U型管换热器设计说明书70834.docx
《U型管换热器设计说明书70834.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《U型管换热器设计说明书70834.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
U型管换热器设计说明书70834
吉林化工学院
《过程设备设计》课程设计
换热器设计-U型管式
专业：
过程装备与控制工程
姓名：
黄少华
学号：
05420338
指导教师：
张志文
2008年12月15〜25日
摘要
本文扼要介绍了U型管换热器的特点及在工业中的应用和发展前景，详细的阐述了U型管式换热器的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。
参照GB151-1999及换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。
设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。
关键词：
换热器、U型管式、结构设计、强度设计
摘要错误!
未定义书签。
第一章绪论1.
第二章U型管换热器的特点错..误!
未定义书签。
第三章结构设计错..误!
未定义书签。
管箱设计错误!
未定义书签。
封头设计错误!
未定义书签。
管板设计错误!
未定义书签。
拉杆和定距管的确定错误!
未定义书签。
旁路挡板设计错误!
未定义书签。
容器法兰的设计错误!
未定义书签。
选取支座错误!
未定义书签。
第四章强度校核错..误!
未定义书签。
管箱筒体计算错误!
未定义书签。
计算条件：
错误!
未定义书签。
厚度及重量计算错误!
未定义书签。
压力试验时应力校核错误!
未定义书签。
压力及应力计算错误!
未定义书签。
壳程圆筒计算错误!
未定义书签。
计算条件错误!
未定义书签。
厚度及重量计算错误!
未定义书签。
压力实验时应力校核错误!
未定义书签。
压力及应力计算错误!
未定义书签。
开孔补强计算错误!
未定义书签。
计算条件错误!
未定义书签。
开孔补强计算错误!
未定义书签。
设计条件错误!
未定义书签。
开孔补强计算错误!
未定义书签。
管板和法兰的强度计算错误!
未定义书签。
仅有壳程压力作用下的危险组合工况错误!
未定义书签。
仅有管程压力作用下的危险组合工况Ps0错误!
未定义书签。
第五章换热器的制造、检验、安装与维修错.误!
未定义书签。
换热器的制造、检验与验收错误!
未定义书签。
筒体错误!
未定义书签。
换热管错误!
未定义书签。
管板错误!
未定义书签。
折流板、支持板错误!
未定义书签。
管束的组装错误!
未定义书签。
换热器的组装错误!
未定义书签。
压力试验错误!
未定义书签。
换热器的安装与维护错误!
未定义书签。
安装错误!
未定义书签。
维护错误!
未定义书签。
结束语错误!
未定义书签。
第一章绪论
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。
在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。
化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。
随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。
为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：
一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显着地提高设备的热效率。
本次课程设计的内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
其中以结构设计最为重要,U型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。
对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其它特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力和温度。
换热器管程与壳程的温度差，换热器的热负荷，检修清洗的要求等因素决定采用哪一类的列管式换热器。
由于我们水平和能力有限，设计时间仓促，存在不妥之处在所难免，恳请老师给予批评指正。
第二章U型管换热器的特点
U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器的优点是：
管束可以自由伸缩，不会因为管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，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。
缺点：
管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分部管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。
此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。
这就影响了其适用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的场合。
第三章结构设计
管箱设计
3.1.1管箱短节
a材料：
由于管程走循环水，对管箱来说，要求不高，腐蚀性极低，所以选其材料为20R
板材。
b加工：
采用20R钢板卷制，使用氩弧打底的单向焊焊接。
c尺寸：
根据GB151-1999表8中低合金钢圆筒的最小厚度规定公称直径DN=100旷1500mm
时，U型管换热器筒体最小厚度为12mm,即卩n=12mm根据GB151-89规定，短节长度L>300mm，取L=500mm所以短节尺寸DN=1300,n=12mmL=500mm。
3.1.2分程隔板
a材料：
选用Q235-A板材，许用应力60C113Mpa。
b尺寸：
根据GB151-1999表6中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定：
当DN=600-
1200mm时，min12mm最小厚度为mm,取n=12mm。
分程隔板长度L同管箱深度。
c为了使换热器在停车时将水排净，要在分程隔板上开设一个6的排净孔或三角口
d隔板应连续焊在管箱壁上。
3.1.3管箱深度
a根据图2—1得管箱深度L=866mm。
根据钢制U型管换热器结构手册P165得换热器的管箱最小长度
3.142
25275
V32512365mm其中
1300
di——换热管内径。
NCp――各相邻的管程间分程处物料流通的最小宽度。
根据钢制U型管换热器结构手册P167表4-37选取E=1300mm
hi封头内曲面高度mm。
Sp――封头厚度。
c管箱最大长度
根据钢制U型管换热器结构手册P169中图4—38管箱最大长度
Lgmax465mmLgminLgmaxLg，根据钢制U型管换热器结构手册P168：
在设计中如果管箱长度不能满足LgminLgLgmax，对最小长度Lgmin和Lgmax的要求，则应满足最小长度Lgmin=365mm的要求来确定管箱长度，为此，取L=700mm。
圆筒的设计
a材料：
由于工作介质为丙烯，苯为易燃，中度危害的介质，以及容器的使用条件，总和
经济性等选材为16MnR.
b加工与尺寸：
设计温度T=265,设计压力卩。
=双面焊对接接头.
