U形管換熱器E2103的機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、u形管換熱器e-2103的機(jī)械設(shè)計(jì)摘 要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備使物料能達(dá)到指定的溫度以滿足工藝的要求。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)為u形管換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格按照gb150-1998鋼制壓力容器和gb151-1999管殼式換熱器及換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。綜合考慮各種因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)，同時(shí)滿足制造、檢修、裝配、運(yùn)輸和維修等要求；換熱器的材料、主要結(jié)構(gòu)尺寸選擇恰當(dāng)，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及水壓試驗(yàn)等校核要求。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力確定的壁厚，使換熱器有

2、足夠的腐蝕裕度，從而使設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化組合。同時(shí)設(shè)計(jì)中闡述了換熱設(shè)備的分類、用途、發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)各部分結(jié)構(gòu)的制造工藝過(guò)程等。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中已完成了設(shè)計(jì)說(shuō)明書、一張總裝配圖和三張零件圖的繪制，還對(duì)一篇外文進(jìn)行了翻譯等工作。關(guān)鍵詞：換熱器，u形管，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，校核u-tube heat exchanger mechanical design of e-2103abstractheat exchanger is the equipment that transfers a part of heat from the hot fluid to the cold. it is the kind of

3、equipment that can make materials achieve the specified temperature to meet the technological requirements. heat exchange is the universal equipment for the chemical, petroleum, power, food and other industrial sectors, which occupies an important position. and it has been applied more and more.the

4、main content of the design is the u-shaped tube exchanger. in the design process, the designer depends on strict accordance with gb150-1998, gb151-1999, mechanical design handbook for design and calculation .various factors taken into account, the structural design is reasonable and economic, while

5、it satisfies the requirements of the manufacture, maintenance, assembling, transportation and so on. the heat exchanger materials and the size of main structures have been chosen properly to meet the strength, stiffness, stability, hydrostatic testing and other verification requirements.according to

6、 the design pressure of the wall thickness, there is enough sufficient corrosion allowance so that the design results achieve optimum combination. also, the contents have expressed the classification, use, development trends and a part of the structure of the manufacturing process for the heat excha

7、nger. in this design process, the designer has completed the design specifications, a general assembly and three spare parts drawings, and completed a foreign language translation.keywords: heat exchanger, u-shaped tube, structural design, verification.31 前 言51.1 換熱設(shè)備的概述及分類51.2 換熱設(shè)備的應(yīng)用51.3 u形管換熱器的特點(diǎn)

8、51.4 換熱器的設(shè)計(jì)要求61.5 換熱器的常見問(wèn)題及處理61.6 換熱器的相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向62 材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72.1 壓力容器材料的選擇72.1.1 壓力容器用鋼的基本要求72.1.2 壓力容器鋼材的選擇92.2 管程結(jié)構(gòu)112.2.1換熱管112.2.2 管板122.2.3 管箱142.2.4 管束分程142.2.5 換熱管與管板的連接152.3 殼程結(jié)構(gòu)172.3.1殼體172.3.2 折流板172.3.3 折流桿192.3.4 防短路結(jié)構(gòu)192.3.5 殼程分程202.4 封頭設(shè)計(jì)202.5 密封裝置設(shè)計(jì)212.6 開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)222.6.1補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)222.6.2開口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)

9、計(jì)準(zhǔn)則232.6.3 允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑243 設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核253.1 筒體的計(jì)算及強(qiáng)度校核253.1.1 筒體（前、后端封頭）材料的選擇253.1.2 計(jì)算條件253.1.3 厚度的計(jì)算253.1.4 液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核263.1.5 壓力及應(yīng)力計(jì)算、校核263.2 前端管箱筒體的計(jì)算及校核273.2.1 計(jì)算條件273.2.2 厚度的計(jì)算273.2.3 液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核283.2.4 壓力及應(yīng)力計(jì)算、校核283.3 前端管箱封頭計(jì)算及校核293.3.1 計(jì)算條件293.3.2 厚度的計(jì)算293.3.3 壓力計(jì)算及校核303.4 后端封頭的計(jì)算及校核303.4.1 計(jì)算

