蛇管式换热器毕业设计

毕业设计说明书 I 目 录 摘 要 ABSTRACT 1 绪 论 1 1 本设计的研究背景和意 义 1 1 1 1 本设计的研究背 景 1 1 1 2 本设计的研究意 义 1 1 2 换热器在生产中的作用和地 位 1 1 3 换热器的分 类 2 1 4 换热器的发展及国内外研究现 状 5 毕业设计说明书 II 1 5 换热器的发展动 向 6 1 6 三维造型技术的应 用 6 1 7 本设计的研究内容及方 法 8 1 7 1 本设计的研究内 容 8 1 7 2 本设计的研究方 法 9 2 蛇管式换热器整体结构设计 2 1 管径及介质进入蛇管内外的选 择 9 2 2 冷热流体物性数据的确 定 9 2 3 传热面积的计 算 9 2 4 蛇管长度及组数的确 定 毕业设计说明书 III 10 2 5 管间距 h 和内 外圈间距 t 的确 定 11 2 6 筒体直径及材料 蛇管圈数及高度的确 定 11 2 7 封头尺寸及材料的确 定 12 2 8 吊耳尺寸的确 定 13 2 9 支座尺寸的确 定 13 2 10 筒体法兰尺寸的确 定 14 3 换热器零部件的强度校核 3 1 筒体壁厚计算及校 核 15 3 1 1 筒体壁厚计 算 15 3 1 2 筒体壁厚校 核 毕业设计说明书 IV 15 3 2 封头壁厚计算及校 核 16 3 2 1 封头壁厚计 算 16 3 2 2 封头壁厚校 核 16 3 3 支座的选择及校 核 16 3 3 1 支座的选 择 16 3 3 2 支座的校 核 16 3 4 筒体开孔补强的计 算 17 4 蛇管式换热器三维造型设计 4 1 换热器蛇管的建 模 18 毕业设计说明书 V 4 2 换热器筒体的建 模 18 4 3 换热器封头的建 模 18 4 4 换热器筒体法兰的建 模 19 4 5 换热器装配体的生 成 20 4 5 1 换热器的装配模 式 20 4 5 2 换热器筒体 接管 接管法兰的装 配 20 4 5 3 筒体 法兰 支座的装 配 21 4 5 4 封头与法兰的装 配 22 4 5 5 蛇管的装 配 22 毕业设计说明书 VI 4 5 6 换热器的总体装配图生 成 23 5 总 结 25 谢 辞 26 参考文 献 27 摘 要 换热器是广泛应用于石油化工 动力 冶金 轻工 制冷等行业的一种通用设备 因其在化工行业的重要性 换热设备的研究受到世界各国政府及研究机构的高度重视 其性能的好坏不但直接影响到各部门生产的顺利进行和对产品质量的控制 并且可能造 成其自身的高能耗 低效率及可靠性差等诸多问题 本设计完成了蛇管式换热器的选型 总体结构设计等内容 运用三维绘图软件 Solidedge 对换热器的各个零部件建立三维参数化模型 并对换热器的部分零部件进行 了校核 关键词 蛇管式换热器 结构设计 三维造型 强度校核 毕业设计说明书 VII Structure Design and Solid Modeling of Coil Heat Exchanger ABSTRACT As a general equipment the heat exchanger is widely applyed in petrochemical power metallurgy light industry refrigretion and so on Because of its importance in the chemical industry the heat exchanger equipment research is highly valued by the various countries government and the research institutions Besides the important effects on the trouble free operation and product quality control its performance has been influenced by its energy consume and reliability Completed the design of the