公称直径DN=800mm,钢板负偏差C仁0腐蚀裕量C2=3mm.
由设计公式雲1.888006.19mm
2Pc21440.851.88
取厚度为12mm。
筒体长度l=5975mm.
由于筒体的公称直径DN=800mm>400mm所以采用板材卷制而成，查换热器设计手册表1-6-5得筒体的总重量为=1434kg.
封头设计
3.2.1受内压封头计算：
选取标准椭圆形封头，DN=800mm材料：
16MnR60C170Mpa
1.88800
21700.850.51.88
查GB150-1998图6—3E=x105Mpa
5
0.0833E0.0833210mm玉
[P]=222.61MpaPc1.88Mpa故n=12mm合适。
Ro「80
e
椭圆封头简图：
（1）椭圆圭寸头
管板设计
材料：
选用16MnR,其许用应力70C170Mpa
（1）管板和换热器的连接型式：
要求管板和换热器的连接接头严密不漏，管壳程介质不能接触，且有很高的腐蚀危险，同时由于胀接是不连续的，管子和管孔间的间隙会成为腐蚀的起点，则管板和换热器采用焊接形式。
（2）管板最小厚度
a布管：
管子的材料：
选用材料16MnR作为换热器。
本设计选取464根换热管，由GB151-1999中知管子的排列形式分为四种：
三角形、转角三角形、正方形、转角正方形排列。
设计的U型管换热器的换热管外径为25mm，壳程需用机械清洗时不采用三角形排列，所以选择正方形旋转形排列形式。
由换热器手册表1-6-16得外径为25mm的换热管，当用转置正方形排列时，其换热管分程板槽两侧相邻的管中心距应为32mmx32mm正方形的对角线长，即Sn=45.255mm.
b管孔：
由GB151-1999表17得换热管和管孔直径允许偏差为：
换热管：
25管孔
25.4000.2。
c换热器中心距及分程隔板槽两侧相邻管中心距
1由于分程隔板厚度为14,为此我们取管板上的分程隔板槽深为4，宽为12mm。
管板分程隔板槽示意图：
厂
i
1
1kd
（2）管板分程隔板槽
d布管限定圆
根据表1-6-17布管限定圆DlDi2b3有b30.25d且不小于10mm得b30.25256.2510所以取b,10mm
即Di800210780mm
其中：
d――管板的计算厚度mm
b3——U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离
Di――换热器筒体内直径。
布管限定圆示意图：
（3）布管限定圆示意图
其中：
d――管板的计算厚度mm
Dg――垫片压紧力作用中心圆直径mm
pd――管板设计压力根据《锅炉压力容器法规》取两值中较大值
PdPt0.6MPa
――管板强度消弱系数0.4
t――设计温度下管板材料的许用应力MPa
0.6
2据（7-556）:
管板厚度应小于下列三者之和
1）管板的计算厚度
2）壳程腐蚀余量或结构开槽深度取大者
3）管程腐蚀余量或分程隔板开槽深度取大者由前面知：
1）管板的计算厚度55.44mm
2）壳程腐蚀余量C22mm，开槽深度h14mmh26mm，所以管板厚度:
b55.444665.44mm取b70mm
拉杆和定距管的确定
a拉杆
①拉杆的结构形式：
拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束
下图为拉杆定距管结构:
（4）拉杆定距管结构
②拉杆的直径和数量
由GB151-1999表43选取拉杆直径d=16mm,筒体内径为800时，拉杆数目n=6。
尺寸如下图：
（5）拉杆尺寸图
3拉杆的布置
拉杆应尽量均匀的布置在管束的边缘外侧，这样可减少轻流体冲击带来的振动，防止
管束损坏＜b定距管
定距管采用换热器切向间距和折流板间距相同的管段套在拉杆上，一端固定在管板上,
另一端用螺母拧紧国定，用来固定折流板，防止移动。
尺寸：
同换热器尺寸相同，长度如组件图ZB0604-2材料选用20。
折流板设计
折流板的结构设计主要根据工艺过程和要求来确定，其设置的主要目的是为了增加管间流速，提高传热效果。
折流板主要形式：
弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计采用圆缺形单缺边折流板。
材料：
为保持物料清洁，选用Q235-A板材制作折流板，许用应力：
60C170Mpa
折流板尺寸：
折流板缺边位置尺寸：
切去部分的高度一般取
h00.25~0.45Di0.251300325mm
折流板的间距：
1最小板间距：
取壳体内径的15或50mm中的较大值。
本设计取50mm。
2最大板间距：
折流板最大间距应保持换热管的无支承长度。
用作折流时，其值应大于壳体内径。
本设计取1900mm。
折流板的厚度：
折流板厚度与壳体直径换热管无支承长度有关。
