1、U型管换热器设计说明书70834吉林化工学院过程设备设计课程设计换热器设计-U型管式专业：过程装备与控制工程姓名：黄少华学号：05420338指导教师：张志文2008年12月1525日摘要本文扼要介绍了 U 型管换热器的特点及在工业中的应用和发展前景， 详细的阐述了 U 型管式换热器的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。参照 GB151-1999 及换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用 合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算 的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据 设计压力确定壁厚，使换热器有足够的
2、腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。关键词：换热器、U型管式、结构设计、强度设计摘要 错 误! 未定义书签。第一章 绪论 1.第二章 U 型管换热器的特点 错. 误!未定义书签。第三章 结构设计 错. 误! 未定义书签。管箱设计 错误 !未定义书签。封头设计 错误 !未定义书签。管板设计 错误 !未定义书签。拉杆和定距管的确定 错误 !未定义书签。旁路挡板设计 错误 !未定义书签。容器法兰的设计 错误 !未定义书签。选取支座 错误 !未定义书签。第四章 强度校核 错. 误! 未定义书签。管箱筒体计算 错误 !未定义书签。计算条件： 错误
3、 !未定义书签。厚度及重量计算 错误 !未定义书签。压力试验时应力校核 错误 !未定义书签。压力及应力计算 错误 !未定义书签。壳程圆筒计算 错误 !未定义书签。计算条件 错误 !未定义书签。厚度及重量计算 错误 !未定义书签。压力实验时应力校核 错误 !未定义书签。压力及应力计算 错误 !未定义书签。开孔补强计算 错误 !未定义书签。计算条件 错误 !未定义书签。开孔补强计算 错误 !未定义书签。设计条件 错误 !未定义书签。开孔补强计算 错误 !未定义书签。管板和法兰的强度计算 错误 !未定义书签。仅有壳程压力作用下的危险组合工况 错误 !未定义书签。仅有管程压力作用下的危险组合工况 Ps
4、 0 错误 !未定义书签。第五章 换热器的制造、检验、安装与维修 错. 误! 未定义书签。换热器的制造、检验与验收 错误 !未定义书签。筒体 错误 !未定义书签。换热管 错误 !未定义书签。管板 错误 !未定义书签。折流板、支持板 错误 !未定义书签。管束的组装 错误 !未定义书签。换热器的组装 错误 !未定义书签。压力试验 错误 !未定义书签。换热器的安装与维护 错误 !未定义书签。安装 错误 !未定义书签。维护 错误 !未定义书签。结束语 错 误! 未定义书签。第一章 绪论在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要 有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热
5、；另一种流体温度低，吸热。在工程实践 中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用 设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成 为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能 技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很 重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热 器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显着地提 高设备的热效率。本次课
6、程设计的内容是 U 型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括 热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以结构设计最为重要 , U 型管式换热器 只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子 内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。对于列管式换热器，一般要根据换 热流体的腐蚀性及其它特性来选择结构与材料， 根据材料的加工性能， 流体的压力和温度。 换热器管程与壳程的温度差，换热器的热负荷，检修清洗的要求等因素决定采用哪一类的 列管式换热器。由于我们水平和能力有限，设计时间仓促，存在不妥之处在所难免，恳请老师给予批 评指正。第二章 U 型
7、管换热器的特点U 型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器的优点是： 管束可以自由伸缩，不会因为管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管 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。缺点：管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能 太小，在管板中心部分部管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使 壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用 壁较厚的管子。这就影响了其适用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢 而