coil heat exchanger selection the overall structural design and utilizating three dimensional cartography software Solidedge to established three dimensional parametric model and part of heat exchanger components to check 毕业设计说明书 VIII Key Words coil heat exchanger structural design solid modeling strength check 毕业设计说明书 1 1 绪 论 1 1 本设计的研究背景和意义 1 1 1 本设计的研究背景 换热器是广泛应用于石油化工 动力 冶金 轻工 制冷等行业的一种通用设备 随着全球能源危机 环境危机 资源危机的加剧 对于高效节能换热设备的需求迫在眉 睫 因此换热设备的研究备受世界各国政府及科研机构的高度重视 在我国机械的设计 大多数还局限于传统的静态的 经验的设计方法 随着生产的发展 需要更快 更好的 完成产品的设计 而传统设计已不能适应市场对新型化工设备的需求以及复杂化 高效 化的发展趋势 蛇管式换热器是一种简单的换热设备 它属于管壳式换热器的一种 其传热面是由 弯曲成平板或圆柱形的蛇形管子来充当 其简单的结构 紧凑的空间 且能承受一定的 高压 加之制造的方便性 在很多场合应用广泛 由于蛇管式换热器本身的结构特点 传统的设计计算工作量大 效率低下 不能在设计的过程中边设计边改进 容易造成产 品设计已完成但不符合要求的结果 导致了资源能源的浪费 1 1 2 本设计的研究意义 本设计根据给定参数的蛇管式换热器的要求 查阅相关的设计手册 完成了沉浸式 蛇管式换热器各个零部件的结构尺寸设计 并对壳体 支撑部件进行强度的校核 通过 实体造型给出了零部件的三维图形表示 使结构设计的表达更加直观 整个过程中可以 边设计边优化 克服了传统蛇管式换热器结构设计效率不高的缺点 综上所述 能够简 化制造过程 降低生产成本 1 2 换热器在生产中的作用和地位 换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备 通过这种设备能达到指定的温度 以达到工艺的要求 在目前大型化及石油化工装置中 采用各种换热的组合 就能充分 合理的利用各种等级的能量 使产品的单位能耗降低 从而降低产品的成本以获得好的 经济效益 因而 在大型化及石油化工生产过程中 换热器得到越来越广泛的使用 在 工厂建设投资中 换热器所占的比例也有明显的提高 成为最重要的单元设备之一 为了满足不同工业对热源的结构要求 换热器在发展过程中出现了多种分支 管壳 式换热器是最常见的一类换热器 广泛应用于电厂 化工以及过程工业领域 尽管其他 类型的换热器使用越来越多 但管壳式换热器由于适应性广 还将长期受到人们的欢迎 毕业设计说明书 2 沉浸式蛇管换热器是管壳式换热器的一种 在化工 轻工 医药及其他工业生产中经常 用到 此类换热器结构简单 造价低 操作管理也方便 且管内能够承受高压 1 3 换热器的分类 换热器的用途很广泛 可用于各种不同的换热过程 作为传热设备随处可见 在工 业中应用非常普遍 而常用的换热器设备按结构可分为两大类 板片式换热器和管壳式 换热器 板片式换热器由板片和密封垫片组合而成 管壳式换热器是管子 壳体及管板 等组成的设备 1 按使用目的不同 换热器可分为加热器 冷凝器 蒸发器和再沸器等 在生产中有 时把换热器作为一个单独的化工设备 有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分 按传热原理和实现热交换的方法 换热器可分为混合式 间壁式及蓄热式三类 其 中间壁式换热器应用最普遍 间壁式换热器在各工业部门中使用极其广泛 担负着各种 换热任务 例如用以加热 蒸发 冷凝和废热回收等 由于它们的使用条件和要求差别 很大 如容量 温度 压力和工作介质的性质等 涉及的范围极广 因此换热器的结构 型式也多种多样 间壁式换热器 