流量為100t每小時的U型管式換熱器設計畢業(yè)設計論文

摘要本文介紹了U型管換熱器整體的結(jié)構(gòu)與強度設計計算。U型管換熱器是將管子彎成U型，管子的兩端均固定在同一個管板上。出于殼體和管子的分開，管束可以進行自由的伸縮，因此沒有熱應力，熱的補償功能好；管程采用的是雙管程，流程比較較長，流速比較高，傳熱性能較好，承壓的能力較強。管束可從殼體抽出，優(yōu)點是方便檢修和清潔，而且結(jié)構(gòu)簡單造價便宜。缺點是管內(nèi)清洗困難，這就要求管內(nèi)通過的流體必須是清潔不易產(chǎn)生污垢的物料[1]。它的主要特點是在單位體積內(nèi)傳熱的面積較大而且傳熱效果比較好。除此之外，它的結(jié)構(gòu)簡單，操作的彈性也大，所以在高溫、高壓的情況下以及在大型裝備的應用上更多的使用管殼式換熱器。而U型管式換熱器一般用在高溫高壓狀態(tài)下，尤其是高壓下，這就要求在彎管段要加強壁厚來彌補彎管后管壁的減薄[1]。這次設計的題目是“流量為100t/hU形管式換熱器”，U型管式換熱器是管殼式換熱器里的一種，它的結(jié)構(gòu)主要包括管板、殼體、管束管箱、封頭、換熱管、支座等零其他部件，重量相對比較輕。在這次的設計中由于設計的壓力和溫度都比較高，因此設計的要求比較高，在對換熱器的設計中，主要對其結(jié)構(gòu)、強度進行了設計以及對零部件的選型和工藝設計。換熱器的材料選用恰當，主要結(jié)構(gòu)的尺寸也進行了合理的選擇，這些均能夠滿足換熱器在強度、剛度、穩(wěn)定性以及水壓試驗等校核方面的要求。本次U型管式換熱器設計的殼程介質(zhì)為油，管程介質(zhì)為水。流量為100t/h，殼程的工作溫度為190℃，管程的工作溫度為70℃，殼程的設計溫度為200℃，管程的設計溫度為90℃。在其結(jié)構(gòu)上安裝有八塊折流板，以增加流體的湍流速度。設計壓力為管程2.0MPa，殼程1.5MPa。依據(jù)給定的條件，查看GB150-2011《鋼制壓力容器》，GB151-1999《管殼式換熱器》以及換熱器手冊等標準，通過試算法獲得總傳熱系數(shù)，所得傳熱面積為193.3m2.考慮到介質(zhì)特性，采用φ25×2.5×6000的20#的無縫鋼管，本設計采用420根換熱管可以滿足換熱量。接管法蘭我選擇了板式平焊法蘭，并采用鞍式支座支撐。在本次畢業(yè)設計過程中我已經(jīng)完成了文獻綜述，設計說明書，一張總裝配圖和四張零件圖的繪制。換熱器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等許多的領域運用十分的廣泛，當然在日常的生活中和現(xiàn)實中傳熱設備也隨處可以見到，這是不可能缺少的工藝設備和單元之一。隨著研究的不斷深入，工業(yè)應用也取得了顯著的成效。并且在許多化工單元操作的場合也作為一種十分重要的附屬設備進行使用，所以在化工生產(chǎn)中換熱器也占有著非常非常重要的地位。關鍵詞：U型管換熱器；結(jié)構(gòu)；強度；設計計算

AbstractThispaperdescribestheU-tubeheatexchangeroverallstructureandstrengthofthedesigncalculations.U-tubeheatexchangertubeisbentintoaU-shape,bothendsofthetubesarefixedinthesametubeplate.Sincethehousingandseparatetubes,tubebundlecanfreelystretchwithoutheatstress,goodcompensationperformanceheat;tubeusesadualtube,processisrelativelylong,highvelocity,goodheattransferperformance,pressuretheability.Canbewithdrawnfromthehousingtubebundle,theadvantageofeasymaintenanceandcleaning,andlowcoststructureissimple.Thedisadvantageisdifficulttocleantheinnertube,whichrequiresfluidthroughtheinnertubematerialmustbeeasytoproducecleandirt[2].Itsmainfeatureistheheattransferareaperunitvolumeandgreaterheattransfereffectisbetter.Inaddition,itssimplestructure,flexibleoperationisalsolarge,sointhecaseofhightemperature,highpressure,andmoreuseofshellandtubeheatexchangersintheapplicationoflarge-scaleequipment.TheU-tubeheatexchangerisgenerallyusedathightemperatureandpressureconditions,especiallyunderhighpressure,whichrequiresstrengtheningthewallthicknessoftheelbowsegmenttomakeupafterthebendwallthinning.Thedesignisentitled"Flowof100t/hU-tubetypeheatexchangers",U-tubeheatexchangerisashellandtubeheatexchangerinwhichoneofitsmainstructurecomprisesatubeplate,shellzerootherpartsbundleheader,head,heattransfertubes,bearings,etc.,arerelativelylightweight.Inthisdesignbecauseofthedesignpressureandtemperaturearehigh,sothedesignrequirements,thedesignoftheheatexchangerstructure,strengthanddesignofcomponentsselectionandprocessdesign.Theselectionofappropriateheatexchangermaterial,themaindimensionsofthestructurewerealsoareasonablechoice,areabletomeettheheatexchangerintermsofcheckingthestrength,stiffness,stabilityandhydrostatictestandotherrequirements.TheU-tubeheatexchangerdesignshellmediumisoil,tubemediumiswater.Flowrateof100t/h,theshelloftheoperatingtemperatureof190℃,tubeoperatingtemperatureof70℃,shelldesigntemperatureof200℃,thetubedesigntemperatureis90℃.Initsstructuremountedeightbafflestoincreasethevelocityofthefluidturbulence.Tubedesignpressureof2.0MPa,shell1.5MPa.Basedonthegivenconditions,consultGB150-2011"steelpressurevessel",GB151-1999"shellandtubeheatexchanger,"aswellasheatexchangersmanualsandotherstandards,togetthetotalheattransfercoefficientthroughthetestalgorithm,andtheresultingheattransferarea193.3m2.Takingintoaccountthecharacteristicsofthemedium,theuseofφ25×20#seamlesssteelpipeof2.5×6000,thedesignuses420caloriesofheattransfertubestomeetthechange.Ichosetotakeovertheflangeplateweldedflange,andthechoiceofsaddlesupportssupport.InthisgraduationdesignprocessI'vedonealiteraturereview,designspecifications,drawageneralassemblydrawingsandfourpartdrawing.Heatinmanyareasofuseinindustry,agricultureandotherverywidely,ofcourse,ineverydaylifeandtherealityofheattransferequipmentalsocanbeseeneverywhere,itisthelackofequipmentandoneunitcannotprocess.Withthedeepeningofresearch,industrialapplicationshasalsomaderemarkableachievements.Andinmanychemicalunitoperationoccasionsasaveryimportantancillaryequipmentmaybeused,sotheheatexchangerinchemicalproductionalsooccupiesaveryimportantposition[3].Keywords:U-tubeheatexchanger;structure;strength;designcalculati目錄TOC\o"1-3"\h\u17581第一章?