255吨每小时U形管式冷却器设计

摘要本文介绍了U型管冷却器的整体结构设计计算。U型管冷却器仅有一个管板，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型管式冷却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。换热器的设计工作主要有换热器综述，换热器的工艺计算以及结构强度计算。其中换热器工艺计算中需要根据初始数据计算其处理量以及工艺参数，换热器的结构强度计算主要集中在折流板，筒体以及开口上。换热器是化学工艺生产中重要的设备之一，它是一种冷热流体间的传递热量的设备，他们的使用条件和要求差别很大，如容量，温度，压力和工作介质的性质等，涉及的种类很多，因此换热器的结构形式也多种多样。U形管换热器仅有一个管板，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，而且结构简单，造价便宜。U形管换热器主要结构包括筒体，封头，换热管，接管，折流板，防冲板，导流筒，防短路结构，支座和管壳层的其他设备等。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。冷却器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行了冷却器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。关键词：U型管冷却器；结构；强度；设计计算AbstractThispaperintroducestheU-tubeheatexchangerdesignandcalculation.U-tubeheatexchangerhasonlyonetubesheet,tubesarefixedatbothendsofboardsinthesametube,andtubescouldtelescopicfreely,non-thermalstress,thermalperformanceandcompensation;useofdouble-tubeprocess,theprocessislonger,higherspeed,betterheattransferperformance,pressurecapacity,andcontrolcanbeextractedfromtheshellwitheasymaintenanceandcleaning,andsimplestructurecostless.ThemainstructureofU-tubeheatexchanger,includesEquipmentcontrol,shell,head,exchangertubes,nozzles,baffled,impingementbaffle,guideshell,anti-short-circuitstructure,supportandothershell-tubeaccessories.ThistimeIdesignedasecondcategorypressurevessel,whichhashighdesigntemperatureandhighdesignpressure.Thusthedesigndemandsarestrict.Ithasdualheatexchangertube,stainlesssteelheatexchangermanufacturers.Imainlycarriedoutthedesignofheatexchangerstructuraldesign,strengthofdesignandpartsselectionandprocessdesign.Thedesignforthesecondcategorypressurevessel,designtemperatureanddesignpressurearehigh,sothedesignrequirementsishigh.Doubletubeheatexchange,heattransfertubesofstainlesssteelmanufacturing.Designmainlyforthedesign,selectionandprocessdesignandstrengthdesignofheatexchangecomponents.Keywords:U-tubeheatexchanger;Frame;Intensity;Designandcalculation

