固定管板式換熱器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書2 固定管板式換熱器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1換熱器類型的選擇兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140，出口溫度40；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度30，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁和殼體壁溫之差較大，因此初步選定帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.2 換熱器內(nèi)流體流動空間及流速的確定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取。2.2.1冷熱流體物性數(shù)據(jù)的確定定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程油的定性溫度為： 管程流體的定性溫度為： 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和

2、管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。油在90下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 /m3定壓比熱容 /（·）導(dǎo)熱系數(shù) （m·）粘度 循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)如下：密度 /m3定壓比熱容 /（·）導(dǎo)熱系數(shù) /（m·）粘度 2.2.2總傳熱系數(shù)的計算（1）熱流量 （2）平均傳熱溫度 （3）冷卻水用量 （kg/h）（4）總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù)： =2731W/（m2·） 殼程傳熱系數(shù)： 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)W/（m2·）污垢熱阻管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；2.3傳熱面積的計算考慮15%的面積裕度。2.4工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）管徑和管內(nèi)流速選用傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速。（

3、2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速的確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計算，所需的傳熱管長度為按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。先取傳熱管長L=6m，則該換熱器管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)（3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但R=10的點在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得平均傳熱溫差（4）傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 ，則 橫過管束中心線的管數(shù)，其排列形式如圖2.1所示。圖2.1 換熱管排列形式（5）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用

4、率，則殼體內(nèi)徑為圓整可取。（6）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為，故可取。取折流板間距，則可取為150mm。折流板數(shù)但考慮到實際情況，換熱管還要和管板裝配，管板有一定厚度，且殼體還需要裝接管，所以取37塊折流板，中間的折流板距離不變，仍為150mm，兩邊各去掉一塊，使換熱管有足夠的長度和管板裝配。折流板圓缺面水平裝配。 （7）接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm。取雙管程單殼程的結(jié)構(gòu)，查手冊各種標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選取126根換熱管，這樣排管合適

5、，又滿足了熱量交換要求。換熱管束布局如圖2.2所示。圖2.2 換熱管排列形式3 膨脹節(jié)的設(shè)計在固定式換熱器中，因殼程流體與管程流體之間具有溫差，而殼體和換熱管均與管板固定連接，在使用中會引起殼體和換熱管之間的膨脹差，造成殼體和換熱管受到軸向載荷，避免殼體和換熱管拉伸破壞、換熱管失穩(wěn)、換熱管從管板上拉脫的方法有多種，如選用U型管換熱器、浮頭式換熱器等，上述兩種方法補(bǔ)償應(yīng)力大，但制造較復(fù)雜，費(fèi)用高。在應(yīng)力不大的情況下可選擇在殼體中間設(shè)置一個變形補(bǔ)償元件膨脹節(jié)以降低殼體與換熱管的軸向載荷。膨脹節(jié)除了位移補(bǔ)償?shù)淖饔猛?，還同時兼有減震降噪和密封的功能。3.1 判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié)分別計算筒體及換熱管上

6、所產(chǎn)生的應(yīng)力，以及換熱管與管板連接的拉脫力，當(dāng)應(yīng)力或拉脫力超過許用峰值時，則必須設(shè)置膨脹節(jié)。（1）筒體上產(chǎn)生的應(yīng)力 式中F1殼體和換熱管之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力， F2殼程和管程壓力作用于殼體上的力， 換熱管與殼體的熱膨脹變形差 殼程殼體壁金屬橫截面積，mm2 換熱管管壁金屬橫截面積，mm2殼程殼體材料彈性模量，換熱管材料彈性模量，換熱管材料線膨脹系數(shù)，-1殼體材料線膨脹系數(shù)，-1沿長度平均的換熱管金屬溫度，沿長度平均的殼體金屬溫度，制造環(huán)境溫度，殼程與管程壓力產(chǎn)生的力，N換熱管外徑，mm筒體內(nèi)徑，mm殼程設(shè)計壓力，管程設(shè)計壓力，換熱管管壁厚度，mmn換熱管根數(shù)殼體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，

