U形管换热器课程设计--U形管换热器结构设计23页word文档

...............精品资料...............【精品资料】第PAGE23页U形管换热器课程设计--U形管换热器结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u过程设备课程设计任务PAGEREF_Toc79543前言PAGEREF_Toc116224摘要PAGEREF_Toc1665第一章绪论PAGEREF_Toc2044561.1管壳式换热器的概述PAGEREF_Toc3180761.2本毕业设计的目的PAGEREF_Toc261461.3、设计的要求及内容PAGEREF_Toc1726161.4、课程设计的步骤PAGEREF_Toc2282171.4.1设计的准备阶段PAGEREF_Toc2145771.4.2机械结构设计PAGEREF_Toc288058第二章换热器结构设计PAGEREF_Toc2961382.1换热管数的计算PAGEREF_Toc821682.2换热管排列方式，管间距的确定PAGEREF_Toc2973092.3筒体结构设计PAGEREF_Toc15191102.4管箱及封头PAGEREF_Toc28210102.4.1管箱管箱分类PAGEREF_Toc1249102.4.2封头PAGEREF_Toc6400112.5接管、接管法兰PAGEREF_Toc25163112.5.1接管PAGEREF_Toc2791112.5.2接管法兰的确定PAGEREF_Toc846122.5.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰PAGEREF_Toc1109122.6管箱的最小内测深度PAGEREF_Toc16311122.7分程隔板PAGEREF_Toc6811132.8U形管PAGEREF_Toc18818132.8.1U形管选择PAGEREF_Toc2567132.8.2U形管弯管段的弯曲半径PAGEREF_Toc31994132.9管板PAGEREF_Toc29189142.91分程隔板槽PAGEREF_Toc9962142.9.2管板PAGEREF_Toc4894142.9.3布管定圆PAGEREF_Toc6414142.9.4管孔PAGEREF_Toc9734152.9.3拉杆孔PAGEREF_Toc26482152.10换热管与管板的连接PAGEREF_Toc23589152.11折流板和支撑板管孔PAGEREF_Toc15709162.12U型管尾部支撑PAGEREF_Toc23855172.11拉杆PAGEREF_Toc28408172.12折流板PAGEREF_Toc29394182.12.1折流板的主要几何PAGEREF_Toc21718182.12.2折流板与壳体间隙PAGEREF_Toc23171182.12.3折流板厚度PAGEREF_Toc10496182.12.4折流板的管孔PAGEREF_Toc14057192.12.4的选取PAGEREF_Toc6463192.13滑道PAGEREF_Toc9598192.14防短路结构PAGEREF_Toc8362202.14.1旁路挡板PAGEREF_Toc25181202.14.2挡管PAGEREF_Toc2765202.14.3中间挡板PAGEREF_Toc29526212.15垫片设计PAGEREF_Toc21730212.16支座PAGEREF_Toc23736222.17附件PAGEREF_Toc152222(1)起吊附件PAGEREF_Toc1369622三、确定设计压力PAGEREF_Toc7383223.1筒体壁厚计算PAGEREF_Toc23998223.2筒体短节、封头厚度计算PAGEREF_Toc27510233.3管箱短节、封头厚度计算PAGEREF_Toc29046243.4管箱短节开孔补强的校核PAGEREF_Toc12462253.5壳体接管开孔补强校核PAGEREF_Toc903726参考文献PAGEREF_Toc378527过程设备课程设计任务书设计题目：U形管换热器结构设计设计任务及条件：表2-1冷却流体参数被冷却流体热空气进气温度150℃出气温度40℃设计温度150℃设计压力2.5Mpa表2-2冷却介质参数冷却介质类型循环水进口温度30℃出口温度40℃设计温度40℃设计压力1.0Mpa以下为参考数据换热面积90换热管规格及管束级别192长6mⅠ类程数22规范GB150-1999；GB151-1999三、设计内容：根据两种介质的流量、进出口温度、操作压力等计算出换热器所需的传递热量根据介质性质选择合适的材料。选择换热器的结构形式。计算所需要的换热面积。管字数的计算。管子的排列方式，管间距的确定。换热器壳体直径、壁厚的确定；换热器封头的选择。管板尺寸的确定。管子拉脱力的计算。计算是否安装膨胀节。折流板，开孔补强和支座的设计。