1、 目 录U 型管换热器的特点 .1结构设计 21 管箱设计 32 封头设计 43 管板设计 54 拉杆和定距管的确定 75 旁路挡板设计 .86 容器法兰的设计 97 选取支座 9强度校核 .108 管箱筒体计算 101 计算条件： .102 厚度及重量计算 .113 压力试验时应力校核 .114 压力及应力计算 .119 壳程圆筒计算 .111 计算条件 .112 厚度及重量计算 .123 压力实验时应力校核 .124 压力及应力计算 .1210 开孔补强计算 .121 计算条件 .132 开孔补强计算 .133 设计条件 .144 开孔补强计算 .145 固定管板计算 .14结束语 .15
2、参考文献 .161U 型管换热器的特点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
3、质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的场合。本次课程设计的内容是 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
4、予批评指正2结构设计1 管箱设计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=10001500时，U 型管换热器筒体最小厚度为 12 ，即 =12 根据 GB151-89 规定，短节长mmn度 L300 ，取 L=500 所以短节尺寸 DN=1300， =12mm L=600 。m2 分程隔板a 材料 ：选用 Q235-A 板材，许用应力 。MpaC1370b 尺寸：根据 GB151-199
5、9 表 6 中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定：当DN=6001200 时， 最小厚度为 4.5 ,取 =12 。分程隔板长度 L 同mm12inmn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 的排净孔或三角口。6d 隔板应连续焊在管箱壁上。3 管箱深度a 根据图 21 得管箱深度 L=866 。mb 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其中mShENdLpcpig 450975241.3412min 换热管内径。id各相邻的管程间分程处物料流通的最小宽度。cp根据钢制 U 型管换热器结构手册 P167 表 4-37 选取 E=900
6、。h 封头内曲面高度 。i mS 封头厚度。pc 管箱最大长度根据钢制 U 型管换热器结构手册 P169 中图 438 管箱最大长度 mLg60axingL，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maxgLg3，对最小长度 和 的要求，则应满足最小长度 =600 的mingLgmaxmingLaxg mingL要求来确定管箱长度，为此，取 L=700 。厚度 /mm公称直径DN/mm曲面高度/mm1h直边高度/mm2h碳素钢，复合钢板高合金钢板内表面积A/ 2容积V/ 3质量M/Kg4 4 29.166 6 43.97258 80.9487 0.111358.
7、9310 10 77.4212 12 93.3914 14 109.5116 16 125.794018 180.9911 0.1209142.2420 20 163.3922 22 180.62900 2255024 241.0194 0.1272198.03故查表可得=225mm =25mm =12mm1h2h圆筒的设计a 材料：由于工作介质为甲醇，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 16MnR.b 加工与尺寸： 设计温度 T=70 ，设计压力 Pc=0.15Mpa,双面焊对接接头 0.85.公称直径 DN=800mm,钢板负偏差 C1=0,腐蚀裕量 C2=3mm.由设
8、计公式 mPDcti 428.05.180162.2取厚度为 12mm。 筒体长度 L=3000mm.由于筒体的公称直径 DN=800mm400mm,所以采用板材卷制而成，42 封头设计1 受内压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800 材料：16MnR mMpaC170 m45.01.58.01725.02 ctiPDK负偏差 c =0.00 腐蚀余量 c =3.001 2n 4.34.2取 m2 受外压封头计算：选取标准椭圆形封头，DN=800 材料 16MnR mMpaC1706假设名义厚度 负偏差 c =0.00 腐蚀余量 c =3n121 2m有效厚度 =12-0-3=9e当量球壳
9、外半径 DKRio72089.01Pa5.105.50 c aeitew pP故 =12 合适。nm椭圆封头简图：（1）椭圆封头3 管板设计材料：选用 16MnR,其许用应力 确定换热管根数MpaC70选择换热管 25则换热管的数目： ，则0psAndl5（根）6180753.42sn为了有适当的换热裕量， ，取 n=800（根） 。(%1)sn管程数：U 形管式换热器，选择的是双管程。（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。管心距的计算胀接