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)類型與發(fā)展 ⑵c、d孔DN=200mm序號項目符號單位數(shù)據(jù)來源和計算公式數(shù)值1接管壁厚102接管外徑219.13接管內(nèi)徑199.14開孔直徑201.15殼體開孔處的計算厚度1.586接管名義厚度107接管有效厚度98設計溫度下接管材料的許用應力GB150-19981709設計溫度下殼體材料的許用應力GB150-199812310強度削弱系數(shù)1.3811圓筒開孔所需補強面積328.612補強有效寬度402.213接管外側(cè)有效補強高度{，接管實際外伸高度}44.8414接管內(nèi)側(cè)有效補強高度{接管實際內(nèi)伸高度，}015殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積458.4516接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積980.217接管計算厚度1.0818焊縫金屬截面積GB150-1998項目3619補強面積1474.65因為所以c、d孔不需要補強同理，其它各孔也不需要補強。3.15分程隔板厚度選取根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》第78頁，分程隔板的厚度選取10mm。3.16支座的選擇及應力校核3.16.1支座的選擇根據(jù)《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》JB/T4712-92鞍式支座，重型BI（表7）當時，取鞍式支座的相關尺寸如下[15]：序號項目符號單位數(shù)值1公稱直徑10002允許載荷3073鞍座高度2004底板760170125腹板86筋板弧長11802708408螺栓間距6009帶電板鞍座質(zhì)量5710包角°12011型號BI重型3.16.2鞍座的應力校核a、原始數(shù)據(jù)表序號項目符號單位數(shù)值1設計壓力2.22設計溫度℃1903物料密7364筒體內(nèi)徑10005筒體長度67006公稱厚度107厚度附加量28鞍座型號F，S型各一個9鞍座中心線離封頭切線的距離90010鞍座腹寬27011腹板厚度1012鞍座包角°12013容器與封頭的材料16MnR14容器與封頭的許用應力17015鞍座材料Q235B16鞍座材料許用應力11317容器自重1450018物料重量1349019總重量27990b、校核計算序號項目符號單位數(shù)據(jù)來源及計算公式數(shù)值1支座反力1371512封頭深度JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》[16]2503系數(shù)0.244系數(shù)1.055系數(shù)0.0286筒體在支座跨中截面處的彎矩971029087筒的支座界面的彎矩-192795128跨中截面處的軸向應力(最高點)-15.469跨中截面處的軸向應力(最低點)53.2910系數(shù)0.001511系數(shù)GB150-199810012軸向許用應力10013比較驗算合格筒體和封頭中的切向剪應力14系數(shù)《過程設備設計》表5-21.17115切向剪應力27.9716橢圓形封頭的形狀系數(shù)標準橢圓形封頭K=1.01.017封頭內(nèi)壓引起應力137.518比較驗算合格筒體的周向應力19鞍座截面筒體最低處的周向應力-52.5120系數(shù)《過程設備設計》表5—30.76021筒體有效寬度248.122鞍座邊角處筒體的周向應力-38.4623系數(shù)《過程設備設計》表5-30.013224比較驗算合格鞍座腹板應力25系數(shù)《過程設備設計》表5-50.20426鞍座腹板厚度1027鞍座計算高度取實際高度30028取29鞍座有效斷面平均應力16.7830比較驗算合格沈陽化工大學科亞學院學士學位論文參考文獻參考文獻[1]鄭津洋等.過程裝備設計[M].北京：化學工業(yè)出版社,2013,8:229-294.[2]Hughes,JohnS.HeatExchanger[P].US6513583,2003-02-04.[3]WangShuli.HeatTransferEngineering,2002,23(3):93-101.[4]錢頌文.換熱器設計手冊.化學工業(yè)出版社,2002.8.[5]GB151-1999管殼式換熱器.中國標準出版社,1999.2.[6]董其伍,劉敏珊等.管殼式換熱器研究進展[J],化工設備與管道,2006,43（6）:18-22.[7]張家榮等.工程常用物質(zhì)熱物理性質(zhì)手冊[M],新時代出版社,1987.9.[8]王國勝.化工原理[M],大連理工大學出版社,2010.8.[9]金志浩.管殼式換熱器原理與設計,沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社,2001.6.[10]GB150-1998鋼制壓力容器.中國標準出版社,1998.5.[11]GB150-2011壓力容器.中國標準出版社,2011.11.[12]JB/T4737-1999橢圓形封頭.中華人民共和國機械工業(yè)部,1999.12.[13]JB/T4700～4707-2000壓力容器法蘭.國家機械工業(yè)局,2000.4.[14]HG/T20592～20635-2