设计成果：设计说明书一份；换热器装配图一张；前言换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工、动力、钢铁、食品、发电及其他许多行业中是主要的工艺设备之一，在生产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，换热器关系到生产的正常运行和操作费用。因此，换热器的研究倍受重视。从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的试验研究一直都在进行。特别是七十年代初发生能源危机以来，各国都纷纷寻找新的能源及节约能源的途径，而换热器是节约能源的有效设备。在余热回收、利用地热、太阳能等方面都离不开换热器。因而各国都在致力于研究各种高性能换热器及换热元件，其中不少是国家直接下达的重点课题。工业生产中所用换热器的种类很多，其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种，因其操作弹性大，结构坚固，能在高温、高压条件下使用，而且可供选择的结构材料范围广，适用性较强等原因，故它在工业生产中占据着主导地位。据资料表明，所有换热设备中，管壳式占整个换热器投资的50%～70%。而U形管式换热器在管壳式换热器中又有如下特点：管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，结构简单，造价较低，管外容易清洗。因此，U形管式换热器的研究和设计对炼油和化工生产等行业具有重要的意义。摘要换热器为石油,化工、食品、原子能及其它化工部门所广泛使用的一种工艺设备。依据GB—150《钢制压力容器》和GB—151《管壳式换热器》的相关规定，对设计的U型管式换热器，进行了工艺方面的公称直径，管程壳程设计压力，公称换热面积，公称长度及换热管外径，管程和壳程的程数等的确定。再进一步结构设计确定设计的制造的材料，管子的排列形式，折流板数，支座，管板的尺寸，垫片宽度,管板外径与壳体内径间隙,法兰和的内外直径,拉杆和滑道,相关部件的连接，防短路结构等。选择石棉橡胶垫为非金属软垫片(JB4705--92)。对换热器进行校核，试验，得出强度等符合设计要求。关键词：U形管换热器；结构设计；强度计算第一章绪论1.1管壳式换热器的概述（1）管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。GB151、JB1154、JB1168等国家和部标准中，比较详细地规定了管壳式换热器的标准形式、基本参数，以便各行业在工程设计中广泛应用。 （2）管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束管壳式换热器的核心，换热管作为导热元件，与折流板一起决定换热器的传热性能。管箱与壳体则决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。 （3）管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道和称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两种不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。（4）换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。它不仅可单独作为冷却器，加热器使用，而且还是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。并且随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。因此对换热器的研究倍受重视，换热器设计的重要性也就不言而喻了，一些新型高效换热器也相继问世。1.2本毕业设计的目的在大学毕业之际为了以后能系统地应用所学知识解决实际问题，我们有必要认真地做一份毕业答卷——毕业设计。是为了培养学生在学完大学课程及其相关理论知识在毕业设计中综合地加以运用把化工工艺条件与化工设备设计有机地结合起来，巩固和强化我们的基本理论和基本知识。培养学生独立分析问题解决问题的能力，树立正确的设计思想掌握设计的基本方法和步骤，为以后的工作中创造性的设计打下坚实的基础。也培养学生查阅和综合应用资料、计算、识图、制图、编写设计说明书等基本的技能，完成一个工程技术人员在设计方面所必备的技能。1.3、设计的要求及内容为了能够圆满的完成毕业设计的任务，我们在实际中要求：树立正确的设计思想。在实际中本着对设计认真负责的态度，从严从难要求自己，综合考虑经济性、实用性、安全可靠性，保证高质量的完成设计任务。具有积极主动的学习态度和进取精神，强调独立思考，做好典型的设计，在整个过程中学会收集，整理，用运各种资料来正确使用标准和规范，使得设计有有章可循，有法可依，当设计与行业标准有矛盾时必须严格计算和验证，直到符合要求。