潤滑油-水U型管換熱器設(shè)計含4張CAD圖.zip
潤滑油-水U型管換熱器設(shè)計含4張CAD圖.zip,潤滑油,換熱器,設(shè)計,CAD
潤滑油-水U型管換熱器設(shè)計摘要換熱器是用于各種物料之間進(jìn)行熱量傳遞的過程設(shè)備。在U型換熱器設(shè)計過程中,嚴(yán)格按照GB150-98鋼制壓力容器和GBT25198-2010鋼制壓力容器封頭等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和計算。在本次的設(shè)計過程中,包括了兩個部分:計算部分和繪圖部分。計算部分主要是對筒體、封頭、管板、換熱管、法蘭、折流板、拉桿、鞍座等進(jìn)行了設(shè)計和選型,并且,對殼體和管箱進(jìn)行了開孔補(bǔ)強(qiáng)計算,最終選擇了U型管式換熱器。除此之外,還參閱相關(guān)的設(shè)計手冊及大量的文獻(xiàn),完成了一張總裝配圖和3張零件圖的繪制。關(guān)鍵詞:換熱器,U型管,設(shè)計IDesign of U - tube heat exchanger with lubricating oil and waterAbstract: heat exchanger is a process equipment used for heat transfer between various materials.In the design process of u-type heat exchanger, design and calculation are carried out in strict accordance with gb150-98 steel pressure vessel and gbt25198-2010 steel pressure vessel head and other standards.In this design process, there are two parts: calculation part and drawing part. The calculation part is mainly the design and selection of the shell, head, tube plate, heat exchange tube, flange, baffle plate, tie rod, saddle, and so on, and, the shell and tube box for the calculation of hole reinforcement, the final choice of the u-tube heat exchanger. In addition, I also refer to relevant design manuals and a large number of literature, and complete the drawing of a general assembly drawing and three parts drawing.key words : heat exchanger, u-tube, design目錄中文摘要I英文摘要II前言11 原始數(shù)據(jù)22 熱傳量和物性參數(shù)22.1傳熱量42.2冷流體用量42.3定性溫度的確定42.4主要物性參數(shù)42.5流程安排53 估算傳熱面積63.1平均傳熱溫差63.2選K值,估算換熱面積64 主體構(gòu)件的工藝尺寸74.1管徑和管內(nèi)流速74.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)74.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)84.6折流板94.8接管95 熱量核算115.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)115.2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)125.3污垢熱阻和管壁熱阻125.5壁溫核算136 換熱器內(nèi)流體阻力(壓強(qiáng)降)核算156.1管程流體阻力156.2殼程流體阻力157 .