U形管換熱器E2103的機械設計畢業(yè)設計

1、u形管換熱器e-2103的機械設計摘 要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，通過這種設備使物料能達到指定的溫度以滿足工藝的要求。換熱器是化工、石油、動力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位，已經得到越來越廣泛的應用。本設計為u形管換熱器的機械設計，在設計過程中，嚴格按照gb150-1998鋼制壓力容器和gb151-1999管殼式換熱器及換熱器設計手冊等標準進行設計和計算。綜合考慮各種因素，結構設計合理、經濟，同時滿足制造、檢修、裝配、運輸和維修等要求；換熱器的材料、主要結構尺寸選擇恰當，滿足強度、剛度、穩(wěn)定性及水壓試驗等校核要求。根據設計壓力確定的壁厚，使換熱器有

2、足夠的腐蝕裕度，從而使設計結果達到最優(yōu)化組合。同時設計中闡述了換熱設備的分類、用途、發(fā)展趨勢以及對各部分結構的制造工藝過程等。在本次設計過程中已完成了設計說明書、一張總裝配圖和三張零件圖的繪制，還對一篇外文進行了翻譯等工作。關鍵詞：換熱器，u形管，結構設計，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 換熱設備的概述及分類51.2 換熱設備的應用51.3 u形管換熱器的特點

8、51.4 換熱器的設計要求61.5 換熱器的常見問題及處理61.6 換熱器的相關技術發(fā)展方向62 材料選擇和結構設計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 管程結構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 殼程結構172.3.1殼體172.3.2 折流板172.3.3 折流桿192.3.4 防短路結構192.3.5 殼程分程202.4 封頭設計202.5 密封裝置設計212.6 開孔和開孔補強設計222.6.1補強結構222.6.2開口補強設

9、計準則232.6.3 允許不另行補強的最大開孔直徑243 設計計算及強度校核253.1 筒體的計算及強度校核253.1.1 筒體（前、后端封頭）材料的選擇253.1.2 計算條件253.1.3 厚度的計算253.1.4 液壓試驗時的應力校核263.1.5 壓力及應力計算、校核263.2 前端管箱筒體的計算及校核273.2.1 計算條件273.2.2 厚度的計算273.2.3 液壓試驗時的應力校核283.2.4 壓力及應力計算、校核283.3 前端管箱封頭計算及校核293.3.1 計算條件293.3.2 厚度的計算293.3.3 壓力計算及校核303.4 后端封頭的計算及校核303.4.1 計算

10、條件303.4.2 厚度的計算313.4.3 壓力計算及校核323.5 管箱墊片、螺栓、法蘭的計算323.5.1 計算條件323.5.2 墊片的選擇及計算323.5.3 螺栓材料的選擇、計算333.5.4 法蘭的計算及強度校核353.6 開孔補強393.6.1 計算條件393.6.2 開孔補強的計算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 防短路結構463.14 選取支座46結 論47參考文獻48謝 辭4931 前 言 3 設計計算及強度校核3.1 筒體的計算及強度校核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、低溫強度和機械性能，沖壓彎曲等熱加工性能好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性，使用范圍在，并且根據設計溫度、設計壓力、操作介質及容器使用條件，總和經濟性，筒體、后端封頭選材為。q235-b使用范圍為容器設計壓力，鋼板使用溫度為，用于殼體時，鋼板厚度不大于20mm，不得用于毒性強度為高度或極度危害介質的壓力容器，根據設計溫度、設計壓力、操作介質及容器使用條件，總和經濟性，前端筒體、封頭選材為q235-b。3.1.2 計算條件 材料為由gb1501998表4-1中查得，經過內插法計算可得，由gb1501998表f1中查得， 3.1.3 厚度的計算計算厚度: （3

12、-1）設計厚度： （3-2）名義厚度： （3-3）有效厚度： （3-4）3.1.4 液壓試驗時的應力校核試驗壓力值： （3-5）試驗壓力下的圓筒應力： （3-6）壓力試驗允許通過的應力水平： （3-7）由于 滿足校核條件。3.1.5 壓力及應力計算、校核最大工作壓力： （3-8） 設計溫度下的計算應力： （3-9） 所以滿足校核條件。3.2 前端管箱筒體的計算及校核3.2.1 計算條件 材料q235-b（板材）由gb1501998表4-1中查得，經過內插法計算可得，由gb1501998表f1中查得， 3.2.2 厚度的計算計算厚度:設計厚度：名義厚度：有效厚度：3.2.3 液壓試驗時的應力校核

13、試驗壓力值：試驗壓力下的圓筒應力：壓力試驗允許通過的應力水平：由于 滿足校核條件。3.2.4 壓力及應力計算、校核最大工作壓力：設計溫度下的計算應力： 所以滿足校核條件。3.3 前端管箱封頭計算及校核3.3.1 計算條件 材料q235-b（板材）由gb1501998表4-1中查得，經過內插法計算可得， 3.3.2 厚度的計算形狀系數： （3-10）k=1，所以選用標準橢圓封頭。計算厚度： （3-11）設計厚度： 名義厚度：有效厚度：由gb1501998標準規(guī)定，標準橢圓封頭的有效厚度不小于封頭內直徑的0.15% ， 因此滿足最小厚度要求。3.3.3 壓力計算及校核最大工作壓力：滿足設計要求。3

