9 壁温计算152.5.10 校核算际粘度比162.5.11 校核传热面积162.6 压力降计算172.6.1 管程压力降172.6.2 壳程压力降18第3章 BIU1200甲烷换热器强度计算243.1 换热器强度计算条件拟定243.1.1 设计压力拟定243.1.2 换热器计算压力243.1.3 设计温度拟定243.1.4 主体材料选取243.2 容器筒体强度计算243.2.1 筒体计算参数及材料力学性能243.2.2 筒体焊接接头系数253.2.3 容器筒体厚度计算253.2.4 压力实验时应力校核263.2.5 压力及应力计算273.3 换热器封头强度计算283.3.1 管箱封头计算参数及材料力学性能283.3.2 壳体封头计算参数及材料力学性能303.4 容器开孔补强计算323.4.1 接管计算参数及材料力学性能323.4.2 容器开孔数据323.4.3 管箱接管口补强计算333.4.4 筒体接管口补强计算373.5 容器法兰计算393.5.1 管箱法兰计算参数393.5.2 管箱法兰垫片设计393.5.3 管箱法兰螺栓设计413.5.4 管箱法兰设计433.6 BIU1200甲烷换热器管板强度计算473.6.1 设计参数选取473.6.2 管板与换热管构造尺寸483.6.3 材料及设计数据493.6.4管板名义厚度513.6.5换热管轴向应力513.6.6换热管与管板连接拉脱力523.7 BIU1200甲烷换热器支座选取53第4章 3D零件库建立及虚拟装配研究544.1 软件简介544.2 零件库建立564.2.1 零件生成564.2.2 生成零件564.3 虚拟装配584.3.1 装配体文献建立584.3.2 插入零件584.3.4 本章小结62参照文献64致 谢65第1章 引 言换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业一种通用设备。换热器种类繁多，若按其传热面 形状和构造进行分类可分为管型，板型和其她型式换热器。而管型换热器又可分为蛇管型换热器、套管式换热器、管壳式换热器。板型换热器可分为螺旋板式换热器、板式换热器、板翘换热器、板壳式换热器。其她型式换热器是为了满足一种特殊规定而浮现换热器，如回转式换热器，热管式换热器等。在 众多类型换热器构造中，管壳式换热器是用得最广泛得一种换热设备类型。BIU1200甲烷换热器是典型管壳式换热器一种U形管换热器设备。U 形管换热器构造是只有一块管板，管束由多跟 U 形管构成，管两端固定在同一块管板上，换热管可以自由伸缩。它长处：以 U 形管尾部自由浮动解决了温差应力问题。构造简朴，价格便宜，承压能力强。缺陷：由于受管弯曲半径限制，布管较少。壳程流体易形成短路。坏一根U形管相称于坏两根管，报废率较高。 合用范畴：是换热器中唯一可用于高温，高压，高温差换热器。合用于管壳壁温差较大或壳程介质结垢需要清洗，又不适当采用浮头式和固定管板场合。1.1换热器国内外发呈现状及发展趋势近年来，随着国内石化、钢铁等行业迅速发展，换热器需求水平大幅上涨，但国内公司供应能力有限，导致换热器行业呈现供不应求市场状态，巨大供应缺口需要进口来弥补 。据记录，国内平均每年从国外进口换热器32.49万台，总金额达到34.02亿美元。其中，仅一年就进口了34.11万台，共计4.9亿美元。虽然，国内换热器出口数量也不少，但其规模远远不大于进口规模。，国内换热器进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多44640台、8021.6万美元、245.72美元/台；但到了，进出口间差距已扩大到75667台、34517万美元和1347.57美元/台。这阐明，国内换热器市场增长速度远远超过了供应增长速度。通过对U形管换热器产品近几年市场价格跟踪与检测，U形管换热器在国内发展历程和现状，U形管换热器发展项目宏观发展环境，U形管换热器市场竞争状况激烈，U形管式换热器在国内外公司优势，U形管式换热器项目产业发展前景与其趋势，以及中华人民共和国本土对U形管换热器项目产业发展问题，都是咱们要在将来所要解决问题1。 