流量為100t每小時(shí)的U型管式換熱器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

摘要本文介紹了U型管換熱器整體的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。U型管換熱器是將管子彎成U型，管子的兩端均固定在同一個(gè)管板上。出于殼體和管子的分開，管束可以進(jìn)行自由的伸縮，因此沒有熱應(yīng)力，熱的補(bǔ)償功能好；管程采用的是雙管程，流程比較較長(zhǎng)，流速比較高，傳熱性能較好，承壓的能力較強(qiáng)。管束可從殼體抽出，優(yōu)點(diǎn)是方便檢修和清潔，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)便宜。缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難，這就要求管內(nèi)通過的流體必須是清潔不易產(chǎn)生污垢的物料[1]。它的主要特點(diǎn)是在單位體積內(nèi)傳熱的面積較大而且傳熱效果比較好。除此之外，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作的彈性也大，所以在高溫、高壓的情況下以及在大型裝備的應(yīng)用上更多的使用管殼式換熱器。而U型管式換熱器一般用在高溫高壓狀態(tài)下，尤其是高壓下，這就要求在彎管段要加強(qiáng)壁厚來彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄[1]。這次設(shè)計(jì)的題目是“流量為100t/hU形管式換熱器”，U型管式換熱器是管殼式換熱器里的一種，它的結(jié)構(gòu)主要包括管板、殼體、管束管箱、封頭、換熱管、支座等零其他部件，重量相對(duì)比較輕。在這次的設(shè)計(jì)中由于設(shè)計(jì)的壓力和溫度都比較高，因此設(shè)計(jì)的要求比較高，在對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)中，主要對(duì)其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及對(duì)零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。換熱器的材料選用恰當(dāng)，主要結(jié)構(gòu)的尺寸也進(jìn)行了合理的選擇，這些均能夠滿足換熱器在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及水壓試驗(yàn)等校核方面的要求。本次U型管式換熱器設(shè)計(jì)的殼程介質(zhì)為油，管程介質(zhì)為水。流量為100t/h，殼程的工作溫度為190℃，管程的工作溫度為70℃，殼程的設(shè)計(jì)溫度為200℃，管程的設(shè)計(jì)溫度為90℃。在其結(jié)構(gòu)上安裝有八塊折流板，以增加流體的湍流速度。設(shè)計(jì)壓力為管程2.0MPa，殼程1.5MPa。依據(jù)給定的條件，查看GB150-2011《鋼制壓力容器》，GB151-1999《管殼式換熱器》以及換熱器手冊(cè)等標(biāo)準(zhǔn)，通過試算法獲得總傳熱系數(shù)，所得傳熱面積為193.3m2.考慮到介質(zhì)特性，采用φ25×2.5×6000的20#的無縫鋼管，本設(shè)計(jì)采用420根換熱管可以滿足換熱量。接管法蘭我選擇了板式平焊法蘭，并采用鞍式支座支撐。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我已經(jīng)完成了文獻(xiàn)綜述，設(shè)計(jì)說明書，一張總裝配圖和四張零件圖的繪制。換熱器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等許多的領(lǐng)域運(yùn)用十分的廣泛，當(dāng)然在日常的生活中和現(xiàn)實(shí)中傳熱設(shè)備也隨處可以見到，這是不可能缺少的工藝設(shè)備和單元之一。隨著研究的不斷深入，工業(yè)應(yīng)用也取得了顯著的成效。并且在許多化工單元操作的場(chǎng)合也作為一種十分重要的附屬設(shè)備進(jìn)行使用，所以在化工生產(chǎn)中換熱器也占有著非常非常重要的地位。關(guān)鍵詞：U型管換熱器；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；設(shè)計(jì)計(jì)算

AbstractThispaperdescribestheU-tubeheatexchangeroverallstructureandstrengthofthedesigncalculations.U-tubeheatexchangertubeisbentintoaU-shape,bothendsofthetubesarefixedinthesametubeplate.Sincethehousingandseparatetubes,tubebundlecanfreelystretchwithoutheatstress,goodcompensationperformanceheat;tubeusesadualtube,processisrelativelylong,highvelocity,goodheattransferperformance,pressuretheability.Canbewithdrawnfromthehousingtubebundle,theadvantageofeasymaintenanceandcleaning,andlowcoststructureissimple.Thedisadvantageisdifficulttocleantheinnertube,whichrequiresfluidthroughtheinnertubematerialmustbeeasytoproducecleandirt[2].Itsmainfeatureistheheattransferareaperunitvolumeandgreaterheattransfereffectisbetter.Inaddition,itssimplestructure,flexibleoperationisalsolarge,sointhecaseofhightemperature,highpressure,andmoreuseofshellandtubeheatexchangersintheapplicationoflarge-scaleequipment.TheU-tubeheatexchangerisgenerallyusedathightemperatureandpressureconditions,especiallyunderhighpressure,whichrequiresstrengtheningthewallthicknessoftheelbowsegmenttomakeupafterthebendwallthinning.Thedesignisentitled"Flowof100t/hU-tubetypeheatexchangers",U-tubeheatexchangerisashellandtubeheatexchangerinwhichoneofitsmainstructurecomprisesatubeplate,shellzerootherpartsbundleheader,head,heattransfertubes,bearings,etc.,arerelativelylightweight.Inthisdesignbecauseofthedesignpressureandtemperaturearehigh,sothedesignrequirements,thedesignoftheheatexchangerstructure,strengthanddesignofcomponentsselectionandprocessdesign.Theselectionofappropriateheatexchangermaterial,themaindimensionsofthestructurewerealsoareasonablechoice,areabletomeettheheatexchangerintermsofcheckingthestrength,stiffness,stabilityandhydrostatictestandotherrequirements.TheU-tubeheatexchangerdesignshellmediumisoil,tubemediumiswater.Flowrateof100t/h,theshelloftheoperatingtemperatureof190℃,tubeoperatingtemperatureof70℃,shelldesigntemperatureof200℃,thetubedesigntemperatureis90℃.Initsstructuremountedeightbafflestoincreasethevelocityofthefluidturbulence.Tubedesignpressureof2.0MPa,shell1.5MPa.Basedonthegivenconditions,consultGB150-2011"steelpressurevessel",GB151-1999"shellandtubeheatexchanger,"aswellasheatexchangersmanualsandotherstandards,togetthetotalheattransfercoefficientthroughthetestalgorithm,andtheresultingheattransferarea193.3m2.Takingintoaccountthecharacteristicsofthemedium,theuseofφ25×20#seamlesssteelpipeof2.5×6000,thedesignuses420caloriesofheattransfertubestomeetthechange.Ichosetotakeovertheflangeplateweldedflange,andthechoiceofsaddlesupportssupport.InthisgraduationdesignprocessI'vedonealiteraturereview,designspecifications,drawageneralassemblydrawingsandfourpartdrawing.Heatinmanyareasofuseinindustry,agricultureandotherverywidely,ofcourse,ineverydaylifeandtherealityofheattransferequipmentalsocanbeseeneverywhere,itisthelackofequipmentandoneunitcannotprocess.Withthedeepeningofresearch,industrialapplicationshasalsomaderemarkableachievements.Andinmanychemicalunitoperationoccasionsasaveryimportantancillaryequipmentmaybeused,sotheheatexchangerinchemicalproductionalsooccupiesaveryimportantposition[3].Keywords:U-tubeheatexchanger;structure;strength;designcalculati目錄TOC\o"1-3"\h\u17581第一章?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)類型與發(fā)展 ⑵c、d孔DN=200mm序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式數(shù)值1接管壁厚102接管外徑219.13接管內(nèi)徑199.14開孔直徑201.15殼體開孔處的計(jì)算厚度1.586接管名義厚度107接管有效厚度98設(shè)計(jì)溫度下接管材料的許用應(yīng)力GB150-19981709設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力GB150-199812310強(qiáng)度削弱系數(shù)1.3811圓筒開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積328.612補(bǔ)強(qiáng)有效寬度402.213接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度{，接管實(shí)際外伸高度}44.8414接管內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度{接管實(shí)際內(nèi)伸高度，}015殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積458.4516接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積980.217接管計(jì)算厚度1.0818焊縫金屬截面積GB150-1998項(xiàng)目3619補(bǔ)強(qiáng)面積1474.65因?yàn)樗詂、d孔不需要補(bǔ)強(qiáng)同理，其它各孔也不需要補(bǔ)強(qiáng)。