U形管換熱器機械設(shè)計說明書

1、摘 要 使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備成為換熱設(shè)備。它是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠中，約占總投資的35%40%。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝要求規(guī)定的指標(biāo),以滿足工藝過程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。在本設(shè)計中，我所設(shè)計的是U型管換熱器。U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點是，只有一塊管板，管束由多根U型管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫

2、差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。U型管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不宜結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 關(guān)鍵詞：換熱設(shè)備，U型管換熱器，結(jié)構(gòu)特點Abstract The equipment that transfer heat from hot liquid to the cool one is called heat exchanger.It is a general equipment that widely used in chemical industry,oil ref

3、ining,motive power,atomic energy,pharmacy,mechanism and many other department of industry.In chemical industry,the investment of heat exchanger is 10% to 20% percent of total investment;In oil refining factory,the one is 35% to 40%. In the industrial producing,transfer heat from higher temperature l

4、iquid to the lower one is the main function of the heat exchanger,it make the temperature of liquid reached the stipulate target of technological process,so that to satisfy the requirement in technological process.In addition,the heat exchanger is effective install that can retrieve surplus heat and

5、 waste heat. The structure characteristics of U-tube heat exchanger is what there is only one tube plate,the tube bundle is make up of many U-tube,both ends of the tube are fixed on the same tube plate,the tube can stretch out and draw back freely.When there is a temperature difference between the s

6、hell and the U-tube,there would not be thermal stress.The structure of the U-tube heat exchanger is simple,the price is cheap and the ability of bearing pressure is strong,it is adapt to the temperature difference between tube wall and shell wall is relative large or the medium of the shell are easy

7、 to scaling and unwell adopt float heat exchanger and fixed tube plate heat exchanger.especially adapt to the materiel and supplies in the tube is high temperature,high pressure and large corrosive property. Keywords:heat exchanger,U-tube heat exchanger,structure characteristic 目 錄1 說明部分61.1 緒論61.1.

8、1 換熱器的概述71.1.2 換熱器的分類及應(yīng)用81.1.3 U型管換熱器的介紹141.1.4 U型管換熱器的機械設(shè)計步驟151.2 換熱器結(jié)構(gòu)形式的選擇161.2.1 封頭171.2.2 開孔補強設(shè)計171.2.3 法蘭181.3 設(shè)備材料的選擇191.4 設(shè)備之間的連接201.5 設(shè)備的制造211.6 設(shè)備的安裝221.7 設(shè)備的檢測231.8 設(shè)備的密封242 U型管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計252.1 筒體的設(shè)計252.2 開孔與接管252.3 換熱管262.4 U型管262.5 折流板272.6 拉桿272.7 鞍座282.8 接管283 U形管換熱器設(shè)計計算及強度校核283.1 筒體、封頭的

9、厚度計算及壓力試驗校核293.1.1 筒體厚度計算293.1.2 前端管箱筒體計算303.1.3 前端管箱封頭計算313.1.4 后端殼體封頭計算323.2 水壓試驗校核333.2.1 筒體及后端筒體封頭的水壓試驗校核333.2.2 前端管箱及前端管箱封頭的水壓試驗校核353.2.3 封頭的最小厚度校核363.3 法蘭和螺栓373.3.1 墊片的選擇和計算373.3.2 螺栓的選擇及強度校核383.3.3 法蘭的選擇403.3.4 法蘭的校核及應(yīng)力計算403.4 開孔補強計算453.4.1 前端管箱筒體及封頭補強453.4.2 筒體及筒體封頭的補強473.5 管板及換熱管的選擇計算493.5.

10、1 換熱管的選擇計算493.5.2 管板厚度計算503.5.3 管子的校核52結(jié)論55致 謝56參考文獻(xiàn)583 U形管換熱器設(shè)計計算及強度校核設(shè)計參數(shù)： 管程 殼程 設(shè)計溫度 設(shè)計壓力 介 質(zhì) 循環(huán)水 丙烷 程 數(shù) 2 1 內(nèi) 徑 焊接接頭系數(shù) 3.1 筒體、封頭的厚度計算及壓力試驗校核3.1.1 筒體厚度計算根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度選取筒體材料為16MnR。設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力 、焊接系數(shù) 計算厚度： = = 設(shè)計厚度： = = 名義厚度： =向上圓整 = 有效厚度： = 3.1.2 前端管箱筒體計算 設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏

11、差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。 計算厚度： = = 設(shè)計厚度： = = 名義厚度： =向上圓整 = 有效厚度： = =3.1.3 前端管箱封頭計算 設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、材料16MnR、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，則形狀系數(shù)K=1。此時，則曲面高度。 計算厚度： 設(shè)計厚度： = = 名義厚度： = 有效厚度： =3.1.4 后端殼體封頭計算 材料為16MnR。設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，則形狀系數(shù)K=1。此時，則曲面高度。 計算厚度： 設(shè)計厚度： = =

12、名義厚度： 有效厚度： 3.2 水壓試驗校核3.2.1 筒體及后端筒體封頭的水壓試驗校核操作溫度下的許用應(yīng)力，設(shè)計壓力，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，內(nèi)徑，焊接系數(shù)，常溫下的屈服極限，筒體的有效厚度。 (1)試驗壓力值 = = 壓力試驗前圓筒的薄膜應(yīng)力 = = 因為 所以，該設(shè)計選材合格。 (2)壓力及應(yīng)力計算 圓筒的最大允許工作壓力 因為 所以，滿足條件。 (3)設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力 = = 因為 所以，滿足強度校核條件。3.2.2 前端管箱及前端管箱封頭的水壓試驗校核設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、內(nèi)徑、焊接系數(shù)、有效厚度、 操作溫度下的許用應(yīng)力、設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力、常溫下的屈服極限。 (1)試驗壓力值

13、 = 壓力試驗前圓筒的薄膜應(yīng)力 因為 所以，合格。 (2)壓力及應(yīng)力計算 圓筒的最大允許工作壓力 因為 所以，合格。 (3)設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力 = = 因為 所以，合格。3.2.3 封頭的最小厚度校核 根據(jù)GB1501998，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度不應(yīng)小于封頭內(nèi)直徑的0.15%。 = =1.8 (1)前端管箱封頭 所以，滿足最小厚度要求。 (2)后端殼體封頭 所以，滿足最小厚度要求。3.3 法蘭和螺栓3.3.1 墊片的選擇和計算墊片材料：內(nèi)填石棉纏繞式不銹鋼，厚度，查GB1501998表92 墊片系數(shù)，比壓力。墊片接觸寬度N = = 墊片密封寬度 根據(jù)GB1501998，當(dāng)時，有墊片有

14、效密封寬度 = = 墊片中心圓直徑 3.3.2 螺栓的選擇及強度校核 螺栓材料35CrMoA、數(shù)量、尺寸、墊片系數(shù)、比壓力設(shè)計壓力、墊片有效密封寬度、螺栓中心圓直徑。 預(yù)緊狀態(tài)下的最小螺栓載荷： 操作狀態(tài)下的最小螺栓載荷: 需要的螺栓面積： 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積： = =操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積： = =18572.06所以，假設(shè)螺栓個數(shù)為個，由，可知，d=。取標(biāo)準(zhǔn)值為d=30。查機械設(shè)計手冊表2122知。實際螺栓面積： = =實際間距： = =墊片最小寬度： 查GB1501998表93得： 螺栓最小間距， 螺栓最大間距 因為， 所以，螺栓選擇合格。3.3.3 法蘭的選擇 選用帶頸

15、整體法蘭、材料16MnR、操作溫度下的許用應(yīng)力、設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力、需要的螺栓面積、實際螺栓面積、設(shè)計壓力、內(nèi)徑、 墊片壓緊中心圓直徑、法蘭頸部高度、法蘭頸部小端有效厚度、法蘭頸部大端有效厚度、法蘭有效厚度、參數(shù)。3.3.4 法蘭的校核及應(yīng)力計算 （1）應(yīng)力計算： 力臂: = = 預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩： = = 力臂： = = = = 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力： = = 流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差： 窄面法蘭墊片壓緊力： = 操作狀態(tài)下的法蘭力矩： 法蘭設(shè)計力矩： 根據(jù)，。 查GB150-1998圖9-7得法蘭頸部應(yīng)力校正系數(shù)，圖

