u形管换热器e-2103的机械设计 毕业设计

U形管换热器E2103的机械设计摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求。换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位，已经得到越来越广泛的应用。本设计为U形管换热器的机械设计，在设计过程中，严格按照GB1501998钢制压力容器和GB1511999管壳式换热器及换热器设计手册等标准进行设计和计算。综合考虑各种因素，结构设计合理、经济，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；换热器的材料、主要结构尺寸选择恰当，满足强度、刚度、稳定性及水压试验等校核要求。根据设计压力确定的壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。同时设计中阐述了换热设备的分类、用途、发展趋势以及对各部分结构的制造工艺过程等。在本次设计过程中已完成了设计说明书、一张总装配图和三张零件图的绘制，还对一篇外文进行了翻译等工作。关键词换热器，U形管，结构设计，校核UTUBEHEATEXCHANGERMECHANICALDESIGNOFE2103ABSTRACTHEATEXCHANGERISTHEEQUIPMENTTHATTRANSFERSAPARTOFHEATFROMTHEHOTFLUIDTOTHECOLDITISTHEKINDOFEQUIPMENTTHATCANMAKEMATERIALSACHIEVETHESPECIFIEDTEMPERATURETOMEETTHETECHNOLOGICALREQUIREMENTSHEATEXCHANGEISTHEUNIVERSALEQUIPMENTFORTHECHEMICAL,PETROLEUM,POWER,FOODANDOTHERINDUSTRIALSECTORS,WHICHOCCUPIESANIMPORTANTPOSITIONANDITHASBEENAPPLIEDMOREANDMORETHEMAINCONTENTOFTHEDESIGNISTHEUSHAPEDTUBEEXCHANGERINTHEDESIGNPROCESS,THEDESIGNERDEPENDSONSTRICTACCORDANCEWITHGB1501998,GB1511999,MECHANICALDESIGNHANDBOOKFORDESIGNANDCALCULATIONVARIOUSFACTORSTAKENINTOACCOUNT,THESTRUCTURALDESIGNISREASONABLEANDECONOMIC,WHILEITSATISFIESTHEREQUIREMENTSOFTHEMANUFACTURE,MAINTENANCE,ASSEMBLING,TRANSPORTATIONANDSOONTHEHEATEXCHANGERMATERIALSANDTHESIZEOFMAINSTRUCTURESHAVEBEENCHOSENPROPERLYTOMEETTHESTRENGTH,STIFFNESS,STABILITY,HYDROSTATICTESTINGANDOTHERVERIFICATIONREQUIREMENTSACCORDINGTOTHEDESIGNPRESSUREOFTHEWALLTHICKNESS,THEREISENOUGHSUFFICIENTCORROSIONALLOWANCESOTHATTHEDESIGNRESULTSACHIEVEOPTIMUMCOMBINATIONALSO,THECONTENTSHAVEEXPRESSEDTHECLASSIFICATION,USE,DEVELOPMENTTRENDSANDAPARTOFTHESTRUCTUREOFTHEMANUFACTURINGPROCESSFORTHEHEATEXCHANGERINTHISDESIGNPROCESS,THEDESIGNERHASCOMPLETEDTHEDESIGNSPECIFICATIONS,AGENERALASSEMBLYANDTHREESPAREPARTSDRAWINGS,ANDCOMPLETEDAFOREIGNLANGUAGETRANSLATIONKEYWORDSHEATEXCHANGER,USHAPEDTUBE,STRUCTURALDESIGN,VERIFICATION1前言511换热设备的概述及分类512换热设备的应用513U形管换热器的特点514换热器的设计要求615换热器的常见问题及处理616换热器的相关技术发展方向62材料选择和结构设计721压力容器材料的选择7211压力容器用钢的基本要求7212压力容器钢材的选择922管程结构11221换热管11222管板12223管箱14224管束分程14225换热管与管板的连接1523壳程结构17231壳体17232折流板17233折流杆19234防短路结构19235壳程分程2024封头设计2025密封装置设计2126开孔和开孔补强设计22261补强结构22262开口补强设计准则23263允许不另行补强的最大开孔直径243设计计算及