从作为换热面的间壁形式看 主要分为管式和板式两 大类 管壳式 套管式换热器的换热面由管子构成 属于管式换热器 板翅式 板式换 热器的换热面由板片构成 属于板式换热器 各种间壁式换热器的特征 工作特性 允 许的使用范围等差别很大 其结构设计 热计算也各有特点 管壳式换热器又称为列管式换热器 属于间壁式换热器 其主要的结构形式及使用 特点如下 1 浮头式换热器 图 1 1 浮头式换热器示意图 如图 1 1 该换热器是由管箱 壳体 管束 浮头盖 外头盖等组成 优点 1 管束可 毕业设计说明书 3 以抽出来 方便清洗管程 壳程 2 介质间温差不受限制 3 可在高温 高压下工作 4 可 用于结垢比较严重的场合 5 可用于管程易腐蚀场合 缺点 小浮头易发生泄露 金属 材料耗量大 3 结构复杂 2 U 形管换热器 图 1 2 U 形管式换热器示意图 如图 1 2 该换热器由管箱 壳体 管束等零部件组成 只需一块管板 重量较轻 相同直径下 换热面积最大 结构较简单紧凑 在高温高压下金属耗量最少 目前加氢 换热器基本上全部采用 U 形管换热器 优点 1 管束可抽出来机械清洗 2 壳体与管壁 不受温差限制 3 可在高温高压下工作 4 可用于壳程结垢较严重的场合 5 可用于管 程易腐蚀的场合 缺点 1 在管子的 U 形处易冲蚀 应控制管内流速 2 管程不适于结 垢较严重的场合 3 单管程换热器不适用 4 不适用于内导流筒 故死区较大 3 固定管板式换热器 图 1 3 固定管板式换热器 如图 1 3 该换热器是由管箱 壳体 管板 管子等零件组成 其结构较紧凑 排管较多 毕业设计说明书 4 在相同直径时面积较大 制造较简单 优点 1 传热面积比浮头换热器大 2 旁路泄流 较小 3 锻件使用较少 成本低 4 没有内漏 缺点 1 壳体和管子壁温差一般易小于 或等于 50 大于 50 时应在壳体上设膨胀节 2 管板和管子之间易产生温差应力而 损坏 3 壳程无法机械清洗 4 管子腐蚀易造成壳体报废 壳体寿命决定于管子 故设 备寿命较低 5 不适于壳程易结垢的场合 4 蛇管式换热器 该换热器属于管壳式换热器的一种 其蛇管的形式如图 1 4 所示 图 1 4 蛇管结构示意图 此类换热器按结构形状可分为沉浸式和喷淋式蛇管换热器两类 现分别介绍如下 沉浸式蛇管换热器 此形状的蛇管换热器是由壳体 i 支撑辅助零部件组成 结 构如图 1 5 所示 图 1 5 沉浸式蛇管换热器示意图 毕业设计说明书 5 沉浸式蛇管换热器 通常用于对管内介质的冷却 优点是结构简单 造价低 操作 方便 且蛇管可以承受高压 缺点是容器内流体流动速度低 传热系数小 换热效果差 设备笨重 喷淋式蛇管换热器 此形状的蛇管换热器是由喷淋装置 换热管 支架 檐板等 部分组成 结构如图 1 6 所示 图 1 6 喷淋式蛇管换热器示意图 喷淋式蛇管换热器与沉浸式蛇管换热器相比 除了具有结构简单 造价低 能承受 高压等优点外 还具有易于检查 清洗和维修的优点 缺点是占地面积大 操作时设备 周围卫生差 1 4 换热器的发展及国内外研究现状 20 世纪 80 年代以来 随着市场经济的发展 换热器技术飞速发展 降低成本成为 企业追求的最终目标 因此节能设备的研究与开发备受瞩目 能源的日趋紧张 全球环 境气温的不断升高 环境保护要求的提高给空冷式换热器及高温 高压换热器带来了日 益广阔的应用前景 在太阳能 核能 地热 余热回收的利用上 各国政府及民间机构 和企业都加大了投入的资金的力度 目前换热器存在共同的缺点是结构不紧凑 单位换热器的容积所提供的传热面积小 传热系数不大 金属消耗量大 文献 7 介绍了各国为提高管壳式换热器性能所进行的 研究主要是强化传热 提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及大 型化发展所作的结构改进 围绕这三个方面分别介绍了 管壳式换热器在强化传热方面 所采用的改变传热元件本身的表面形状和表面处理的方法或者用内插物增加流体本身的 扰流来强化传热的方法 紧凑式换热器向大型化发展趋势 即扩大传热面积 增大单位 体积内的传热面积 防腐蚀换热器的开发动向等 毕业设计说明书 6 在各种换热器节能技术中 