目录3095第一章绪论 第一章绪论能源是当前人类面临的重要问题之一，随着时间的推移，人类对能源的需求越来越急，为此它却成为我们生活中的重要部分，这个过程中冷却器是能源转换的重要组成，其应用面涵盖整个工业领域，它应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的冷却器越来越受到工业界的重视，而冷却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，冷却器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。伴随着节能技术的研究深入，其应用的领域也在不断的扩大，冷却器的应用在进行高温和低温热能回收方面带来了很高的经济效益。冷却器的分类也是多种多样按照其工作的原理大致可以分为三种：一是储能式冷却器、二是直接接触式冷却器、三是间壁式冷却器。其中间壁式冷却器又可以分为列管式冷却器和板壳式冷却器两种，列管式冷却器由于其可靠性较高且应用较广泛等因素，在长期的设计过程中工程人员积累了丰富的经验，设计资料相对较为齐全，伴随着经济的不断发展，科技的不断进步，一些不同形式的冷却器也不断的涌现。在最近几年的发展过程中，虽然列管式冷却器收到了新型冷却器的挑战，但是在装备中它仍然占据不可替代的位置，因为列管式冷却器具有结构简单合理且牢固，其操作的弹性较大，应用的材料较为广泛等优点。在石油、化工还有石化行业中的应用最为广泛。列管式冷却器主要应用在化工、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。其主体由壳体和壳体内部的管束所组成。管子的两端分别固定在管板上，并且把壳程的流体分开，用以引导流体的流动并且起到支承管子的作用。用定距管和拉杆将折流板与管子组装在一起。列管式冷却器共有三种结构型式:固定管板式、浮头式。固定管板式冷却器的结构简单且结构紧凑合理具有造价低廉等优点，冷却器的每一根换热管都可以单独的更换和清洗，在同一结构尺寸下冷却器和浮头式冷却器其换热面积较大。由于固定管板式冷却器的壳程清洗较为困难，所以它适应于壳程压力不高和换热介质温度差不是很大的场合。浮头式冷却器应为其管束的热膨胀不会受到壳体的约束，并且可拆卸抽出管束，检修清理较为方便，所以，浮头式冷却器的应用最为广泛，在油田储运系统中，百分之六十到七十的冷却器都为浮头式冷却器。Ｕ形管式冷却器类型是管壳式冷却器的一种,其组成由管板、壳体、管束等组成。在相同的直径情况下,Ｕ形管冷却器的换热面积是最大的；其自身具有结构简单、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、造价最低等优点。第二章换热器传热工艺计算2.1起始数据壳程油的进口温度：=140℃壳程油的出口温度：=75℃壳程油的工作压力：P1=1.4MPa壳程油的流量：G1=255管程水的进口温度：=25℃管程水的出口温度：=65℃管程水的工作压力：P2=2MPa2.2定性温度及确定其物性参数①壳程（煤油）壳程油的定性温度：t1=107.5℃查表得壳程煤油的密度：ρ1=800Kg/m3查表得壳程油的比热：Cp1=2.1Kg/(Kg·℃)查表得壳程油的导热系数：λ1=0.15w/(m·℃)壳程油的粘度：μ1=493.7×10-6Pa·s查表得壳程油的普朗特系数：Pr1=42②管程（水）管程水的定性温度：t2=45℃查表得管程水的密度：ρ2=998Kg/m3查表得管程水的比热：CP2=4.174Kg/(Kg·℃)查表得管程水导热系数：λ2=64.78w/(m·℃)查表得管程水的粘度：μ2=549.4×10-6Pa·s查表得管程水的普朗特系数：Pr2=3.542.3热量守恒与油流量的计算假定取热交换效率为η=0.98其设计传热量：Q0=G1×Cp1×(－)×η×1000/3600=255000×2.1×(140－75)×0.98×1000/3600=9475375W则管程水流量为：G2===56752t/h2.4有效平均温度的公式计算△tn===50℃其中有关参数的计算参数：P===0.55参数：R===0.62冷却器按照单壳程双管程设计差《管程式换热器原理与设计》得温差校正系数ø=0.85有效平均温差：△tm=ø△tn=0.85×50=42.5℃2.5管程换热系数的计算采用试算的方式计算换热系数初选换热系数为K0=560w/m·k则可得出下列数据：初选传热面积;F0===340m2选用ø25×2.5的无缝钢管做换热管管子外径为：d0=25mm管子内径为：di=20mm管子长度为：L=6000mm则需要换热管数为:===720根可取换热管根数为720根管程流通面积:==0.11㎡管程流速:===0.16管程雷诺:==998×0.16×0.02/549.4×10-6=5811管程传热系数:α2==0.023××58110.8×3.540.4=1268062.6结构的初步设计查GB151-1999《管壳式换热器》可知，管间距按照1.25选取：管间距:s=1.25d0=1.25×0.025=0.032管束中心排管数:=1.1=1.1×=29根，取30根则壳体内径为:===1.028圆整为:=1000㎜则长径比:==6，在4-6之间，合理。折流板选择弓形折流板:折流板弓高:=折流板间距:=折流板数量:=块取16块2.7壳程换热系数计算壳程流通面积:壳程流速:壳程质量流速:=1.3466×800=1077.25壳程当量直径:壳程雷诺数:根据，切去弓形面积所占的比例，可查得为0.145根据《管壳式换热器原理与设计》图2-12查得壳程传热因子：管外壁温度假定值为100℃，壁温下油粘度：=0.0004937粘度修正系数:壳程换热系数:2.8传热系数计算查GB151-1999《管壳式换热器》第138页可知水侧污垢热阻:=油侧污垢热阻为:=由于管壁比较薄，所以管壁的热阻γ可以忽略不计，可得总传热系数为：732传热面积比为:=（合理）2.9管壁温度计算管外壁热流密度计算:=管外壁温度:QUOTE=℃误差校核:℃，误差不大，合理。