U形管换热器设计说明书毕业论文.doc

U形管换热器设计摘 要本次毕业设计的题目是U形管换热器设计，它的实用意义很大，因为U形管换热器在工业生产中应用很多。它属于管壳式换热器，它的优点不少，其他换热器不能替代。随着我国工业快速的发展，相关技术也有了突飞猛进的发展，总结出了很多设计经验，它涵盖了与之有关的所有标准与规定。所以说对于U形管换热器的设计，并不是那么复杂，当进行结构设计和部件选型的时候可以查相关的国家标准来选定，若标准未能达到设计的要求，可以根据具体情况进行选定，但要注意进行精确的计算与准确的试验。有关的它的强度的计算，液压试验也有系统的标准和规定，其试验结果不能超过规定值。有关它的制造与安装工艺也比较成熟，这些都有利于它的设计。关键词：U-Tube Heat Exchanger Design Author : Wu Lei Tutor : Li Hui AbstractThe topic of this graduation design is u-tube heat exchanger design, its practical significance is very big, because the u-tube exchanger used in industrial production. It belongs to the tube and shell heat exchanger, and its advantages, cannot replace other heat exchanger. The u-tube heat exchanger structure is relatively not so complicated, design is relatively easy. In addition, with Chinas rapid industrial development, related technologies also have the development by leaps and bounds, summarizes a lot of design experience it covers all the relevant standards and regulations. So for the design of u-tube heat exchanger, is not so complicated, when for structural design and selection of parts can be selected to check the relevant national standards, if standard failed to meet the design requirements, can be selected according to the specific situation, but must pay attention to the precise calculation and accurate test. About the calculation of its strength, hydraulic test also has a system of standards and regulations and the rest result cannot exceed the specified value. About its manufacturing and installation technology is more mature, these are conducive to its design.Key words: U-tube heat exchanger, The structure design, Strength calculation, The hydraulic pressure test 目 录1 绪论11.1 管壳式换热器的概述11.2 本次毕业设计的目的21.3 设计要求21.4 设计步骤2 1.4.1 准备阶段2 