强化传热技术是应用较广泛的一种 所谓换热器传热强 化是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算 采取某些技术措施以提高换热设备的 传热量或者在满足原有传热量条件下 使它的体积缩小 强化传热主要有两种途径 提 高传热系数 增大传热而积 当前 对换热器强化传热技术的研究主要基于这两点展开 文献 8 着重介绍了从壳程方面提高换热器传热系数的结构研究及发展 具体有板 式支承结构 杆式支承结构 空心环支承结构 管式自支承结构 文献 9 从换热器的 管程和壳程两方面介绍了管壳式换热器强化传热技术的传热机理及其应用范围 进一步 分析了各种强化传热技术的优缺点 提出了部分改进措施和思路 管壳式换热器管程的 强化传热技术 主要通过改变传热面的形貌或管内插入物来增加流体湍流度 扩展传热 面积 从而实现强化传热 达到节能目的 具体有带内凸肋结构管 此种换热管具有双 面强化传热的作用 适用于对流 沸腾和冷凝等工况 同流速下 横纹管与单头螺旋纹 管比较 流体阻力稍大 但传热性能好 应用场合二者相同 内翅片管 此种换热管的 加工以焊接为主 翅片的加工 焊接对于换热有很大的影响 内翅片管改变了管内部流 场及温度场的分布情况 提高了换热壁面附近的温度梯度 强化了传热 但因为翅片的 存在 换热管的清洗工作比较困难 此外还有管内插入物形式的换热管 螺旋扁管 虽然管壳式换热器在结构紧凑性 传热强度和单位金属消耗方面无法与板式或板翅 式换热器相比 但由于管壳式换热器制造容易 生产成本低 选材范围广 清洗方便 适应性强 处理量大 工作可靠 且能适应高温高压 因而在化工 石油 能源等行业 的应用中仍处于主导地位 1 5 换热器的发展动向 换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理论研究创新 寻求建立能支撑肋片设计 选型的系统化的理论 同时要结合实验研究 寻求实际应用中最节能的肋片参数值 换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外型 布置仍然没有可靠的理论依据 传 统的肋片布置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状或圆台状肋 而对于针状肋 片在换热管表面的最佳换热的散布规律仍然还不明晰 理论研究非常薄弱 对替代传统 的平板和环状肋片的高效换热肋片研究甚少 新型换热管的形状研究过少 目前的研究仅局限于传统的圆形或矩形换热管上 对 更高效的换热管型的探索研究比较缺乏 对换热管排数和排列方式对换热器整体换热性能的影响研究的理论体系还没形成 毕业设计说明书 7 目前对于此方面的研究多以实验研究为主 然后从实验中提取经验公式 关于管排数的 纯理论的换热理论还没有得到建立 作为衡量换热器性能时的换热效率 已不能作为换热器设计选型的标准 换热效率 高并不意味着制造成本的节省以及换热效果最佳化 传热因子和摩擦因子是比较合适的 衡量换热器整体性能的指标 但是需要综合考虑两种因素后建立换热器最优化换热的统 一理论 单一的考虑换热因子或者摩擦因子的大小对于衡量换热器换热性能没有任何意 义 2 1 6 三维造型技术的应用 近年来 随着计算机技术的飞速发展 为计算机辅助设计展开了极为广阔的空间 基于微机平台的三维 CAD 软件不断被推出 在微型计算机上已经完全实现了复杂的三 维设计功能 Solid Edge 即是该类软件的优秀代表 11 由于软件兼容了许多 Windows 的卓越性能 使其界面简洁美观 易于操作 已成为最具应用价值的 CAD 系统 12 文献 11 介绍了三维实体设计是参数化设计的基础 可以为设计人员提供生动直 观的视觉感受 对三维实体造型的步骤和基本方法作了介绍 以造型结果作为素材完成 了不同类型的装配设计 利用 Solid Edge 强大的造型 装配功能来建立工业产品模型是 非常方便 快捷的 所制作的模型几乎可以达到随心所欲的程度 最终构造出的三维实 体能够充分表达出设计者的设计意图 各种装配体可以真实反映零件 之间的装配关系 使产品在制造之前即可观察到结构的全貌 并可得到有关重量 