2.10壳程压力降计算参考《换热去设计手册》1-3-75：由=79209，查图1—3—24得壳程压强摩擦因子=0.04其中：壳体内径=1.0m；管子长度L=6m；折流板间距=0.33m；流体密度=800；流体粘度=493.7；管外流体壁温107.5℃下粘度=0.0005494；则壳程压强＜0.05，符合压强计算。2.11管程压力降计算参考《换热器设计手册》公式1-3-47：管程压强：其中：—直管压降；—回弯压降；—管箱进出口压降；—结构校正系数，=1.4；—串联的壳程数，=1；—管程数，=2；其中则即＜0.05，符合压强条件。第三章管壳式冷却器的类型、结构与型号3.1主要设计参数管程:管程介质为水，温度由250C加热到650C，工作压力2.0MPa，程数2壳程：壳程介质为高温油，程数1，由1400C被冷却到750C、压力为1.4Mpa，流量为255t/h。3.2冷却器的零部件名称表3.1序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12U形换热管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3.1U型管式冷却器3.3冷却器的主要组合部件冷却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3.2。图3.2[2]主要零部件分类和代号第四章冷却器材料选择4.1选材原则冷却器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、无损检测标准及检测项目均按GB150-1998第四章及其附录A的规定。冷却器它的主要用途是为了把热量散出去，在我们的生活中它时常经常容易发生电化学反应。为此，避免金属受到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。冷却器主要部件材料选择见表4.1表4.1材料零部件材料设计压力设计温度许用应力[s]t标准管箱封头15CrMoR8323128.24GB6654后封头15CrMoR8.5273136.4GB6654筒体15CrMoR8.5273136.4GB6654管箱圆筒短节15CrMoR8323128.24GB6654管板0Cr18Ni10Ti4.5323112.62GB4728换热管0Cr18Ni10Ti8323100.4GB/T13296-2007壳程接管15CrMoPN16273105.86GB6479管程接管0Cr18Ni10TiPN16273筒体法兰15CrMoPN6.4273GB470O-4703-2000管程接管法兰0Cr18Ni10TiPN16HG20592-97壳程接管法兰15CrMoPN16323HG20592-97管箱法兰15CrMoPN6.4273GB470O-4703-2000第五章冷却器结构设计管壳式冷却器的结构设计，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。通常相同形式的冷却器，由于各种条件的制约，其设计时所选用的结构会有所不同。在实际工程设计的过程中，除了满足尽量选取标准系列产品外，往往也会按照其特定的要求进行设计，来满足工艺性的要求。它在外界给它施加较大的压力的情况下，由于管壁有点薄，故此要加厚它的管壁。5.1壁厚的确定管式冷却器的外壳由壳体和封头还有管箱壳体所组成，其壳体一般采用管材或者板材劵制成型。压力容器的公称直径选取参考GB9019-88规定，当直径大于等于400毫米的情况，选取板材来劵制壳体和管箱壳体；当直径小于400毫米的时候，一般会选用成型管。管式冷却器的直径系列应该与封头和连接法兰的系列相互匹配，以方便进行封头和法兰的选型。通常当直径小于1000毫米时，相差100毫米作为一个系列，在有必要的时候也可以选用50毫米作为一个系列；当直径大于1000毫米时，直径相差200毫米为一个系列。表5.1.1[2]mm公称直径400～≤700＞700～≤1000＞1000～≤1500＞1500～≤2000＞2000～≤2600浮头式，U形管式810121416固定式管板式68101214表5.1.2[2]mm公称直径400～≤500＞500～≤700＞700～≤1000＞1000～≤1500＞1500～≤2000＞2000～≤2600最小厚度3.54.56810125.2管箱圆筒短节设计管箱圆筒（短节）计算按GB150-1998第五章的有关规定；其开孔补强计算按GB150-1998第八章有关规定。圆筒的最小厚度按表5.1.2的规定。设计条件见表5.1.3。表5.1.3部件材料设计温度℃设计压力MpaMpaMpa标准mmmm管箱圆筒短节15CrMoR3238.0128.241.0GB665400圆筒计算：在保证设计温度的前提下圆筒的计算厚度按式（5-2-1（5-2-1）其中；；；=1.0带入上式得：厚度计算：δ=25.76mm设计厚度：名义厚度：，经圆整取=26mm有效厚度：圆筒应力计算按照式（5-2-2）计算：（5-2-2）得：<满足强度要求，故取名义厚度=26mm合适。设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（5-2-3）计算：（5-2-3）在满足压力要求下，所以厚度=26mm合适。