U型管換熱器設計

吉林化工學院課程設計（說明書）吉林化工學院過程設備設計課程設計換熱器設計-U型管式 專業(yè)：過程裝備與控制工程姓名：黃少華學號：05420338指導教師：張志文2008年12月1525日22摘要本文扼要介紹了U型管換熱器的特點及在工業(yè)中的應用和發(fā)展前景，詳細的闡述了U型管式換熱器的結構及強度設計計算及制造、檢修和維護。參照GB151-1999及換熱器設計手冊，綜合考慮各種因素，結構設計需要選擇適用合理、經濟的結構形式，同時滿足制造、檢修、裝配、運輸和維修等要求；而強度計算的內容包括換熱器的材料，確定主要結構尺寸，滿足強度、剛度和穩(wěn)定性等要求，根據設計壓力確定壁厚，使換熱器有足夠的腐蝕裕度，從而使設計結果達到最優(yōu)化組合。 設計結果滿足用戶要求，安全性與經濟性及環(huán)保要求均合格。關鍵詞：換熱器、U型管式、結構設計、強度設計目 錄摘要- -第一章 緒論1第二章 U型管換熱器的特點2第三章 結構設計33.1 管箱設計33.3 封頭設計43.4 管板設計53.5 拉桿和定距管的確定73.7 旁路擋板設計83.8 容器法蘭的設計83.9 選取支座9第四章 強度校核94.1 管箱筒體計算94.1.1計算條件：94.1.2厚度及重量計算94.1.3壓力試驗時應力校核104.1.4壓力及應力計算104.2 殼程圓筒計算104.2.1計算條件104.2.2厚度及重量計算114.2.3壓力實驗時應力校核114.2.4壓力及應力計算114.3 開孔補強計算114.3.1計算條件114.3.2開孔補強計算124.3.3設計條件124.3.4開孔補強計算134.4管板和法蘭的強度計算134.5僅有殼程壓力作用下的危險組合工況154.6僅有管程壓力作用下的危險組合工況17第五章 換熱器的制造、檢驗、安裝與維修185.1 換熱器的制造、檢驗與驗收185.1.1筒體185.1.2 換熱管185.1.3管板185.1.4 折流板、支持板185.1.5 管束的組裝185.1.6換熱器的組裝195.1.7 壓力試驗195.2 換熱器的安裝與維護195.2.1安裝195.2.3 維護19結束語20參考文獻21第一章 緒論在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度高，放熱；另一種流體溫度低，吸熱。在工程實踐中有時也會有兩種以上流體參加換熱的換熱器，但其基本原理與前一致?；?、石油、動力、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性問題。為緩和能源緊張的狀況，世界各國競相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術，已成為當前工業(yè)生產和人民生活中一個重要課題。換熱器在節(jié)能技術改造中具有很重要的作用，表現在兩方面：一是在生產工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設備的熱效率。本次課程設計的內容是U型管換熱器，屬管殼式（列管式）換熱器，其設計分析包括熱力設計、流動設計、結構設計以及強度設計。其中以結構設計最為重要, U型管式換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。對于列管式換熱器，一般要根據換熱流體的腐蝕性及其它特性來選擇結構與材料，根據材料的加工性能，流體的壓力和溫度。換熱器管程與殼程的溫度差，換熱器的熱負荷，檢修清洗的要求等因素決定采用哪一類的列管式換熱器。由于我們水平和能力有限，設計時間倉促，存在不妥之處在所難免，懇請老師給予批評指正。第二章 U型管換熱器的特點 U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定在同一管板上，這一換熱器的優(yōu)點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強；管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。缺點：管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分部管不緊湊，所以管字數不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了其適用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質易結垢而管程介質不易結垢，高溫、高壓、腐蝕性強的場合。