质心 转动惯量等物性 参数 文献 13 对比分析了三维实体造型的各种描述方法 并结合其在 CAD CAE CAM 等方面的应用 对各种方法进行了比较 论述了各种不同的方法在具体应用环境中的利 弊 文献 14 介绍了使用 Solidedge 软件进行阀门三维实体造形 变量表在参数化设计 中的应用 二维工程图的实现以及网络分布的方法 其中三维实体造形讲述了零件实体 造型的方法首先要确定合理的建模顺序 再次通过拉伸 旋转 除料 扫掠和放样等特 征命令进行实体造形 最后为了制造工艺还需要添加倒角 圆角等特征 文献 15 介绍了在 Pro E 环境下 以减速器齿轮的设计为例 讲述了参数化建模的 特点 步骤 建模过程中应用了阵列 复制等特征命令 使复杂零件的建模简单化 三维产品设计技术的发展 推动了机械产品创新设计的进步 特别是基于三维设计 技术的虚拟样机和仿真技术的发展 为机械产品创新设计的自动化提供了一种理想的技 毕业设计说明书 8 术支撑平台 1 7 本设计的研究内容及方法 1 7 1 本设计的研究内容 蛇管式换热器 3000kg h 的油从 145 冷却至 40 压力为 0 3MPa 冷却介质 采用循环水 循环冷却水的压力为 0 4 MPa 循环水入口温度 25 出口温度 40 1 确定换热器的主要结构如筒体 换热管 封头 支座 吊耳等的基本尺寸 2 确定各零部件之间的连接形式及固定方式 包括筒体与法兰的连接 蛇管的固 定 以及支座与筒体的连接 3 对重要零部件进行校核 其中包括封头 筒体 开口补强 支座等 1 7 2 本设计的研究方法 本设计采用 Solidedge 进行三维造型 可以更直观 更完整 更准确地表达出设计 信息 它具有基于特征 参数化 实体造型等特点 整个设计基于装配关系进行 装配 的基础要素是相关的零件 零件是由若干参数化的可以基于装配关系的特征堆砌而成 特征是一些与机械设计的表达意图相关的简单几何形体 这些几何形体的基础是参数化 的 可以基于装配关系的二维或者三维草图 毕业设计说明书 9 2 蛇管式换热器整体结构设计 2 1 管径及介质进入蛇管内外的选择 考虑污垢清洗因素及换热效果 故使油走管内 循环冷却水走管外 换热管选用标 准规格碳钢管 25 2 2 2 冷热流体物性数据的确定 定性温度 可取流体进出口温度的平均值 油的定性温度为 14540 92 5 2 T 水的定性温度为 2540 32 5 2 T 根据定性温度 分别查取油和水的有关物性数据 油在 92 5 下的有关物性数据如下 密度 m3 0 850 4 定压比热容 0 2 1 p cKJ 导热系数 m 0 0 137 W 运动粘度 2 0 000014 ms 循环冷却水在 32 5 下的物性数据如下 密度 m3994 0 定压比热容 KJcp08 4 0 导热系数 m W626 0 0 运动粘度 2 0 000725 ms 2 3 传热面积的计算 毕业设计说明书 10 1 热负荷计算 0 2100 3000 360014540183750 po Qc m tJs 考虑换热余量 1 1 及换热器效率 0 9 计算得到实际传热量 0 1 1 0 91 1 3675000 9224583 QQJs 2 平均传热温度 12 1 2 14540 4025 46 25 14540 lnln 4025 tt T t t 3 总传热系数 K 管内流通面积 2242 0 0213 46 10 44 ii Adm 管内流速 4 0 3000 3600 2 8 850 4 3 46 10 i m m s A 雷诺数 2 8 0 021 4248 0 000014 i e d R 管内传热系数 W m2 5 0 81 3 1 8 6 10 1 0 027Pr560 9 R o ie ei R d 湍流 管外传热系数 0 80 30 80 3 0 137 0 023Pr0 0234248192 0 021 o oe i R d 580 5W m2 管外和管内污垢热阻分别是 Ri 0 m2 W Ro 0 m2 W 1 1 1 0 0250 0250 002 0 0251 0 0001740 000516 560 9 0 0210 02143 