流量为100t每小时的U型管式换热器设计毕业设计论文

摘要本文介绍了U型管换热器整体的结构与强度设计计算。U型管换热器是将管子弯成U型，管子的两端均固定在同一个管板上。出于壳体和管子的分开，管束可以进行自由的伸缩，因此没有热应力，热的补偿功能好；管程采用的是双管程，流程比较较长，流速比较高，传热性能较好，承压的能力较强。管束可从壳体抽出，优点是方便检修和清洁，而且结构简单造价便宜。缺点是管内清洗困难，这就要求管内通过的流体必须是清洁不易产生污垢的物料[1]。它的主要特点是在单位体积内传热的面积较大而且传热效果比较好。除此之外，它的结构简单，操作的弹性也大，所以在高温、高压的情况下以及在大型装备的应用上更多的使用管壳式换热器。而U型管式换热器一般用在高温高压状态下，尤其是高压下，这就要求在弯管段要加强壁厚来弥补弯管后管壁的减薄[1]。这次设计的题目是“流量为100t/hU形管式换热器”，U型管式换热器是管壳式换热器里的一种，它的结构主要包括管板、壳体、管束管箱、封头、换热管、支座等零其他部件，重量相对比较轻。在这次的设计中由于设计的压力和温度都比较高，因此设计的要求比较高，在对换热器的设计中，主要对其结构、强度进行了设计以及对零部件的选型和工艺设计。换热器的材料选用恰当，主要结构的尺寸也进行了合理的选择，这些均能够满足换热器在强度、刚度、稳定性以及水压试验等校核方面的要求。本次U型管式换热器设计的壳程介质为油，管程介质为水。流量为100t/h，壳程的工作温度为190℃，管程的工作温度为70℃，壳程的设计温度为200℃，管程的设计温度为90℃。在其结构上安装有八块折流板，以增加流体的湍流速度。设计压力为管程2.0MPa，壳程1.5MPa。依据给定的条件，查看GB150-2011《钢制压力容器》，GB151-1999《管壳式换热器》以及换热器手册等标准，通过试算法获得总传热系数，所得传热面积为193.3m².考虑到介质特性，采用φ25×2.5×6000的20#的无缝钢管，本设计采用420根换热管可以满足换热量。接管法兰我选择了板式平焊法兰，并采用鞍式支座支撑。在本次毕业设计过程中我已经完成了文献综述，设计说明书，一张总装配图和四张零件图的绘制。换热器在工业、农业等许多的领域运用十分的广泛，当然在日常的生活中和现实中传热设备也随处可以见到，这是不可能缺少的工艺设备和单元之一。随着研究的不断深入，工业应用也取得了显著的成效。并且在许多化工单元操作的场合也作为一种十分重要的附属设备进行使用，所以在化工生产中换热器也占有着非常非常重要的地位。关键词：U型管换热器；结构；强度；设计计算

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目录TOC\o"1-3"\h\u17581第一章换热器的结构类型与发展 ⑵c、d孔DN=200mm序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管壁厚102接管外径219.13接管内径199.14开孔直径201.15壳体开孔处的计算厚度1.586接管名义厚度107接管有效厚度98设计温度下接管材料的许用应力GB150-19981709设计温度下壳体材料的许用应力GB150-199812310强度削弱系数1.3811圆筒开孔所需补强面积328.612补强有效宽度402.213接管外侧有效补强高度{，接管实际外伸高度}44.8414接管内侧有效补强高度{接管实际内伸高度，}015壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积458.4516接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积980.217接管计算厚度1.0818焊缝金属截面积GB150-1998项目3619补强面积1474.65因为所以c、d孔不需要补强同理，其它各孔也不需要补强。3.15分程隔板厚度选取根据GB151-1999《管壳式换热器》第78页，分程隔板的厚度选取10mm。3.16支座的选择及应力校核3.16.1支座的选择根据《钢制管法兰、垫片、紧固件》JB/T4712-92鞍式支座，重型BI（表7）当时，取鞍式支座的相关尺寸如下[15]：序号项目符号单位数值1公称直径10002允许载荷3073鞍座高度2004底板760170125腹板86筋板弧长11802708408螺栓间距6009带电板鞍座质量5710包角°12011型号BI重型3.16.2鞍座的应力校核a、原始数据表序号项目符号单位数值1设计压力2.22设计温度℃1903物料密7364筒体内径10005筒体长度67006公称厚度107厚度附加量28鞍座型号F，S型各一个9鞍座中心线离封头切线的距离90010鞍座腹宽27011腹板厚度1012鞍座包角°12013容器与封头的材料16MnR14容器与封头的许用应力17015鞍座材料Q235B16鞍座材料许用应力11317容器自重1450018物料重量1349019总重量27990b、校核计算序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1支座反力1371512封头深度JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》[16]2503系数0.244系数1.055系数0.0286筒体在支座跨中截面处的弯矩971029087筒的支座界面的弯矩-192795128跨中截面处的轴向应力(最高点)-15.469跨中截面处的轴向应力(最低点)53.2910系数0.001511系数GB150-199810012轴向许用应力10013比较验算合格筒体和封头中的切向剪应力14系数《过程设备设计》表5-21.17115切向剪应力27.9716椭圆形封头的形状系数标准椭圆形封头K=1.01.017封头内压引起应力137.518比较验算合格筒体的周向应力19鞍座截面筒体最低处的周向应力-52.5120系数《过程设备设计》表5—30.76021筒体有效宽度248.122鞍座边角处筒体的周向应力-38.4623系数《过程设备设计》表5-30.013224比较验算合格鞍座腹板应力25系数《过程设备设计》表5-50.20426鞍座腹板厚度1027鞍座计算高度取实际高度30028取29鞍座有效断面平均应力16.7830比较验算合格沈阳化工大学科亚学院学士学位论文参考文献参考文献[1]郑津洋等.过程装备设计[M].北京：化学工业出版社,2013,8:229-294.[2]Hughes,JohnS.HeatExchanger[P].US6513583,2003-02-04.[3]WangShuli.HeatTransferEngineering,2002,23(3):93-101.[4]钱颂文.换热器设计手册.化学工业出版社,2002.8.[5]GB151-1999管壳式换热器.中国标准出版社,1999.2.[6]董其伍,刘敏珊等.管壳式换热器研究进展[J],化工设备与管道,2006,43（6）:18-22.[7]张家荣等.工程常用物质热物理性质手册[M],新时代出版社,1987.9.[8]王国胜.化工原理[M],大连理工大学出版社,2010.8.[9]金志浩.管壳式换热器原理与设计,沈阳:辽宁科学技术出版社,2001.6.[10]GB150-1998钢制压力容器.中国标准出版社,1998.5.[11]GB150-2011压力容器.中国标准出版社,2011.11.[12]JB/T4737-1999椭圆形封头.中华人民共和国机械工业部,1999.12.[13]JB/T4700～4707-2000压力容器法兰.国家机械工业局,2000.4.[14]HG/T20592～20635-2