U型管式换热器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I U 型管式换热器设计 摘要 本文介绍了 U 型管换热器的整体结构设计计算。 U 型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，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。 U 型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。 本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。换热器采用双管程，不锈钢换热管制 造。设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。 关键词： U 型管换热器，结构，强度，设计计算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 at of in of is be a It I of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 i 目录 中文摘要 . 错误 !未定义书签。 英文摘要 . 错误 !未定义书签。 绪论 . 1 1管壳式换热器的类型、结构与型号 . 2 热器的零部件名称 . 2 热器的主要组合部件 . 3 2换热器材料选择 . 4 材原则 . 4 3换热器结构设计 . 5 厚的确定 . 6 箱圆筒短节设计 . 6 体圆筒设计 . 7 头设计 . 8 封头计算 . 9 箱封头计算 . 10 热管设计 . 11 热管的规格和尺寸偏差 . 11 形管的尺寸 . 12 子的排列型式 . 12 热 管中心距 . 13 管限定圆 . 13 热管的排列原则 . 15 板设计 . 15 板连接设计 . 17 板设计计算 . 19 箱结构设计 . 21 箱的最小内侧深度 . 22 程隔板 . 22 4 换热器其他各部件结构 . 23 出口接管设 计 . 23 管法兰设计 . 23 管外伸长度 . 25 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 接管与筒体、管箱壳体的连接 . 25 接管开孔补强的设计计算 . 25 管最小位置 . 29 程接管位置的最小尺寸 . 30 箱接管位置的最小尺寸 . 30 管板法兰设计 . 31 片的设计 . 33 栓设计 . 34 兰设计 . 36 流板 . 38 流板尺寸 . 39 流板的布置 . 39 流板的固定 . 36 杆与定距管 . 38 杆的结构型式 . 39 杆的直径和数量 . 39 杆的尺寸 . 42 杆的布置 . 43 距管尺寸 . 43 冲与导流 . 43 冲板的形式 . 43 冲板的位置和尺寸 . 43 流筒 . 44 壳程结构 . 44 短路结构 . 44 路挡板的结构尺寸 . 45 管 . 45 间挡板 . 45 座 . 45 结论 . 46 参考文献 . 47 致谢 . 48 附 录 英文文摘及翻译 . 49 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要 的意义。 近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。 换热器分类方式多样 ,按照其工作原理可分为 :直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类 ,间壁式换热器又可分为 列 管式和板壳式换热器两类 ,其中 列 管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性 ,在长期的操作过程中积累了丰富的经验 ,其设计资料比较齐全 , 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。 近年来尽管 列 管式换热器也受到了新型换热器的挑战 ,但由于 它 具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点 ,列管式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器 ,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。 列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液 ,汽和汽 ,汽和液的对流传热 ,蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。 列管式换热器 是由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。管子两端固定在管板上，并将壳程和管程的流体分开。壳体 内设有 折流板，以引导流体的流动并支承管子。用拉杆和定距管将折流板与管子组装在一起。 列管式换热器共有三种 结构型式 :固定管板式、 浮头式和 定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构尺寸相同的条件下，与浮头式和 热面积最大。固定管板式换热器的壳程清洗困难 ， 适应热膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁，壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束，而且可拆卸抽出管束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头式换热器应用最广泛，在油田储运集输系统中， 60% 70%的换热器为浮头式换热器。 形管式换热器是管壳式换热器的 一种 ,它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直径情况下 ,形管换热器的换热面积最大 ； 它结构简单、紧凑、密封性能高 , 检修、清洗方便、 在高温、高压下金属耗量最小、造价最低 ;形管换热器只有一块管板 ,热补偿性能好、承压能力较强 ,适用于高温、高压工况下操作。