要学到正确的设计方法就得统筹兼顾，抓住问题，处理好尺寸的圆整，一般圆整到标准规格尺寸，对于强度、刚度等计算应从设计的安全性出发向上圆整，同时也得兼顾到设备的经济性。圆整要适度。要处理设计中工艺计算与机械结构设计的关系，我们必须保证计算、选型、绘图、修改同步进行。零件的尺寸以图样的尺寸为准，对尺寸的修改可以适度地作出调整，以期达到经济和功能的同步。题目内容及要求：u形管换热器进行设计，结构设计满足给定的工艺要求，严格按照换热器及压力容器的相关设计标准和规范进行设计。B:封头管箱；I:U型管式换热器；U：U型管束。公称直径：500mm。管程压力：2.5Mpa；壳程压力：1.0Mpa。公称换热面积：90。公称长度即U型管的直管长度：6m;换热管外径：19mm。管程数：2程；壳程数：2程。图1·1U型管式换热器换热器类型：U型管式换热器主要工艺参数如下：冷却流体参数冷却介质参数被冷却流体热空气冷却介质类型循环水H20进气温度150℃进口温度30℃出气温度40℃出口温度40℃设计压力2.5Mpa设计压力1.0MPa设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。题目性质：结合生产。1.4、课程设计的步骤1.4.1设计的准备阶段（1）设计前从图书馆借阅相关的资料、手册、图册等设计中可能用到的资料；（2）仔细研究设计任务，分析设计题目的原始数据和工艺条件，明确设计的内容和要求，以期做设计时不差分毫；（3）设计前温习阅读设计任务中所给的教科书：工程制图、工程力学、机械原理、机械设计、工程材料、金属工艺学、过程设备设计、压力容器相关设计标准和规范等。做到熟悉有关资料和设计步骤；（4）回想以前在工厂实习时所参观到设备实体，参考，比较其优缺点以便选择更好的设计结构；（5）做好机械设计前的工艺数据处理，查阅相关的参数；1.4.2机械结构设计换热器的机械设计是在设备工艺设计后进行的。依据工艺设计所得工艺条件（介质物性、压力、温度、结构尺寸等）设备内、外附件的选型来进行结构设计、确定厚度大小进行强度、刚度和稳定性的设计和校核。其具体步骤如下：（1）全面的考虑换热器中压力的大小、温度高低和腐蚀性大小等因素来选择制造的材料。通常先按压力因素来选材；由于我所设计的换热器温度在-40℃～200℃的区间内，故温度不作为选材主要因素；由于换热介质是水和空气，它们的腐蚀性也可不予考虑。在综合考虑以上几方面的同时还要考虑材料的加工性能、焊接性能及材料的来源和经济性。（2）选用零部件。设备的内部附件结构类型，管板、管箱、折流板、拉杆、挡板等常由工艺设计而定；外部结构附件形式，如法兰、支座、加强圈、开孔附件，接管等，在满足工艺要求的条件下，由受力条件、制造、安装等因素来决定的；（3）压力载荷，包括内压、外压、设备自重、零部件的偏载、风载、地震载荷等；（4）强度、刚度、稳定性设计和校核计算。根据结构形式、受力条件和材料的力学性能、腐蚀性能等进行强度、刚度和稳定性计算，最后确定合理的结构尺寸；（5）绘制设备总装图。初步计算后，确定大体结构尺寸，分配图纸大小，来进行零件图和装配图的绘制；（6）绘制零部件图。根据总装配图来绘制零件图称为拆图。对于标准零部件不得绘制零件图；（7）提出技术要求。对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求，以文字形式标注在总图上；第二章换热器结构设计2.1换热管数的计算拟用传热管规格为19x2，管长L＝6000mm，传热管数NT为换热管取252根。式中符号：—换热管外径。mm—所需换热面积。L—换热管长。M—换热管总数。根2.2换热管排列方式，管间距的确定管子在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如图所示。传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。正三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，但管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子；但是正三角形排列蚀管外机械清洗较为困难。正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但是在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少。同心圆排列方式优点再也靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热器中可以排列的传热管数比三角形排列还多。如图所示。图1-2管子的排列方式本换热器流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此采用正三角形排列。