10、條件303.4.2 厚度的計(jì)算313.4.3 壓力計(jì)算及校核323.5 管箱墊片、螺栓、法蘭的計(jì)算323.5.1 計(jì)算條件323.5.2 墊片的選擇及計(jì)算323.5.3 螺栓材料的選擇、計(jì)算333.5.4 法蘭的計(jì)算及強(qiáng)度校核353.6 開孔補(bǔ)強(qiáng)393.6.1 計(jì)算條件393.6.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算393.7 管箱423.8 換熱管423.9 管板433.10 換熱管與管板的連接453.11 折流板463.12 拉桿、定距管463.13 防短路結(jié)構(gòu)463.14 選取支座46結(jié) 論47參考文獻(xiàn)48謝 辭4931 前 言 3 設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核3.1 筒體的計(jì)算及強(qiáng)度校核3.1.1 筒體（前、后端

11、封頭）材料的選擇具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能，沖壓彎曲等熱加工性能好，無(wú)熱處理硬化現(xiàn)象，無(wú)磁性，使用范圍在，并且根據(jù)設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、操作介質(zhì)及容器使用條件，總和經(jīng)濟(jì)性，筒體、后端封頭選材為。q235-b使用范圍為容器設(shè)計(jì)壓力，鋼板使用溫度為，用于殼體時(shí)，鋼板厚度不大于20mm，不得用于毒性強(qiáng)度為高度或極度危害介質(zhì)的壓力容器，根據(jù)設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、操作介質(zhì)及容器使用條件，總和經(jīng)濟(jì)性，前端筒體、封頭選材為q235-b。3.1.2 計(jì)算條件 材料為由gb1501998表4-1中查得，經(jīng)過(guò)內(nèi)插法計(jì)算可得，由gb1501998表f1中查得， 3.1.3 厚度的計(jì)算計(jì)算厚度: （3

12、-1）設(shè)計(jì)厚度： （3-2）名義厚度： （3-3）有效厚度： （3-4）3.1.4 液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核試驗(yàn)壓力值： （3-5）試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力： （3-6）壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平： （3-7）由于 滿足校核條件。3.1.5 壓力及應(yīng)力計(jì)算、校核最大工作壓力： （3-8） 設(shè)計(jì)溫度下的計(jì)算應(yīng)力： （3-9） 所以滿足校核條件。3.2 前端管箱筒體的計(jì)算及校核3.2.1 計(jì)算條件 材料q235-b（板材）由gb1501998表4-1中查得，經(jīng)過(guò)內(nèi)插法計(jì)算可得，由gb1501998表f1中查得， 3.2.2 厚度的計(jì)算計(jì)算厚度:設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：3.2.3 液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核

13、試驗(yàn)壓力值：試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力：壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平：由于 滿足校核條件。3.2.4 壓力及應(yīng)力計(jì)算、校核最大工作壓力：設(shè)計(jì)溫度下的計(jì)算應(yīng)力： 所以滿足校核條件。3.3 前端管箱封頭計(jì)算及校核3.3.1 計(jì)算條件 材料q235-b（板材）由gb1501998表4-1中查得，經(jīng)過(guò)內(nèi)插法計(jì)算可得， 3.3.2 厚度的計(jì)算形狀系數(shù)： （3-10）k=1，所以選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。計(jì)算厚度： （3-11）設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度：有效厚度：由gb1501998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.15% ， 因此滿足最小厚度要求。3.3.3 壓力計(jì)算及校核最大工作壓力：滿足設(shè)計(jì)要求。3

14、.4 后端封頭的計(jì)算及校核3.4.1 計(jì)算條件 曲面高度： 材料為由gb1501998表4-1中查得，經(jīng)過(guò)內(nèi)插法計(jì)算可得， 3.4.2 厚度的計(jì)算形狀系數(shù)：k=1，所以選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：由gb1501998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.15% ， 因此滿足最小厚度要求。3.4.3 壓力計(jì)算及校核最大工作壓力：滿足設(shè)計(jì)要求。3.5 管箱墊片、螺栓、法蘭的計(jì)算3.5.1 計(jì)算條件 由gb1501998表4-1中查得，經(jīng)過(guò)內(nèi)插法計(jì)算可得，3.5.2 墊片的選擇及計(jì)算墊片材料：gylon#3500 軟墊片特征系數(shù)按gb1501998中表9-

