毕业设计（论文）-U型管式换热器设计.doc

青岛科技大学过程设备课程设计DN500 U型管式换热器设计学校： 青岛科技大学学院： 机电学院专业： 过程装备与控制工程姓名： 学号： 摘要本文介绍了U型管换热器的整体结构设计计算。U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，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。U型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、支座及管壳程的其他附件等。本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。目录中文摘要 绪论51换热器材料选择52.1 选材原则62换热器结构设计62.1 壁厚的确定72.2 管箱圆筒短节设计82.3 壳体圆筒设计72.4 封头设计92.4.1 后封头计算92.4.2 管箱封头计算122.5 换热管设计132.5.1 换热管的规格和尺寸偏差132.5.2 U形管的尺寸132.5.3 管子的排列型式142.5.4 换热管中心距142.5.5 布管限定圆152.5.6 换热管的排列原则162.6 管板设计162.6.1 管板连接设计182.6.2 管板设计计算202.7 管箱结构设计222.7.1 管箱的最小内侧深度232.7.2 分程隔板233 换热器其他各部件结构233.1 进出口接管设计243.1.2 接管法兰设计243.1.3 接管与筒体、管箱壳体的连接253.2 管板法兰设计283.2.1 垫片的设计283.2.2 法兰设计283.3 折流板292.3.1 折流板尺寸292.3.2折流板的布置292.3.3折流板的固定303.4 拉杆与定距管313.4.1 拉杆的结构型式313.4.2 拉杆的直径和数量313.4.3 拉杆的尺寸313.4.4 拉杆的布置323.4.5 定距管尺寸32结论46参考文献47致谢48 37 / 37绪论能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,间壁式换热器又可分为列管式和板壳式换热器两类,其中列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全, 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于它具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,列管式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液,汽和汽,汽和液的对流传热,蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。列管式换热器是由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。管子两端固定在管板上，并将壳程和管程的流体分开。壳体内设有折流板，以引导流体的流动并支承管子。用拉杆和定距管将折流板与管子组装在一起。列管式换热器共有三种结构型式:固定管板式、浮头式和U形管式。固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构尺寸相同的条件下，与浮头式和U形管式换热器相比，换热面积最大。固定管板式换热器的壳程清洗困难，适应热膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁，壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束，而且可拆卸抽出管束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头式换热器应用最广泛，在油田储运集输系统中，60%70%的换热器为浮头式换热器。形管式换热器是管壳式换热器的一种,它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直径情况下,形管换热器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高, 检修、清洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低;形管换热器只有一块管板,热补偿性能好、承压能力较强,适用于高温、高压工况下操作。1换热器材料选择在进行换热器设计时，对换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系。1.1 选材原则换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目均按GB150-1998第四章及其附录A的规定。换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。根据任务书所给数据，结合设计压力（壳程0.3Mpa， 管程0。65MPa），设计温度（壳程-10，管程162），主要受压元件材料选择Q245,20（锻）。2换热器结构设计管壳式换热器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。对同一种型式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不易结垢的物料。U形管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。U型管式换热器，使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）以增加壳侧介质流速。