U形管换热器E2103的机械设计毕业设计

《U形管换热器E2103的机械设计毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《U形管换热器E2103的机械设计毕业设计（36页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、U形管换热器E-2103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GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999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

2、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U-tube heat exchanger mechanical design of E-2103AbstractHeat exchanger is the equipment that transfers a part of heat from the hot fluid to the cold. It is the kind of

3、equipment that can make materials achieve the specified temperature to meet the technological requirements. Heat exchange is the universal equipment for the chemical, petroleum, power, food and other industrial sectors, which occupies an important position. And it has been applied more and more.The

4、main content of the design is the U-shaped tube exchanger. In the design process, the designer depends on strict accordance with GB150-1998, GB151-1999, Mechanical Design Handbook for design and calculation .Various factors taken into account, the structural design is reasonable and economic, while

5、it satisfies the requirements of the manufacture, maintenance, assembling, transportation and so on. The heat exchanger materials and the size of main structures have been chosen properly to meet the strength, stiffness, stability, hydrostatic testing and other verification requirements.According to

6、 the design pressure of the wall thickness, there is enough sufficient corrosion allowance so that the design results achieve optimum combination. Also, the contents have expressed the classification, use, development trends and a part of the structure of the manufacturing process for the heat excha

7、nger. In this design process, the designer has completed the design specifications, a general assembly and three spare parts drawings, and completed a foreign language translation.Keywords: Heat exchanger, U-shaped tube, structural design, verification.31 前 言51.1 换热设备的概述及分类51.2 换热设备的应用51.3 U形管换热器的特点

8、51.4 换热器的设计要求61.5 换热器的常见问题及处理61.6 换热器的相关技术发展方向62 材料选择和结构设计72.1 压力容器材料的选择72.1.1 压力容器用钢的基本要求72.1.2 压力容器钢材的选择92.2 管程结构112.2.1换热管112.2.2 管板122.2.3 管箱142.2.4 管束分程142.2.5 换热管与管板的连接152.3 壳程结构172.3.1壳体172.3.2 折流板172.3.3 折流杆192.3.4 防短路结构192.3.5 壳程分程202.4 封头设计202.5 密封装置设计212.6 开孔和开孔补强设计222.6.1补强结构222.6.2开口补强设

9、计准则232.6.3 允许不另行补强的最大开孔直径243 设计计算及强度校核253.1 筒体的计算及强度校核253.1.1 筒体（前、后端封头）材料的选择253.1.2 计算条件253.1.3 厚度的计算253.1.4 液压试验时的应力校核263.1.5 压力及应力计算、校核263.2 前端管箱筒体的计算及校核273.2.1 计算条件273.2.2 厚度的计算273.2.3 液压试验时的应力校核283.2.4 压力及应力计算、校核283.3 前端管箱封头计算及校核293.3.1 计算条件293.3.2 厚度的计算293.3.3 压力计算及校核303.4 后端封头的计算及校核303.4.1 计算

10、条件303.4.2 厚度的计算313.4.3 压力计算及校核323.5 管箱垫片、螺栓、法兰的计算323.5.1 计算条件323.5.2 垫片的选择及计算323.5.3 螺栓材料的选择、计算333.5.4 法兰的计算及强度校核353.6 开孔补强393.6.1 计算条件393.6.2 开孔补强的计算393.7 管箱423.8 换热管423.9 管板433.10 换热管与管板的连接453.11 折流板463.12 拉杆、定距管463.13 防短路结构463.14 选取支座46结 论47参考文献48谢 辞4941 前 言 3 设计计算及强度校核3.1 筒体的计算及强度校核3.1.1 筒体（前、后端

11、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，冲压弯曲等热加工性能好，无热处理硬化现象，无磁性，使用范围在，并且根据设计温度、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。Q235-B使用范围为容器设计压力，钢板使用温度为，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Q235-B。3.1.2 计算条件 材料为由GB1501998表4-1中查得，经过内插法计算可得，由GB1501998表F1中查得， 3.1.3 厚度的计算计算厚度: （3

12、-1）设计厚度： （3-2）名义厚度： （3-3）有效厚度： （3-4）3.1.4 液压试验时的应力校核试验压力值： （3-5）试验压力下的圆筒应力： （3-6）压力试验允许通过的应力水平： （3-7）由于 满足校核条件。3.1.5 压力及应力计算、校核最大工作压力： （3-8） 设计温度下的计算应力： （3-9） 所以满足校核条件。3.2 前端管箱筒体的计算及校核3.2.1 计算条件 材料Q235-B（板材）由GB1501998表4-1中查得，经过内插法计算可得，由GB1501998表F1中查得， 3.2.2 厚度的计算计算厚度:设计厚度：名义厚度：有效厚度：3.2.3 液压试验时的应力校核