1.4.2 机械结构设计32 工艺计算42.1 传热工艺计算4 2.1.1 换热器设计的原始数据4 2.1.2 确定设计方案4 2.1.3 确定物性数据5 2.1.4 有效平均传热温差5 2.1.5 由换热面积估算热流量6 2.1.6 冷却水用量6 2.1.7 被冷却热空气用量6 2.1.8 结构工艺初设计6 2.1.9 传热系数核算7 2.1.10 压降校核112.2 换热器的结构设计14 2.2.1 换热管的设计14 2.2.2 壳体的设计15 2.2.3 管箱和封头15 2.2.4 接管和接管法兰17 2.2.5 管板的结构设计19 2.2.6 分程隔板20 2.2.7 布管定圆21 2.2.8 管孔21 2.2.9 换热管与管板的连接21 2.2.10 设备法兰22 2.2.11 拉杆23 2.2.12 折流板23 2.2.13 滑道24 2.2.14 防短路结构24 2.2.15 U形管尾部支撑25 2.2.16 支座263 强度设计273.1 筒体壁厚计算273.2 筒体短节、封头厚度计算273.3 管箱短节开孔补强的校核293.4 壳体接管开孔补强校核30总结31致谢32参考文献331 绪 论1.1 U形管换热器的概述管壳式换热器属于换热器的一类，其能够实现物料的热交换，它被用于工业生产中的时间较久。它之所以被应用的较多，是因为有自己的特点。这些特点包括：能制造此类换热器的材料有很多种它的结构设计比较坚固有很强的适应能力，都有规定。1.2 本次毕业设计的目的在进入工作之前，我们很是需要将大学四年所学到专业知识总结一下，运用到实际的设计当中去，为此，毕业设计便成了重中之重。进行毕业设计，能将所学的知识更好的回顾与总结，得到有效的学以致用。通过毕业设计，能够很好的提高我们的各方面素质，包括遇到问题时，独立分析，独立解决。通过毕业设计，我们会掌握住一定的设计思想和设计步骤，能够对走上工作岗位实现有效的过渡，当然也实现了作为一位工程技术人员应有的基本技能与修养。总体上掌握了U形管换热器的设计，对以后从事本专业的工作更加有了信心。做毕业设计的这段时间，通过不停的查找文献，翻阅与之有关的专业书籍，让我意识到了做设计并不是一件容易的事情，它需要全身心的投入，可以说是废寝忘食。虽然有点辛苦，但学到了很多东西，感觉很充实。在做设计的过程中，由于对U形管换热器的设计不是太了解，走了很多弯路。期间遇到了很多问题，而且都需要自己独立去分析去解决。有时遇到一个问题，需要查找很多的相关资料，然后才能总结出解决的方法，虽然过程很艰难，但是它锻炼了动手动脑的能力，而不是像以前只停留在纸面上。另外，又养成了遇到实在想不出的问题去和老师、同学交流的习惯，这是以前所没有的。在交流的过程中，能很快的找到解决的办法，同时又加深了对一个问题的记忆。1.3 设计要求题目内容及要求：主要工艺参数如下：冷却流体参数 冷却介质参数被冷却流体热空气 冷却介质类型循环水进气温度 150 进口温度 30 出气温度 40 出口温度 40 设计压力 设计压力 公称换热面积：90平方米。图1.1 U形管换热器1.4 设计步骤1.4.1 准备阶段（1）仔细研究设计任务，分析设计题目的原始数据和工艺条件，明确设计的内容和要求； （2）查找有关书籍和文献；（3）做好时间规划，做到细之又细。1.4.2 结构设计接下来就是内、外附件的结构设计，做到实际计算结果和标准结合，不要只按一种结果。否则会造成设计出来的东西与标准冲突，使设计出来的东西无法投入生产。然后用电脑绘制它的装配图和零件图2。2 工艺计算2.1传热工艺计算2.1.1 换热器设计的原始数据冷热流体的设计参数见表2.1和2.2。表2.1 被冷却流体参数进气温度150出气温度40设计温度200设计压力2.5MPa表2.2 冷却介质参数降低高温物质的低温物质H20进口温度30出口温度40设计温度200设计压力1.0MPa2.1.2 确定设计方案 本设计方案中的使温度降低的东西是水，时间久了水会生出水锈，影响生产，损坏机器。所以决定水在壳体内流动换热，温度较高的空气在管子内流动。这种选择方法符合国家标准规定和换热器的自身特点。