本设计取16mm。
旁路挡板设计
a旁路挡板的数目：
由[7]—P600知：
当公称直径DN=700-1000mm时，采用两对挡板。
b材料：
选用Q235-A板材
c尺寸及安装形式：
查文献[7]—P600知：
旁路挡板的厚度一般取与折流板相同的厚度，16mm旁路挡
板嵌入折流板槽，并与折流板焊死。
容器法兰的设计
a法兰的形式：
根据本设计使用的介质、设计压力、设计温度、公称直径确定。
法兰的结
构形式为对焊法兰，法兰的密封面形式为凹凸面，材料选取16MnR。
许用压力
70C
170Mpa。
b法兰的选取：
管法兰：
HG5001〜5028-58设备法兰：
JB1157〜1164-82拉管法兰：
HG5001〜5028-58
管箱上的设备法兰：
本设计选取JB1158-82甲型平焊法兰
选取支座
卧式换热器采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，鞍式支座是固定卧式容器中的支座
形式，按照jbt47121992鞍式支座标准。
我们选取BI1300-S和BI1300-F的支座，材料为,
垫板材料为16MnR板材，各部分尺寸如下所示:
图为B型鞍式支座：
（6）鞍式支座
第四章强度校核
管箱筒体计算
4.1.1计算条件：
计算压力：
Pc0.60Mpa
设计温度：
t=265.00C
内径：
Di800.00mm
材料：
16MnR板材
试验温度许用应力170.00Mpa
设计温度许用应力t144.00Mpa试验温度下屈服点s345.00Mpa
钢板负偏差C10.00mm
腐蚀裕量C23.00mm
焊接接头系数0.85
4.1.2厚度及重量计算
计算厚度：
PcD0.608001.70mm
2tFC21700.850.60
有效厚度：
enC1c2120210mm
名义厚度：
n12.00mm
重量为194.13kg
4.1.3压力试验时应力校核
压力试验类型：
液压试验
因为TT所以校核结果合格
4.1.4压力及应力计算
最大允许工作压力:
Pw
Di
291440.85
8009
2.7231Mpa
设计温度下计算应力:
PcDi
0.608009
26.96Mpa
1440.85122.40Mpa
因为tt所以结论：
筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度mm合格。
壳程圆筒计算
4.2.1计算条件
计算压力Pc0.80Mpa
设计温度t=265.00C
内径：
Di800.00mm
材料：
16MnR板材
试验温度许用应力：
170.00Mpa
设计温度许用应力：
t144.00Mpa
试验温度下屈服点：
s345.00Mpa
钢板负偏差：
C10.00mm
腐蚀裕量：
C23.00mm
焊接接头系数：
0.85
4.2.2厚度及重量计算
PCDi0.8800
计算厚度：
7-2.61mm
2tFC21440.850.8
有效厚度：
enC1C212039.00mm
名义厚度：
n12.00mm
重量：
1434kg
4.2.3压力实验时应力校核
压力试验类型：
液压试验
170
试验压力值：
PT1.25P一r1.250.81.1800Mpa
压力试验允许通过的应力水平
144
T0.90s0.90345310.50Mpa
424压力及应力计算
最大允许工作压力：
Pw2De
291440.85
2.72611Mpa
Die
8009
设计温度下计算应力：
tPcDi
e0.88009
—35.95Mpa
2e29
1440.85122.40Mpa
因为tt所以结论：
筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度mm合格。
开孔补强计算
接管：
A1598
4.3.1计算条件
计算压力：
Pc0.8Mpa
设计温度：
t=70C
壳体形式：
圆形筒体
壳体材料名称及类型：
16MnR板材
壳体开孔处焊接接头系数：
1
壳体内直径：
Di800mm
壳体开孔处名义厚度：
n12mm
壳体厚度负偏差：
G0mm
壳体腐蚀裕量：
C22mm
壳体材料许用应力：
t170Mpa
接管实际外伸长度：
200mm
接管实际内伸长度：
0mm
接管焊接接头系数：
1
接管腐蚀裕量：
2mm
接管厚度负偏差：
C1t1.125mm
接管材料许用应力：
t130Mpa
4.3.2开孔补强计算
壳体计算厚度：
PcDi
0.8800
2.62mm
2t
Pc
2144
10.8
接管计算厚度：
巳Di
0.8
200
0.62mm
e2t
Pc
2130
10.8
开孔直径：
d207.2mm
补强区有效宽度：
B2d2207.2414.5mm
接管有效外伸长度：
h,.d_n；、207.2943.19mm