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 1 管壳式换热器的类型、结构与型号 热器的零部件名称 表 号 名称 序号 名称 序号 名称 1 接管法兰 11 活动鞍座（部件） 21 纵向隔板 2 管箱法兰 12 22 接管 3 壳体法兰 13 挡管 23 内导流筒 4 防冲板 14 固定鞍座（部件） 24 圆筒 5 补强圈 15 滑到 25 管箱侧垫片 6 壳体（部件） 16 管箱垫片 26 凸形封头 7 折流板 17 管箱圆筒（短节） 27 双头螺柱或螺栓 8 拉杆 18 封头管箱（部件） 28 放气口 9 定距管 19 分层隔板 29 螺母 10 支持板 20 中间挡板 图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 热器的主要组合部件 换热器的主要组合部件有前段管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。详细分类见图 图 主要部件的 分类及代号 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2 换热器材料选择 在进行换热器设计时，对换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系。 材原则 换热器 用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目均按 的规定。 换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。 换热器主要部件 材料选择见表 零部件 材料 设计压力 设计温度 许用应力 t 标准 管箱封头 1523 封头 1573 体 1573 箱圆筒短节 1523 板 023 热管 023 B/程接管 1573 程接管 073 筒体法兰 1573 000 管程接 管法兰 0 程接管法兰 1523 箱法兰 1573 000 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 3 换热器结构设计 管壳式换热器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。 对同一种型式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计， 以满足工艺上的需要。 无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不易结垢的物料。 U 形管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。 U 型管式换热器，使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。 壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定 ）以增加壳侧介质流速。 符号： 1材厚度负偏差 按相应钢材标准的规定选取； 2材的腐蚀裕量， C 度附加量（按 1第三章取）， 对多层包扎圆筒只考虑内筒的 热套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的 筒或球壳的内直径， 筒或球壳的外直径（ 2o i ) , 算压力（按 1第 3章） , 计压力， 程设计压力， 程设计压力 ， 筒或球壳的最大允许工作压力， 筒或球壳的计算厚度， e筒或球壳的有效厚度， n筒或球壳的名义厚度， t 计温度下圆筒或球壳的计算应力， t 计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按 1第 4章） , 验温度下材料的许用应力 （按 1第 4章） , 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 接接头系数（按 1第 3章）；对热套圆筒取 = 1 厚的确定 壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换 热器的壳体通常由管材或板材卷制而成。压力容器的公称直径按 定，当直径 400 时，通常采用管材做壳体和管箱壳体。当直径 400 时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰、封头的选型。卷制圆筒的公称直径以 400为基数，一般情况下，当直径 1000时，直径相差 100 为一个系列，必要时也可采用 50 ；当直径 1000 时直径相差 200 为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔可以取为 100。 圆筒的厚度按 章计算 ，但碳 素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表 合金钢圆筒的最小厚度应不小于 表 称直径 400700 700 1000 1000 1500 1500 2000 2000 2600 浮头式， 8 10 12 14 16 固定式管板式 6 8 10 12 14 表 称直径 400500 500 700 700 1000 1000 1500 1500 2000 2000 2600 最小厚度 8 10 12 箱圆筒短节设计 管箱圆筒（短节）计算按 开孔补强计算按筒的最小厚度按表 计条件见表 表 件 材料 设计温度 设计压力 t 标准 1箱圆筒短节 1523 0 圆筒计算： 设计温度下圆筒的计算厚度按式（ 3算，公式的适用范围为 0 2 （ 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 其中 8 . 0p M p a； 800iD 1 2 8 t M p a ； = 计算厚度： = 计厚度：2 2 5 . 7 6 d C m 1C 2 5 . 7 6 nd 圆整取 n= 26效厚度：21C 2 6 0 2 6 m 3算： 2 C i （ 3 得 8 . 0 8 0 0 2 6 1272 2 6t M p 3 1000 2600 4 800 b = 28 表 700 10 3 700 13 5 取30b= 5有2 1 . 