本设计所需某些软件，如SOLIDWORKS软件，它自1996年问世之后，就进入了中华人民共和国CAD/CAM市场，数年来SOLIDWORKS软件在草图图元类型，编辑和复制草图功能，以及编辑与复制特性功能上，均有长足进步，更增添了许多关于曲线以及曲面构图功能，可以让设计师更以便地建立脑海中想要造型。Solidworks一贯倡导三维机械设计软件“功能强大”、“易用性”和“高效性”。使用Solidworks进行产品设计，设计人员不但能体会到Solidworks强大建模能力、装配能力以及灵活工程图操作，并且可以感受到Solidworks设计时所带来轻松和效率2。在国内，最流行CAD软件莫过于AutoCAD。但在整个CAD工程应用领域，AutoCAD等二维CAD软件只能被称为低端应用，而面向汽车和飞机等复杂产品设计应用CATIA、UG和ProENGINEER等称为高品位CAD软件。近年来发展迅猛Solidworks、Solidworks等被称为CAD中端软件。为了适应新形势，国家劳动和社会保障部启动了全国当代制造技术应用软件远程培训工程，以解决数控技工紧缺等突出问题，为当代制造技术应用和推广打下良好人才基本。同步国内也加快了在国产CAD/CAM/CAE软件研发工作，国产CAXA系列CAD/CAM软件就是其中之一，CAXA系列CAD/CAM软件具备技术领先、全中文界面、易学、实用等特点，是一套Windows原创风格、功能强大三维造型、曲面实体完美结合CAD/CAM一体化软件。CAXA制造工程师为数控加工行业提供了造型设计、生成加工代码、检查一体化全面解决方案，当前已广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、机械加工、电子、电力、家电、轻工、设备制造等行业。在这些CAD/CAM/CAE软件中中端软件Solidworks在设计效率、操作便易限度等方面，都是当之无愧佼佼者。中端CAD软件在功能方面稍逊于高品位CAD软件，但已经完全可以满足产品设计所有规定，命令执行过程更为简朴直观，拥有较高建模效率因而特别适合中小公司。它对于当代产品开发过程支持体当前下下面几种方面：1、采用三维方式表达产品模型。2、参数化。3、一致性。4、对于高档设计技术支持：自顶向下设计。5、丰富工程应用支持。6、丰富检测手段，保持设计数据一致性，减少设计失误。7、产品展示。8网络互动与协作34。Solidworks公司刚发布最新版本SolidWorks,除了有超过200项新增功能外，还推出了创新Solidworks智能特性技术SWIFT。该技术初次将3D CAD最具挑战性设计操作中专家级技术交付到每位顾客手中。SWIFT技术平台，涉及特性专家、草图专家、配合专家、尺寸专家。它将影响CAD技术发展并引领三维设计进入新潮流5。1.2 BIU1200甲烷换热器三维设计及虚拟装配研究重要研究内容课题重要工作内容如下:1. 全面收集大量有关技术文献，进行文献综述。2. 运用Solidworks所提供各项造型命令和功能，进行BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器设计。3. 基于Solidworks环境，运用参数化设计、工程制图等核心技术研究BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器三维建模。4. 采用级联层次单元模型建立产品模型办法，对BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器进行虚拟建模、虚拟装配，然后对BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器虚拟模型进行干涉分析，为检查BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器构造设计中动静态干涉问题，为装配过程提供对的、有效装配序列和验证途径规划合理性提供可靠根据6。5. 结合Solidworks强大二维工程图编辑功能， 提出三维(3D)向二维(2D)自动转换建立工程图办法，生成BIU1200甲烷换热器进出料（U形管式）换热器零部件模型二维工程图。