6 0 023580 5 ooo io iiiio K ddd RR ddd 216 45 W m2 4 传热面积 2 224583 22 4 216 45 46 25 Q Am K T 毕业设计说明书 11 2 4 蛇管长度及组数的确定 1 蛇管总长度 22 4 286 3 14 0 025 o A Lm d 2 组数 考虑到蛇管长度较长 将蛇管做成两组螺旋圆柱蛇管组 每组长度 22 4 143 22 3 14 0 025 o A Lm d 2 5 管间距 h 和内 外圈间距 t 的确定 若有数组同心圆柱形蛇管沉浸于容器中时 蛇管内圈与外圈间距 t 一般取 2 3do 此处取 3do即 75mm 同组中蛇管间距 h 一般取 1 5 2do 此处取 2do即 50mm 如图 2 1 图 2 1 管间距示意图 2 6 筒体直径及材料 蛇管圈数及高度的确定 1 筒体直径及材料 筒体直径选择标准系列尺寸 DN 900 型 Q235A 是屈服点为 235MPa 的低合金结 构钢板 它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能 由于本换热器的设计温度和设计 压力均较低 故选用 Q235A 钢板作为筒体的材料 2 蛇管外圈中心圆直径 Do DN 200 400 此处取 Dn 700mm 蛇管内圈中心圆直径 毕业设计说明书 12 Di Do 2t 700 2 75 550mm 3 每圈蛇管长度 以斜面长度表示 外圈 22 22 o 3 14 0 70 052 2 o lDhm 内圈 2 222 3 14 0 55 0 051 7 ii lDhm 4 每组蛇管圈数 143 65 2 2 o o L n l 84 i i L n l 由于内外圈数相差较大 此处取内外圈均为 74 圈 5 每组蛇管高度 H n 1 h 74 1 0 05 3 7m 图 2 2 筒体结构示意图 2 7 封头尺寸及材料的确定 封头有多种 可以是普通的标准铸件 也可以是装配件 选择封头时有两点主要考 虑因素 1 是否容易接近传热管以便于清洗和更换 2 管道安装是否方便 本设 计封 i 椭圆封头 材料与筒体相同均为 Q235A 内径 DN 900 结构如图 2 3 毕业设计说明书 13 图 2 3 封头示意图 2 8 吊耳尺寸的确定 由于本设备属于立式换热器且质量较重 故选择板式吊耳 结构尺寸如图 2 4 图 2 4 吊耳结构示意图 2 9 支座尺寸的确定 根据筒体公称直径 DN 及估计的总质量 Q 初选标准支座 考虑此换热器属于立式 换热器且高度较高 综合各方面选择耳式支座 结构尺寸如图 2 5 毕业设计说明书 14 图 2 5 支座结构示意图 2 10 筒体法兰尺寸的确定 法兰须选用锻造钢 Q235A 的强度 韧性 耐腐蚀性等综合力学性能好 所以设 备法兰选用 Q235A 锻件 结构尺寸如图 2 6 凸面 毕业设计说明书 15 凹面 图 2 6 法兰结构示意图 3 换热器零部件的强度校核 3 1 筒体壁厚计算及校核 3 1 1 筒体壁厚计算 材料选用 Q235A 在 150 0C 以下的许用应力由表可以查出 t 113MPa 常用 屈服极限 s 235Mpa 取计算压力等于筒内最高工作压力 即 pc 0 4MPa 筒体内径取 Di 900mm 焊缝系数 0 85 筒体计算厚度 c 0 4 900 1 9 2 2 113 0 850 4 ci t c PD mm P 钢板厚度负偏差 C1 0 6mm 腐蚀裕量 C2 2mm 钢板厚度附加量 C C1 C2 2 6mm 根据钢板规格及 GB151 规定的压力容器最小厚度取筒体名义厚度 10mm 所以筒体有效厚度 C 10 2 6 7 4mm n e n 3 1 2 筒体壁厚校核 1 液压试验应力校核 筒体试验压力计算值 125 1 251 25 0 40 55 113 Tc t PPMPa 表示筒体材料在试验温度下的许用应力 查表得 125Mpa 毕业设计说明书 16 液压试验允许通过的应力 0 90 9 0 85 235179 8 ts MPa 液压试验下圆筒应力 D 0 55 9007 4 33 72 22 7 4 