14、.4 后端封頭的計算及校核3.4.1 計算條件 曲面高度： 材料為由gb1501998表4-1中查得，經過內插法計算可得， 3.4.2 厚度的計算形狀系數：k=1，所以選用標準橢圓封頭。計算厚度設計厚度：名義厚度：有效厚度：由gb1501998標準規(guī)定，標準橢圓封頭的有效厚度不小于封頭內直徑的0.15% ， 因此滿足最小厚度要求。3.4.3 壓力計算及校核最大工作壓力：滿足設計要求。3.5 管箱墊片、螺栓、法蘭的計算3.5.1 計算條件 由gb1501998表4-1中查得，經過內插法計算可得，3.5.2 墊片的選擇及計算墊片材料：gylon#3500 軟墊片特征系數按gb1501998中表9-

15、2查得， 墊片系數m=0.5 比壓力y=0mpa墊片實際寬度： （3-12）墊片實際密封寬度： （3-13）由gb1501998標準9.5.1.1可知： （3-14）3.5.3 螺栓材料的選擇、計算由gb1501998表4-7中查得， 由課程設計手冊表2-12-2查得，數量n=24預緊狀態(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：因為 （3-17）所以 實際使用螺栓總截面積 ： （3-18）墊片最小寬度： （3-19）實際間距： （3-20）由gb15019

16、98表9-3查得，最小間距： 最大間距： （3-21） 3.5.4 法蘭的計算及強度校核 由gb1501998表4-1中查得，應力計算： （3-22）預緊狀態(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）軸向應力： （3-43）徑向應力：（3-44）環(huán)向應力：（3-45）應力校核： 軸向應力：（3-46）徑向應力： （3-47）組合應力： （3-48）校核合格，滿足設計條件。3.6 開孔補強3.6.1 計算條件根據gb150-1998有關規(guī)定，計算方法為gb150-1998等面積補強法，單孔； 殼體形式：圓形筒體； 殼體材料：；開孔處焊接接頭系數3.6.2 開孔補強的計算殼體計算厚度：接管計算厚度：接管名義厚度：接管有效厚度：設計溫度下的接管材料強度削弱系數 開孔直徑：開孔所需補強面積：（3-49）由gb150-19

18、98中8.7.1（8-7）可得，補強區(qū)有效寬度：（3-50）由gb150-1998中8.7.1（8-8）可得，接管有效外伸長度為：（3-51）由gb150-1998中8.7.1（8-9）可得，接管有效內伸長度：（3-52） 由gb150-1998中8.7.1（8-11）可得，殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積：（3-53）接管有效厚度減去計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，因為管程走循環(huán)水，對于管箱來說，要求不高，并且腐蝕性較低，宜采用q235-b的板材。根據gb151-1999表8可知，管箱短節(jié)的最小厚度不

19、小于8mm。管箱的最小內側深度根據gb151-1999中5.2.2可知，l=485mm分程隔板選用q235-b板材，根據gb151-1999表6可知，隔板最小厚度為，分程隔板長度l=l=485mm。并且開設排凈口，d=6mm3.8 換熱管選用u形管，材料為， 據gb151-1999中5.5.1、5.5.2，尺寸選為， （3-57）根據gb151-1999表11，u形管的彎管段的彎曲半徑管程數選為4程。根據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，故選用正三角形排列形式。3.9 管板管板材料選擇為， 沿隔板槽一側的排管根數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gb151-1999表22查得，根據gb151-1999可知， 管板計算厚度： （3-62） （3-63）換熱管的軸向力按以下三種工況進行計算： （3-64） （3-65） （3-66）以上無論哪種工況下，均。根據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gb151-1999表26可知，3.10 換熱管與管板的連接

21、根據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，連接型式選為強度脹接加密封焊。根據gb151-1999中5.8.2可知，強度脹接的最小脹接長度l應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gb151-1999表42的規(guī)定，換熱管無支撐跨距。根據表34和35，折流板最小厚度為12mm，折流板板孔，根據表41，折流板名義外直徑。折流板等間距布置，管束兩側折流板盡可能的靠近殼程進出口接管。折流板最小間距為100mm。3.12 拉桿、定距管拉桿的結構形

22、式選為拉桿定距管結構。根據gb151-1999表43和表44規(guī)定，拉桿直徑d=16mm，拉桿數量為4 。由圖42、表45，。為了減少輕流體沖出帶來的震動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。根據gb151-1999規(guī)定，定距管尺寸為。3.13 防短路結構選用旁路擋板，選材為。根據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， 采用一對擋板。3.14 選取支座選用鞍式支座，根據實際承載大小、圓筒內徑及強度需要，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：； 。 本設計鞍座的選用高度為294mm，超出標準高度，根據jb/t4712.1-2007圖b.3中，查得允許載荷q=117kn。鞍座的質量為24.76kg。32結 論本次u形管換熱器的機械設計，使我進一步加深了對換熱器的各部分結構及其工作原理等的了解，使我能夠更加熟練運用所學知識和技能，不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。畢業(yè)論文是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的u形管換熱器機械設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設計的結合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際工程

24、問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經驗得到了豐富，并且意志品質力，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行畢業(yè)設計的目的所在。 雖然畢業(yè)設計內容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種零件的選用標準，各種部件的安裝方式，我都是隨著設計的不斷深入而不斷熟悉并學會應用的。和老師的溝通交流更使我從經濟的角度對設計有了新的認識也對自己提出了新的要求，通過這次畢業(yè)設計讓我提前了解了這些知識，這是很珍貴的。參考文獻1全國壓力容器標準化技術委員會.gb-150鋼制壓力容器m北京:中國標準出版社,19982全國壓力容器標準化技術委員會.gb-151管殼式換熱器m.北京：中國標準出版社,19993鄭津洋,董其伍等過程設備設計m.北京：化學工業(yè)出版社，2