1.3 BIU1200甲烷换热器三维设计及虚拟装配研究意义BIU1200甲烷换热器是一种通用原则换热设备。它有构造简朴、结实耐用、造价低廉、用材广泛、清洗以便、适应性强等长处，在化、石油、冶金、制药等行业中得到广泛应用。在换热器制造中，专业化生产趋势仍将继续。加工中向“多轴化”和“数字控制化”发展。采用新技术、新工艺、新材料，提高自动化水平，提高劳动生产率，减少制导致本仍将是基本发展目的。随着工业迅速发展，能源消耗量不断增长，能源紧张已成为一种世界性问题。为了缓和能源紧张状况，世界各国要竞相采用各种节能办法，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一种重要课题，换热器在节能技术改革中具备很重要作用，体当前两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以明显提高设备热效率。第2章 BIU1200甲烷换热器总体设计2.1 计算介质定性温度及拟定其物性数据表2-1 介质温度及流量壳程/管程75%H2、N2混合气75%H2、N2精制气流量（/h）14399/温度数据单位（）1502790215流体平均温度Tm和tm：Tm =（215+90）/2 =152.5 tm = （150+27）/2=88.5 按介质定性温度，查关于设计手册拟定介质物性数据45。介质定性温度及物性数据见表2-2：表2-2 介质定性温度及物性数据公 式符号单位介质75%H2，N2精制气75%H2、N2混合气定性温度152.588.5物性数据1120212930.000110.00017物性数据1202.1100940.1530.0242.2平均有效温差计算2.2.1 平均有效温差平均有效温差按式（2-1）计算 （2-1）式中： 壳程出口温度，=150 壳程进口温度，=215 管程出口温度，=90 管程进口温度，=27 2.2.2 按流程分派形式修正平均有效温差计算参数和为：按和查关于图表4得到温差修正系数：修正后平均有效温差，按式（2-2）计算 （2-2）式中：平均有效温差，2.3 热量衡算热流量按式（2-3）计算 （2-3）式中：75%H2，N2混合气流量，75%H2，N2混合气比热，2.4 物料衡算75%H2、N2精制气流量按式（2-4）计算 （2-4）式中： 热流量，75%H2、N2精制气比热，2.5 传热计算2.5.1 初选总传热系数，估算换热面积由文献6初选总传热系数值，单位：计算换热面积，按式（2-5）计算 （2-5）式中：修正后平均有效温差，2.5.2 拟定换热管规格和排布形式 换热管外径： 换热管内径： 换热管壁厚： 换热管长度： 换热管间距： 因此可以看出换热管排布形式为：正方形排布，旋转2.5.3 估算换热管根数 换热管根数按式（2-6）计算： （2-6）式中：估算换热面积， 换热管外径，换热管长度，2.5.4 按介质特性决定流体走向及管程数为便于清洁，75%H2、N2精制气决定走管程，75%H2、N2混合气走壳程；管程数。2.5.5 换热器排管并拟定参数依照估算换热管根数，按转正方形排列，换热管排列见图2-1。有关构造数据如下：图2-1 换热管排列壳体内径：中心排管边沿最大直径：换热管根数：接近中心线管排上管子数：16折流板切口率（或缺口尺寸）：圆缺区内管子数：折流板上管口数：拉杆数量：12折流板上拉杆孔数：6 旁路挡板数折流板间距折流板数量2.5.6 计算换热器管程流速、管内传热系数管内实际75%H2、N2精制气速度： （2-7）式中：换热管内径， 管内75%H2、N2精制气流量， 换热管数量， 管程数， 管内75%H2、N2精制气密度，雷诺准数： （2-8）式中：75%H2、N2精制气粘度， 换热管内径， 普兰德准数： （2-9）式中：75%H2、N2精制气导热系数， 换热器管程传热系数： （2-10）75%H2、N2精制气导热系数，换热管内径，2.5.7 计算壳程流速、管外传热系数壳程当量直径： （2-11）式中：壳体内径，换热管外径， 换热管数量，流体横过管束时流通面积： (2-12) 