5.3壳体圆筒设计设计条件见表5-4：表5-4部件材料设计温度℃设计压力MpaMpaMpa标准mmmm壳体圆筒15CrMoR2738.5136.41.0GB665400圆筒计算：设计温度下圆筒的计算厚度按式（5-其中；；；=1.0带入（5-2-1）得：计算厚度：δ=25.73mm设计厚度：名义厚度：，经圆整取=26mm有效厚度：设计温度下圆筒的计算应力按式（5-2）计算：得：<满足强度要求，故取名义厚度=26mm合适。设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（5-2-3）计算：满足压力要求，故取名义厚度=26mm合适。5.4封头设计[1～3]压力容器封头的种类主要分为凸型封头、变径段、锥壳、平盖还有紧缩口等类型，在这其中凸型封头包括有球冠行封头、椭圆形封头、半球形封头、碟形封头。根据工艺条件的要求和制造难易程度等情况来考虑采用什么样的工艺条件。此次设计采用标准椭圆形封头，它由半个椭球面和短圆筒组成，它的组成由短圆筒和半个球面，如图5.4所示。设计条件见表5.4-1，表5.4-2。图5.4表5.4-1部件材料设计温度℃设计压力MpaMpaMpa标准mmmm管箱封头15CrMo3238.0128.241.0GB665400表5.4-2部件材料设计温度℃设计压力MpaMpaMpa标准mmmm后封头15CrMo2738.5136.41.0GB665400符号规定：封头内直径，mm；封头外直径（),mm；封头曲面深度，mm；封头质变高度，mm；A封头内表面积，㎡；V封头容积，；m封头质量，㎏；计算压力（按[1]第3章）,MPa；最大允许工作压力，MPa；封头计算厚度，mm；封头有效厚度，mm；封头名义厚度，mm；设计温度下封头材料的计算应力，MPa；设计温度下封头材料的许用应力（按[1]第5章）,MPa；焊接接头系数（按[1]第3章）。5.4.1后封头计算标准椭圆形封头的计算厚度按式（4-4-1）计算：（5-4-1）其中；；；=1.0带入式（5-4-1）得：计算厚度：δ=25.32mm设计厚度：名义厚度：，经圆整取=26mm有效厚度：标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15％，但当确定封头厚度已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。故该标准椭圆形封头的名义厚度=26mm合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按式（4-4-2）计算：（5-4-2）该封头满足压力要求，故取名义厚度=26mm合适。设计温度下封头的计算应力按式（4-4-3）计算：（5-4-3）满足强度要求，故取名义厚度=26mm合适。5.4.2管箱封头计算标准椭圆形封头的计算厚度按式（4-4-1）计算：其中；；；=1.0带入（5-4-1）得：计算厚度：δ=25.35mm设计厚度：名义厚度：，经圆整取=26mm有效厚度：标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15％，但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。故该标准椭圆形封头的名义厚度=26mm合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按式（4-4-2）计算：该封头满足压力要求，故取名义厚度=26mm合适。设计温度下封头的计算应力按式（4-4-3）计算：满足强度要求，故取名义厚度=26mm合适。由续表1[3]查取封头的数据见表5.4.2：表5.4.2封头公称直径DNmm曲面高度mm直边高度mm内边面积A容积V质量m管箱封头800200500.81940.0992174.67后封头800200500.81940.0992174.675.5换热管设计[4]5.5.1换热管的规格和尺寸偏差换热管的长度有设计条件给定取为6m，直径Ф19mm，厚度δ=2mm；由GB13296查得换热管的规格和尺寸偏差见表5.5.1：表5.5.1材料换热管标准管子规格，mm高精度，较高精度，mm管控规格，mm外径d厚度δ外径偏差厚度偏差管孔直径允许偏差不锈钢0Cr18Ni10TiGBA13296-20071920.20U形管的尺寸（1）U型管弯曲阶段的曲率半径U型管弯曲阶段的曲率半径R（见图5.5.2）应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径可按GB151-1999表11选取，取=40mm。图5.5.2(2)U型管的弯管段在弯曲前的壁厚最小取值按式（4-5-1）计算：（5-5-1）其中，d=19mm，R==40mm，=2mm，带入上式得：，圆整取为2.5mm5.5.3管子的几种排列方式换热管的排列主要由一下及几种：图5.5.3[2]通常采用正方形排列方式来对壳程进行清洗，管间通道应该保证连续且沿整个管束，保证清洗通道为6毫米。折流板间距相同的情况下，在图4.5.3中所示a和b这两种排列形式的流通截面要比b与c这两种方式小，更有利于提高流体的速度，所以相对比较合理一些。本文所设计内容采用三角形排列方式。5.5.4布管限定圆图图表[2]b<1000>31000～2600>4=800mm,取b=28mm。