第三章 結構設計3.1 管箱設計3.1.1管箱短節(jié)a 材料：由于管程走循環(huán)水，對管箱來說，要求不高，腐蝕性極低，所以選其材料為20R板材。b 加工：采用20R鋼板卷制，使用氬弧打底的單向焊焊接。c 尺寸：根據GB151-1999表8中低合金鋼圓筒的最小厚度規(guī)定公稱直徑DN=10001500時，U型管換熱器筒體最小厚度為12，即=12根據GB151-89規(guī)定，短節(jié)長度L300，取L=500所以短節(jié)尺寸DN=1300，=12mm L=500。3.1.2分程隔板a 材料 ：選用Q235-A板材，許用應力。b 尺寸：根據GB151-1999表6中碳素鋼及低合金鋼分成隔板最小厚度規(guī)定：當DN=6001200時，最小厚度為4.5,取=12。分程隔板長度L同管箱深度。c 為了使換熱器在停車時將水排凈，要在分程隔板上開設一個的排凈孔或三角口。d 隔板應連續(xù)焊在管箱壁上。3.1.3管箱深度a 根據圖21得管箱深度L=866。b 根據鋼制U型管換熱器結構手冊P165得換熱器的管箱最小長度 其中換熱管內徑。 各相鄰的管程間分程處物料流通的最小寬度。 根據鋼制U型管換熱器結構手冊P167表4-37選取E=1300。 h封頭內曲面高度。 S封頭厚度。c 管箱最大長度根據鋼制U型管換熱器結構手冊P169中圖438管箱最大長度，根據鋼制U型管換熱器結構手冊P168：在設計中如果管箱長度不能滿足，對最小長度和的要求，則應滿足最小長度=365的要求來確定管箱長度，為此，取L=700。3.2 圓筒的設計a 材料：由于工作介質為丙烯，苯為易燃，中度危害的介質，以及容器的使用條件，總和經濟性等選材為16MnR.b 加工與尺寸： 設計溫度 T=265，設計壓力 Pc=1.88Mpa,雙面焊對接接頭 0.85.公稱直徑 DN=800mm,鋼板負偏差C1=0,腐蝕裕量C2=3mm.由設計公式取厚度為12mm。 筒體長度l=5975mm.由于筒體的公稱直徑DN=800mm>400mm,所以采用板材卷制而成，查換熱器設計手冊表1-6-5得 筒體的總重量為 240x5975x0.001=1434kg.3.3 封頭設計3.2.1 受內壓封頭計算：選取標準橢圓形封頭，DN=800 材料：16MnR 負偏差c=0.00 腐蝕余量c=3.00取 封頭的總重 71.5kg.3.2.2受外壓封頭計算：選取標準橢圓形封頭，DN=800 材料16MnR 假設名義厚度 負偏差c=0.00 腐蝕余量c=3有效厚度=12-0-3=9當量球殼外半徑 則查GB150-1998圖63 E=2.010P= 故=12合適。橢圓封頭簡圖：（1）橢圓封頭3.4 管板設計材料：選用16MnR,其許用應力（1）管板和換熱器的連接型式：要求管板和換熱器的連接接頭嚴密不漏，管殼程介質不能接觸，且有很高的腐蝕危險，同時由于脹接是不連續(xù)的，管子和管孔間的間隙會成為腐蝕的起點，則管板和換熱器采用焊接形式。（2）管板最小厚度a 布管：管子的材料：選用材料16MnR作為換熱器。本設計選取464根換熱管，由GB151-1999中知管子的排列形式分為四種：三角形、轉角三角形、正方形、轉角正方形排列。設計的U型管換熱器的換熱管外徑為25，殼程需用機械清洗時不采用三角形排列，所以選擇正方形旋轉形排列形式。由換熱器手冊表1-6-16得外徑為25mm的換熱管，當用轉置正方形排列時，其換熱管分程板槽兩側相鄰的管中心距應為32mmx32mm正方形的對角線長，即Sn=45.255mm.b 管孔：由GB151-1999表17得換熱管和管孔直徑允許偏差為：換熱管：管孔 。c 換熱器中心距及分程隔板槽兩側相鄰管中心距由于分程隔板厚度為14，為此我們取管板上的分程隔板槽深為4，寬為12。管板分程隔板槽示意圖：（2）管板分程隔板槽d 布管限定圓根據表1-6-17布管限定圓有且不小于10得 所以取即其中：d管板的計算厚度 U型管換熱器管束最外層換熱管外表面至殼體內壁的最短距離Di換熱器筒體內直徑。布管限定圓示意圖：（3）布管限定圓示意圖e.