强度校核2531筒体的计算及强度校核25311筒体（前、后端封头）材料的选择25312计算条件25313厚度的计算25314液压试验时的应力校核26315压力及应力计算、校核2632前端管箱筒体的计算及校核27321计算条件27322厚度的计算27323液压试验时的应力校核28324压力及应力计算、校核2833前端管箱封头计算及校核29331计算条件29332厚度的计算29333压力计算及校核3034后端封头的计算及校核30341计算条件30342厚度的计算31343压力计算及校核3235管箱垫片、螺栓、法兰的计算32351计算条件32352垫片的选择及计算32353螺栓材料的选择、计算33354法兰的计算及强度校核3536开孔补强39361计算条件39362开孔补强的计算3937管箱4238换热管4239管板43310换热管与管板的连接45311折流板46312拉杆、定距管46313防短路结构46314选取支座46结论47参考文献48谢辞491前言3设计计算及强度校核31筒体的计算及强度校核311筒体（前、后端封头）材料的选择具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，冲压弯曲等918IRNOC热加工性能好，无热处理硬化现象，无磁性，使用范围在，并C70253且根据设计温度、设计压力、操作介质及容器使用条件，总和经济性，筒体、后端封头选材为。918IRQ235B使用范围为容器设计压力，钢板使用温度为，AMP61350用于壳体时，钢板厚度不大于20MM，不得用于毒性强度为高度或极度危害介质的压力容器，根据设计温度、设计压力、操作介质及容器使用条件，总和经济性，前端筒体、封头选材为Q235B。312计算条件材料为AC60MP计算压力C245T设计温度M50ID内径918IRNOC由GB1501998表41中查得，AMP137试验温度下的许用应力经过内插法计算可得，A82T设计温度下的许用应力由GB1501998表F1中查得，S05试验温度下的屈服点0M6M021CC腐蚀余量钢板负偏差焊接接头系数313厚度的计算计算厚度（3MPTDIC416085201）设计厚度（32）名义厚度（33）有效厚度（34）314液压试验时的应力校核试验压力值（35）试验压力下的圆筒应力（36）ATTMP04182375AEITMPD265785041MCD412DN061MCNE4521压力试验允许通过的应力水平（37）由于满足校核条件。，T315压力及应力计算、校核最大工作压力（38）设计温度下的计算应力（39）所以满足校核条件。32前端管箱筒体的计算及校核321计算条件材料Q235B（板材）AC70MP计算压力C245T设计温度M50ID内径由GB1501998表41中查得，AMP13试验温度下的许用应力AEITWMPD23450812AEICTPD082ASTMP51842090TATM31451经过内插法计算可得，AMP9510T设计温度下的许用应力由GB1501998表F1中查得，S23试验温度下的屈服点0M18M021CC腐蚀余量钢板负偏差58焊接接头系数322厚度的计算计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度323液压试验时的应力校核试验压力值试验压力下的圆筒应力MPCTDI172708590ATTMP0411095372AEITMPD913785024CD32MDN01CNE281压力试验允许通过的应力水平由于满足校核条件。，T324压力及应力计算、校核最大工作压力设计温度下的计算应力所以满足校核条件。33前端管箱封头计算及校核331计算条件材料Q235B（板材）AC70MP计算压力C245T设计温度M50ID内径由GB1501998表41中查得，AMP13试验温度下的许用应力经过内插法计算可得，950T设计温度下的许用应力AEICTMPD6921AEITWPD230855192ASTMP521390TAT83050M18M021CC腐蚀余量钢板负偏差580焊接接头系数332厚度的计算形状系数（310）K1，所以选用标准椭圆封头。计算厚度（311）设计厚度名义厚度有效厚度由GB1501998标准规定，标准椭圆封头的有效厚度不小于封头内直径的015，1250612IHDKMPTKCDI1727058095CD1732MDN01CNE281因此满足最小厚度要求。333压力计算及校核最大工作压力满足设计要求。34后端封头的计算及校核341计算条件AC60MP计算压力C245T设计温度M50ID内径曲面高度材料为MHI125918IRNO由GB1501998表41中查得，AMP137试验温度下的许用应力经过内插法计算可得，28T设计温度下的许用应力0M6021CC腐蚀余量钢板负偏差50焊接接头系数342厚度的计算形状系数AEITWMPD2308551921250612IHDKMINEDI7501015MINCWK1，所以选用标准椭圆封头。计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度由GB1501998标准规定，标准椭圆封头的有效厚度不小于封头内直径的015，因此满足最小厚度要求。