8、管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的场合。第三章结构设计管箱设计3.1.1管箱短节a材料：由于管程走循环水，对管箱来说，要求不高，腐蚀性极低，所以选其材料为 20R板材。b加工：采用20R钢板卷制，使用氩弧打底的单向焊焊接。c尺寸：根据GB151-1999表 8中低合金钢圆筒的最小厚度规定公称直径 DN=100旷1500mm时，U型管换热器筒体最小厚度为12mm,即卩n=12mm根据GB151-89规定，短节长度L 300mm，取 L=500mm所以短节尺寸 DN=1300, n=12mm L=500mm。3.1.2分程隔板a材料：选用Q235-A板材，许用应力 60 C 113Mpa 。
9、b尺寸：根据GB151-1999表 6中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定：当 DN=600-1200mm时，min 12mm最小厚度为mm,取n =12mm。分程隔板长度L同管箱深度。c为了使换热器在停车时将水排净，要在分程隔板上开设一个 6的排净孔或三角口d隔板应连续焊在管箱壁上。3.1.3管箱深度a根据图2 1得管箱深度L=866mm。根据钢制U型管换热器结构手册P165得换热器的管箱最小长度3.14 2252 75V 325 12 365mm 其中1300di换热管内径。N Cp 各相邻的管程间分程处物料流通的最小宽度。根据钢制U型管换热器结构手册P167表4-37选取E=1300m
10、mhi 封头内曲面高度mm。Sp 封头厚度。 c管箱最大长度根据钢制U型管换热器结构手册P169中图4 38管箱最大长度Lgmax 465mm Lgmin Lgmax Lg，根据钢制U型管换热器结构手册P168：在设计中如果 管箱长度不能满足Lgmin Lg Lgmax，对最小长度Lgmin和Lgmax的要求，则应满足最小长度 Lgmin=365mm的要求来确定管箱长度，为此，取 L=700mm。圆筒的设计a材料：由于工作介质为丙烯，苯为易燃，中度危害的介质，以及容器的使用条件，总和经济性等选材为16M nR.b加工与尺寸：设计温度T=265,设计压力卩。=双面焊对接接头.公称直径DN=800
11、mm,钢板负偏差C仁0腐蚀裕量C2=3mm.由设计公式 雲 1.88 800 6.19mm2 Pc 2 144 0.85 1.88取厚度为12mm。筒体长度l=5975mm.由于筒体的公称直径 DN=800mm400m m所以采用板材卷制而成，查换热器设计手册表 1-6-5得 筒体的总重量为 =1434kg.封头设计3.2.1受内压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800mm 材料：16MnR 60 C 170Mpa1.88 8002 170 0.85 0.5 1.88查 GB150-1998图 6 3 E=x 105Mpa50.0833 E 0.0833 2 10 mm 玉P= 2 2 2
12、.61Mpa Pc 1.88Mpa 故 n=12mm合适。Ro 80e椭圆封头简图：(1)椭圆圭寸头管板设计材料：选用16MnR,其许用应力 70 C 170Mpa（1） 管板和换热器的连接型式：要求管板和换热器的连接接头严密不漏，管壳程介质 不能接触，且有很高的腐蚀危险，同时由于胀接是不连续的，管子和管孔间的间隙会成为 腐蚀的起点，则管板和换热器采用焊接形式。（2） 管板最小厚度a布管： 管子的材料：选用材料16MnR作为换热器。本设计选取464根换热管，由GB151-1999中知管子的排列形式分为四种：三角形、 转 角三角形、正方形、转角正方形排列。设计的 U型管换热器的换热管外径为25
13、mm，壳程 需用机械清洗时不采用三角形排列，所以选择正方形旋转形排列形式。由换热器手册表1-6-16得外径为25mm的换热管，当用转置正方形排列时，其换热管分程 板槽两侧相邻的管中心距应为 32mmx32mm正方形的对角线长，即Sn=45.255mm.b管孔：由GB151-1999表17得换热管和管孔直径允许偏差为：换热管： 25管孔25.4000.2。c换热器中心距及分程隔板槽两侧相邻管中心距1由于分程隔板厚度为14,为此我们取管板上的分程隔板槽深为 4，宽为12mm。 管板分程隔板槽示意图：厂i11 kd（2 ）管板分程隔板槽d布管限定圆根据表1-6-17布管 限定圆Dl Di 2b3有b
14、3 0.25d且 不小于10 mm得 b3 0.25 25 6.25 10 所以取 b, 10mm即 Di 800 2 10 780mm其中：d管板的计算厚度mmb3 U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离Di换热器筒体内直径。布管限定圆示意图：(3)布管限定圆示意图其中：d管板的计算厚度mmDg 垫片压紧力作用中心圆直径 mmpd 管板设计压力 根据锅炉压力容器法规取两值中较大值Pd Pt 0.6MPa管板强度消弱系数 0.4t 设计温度下管板材料的许用应力 MPa0.62据（7-556）:管板厚度应小于下列三者之和1） 管板的计算厚度2） 壳程腐蚀余量或结构开槽深度取大者3