結(jié)構(gòu)設(shè)計187.1確定換熱管的規(guī)格和長度187.3殼體直徑的確定(查GB151-2014)257.5拉桿及定距管267.6保溫層267.7其他構(gòu)件278 其它零部件的選擇和布置288.1 接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計查鋼制管法蘭、墊片、緊固件298.2殼程接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核308.3管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核318.4管箱的設(shè)計338.5排氣管、排液管的選用和布置349 應(yīng)力計算369.1熱交換器所受的應(yīng)力369.2溫差應(yīng)力379.3拉脫力379.4許用應(yīng)拉脫力3710 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果匯總3810.1工藝參數(shù)匯總3810.2物性參數(shù)匯總3810.3結(jié)構(gòu)計算參數(shù)匯總38總結(jié)39參考文獻(xiàn)40致謝41V前言換熱器是將熱流體的一部分的熱量傳遞給冷流體的換熱設(shè)備,使流體的溫度能夠滿足工藝過程的要求,又稱換熱器。換熱器是化工、汽油、電力、食品等工業(yè)部門常用的設(shè)備,在生產(chǎn)中起著重要作用。換熱器種類龐雜,但根據(jù)冷熱流體換熱的原理和方式,可大致分為三類:內(nèi)壁式、混合式和再生式。在三種換熱器中,壁間換熱器是應(yīng)用最廣泛的。1 .換熱器的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中,換熱器的主要功能是將能量從高溫流體傳遞到低溫流體。達(dá)到流體溫度以滿足工藝要求。另外,換熱器也是收受接管廢熱、廢熱,特別是低熱能的有效裝置。2 .換熱器的主要分類工業(yè)生產(chǎn)中,根據(jù)用途、工作條件和物料特性的不同,出現(xiàn)了不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。3 .換熱器的分類及特點(diǎn)根據(jù)不同的傳熱方式,換熱器可分為三種類別:1.直接接觸式換熱器這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單,價格優(yōu)惠。它通常被制成一個塔,但它只適用于兩種流體在技術(shù)上混合的情況。2.再生換熱器在這種換熱器中,換熱是由格子磚或填料等再生器完成的。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊,價格低廉,單位體積傳熱面積大,更適合燃?xì)鈸Q熱的局面。3.壁間換熱器這是工業(yè)上使用最廣泛的換熱器。冷熱流體由固體壁分離,并且通過壁面進(jìn)行傳熱。4 .U型管換熱器對于我設(shè)計的U型管換熱器,這是工業(yè)上使用最廣泛的換熱器。冷熱流體由固體壁分離,并且通過壁面進(jìn)行傳熱。U型管換熱器:一束管子彎成不同曲率半徑的U形17管。U形管的兩端固定在同一管板上形成管束,從而清除了管板和管箱。由于管束與殼體分離,加熱膨脹時,有管束之間沒有束縛,消除了溫差應(yīng)力。結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,管束可在殼體被拉出,并且在管道外部的潔凈是方便的,但管內(nèi)的潔凈是困難的,所以最好讓防污材料直接穿過管道。由于彎頭的外壁較薄,在管束的中間的間隙是大的,并且U形管換熱器具有的壓力差承受能力和較差的熱傳遞能力的缺點(diǎn)。圖1 U型管換熱器1 原始數(shù)據(jù) 熱流體選用:潤滑油; 冷流體選用:水; 熱流體工作表壓力:P1=1.2MPa; 冷流體工作表壓力:P2=1.6MPa; 熱流體進(jìn)口溫度:T1=250; 熱流體出口溫度:T2=210; 冷流體進(jìn)口溫度:t1=20; 冷流體出口溫度:t2=65;熱流體流量:37Kg/s;2 傳熱量和物性參數(shù)2.1傳熱量如果不考慮熱損失,則冷流體吸收的熱量就應(yīng)該等于熱流體所放出的熱量。傳熱量為 Q=M1cp1T1-T2L=372.4250-2100.98=3480.96kW2.2冷流體用量流體用量的大小,將直接影響到加熱劑或冷卻劑的出口溫度以及換熱器面積的大小。冷流體量 M2=Qcp2t2-t1=3480.964.1765-20=18.55kgs2.3定性溫度的確定定性溫度是指某種介質(zhì)(冷介質(zhì)或熱介質(zhì))在求物性參數(shù)時使用的溫度,如果介質(zhì)粘度不大,可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。