管板上两传热管中心距离称为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，取管心距S=1.3doS=1.3x19=24.7根据GB151-1999换热管的外径141619202225换热管的中心距192225262832分程隔板槽两侧相邻管中心距323538404244得换热管中心距S=25mm，分程隔板两侧相邻管中心距横过管束中心线的管数取中心线的管数为18根采用双管程结构，则壳程内径为圆整得2.3筒体结构设计（1）一般来说，换热器的壳体和管箱公称直径大于400mm时，其筒体使用板材卷制。当换热器的公称直径小于等于400mm时，其筒体使用管材制作。本设计中换热器公称直径500mm，故筒体选用板材卷制而成。（2）壁厚的确定筒体壁厚应按照GB150——1998第五章进行强度计算,但碳素钢和低合金钢应不小于表3-1的规定。规定壳体最小厚度的目的是为了增加壳体刚性，减小变形，以利于管板和管束的安装，尤其是浮头换热器的壳体由于得不到管板的加强又需要拆卸，故保证最小厚度更为重要。筒体的有效厚度及名义厚度在强度计算中确定。不同材质的壳体厚度见下表.壳体厚度表公称直径400≤D≤700700＜D≤1000U形管式最小厚度810按GB151-1999标准，选取壳体直径为500mm，当换热器为U型管式时，厚度为8mm。筒体采用板材卷制。选取板材的材料为Q235-B。2.4管箱及封头2.4.1管箱管箱分类（1）、A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一一般多用于DN<900mm的浮头式换热器中。（2）、B型封头管箱型如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。（3）、C型、D型管箱这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄漏的可能性。一般用的较少，只在高压情况下采用。在本设计中管程分为2程，它就还起着改变流体流向的作用。本设计管箱采用的是B型封头管箱型，这种管箱用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质可以节省一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况良好，缺点是检查管子和清洗管城时必须拆下连接管道和管箱。管箱所要确定的尺寸主要是管箱长度，分程隔板位置尺寸是由配管图确定，管箱直径是由壳程直径决定。管箱长度尺寸的确定是以保证流体分布均匀、流速合理以及强度因素来确定最小长度，而以制造安装方便来限制最大长度。管箱长度除考虑流通面积，各相邻焊缝间的距离外还应考虑管箱中内件的焊接和清理。多管程换热器必须按照分程方法在管箱内安放分程隔板，分程隔板的材料为碳钢，当壳体直径为500mm时，分程隔板的厚度为10mm，各版应被连续的焊接在管箱壁上。2.4.2封头换热器的管箱封头一般为椭圆形或者平盖形。平盖形拆装方便，维修管程时不必拆卸管道。一般小直径压力低维修需要拆卸时，倾向于使用平盖封头。在压力不高的情况下，换热器直径小于等于900mm时，可用平盖或者椭圆形封头；换热器直径大于900mm，通常使用平盖。本设计中换热器公称直径500mm，故选用标准椭圆形封头。封头尺寸如下表：封头内径封头总高度H直边段高度h500mm150252.5接管、接管法兰2.5.1接管接管（含内焊缝）不应突出壳体内表面，并在该部位打磨平滑，以免妨碍管束的拆装；接管应尽量沿径向或轴向布置，以方便配管和检修；对利用接管（或接口）仍不能放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口其最小公称尺寸为20mm。接管的确定：管径的选择取决于适宜的流速，处理量，结构协调及强度要求。管程接管定为内径为80mm，外径为89mm的接管；壳程接管定为内径为150mm,外径为159mm。这样既满足了换热器外型结构匀称、合理、协调以及强度要求。接管的伸出长度（高度）确定，接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，主要考虑法兰的形式，焊接操作条件，螺栓拆装等因素。（mm）式中h：接管的法兰厚度，mm；：接管法兰的螺母厚度，mm；：保温层厚度，mm；：接管的安装高度，mm。上述估算后应圆整到标准尺寸，常见接管高度150mm、200mm、250mm、300mm。取管程接管高度为150mm；壳程接管高度为200mm。2.5.2接管法兰的确定按GB9112～9125，法兰的结构形式和密封面形式，应根据使用介质，设计压力，设计温度公称直径等因素来确定。由于凹凸面对中性好，所以常在换热器法兰密封面上使用。法兰上的螺栓孔中换热器的中心线，在中心线两侧均匀布置。本设计中的接管公称直径为80mm和150mm，接管法兰按照HG20594—97选取带颈平焊法兰（SO）.带颈法兰应采用热轧或锻件加工制成，加工后法兰的轴线须与原坯件的轴线平行。