Tie t e P MPa 因为 所以校核结果合格 tt 2 工作条件应力校核 设计温度下计算应力 0 4 9007 4 24 52 22 7 4 t cie e P D MPa 允许通过的最大应力 113 0 8596 05 t MPa 因为 所以校核结果合格 tt 综上所述筒体名义厚度 n符合要求 3 2 封头壁厚计算及校核 3 2 1 封头壁厚计算 材料选用 Q235A 在 150 0C 以下的许用应力由表可以查出 t 113MPa 常用 屈服极限 s 235Mpa 取计算压力等于筒内最高工作压力 即 pc 0 4MPa 封头选择椭 圆封头内径取与筒体相同 Di 900mm 焊缝系数 0 85 椭圆封头计算厚度 c 0 4 900 1 8 2 0 52 113 0 850 5 0 4 ci t c PD mm P 钢板厚度负偏差 C1 0 6mm 腐蚀裕量 C2 2mm 钢板厚度附加量 C C1 C2 2 6mm 考虑制造加工方便 取椭圆封头壁厚与筒体等厚 即 10mm n 3 2 2 封头壁厚校核 1 椭圆封头壁厚计算条件验算 封头有效厚度 7 4 en Cmm 因为 故计算壁厚合适 0 15 1 35 i Dmm 0 15 ei D 2 封头应力校核 封头允许的最大应力 0 49000 5 7 4 0 5 113 10 22 1 8 0 85 t cie c P KD MPa 毕业设计说明书 17 其中 K 是椭圆形封头形状系数 查表 K 1 封头工作应力 0 4 9007 4 24 52 22 7 4 ciet e P D MPa 因为 所以封头厚度合适 t t 综上所述 椭圆封头壁厚合适 3 3 支座的选择及校核 3 3 1 支座的选择 根据钢制压力容器的相关标准 选择短臂 带垫板的耳式支座 支座本体允许承受 的载荷 Q 20KN 支座处筒体允许承受的弯矩 ML 5 75KN m 3 3 2 支座的校核 实际承受载荷计算 3 0 4 10 m gPh Q knnD 其中 k 是不均匀系数安装 4 个支座取 0 83 n 是支座数 h 是水平力作用点到底板 的高度 考虑换热器重心位置及耳座安装位置 h 取 1m D 是支座安装周向尺寸 带入数据 P 是水平力 22 32221 2222 in DDbls 1047 6Dmm 取与的最大值 其计算如下 w P c P 风载荷 f1风压高度变化系数 取 0 846 q0基本风压值 3 1 0 9510 wooo Pf q D H 取 550N m2 D0圆筒外径即 920mm H0换热器总高度取 4 6m 代入数据得 Pw 1870 7N 地震载荷 地震系数取 0 23 换热器工作时总质量即0 5 cco Pa m g c a o m 4261 3kg 代入数据得 Pc 4802 5N 将以上数据带入 Q 得 17 2KN 支座处筒体计算弯矩 21 L 33 Q17 210040 M1 032 1010 ls KN m 综上所述 Q Q MLA 故开孔不需另加补强 4 蛇管式换热器三维造型设计 4 1 换热器蛇管的建模 蛇管是本换热器重要的换热元件 由两圈螺旋的管子组成 外圈中心圆直径 700mm 内圈中心圆直径 550mm 内外圈间隔 75mm 旋转一圈升高 50mm 螺旋蛇管 类似于弹簧 所以首先在草图环境建立旋转轴及蛇管截面圆 蛇管截面直径 25mm 退出草图环境 应用旋转拉伸命令 从草图选择 25mm 圆 确定拉伸参数 螺距 50mm 圈数 74 确定后点击预览命令 建立内圈蛇管 同样方法建立外圈蛇管 如图 4 1 蛇管模型 毕业设计说明书 19 图 4 1 蛇管模型 4 2 换热器筒体的建模 本换热器筒体内径 900mm 壁厚 10mm 距离筒体底部与上部 230mm 处分别开有 218mm 的圆口 两圆口对称分布在直径方向 首先在草图环境建立同心圆 直径分 别是 900mm 和 920mm 退出草图环境 应用垂直拉伸命令 选择两个同心圆 拉 伸距离 3911mm 选择与筒体平行的平面建立圆口草图 退出草图环境 应用除料命令 建立接管口 筒体模型如图 4 2 4 3 换热器封头的建模 本换热器由两个封头组成 均采用椭圆封头 