3.15分程隔板厚度選取根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》第78頁，分程隔板的厚度選取10mm。3.16支座的選擇及應(yīng)力校核3.16.1支座的選擇根據(jù)《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》JB/T4712-92鞍式支座，重型BI（表7）當(dāng)時(shí)，取鞍式支座的相關(guān)尺寸如下[15]：序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)值1公稱直徑10002允許載荷3073鞍座高度2004底板760170125腹板86筋板弧長(zhǎng)11802708408螺栓間距6009帶電板鞍座質(zhì)量5710包角°12011型號(hào)BI重型3.16.2鞍座的應(yīng)力校核a、原始數(shù)據(jù)表序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)值1設(shè)計(jì)壓力2.22設(shè)計(jì)溫度℃1903物料密7364筒體內(nèi)徑10005筒體長(zhǎng)度67006公稱厚度107厚度附加量28鞍座型號(hào)F，S型各一個(gè)9鞍座中心線離封頭切線的距離90010鞍座腹寬27011腹板厚度1012鞍座包角°12013容器與封頭的材料16MnR14容器與封頭的許用應(yīng)力17015鞍座材料Q235B16鞍座材料許用應(yīng)力11317容器自重1450018物料重量1349019總重量27990b、校核計(jì)算序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式數(shù)值1支座反力1371512封頭深度JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》[16]2503系數(shù)0.244系數(shù)1.055系數(shù)0.0286筒體在支座跨中截面處的彎矩971029087筒的支座界面的彎矩-192795128跨中截面處的軸向應(yīng)力(最高點(diǎn))-15.469跨中截面處的軸向應(yīng)力(最低點(diǎn))53.2910系數(shù)0.001511系數(shù)GB150-199810012軸向許用應(yīng)力10013比較驗(yàn)算合格筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力14系數(shù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表5-21.17115切向剪應(yīng)力27.9716橢圓形封頭的形狀系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭K=1.01.017封頭內(nèi)壓引起應(yīng)力137.518比較驗(yàn)算合格筒體的周向應(yīng)力19鞍座截面筒體最低處的周向應(yīng)力-52.5120系數(shù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表5—30.76021筒體有效寬度248.122鞍座邊角處筒體的周向應(yīng)力-38.4623系數(shù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表5-30.013224比較驗(yàn)算合格鞍座腹板應(yīng)力25系數(shù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表5-50.20426鞍座腹板厚度1027鞍座計(jì)算高度取實(shí)際高度30028取29鞍座有效斷面平均應(yīng)力16.7830比較驗(yàn)算合格沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]鄭津洋等.過程裝備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2013,8:229-294.[2]Hughes,JohnS.HeatExchanger[P].US6513583,2003-02-04.[3]WangShuli.HeatTransferEngineering,2002,23(3):93-101.[4]錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社,2002.8.[5]GB151-1999管殼式換熱器.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.2.[6]董其伍,劉敏珊等.管殼式換熱器研究進(jìn)展[J],化工設(shè)備與管道,2006,43（6）:18-22.[7]張家榮等.工程常用物質(zhì)熱物理性質(zhì)手冊(cè)[M],新時(shí)代出版社,1987.9.[8]王國(guó)勝.化工原理[M],大連理工大學(xué)出版社,2010.8.[9]金志浩.管殼式換熱器原理與設(shè)計(jì),沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001.6.[10]GB150-1998鋼制壓力容器.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.5.[11]GB150-2011壓力容器.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.11.[12]JB/T4737-1999橢圓形封頭.中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部,1999.12.[13]JB/T4700～4707-2000壓力容器法蘭.國(guó)家機(jī)械工業(yè)局,2000.4.[14]HG/T20592～20635-2