U形管换热器的设计，并不是那么复杂，当进行结构设计和部件选型的时候可以查相关的国家标准来选定，若标准未能达到设计的要求，可以根据具体情况进行选定，但要注意进行精确的计算与准确的试验。有关的它的强度的计算，液压试验也有系统的标准和规定，其试验结果不能超过规定值。有关它的制造与安装工艺也比较成熟，这些都有利于它的设计。2.1.3 确定物性数据 0.5(40+30) 35 它在此温度下的物理特性：密度 993.95 kg/m3定压比热容 4.187103 J/（kgK）导热系数 0.626 W/(mK) 粘度 0.72710-3 NS/m2普特朗数 4.96 0.5(40+30)95它在此温度下的物理特性：密度 1.047 kg/m3定压比热容 1.022103 J/（kgK）导热系数 0.03169 W/(mK) 粘度 2.1710-5 NS/m2普特朗数 0.689 2.1.4 有效平均传热温差 先按逆流计算，得2.1.5 由换热面积估算热流量本设计要求换热面积为90m2，根据所查阅的传热系数，估计K值为414 W/K，由传热速率方程 (2.1)可得热流量 W2.1.6 冷却水用量 (Kg/h)2.1.7 被冷却热空气用量 (Kg/h)2.1.8 结构工艺初设计（1）换热管 ，速度 。（2） 因为管程数 ，所以因为 所以，故总根数n=204。两个管子中心之间的距离,按照标准定两个程的挨着的管子的中心之间的距离定44mm3。（3）壳体内径中心排管数NC =1.1=15.71，取16。故， ，选（4）折流版采用单弓形折流板，其圆缺高度取为h=0.2600=120mm。两块折流板200mm 块选用块板子。2.1.9 传热系数核算（1）Q (2.2) ， ， m/s 和： W故， K454 W/( m2K)Ap (另：故假设成立。)（2）壁温核算 由本来定好的数据可以得到管程热空气 由 (2.3) 计算传热管平均壁温 94.6 定壳体壁温为T=95 t=95-94.6=0.4 本计算得数值相对来说很小，所以不用安装其他的物体来弥补此差值。（3）换热器内流体的流动阻力： (2.4) ， (2.5)根据雷诺数24740，粗糙度，根据可得，流速u=10.55m/s,取为。 因 ，故，PaPaPa壳程阻力： (2.6) ， (2.7) F=0.5 Pa B=0.2m， D=0.6m Pa总阻力 Pa此数值也是符合的。2.1.10 压降校核中间的管子排列的流体流动的流动Smin 中间的管子排列的流体流动的速度wmax所以 传热因子 Ffh=1缺少的圆的换热S和全部的S它们的比值值查表得 缺的圆的那部分流体流动经过的截面的面积因为 所以 圆缺流动修正系数 面积比旁通修正系数h=0.985流通收缩次数修正系数X=1 SB=0.00815 m2漏掉的介质流动的总的流动经过的面积面积比 (1)管程压降的计算：计算管子壁表面的温度=41.2=3.91104 沿程阻力Pi=29875.3 N/m2回弯阻力Pr=8125 N/m2进出口管质量流速=3000 kg/m2s进出口管压降管程结垢修正系数管程总压降允许压降为100Kpa75842.3 pa100000 pa所以管程的放置是符合要求的(2)壳程压降的计算 0=0.26旁流修正系数p=0.915 PB=1518 N/m2 系数=0.71（L/c）0.4=0.2246漏掉的介质流动的校核计算得数值=1-=0.4折流板缺的圆的那部分的流体质量流动速度平均质量流速=69.564 kg/m2sPm=7956.56 N/m2壳侧压降因为壳侧允许压降为30 KPa25420.78 Pa30000 Pa所以壳侧的设置也是符合要求的。2.2换热器的结构设计2.2.1 换热管的设计换热管尺寸：换热管管径选择的样式有很多种，可以采用标准也可以根据实际需要来确定直径和长度。此次设计选用25的不锈钢管，光管型。这样的管子有很多好处，有利于生产，符合生产要求，能够获得较高的生产效率。由相关数据计算选取长度为12m的管子，然后弯制成U形管，材料选用不锈钢材料。换热管束排列形式：采用常用的正三角形。