7、（2）換熱管上產(chǎn)生的應(yīng)力 當(dāng)時，時， 式中 換熱管材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力， 換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力，（3）拉脫應(yīng)力 式中 a一根換熱管管壁金屬橫截面積，mm L換熱管與管板焊接高度，mm q許用拉脫力， 計算過程及結(jié)果mm2 mm2-1-1=35=90=2025mm450mm0.3750.52.5mmn126經(jīng)計算的應(yīng)力小于需要設(shè)置膨脹節(jié)的要求，但由于所選的系數(shù)較小，且殼程和管程的溫度相差較大，為保證其在冬季工作時不致因為過大得溫差導(dǎo)致應(yīng)力過大引起損壞，綜合考慮，需要設(shè)置膨脹節(jié)。本設(shè)計選用U型膨脹節(jié)，如圖3.1所示。 3.1 U型膨脹節(jié)示意圖圖 3.2 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸3.2 膨脹節(jié)的設(shè)計根據(jù)

8、中的規(guī)定，殼程液體流速，所以不需要設(shè)置內(nèi)襯套。殼程液體流速不大，壓力不高，選取單層、厚壁、大波高、大波距的U型膨脹節(jié)。膨脹節(jié)型號，如圖3.2所示。4 固定管板式換熱器三維造型設(shè)計4.1 換熱器的固定管板建模固定管板是換熱器很重要的組成部分，其主要作用是固定換熱管束、連接殼體并且兼做法蘭和管箱連接。材料用45鋼，上面的板孔數(shù)為128，板孔正三角形排列，級管束，板孔直徑d=25.8mm。共有24個的螺栓孔和M16的螺栓配合。其建模過程也較復(fù)雜。先在二維草圖上畫出圓柱輪廓，再選擇柱體上的一個面作為草圖，進(jìn)行換熱管孔的繪圖，先畫出上半部分草圖，再用鏡像命令復(fù)制出下半部分，綜合運(yùn)用拉伸、除料命令，最后的

9、效果圖如圖4.1所示。圖4.1 固定管板模型4.2 換熱器的換熱管束建模換熱管是換熱器工作的核心，其材料用Q235的無縫鋼管，尺寸。管長6000mm，128根正三角形排列，管程數(shù)是2，殼程為1。其建模過程比較簡單。換熱管的排列形式要和固定管板上的換熱管孔一致，這樣才能進(jìn)行裝配。首先按照固定管板上的孔的排列形式畫出管束孔，再在原來孔的基礎(chǔ)上畫出比原孔直徑小5mm的孔，完成草圖。用拉伸命令拉伸出換熱管的長度。如圖4.2所示。圖4.2 換熱管束模型4.3 換熱器的管箱法蘭建模法蘭的作用主要是連接管箱和固定管板，材料為45鋼，其上的螺栓孔和固定管板上的螺栓孔的大小規(guī)格和排列方式一致。管箱法蘭由于是圓周

10、對稱結(jié)構(gòu)，所以只畫出其剖面二維草圖，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拉伸出實體即可。上面的螺栓連接孔可以只畫出一個，然后用鏡像命令圓周鏡像出。如圖4.3所示。4.4 換熱器的折流板建模折流板主要作用是改變殼程液體的流向和支撐換熱管束，用45鋼即可滿足強(qiáng)度、剛度要求。為在停止工作時排除殼程內(nèi)殘留液體和在換熱過程中伴隨有氣相產(chǎn)生或在不工作時排除不凝性氣體，在折流板頂部和底部需設(shè)置缺口，缺口角度為90°。上面的管孔位置和固定管板上的一一對齊，級管束，板孔直徑d=25.8mm。其周圍三個的孔是穿過拉桿的，折流板建模比較簡單，在二維草圖上畫出管孔位置，用拉伸命令即可。如圖4.4所示。圖4.3管箱法蘭圖4.4 折流板