15、2查得， 墊片系數(shù)m=0.5 比壓力y=0mpa墊片實(shí)際寬度： （3-12）墊片實(shí)際密封寬度： （3-13）由gb1501998標(biāo)準(zhǔn)9.5.1.1可知： （3-14）3.5.3 螺栓材料的選擇、計(jì)算由gb1501998表4-7中查得， 由課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表2-12-2查得，數(shù)量n=24預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷: （3-15）由gb1501998（9-5）可知，操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷： （3-16）由gb1501998（9-6）、（9-7）可知，所需螺栓總截面：因?yàn)?（3-17）所以 實(shí)際使用螺栓總截面積 ： （3-18）墊片最小寬度： （3-19）實(shí)際間距： （3-20）由gb15019

16、98表9-3查得，最小間距： 最大間距： （3-21） 3.5.4 法蘭的計(jì)算及強(qiáng)度校核 由gb1501998表4-1中查得，應(yīng)力計(jì)算： （3-22）預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩： （3-23）所以 ， （3-24）（3-25） （3-26） （3-27）（3-28）操作狀態(tài)下的法蘭力矩：（3-29） （3-30）（3-31）（3-32）法蘭頸部高度：h=60mm （3-33）（3-34）（3-35）由gb1501998圖9-7查得，f=1整體法蘭系數(shù)由gb1501998圖9-3查得， （3-36）由gb1501998表9-5中查得，由gb1501998圖9-3查得， （3-37）（3-38）由gb1

17、501998表9-6中查得，（3-39） （3-40）（3-41）（3-42）軸向應(yīng)力： （3-43）徑向應(yīng)力：（3-44）環(huán)向應(yīng)力：（3-45）應(yīng)力校核： 軸向應(yīng)力：（3-46）徑向應(yīng)力： （3-47）組合應(yīng)力： （3-48）校核合格，滿足設(shè)計(jì)條件。3.6 開孔補(bǔ)強(qiáng)3.6.1 計(jì)算條件根據(jù)gb150-1998有關(guān)規(guī)定，計(jì)算方法為gb150-1998等面積補(bǔ)強(qiáng)法，單孔； 殼體形式：圓形筒體； 殼體材料：；開孔處焊接接頭系數(shù)3.6.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算殼體計(jì)算厚度：接管計(jì)算厚度：接管名義厚度：接管有效厚度：設(shè)計(jì)溫度下的接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù) 開孔直徑：開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：（3-49）由gb150-19

18、98中8.7.1（8-7）可得，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度：（3-50）由gb150-1998中8.7.1（8-8）可得，接管有效外伸長(zhǎng)度為：（3-51）由gb150-1998中8.7.1（8-9）可得，接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度：（3-52） 由gb150-1998中8.7.1（8-11）可得，殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積：（3-53）接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積：（3-54）焊縫金屬截面積：（3-55） （3-56）3.7 管箱管箱短節(jié)選材為q235-b，因?yàn)楣艹套哐h(huán)水，對(duì)于管箱來(lái)說(shuō)，要求不高，并且腐蝕性較低，宜采用q235-b的板材。根據(jù)gb151-1999表8可知，管箱短節(jié)的最小厚度不

19、小于8mm。管箱的最小內(nèi)側(cè)深度根據(jù)gb151-1999中5.2.2可知，l=485mm分程隔板選用q235-b板材，根據(jù)gb151-1999表6可知，隔板最小厚度為，分程隔板長(zhǎng)度l=l=485mm。并且開設(shè)排凈口，d=6mm3.8 換熱管選用u形管，材料為， 據(jù)gb151-1999中5.5.1、5.5.2，尺寸選為， （3-57）根據(jù)gb151-1999表11，u形管的彎管段的彎曲半徑管程數(shù)選為4程。根據(jù)gb151-1999表12可知，換熱管中心距分程隔板槽相鄰管中心距根據(jù)gb151-1999表16可知，管孔直徑為25.25mm 換熱管的排列形式：由于正三角形排列形式可以在同樣管板面積上排列最

