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1、吉林化工学院课程设计（说明书）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1525日22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
2、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、强度设计目 录摘要- -第一章 绪论1第二章 U型管换热器的特点2第三章 结构设计33.1 管箱设计33.3 封头设计43.4 管板设计53.5 拉杆和定距管的确定73.7 旁路挡板设计83.8 容器法兰的设计83.9 选取支座9第四章 强度校核94.1 管箱筒体计算94.1.1计算条件：94.1.2厚度及重量计算94.1.3压力试验时应力校核104.1.4压力及应力计算104.2 壳程圆筒计算104.2.1计算条件104.2.2厚度及重量计算114.2.3压力实验时应力校核11
3、4.2.4压力及应力计算114.3 开孔补强计算114.3.1计算条件114.3.2开孔补强计算124.3.3设计条件124.3.4开孔补强计算134.4管板和法兰的强度计算134.5仅有壳程压力作用下的危险组合工况154.6仅有管程压力作用下的危险组合工况17第五章 换热器的制造、检验、安装与维修185.1 换热器的制造、检验与验收185.1.1筒体185.1.2 换热管185.1.3管板185.1.4 折流板、支持板185.1.5 管束的组装185.1.6换热器的组装195.1.7 压力试验195.2 换热器的安装与维护195.2.1安装195.2.3 维护19结束语20参考文献21第一章
4、 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
5、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
6、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。
7、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=10001500时，U型管换热器筒体最小厚度为12，即=12根据GB151-89规定，短节长度L300，取L=500所以短节尺寸DN=1300，=12mm L=500。3.1.2分程隔板a 材料 ：选用Q235-A
8、板材，许用应力。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=6001200时，最小厚度为4.5,取=12。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21得管箱深度L=866。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 其中换热管内径。 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=1300。 h封头内曲面高度。 S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P1
9、69中图438管箱最大长度，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，对最小长度和的要求，则应满足最小长度=365的要求来确定管箱长度，为此，取L=700。3.2 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 Pc=1.88Mpa,双面焊对接接头 0.85.公称直径 DN=800mm,钢板负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=3mm.由设计公式取厚度为12mm。 筒体长度l=5975mm.由于筒体的公称直径DN=800mm400mm,所以采用板材卷制而成，查
10、换热器设计手册表1-6-5得 筒体的总重量为 240x5975x0.001=1434kg.3.3 封头设计3.2.1 受内压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800 材料：16MnR 负偏差c=0.00 腐蚀余量c=3.00取 封头的总重 71.5kg.3.2.2受外压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800 材料16MnR 假设名义厚度 负偏差c=0.00 腐蚀余量c=3有效厚度=12-0-3=9当量球壳外半径 则查GB150-1998图63 E=2.010P= 故=12合适。椭圆封头简图：（1）椭圆封头3.4 管板设计材料：选用16MnR,其许用应力（1）管板和换热器的连接型式：要求管
11、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25，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，
12、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：管孔 。c 换热器中心距及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。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布管限定圆有且不小于10得 所以取即其中：d管板的计算厚度 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e.管板计算管板的计算厚度： 其中：d管板的计算厚度 垫片压紧力作用中心圆直径 管板设计压力 根据锅炉压力容器法规取两值中较大
13、值 管板强度消弱系数 设计温度下管板材料的许用应力即 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2）壳程腐蚀余量，开槽深度 ，所以管板厚度： 取 3.5 拉杆和定距管的确定a 拉杆拉杆的结构形式：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）拉杆尺寸图拉杆的布置拉杆应尽量均匀的布置在管束的边缘外
14、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。3.6 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：。折流板尺寸：折流板缺边位置尺寸：切去部分的高度一般取折流板的间距：最小板间距：取壳体内径的或50中的较大值。本设计取50。最大板间距：折流板最大间距应保持