式中： 折流板间距， 换热管间距 ， t=0.05m 折流板切除高度： （2-13） 式中：折流板切口率（或缺口尺寸）， 弓形区扇角，折流板弦长： (2-14) 弓形面积： （2-15） 式中：折流板切除高度，H=0.3m 管子截面积与壳体截面积之比：正方形排列： (2-16)圆缺区内流通面积： (2-17) 几何平均流通面积： (2-18) 单位面积质量流量： (2-19) 式中：壳程气体流量，雷诺准数： （2-20） 式中：75%H2、N2混合气粘度，普兰德准： （2-21）依照文献4假设粘度比： 壳程给热系数： (2-22)式中：75%H2、N2混合气导热系数，2.5.8 计算总传热膜系数 查阅关于设计手册8，得到如下参数数据壳侧污垢热阻： 管侧污垢热阻： 管壁导热系数： 依照以上参数和数据，可由公式（2-23）计算总传热膜系数： （2-23） 式中：换热管壁厚，因此： 2.5.9 壁温计算壳侧壁温 按式（2-24）计算得出： （2-24）代入数据得：管侧壁温按式（2-25）计算得出： （2-25）代入数据得： 平均壁温：2.5.10 校核算际粘度比由文献6查得热流体在壁温下粘度壳侧实际粘度比 2.5.11 校核传热面积计算传热面积： 实际传热面积：面积裕度：，满足换热规定。2.6 压力降计算2.6.1 管程压力降（1）直管压力降依照查图7得到管内摩擦系数 直管压力降按公式（2-26）计算得出： （2-26） 代入数据得：（2）管程回弯压力降 （2-27）代入数据得： （3）管箱进出口压力降由文献5假定管箱进出口速度： 管箱进出口压力降按公式（2-28）计算得出： （2-28）代入数据得： （4）管程总压力降 （2-29）代入数据得：管程总压力降，满足压力降规定。2.6.2 壳程压力降（1） 管束垂直流动压力降接近中心管排处最小错流截面积FB按公式（2-30）计算得出： （2-30）代入数据得： 接近中心排管处垂直流动最大质量速度GB按公式（2-31）计算得出： （2-31）代入数据得： 接近中心排管处雷诺数：由文献4查得摩擦系数 管束外缘与壳体内壁之间流通截面积Fc按公式（2-32）计算得出： （2-32） 代入数据得：旁流修正系数按公式（2-33）计算得出： （2-33）代入数据得： 压力降按公式（2-34）计算得出： （2-34）代入数据得：（2）通过折流板缺口处流动压力降由文献5查得计算系数：切边率25%，折流板缺口处流通面积按公式（2-35）计算得出： （2-35）代入数据得： 折流板缺口处流速按公式（2-36）计算得出： （2-36）代入数据得： 最小错流截面上流速按公式（2-37）计算得出： （2-37）代入数据得： 几何平均流速按公式（2-38）计算得出： （2-38）代入数据得： 压力降按公式（2-39）计算得出： （2-39）代入数据得： （3）壳体中压力降折流板管孔和传热管外径之间间隙流通截面积按公式（2-40）计算得出： （2-40）代入数据得：折流板管孔和壳体内壁之间间隙流通截面积按公式（2-41）计算得出： （2-41） 代入数据得：按，查图6得到压力降修正系数：修正系数按公式（2-42）计算得出： （2-42）代入数据得：壳体压力降按公式（2-43）计算得出： （2-43）代入数据得：（4）壳程进出管中压力降依照文献9假定壳程进出口速度：壳程进出管中压力降按公式（2-44）计算得出： （2-44）代入数据得：（5）壳程总压力降壳程总压力降按公式（2-45）计算： （2-45）代入数据得：壳程总压力降：，满足压力降规定。第3章 BIU1200甲烷换热器强度计算3.1 换热器强度计算条件拟定3.1.1 设计压力拟定 由于换热器没有安全阀，故换热器设计压力按换热器最高工作压力拟定。即：依照换热器整个系统受压状况，取设计压力P=3.36Mpa。3.1.2 换热器计算压力钢制压力容器计算压力等于其设计压力加上液柱静压力。因换热器液柱静压力远不大于5%设计压力可忽视不计，故换热器计算压力等于其设计压力，即：Pc=P=3.36Mpa3.1.3 设计温度拟定容器设计温度取低于金属壁温也许达到最低温度和高于金属壁温也许达到最高温度。