13、试验压力值：试验压力下的圆筒应力：压力试验允许通过的应力水平：由于 满足校核条件。3.2.4 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。3.3 前端管箱封头计算及校核3.3.1 计算条件 材料Q235-B（板材）由GB1501998表4-1中查得，经过内插法计算可得， 3.3.2 厚度的计算形状系数： （3-10）K=1，所以选用标准椭圆封头。计算厚度： （3-11）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0.15% ， 因此满足最小厚度要求。3.3.3 压力计算及校核最大工作压力：满足设计要求。3

14、.4 后端封头的计算及校核3.4.1 计算条件 曲面高度： 材料为由GB1501998表4-1中查得，经过内插法计算可得， 3.4.2 厚度的计算形状系数：K=1，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0.15% ， 因此满足最小厚度要求。3.4.3 压力计算及校核最大工作压力：满足设计要求。3.5 管箱垫片、螺栓、法兰的计算3.5.1 计算条件 由GB1501998表4-1中查得，经过内插法计算可得，3.5.2 垫片的选择及计算垫片材料：Gylon#3500 软垫片特征系数按GB1501998中表9-

15、2查得， 垫片系数m=0.5 比压力y=0MPa垫片实际宽度： （3-12）垫片实际密封宽度： （3-13）由GB1501998标准9.5.1.1可知： （3-14）3.5.3 螺栓材料的选择、计算由GB1501998表4-7中查得， 由课程设计手册表2-12-2查得，数量n=24预紧状态下需要的最小螺栓载荷: （3-15）由GB1501998（9-5）可知，操作状态下需要的最小螺栓载荷： （3-16）由GB1501998（9-6）、（9-7）可知，所需螺栓总截面：因为 （3-17）所以 实际使用螺栓总截面积 ： （3-18）垫片最小宽度： （3-19）实际间距： （3-20）由GB15019

16、98表9-3查得，最小间距： 最大间距： （3-21） 3.5.4 法兰的计算及强度校核 由GB1501998表4-1中查得，应力计算： （3-22）预紧状态下的法兰力矩： （3-23）所以 ， （3-24）（3-25） （3-26） （3-27）（3-28）操作状态下的法兰力矩：（3-29） （3-30）（3-31）（3-32）法兰颈部高度：h=60mm （3-33）（3-34）（3-35）由GB1501998图9-7查得，f=1整体法兰系数由GB1501998图9-3查得， （3-36）由GB1501998表9-5中查得，由GB1501998图9-3查得， （3-37）（3-38）由GB1

17、501998表9-6中查得，（3-39） （3-40）（3-41）（3-42）轴向应力： （3-43）径向应力：（3-44）环向应力：（3-45）应力校核： 轴向应力：（3-46）径向应力： （3-47）组合应力： （3-48）校核合格，满足设计条件。3.6 开孔补强3.6.1 计算条件根据GB150-1998有关规定，计算方法为GB150-1998等面积补强法，单孔； 壳体形式：圆形筒体； 壳体材料：；开孔处焊接接头系数3.6.2 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 开孔直径：开孔所需补强面积：（3-49）由GB150-19

18、98中8.7.1（8-7）可得，补强区有效宽度：（3-50）由GB150-1998中8.7.1（8-8）可得，接管有效外伸长度为：（3-51）由GB150-1998中8.7.1（8-9）可得，接管有效内伸长度：（3-52） 由GB150-1998中8.7.1（8-11）可得，壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：（3-53）接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：（3-54）焊缝金属截面积：（3-55） （3-56）3.7 管箱管箱短节选材为Q235-B，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Q235-B的板材。根据GB151-1999表8可知，管箱短节的最小厚度不

19、小于8mm。管箱的最小内侧深度根据GB151-1999中5.2.2可知，L=485mm分程隔板选用Q235-B板材，根据GB151-1999表6可知，隔板最小厚度为，分程隔板长度L=L=485mm。并且开设排净口，d=6mm3.8 换热管选用U形管，材料为， 据GB151-1999中5.5.1、5.5.2，尺寸选为， （3-57）根据GB151-1999表11，U形管的弯管段的弯曲半径管程数选为4程。根据GB151-1999表12可知，换热管中心距分程隔板槽相邻管中心距根据GB151-1999表16可知，管孔直径为25.25mm 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