管板計算管板的計算厚度： 其中：d管板的計算厚度 墊片壓緊力作用中心圓直徑 管板設計壓力 根據鍋爐壓力容器法規(guī)取兩值中較大值 管板強度消弱系數 設計溫度下管板材料的許用應力即 據（7-556）：管板厚度應小于下列三者之和1）管板的計算厚度2）殼程腐蝕余量或結構開槽深度取大者3）管程腐蝕余量或分程隔板開槽深度取大者由前面知：1）管板的計算厚度2）殼程腐蝕余量，開槽深度 ，所以管板厚度： 取 3.5 拉桿和定距管的確定a 拉桿拉桿的結構形式：拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束。下圖為拉桿定距管結構： （4）拉桿定距管結構拉桿的直徑和數量由GB151-1999表43選取拉桿直徑d=16mm，筒體內徑為800時，拉桿數目n=6。尺寸如下圖：（5）拉桿尺寸圖拉桿的布置拉桿應盡量均勻的布置在管束的邊緣外側，這樣可減少輕流體沖擊帶來的振動，防止管束損壞。b 定距管定距管采用換熱器切向間距和折流板間距相同的管段套在拉桿上，一端固定在管板上，另一端用螺母擰緊國定，用來固定折流板，防止移動。尺寸：同換熱器尺寸相同，長度如組件圖ZB0604-2 材料選用20。3.6 折流板設計折流板的結構設計主要根據工藝過程和要求來確定，其設置的主要目的是為了增加管間流速，提高傳熱效果。折流板主要形式：弓形、圓盤-圓環(huán)形、圓缺形等，本設計采用圓缺形單缺邊折流板。材料：為保持物料清潔，選用Q235-A板材制作折流板，許用應力：。折流板尺寸：折流板缺邊位置尺寸：切去部分的高度一般取折流板的間距：最小板間距：取殼體內徑的或50中的較大值。本設計取50。最大板間距：折流板最大間距應保持換熱管的無支承長度。用作折流時，其值應大于殼體內徑。本設計取1900。折流板的厚度：折流板厚度與殼體直徑換熱管無支承長度有關。本設計取16。3.7 旁路擋板設計a 旁路擋板的數目：由7P600知：當公稱直徑DN=7001000時，采用兩對擋板。b 材料：選用Q235-A板材c 尺寸及安裝形式：查文獻7P600知：旁路擋板的厚度一般取與折流板相同的厚度，旁路擋板嵌入折流板槽，并與折流板焊死。3.8 容器法蘭的設計a 法蘭的形式：根據本設計使用的介質、設計壓力、設計溫度、公稱直徑確定。法蘭的結構形式為對焊法蘭，法蘭的密封面形式為凹凸面，材料選取16MnR。許用壓力。b 法蘭的選?。汗芊ㄌm：HG50015028-58設備法蘭：JB11571164-82拉管法蘭：HG50015028-58管箱上的設備法蘭：本設計選取JB1158-82甲型平焊法蘭3.9 選取支座臥式換熱器采用固定型和滑動型鞍式支座各一個，鞍式支座是固定臥式容器中的支座形式，按照鞍式支座標準。我們選取BI1300-S和BI1300-F的支座，材料為Q235-A.F,墊板材料為16MnR板材，各部分尺寸如下所示：圖為B型鞍式支座：（6）鞍式支座第四章 強度校核4.1 管箱筒體計算4.1.1計算條件：計算壓力：設計溫度：t=265.00內徑：材料：16MnR板材試驗溫度許用應力設計溫度許用應力試驗溫度下屈服點鋼板負偏差腐蝕裕量焊接接頭系數4.1.2厚度及重量計算計算厚度：有效厚度：名義厚度：重量為194.13kg4.1.3壓力試驗時應力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值：壓力試驗允許通過的應力水平：試驗壓力下圓筒的應力：因為 所以校核結果合格4.1.4壓力及應力計算最大允許工作壓力：設計溫度下計算應力：因為 所以結論：筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度11.00 合格。 4.2 殼程圓筒計算4.2.1計算條件計算壓力設計溫度t=265.00內徑：材料：16MnR板材試驗溫度許用應力：設計溫度許用應力：試驗溫度下屈服點：鋼板負偏差：腐蝕裕量：焊接接頭系數：4.2.2厚度及重量計算計算厚度：有效厚度：名義厚度：重量：1434kg4.2.3壓力實驗時應力校核壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值：壓力試驗允許通過的應力水平：試驗壓力下圓筒的應力：因為 所以校核結果合格。4.2.4壓力及應力計算最大允許工作壓力：設計溫度下計算應力：因為 所以結論：筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度11.00 合格。