必要时采用钢板制造带颈法兰。图1-3平焊带颈法兰2.5.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰管箱法兰通常采用长颈法兰和平焊法兰。以工艺条件：管侧压力2.5Mpa和壳体压力1.0Mpa，以及设计温度壳体40℃，管箱150℃和公称直径500mm，按JB4701-2000甲型平焊法兰标准选取。乙型型平焊法兰选用的压力范围为0.25～4Mpa。符合要求。2.6管箱的最小内测深度轴向开口的单管程，开口中心处的最小深度应不小于按管内直径的1/3；（2）多管程管箱的内侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积的1.3倍；当操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。（3）管箱上各相邻焊缝间的距离不应小于3倍的筒体壁厚且不小于50毫米。所以管箱的最小内测深度为：340mm。其中管箱筒体长度190mm。2.7分程隔板在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的给热系数，通常是采用设置隔板的方式来增加程数以提高流体的流速来实现其目的的。这就是分程隔板，这种隔板在壳程习惯称作纵向隔板，对管程来说习惯称为分程隔板。管程分程隔板用来将管内流体分程，分程隔板装置在管箱内隔板的形式要简单，焊缝尽量少，密封长度要短，程与程之间的面积差不宜过大，温差以不超过28℃为宜。分程隔板应与封头、管箱短节等同材料，要求管箱隔板密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面。分程隔板的最小厚度应不小于下表的规定：公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢≤60086＞600～≤1200108＞1200～≤20001410纵向隔板是安装在壳程内的一平行于传热管充满壳体内的矩形平板。使得壳程流体形成双壳程。由于加进隔板在壳体内，使隔板与壳体内壁及隔板与管板面接触部分存在间隙，介质易产生短路，降低换热效率，故纵向隔板与壳体内壁间要求严密。纵向隔板厚度一般为：碳钢和低合金钢6～8mm；合金钢不小于3mm。所以本设计分程隔板的厚度为8mm。2.8U形管2.8.1U形管选择本设计采用光管，光管是管壳式换热器换热管的传统形式，它廉价，易于制造，安装，检修，清洗方便。管径采用标准管径19×2，采用标准管径在结构上和经济上均有好处，而且19×2属于小径管，管径小，单位体积传热面积大，结构紧凑性高，金属耗材量少，传热系数也高。而且循环水不属于粘度大或污浊流体，不会造成太多的沉淀。根据计算管长采用6m，管径为0.6m，管长与管径之比为10，应采用卧式设备。管子材料采用碳钢。2.8.2U形管弯管段的弯曲半径U形管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径，常用的换热管的最小弯曲半径可按表3·2选取。图1-3U形管弯管段的弯曲半径U型管的弯曲程度如下表：U形管弯管段的最小弯曲半径换热管外径1012141619202220243032404045U型管弯管段的圆度偏差应不大于换热管名义外径的10%，但弯曲半径小于2.5倍换热管名义外径的U形弯管段可按15%验收。2.9管板2.91分程隔板槽（1）槽深宜不小于4mm；（2）分程隔板槽的宽度为：碳钢12mm，不锈钢11mm；（3）分程隔板槽拐角处的倒角一般为45°倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R。隔板槽密封面应与环形密封面齐平，或略低于环形密封面（控制在0.5mm以内）。2.9.2管板①管板孔直径查表得19.4mm。②最大布管圆直径490mm。③管孔数和管子数相同为224根。=4\*GB3\*MERGEFORMAT④管板与壳体及管箱的连接采用将管板夹在壳体法兰和管箱法兰之间构成可拆式连接，可是壳程清洗方便。=5\*GB3\*MERGEFORMAT⑤管板的厚度应比封头的厚度厚，因为管板要开孔，强度会降低当壳径为500mm时常用的管板厚度为45mm，因孔较多，封头厚度为8mm；取为50mm。2.9.3布管定圆布圆定管可按下表确定。布管定圆换热器型式固定管板式、U型管式浮头式布管定圆直径由资料得：为圆筒内直径，mm；为固定管板换热器或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，=0.25d，一般不小于8mm。布管圆直径：2.9.4管孔不锈钢换热管的管板管孔直径及允许偏差应符合表确定管孔换热管外径14161925管孔直径14.2516.2519.2525.25允许偏差+0.150钻孔后应抽查不小于60°管板中心角区域内的管孔，在这一区域内允许有14%的管孔上偏差比表中的数值大0.15mm；换热管与管板胀接连接时。