表2.3 常用的换热管中心距 换热管外径1012141619202225303235384550换热管中心距13-1416192225262832384044485764分程隔板槽两侧相邻管子中心距28303235384042445052566068762.2.2 壳体的设计（1）圆筒公称直径 由计算可以得到，圆筒的内公称直径选定,它的材料选择用低合金钢Q345R,筒体用钢板卷成，然后再进行焊接，做到符合标准和要求。（2）壁厚的确定 表2.4可供选择的筒体的min /mm 公称直径400DN700700DN10001000DN1500浮头式、U形管式81012固定管板式6810由表可得，2.2.3 管箱和封头1）管箱换热器要实现的功能决定了管箱的结构，下图为管箱的两种类型。 图2.2 管箱结构（a）这个种类的管箱的特点是在管箱上装箱盖，当需要检查和清洗管子的时候，把箱盖拆卸掉就行，但是这样做需要消耗掉的材料也是比较多的。（b）这个种类的管箱装洁净的流体比较好，当需要检查和清洗管子的时候，需要把与它连着的的管道拆卸掉，这样做会变得很是不方便。根据设计的要求，此次设计所选管箱结构是（a）。确定管箱长度需要考虑的问题：流体流动经过的截面积相互挨着的焊缝之间的距离离管箱里面内件的 4。2）封头管箱封头常采用椭圆形，根据本设计的要求及所计算的数据，选用椭圆形封头应符合选用椭圆形封头的条件（）。封头所选尺寸为 表2.5 封头尺寸 /mm600150252.2.4 接管和接管法兰1) 接管接管不要露出壳体的里面的表面，而且还要在这个地方磨平，进而当拆卸和装管子的时候就会变得很是方便；它的材料选为20钢。（1）接管直径的确定当在选择管子大小的时候，按照标准来选取，并且也要根据管子内的物质的流动速度和它自身的温度，还要考虑它能使多少物体换热，以及这样所产生的换热效率，还要考虑符合所设计的换热器的类型和它自身能够承受多大压力，这些都要纳入考虑范围，而且要全面综合比对。 管箱接管 , ,故, 根据相关标准应选用壳程接管，故 同理可得，壳程外伸出的管子的直径选是125毫米,厚度是，符合要求。(2)接管伸出长度的决定在计算外接的管子长度的时候，法兰的形式首先要确定好。此外还有焊接的条件，螺栓的拆卸和装等。 mm式中 ：接管的伸出长度，mm；：接管的法兰厚度，mm； ：接管法兰的螺母厚度，mm； ：保温层厚度，mm。 根据公式估算，得到的结果，需要圆整。 ,故选择管程接管为；壳程接管为。外伸出的管子和壳体要连接在一块，所以采用哪种方法成了很重要的问题。本设计按照标准选用的结构为插入式焊接结构5。2）接管法兰 根据标准，本设计的接管法兰选用板式平焊法兰。接管法兰的选择：（1）管箱接管法兰 ：突面（） 法兰材料：20号钢 表2.6 接管法兰尺寸 /mmDN(mm)DI连接尺寸DKLn(个)ThbfdibB100108220190228M16221106表2.7 垫片尺寸 /mm公称尺DN垫片Di垫片D2垫片T包边b1001151621.53紧固件选择： 表2.8 紧固件尺寸 /mm公称尺寸DN(mm)螺纹数量n(个)螺柱L2R（mm）100M16895螺母为I型六角螺母：M近似=51.55mm(2)壳程接管法兰密封面形式：突面（） 法兰材料：20号钢 表2.9 接管法兰尺寸 /mmDN(mm)DI连接尺寸DKLn(个)ThbfdibB125133250210188M16221356表2.10 垫片尺寸 /mm公称尺DN垫片内径Di垫片外径D2垫片厚度T包边宽度1251411681.53紧固件选择： 表2.11 紧固件尺寸 /mm公称尺寸DN(mm)螺纹数量n(个)螺柱L2R（mm）125M1681103) 接管的位置（1）管箱接管 带补强圈设计，其计算公式为，mm,取200mm （2）壳程接管无需补强，故计算公式为，mm，因与壳体连接的有一法兰，又有带肩螺柱，故取230mm。2.2.5 管板的结构设计 1）管板 本设计管板采用整体管板，具体设计如下：（2）最大布管圆：588mm （3）管孔数：208。（4）管板与换热器的连接：根据相关标准。（5）管板的连接形式：把管板放在两个法兰的中间，用螺栓连接，这样有很多的好处，也可以避免其他方式所带来的弊端，可以拆卸。然后可以在壳程清洗的时候变得很是方便6。