11、模型4.5 換熱器的膨脹節(jié)建模膨脹節(jié)受到拉伸應(yīng)力作用，必須有足夠的強(qiáng)度和韌性，選用Q235A。膨脹節(jié)建模如同管箱法蘭，由于是圓周對稱件，所以只畫出其剖面二維草圖再用旋轉(zhuǎn)拉伸命令即可。由于殼體內(nèi)液體流速，根據(jù)中的規(guī)定，不需要設(shè)置內(nèi)襯套。如圖4.5所示。圖4.5 膨脹節(jié)模型4.6 換熱器的其它零部件建模橢圓封頭、殼體、接管等的建模都比較簡單，都是最基本的拉伸、除料命令，在這不一一詳解，如圖4.64.8所示，橢圓封頭的尺寸按橢圓形封頭的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，其長短軸的比值為2。與壁厚相等的筒體連接時，橢圓封頭可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度。圖4.6 接管模型圖4.7 殼體模型圖4.8 橢圓封頭模型4.7 換熱器的裝配體生

12、成4.7.1 換熱器的裝配模式零部件裝配的過程，就是確定裝配體中各組成零部件如何連接的過程。零部件之間的連接關(guān)系即為裝配關(guān)系。裝配體是在一個Solid works文件中兩個或多個零件的組合。用戶可以使用配合關(guān)系來確定零部件的位置和方向，可以自下而上設(shè)計一個裝配體，也可以自上而下地進(jìn)行設(shè)計，或者兩種方法結(jié)合使用。所謂自下而上的設(shè)計方法，就是先生成零部件并將其插入到裝配體中，然后根據(jù)設(shè)計要求配合零部件。該方法是比較傳統(tǒng)的方法，因為零部件是獨立設(shè)計的，所以可以讓設(shè)計者更加專注于單個零部件的設(shè)計工作，而不用建立控制零部件大小和尺寸的參考關(guān)系等復(fù)雜概念。自上而下的設(shè)計方法是從裝配體開始設(shè)計工作，用戶可以

13、使用一個零部件的幾何體來幫助定義另一個零部件，或生成組裝零部件后才添加加工特征。可以將草圖布局作為設(shè)計的開端，定義固定的零部件位置、基準(zhǔn)面等，然后參考這些定義來設(shè)計零部件。零部件設(shè)計完成之后，可根據(jù)要求進(jìn)行零部件裝配。零部件之間的裝配關(guān)系實際上就是零部件之間的位置約束關(guān)系?？梢园岩粋€大型的零部件裝配模型看作是由多個子裝配體組成，因而在創(chuàng)建大型的零部件模型時，可先創(chuàng)建各個子裝配體，子裝配體完成后，再將各個子裝配體按照它們之間的相互位置關(guān)系進(jìn)行裝配，最終創(chuàng)建一個大型的零部件裝配模型。通過給裝配體添加約束關(guān)系，可以使零部件之間精確地進(jìn)行定位，從而將各個單獨得零件組合成所需要的裝配體。Solid wo

14、rks提供了六種裝配體約束類型：重合、平行、垂直、同軸心、距離、角度。4.7.2生成裝配體的基本條件進(jìn)行零件裝配時，必須合理選取第一個裝配零部件。第一個裝配零部件應(yīng)滿足如下兩個條件：一是整個裝配體模型中最為關(guān)鍵的零部件；二是用戶在以后的工作中不會刪除該零部件。零部件的裝配步驟如下：（1）建立一個裝配體零件（.sldasm），進(jìn)入零件裝配模式；（2）調(diào)入第一個零件模型。默認(rèn)情況下，裝配體中第一個零件是固定的，但是用戶可以隨時將其解除固定；（3）調(diào)入其它與裝配體有關(guān)的零件模型和子裝配體；（4）分析零件之間的顎裝配關(guān)系，并建立零件之間的裝配關(guān)系。（5）檢查零部件之間的干涉關(guān)系；（6）全部零件裝配完畢