结构尺寸相同 内径 900mm 壁厚 10mm 加工采用冲压方法加工 建模时采用旋转拉伸命令 建立草图时要注意线段的 连接关系 否则拉伸时会报错 模型如图 4 3 毕业设计说明书 20 图 4 2 筒体模型 图 4 3 椭圆封头模型 4 4 换热器筒体法兰的建模 换热器法兰选用凹凸面密封法兰 公称直径 900mm 用 32 个 M20 双头螺柱紧固 密封 法兰的作用主要是连接封头和筒体 其材料为 Q235A 锻件 封头法兰和筒体法 兰上的螺栓孔的装配方式应一致 由于法兰是圆周对称结构 所以只画出其剖面二维草 图 再用旋转拉伸出命令即可建模 其上的螺栓连接孔可以只画出一个 然后用阵列命 毕业设计说明书 21 令阵列出即可 模型如图 4 4 图 4 4 筒体法兰模型 4 5 换热器装配体的生成 4 5 1 换热器的装配模式 零部件装配的过程 就是确定装配体中各组成零部件如何连接的过程 零部件之间 的连接关系即为装配关系 装配体是在 Solid edge 装配环境中进行的 用户可以使用配 合关系来确定零部件的位置和方向 传统的方法是自下而上的设计过程 即先设计各个 零部件 然后再进行装配 自上而下的设计过程恰好相反 即先从装配体开始设计工作 用户可以使用一个零部件的几何体来帮助定义另一个零部件 或生成组装零部件后才添 加加工特征 采用传统设计方法 零部件设计完成之后 可根据要求进行零部件装配 零部件 之间的装配关系实际上就是零部件之间的位置约束关系 通过给装配体添加约束关系 可以使零部件之间精确地进行定位 从而将各个零件组合成所需要的装配体 Solid edge 主要装配体约束类型 面匹配 面对齐 轴对齐 平行 相切 角度等 4 5 2 换热器筒体 接管 接管法兰的装配 换热器筒体由接管及法兰组成 首先将筒体调入装配环境 再将接管调入 接管要 与筒体垂直装配 最后调入接管法兰 法兰与接管采用轴对称装配 装配完模型如图 4 5 毕业设计说明书 22 图 4 5 筒体 4 5 3 筒体 法兰 支座的装配 在筒体装配的基础上 继续装配筒体法兰 密封圈及支座 法兰 筒体 密封圈均 采用轴对称装配 面与面的配合采用面匹配命令 一般先应用轴对称命令 再进行面与 面的匹配 否则容易产生冲突 支座与筒体垂直装配 共四个对称均布在筒体周向 如 图 4 6 所示为筒体一侧装配模型 另一侧与之相同 图 4 7 为支座与筒体的装配 图 4 6 筒体法兰装配模型 毕业设计说明书 23 图 4 7 支座装配 4 5 4 封头与法兰的装配 本换热器有两个封头 其结构相同 装配方法也相同 均采用轴对称及面匹配装配 如图 4 8 图 4 8 封头及法兰 4 5 5 蛇管的装配 由于蛇管固定结构比较复杂 是由四根角钢在同一直径方向分别固定内外圈蛇管 在此未能建立装配关系模型 其固定方式可参考二维图形 这里只是把蛇管应用插入命 毕业设计说明书 24 令装入筒体内 如图 4 9 图 4 9 蛇管装入筒体模型 4 5 6 换热器的总体装配图生成 总装配体是由各个子装配体装配而成 把封头与法兰的的装配作为第一个装配体固 定 其它的装配体如密封垫圈 筒体 吊耳 以第一个装配体为基准依次装配 在装配 过程中要注意的是封头法兰和筒体法兰要平行对齐 否则螺栓孔就不能完全对齐 双头 螺柱也就无法装配 会导致错误 最后完整的总装配体如图 4 10 图 4 11 图 4 10 整体装配图 毕业设计说明书 25 图 4 11 整体装配图 示吊耳与封头及蛇管出口位置 至此 换热器的各个零部件建模及装配体的装配过程已经完成 装配过程中要注 意的问题是当两个面配合时一定要平行 否则会产生干涉 使后面的步骤无法进行 当 使用多次轴对称命令时 要保证装配的零件尺寸精度 否则会产生冲突 也可以以此检 查零件的建模尺寸是否标准 毕业设计说明书 26 5 总 结 本设计完成了蛇管式换热器的选型 选材 总体结构设计和筒体 支座 开孔补强 等的校核计算 针对现代设计方法的特点 根据对蛇管式换热器结构和尺寸的分析以及 对其部分零部件参数的分析 研究并借鉴国内外管壳式换热器理论及设计方法 按照参 数化设计的要求 运用三维绘图软件 Solid Edge 对换热器的各个零部件建立三维参