20、多的管数，故选用正三角形排列形式。3.9 管板管板材料选择为， 沿隔板槽一侧的排管根数n=12一根换热管管壁金属的截面积：（3-58）未能被换热管支撑的面积：（3-59）管板布管区面积：（3-60）管板布管区直径：（3-61） 根据GB151-1999表22查得，根据GB151-1999可知， 管板计算厚度： （3-62） （3-63）换热管的轴向力按以下三种工况进行计算： （3-64） （3-65） （3-66）以上无论哪种工况下，均。根据GB151-1999中5.8.2.3可知，可取40mm换热管与管板连接拉脱力：（3-67）根据GB151-1999表26可知，3.10 换热管与管板的连接

21、根据GB151-1999中5.8.4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GB151-1999中5.8.2可知，强度胀接的最小胀接长度l应取管板的名义厚度减去3mm或者50mm二者的最小值，即最小胀接长度为l=40mm，由表32可得，。由表33得出，。3.11 折流板折流板选材为，采用弓形折流板。根据GB151-1999表42的规定，换热管无支撑跨距。根据表34和35，折流板最小厚度为12mm，折流板板孔，根据表41，折流板名义外直径。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。3.12 拉杆、定距管拉杆的结构形

22、式选为拉杆定距管结构。根据GB151-1999表43和表44规定，拉杆直径d=16mm，拉杆数量为4 。由图42、表45，。为了减少轻流体冲出带来的震动并且防止管束的破坏，拉杆尽可能的均匀布置在管束边缘外侧。根据GB151-1999规定，定距管尺寸为。3.13 防短路结构选用旁路挡板，选材为。根据GB151-1999中5.13.1规定，旁路挡板与折流板焊接牢固，旁路挡板的厚度是， 采用一对挡板。3.14 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/T4712.1-2007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Q2

23、35-A，垫板材料选用为。由JB/T4712.1-2007表6规定可知鞍座的各部分尺寸：； 。 本设计鞍座的选用高度为294mm，超出标准高度，根据JB/T4712.1-2007图B.3中，查得允许载荷Q=117KN。鞍座的质量为24.76Kg。33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

24、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，各种部件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，通过这次毕业设计让我提前了解了这些知识，这是很珍贵的。参考文献1全

25、国压力容器标准化技术委员会.GB-150钢制压力容器M北京:中国标准出版社,19982全国压力容器标准化技术委员会.GB-151管壳式换热器M.北京：中国标准出版社,19993郑津洋,董其伍等过程设备设计M.北京：化学工业出版社，20104孙德志，张伟华等.机械设计基础课程设计M.北京：科学出版社，20065朱有庭等.化工设备设计手册M.北京：化学工业出版社，20056王志魁主编.化工原理M.北京：化学工业出版社，20047国家发展和改革委员会.JB/T 4712.1容器支座 第1部分：鞍式支座M.北京：中国标准出版社，20078丁伯民等编化工设计全书 北京：化学工业出版社，20039国家质量

26、技术监督局压力容器安全技术监察规程北京：中国劳动社会保障出版社199910 NJing*, LZhen ,BPX u Study on control limits of secondary stress strength in pressure vesselsJInternational Journal of Pressure Vessels and Piping 76(1999)711-714谢 辞经过本次U形管换热器的机械设计，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。整个设计中，蔡永梅老师给予我很大的帮助，在选题

27、、设计计算、图纸的绘制及设计说明书的编撰等过程，她都给了我细心地指引和教导，毕业设计才得以顺利完成。她渊博的知识，敏锐的学术思维、严谨的治学态度、求实的工作作风和创新的工作精神，使我受益匪浅，是我学习的典范。在毕业设计完成之际，谨向蔡老师表示忠心的感谢！毕业时刻就在眼前，回顾四年来的大学生活，自己曾所取得的优异成绩和所有有意义的经历，都会让我终身难忘，我会常常回忆起这段美好的时光。感谢在我学习生活期间给我极大关心和支持的各位老师以及同学和朋友；感谢辽宁石油化工大学对我的培养与呵护，使我茁壮成长，成为一名合格的现代化人才，成熟的走向工作岗位。按照图纸上的基本参数进行计算，word文档里的内容是给你参考的，计算过程按照GB151管壳式换热器中的步骤计算