表[2]≤700≥103>700≥135取=30mm，=5mm，则有。布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，布管限定圆按表确定。表[2]冷却器型式固定管板式、U形管式浮头式布管限定圆直径得：。5.6管板设计管板作为管式冷却器的一个非常重要的组成元件，不仅与壳体和管子连接，它还是冷却器中的一个重要的承受压力的元件，管板在设计的过程中不仅要考虑其自身的强度要满足还要考虑结构的设计合理性。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。U型管冷却器只有一块管板，采用可以拆卸式连接，管板通过垫片与管法兰和壳体法兰连接。其连接形式见图5.6。图5.6管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）应满足表若管板采用复合管板，其复层最小厚度应不小于10mm。并应保证距复层表面深度不小于8mm的复层化学成分和金相组织符合复层材料的要求。表5.6.1换热管外径d，mm≤25>25～<50≥50最小厚度，mm用于易燃易爆及有毒介质等场合≥d用于无害介质的一般场合≥0.75d≥0.70d≥0.65d5.7管箱结构设计管箱主要起到把管道中存在流体汇集到一起送出冷却器的作用。管箱还具有改变流体流向的作用。5.7.1管箱的最小内侧深度两程之间的流通面积的最小值是指管箱被与地面平行的平面所剖开所形成的载面面积；每程换热管流通面积是指同一管程内的换热管管内截面所形成的面积之和。根据设计要求选择取管箱内侧深度为835mm。5.7.2分程隔板隔板材料应采用与管箱相同的材料制造。它的厚度应该大于等于表6[2]的规定。按规定取隔板材料为15CrMo，隔板的最小厚度为10mm。槽深按照[2]规定：（1）槽深大于等于4mm；（2）槽的宽度根据材质分为：碳钢12mm,不锈钢11mm；（3）槽拐角处的倒角通常为45°，倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R，见图5.7.2。图5.7.2[2]取槽深为4mm，槽宽度为12mm，倒角为45°。第六章冷却器其他各部件结构6.1进出口接管设计通常冷却器的管箱上还有壳体上都会安装有接口或接管还有进出口管。在大多数管箱底部和壳体都安装有排液管，在上部都安装有排气管，壳体的侧面也通常装备有安全阀接口以及其他设备的接口，例如压力表、温度计、液位计等。立式管壳式冷却器，有必要的时候还需要设置溢流口。由于箱壳体和壳体上开孔，这样会对局部位置的强度造成影响。6.1.1接管法兰设计已知设计条件见表6.1.1表6.1.1管口规格符号用途或名称公称尺寸连接标准法兰类型及密封面形式1-1，2管程进出口PN16DN250HG20592-97WN/RJ2-1，2壳程进出口PN16DN200HG20592-97WH/RJ根据HG20592-97选取接管法兰的结构参数如下：公称直径钢管外径法兰厚度法兰颈法兰高度法兰理论重量DNA1CNSH1RH（kg）200219662781616814065.625027376340201810155106.4公差连接尺寸DN法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th2004303603612M33×22505154304212M39×3密封面尺寸DNdPEFRmax25038833011170.820032227511170.8公差±0.5±0.13+0.4±0.2±0.5°垫片尺寸DNAPHC20015.52752210.525015.53302210.5公差±0.2±0.18±0.4±0.2紧固件长度计算：螺柱：式中：紧固件长度，mm；法兰厚度，mm法兰厚度正公差（按HG20592～20635-97表A.0.1-1规定）,mm；环连接面法兰突台高度（按HG20592第8.0.2规定），mm；环连接面法兰间近似距离（按HG20592～20635-97表A.0.1-2规定）,mm；螺母最大厚度（按HG20592～20635-97表A.0.1-3规定）,mm；紧固件倒角端长度（按HG20592～20635-97表A.0.1-3规定）,mm；六角螺栓或螺柱安装时的最小伸出长度（按一个螺距计算，见HG20592～20635-97表A.0.1-3规定）,mm；六角螺栓或螺柱的负公差（按HG20592～20635-97表A.0.1-4规定）,mm；，垫片厚度，取。查取数值，及计算结果见下表:DN计算结果l20066+4.0116.728．7222.33239.425076+4.0116.733.42.532.632接管外伸长度它的长度也叫接管伸出长度，为此我们可以完成计算此长度。可按式（5.1.1）计算：（6.1.1）代入数据计算接管外伸长度得：壳程进出口接管外伸长度为：，取。管程进出口接管外伸长度为：，取。6.1.3接管开孔补强的设计计算本次设计采用整体补强设计。具体设计如下：（1）确认方法的适用性A圆筒计算厚度：壳程圆筒计算厚度：管程圆筒计算厚度：B接管计算厚度：壳程开孔直径：管程开孔直径：壳程接管计算厚度：名义厚度：，圆整取有效厚度：管程接管计算厚度：名义厚度：，圆整取有效厚度：C校核使用条件壳程接管：，管程接管：，故本设计可用整锻件补强设计。