20、多的管數(shù)，故選用正三角形排列形式。3.9 管板管板材料選擇為， 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)n=12一根換熱管管壁金屬的截面積：（3-58）未能被換熱管支撐的面積：（3-59）管板布管區(qū)面積：（3-60）管板布管區(qū)直徑：（3-61） 根據(jù)gb151-1999表22查得，根據(jù)gb151-1999可知， 管板計(jì)算厚度： （3-62） （3-63）換熱管的軸向力按以下三種工況進(jìn)行計(jì)算： （3-64） （3-65） （3-66）以上無(wú)論哪種工況下，均。根據(jù)gb151-1999中5.8.2.3可知，可取40mm換熱管與管板連接拉脫力：（3-67）根據(jù)gb151-1999表26可知，3.10 換熱管與管板的連接

21、根據(jù)gb151-1999中5.8.4的使用范圍，為了保證換熱管與管板連接性能，連接型式選為強(qiáng)度脹接加密封焊。根據(jù)gb151-1999中5.8.2可知，強(qiáng)度脹接的最小脹接長(zhǎng)度l應(yīng)取管板的名義厚度減去3mm或者50mm二者的最小值，即最小脹接長(zhǎng)度為l=40mm，由表32可得，。由表33得出，。3.11 折流板折流板選材為，采用弓形折流板。根據(jù)gb151-1999表42的規(guī)定，換熱管無(wú)支撐跨距。根據(jù)表34和35，折流板最小厚度為12mm，折流板板孔，根據(jù)表41，折流板名義外直徑。折流板等間距布置，管束兩側(cè)折流板盡可能的靠近殼程進(jìn)出口接管。折流板最小間距為100mm。3.12 拉桿、定距管拉桿的結(jié)構(gòu)形

22、式選為拉桿定距管結(jié)構(gòu)。根據(jù)gb151-1999表43和表44規(guī)定，拉桿直徑d=16mm，拉桿數(shù)量為4 。由圖42、表45，。為了減少輕流體沖出帶來(lái)的震動(dòng)并且防止管束的破壞，拉桿盡可能的均勻布置在管束邊緣外側(cè)。根據(jù)gb151-1999規(guī)定，定距管尺寸為。3.13 防短路結(jié)構(gòu)選用旁路擋板，選材為。根據(jù)gb151-1999中5.13.1規(guī)定，旁路擋板與折流板焊接牢固，旁路擋板的厚度是， 采用一對(duì)擋板。3.14 選取支座選用鞍式支座，根據(jù)實(shí)際承載大小、圓筒內(nèi)徑及強(qiáng)度需要，由jb/t4712.1-2007表1規(guī)定，鞍座的形式特征為重型、焊制、bi、包角為120度、有墊板、筋板數(shù)為2 . 鞍座材料選用q2

23、35-a，墊板材料選用為。由jb/t4712.1-2007表6規(guī)定可知鞍座的各部分尺寸：； 。 本設(shè)計(jì)鞍座的選用高度為294mm，超出標(biāo)準(zhǔn)高度，根據(jù)jb/t4712.1-2007圖b.3中，查得允許載荷q=117kn。鞍座的質(zhì)量為24.76kg。32結(jié) 論本次u形管換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)，使我進(jìn)一步加深了對(duì)換熱器的各部分結(jié)構(gòu)及其工作原理等的了解，使我能夠更加熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次比較完整的u形管換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程

24、問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過(guò)對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。 雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過(guò)程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種零件的選用標(biāo)準(zhǔn)，各種部件的安裝方式，我都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我從經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識(shí)也對(duì)自己提出了新的要求，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我提前了解了這些知識(shí)，這是很珍貴的。參考文獻(xiàn)1全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).gb-150鋼制壓力容器m北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,19982全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).gb-151管殼式換熱器m.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,19993鄭津洋,董其伍等過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2