管孔表面粗糙度Ra值不大于12.5；胀接连接时，管孔表面不应有影响胀接紧密形的缺陷，如贯通的纵向或螺旋状刻痕等。2.9.3拉杆孔拉杆与管板焊接连接的拉杆孔结构见图3·2，拉杆空深度等于拉杆孔直径。拉杆孔直径安式（3·1）确定。（3·2）式中：d:拉杆直径，mm；：拉杆孔直径，mm。拉杆孔结构图拉杆形式为拉杆定距离的形式。使用12根拉杆，直径为12mm。拉杆孔13mm。2.10换热管与管板的连接换热管与管板连接的方式有胀接、焊接、胀焊并用等形式。不论采用哪种形式都必须保证：连接处保证介质无泄漏的充分气密性；承受介质压力的充分结合力。强度胀接是为了保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。胀接的结构简单，管子的更换和修补容易，所以应用较广。由于胀接管端产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度上升，残余应力逐渐消失，这样使得管端处失去密封和结合的作用，所以在采用胀接结构时会受到一定的限制。强度胀接的适用范围为：设计压力小于等于4Mpa；设计温度小于等于300℃；操作中无剧烈振动，无过大的温度变化及无明显的压力腐蚀。但必须要求换热管的材料硬度值低于管板的材料硬度值，有应力腐蚀时不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。胀接的结构尺寸：（1）强度胀接的最小胀接长度应取管板的名义厚度减去3mm或50mm二者的最小值；（2）当有要求时，管板的名义厚度减去3mm与50mm之间的差值可采用贴胀；或管板的名义厚度减去3mm全长胀接；（3）结构形式及尺寸按下表：胀接尺寸（mm）换热管外径d≤1416～2530～38伸出长度槽深K不开槽0.50.6（4）胀接结构用于≤25mm的结构如图：胀接结构2.11折流板和支撑板管孔应为Ⅰ级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热管），折流板和支撑板管孔的直径以允许偏差如下表：管孔直径及偏差换热管外径或无支撑跨距＞32或≤900折流板管孔直径+0.8管孔直径允许偏差+0.300折流板上管孔中心距包括分程隔板处的管孔中心距，公差为相邻两孔的±0.30，任意两孔的±1.00mm。管孔加工后两端必须倒角0.5×45°。2.12U型管尾部支撑U型管换热器靠近弯管段起支撑作用的折流板，如图3·10所示，结构尺寸A+B+C之和应不大于最大无支撑跨距，超过表中数值时，应在管板部位加特殊支撑。U型管支撑当换热器壳程介质无相变化时，无需设置折流板，而换热管无支撑跨距超过表3·10规定时，应设置支撑板用来支撑换热管，以防止换热管产生过大的挠度或诱导振动。其形状和尺寸均按折流板一样来处理。表3·10换热管的最大无支撑长度（mm）换热管外径d141925最大无支撑跨距1100150019002.11拉杆拉杆是用来固定折流板与支撑板与管板的连接。拉杆定距管的结构，适用于换热管外径大于等于19mm的管束，＞；拉杆定居换的结构形式如图：拉杆定距管结构拉杆的直径和数量，查表得：当换热管外径14mm＜＜25mm时，拉杆的直径为12mm；筒体的公称直径400mm≤DN＜700mm时，此时拉杆的数量为4根。拉杆尽可能均匀布置在管束的外边缘。拉杆的直径为12mm时，=15mm。在安装时，拉杆伤的螺母应拧紧，以免在装入和抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。2.12折流板列管式换热器的壳程流体流通截面积大，在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的换热器仅需设置横向折流板，横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动作用。管壳式换热器常用的有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。因此，采用单弓形折流板。本设计采用特殊折流板排列方式。排列方式如图所示：2.12.1折流板的主要几何参数根据GB151-1999弓形折流板圆缺大小用切去弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圆筒内直径,取系数为0.45，切去圆缺高度h=0.45x500=225mm2.12.2折流板与壳体间隙折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但间隙越小，给制造、安装带来困难。选取折流板名义外直径D=DN-3=500-4.5=495.5mm，允许偏差2.12.3折流板厚度折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，其厚度根据参考选取δ＝5mm。