5 3 0 1 . 5 3 1 . 5nb b m m 。 布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，布管限定圆按表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 表 换热器型式 固定管板式、 浮头式 布管限定圆直径 122iD b b b 得：32 8 0 0 2 8 7 8 4 b m m 。 除了考虑布管限定圆直径外，换热管与防冲板间的距离也许考虑。通常，换热管外表面与邻近防冲板表面间的距离，最小为 6热管中心线与防冲板板厚中心线或上表面之间的距离，最大为换热管中心距的 3 /2 。 热管的排列原则 换热管的排列应使整个管束完全对称； 在满足布管限定圆直径和 换热管与防冲板间的距离规定的范围内，应全部布满换热管； 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆，其间距小于或等于 700杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距地（ 3 范围内； 多管程的各管程数应尽量相等，其相对误差应控制在 10%以内，最大不得超过 20%。 板设计 符号规定： 布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而 未能被换热管支承的面积， 2例如双管程管板，对于三角形排列： 0 . 8 6 6 2 5n S S （ 3 n 形管根数，管板开孔数为 2n； n 隔板槽一侧的排管根数； S 热管中心距， 板槽两侧相邻管中心距， 板布管区面积，； 三角形排列 : 21 . 7 3 2n S A（ 3 a 根换热管管壁金属的横截面积，； 数，按 t，查图 192； 数，按 t，查图 202； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 数，按 t，查图 212； D 板开孔前的抗弯刚度， N 321 2 1 （ 3 片压紧力作用中心圆直径，按 1第 9章， 程圆筒和管箱圆筒内直径， 板布管区当量直径， 4 3 d 热管外径 , 板材料的弹性模量 , 板边缘旋转刚度参数， f f K ，对于 0程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数， 箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数， 转刚度无量纲参数； 对于 0 l 热管与管板胀接长度或焊脚高度，按 规定， 板设计压力， 程设计压力， 程设计压力， q 热管与管板连接的拉脱力， q 用拉脱力，按 规定， R 径， 对 2 （ 3 S 热管中心距， 板计算厚度， h 箱圆筒厚度， s 程圆筒厚度， t热管壁厚 , 板强度削弱系数，一般可取 ； 板材料泊松比，取 ； t 管区当量直径 直径 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 计温度下，管板材料的许用应力， 计温度下，换热管材料的许用应力， 管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要受压元件。对管板的设计除了要满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。管板得合理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本、确保使用安全都具有重 要意义。 用可拆式连接，管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接。其连接形式见图 图 板的最小厚度除满足强度设计要求外，当管板和换热器采用焊接时，应满足结构设计和制造的要求，且不小于 12管板采用复合钢板，其复合层的厚度应不小于 3于有腐蚀要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于 2 当管板与换热管采用胀接时，管板得最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足表 管板采用复合管板，其复层最小厚度应不小于 10应保证距复层表面深度不小于8 表 热管外径 d， 25 25 （ 6）垫片宽度校核 m i 6 6 1 8 0 5 2 8 . 4 86 . 2 8 6 . 2 8 8 7 0 1 7 9 . 3b ，垫片选择满足条件。 （ 7）螺栓设计载荷 a、预紧状态下螺栓设计载荷计算 2 （ 3 3 4 4 3 . 7 1 3 4 6 6 1 8 0 5 2 7 4 1 2 1 4 5 . 7 82 b、操作状态下螺栓设计载荷计算 6182404. 875 N （ 兰设计 （ 1）法兰力臂 取 01 . 5 1 . 5 2 6 3 9h m m，法兰颈部斜度为 1： 3，则有 1 39 12 2 ( 4 8 3 9 ) 8 0 0 9 7 4b A D m m 10 . 5 4 8 0 . 5 3 9 6 7 . 5 m m 9 7 4 8 7 0 5222m m 1 / 2 4 8 3 9 5 2 / 2 6 9 . 5T A L m m （ 2）法兰载荷 220 . 7 8 5 0 . 7 8 5 8 0 0 8 . 5 4 2 7 0 4 0 0D i p N G c F D p F 20 . 7 8 5 8 7 0 8 . 5 4 2 7 0 4 0 0 7 8 0 0 1 5 . 2 5 N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 37 （ 3）法兰力矩 a、预紧状态下的法兰力矩计算 N 2 1425431581a G L N m m （ b、操作状态下的法兰力矩计算 P D D T T G L F L F L（ 4 2 7 0 4 0 0 6 7 . 5 7 8 0 0 1 5 . 2 5 52 m m （ 4）法兰设计力矩 法兰设计力矩取以下大者： m m 取 m m（ 5）法兰形状常数 0 8 0 0 2 6 1 4 4 . 2 2 m m 1 1.1 5 3 9 9h 5 9 / 1 4 4 . 2 2 0 . 