熱流體定性溫度為:tm1=T1+T22=250+2102=230 冷流體定性溫度為:t=t1+t22=20+652=42.52.4主要物性參數(shù)表1 主要物性參數(shù)物性密度(kg/m)比熱容(kcal/(kg))黏度(kg/(mh))熱導(dǎo)率(kcal/(mh))水9914.170.0006220.64潤滑油8212.40.00110.132.5流程安排在U型管式的換熱器設(shè)計中,在下列情況下的流體在管程流過是比較合理的,即流量容積小的流體;不清潔、易結(jié)垢的流體;高壓力的流體;帶有腐蝕性的氣體。得出:冷流體 水 走管程(內(nèi)),熱流體 潤滑油 走殼程(外)。3 估算傳熱面積3.1平均傳熱溫差 平均溫差系是指整個換熱器每一處溫差的平均值。流體間溫差:t1=T2-t1=210-20=190t2=T1-t2=250-65=185 因為流體的溫度沿傳熱面變化較大,所以平均溫差計算公式為:t1mc=t1-t2Lnt1t2=190-185Ln190185=187.493.2選K值,估算換熱面積設(shè)傳熱系數(shù)K不變,雖然實際上K在整個傳熱過程中是變化的,但是在工程的換熱器中由于物理特性變化不大,反應(yīng)到K的變化上就更小,因此,一般工業(yè)計算可以把換熱器中的各部分K視為常量。選擇時,不僅要考慮流體的物理性質(zhì)和操作條件,還應(yīng)該考慮換熱器的類型。換熱器類型以給出,所以根據(jù)查參考資料,初選傳熱系數(shù)K=700W/(m2) 估算傳熱面積為:F=Q1000Kt1mc=3480.961000700187.49=26.52m2 考慮到面積裕度,則所需傳熱面積為:F=F=1.1526.52=30.5m24 主體構(gòu)件的工藝尺寸4.1管徑和管內(nèi)流速換熱器中最常用的管徑分別有19mm 2mm和25mm 2.5mm。直徑越小的管子可以是傳熱得到增強(qiáng),而且管壁比較薄;同時在同樣的體積內(nèi),可排列更多的管子,增大傳熱面積更大,節(jié)約金屬成本消耗。但是采用19mm2mm直徑的管子會加大流動阻力,所以管徑的選擇需要看使用材料和條件的。如果管程走的是易結(jié)垢的流體,則通常用較大直徑的管子。因為我們管程走的水,屬于易結(jié)垢體,所以我們會選用更大的直徑管子。最終換熱管的材料選用不銹鋼,規(guī)格選用252.5mm 根據(jù)換熱器中常用的流速范圍的數(shù)據(jù),可取管程內(nèi)流體的流速 2= 1 m/s4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 管程所需流通截面為:At=M2i2=18.559911=0.018718m2 每程管數(shù)為(取整):n=4Atdi10002=40.0187183.142010002=60根 按單殼程,單管程計算,每根換熱管長度為:l=Fndo1000=30.5603.14251000=6.48m 按單管程設(shè)計,傳熱管過長,則應(yīng)采用多管程,根據(jù)本設(shè)計實際情況,現(xiàn)每根管長取標(biāo)準(zhǔn)值:l=4.5m 則管程數(shù)為:Zt=ll=6.484.5=2nt=nZt=602=120根4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 無量綱參數(shù)mP、RP=t2-t1T1-t1=65-20250-20=0.196R=T1-T2t2-t1=250-21065-20=0.889 由無量綱數(shù)R、P查圖得:溫差校正系數(shù):0.99 ,因0.8,故可行。 兩流體的實際平均溫差為:tm=t1mc=0.99187.49=185.624.4管束相關(guān)參數(shù)管子的排列方式常用的有:同心圓排列、等邊三角形、正方形排列。對于管子的排列方法我們最終選用:等邊三角形排列 查得GB151-2014標(biāo)準(zhǔn),查得標(biāo)準(zhǔn)管的中心距為32mm,用作分程的隔板槽的處管心距為44mm 平行于流向的管距:sp=Scos30=32cos30=27.71mm 垂直于流向的管距:sn=Ssin30=32sin30=16mm由作草圖結(jié)果所得數(shù)據(jù)如下: 等邊三角形排列,層數(shù)a為6層;管束中心距最外層管中心距離d2為0.19m;中間排管數(shù)an為:134.5殼體內(nèi)徑的確定 因為我們采用的是等邊三角形排列,管程數(shù)為:2,管板利用率的范圍為:(0.70.85),所以取管板利用率為:=0.75 殼體內(nèi)徑值的計算:換熱管總根數(shù)為:Ds=1.05S1000nt=1.053210001200.75=0.43m 取殼體內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)值:Ds=0.45m 長徑比為: lDs=lDs=4.50.45=10 設(shè)計合理4.6折流板 折流板形式選擇,本換熱器選用弓形,流體流動的死角較小,結(jié)構(gòu)也簡單,便于清洗。 