2.12.4折流板的管孔①、折流板的管孔直径和公差按GB151-99规定，Ⅰ级管束换热器折流板管孔直径d+0.4=19+0.4=19.4mm，及允许偏差②、管孔中心距折流板上管孔中心距（包括分程隔板处的管孔中心距）t=32,公差为相邻两孔，任意两孔1.00mm③管孔加工折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5X45°。2.12.4材料的选取设计温度180℃和设计压力P＝0.6MPa,根据GB150-1998选取Q235-B钢板，它的适用范围：容器设计压力P≤1.60MPa；钢板使用温度为0～35℃；用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；不得用于液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。Q235-A.F和Q235-A钢板技术要求低，钢板质量差，以往因钢材供应情况的限制，不得不采用。线技术要求较高的Q235－B已大量生产。从标准的技术合理性、压力容器的使用安全性以及钢材供应的可能性等方面综合考虑，2002年7月1日起，在现有国内规范中取消了Q235－A.F和A235－A两种钢号。（1）(2)(3)折流板通气口折流板的最大无支撑跨距：换热管的外径是19mm查表可得折流板的最大无支撑跨距为1500mm。当采用纵向隔板时，折流板的加工仍与弓形折流板的加工相同，只是将一块折流板沿中间切除隔板厚度变为对称的两块，分别装于隔板的上下。折流板外圆表面粗糙度Ra值不大于25，外圆面两侧的尖角应倒钝，应除去上面的毛刺。2.13滑道滑道的结构分为滑板、滚轮、滑条形式，在本设计中选取滑板形式，因为本设计中壳体直径不大，滑板强度适中。滑道角度如图3·8：滑道角度图滑板焊在折流板的槽内，在直径方向高出折流板1mm，并和管束成为一整体2.14防短路结构2.14.1旁路挡板在换热器壳程，由于管束边缘和分程部位都不能排满换热管，所以在这些部位形成旁路。为防止壳程物料从这些部位大量短路，可在管束边缘的适当位置安装旁路挡板和在分程部位的设当地方安装假管或带定距管的拉杆，在满足拉杆布置的前提下，可将换热管排列图中的拉杆的位置移至分程部位来增大旁路的阻力，迫使物料通过管束进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成。旁路挡板应与折流板焊接牢固，它们的厚度可以相同，旁路挡板的数量当公称直径：500mm＜DN＜1000mm时，二对挡板。将旁路挡板分段焊在折流板之间。旁路挡板如图3·14：图3·14旁路挡板2.14.2挡管挡管为两端堵死的换热管，设置于分程隔板槽背面两管板之间，挡管与换热管的规格相同可与折流板点焊固定，也可用拉杆代替。挡管应每隔3～4排换热管设置一根，但不得设置在折流板的缺口处。挡板伸出第一块计最后一块折流板或支撑板的长度不应大于50mm，可与任一块折流板焊接固定。挡管如图3·15：挡管布置2.14.3中间挡板中间挡板设置在U型管束的中间通道处，并与折流板点焊固定，把最里面的一排U型弯管倾斜布置使中间通道变窄，同时加上挡管以防止流体短路。当公称直径：500mm＜DN＜1000mm时，二块挡板。中间挡板如图3·16：中间挡板2.15垫片设计管箱垫片垫片的材料选取根据换热器的介质的性质，操作压力，操作温度，以及需要密封的程度。按照GB151-1999附录H选用。由于管程介质为空气壳程介质为循环水，所以选取橡胶石棉垫片。查阅《化工设备设计手册》P567表5-52非金属软垫片系列尺寸，垫片结构尺寸为：外径D=622mm，内径d=602mm，厚度=3mm，垫片的圆角直径R=8mm，隔板槽部分垫片宽度为8mm。垫片的选择介质法兰的公称压力MPa介质温度℃法兰密封面形式垫片名称垫片材料或牌号水、空气1.5≤200平面凹凸面橡胶石棉垫片XB-200橡胶石棉板4.0≤350XB-350橡胶石棉板密封垫片应为整体垫片，特殊情况下允许拼接，但垫片拼接接头不得影响密封性能。换热的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等而损坏密封面。2.16支座换热器的鞍式支座可按JB/T4712选用。鞍式支座的布置：当L≤3000mm时，取=（0.4～0.6）L；尽量使和相近，高度为200mm。如图：鞍式支座本换热器采用固定F型和滑动S型鞍式支座各一个，靠近管箱侧的为固定鞍座。2.17附件(1)起吊附件质量大于30㎏的管箱及管箱盖应设置吊耳。吊装换热器时，应防止管束变形和损伤换热管。U型管式换热器可在管板上设置环首螺钉孔；在正常操作时，应安装丝堵和垫片加以保护；维修时换装环首螺钉以便抽装管束。(3)地脚螺栓选用M28。三、确定设计压力根据GB150-1998的规定，设计压力是指容器底部的最高压力，其与相应设计温度一起作为设计载荷条件，其值不能低于工作压力。在本设计换热器中，其工作压力及正常工作情况下壳程可能达到的最高压力。设计压力通常取为最高工作压力的1.05-1.10倍。