（6）管板的尺寸选择具体数据见表2.14。 表2.12 管板尺寸表 /mm Ps(MPa)Pt(MPa)DNDD1D2D3D4D5d2螺柱bfb规格数量1.02.560076071567660066360027M242442562) 分程隔板曹（2）对于分程隔板槽的宽度，；。 2.2.6 分程隔板作用：增加程数然后便可是换热系数增大，利于换热，而且使流动的速度变大，进而使换热效率大大增强，生产效率大大符合生产要求利于换热，而且使流动的速度变大，进而使换热效率大大增强，生产效率大大符合生产要求。厚度选择标准： 表2.13 分程隔板最小厚度 /mm公称直径DN分程隔板最小厚度高合金钢600866001200108120020001410所以本设计按照标准采用10mm，与筒体厚度一致。材料为低合金钢Q345R。与筒体的材料一样。2.2.7 布管定圆布管定圆可按表2.16确定。表2.14 布管定圆换热器型式固定管板式、U型管式浮头式布管定圆直径布管圆直径： mm2.2.8 管孔标准： 表2.15 管板管孔直径及允许偏差 /mm换热管外径14161925管孔直径14.2516.2519.2525.25允许偏差+0.1502.2.9 换热管与管板的连接换热管的左面的一头是跟管板连接着的，它是通过在管板上打孔，然后把管在通过管孔，打的孔要大于管子的直径，有一定的公差要求，必须严格按照。管子在穿过管孔的时候，要露出管板，这个露出长度可按标准来决定选择多长，不宜过长，也不宜过短，因为它露出的部分直接在管箱里，如果露出的管子过长的话，会影响管箱里的流体流入和流出，而且会影响换热器的工作效率，会造成一些本来可以避免的损失。原则上不论采用哪种形式都必须保证连接的地方介质不会发生泄漏，必须要有很大的气体密封性，否则的话会造成气体泄漏，影响生产更有甚者会造成爆炸。另外，也要保证它能承受的压力，这些压力来自换热器中的物质，还有工作过程中其他因素产生的压力 8。本设计采用通常所选用的方法，采用的形式。这种形式好处很多，很利于换热器的工作。胀接的结构尺寸如下表: 表2.16 胀接尺寸 /mm换热管外径d1416253038伸出长度3+24+2槽深K不开槽0.50.6胀接结构用于25mm的结构如图：图2.3 胀接结构2.2.10 容器法兰由DN=600mm，设计温度200，设计压力2.5Mpa。根据标准结合本次设计可选择的结构，连接面形式为凹面（FM）。本设计的法兰选用两个，而且这两个相同。因为本次设计的换热器需要经常拆卸，所以必须设计出能够方便拆卸的结构。这两个设备法兰分别在管板的左侧和右侧，与壳体焊接在一块。焊接的时候需要注意各方面的要求和标准，如果跟实际情况不符的话，要综合考虑，看是否有必要做出改变。 表2.17 容器法兰尺寸 /mmDD1D2D3D4Htaa1d螺柱规格螺柱数量7607156766666215020016211827M2424法兰和管板之间需要有垫片，若没有的话，会造成二者连接有空隙，造成介质泄漏，严重的会发生生产事故，所以必须有垫片。而且，在垫片选择的时候要按照一定的标准，不能私自选择垫片。 2.2.11 拉杆拉杆定距管的结构如图：图2.4 拉杆定距管结构查相关标准可以选择拉杆的直径为；当筒体的公称直径是的时候，把拉杆的数量定为4根，有关拉杆得到放置，根据相关标准要把它放在2.2.12 折流板 本折流板有好几种形式，而且各式各样，因此它的功能也不尽相同。所以在选择的时候，要根据自己设计的换热器所要实现的功能来选择折流板的形式。本次设计根据实际情况，采用，根 据标准其厚把它的厚度选定为。折流板和支撑板管孔：采用级管束，相关标准如下表： 表2.18 级管束标准 /mm换热管外径d0或无支撑跨距ld032或l900折流板管孔直径d0+0.7管孔直径允许偏差+0.300 折流板的布置：有关它的放法，也有好几种，也要根据具体要求来选择，它的放法必须统一，不能随意放置，否则会对换热器的工作产生一些影响。对于考虑它怎么放，是水平还是垂直，是平行的一排还是错开来放，这些都要认真细致的考虑。根据水在换热器的流动形式，和流动的场所，进而选择折流板的布置方式，布置方式有很多种，本设计采用两块板之间距离为。