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1、某某化工学院过程设备设计课程设计换热器设计-U型管式换热管紫洞.O/lOCuffi , 31E不锈钢.萤洞或碳钢 与管桩胀接间隙|减小妾通疣I确保摄佳的换热数果.支椁可拆卸 碳钢机加工而成 可用于所有型号铁，凿詞3伯不锈钢博厚的碳钢，引E不锈流体高效的流动|并適过优化设计确定折流造而成或碳钢机加工90/10CuiTi板切开率与间距-钢或不诱钢材质.虽夭限庫的减小壳体与折箝複间的折盍板采用粘加工折閒换営孑L的方法星大限度的 减小折疣槻管孔与管子间的间隙川呆证壳侧专业：过程装备与控制工程某某：黄少华学号：05420338指导教师：X志文2008年12月1525日-0 - / 26摘要本文扼要介绍了
2、 U 型管换热器的特点与在工业中的应用和开展前景，详细的阐述了 U 型管式换热器的结构与强度设计计算与制造、检修和维护。参照 GB151-1999 与换热器设计手册，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，安全性与经济性与环保要求均合格。关键词：换热器、U型管式、结构设计、强度设计目录摘要- 0 -第一章 绪论1第二章U型管换热器的特点2第三章
3、结构设计33.1 管箱设计33.3 封头设计43.4 管板设计53.5 拉杆和定距管确实定73.7 旁路挡板设计83.8 容器法兰的设计83.9 选取支座8第四章强度校核104.1 管箱筒体计算104.1.1计算条件：101010104.2 壳程圆筒计算11111111114.3 开孔补强计算121212131314P 作用下的危险组合工况16sP作用下的危险组合工况G = 0)17 ts第五章换热器的制造、检验、安装与维修195.1 换热器的制造、检验与验收1 9195.1.2 换热管19195.1.4 折流板、支持板1 95.1.5 管束的组装19205.1.7 压力试验205.2换热器的
4、安装与维护20205.2.3 维护 20完毕语 21参考文献 22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，但其根本原理与前一致。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。随着工业的迅速开展，能源消耗量不断增加，能源紧 X 已成 为一个世界性问题。为缓和能源紧 X 的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力开展节能 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
5、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，可以显著地提 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、结构设计以与强度设计。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 热流体的腐蚀性与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
6、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，恳请教师给予批 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，造价廉价。缺点：管内清洗不便，管束中间局部的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能 太小，在管板中心局部部管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束
7、中心局部存在间隙，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，直管局部必须用 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3.1 管箱设计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GB151T999表8中低合金钢圆筒的最小厚度规定公称直径DN=1OO01500mm 时，U型管换热器筒体最小厚度为12 mm，即 =12mm根据GB151-89规定，短节长度LM
8、 n300mm，取 L=500mm所以短节尺寸 DN=1300， =12mm L=500mm。na材料：选用Q235-A板材，许用应力L 160OC二113Mpa。b尺寸：根据GB151-1999表6中碳素钢与低合金钢分成隔板最小厚度规定：当DN=6001200mm时， 12mm mm，取 =12mm。分程隔板长度L同管箱深度。min nc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06的排净孔或三角口。d隔板应连续焊在管箱壁上。a根据图21得管箱深度L=866mm。b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兀3.14x d 2 x Nx 252 x 75L 兰 i
9、聖 + h + S+ 325 +12 二 365mm其中g minE1 p1300d 换热管内径。iN 各相邻的管程间分程处物料流通的最小宽度。cp根据钢制U型管换热器结构手册P167表4-37选取E=1300 mm。h 封头内曲面高度mm。iS圭寸头厚度。c管箱最大长度根据钢制U型管换热器结构手册P169中图438管箱最大长度L = 465mm L L L，根据钢制U型管换热器结构手册P168:在设计中如果管 g maxg ming max g箱长度不能满足L L 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240x5975x0.00仁1434kg.3.3
10、圭寸头设计3.2.1受内压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800mm材料：16MnR L be二170Mpa_ 6.17mm$PD；_1.88 x 8002鼻 0.5P2 x 170 x 0.85 - 0.5 x 1.88c负偏差c mm腐蚀余量c mm1 25 _5+ c + c _ 6.17 + 0 + 3 _ 9.17mmn12取5 _ 12mm圭寸头的总重71.5kg.n3.2.2受外压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800mm 材料16MnR L kc _ 170Mpa假设名义厚度5 _ 12mm 负偏差c mm 腐蚀余量c =3 mm n12有效厚度5 =12-0-3=9
11、mmR _ K D _ 0.9 x 800 _ 720mmo1 i0.1250.125如此 A _ 0.0010R 80i-5ee当量球壳外半径查 GB150-1998 图 6X105MpaP =0.0833 x 2 x 1050.0833 E_ 2.61MpaP _ 1.88Mpac故5 =12 mm适宜。n椭圆圭寸头简图:1丨椭圆封头3.4管板设计材料：选用16MnR,其许用应力L be二V70Mpa1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，如此管板和换热器采用焊接形
12、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25 mm，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二45.255mm.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管孔申25.40+o.2。0C换热器中心距与
13、分程隔板槽两侧相邻管中心距 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12 mm。 管板分程隔板槽示意图：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D二D - 2b有b二0.25d且不小于10 mm得li33b 二 0.25 x 25 二 6.25 10 所以取b 二 10mm33即 D 二 800 - 2 x 10 二 780mm/其中：d管板的计算厚度mmbU型管换热器管束最外层换热管外外表至壳体内壁的最短距离3Di换热器筒体内直径。布管限定圆示意图：3布管限定圆示意图管板的计算厚度:其中：d管板的计算厚度mmD垫片压紧力作用中心圆直径mmGp 管板设计压力根据锅炉压力容器法规取两值中较大值 dp = |p = 0.6Mpdia卩一一管板强度消弱系数0.4L 1设计温度下管板材料的许用应力MpaI 0 6 即 5 = 0.454 x 1300 x= 55.44mm.0.4 x 170 据7-556：管板厚度应小于如下三者之和1丨管板的计算厚度2丨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丨管板的计算厚度5 =55.44mm