343压力计算及校核最大工作压力满足设计要求。MPTKCDI41605802AEITWMPD230855192CD2N061ME452DI7501015MINMINECW35管箱垫片、螺栓、法兰的计算351计算条件AC60MP计算压力C245T设计温度NF0轴向外载荷M0M外力矩由GB1501998表41中查得，AMP13N经过内插法计算可得，90TN352垫片的选择及计算垫片材料GYLON3500软垫片M59052M50BDD外内M64053ID特征系数按GB1501998中表92查得，垫片系数M05比压力Y0MPA垫片实际宽度（312）垫片实际密封宽度（313）由GB1501998标准9511可知219352B34M6B00，若（314）MDG765外MN2650内外132B0NNBMPDFWCGCGPP6173705129765328705802353螺栓材料的选择、计算钢材料选择为35由GB1501998表47中查得，ABMP17ATBP982M20DB螺栓公称直径由课程设计手册表2122查得，M4D0数量N24预紧状态下需要的最小螺栓载荷AW（315）由GB1501998（95）可知，操作状态下需要的最小螺栓载荷（316）由GB1501998（96）、（97）可知，所需螺栓总截面,AXAPMA因为（317）NYBDG007653129430BAWA2540189673MTBP所以254018MAPM实际使用螺栓总截面积（318）垫片最小宽度（319）实际间距（320）由GB1501998表93查得，最小间距最大间距（321）220574132MDNAB0286MINGBYDANMNDLB27590413MDLFB31650426AX354法兰的计算及强度校核RMN16材料选用为整体法兰M46F由GB1501998表41中查得，AMP2139157PTFAF应力计算（322）预紧状态下的法兰力矩（323）所以，（324）（MDLGG128765390B）（MMLAFGBMGA0125936128748MDLIBD2753690LGDT5627180MNLFMGTDP5427012861095271391869325）（326）（327）（328）操作状态下的法兰力矩（329）（330）NPDFCPDFCICGDT13970536780765802222PBMFCG61097012932MNMFTAPFTAP516734,520,X0（331）（332）MNM5167340法兰颈部高度H60MMM20法兰颈部小端有效厚度460F1法兰有效厚度法兰大端有效厚度（333）（334）（335）由GB1501998图97查得，F1整体法兰系数由GB1501998图93查得，（336）由GB1501998表95中查得YZTMDHI5410326080H512031953640IDK831F由GB1501998图93查得，（337）（338）由GB1501998表96中查得，（339）（340）（341）5172904302201HVUD0625179433DF08541301HFE368104EF7430816T31（342）轴向应力（343）径向应力（344）环向应力（345）应力校核805624AIHMPD752836014F20ADIFRMPE835167345460132ARITMPZDY8368375413052F2轴向应力（346）径向应力（347）组合应力（348）校核合格，满足设计条件。36开孔补强361计算条件根据GB1501998有关规定，36129选用接管计算方法为GB1501998等面积补强法，单孔；AC60MP计算压力C45T设计温度壳体形式圆形筒体；壳体材料；开孔处焊接接头系数918IRNO580M6M5NI开孔处名义厚度壳体内径D06021C腐蚀余量壳体厚度负偏差ATMP81许用应力壳体材料设计温度下的板材；接管材料名称及类型98IRNOTMPFRH8256ATFT3AFHMPPT2851728ATFAR83M020，内伸长度为接管实际外伸长度为M128012CC接管厚度负偏差接管腐蚀余量焊接接头系数ATMP8接管材料许用应力362开孔补强的计算壳体计算厚度接管计算厚度接管名义厚度接管有效厚度设计温度下的接管材料强度削弱系数1RF开孔直径开孔所需补强面积MPTDIC41608520MPTDIC506601829CDTNT1NTET452MCD2083629（349）由GB1501998中871（87）可得，补强区有效宽度（350）MB416由GB1501998中871（88）可得，接管有效外伸长度为（351）M20,2M36接管实际外伸长度为NTDMH2361由GB1501998中871（89）可得，接管有效内伸长度（352）M0,2M36接管实际内伸长度为NTDMH02294108MFDARET22AXNTDB，MMNT40,416；，接管实际外伸长度I1NTH；，接管实际内伸长度I2NTH由GB1501998中871（811）可得，壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积（353）接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积（354）焊缝金属截面积（355）（356）不需要另加补强。