4.3 開孔補強計算接管：A 4.3.1計算條件計算壓力：設計溫度：t=70殼體形式：圓形筒體殼體材料名稱及類型：16MnR板材殼體開孔處焊接接頭系數：殼體內直徑：殼體開孔處名義厚度：殼體厚度負偏差：殼體腐蝕裕量：殼體材料許用應力：接管實際外伸長度：200接管實際內伸長度：0接管焊接接頭系數：1接管腐蝕裕量：2接管厚度負偏差：接管材料許用應力：4.3.2開孔補強計算殼體計算厚度：接管計算厚度： 接管材料強度削弱系數：開孔直徑：補強區(qū)有效寬度：接管有效外伸長度：接管有效內伸長度：開孔削弱所需的補強面積：殼體多余金屬面積：接管多余金屬面積：補強區(qū)內的焊縫面積：因為，大于，所以不需要另加補強。結論：補強滿足要求，不需要另加補強。 接管：B 4.3.3設計條件計算壓力：計算溫度：60接管實際外伸長度：200接管實際內伸長度：0接管焊接接頭系數：1接管腐蝕裕量：2接管厚度負偏差：接管材料許用應力： 4.3.4開孔補強計算殼體計算厚度：接管計算厚度：接管材料強度削弱系數：開孔直徑：補強區(qū)有效寬度：接管有效外伸長度：接管有效內伸長度：開孔削弱所需的補強面積：殼體多余金屬面積：接管多余金屬面積：補強區(qū)內的焊縫面積：因為大于A，所以不需另加補強。結論：補強滿足要求，不需另加補強。4.4管板和法蘭的強度計算 1.管板：材料名稱：16MnR設計溫度：設計溫度下許用應力：設計溫度下彈性模量：管板腐蝕裕量：管板輸入厚度：管板計算厚度：隔板槽面積：管板強度削弱系數：管板剛度削弱系數：管子加強系數： 管板和管子連接型式：焊接管板和管子焊接高度：焊接許用拉脫應力：2.殼體法蘭：材料名稱：16Mn殼體法蘭厚度：法蘭外徑：法蘭寬度：比值：比值：系數：系數：旋轉剛度： 3.系數計算：法蘭外徑與內徑之比：殼體法蘭應力系數Y：按k查GB150-1998表9-5得16.73旋轉剛度無量綱參數：管板第一彎矩系數：按系數：系數：按查GB151-1998圖29得換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼剛度之比：管板第二彎矩系數：按K，Q查GB151-1999圖28（a）得系數：系數：按K，Q查圖30得法蘭力矩折減系數：管板邊緣力矩變化系數：法蘭力矩變化系數：4.5僅有殼程壓力作用下的危險組合工況 1.基本法蘭力矩系數：不計溫差應力：計溫差應力： 2.殼體法蘭力矩系數：不計溫差應力：計溫差應力：3.殼體法蘭應力：不計溫差應力：計算值 許用值 計溫差應力：計算值 許用值 4.換熱管與管板連接拉脫應力：不計溫差應力：計算值 許用值 計溫差應力：計算值 許用值 4.6僅有管程壓力作用下的危險組合工況 1.殼體法蘭力矩系數：不計溫差應力：計溫差應力：2.殼體法蘭應力：不計溫差應力：計算值 許用值 計溫差應力：計算值 許用值 3.換熱管與管板連接拉脫應力：不計溫差應力：計算值 許用值 計溫差應力：計算值 許用值 3計算結果：管板名義厚度 管板校核通過。第五章 換熱器的制造、檢驗、安裝與維修5.1 換熱器的制造、檢驗與驗收換熱器的制造、檢驗與驗收，應遵守GB151-1999和GB150-1998的有關規(guī)定。5.1.1筒體a 圓筒內直徑允許偏差：用板材卷制時，內直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外圓周長允許上偏差為10mm，下偏差為0。b 圓筒同一斷面上，最大直徑與最小直徑之差為e0.5%DN，DN=0.5%1100=5.5mmc 圓筒直線度偏差為L/1000，且當L6000mm時，其值不大于4.5mm。L=6000mm 所以直線度允許偏差4.5mm。進行檢查時，應通過中心線和垂直面即沿圓周0、90、180、270四個部位測量。d 殼體內壁凡有礙管束順利裝入或抽出的焊縫均應磨至與母材表面齊平。e 插入式接管不應伸出管箱、殼體和頭蓋的內表面。5.1.2 換熱管a 換熱管管端外表面應除銹，用于焊接時，管端清理長度應不小于管外徑，且不小于25mm。b 管端坡口應采用機械方法加工，焊前應清洗干凈。5.1.3管板a 管板由低合金鋼鍛件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超過此值，應先進行校平，然后進行加工。b 拼接管板的對接接頭應進行100%射線或超聲檢測，按JB4730-94進行表面檢測，檢測結果不低于級，或超聲檢測中的級為合格。c 換熱管與管板的連接：二者采用焊接的形式連接，連接部位的換熱管和管板孔表面，應清理干凈，不得有毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。焊渣及凸出于換熱器內壁的焊瘤均應清除。 