15、后，將裝配體模型保存。4.7.3 換熱器的管箱裝配圖生成管箱裝配體主要由橢圓封頭、管箱法蘭和接管組成，管箱法蘭作為第一個零件固定，然后調(diào)入接管和橢圓封頭，裝配過程中接管和管箱法蘭的其中一個螺栓孔要對齊，因為下面的裝配中法蘭還要和固定管板用螺栓連接，否則會產(chǎn)生干涉。同樣兩接管法蘭的螺栓孔也要一一對齊。其裝配完的結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。4.7.4 換熱器管束與管板的裝配管束與管板的裝配是比較重要的裝配結(jié)構(gòu)，需要精確的對中性，如果對中不夠準(zhǔn)確，就會產(chǎn)生干涉，使下一級裝配無法進(jìn)行或裝配錯誤。另外，兩塊折流板間的距離要保持150mm的準(zhǔn)確性，如果有偏差，再裝定距管和拉桿時就會產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致整個換熱管束和折流

16、板的裝配錯誤。其完整裝配如圖4.10所示。圖4.9 管箱裝配體 圖4.10 換熱管與折流板裝配體4.7.5 換熱器殼體與膨脹節(jié)的裝配殼體與膨脹節(jié)裝配比較簡單，把殼體作為第一個零件，只要和膨脹節(jié)同軸，面面重合即可，其裝配如圖4.11所示。圖4.11 殼體與膨脹節(jié)裝配體4.7.6 換熱器的總體裝配圖生成總裝配體是由各個子裝配體裝配而成，把殼體與膨脹節(jié)的裝配作為第一個裝配體固定，其它的裝配體如管箱、封頭、換熱管束等都往第一個裝配體上裝配。在裝配過程中要注意的是管箱接管和殼體上的接管要平行對齊，否則螺栓孔就不能完全對齊，出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致錯誤。最后完整的總體裝配如圖4.12所示。圖4.12 整體裝配圖至此

17、，換熱器的各個零部件建模及裝配體的裝配過程已經(jīng)完成。裝配過程中要注意的問題是當(dāng)兩個面配合時一定要平行，否則就會產(chǎn)生干涉，使后面的步驟無法進(jìn)行。另外，本方案中換熱管與固定管板的連接采用強(qiáng)度焊形式，其優(yōu)點是制造加工簡便，焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，當(dāng)焊接部分有泄漏，可補(bǔ)焊。如需更換換熱管，可采用專用刀具拆卸，比脹接管方便。適用于壓力和溫度無限制，不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。5 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)本設(shè)計完成了對固定管板式換熱器的選型、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和變形補(bǔ)償元件膨脹節(jié)、固定管板等的設(shè)計計算。針對現(xiàn)代設(shè)計方法的特點，根據(jù)固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的分析以及對其各個零部件參數(shù)的分析，按照參數(shù)

18、化設(shè)計的要求，運(yùn)用三維繪圖軟件Solid works對換熱器的各個零部件建立三維參數(shù)化模型，存入模型數(shù)據(jù)庫中。需要建立的模型包括：封頭、筒體、管板、筒體法蘭、接管、接管法蘭、膨脹節(jié)、折流板、換熱管等。基于三維繪圖軟件的換熱器計算機(jī)輔助設(shè)計(Solid works、Solid Edge等)不僅節(jié)省大量人力、物力，提高設(shè)計過程的效率，而且全改變以往單純的手工計算和二維繪圖設(shè)計，使換熱器的設(shè)計過程提高到了完全計算機(jī)計算和繪圖，增強(qiáng)了設(shè)計過程中零部件和換熱器最終裝配的可視化，方便了換熱器需求方和設(shè)計方在設(shè)計過程中的交流和產(chǎn)品優(yōu)化。本設(shè)計較好的完成了設(shè)計任務(wù)的規(guī)定要求，達(dá)到了生產(chǎn)制造的條件，但設(shè)計過程中也有不足之處：(1)方案設(shè)計初期，只考慮了設(shè)計的可行性，忽略了加工制造的難度，導(dǎo)致設(shè)計的一些零部件