10、、焊接的管心距不同，胀接时，管心距： 0(1.35)2.375()tdm焊接时，管心距： 2()常用管心距管外径/mm 管心距/mm 各程相邻管的管心距/mm19 25 3825 32 4432 40 5238 48 60本次设计选择焊接，并取管心距为 32mmd 布管限定圆根据表 1-6-17 布管限定圆 有 且不小于 10 得32bDild5.0m所以取1025.6.03b m103即 Dl 788其中：d管板的计算厚度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3Di换热器筒体内直径。e.管板计算管板的计算厚度： tdGpD45.06其中：d管板的计算厚度 m垫片压紧力作用中
11、心圆直径GD管板设计压力 根据锅炉压力容器法规取两值中较大值dpatdMp6.0管板强度消弱系数 4.设计温度下管板材料的许用应力tap即 m5.291704.8045. 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）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 m5.292）壳程腐蚀余量 ，开槽深度 ，所以管板厚度：Cmh41mh62取 b.3645.9b604 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（5）拉
12、杆尺寸图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 定距管7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，本设计本次设计采用水平切口设置。材料：为保持物料清洁，选用 Q235-A 板材制作折流板，许用应力：。MpaC170折流板尺寸：折流板缺边位置尺寸：
13、切去部分的高度一般取折流板厚度mDhi 208520换热管无支撑长度1500壳体公称直径 DN厚度159325 4 5 7 10 10400700 4 5 6 10 10 12800900 5 7 8 10 12 1610001500 6 8 10 12 16 1616002000 10 12 16 20 20折流板的管孔换热管外径 d 或无支撑跨距 ld32 或 l900 且 d32折流板管孔直径 d+0.8 d+0.4管孔直径允许偏差 +0.30换热管的最大无支撑长度/mm换热管外径 d10 14 19 25 32 38 45 57最大无支撑跨距800 11001500 1900 2200
14、 2500 2800 3200这里取跨距为 200，8则折流板数量为=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14（块BN折流板的间距：最小板间距：取壳体内径的 或 50 中的较大值。本设计取 50 。51mm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 1900 。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 16 。5 旁路挡板设计a 旁路挡板的数目：由7P600 知：当公称直径 DN=7001000 时，采用两对挡板。mb 材料：选用 Q235-A 板材c 尺寸及安装形式：查文献7P600 知：旁路挡板的厚度一般
15、取与折流板相同的厚度， 旁路挡16板嵌入折流板槽，并与折流板焊死。6 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。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。MpaC170b 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7 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 鞍式支座标准。我们选取 BI1300-S 和 BI1300-F
16、的支座，材料为19247TJBQ235-A.F,垫板材料为 16MnR 板材，9强度校核8 管箱筒体计算1 计算条件：计算压力： acMp15.0设计温度：t=70内径： mDi.8材料：16MnR 板材试验温度许用应力 ap0.17设计温度许用应力 t4试验温度下屈服点 asM.35钢板负偏差 mC.1腐蚀裕量 02焊接接头系数 85.2 厚度及重量计算计算厚度： mPDcti 25.401.850172.2有效厚度： ne1名义厚度： m0.3 压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验10试验压力值： atT MppP2.01475.25.1压力试验允许通过的应力水平 ：T as p50.
17、3149试验压力下圆筒的应力： aeiDP6.85.02因为 所以校核结果合格T4 压力及应力计算最大允许工作压力： aeitw MpDP7231.9805.142设计温度下计算应力： aeict 4.6.at Mp40.1285.4因为 所以结论：筒体名义厚度大于或等于 GB151 中规定的最小厚度 11.00tt合格。 m9 壳程圆筒计算1 计算条件计算压力 acMpP15.0设计温度 t=70内径： mDi.8材料：16MnR 板材试验温度许用应力： ap0.17设计温度许用应力： t4试验温度下屈服点： asM.3511钢板负偏差： mC0.1腐蚀裕量： 32焊接接头系数： 85.2