16、9-3得整體法蘭系數(shù)。 查GB150-1998表9-5及圖9-4可得T=1.82 Z=4.62 Y=8.95 U=9.84整體法蘭系數(shù)。 參數(shù)： = = = = = （a)軸向應(yīng)力： (b)徑向應(yīng)力： = = (c)環(huán)向應(yīng)力： = =應(yīng)力校核 (a)軸向應(yīng)力： 因為， 所以，合格。 (b)徑向應(yīng)力： 所以，合格。 (c)環(huán)向應(yīng)力： 所以，合格。 (d)組合應(yīng)力： 所以，滿足校核條件。3.4 開孔補強計算3.4.1 前端管箱筒體及封頭補強選用接管：無縫鋼管 則名義厚度： 有效厚度： 接管計算厚度： 前端管箱通體厚度： 開孔削弱截面積： = = 有效寬度： = = 補強區(qū)外側(cè)高度： = = 補強區(qū)

17、內(nèi)側(cè)高度： = = 補強面積計算： = =殼體有效厚度減去計算厚度外的多余面積。 = =接管有效厚度減去計算厚度外的多余面積。 焊縫金屬截面積。 = = 因為， 所以，需要開孔補強。3.4.2 筒體及筒體封頭的補強選用接管：無縫鋼管則接管名義厚度： 接管有效厚度： 開孔削弱所需要的補強截面積： = = 有效寬度： = = 補強區(qū)外側(cè)高度： 補強區(qū)內(nèi)側(cè)高度： 補強面積計算： = =殼體有效厚度減去計算厚度外的多余面積。 = =接管有效厚度減去計算厚度外的多余面積。 焊縫金屬截面積。 = = 因為， 所以，不需另外補強。3.5 管板及換熱管的選擇計算3.5.1 換熱管的選擇計算 選用的無縫鋼管 根

18、據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取換熱管根數(shù)為n=450，由、查GB150-1998得管心距、分程隔板槽兩側(cè)相鄰中心距、換熱管按正方形排列。墊片壓緊面中心圓直徑、管子設(shè)計溫度下許用應(yīng)力、管子設(shè)計溫度下許用應(yīng)力屈服點。管子設(shè)計溫度下的彈性模量，管子材料：10鋼。3.5.2 管板厚度計算 管板設(shè)計溫度下許用應(yīng)力、管板設(shè)計溫度下的彈性模量、管板剛度削弱系數(shù)y=0.4、強度削弱系數(shù)u=0.4、管子與管板脹接長度或焊腳高度根據(jù)GB151-1998表32查得、許用拉托力由GB151-1998表26鋼管焊接： = =面積計算： 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積。 = = 管板布管區(qū)面積。 = =

19、 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑。 = = 則有： =查GB151-1999表22得： 管板采用16Mn鍛鋼由GB150-1998查得，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。管板的設(shè)計壓力取管程與殼程壓力的較大值，取。管板計算厚度： = = = =取。3.5.3 管子的校核換熱管軸向應(yīng)力： 其中， = =一根換熱管管壁金屬的橫截面積。（1）只有管程設(shè)計壓力，殼程設(shè)計壓力。 = =因為， 所以，滿足條件。換熱管與管板連接的拉脫力： = =因為， 所以，合格。（2）只有殼程設(shè)計壓力，管程設(shè)計壓力。 因為， 所以，滿足條件。換熱管與管板連接的拉脫力： = =因為， 所以，合格。（3）管程設(shè)計壓力，殼程設(shè)計壓力同時作用。 = =

20、因為， 所以，合格。 換熱管與管板連接的拉脫力： = =因為， 所以，合格。換熱管材料滿足在管程設(shè)計溫度、設(shè)計壓力和殼程設(shè)計溫度、設(shè)計壓力同時作用下的許用應(yīng)力。結(jié)論通過本次設(shè)計，我了解了一些有關(guān)U型管換熱器的知識，像是U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點，U型管換熱器的應(yīng)用范圍，U型管換熱器的主要作用以及U型管換熱器的以后發(fā)展的方向。 致 謝 通過做這個U形管換熱器的設(shè)計，我懂得了很多與U型管換熱器相關(guān)的知識及其由理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)變的過程。 此次換熱器設(shè)計，我的主要思路還是根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)思路進(jìn)行。在這個設(shè)計中，公式繁多，這么多的公式不可能全部記熟，但是我們可以通過運用來加強理解，通過多次接觸，我記住了這些重要的公式，相信會為我以后的工作帶來便利。在資料查閱方面，我堅信一個可用的、優(yōu)秀的設(shè)計必須參考大量的有用資料，在查閱的過程中，不僅找到了我需要的資料，而且學(xué)會了怎樣查閱到有用的信息，這是非常重要的。 總的來說，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我的收獲很大。各方面的知識都有所涉及，而且再次提高了我的制圖水平，而且是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)東