设计压力：管程：2.5Mpa壳程：1.0Mpa3.1筒体壁厚计算由工艺设计给定的设计温度40℃,设计压力=1.0Mpa选Q235-B钢板卷制，材料40℃时许用应力=113Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，腐蚀裕度2mm，筒体公称直径200mm。则：计算厚度（4·1）板负偏差；腐蚀余量：设计厚度由表GB151-1999表8可知：名义厚度：有效厚度：水压试验压力所选材料的屈服应力水压试验应力校核53.1Mpa＜0.9=0.9×235×1=211.5MPa水压强度满足要求。气密性实验应力3.2筒体短节、封头厚度计算由工艺设计给定的设计温度40℃,设计压力=1.0Mpa选Q235-B钢板卷制，材料40℃时许用应力=113Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，腐蚀裕度2mm，筒体公称直径500mm。则短节计算壁厚（4·2）短节设计厚度由表GB151-1999表8可知：名义厚度：有效厚度：压力试验应力校核52.71Mpa＜0.9=0.9×235×1=211.5（MPa）压力试验满足强度要求。外头盖封头选用标准椭圆封头，由工艺设计给定的设计温度40℃,设计压力=1.0Mpa选Q235-B钢板压制，材料40℃时许用应力=113Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，腐蚀裕度2mm，公称直径500mm。。封头计算厚度=封头设计厚度：由表GB151-1999表8可知：封头名义厚度：3.3管箱短节、封头厚度计算工艺设计给定的设计温度150℃,设计压力=2.5Mpa选Q235-B钢板卷制，材料150℃时许用应力=113Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，腐蚀裕度2mm，筒体公称直径500mm。则计算厚度（4·3）设计厚度由表GB151-1999表8可知：名义厚度：有效厚度：水压试验压力压力试验应力校核131.771Mpa＜0.9=0.9×235×1=211.5MPa压力试验满足强度要求。外头盖封头选用标准椭圆封头，由工艺设计给定的设计温度40℃,设计压力=1.0Mpa选Q235-B钢板压制，材料40℃时许用应力=113Mpa，屈服应力，取焊缝系数=1，腐蚀裕度2mm，公称直径500mm。。封头计算厚度=封头设计厚度：由表GB151-1999表8可知：封头名义厚度：3.4管箱短节开孔补强的校核开孔补强采用等面积补强法，有工艺设计给定的接管尺寸为89×4.5，考虑实际情况选Q235-B碳素钢管，温度为150℃时，=113Mpa，。接管计算壁厚（4·4）接管的有效壁厚有效厚度：开孔直径d=+2=84mm接管有效补强宽度接管外侧有效补强高度接管内侧有效补强高度需要补强面积可以作为补强的面积为需要另设补强3.5壳体接管开孔补强校核壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法。有工艺设计给定的接管尺寸为159×4.5，考虑实际情况选Q235-B碳素钢管，温度为150℃时，=113Mpa，。接管计算壁厚（4·4）接管的有效壁厚有效厚度：开孔直径d=+2mm接管有效补强宽度接管外侧有效补强高度接管内侧有效补强高度需要补强面积可以作为补强的面积为不需要需要另设补强参考文献【1】郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社.2010.【2】朱有庭，曲文海，于浦义.化工设备设计手册.北京:化学工业出版社.2005.【3】陈庆，邵泽波.过程设备设计概论.北京：化学工业出版社.2008.【4】匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].北京：化学工业出版社.2005.【5】谭天恩，窦梅，周明华.化工原理（上，下册）[M].北京:化学工业出版社，2007.致谢本次毕业设计历时近2周，这次设计既是对我们大学三年半所学知识的一次综合运用，又是一次难得的实践的机会。在设计过程中，深蒙我的指导老师——高艳老师的悉心指导，在指导设计的过程中，她诲人不倦，对我在设计过程中所出现的问题给以耐心细致的解答，对设计中的错误和不合理的地方给以予以指正，引导我更好的完成此次课程设计，使我对整个设计的内容有了更加深刻的认识，对于U形管换热器的整个系统的设计工作有了细致的分析和理解，通过这次设计，大大提高了我对于实际工作的分析问题和解决问题的能力，在此我向她表示深深衷心的感谢。同时，我还要向各科老师们表达我的谢意，感谢您们三年半来对我的孜孜教诲，教导我不仅学到了许多专业知识，更学到了很多做人的道理，这对我以后的学习和生活都将产生深远的影响。最后，我也向课程设计中给与我帮助的同学们表示感谢，是他们让我感受到团队合作的种种快乐，在设计的过程中，我们互相学习，互相帮助，这些都将成为我生活中的美好回忆。