d 管板與換熱管焊接時，管孔表面粗糙度Ra值25m。5.1.4 折流板、支持板a 折流板、支持板的管孔直徑及允許誤差按GB151-1999中5.9.3的規(guī)定為：19.6，但允許超差0.1mm的管孔數不得超過4%。b 折流板、支持板外圓表面粗糙度Ra值不得大于25m，外圓面兩側的尖角應倒鈍。還應取出折流板、支持板上的任何毛刺。5.1.5 管束的組裝a 拉桿上的螺母應擰緊，以免在裝入或抽出管束時，因折流板竄動而損傷換熱管。b 穿管時不應強行敲打，換熱管表面不應出現凹癟或劃傷。 c 除換熱管與管板間以焊接連接外，其他任何零件均不準與換熱管相焊。d 管箱應在補焊后作消除應力的熱處理，設備法蘭應在熱處理后加工。e 換熱器的密封面應予以保護，不得因磕碰劃傷、電弧損傷、焊瘤、飛濺等二損壞密封面。5.1.6換熱器的組裝a 換熱器零、部件在組裝前應認真檢查和清掃，不應留有焊疤、焊接飛濺物、浮銹及其他雜物等。b 吊裝管束時，應防止管束變形和損傷換熱管。c 螺栓的緊固至少應分三遍進行，每遍的起點應相互錯開120角。5.1.7 壓力試驗壓力試驗的方法及要求應符合GB150-1998鋼制壓力容器第十章10.9的規(guī)定。U型管換熱氣的壓力試驗的順序：先用試驗壓環(huán)進行殼程試驗，同時檢查接頭，水壓試驗壓力1Mpa（表壓）在進行殼程試驗，合格后，再以0.105（表壓）進行氣密性試驗。5.2 換熱器的安裝與維護5.2.1安裝1.安裝位置：根據該換熱器的結構形式，在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足拆裝、維修的需要。2.基礎：必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動支座的一端應予埋滑板。3.地腳螺栓和墊鐵（1）活動支座的地腳螺栓應裝有兩個緊鎖的螺母，螺母與底板間應留有13mm的間隙。（2）地腳螺栓兩側均有墊鐵。設備找平后，斜墊鐵，可與設備支座底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。（3）墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。5.2.3 維護換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下進行。要經常對管殼程介質的溫度和壓降進行監(jiān)督，分析換熱器的泄漏和結構情況。在壓降增大和傳熱系數降低超過一定數值時，應根據介質和換熱器的結構，選擇有效的方法進行清洗。應經常監(jiān)視管束的振動情況。結束語這次設計是在大學完成四年全部課程的基礎上，通過實習對102、104廠的實地考察，參觀了一系列的換熱設備，查閱了相關資料的基礎上進行的。是一次理論與實踐相結合的綜合性訓練。兩個多星期以來，我們在指導教師的熱心指導下，經過個人的努力，順利完成了本次設計任務。本次設計大致分四個步驟，首先進行的是工藝部分的計算，確定出換熱面積、換熱管數、管長、管程及殼程流體的流速、換熱器筒體的內徑等：然后就開始換熱器的結構設計，通過已知條件及工藝計算部分的結果選定U型管換熱器，其中涉及到了一系列零部件的設計和選擇，這步工作需要參照GB151，GB150等國家標準進行設計；接著進行各零部件的強度校核，用以保證各零部件的強度和剛度，這也是設計的難點和重點。這三步工作完成以后，最后就是繪圖和論文的編排與打印。設計是一個從無到有的過程，其中有很多因素都必須考慮到，因此需要一定的耐心和細心才能夠完得成。在這次的課程設計過程中，使我學到了很多知識，把以前的理論知識聯系到實際當中，但是，由于時間和自己掌握的知識有限，在設計的過程中難免有錯誤，衷心希望老師指正。參考文獻1 化工設備設計手冊.上海：科學技術出版社；19822 管殼式換熱器:GB151-1999. 中國標準出版社出版3 鋼制壓力容器:GB150-1998. 中國標準出版社出版4 中華人民共和國行業(yè)標準JB/T47004707-2000.壓力容器法蘭，20005 壓力容器與化工設備使用手冊.北京：化學工業(yè)出版社 20006 換熱器設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，20027 化工原理. 天津 天津大學出版社 19998 過程設備設計. 北京 化學工業(yè)出版社 2001附件 U型管式換熱器裝配圖圖紙一張（A1）