，又考虑到壳体法兰，所以，把靠近管板的那一块放在离板毫米处，这样放符合标准。 2.2.13 滑道 此次设计的滑道的结构选用，因为滑板能够承受的强度适和此次设计的要求。滑道角度如图图2.5 滑道2.2.14 防短路结构由于U形管换热器的排列的管子中间那一部分会产生一定的空间，这样的空间有一定的坏处，因为有它的存在，当换热器里的水流动的时候，没有往右边流动就直接流了下来，使水与空气的换热产生了短路，这样就会产生一定的不良影响，比如，它能使得传热系数变小，影响换热，对整个生产造成损失，所以需要采取能够防止此现象发生的措施。比如有效的方法就是设置挡管。此挡管为两端堵死的管子它放在中间，不与管板连着11。结构如下图：图2.6 挡管结构2.2.15 U形管尾部支撑。 图2.8 U型管尾部支撑 表2.19换热管最大无支撑长度 /mm换热管外径d141925最大无支撑跨距110015001900 表2.20弯曲半径Rmin /mm换热管外径10121416192022252024303240404550本设计的2.2.16 支座本设计的壳程接管高度超出200mm，故鞍座高度定是440 ，其他规格尺寸参照相应标准进行确定，如下表表2.21 鞍座尺寸 /mm底板螺栓配置l1b1间距L2螺孔d螺纹孔长l58015043020M1625材料选用Q235A。 图2.7 鞍式支座布置本设计选用。3 强度设计3.1筒体壁厚计算工艺设计温度为200, ，采用Q345R钢板卷制。200时其许用应力=183Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，腐蚀裕度2mm，筒体公称直径600mm。则：计算厚度 板负偏差；腐蚀余量： 设计厚度 由GB151-1999查表可知： 名义厚度： 有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水压试验应力校核53.1Mpa0.9=0.92351=211.5MPa水压试验强度满足要求。气密性实验应力3.2筒体短节、封头厚度计算 （1）筒体短节 工艺设计T=200, =2.5Mpa材料为Q345R， 200时=183Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，筒体公称直径。则计算厚度 设计厚度由GB151-1999查表可知：名义厚度：有效厚度：水压试验压力：压力试验应力校核 131.771Mpa0.9=0.92351=211.5MPa，压力试验满足强度要求。（2）内压封头封头选用椭圆形封头，设计温度为200, 选Q345R钢板压制，材料200时许用应力=183Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，公称直径600mm。封头计算厚度：=封头设计厚度： 由GB151-1999查表可： 有效厚度： 知：封头名义厚度水压试验压力：压力试验应力校核131.771Mpa0.9=0.92351=211.5MPa，压力试验满足强度要求。3.3管箱短节开孔补强的校核 ，温度为200时，=，。接管计算壁厚： 接管的有效壁厚有效厚度： 开孔直径d=+2=104mm接管有效补强宽度接管外侧有效补强高度接管内侧有效补强高度需要补强面积可以作为补强的面积为 所以需要另设补强。查相关标准，补强圈的外径定为200mm，厚度为8mm,材料为Q345R。3.4壳体接管开孔补强校核接管尺寸为1255，材料选用20号钢钢管，温度为200时，=131Mpa，。接管计算壁厚：接管的有效壁厚有效厚度：开孔直径d=+2接管有效补强宽度接管外侧有效补强高度接管内侧有效补强高度需要补强面积可以作为补强的面积为 ，故不需要另设补强。总 结经过近几个月的毕业设计，使我对所学专业课有了更加深刻的认识，让我更系统的总结了所学的专业知识，总体上掌握了U形管换热器的设计，对以后从事本专业的工作更加有了信心。做毕业设计的这段时间，通过不停的查找文献，翻阅与之有关的专业书籍，让我意识到了做设计并不是一件容易的事情，它需要全身心的投入，可以说是废寝忘食。虽然有点辛苦，但学