符号： - 钢材厚度负偏差mm，应按相应钢材标准的规定选取； - 钢材的腐蚀裕量，mm； - 厚度附加量（按1第三章取），mm；对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值，对热套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的C值； - 圆筒或球壳的内直径，mm； - 圆筒或球壳的外直径（) ,mm； - 计算压力（按1第3章）,MPa； - 设计压力，Mpa； - 管程设计压力，Mpa； - 壳程设计压力，Mpa； - 圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa； - 圆筒或球壳的计算厚度，mm； - 圆筒或球壳的有效厚度，mm； - 圆筒或球壳的名义厚度，mm； - 设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa； - 设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按1第4章）,MPa； - 试验温度下材料的许用应力（按1第4章）,MPa； - 焊接接头系数（按1第3章）；本次设计采用0.8；2.1 壁厚的确定壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常由管材或板材卷制而成。压力容器的公称直径按GB9019-88规定，当直径400时，采用板材卷制壳体和管箱壳体，其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰、封头的选型。卷制圆筒的公称直径以400为基数，一般情况下，当直径1000时，直径相差100为一个系列，必要时也可采用50。圆筒的厚度按GB150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表2.1.1的规定。 表2.1.12 壳体厚度表公称直径400D700700D1000U形管式最小厚度810按GB151-1999标准，壳体直径为500mm，换热器为U型管式，最小厚度为8mm。筒体采用板材卷制。选取板材的材料为Q245，。2.2 管箱圆筒短节设计管箱圆筒（短节）计算按GB150-1998第五章的有关规定；其开孔补强计算按GB150-1998第八章有关规定。设计条件见表2.1.2。表2.1.2部件材料设计温度设计压力MpaMpa标准mmmm管箱圆筒短节Q2451620651830.8GB66540.32圆筒计算：设计温度下圆筒的计算厚度按式（2-2-1）计算，公式的适用范围为。 （2-2-1） 其中； ；=0.8带入上式得：计算厚度：= 1.11mm设计厚度：名义厚度： ，经圆整取= 4mm，最小厚度为8 mm，故取= 8mm有效厚度：设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2-2）计算： （2-2-2）得 =146.4 Mpa满足强度要求，故取名义厚度= 8mm合适。设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-2-3）计算： （2-2-3） 满足压力要求，故取名义厚度= 8mm合适。2.3 壳体圆筒设计圆筒的厚度应按GB 150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3-1的规定，高合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3-2的规定。设计条件见表3-4：表3-4部件材料设计温度设计压力MpaMpa标准mmmm壳体圆筒 Q245-100.31891.0GB66540.32圆筒计算：设计温度下圆筒的计算厚度按式（3-2-1）计算， 其中； ；=0.8带入（3-2-1）得：计算厚度：= 0.49mm设计厚度：名义厚度： ，经圆整取= 8mm,有效厚度：设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2）计算： 得 255050最小厚度，mm用于易燃易爆及有毒介质等场合d用于无害介质的一般场合0.75d0.70d0.65d2.6.1 管板连接设计（1）管板与换热管的连接对于换热管与管板的连接结构形式，主要有以下三种：胀接；焊接；胀焊并用，但也可采用其他可靠的连接形式。a、强度胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况下，胀接结构简单，管子修不容易。由于胀接管端处在胀接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的上升，残余应力逐渐消失，这样使管端处降低密封和结合力的作用。一般适用设计压力4MPa；设计温度300；操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及明显的应力腐蚀场合。一般要求：1、换热管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。b、强度焊是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。管子与管板的焊接，目前应用较为广泛，由于管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分渗漏时，可以补焊，如须调换管子，可采甩专用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸胀管方便。不适用于有较大振动和有间隙腐蚀的场合。