4 0 / 2 2 / 8 7 0 2 5 2 2 3 6 / 8 0 0 1 . 3 0 8i G G e D D L L D 10 3 9 / 2 6 1 . 5 查表 9,确定下列系数： T = Z = Y = U = 图 9，得： ，得： ，得： 0/ 0 . 8 8 4 / 1 4 4 . 2 2 0 . 0 0 6 1 3 h 2 2 31 0 0 4 4 . 2 2 2 6 2 0 6 4 1 0 3 . 6 h m 70有： 1 1 7 0 0 . 0 0 6 1 3 1 2 . 0 4 2 1f e 44 1 1 7 0 0 . 0 0 6 1 3 1 2 . 3 8 9 533f 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 38 / T = 3 31170 1 . 1 3 4 5 2 . 3 8 3 . 5 1 4 5 （ 6）法兰应力 a、轴向应力计算 5 1 4 5 3 b、径向应力计算 21 . 3 3 1D（ 21 . 3 3 1 7 0 0 . 0 0 6 1 3 1 5 1 4 5 1 7 0 401326800 Pa c、环向应力计算 22 1 1 8 5 1 0 4 . 8 81 7 0 8 0 0 （ 7）法兰应力校核 a、轴向应力计算 nm i n 1 . 5 2 . 5f ， 1 . 5 1 . 5 1 1 9 . 7 8 1 7 9 . 6 7 P 5 2 . 5 1 2 8 . 2 4 3 2 0 . 6 P 1 . 5 1 7 9 . 6 7 a 1 . 5b、径向应力计算 1 1 9 . 7 8 f MP c、环向应力计算 1 1 9 . 7 8 f MP d、组合应力 1 1 8 . 2 5 1 1 . 7 8 5 6 5 . 0 2 a 规定）； b）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于 14ld； c）当管板较薄时，也可采用其 他的连接结构。 本次设计采用拉杆定距管结构。 图 拉杆的直径和数量 拉杆的直径和数量可以按表 432和表 442选取。 选取拉杆直径为 12 选取拉杆数量为 8根。 杆的尺寸 拉杆的长度按实际需要确定，拉杆的连接尺寸按图 图 拉杆直径 d 拉杆螺纹公称直径0 10 13 40 2 12 15 50 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 43 16 16 20 60 取拉杆螺纹公称直径为 12mm，5mm，0 杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板 应不少于 3个支承点。 距管尺寸 定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。对管程是不锈钢，壳程是碳钢或低合金钢的换热器，可选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢管做定距管。定距管的长度，按实际需要确定。本次设计选取 19 冲与导流 为防止壳程物料进口处，流体对换热管表面的直接冲刷，应在壳程进口管处设置防冲板。设置防冲板和导流筒的条件为： 当管程采用轴向人口接管或换热管内流体流速超过 3m /设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。 对有腐蚀或 有磨蚀的气体、蒸汽及气液混合物，应设置防冲板。 对液体物料，当壳程进口处流体的 2 （ 为流体 密度， 3/kg m ； 为流体流速，/为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒。 a）非腐蚀、非磨蚀性的单相流体， 2 2230 m 2s ） 者， b) 其他液体，包括沸点下的液体， 2 740 m 2s ） 者。 当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减小流体停滞区，增加换热管的有效换热长度。 冲板的形式 1) 防冲板的两侧焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上； 2）防冲板焊在圆筒上； 3）用 栓将防冲板固定在换热管上。 冲板的位置和尺寸 防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周围与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的 1 防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的 1/4。取壳程防冲板到圆筒内壁的距离为 60 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 44 防冲板的直径或边长，应大于接管外径 50防冲板的变长为 250 防冲板的最小厚度：碳钢为 锈钢为 3设计选用碳钢，厚度为 流筒 导流筒一般有内导流筒和外导流筒两种形势。 内导流筒：内导流筒是设置在 壳体内部的一个圆筒形结构，在靠近管板的一端敞开，而另一端近似密封。在设计内导流筒时，导流筒外表面到壳体圆筒内壁的距离宜不小于接管外径的 1/3。导流筒端部到管板的距离，应使该处的流通面积不小于导流筒的外侧流通面积。 外导流筒：在设计外导流筒时，内衬圆筒内表面到外导流筒的内表面间距为： 接管外径 d 200距不小于 50 d 200距不小于 75 立式外导流筒换热器，应在内衬圆筒下端开泪孔。 本次设计采用内导流筒，导流筒外表面到壳体圆筒内壁的距离为 70 壳程结构 双壳程是用纵向隔板将壳程分为双程，纵向隔板的最小厚度为 6壳程压力降较大时，隔板应适当加厚。纵向隔板与管板的连接可用焊接或可拆卸连接 。 纵向隔板回流端的改向通道面积应大于折流板的缺口面积。需要抽出管束的换热器，应在隔板的两侧与壳体的间隙处设 置密封结构，如图 4 图 4短路结构 在换热器壳程，由于管束边缘和分程部位都不能排满换热管，所以在这些部位形成旁路。为防止壳程物料从这些旁路大量短路，降低换热效率，可在管束边缘 的适当位置买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401