折流板缺口高度為:h=0.25Ds=0.250.45=0.11m 折流板的圓心角:120;算得折流板的間距范圍為:(0.090.45)m 在此范圍內(nèi)定折流板的間距,選取折流板的間距為0.3m,取折流板的數(shù)目為12塊,則兩端折流板與管板間距離為:484mm。算得折流板上管孔數(shù)為116個;折流板上管孔的直徑,由GB151-2014,查得直徑為:25.5mm;根據(jù)折流板上管子數(shù)為112根;折流板缺口處管數(shù)為36根;折流板的直徑,Db根據(jù)GB151-2017規(guī)定,得Db=446.5mm;4.7拉桿 當(dāng)10d14時,拉桿直徑為10; 當(dāng)14d25時,拉桿直徑為12; 當(dāng)25d57時,拉桿直徑為16; 因,換熱管直徑為:do=25mm,所以拉桿直徑dn為16mm 一臺拉桿數(shù)為:4根4.8接管 1.殼程的流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)部流速為u1=1m/s,則接管內(nèi)徑計算值為:可取殼程接管直徑標(biāo)準(zhǔn)值為:250mmm 2.管程的流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)部流速為u2=2m/s,則接管內(nèi)徑計算值為:D2=4M2iu2=418.559913.142=0.11m可取管程接管直徑標(biāo)準(zhǔn)值125mm5熱量核算5.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 傳熱管按等邊三角形排列,則其當(dāng)量直徑得:de=432S10002-4do10002do1000=4323210002-3.14425100023.14251000=0.02m 殼程流通截面積:As=lsDs1-do1000S1000=0.30.451-251000321000=0.02953m2 殼程流體最小流速:u1=M1oAs=378210.02953=1.52614ms 雷諾數(shù):Re1=di1000u1o1=2010001.526148210.0011=22781.11 普朗特數(shù)為:Pr1=11000cp11=0.001110002.40.13=20.31 黏度校正項:(/w)0.140.95 采用弓形折流板,殼側(cè)表面換熱系數(shù)為:5.2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流通截面積:Ai=4di10002nt2=3.14420100021202=0.01884m2 管程流體最小流速:u2=M2iAi=18.559910.01884=0.99ms 雷諾數(shù):Re2=di1000u2i2=2010000.999910.000622=31546.3 普朗特數(shù)為:Pr2=21000cp22=0.00062210004.170.64=4.05272 黏度校正項:(/w)0.140.95 管側(cè)表面換熱系數(shù):2=0.0232deRe20.8Pr20.4w-0.14=0.0230.640.0231546.30.84.052720.40.95=4862.49Wm25.3污垢熱阻和管壁熱阻 1.污垢熱阻 查相關(guān)資料冷流體水的污垢熱阻:rs2=0.000528(m2)/W; 熱流體潤滑油的污垢熱阻:rs1=0.000176(m2)/W 2.管壁熱阻 不銹鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為16.28。Rw=bw=0.002516.28=0.000154m2W 式中: b-傳熱管的壁厚,mm w-熱導(dǎo)率,W/m5.4傳熱系數(shù) 管子的平均直徑為:dm=do1000-di1000Lndo1000di1000=251000-201000Ln251000201000=0.02mm 總傳熱系數(shù)為:K=112+rs1+Rwdo1000dm+rs2do1000di1000+do10002di1000=111511.85+0.000176+0.0001542510000.02+0.000528251000201000+2510004862.49201000=513.61Wm25.5壁溫核算 由于工作條件是高溫高壓,與氣溫相差大。因此進(jìn)出口溫度可以取原來的操作溫度。另外,由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大,使的傳熱管壁溫降低,從而降低的了傳熱管與殼體之間的溫差。