（2）开孔所需补强面积壳程：管程：（3）有效补强范围A设定补强元件结构尺寸如图4.1.4所示。过渡圆角半径按GB150确定。或取大者，式中：，壳程圆角半径：取30mm图6.1.4管程圆角半径：取35mm或取大者壳程圆角半径：取15mm管程圆角半径：取15mmB有效补强范围半径有效补强范围半径按式（）计算（）壳程有效补强范围半径：管程有效补强范围半径：（4）有效补强面积A圆筒多余金属面积：壳程：管程：B接管多余金属面积：壳程：管程：C密集补强区金属面积：D有效补强面积（略去，圆角处金属面积）：壳程：管程：（5）补强结果壳程：管程：故补强满足要求。6.1.4接管最小位置为了保证设备的制造、安装，管口距地的距离也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。本设计采用接管整体补强。6.1.5壳程接管位置的最小尺寸它的位置的最小尺寸，可按下列公式计算：无补强圈的接管（）取C≥4S(S为壳体厚度，mm)且≥30mm。计算壳程接管位置的最小尺寸如下：C≥4S=4×26=104mm，取C=105mm；6.1.6管箱接管位置的最小尺寸管箱接管位置的最小尺寸，可按下列公式计算：无补强圈的接管（）取C≥4S(S为壳体厚度，mm)且≥30mm。计算管箱程接管位置的最小尺寸如下：C≥4S=4×26=104mm，取C=105mm；6.2管板法兰设计管板法以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用得最普通。螺栓法兰连接主要由法兰、螺栓和垫片组成。本次设计管板与管箱和壳体的连接采用螺栓法兰连接。图6-26.2.1垫片的设计垫片的作用是防止容器发生泄漏。垫片是一个重要的结构，它的变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。（1）垫片材料及密封面型式根据设计条件，采用不锈钢金属环垫片，密封面型式按表9-1[1]选取密封面形式为6。（2）垫片参数查表9-2[1]，选取垫片的特性参数m=6.5，y=179.3MPa。（3）垫片尺寸取垫片内径为840mm，外径为900mm，厚度为3mm，垫环宽度ω=（900-840）/2=30mm。（4）垫片有效密封宽度查表9-1[1]的6，当时，。（5）垫片压紧力作用中心圆直径当时，=垫片接触面的平均直径=（900+840）/2=870mm。（6）垫片压紧力A预紧状态下需要的最小垫片压紧力计算（6.2.1）B操作状态下需要的最小垫片压紧力计算（6.2.2）6.2.2螺栓设（1）螺栓材料及许用应力螺栓材料选用35CrMoA,M36,螺纹小径截面积A为787.75㎡,，。（2）螺栓的布置法兰径向尺寸、及螺栓间距的最小值按表9-3[1]选取,如表6.2.2。表6.2.236483680（3）螺栓载荷a、预紧状态下需要的最小螺栓载荷计算（6.2.3）b、操作状态下需要的最小螺栓载荷计算（6.2.4）(4)螺栓面积A.预紧状态下需要的最小螺栓面积计算（6.2.5）B.操作状态下需要的最小螺栓面积计算（6.2.6）C.需要的螺栓截面积，取、之大值，取。（5）螺栓数量及总截面积螺栓数量：，以4的倍数圆整为44个。螺栓总截面积：>。（6）垫片宽度校核，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（6.2.7）B.操作状态下螺栓设计载荷计算（6.2.8）6.2.3法兰设计（1）法兰力臂取，法兰颈部斜度为1：3，则有。（2）法兰载荷（3）法兰力矩A.预紧状态下的法兰力矩计算（6.2.9）B.操作状态下的法兰力矩计算（6.2.10）（4）法兰设计力矩法兰设计力矩取以下大者：（5.2.11）取（5）法兰形状常数查表9-5[1],确定下列系数：T=1.80Z=3.82Y=7.4U=8.13查图9-3[1]，得：查图9-4[1]，得：查图9-7[1]，得：假设法兰厚度为170mm，则有：ψψ/T=2.0421/1.8=1.1345（6）法兰应力A.轴向应力计算（6.2.12）B.径向应力计算（6.2.13）C.环向应力计算（6.2.14）（7）法兰应力校核A.轴向应力计算B.径向应力计算C.环向应力计算D.组合应力综上所述，法兰应力满足要求。（8）螺栓间距校核螺栓最大间距不宜超过式（5.2.8）计算值（6.2.15）螺栓间距也满足条件。6.3折流板折流板它的结构及其设备的安排，是由它的加工的工艺性决定的，它的目的就是来扩大折流板之间的流动的速度，同时也是为了增加把热量传出来的作用。它的结构形式有很多种，我们生活中很常见的种类有弓形折流板、圆盘-圆环形折流板和矩形折流板。我们生活中经常用的是弓形折流板。6.3.1折流板尺寸（1）折流板缺口高度它的高度必须要求是让流体流过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圆筒内直径。取圆缺率为0.25，则h=0.25×800=200mm。弓形折流板的缺口可按图6.3.1切在管排中心线以下，或切于两排管孔的小桥之间。图6.3.1[2]（2）折流板的最小厚度折流板最小厚度按表34[2]选取。无支撑跨距了l为300mm，折流板厚度为6mm。