15、） 管程腐蚀余量或分程隔板开槽深度取大者 由前面知：1）管板的计算厚度 55.44mm2 ）壳程腐蚀余量C2 2mm，开槽深度h1 4mm h2 6mm，所以管板厚度: b 55.44 4 6 65.44mm 取 b 70mm拉杆和定距管的确定a拉杆拉杆的结构形式：拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于 19mm的管束下图为拉杆定距管结构:（4 ）拉杆定距管结构拉杆的直径和数量由GB151-1999表43选取拉杆直径d=16mm,筒体内径为800时，拉杆数目n=6。尺寸如下图：（5）拉杆尺寸图3拉杆的布置拉杆应尽量均匀的布置在管束的边缘外侧，这样可减少轻流体冲击带来的振动，防止管束损坏 b
16、定距管定距管采用换热器切向间距和折流板间距相同的管段套在拉杆上， 一端固定在管板上,另一端用螺母拧紧国定，用来固定折流板，防止移动。尺寸：同换热器尺寸相同，长度如组件图 ZB0604-2材料选用20。折流板设计折流板的结构设计主要根据工艺过程和要求来确定，其设置的主要目的是为了增加管 间流速，提高传热效果。折流板主要形式：弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计采用圆缺形单缺边折流板。材料：为保持物料清洁，选用 Q235-A板材制作折流板，许用应力： 60 C 170Mpa折流板尺寸：折流板缺边位置尺寸：切去部分的高度一般取h0 0.25 0.45 Di 0.25 1300 325mm折流板的间距
17、：1最小板间距：取壳体内径的15或50mm中的较大值。本设计取50mm。2最大板间距：折流板最大间距应保持换热管的无支承长度。用作折流时，其值应大 于壳体内径。本设计取1900mm。折流板的厚度：折流板厚度与壳体直径换热管无支承长度有关。本设计取 16mm。旁路挡板设计a旁路挡板的数目：由7 P600知：当公称直径DN=700- 1000mm时，采用两对挡板。b材料：选用Q235-A板材c尺寸及安装形式：查文献7 P600知：旁路挡板的厚度一般取与折流板相同的厚度， 16mm旁路挡板嵌入折流板槽，并与折流板焊死。容器法兰的设计a法兰的形式：根据本设计使用的介质、设计压力、设计温度、公称直径确定
18、。法兰的结构形式为对焊法兰，法兰的密封面形式为凹凸面，材料选取 16MnR。许用压力70 C170Mpa。b法兰的选取：管法兰：HG50015028-58 设备法兰：JB11571164-82 拉管法兰：HG50015028-58管箱上的设备法兰：本设计选取 JB1158-82甲型平焊法兰选取支座卧式换热器采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，鞍式支座是固定卧式容器中的支座形式，按照jbt 4712 1992鞍式支座标准。我们选取BI1300-S和 BI1300-F的支座，材料为,垫板材料为16MnR板材，各部分尺寸如下所示: 图为B型鞍式支座：(6 )鞍式支座第四章强度校核管箱筒体计算4.1.1
19、计算条件：计算压力：Pc 0.60Mpa设计温度：t=265.00C内径：Di 800.00mm材料：16MnR板材试验温度许用应力 170.00Mp a设计温度许用应力 t 144.00Mpa 试验温度下屈服点 s 345.00Mpa钢板负偏差C1 0.00mm腐蚀裕量C2 3.00mm焊接接头系数 0.854.1.2厚度及重量计算计算厚度：PcD 0.60 800 1.70mm2 t FC 2 170 0.85 0.60有效厚度： e n C1 c2 12 0 2 10mm名义厚度： n 12.00mm重量为194.13kg4.1.3压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验因为T T所以校
20、核结果合格4.1.4压力及应力计算最大允许工作压力:PwDi2 9 144 0.85800 92.7231Mpa设计温度下计算应力:Pc Di0.60 800 926.96Mpa144 0.85 122.40Mpa因为t t所以结论：筒体名义厚度大于或等于 GB151中规定的最小厚度mm合 格。壳程圆筒计算4.2.1计算条件计算压力Pc 0.80Mpa设计温度t=265.00C内径：Di 800.00mm材料：16MnR板材试验温度许用应力： 170.00Mp a设计温度许用应力： t 144.00Mpa试验温度下屈服点： s 345.00Mpa钢板负偏差：C1 0.00mm腐蚀裕量：C2 3
21、.00mm焊接接头系数： 0.854.2.2厚度及重量计算PC Di 0.8 800计算厚度： 7 - 2.61mm2 t FC 2 144 0.85 0.8有效厚度：e n C1 C2 12 0 3 9.00mm名义厚度： n 12.00mm重量：1434kg4.2.3压力实验时应力校核压力试验类型：液压试验170试验压力值：PT 1.25P一r 1.25 0.8 1.1800Mpa压力试验允许通过的应力水平144T 0.90 s 0.90 345 310.50Mpa424压力及应力计算最大允许工作压力：Pw 2De2 9 144 0.852.72611MpaDi e800 9设计温度下计算
22、应力：t Pc Die 0.8 800 9 35.95Mpa2 e 2 9144 0.85 122.40Mpa因为t t所以结论：筒体名义厚度大于或等于 GB151中规定的最小厚度mm合 格。开孔补强计算接管：A 159 84.3.1计算条件计算压力：Pc 0.8Mpa设计温度：t=70C壳体形式：圆形筒体壳体材料名称及类型：16MnR板材壳体开孔处焊接接头系数： 1壳体内直径：Di 800mm壳体开孔处名义厚度：n 12mm壳体厚度负偏差：G 0mm壳体腐蚀裕量：C2 2mm壳体材料许用应力： t 170Mpa接管实际外伸长度：200 mm接管实际内伸长度：0mm接管焊接接头系数：1接管腐蚀