計算中按最不利因素考慮,因此,取兩側(cè)污垢熱阻為零,來計算傳熱管壁溫。 則傳熱管的平均壁溫為:tw1=Tm2+tm212+12=2264862.49+471511.8514862.49+11511.85=89.45 式中冷流體的平均溫度tm和熱流體的平均溫度Tm計算為:tm=t10.4+t20.6=200.4+650.6=47Tm=T10.4+T20.6=2500.4+2100.6=226 殼體壁溫,可近似取殼程流體的平均溫度,即:Tm=226 殼體壁溫與傳熱管壁溫之差:t=Tm-tw1=226-89.45=136.55 溫度相差較大,需用溫度補(bǔ)償器。6 換熱器內(nèi)流體阻力(壓強(qiáng)降)核算6.1管程流體阻力管殼式換熱器管程阻力主要包括沿程阻力、回彎阻力、進(jìn)出口連接管阻力等三部分。 管內(nèi)摩擦系數(shù)查熱交換器原理與設(shè)計(第五版)(圖2.36)為fi=0.02 管程總阻力公式為:Pt=Pi+Pr+PNFtZtNs 式中: Pt管程總阻力; Pi單程直管阻力; Pr單程回彎阻力; Ns 殼程數(shù),Ns=1Pa; Np 管程數(shù)Zt=2; Ft 管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù),與管子直徑有關(guān),近似取:1.4Pa; 直管阻力為:Pi=fildi1000i222=0.024.5201000991122=2229.75Pa 回彎阻力為:Pr=4i222=4991122=1982Pa 式中: 局部阻力系數(shù),一般取3; 管程總阻力為:Pt=Pi+Pr+PNFtZtNs=2229.75+1982+743.251.421=13874pa 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。6.2殼程流體阻力 由于殼程內(nèi)流體的流動狀過于分復(fù)雜,同時計算殼程內(nèi)流體阻力的表達(dá)式也有很多。 選用埃索法計算殼程流體阻力。 阻力公式為:Ps=Pbk+PwkFsNs 式中: Ps殼程總阻力; Pbk流體流過管束的阻力; Pwk流體流過折流板缺口的阻力; Ns 殼程數(shù); Fs 殼程結(jié)構(gòu)校正系數(shù),與流體狀態(tài)有關(guān),F(xiàn)s=1.15Pa 殼程流通截面積:As=lsDs1-do1000S1000=0.30.451-251000321000=0.02953m2殼程流體最小流速:u1=M1oAs=378210.02953=1.52614ms流體流過管束的阻力為:Pbk=ffkntcNb+1ou122=0.50.5112.0512+18211.5261422=38192.00792Pa 式中: f 管子排列形式對阻力的影響,f=0.5 fk殼程流體摩擦因子;fk=5Re1-0.228=522781.11-0.228=0.51ntc=1.1nt0.5=1.11200.5=12.05流體流過折流板缺口的阻力Pwk=Nb3.5-2lsDsou12=123.5-20.30.458211.526142=16288.49222Pa 殼程總阻力:Ps=Pbk+PwkFsNs=38192.00792+16288.492221.151=62652.58Pa 通過上計算,都符合要求,設(shè)計合理。7 結(jié)構(gòu)設(shè)計7.1確定換熱管的規(guī)格和長度對于換熱管我選用:碳素?zé)o縫鋼管,外徑為25mm,厚度為2.5mm,長度為4.5m,材料為不銹鋼。7.2管板結(jié)構(gòu)設(shè)計在確定管子在管板上的排列方式時,應(yīng)該考慮下列問題: 要保證管板的強(qiáng)度,而且管子和管板之間的連接要堅固和緊密。 結(jié)構(gòu)要盡量緊湊,盡可能的減小管板和殼體的直徑。 要使制造、安裝和維修簡潔。(1)管子在管板上的排列 管子在管板上排列采用等邊三角形排列。換熱管中心距S=32,分程隔板槽處管中心距l(xiāng)E=44。 (2)管板上換熱管的管孔設(shè)計 采用級管束,板管孔直徑查GB151-2014標(biāo)準(zhǔn)取25.3mm,允許偏差(+0.10,-0.10)。 (3)管孔表面粗糙度 換熱管與管板焊接粗糙度Ra不大于35m。 (4)管板上布置拉桿孔直徑 拉桿與管板螺紋連接的拉桿螺紋結(jié)構(gòu)見如圖1,螺紋深度按下式確定。拉桿孔直徑d1=16+1.0mm,l2應(yīng)大于螺紋長度La,取La+2; 式中: dn-為拉桿直徑,dn=16mm; l2-為螺紋深度,mm; La-為螺紋長度,mm; 圖2 螺紋連接的拉桿孔4)管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間的連接 法蘭設(shè)計:查JB-T47004707-2000 壓力容器法蘭,選取甲型平焊法蘭,材料為不銹鋼。