本设计考虑换热器普通工作状况，设计温度取值为230。3.1.4 主体材料选取换热器主体材料按文献2拟定。筒体和封头采用钢板制造，按GB6654-1996压力容器用钢板选用，材料均为16MnR；接管按GB/T8163-1987输送流体用无缝钢管选用，材料为16MnR,10；法兰按JB4726-压力容器用碳素钢和低合金钢锻件选用，材料均为16Mn，II级锻件。容器支座选用较为经济材料Q235-A.F制造。3.2 容器筒体强度计算3.2.1 筒体计算参数及材料力学性能筒体计算参数及材料力学性能见表3-19：表3-1 筒体计算参数及材料力学性能材料项目内径设计温度设计压力计算压力设计温度下许用应力实验温度下许用应力设计温度下屈服极限16MnR符号单位mmMPaMPaMPaMPaMPa数值12002303.363.361501503053.2.2 筒体焊接接头系数筒体焊接接头采用单面焊接，局部探伤，故焊接接头系数=1。3.2.3 容器筒体厚度计算（1）筒体计算厚度因Pc0.4=0.4x150x1=60Mpa,故筒体厚度按式(3-1)计算： (3-1)式中：计算压力， Pc=3.36Mpa 筒体内直径，Di=1200mm 设计温度下筒体材料许用应力，焊缝系数，=1 =3.36x1200/(2x150x1-3.36)=13.6mm（2）筒体设计厚度筒体设计厚度等于筒体计算厚度与腐蚀裕量之和，即： (3-2)式中：腐蚀裕量， C2=3mmd=13.6+3=16.6mm（3）筒体名义厚度筒体名义厚度等于筒体设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢板规格厚度。钢板负偏差C1=0，考虑到容器支座和开孔影响，取筒体名义厚度为n=18mm.（4）筒体有效厚度筒体有效厚度按式(3-3)计算： (3-3)e=18-0-3=15mm3.2.4 压力实验时应力校核（1）水压实验压力筒体水压实验压力按式(3-4)计算： (3-4)式中：设计压力， p=3.36Mpa实验温度下材料许用应力， PT=3.36X1.25X1=4.2Mpa（2）压力实验容许通过应力水平 (3-5)式中：实验温度下材料屈服极限，=0.9x305x1=274.5Mpa（3）实验压力下圆筒应力实验压力下圆筒应力按式(3-6)计算： (3-6)=4.2X(1200+15)/2X15X1=170.1Mpa（4）校核结论，水压实验较核合格，圆筒厚度满足水压实验规定。3.2.5 压力及应力计算（1）最大容许工作压力壳体最大容许工作压力按式(3-7)计算： (3-7)=2x150x1x15/(1200+15)=3.704Mpa（2）设计温度下计算应力设计温度下壳体计算应力按式(3-8)计算： (3-8)=3.36X(1200+15)/2X15=136Mpa3.3 换热器封头强度计算3.3.1 管箱封头计算参数及材料力学性能封头计算参数及材料力学性能与筒体相似7表3-2 封头计算参数及材料力学性能材料项目内径设计温度设计压力计算压力设计温度下许用应力实验温度下许用应力设计温度下屈服极限16MnR符号单位mmMPaMPaMPaMPaMPa数值12001603.363.36154154305（1）封头焊接接头系数与筒体相似，=1。（2）封头计算厚度选取原则椭圆形封头，其计算厚度按式(3-9)计算： (3-9)式中：原则椭圆形封头=1x3.36x1200/(2x154x1-0.5x3.36)=13.2mm（3）封头设计厚度封头设计厚度等于封头计算厚度与腐蚀裕量之和，即：式中：腐蚀裕量，=3mm=13.2+3=16.2mm（4）封头最小厚度对于原则椭圆形封头，其最小厚度为：min=0.0015x1200=1.8mm（5）封头名义厚度考虑到对容器筒体加强，取封头名义厚度为n=20mm（6）封头有效厚度=20-3-0=17mm（7）最大容许工作压力封头最大容许工作压力按式(3-10)计算： (3-10)=2x154x1x15/(1200+0.5x15)=3.83Mpa3.3.2 壳体封头计算参数及材料力学性能封头计算参数及材料力学性能与筒体相似，见表3-3