（3）折流板板孔该冷却器采用不锈钢Ⅰ管束，按照表35[2]的规定，折流板管控直径及允许偏差为：管孔直径=d+0.7=19.7mm；允许偏差为：mm（4）折流板和支持板外直径及允许偏差应符合表41[2]的规定公称直径：800mm；折流板名义外直径：800-4.5=795.5mm；折流板外直径允许偏差：mm6.3.2折流板的布置如图5.3.2(a)；若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口，如图5.3.2(b),卧式冷却器、冷凝器和重沸器的壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如图6.3.2(c),本次设计采用图6.3.2(c)所示结构。图6.3.2[2]折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm，特殊情况下也可取较小的间距。换热管在其材料允许使用温度范围内的最大无支撑跨距，应按表42[2]的规定。取换热管的最大无支撑跨距为1500mm。6.4拉杆与定距管6.4.1拉杆的结构型式常用拉杆的形式有两种，见图6.4,（1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，>,(按表45[2]规定）；（2）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，>d；（3）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.2拉杆的直径和数量拉杆的直径和数量可以按表43[2]和表44[2]选取。选取拉杆直径为12mm。选取拉杆数量为8根。6.4.3拉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6.4.3，表6.4.3确定。图6.4.3表6.5.3[2]拉杆直径d拉杆螺纹公称直径b101013≥401.5121215≥502.0161620≥602.0选取拉杆螺纹公称直径为12mm，为15mm，为50mm，b为2.0mm。6.4.4拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的冷却器，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。6.5防冲与导流当管程采用轴向人口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，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（为流体密度，；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。6.5.1防冲板的形式（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；6.5.2防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1～1.25倍。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60mm。6.5.3导流筒内导流筒：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≤200mm时，间距不小于50mm；d＞200mm时，间距不小于75mm。立式外导流筒冷却器，应在内衬圆筒下端开泪孔。因此我这次的设计使用内导流筒，它的外部表面到圆筒内壁的距离为70mm。6.6双壳程结构它是使用纵向隔板将壳程分为双程，纵向隔板的最小厚度为6mm，当壳程压力降较大时，隔板应适当加厚。需要抽出管束的冷却器，应在隔板的两侧与壳体的间隙处设置密封结构，如图6-6所示。图6-66.7防短路结构旁路挡板或挡管是否需要、需要数量以及安装部位等，应根据使用条件和工艺计算来确定。一般应考虑以下因素:（1）卧式、左右缺边折流板冷却器，壳程物料从旁路短路的可能性较大，应根据需要考虑安装旁路挡板或假管。（2）当壳程的传热膜系数大大小于管程的传热膜系数时，壳程传热膜系数起控制作用，此时安装旁路挡板或挡管能显著提高总的传热系数。（3）旁路面积与壳程通流面积之比愈大，旁路的泄露就愈大，安装旁路挡板或假管的效果也愈显著；在较小的壳体直径（DN≤400）中安装挡板或挡管比在较大的壳体直径中更加有效。经过以上的分析可以知道，我这次的设计进行了比较计算之后了解到旁路挡板安装的部分出现的问题。6.7.1旁路挡板的结构尺寸安装在冷却器中的旁路挡板应与折流板焊接牢固，旁路挡板的厚度可取与折流板相同的厚度6mm，旁路挡板的数量推荐如下：公称直径DN≤500mm时，一对挡板；500＜DN＜1000mm时，两对挡板；DN≥1000mm时，不少于三对挡板。本次设计采用两对挡板。6.7.2挡管挡管为两端堵死的换热管，设置于分程隔板槽背面两管板之间，挡管与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管的设置都是为了减少流动死区。挡管应每隔3-4排换热管设置一根，但不应设置在折流板缺口处。挡管伸出第一块及最后一块折流板或支持板的长度应不大于50mm。挡管应与任意一块折流板焊接固定。