23、裕量：2 mm接管厚度负偏差：C1t 1.125mm接管材料许用应力： t 130Mpa4.3.2开孔补强计算壳体计算厚度：PcDi0.8 8002.62 mm2 tPc2 1441 0.8接管计算厚度：巳Di0.82000.62mme 2 tPc2 1301 0.8开孔直径：d 207.2mm补强区有效宽度：B 2d 2 207.2 414.5mm接管有效外伸长度：h, . d_n； 、207.2 9 43.19mm接管有效内伸长度：h2 0mm开孔削弱所需的补强面积：Ad 2 et 1 fr 207.2 2.622 2 2.622 5.875 1 0905 544.9mm2A1 B d e
24、 2 et e 1 fr壳体多余金属面积： 414.5 207.2 9 2.622 2 5.875 9 2.622 1 0.90521248mm接管多余金属面积：A2 2h1 et e fr 2h2 et C2 fr 2 43.19 5.875 0.62 0.905 410.1mm2补强区内的焊缝面积：A3 2 - 8 8 64 mm22因为A1 A2 A3 1722mm2，大于A，所以不需要另加补强。结论：补强满足要求, 不需要另加补强。接管：B 219 84.3.3设计条件计算压力：Pc 0.6Mpa计算温度：60 r接管实际外伸长度：200 mm接管实际内伸长度：0mm接管焊接接头系数：
25、1接管腐蚀裕量：2 mm接管厚度负偏差： 5 1.125mm接管材料许用应力： t 130Mpa4.3.4开孔补强计算开孔直径：d 203.2mm补强区有效宽度：B 2d 2 2032 406.4mm接管有效外伸长度：hi . d nt , 203.2 9 42.16mm接管有效内伸长度：h2 0开孔削弱所需的补强面积：Ad 2 et 1 fr 203.2 1.965 2 1.965 5.875 1 0.905 401.5mm2Ai B d e 2 et e 1 fr壳体多余金属面积： 404.4 203.2 9 1.965 2 5.875 9 1.965 1 0.90521407mm接管多余
26、金属面积：A2 2h1 et e fr 2h2 et C2 fr 2 42.16 5.875 0.465 0.905 421.8mm2补强区内的焊缝面积：A3 2丄8 8 64mm22因为A1 A2 A3 1892mm2大于A,所以不需另加补强。结论：补强满足要求，不需 另加补强。管板和法兰的强度计算1.1.318Di ,.EtnaE L； EPL n管板：材料名称：16MnR设计温度：tp 265C设计温度下许用应力: 150Mpa设计温度下弹性模量Ep 2.041 105Mpa管板腐蚀裕量：C24mm管板输入厚度：n50mm管板计算厚度：43mm隔板槽面积：Ad :3.232 104mm2
27、管板强度削弱系数：0.4管板刚度削弱系数：0.4k2管子加强系数： 1.318439.52800 1.918 105 464 176.72.041 105 6000 70管板和管子连接型式：焊接管板和管子焊接高度：I 35mm 焊接许用拉脱应力：q 65Mpa2.壳体法兰：材料名称：16Mn 壳体法兰厚度：法兰外径：Df法兰宽度：bff 37mm850mmDfDi850 800 2 25mm比值：/Di 108o00.0125比值:37 8000.04646系数C :按;查 GB151i1999图 25 得 0.00系数：按;查 GB151i1999图 26 得 0.0001463旋转刚度:k
28、f1123 fDi bf Di2Efbf 2Es3系数计算:丄122.041 105 25800 252.865Mpa法兰外径与内径之比:壳体法兰应力系数丫:旋转刚度无量纲参数:管板第一弯矩系数：按系数:m1k kf2 37 32.045 105 0.0001463800。匕叫。1.0623按 k 查 GB150-1998表 9-5 得kf 4 ktkf 3.14 2.865k,kf 查 GB1510.14341.123 0.00041390.00041394 15.161999图 27 得 mb 0.143446.06系数：按 kt,kf 查 GB151-1998图 29得 G? 5.074
29、4.939换热管束与不带膨胀节壳刚度之比:Etna 1.918 105 464 176.7ESAS 2.051 105 4.115 104管板第二弯矩系数：按 K, Q查GB151-1999图28 (a)得m2 2.744仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况1.基本法兰力矩系数:不计温差应力：Mm4MmDi3Pa4 3.909 1070.5451 3.14 8003 5.550.0124884Mm 4 3.909 107Di3Pa 0.5451 3.14 8003 0.83962.壳体法兰力矩系数:Mws Mm M f M1不计温差应力： 0.1605 3.909 107 0.5406 0.000952 0.0006874Mws M m Mf M1计温差应力： 0.1605 3.909 107 0.5406 0.000952 0.0084613.壳体法兰应力：不计温差应力:2 Dif YMwsPa i4800 23 14计算值 16.73 0.0006874 5.55 0.