其结构形式和尺寸见图2.6.1和表2.6.1。图2.6.1表2.6.12换热管规格d11121141.5161.5192252322.5383453573.5换热管最小伸出长度0.51.01.52.02.53.01.52.02.53.03.54.0最小坡口深度1.022.5注：1 当工艺要求管端伸出长度列值（如立式换热器要求平齐或少低）时，可适当加大管板坡口深度或改变结构型式2 当换热管直径和壁厚与列表值不同时值可适当调整3 图（c）用于压力较高的工况本次设计中采用20号钢换热管，通常不锈钢管与管扳一般均采用焊接结构，不管其压力大小，温度高低。采用图3.6.1焊接形式，取= 1.5mm，= 2.5mm，= 2.0mm。管板最小厚度不小于12mm，本次设计采用12 mmc、对于压力高、渗透性强或在一例有腐蚀性的介质，为保证不致泄漏后污染另一侧物料，这就要求管子与管板的连接处绝对不漏，或为了避免在装运及操作过程中的振动对焊缝的影响，或避免缝隙腐蚀的可能性等，采用胀焊并用的结构型式。胀焊并用的结构从加工工艺过程来看，有先胀后焊，先焊后胀，焊后胀接及贴张等几种形式。2.6.2 管板设计计算 (1)换热器设计条件：壳程设计压力 =0.3 MPa；管程设计压力 = 0.65MPa管板设计温度162壳程腐蚀裕量C = 2mm；管程腐蚀裕量C = 2mm管程程数为2换热器公称直径DN = 500mm换热管外径d = 25mm换热管壁厚= 2mm换热管根数n = 86（根据JB/T4717-1992 U型管式换热器型式与基本参数选取）换热管与管板为焊接连接加持管板的壳程法兰与管箱法兰采用特殊设计的长颈平焊法兰环形密封面垫片基本密封宽度，按GB 150-1998表9-1选压紧面形状管程侧隔板槽深=4mm管板强度削弱系数= 0.4(2)各元件材料及其设计数据换热管材料20；设计温度下许用应力=131 MPa管板材料Q345R；设计温度下许用应力=183MPa许用拉托力按GB 151-1999表33 (3)计算a、根据布管尺寸计算、；根据法兰连接密封面型式和垫片尺寸计算垫片压紧力作用中心圆直径。由式（2.6.1）得：由式（2.6.3）得：由式（2.6.6）得：根据GB150第9.5.1条 ；。b、计算，以查表222得，或以查图19，由纵坐标轴上直接查得。 ，查图查图192，由纵坐标轴上直接查得：=0.29686c、确定管板设计压力管程的工作压力较大，为保证正常工作，设计取较大者管板计算厚度按式（2.6.8）计算。 （2.6.8）代入数据得：根据GB151-1999 管板的名义厚度不小于下列三者之和：、管板的计算厚度或最小厚度，取大者；、壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者；、管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大者；所以，圆整取= 30mm管板得有效厚度整体管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和：a、 管程腐蚀裕量超出管程隔板槽深度的部分；b、 壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。d、换热管的轴向应力一根换热管管壁金属横截面积按三种工况分别计算： 只有壳程设计压力，管程设计压力为0； 只有管程设计压力，壳程设计压力为0； 壳程设计压力和管程设计压力同时作用；以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力e、换热管与管板连接拉脱力其中取d项计算中三种工况的绝对值最大者取，则有由此得：,(按GB151-1999表45规定）；b）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，d；c）当管板较薄时，也可采用其他的连接结构。本次设计采用拉杆定距管结构。图3.4.13.4.2 拉杆的直径和数量拉杆的直径和数量可以按GB151-1999表43和表44选取。选取拉杆直径为16mm。选取拉杆数量为4根。3.4.3 拉杆的尺寸拉杆的长度按实际需要确定，拉杆的连接尺寸按图3.4.3，表3.4.3确定。 图4.4.3表3.4.32拉杆直径d拉杆螺纹公称直径b101013401.5121215502.0161620602.0选取拉杆螺纹公称直径为12mm，为15mm，为50mm，b为2.0mm。3.4.4 拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。3.4.5 拉杆孔拉杆与管板焊接连接的拉杆孔结构见下图，拉杆空深度等于拉杆孔直径。拉杆孔直径下式确定。 式中：d:拉杆直径，mm； ：拉杆孔直径，mm。拉杆孔结构图拉杆形式为拉杆定距离的形式。使用4根拉杆，直径为16mm。拉杆孔17mm。3.4.6 定距管尺寸定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。对管程是不锈钢，壳程是碳钢或低合金钢的换热器，可选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢管做定距管。定距管的长度，按实际需要确定。本次设计选取25mm的碳钢管做定距管。 3.5 鞍座鞍座分为固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种安装形式。换热器的鞍式支座按JB/T4712选用。鞍式支座的布置：当L3000mm时，取=（0.40.6）L；尽量使和相近，高度为200mm。如图：鞍式支座按照JB4717/T 4712-92的规定选用鞍座如下：120包角重型带/不带垫板鞍式支座鞍座尺寸如下：公称直径DN：500mm 鞍座高度h：200mm 螺栓间距：=330mm 膜板： =10mm 底板