6.7.3中间挡板中间单板的数量推荐如下:公称直径DN≤500mm时，一块挡板；500＜DN＜1000mm时，两块挡板；DN≥1000mm时，不少于三块挡板。本次设计采用两块挡板。6.8鞍座鞍座分为固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种安装形式。按照JB4717/T4712-92的规定选用鞍座如下：固定式鞍座JB/T4712-92鞍座BI800-F滑动式鞍座JB/T4712-92鞍座BI800-S鞍座尺寸如下：公称直径DN：800mm允许载荷Q：220KN鞍座质量（带垫板）：35kg鞍座高度h：200mm螺栓间距：l2=530mm膜板：δ2=10mm底板尺寸：l1=720mmb1=150mmδ1=10mm垫板：弧长=940b4=200mmδ4=6mme=36鞍座设置应尽可能靠近封头，即A应小于或等于且不宜大于0.2L,当需要时，A最大不得大于0.25L。取两鞍座间距离为4000mm。结论通过被课题的学习与研究，基本完成了U型管式冷却器的设计任务，收获颇丰，虽然设计任务完满完成，但是设计中尚有需要改进和完善之处。成果：（1）通过设计过程对过去学到的专业知识进行了系统的回顾和学习；（2）较全面的了解和学习了U型管式冷却器设计的设计步骤和设计要求；（3）学习了冷却器设计中常用的规范和标准；（4）了解了焊接工艺常用的规范和技术要求；（5）懂得了独立研究和思考问题的方法。不足:（1）对于管箱隔板的设计研究还不够深入，设计部够精准；（2）接管的补强设计还需完善，以使结构更加美观和经济；（3）由于设计压力较高有些结构需要自行设计，设计经验少，研究不够深入设计的结构还需完善和完美。此次设计已经结束，受益匪浅，设计规范中一些细节之处可参考的资料较少，在设计过程中遇到的一些难以解决的问题。苦于自身知识结构还不够完善，缺乏深度，希望在以后的工作中不断充实与完善自我知识。参考文献[1]苗德山.钢制压力容器[M].全国压力容器标准化技术委员会,1998：197[2]朱巨贤.钢制管壳式换热器[M].兰州石油机械研究所,1999:286[3]椭圆形封头,北京：机械工业出版社，1996:374[4]JB/T4717-92《U型管式换热器型式与基本参数》,:349—353[5]椭圆形封头[M].北京：机械工业出版社，1996[6]GB13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》[7]HG20592～20635-97.钢制管法兰、垫片、紧固件[8]钱颂德.冷却器设计手册[M].北京：化学工业出版，2002:99-103[9]毛希澜.化工设备设计全书（冷却器设计）[M].上海科学技术出版社,1988:133[10]国家质量技术监督局,压力容器安全技术监察规程[m].北京：中国劳动社会保障出版社，1999:252[11]兰州石油机械研究所.换热器.北京：烃加工出版社，1998：55-66[12.]秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书——换热器[M]，北京：化学工业出版社，2003:59致谢时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。在论文完成之际，大学生涯已过去三载，遥想入学当时，恍如隔日，不免感叹时光易逝，韶华难追。面对顺利完成的论文，我满怀欣喜，回想求学之路，快乐而艰辛。四年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在学习、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。首先，感谢我的指导教师。本论文能够顺利完成，离不开老师的悉心指导和严格要求，老师在论文的选题、设计思路、数据整理，直至撰写、修改和定稿等各个环节均严格把关，并投入了大量的时间和精力。在跟随老师学习的过程中，我不仅掌握了全新而实用的学术思想和研究方法，也领会了许多待人接物与为人处世的道理。老师严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，令人如沐春风，倍感温馨。还要感谢宋克俭老师在中期答辩中给予了许多中肯意见，使我在之后的设计工作中能够精益求精，事半功倍。其次，感谢所有教育过我的老师！你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。师恩似海，永生难忘！最后，要感谢2012级过控的同窗好友，在同大家的交往中我学到很多，也非常快乐，正因为有大家我在大学的生活才能如此丰富而充实。同窗之谊和手足之情，我将终生难忘！四年时光转瞬即逝，然而这段短暂时光的点点滴滴都将是我生命中的美好回忆。因而在今后新的征程中，无论面临多大的困难，我也将怀抱着感激、怀抱着情谊、怀抱着责任、怀抱着期望和梦想，坚定、自信地走下去。我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位师长表示感谢！本论文在编写过程中反复推敲和修改，但鉴于本人知识水平所限，不妥之处难免。，敬请各位老师的指正！不胜感激。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究