,AE37管箱管箱短节选材为Q235B，因为管程走循环水，对于管箱来说，要求不高，并且腐蚀性较低，宜采用Q235B的板材。根据GB1511999表8可知，管箱短节的最小厚度不小于8MM。MFDBARETE98230415041622221283600564MFCHFHARETRTE233621A23170689MAE管箱的最小内侧深度根据GB1511999中522可知，L485MM分程隔板选用Q235B板材，根据GB1511999表6可知，隔板最小厚度为，分程隔板长度LL485MM。并且开设排净口，D6MMMN10,8MIN取38换热管选用U形管，材料为，98IRNOC27M6A换热面积据GB1511999中551、552，尺寸选为，不锈钢管5M30L（357）根据GB1511999表11，U形管的弯管段的弯曲半径MR50IN管程数选为4程。根据GB1511999表12可知，换热管中心距32S分程隔板槽相邻管中心距MSN4根据GB1511999表16可知，管孔直径为2525MM510允许偏差换热管的排列形式由于正三角形排列形式可以在同样管板面积上排列最多的管数，故选用正三角形排列形式。39管板管板材料选择为，918IRNOCATMP812设计温度下的许用应力37510246LDN根形管的根数为，取6428128NAMDG7653MC51S壳体腐蚀裕量MC51T管程腐蚀裕量沿隔板槽一侧的排管根数N1240管板削弱系数一般取一根换热管管壁金属的截面积（358）未能被换热管支撑的面积（359）管板布管区面积（360）管板布管区直径（361）25410638603MSNADMANSADT2437685410612235014768MADTT24153MDATT根据GB1511999表22查得，3094CC根据GB1511999可知，ADTSDMPP7,MAX管板计算厚度（362）（363）换热管的轴向力按以下三种工况进行计算同时作用和TSP（364）单独作用SP（1765320GTTDTMCDTDCG062981240739758ATTSTMPD36070412572ASTMPD402153622CTSN3365）单独作用TP（366）以上无论哪种工况下，均。TT根据GB1511999中5823可知，可取40MML换热管与管板连接拉脱力（367）根据GB1511999表26可知，AMPQ2。计算结果满足校核条件310换热管与管板的连接根据GB1511999中584的使用范围，为了保证换热管与管板连接性能，连接型式选为强度胀接加密封焊。根据GB1511999中582可知，强度胀接的最小胀接长度L应取管板的名ATTTMPD681704253702ATDLAQ045136义厚度减去3MM或者50MM二者的最小值，即最小胀接长度为L40MM，由表32可得，。由表33得出，MKL50,321槽深伸出长度,1L换热管最小外伸长度。ML2,532最小坡口深度311折流板折流板选材为，采用弓形折流板。根据GB1511999表42的规定，918IRNOC换热管无支撑跨距。根据表34和35，折流板最小厚度为12MM，折流ML0板板孔，根据表41，折流板名义外直径。D30425MDN0854950折流板等间距布置，管束两侧折流板尽可能的靠近壳程进出口接管。折流板最小间距为100MM。312拉杆、定距管拉杆的结构形式选为拉杆定距管结构。根据GB1511999表43和表44规定，拉杆直径D16MM，拉杆数量为4。由图42、表45，MDN16拉杆螺纹直径。为了减少轻流体冲出带来的震动并且防止管束的破坏，拉MLBA60,2杆尽可能的均匀布置在管束边缘外侧。根据GB1511999规定，定距管尺寸为。5313防短路结构选用旁路挡板，选材为。根据GB1511999中5131规定，旁路挡918IRNOC板与折流板焊接牢固，旁路挡板的厚度是，采用一对挡板。M6314选取支座选用鞍式支座，根据实际承载大小、圆筒内径及强度需要，由JB/T471212007表1规定，鞍座的形式特征为重型、焊制、BI、包角为120度、有垫板、筋板数为2鞍座材料选用Q235A，垫板材料选用为。918IRNOC由JB/T471212007表6规定可知鞍座的各部分尺寸；MDN50公称直径MBML0,5,40111底板；L82,2333筋板。EBL6,944垫板L32螺栓间距本设计鞍座的选用高度为294MM，超出标准高度，根据JB/T471212007图B3中，查得允许载荷Q117KN。鞍座的质量为2476KG。82腹板SBITJBF50,20714/鞍座鞍座鞍座标记如下结论本次U形管换热器的机械设计，使我进一步加深了对换热器的各部分结构及其工作原理等的了解，使我能够更加熟练运用所学知识和技能，不断发现问题并解决问题。毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的U形管换热器机械设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种零件的选用标准，各种部件的安