接管有效内伸长度：
h20mm
开孔削弱所需的补强面积：
Ad2et1fr207.22.62222.6225.87510905544.9mm2
A1Bde2ete1fr
壳体多余金属面积：
414.5207.292.62225.87592.62210.905
2
1248mm
接管多余金属面积：
A22h1etefr2h2etC2fr243.195.8750.620.905410.1mm2
补强区内的焊缝面积：
A32-8864mm2
2
因为A1A2A31722mm2，大于A，所以不需要另加补强。
结论：
补强满足要求,不需要另加补强。
接管：
B2198
4.3.3设计条件
计算压力：
Pc0.6Mpa
计算温度：
60r
接管实际外伸长度：
200mm
接管实际内伸长度：
0mm
接管焊接接头系数：
1
接管腐蚀裕量：
2mm
接管厚度负偏差：
51.125mm
接管材料许用应力：
t130Mpa
4.3.4开孔补强计算
开孔直径：
d203.2mm
补强区有效宽度：
B2d22032406.4mm
接管有效外伸长度：
hi.dnt,203.2942.16mm
接管有效内伸长度：
h20
开孔削弱所需的补强面积：
Ad2et1fr203.21.96521.9655.87510.905401.5mm2
AiBde2ete1fr
壳体多余金属面积：
404.4203.291.96525.87591.96510.905
2
1407mm
接管多余金属面积：
A22h1etefr2h2etC2fr242.165.8750.4650.905421.8mm2
补强区内的焊缝面积：
A32丄8864mm2
2
因为A1A2A31892mm2大于A,所以不需另加补强。
结论：
补强满足要求，不需另加补强。
管板和法兰的强度计算
1.
1.318Di,.EtnaEL
；EPLn
管板：
材料名称：
16MnR
设计温度：
tp265C
设计温度下许用应力
:
150Mpa
设计温度下弹性模量
Ep2.041105Mpa
管板腐蚀裕量：
C2
4mm
管板输入厚度：
n
50mm
管板计算厚度：
43mm
隔板槽面积：
Ad:
3.232104mm2
管板强度削弱系数：
0.4
管板刚度削弱系数：
0.4
k2
管子加强系数：
1.318
43
9.52
8001.918105464176.72.041105600070
管板和管子连接型式：
焊接
管板和管子焊接高度：
I35mm焊接许用拉脱应力：
q65Mpa
2.壳体法兰：
材料名称：
16Mn壳体法兰厚度：
法兰外径：
Df
法兰宽度：
bf
f37mm
850mm
Df
Di
850800225mm
比值：
/Di108o0
0.0125
比值:
37800
0.04646
系数C:
按
;查GB151
i
1999图25得0.00
系数：
按
;查GB151
i
1999图26得0.0001463
旋转刚度:
kf
1
12
'3f
DibfDi
2Efbf2
Es
3•系数计算:
丄
12
2.04110525
80025
2.865Mpa
法兰外径与内径之比:
壳体法兰应力系数丫:
旋转刚度无量纲参数:
管板第一弯矩系数：
按
系数:
m1
kkf
2373
2.0451050.0001463
800
。
匕叫。
。
1.0623
按k查GB150-1998表9-5得
kf4kt
kf3.142.865
k,kf查GB151
0.1434
1.1230.0004139
0.0004139
415.16
1999图27得mb0.1434
46.06
系数：
按kt,kf查GB151-1998图29得G?
5.074
4.939
换热管束与不带膨胀节壳刚度之比:
Etna1.918105464176.7
ESAS2.0511054.115104
管板第二弯矩系数：
按K,Q查GB151-1999图28（a）得m22.744
仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况
1.基本法兰力矩系数:
不计温差应力：
Mm
4Mm
Di3Pa
43.909107
0.54513.1480035.55
0.012488
4Mm43.909107
Di3Pa0.54513.1480030.8396
2.壳体法兰力矩系数:
MwsMmMfM1
不计温差应力：
0.16053.9091070.54060.0009520.0006874
MwsMmMfM1
计温差应力：
0.16053.9091070.54060.0009520.008461
3.壳体法兰应力：
不计温差应力:
2
~Di
fYMwsPai
4
8002
314
计算值16.730.00068745.550.
升级会员 