18、厚度及重量计算计算厚度： mPDcti 49.015.80142.2有效厚度： Cne 31名义厚度： m0.3 压力实验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值： atT MpP2.01475.25.1压力试验允许通过的应力水平 ：T as p50.3149试验压力下圆筒的应力： aeiD6.85.02因为 所以校核结果合格。T4 压力及应力计算最大允许工作压力： aeitw MpDP7261.9805.142设计温度下计算应力： aeict 4at Mp40.1285.4因为 所以结论：筒体名义厚度大于或等于 GB151 中规定的最小厚度 11.00tt12合格。m10 孔补强计算接管：
19、A 8201 计算条件计算压力： acMpP15.设计温度：t=70壳体形式：圆形筒体壳体材料名称及类型：10 号钢壳体开孔处焊接接头系数：0.85壳体内直径： mDi80壳体开孔处名义厚度： n12壳体厚度负偏差： C1壳体腐蚀裕量： 2壳体材料许用应力： atMp70接管实际外伸长度：200 m接管实际内伸长度：0接管焊接接头系数：1接管腐蚀裕量：2接管厚度负偏差： Ct125.接管材料许用应力： aMp302 开孔补强计算壳体计算厚度： mPDcti 416.05.1428.02有效厚度 Cne 91113开孔直径： d2012172icD接管材料强度削弱系数： mfrtr 905.43
20、补强区有效宽度： dB172接管有效外伸长度： hnt .1开孔削弱所需的补强面积： 2571640A壳体多余金属面积：21.8476.93me接管多余金属面积： 212 1.4095.416.0875.39mfhAret 因为 ，大于 ，所以不需要另加补强。结论：补强满足要求，不21.8A需要另加补强。 接管：B 8203 设计条件计算压力： acMpP15.计算温度：70接管实际外伸长度：200 m接管实际内伸长度：0接管焊接接头系数：1接管腐蚀裕量：2接管厚度负偏差： Ct125.接管材料许用应力： aMp304 开孔补强计算壳体计算厚度： mPDcti 96.4015.80142.21
21、4接管计算厚度： mPDctie 15.0.13025.2接管材料强度削弱系数： 9.4rtrf开孔直径： md172补强区有效宽度： mB3172接管有效外伸长度： dhnt 4.91开孔削弱所需的补强面积： 257160mA壳体多余金属面积：21.8476.3me接管多余金属面积： 212 1.4095.416.0875.39mfhAret 因为 ，大于 ，所以不需要另加补强。结论：补强满足要求，不需要另加补强。218.6A5 定管板的计算固定管板厚度设计采用 BS 法。假定管板厚度 b=60m，总换热管数 n=480 一根管壁金属的横截面积为，22203.14()(5)14.4iadm对
22、于双管程，开孔强度削弱系数 0.8换热管的有效长度 L 估取 3000mm计算系数 K8.982 41.1.31.3250.8305iDnab2.98K按管板简支考虑，依 K 值查资料 , ,16G2.3.6G管板最大应力 0.39().9(.1)90( (4.05stir apDMPb管子最大应力 )23.5.48stt t aCna其中220354ndCm15筒体内径截面积 2223.148054iADm系数 50.6C系数 8.193240na壳程压力 管程压力 0.5sapMP.45tapMP当量压差 mm(1).5.(.8)1.25ast板管采用 16Mn 锻 70ta换热管采用 1
23、0 号碳素钢 3tP管板、管子强度校核 max4.15.17025r aMmx0.89130tr aMP管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取 ，隔板槽深取2C4mm，实际管厚为 58。16结束语这次设计是在大学大三的最后一个课程设计，通过查阅了相关资料的基础上进行设计的，是一次理论与实践相结合的综合性训练。两个多星期以来，我们在指导教师的热心指导下，个人的努力，顺利完成了本次设计任务。经过本次设计大致分四个步骤，首先进行的是工艺部分的计算，确定出换热面积、换热管数、管长、管程及壳程流体的流速、换热器筒体的内径等：然后就开始换热器的结构设计，通过已知条件的结果选定 U 型管换热器，其中涉
24、及到了一系列零部件的设计和选择，这步工作需要参照 GB151，GB150 等国家标准进行设计；接着进行各零部件的强度校核，用以保证各零部件的强度和刚度，这也是设计的难点和重点。这三步工作完成以后，最后就是绘图和论文的编排与打印。设计是一个从无到有的过程，其中有很多因素都必须考虑到，因此需要一定的耐心和细心才能够完得成。在这次的课程设计过程中，使我学到了很多知识，把以前的理论知识联系到实际当中，磨练的自己，提高了自己的专业技能，但是，由于时间和自己掌握的知识有限，在设计的过程中难免有错误，衷心希望老师指正。17参考文献1 化工设备设计手册.上海：科学技术出版社；19822 管壳式换热器:GB151-1999. 中国标准出版社出版3 钢制压力容器:GB150-1998. 中国标准出版社出版4 中华人民共和国行业标准 JB/T47004707-2000.压力容器法兰，20005 压力容器与化工设备使用手册.北京：化学工业出版社 20006 换热器设计手册.北京：化学工业出版社，20027 化工原理. 天津 天津大学出版社 19998 过程设备设计. 北京 化学工业出版社 2001