選用管板兼法蘭圖3 整體管板表2DNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓規(guī)格螺栓數(shù)量bfb450580540500450492450022M20242844 墊片:查JB-T47004707-2000壓力容器法蘭,選取非金屬軟墊片。 圖4 非金屬軟墊片表3尺寸公稱直徑DN,mm墊片D,mm墊片d,mm4504 94454連接:管板與法蘭連接的結(jié)構(gòu)尺寸按JB47004703的規(guī)定。一般采用E型(管板通過金屬墊片將殼體法蘭、管箱法蘭組裝到一起。)方法。圖5 管箱-e型1. 管板的厚度管板的制造成本在整體成本占有較高的比重,其計算過程比較復(fù)雜,而且從不同角度出發(fā),算出來的的管板厚度往往會有很大差距。一般來說浮頭式的換熱器所受力較小,其管板厚度只需要滿足密封性。但對于脹接的管板,則需要考慮剛度的要求,因腐蝕產(chǎn)生壁厚增加,以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和振動等原因。管板的厚度,最終從換熱器設(shè)計手冊的相關(guān)表中選得厚度為:44mm。 2.換熱板與管板的連接 這個連接是設(shè)計過程中的一個重要的問題。對于固定管板換熱器,要保證接頭密封良好,還需要接合處能承受必要的軸向力,避免管子從管板中脫落。管子與管板主要的連接方式是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達(dá)到密封和壓緊的一種機(jī)械連接方法,如圖6所示。當(dāng)溫度升高時,材料的剛性將會下降,熱膨脹應(yīng)力增大,導(dǎo)致接頭松動或脫落,發(fā)生泄漏。焊接通常認(rèn)為比脹接更可靠。對于碳鋼或低合金鋼,溫度在300以上,蠕變會造成脹接殘余應(yīng)力減小,所以一般采用焊接。焊接接口接頭如圖7所示。圖7(a)的結(jié)構(gòu)是一種常用結(jié)構(gòu);為了減少管口處的流體阻力或避免立式換熱器在管板上方液體的滯留,可采用圖7(b)的結(jié)構(gòu);如果管子被熔化的金屬堵住,則可改成圖7(c)的結(jié)構(gòu);圖7(d)的形式適用于容易發(fā)生熱裂紋的材料,但加工量較大。 圖6 圖7脹焊結(jié)合的方法對比單純的脹接、焊接方法有很多優(yōu)點(diǎn),目前脹焊結(jié)合的方法也已得到比較廣泛的應(yīng)用。3.容器法蘭(JB/T4700-4707-2000) 甲型平焊法蘭,材料為16Mn圖8 凹凸密封面-法蘭表4數(shù)據(jù)DNDD1D2D3D4d螺栓規(guī)格螺栓數(shù)量4505805405054954924022M20247.3殼體直徑的確定(查GB151-2014) 固定管板熱交換器,殼體采用不銹鋼。按照GB151的規(guī)定,確定了管子中心距后,便可以畫出管子排列的草圖。于是,可以確定布管限定圓的直徑DL為0.405m 殼體內(nèi)徑Ds為0.43m,取標(biāo)準(zhǔn)值0.45m。厚度取8mm。7.4殼側(cè)流通截面積的確定及折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(查GB151-2014) 選弓形折流板,上下缺口型,缺口高度為0.11mm,板間距300mm,厚度為12mm,外徑為446.5mm,外徑允許偏差(-0.5-0),數(shù)量為12,經(jīng)計算滿足傳熱要求。 采用級管束,板管孔直徑查取25.3mm,誤差范圍(0,+0.40)。換熱器的殼程大部分為單相清潔流體時,所以折流板缺口應(yīng)水平上下布置。液體中含有少量氣體的時候,則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開一個通氣口,開 口高度為0.11mm。圖9 折流板開口方式7.5拉桿及定距管 材料采用Q235鋼,選用16的拉桿,數(shù)量為4根,具體位置及裝配方式見裝配圖,一端與管板用螺紋連接,另一端用螺母固定在折流板上。定距管尺寸與換熱管一致,25mm,300mm長度的24個,484mm的8個圖10 拉桿的連接尺寸表5數(shù)據(jù)拉桿直徑拉桿螺紋公稱直徑LaLhb1616206027.6保溫層根據(jù)設(shè)計溫度選保溫材料為脲甲醛泡沫塑料,其物性參數(shù)如下:表6保溫材料參數(shù)密度(kg/m)導(dǎo)熱系數(shù)(kcal/m.h.)吸水率(%)抗壓強(qiáng)度(kg/m)試用溫度()13200.01190.026120.250.5-190+500按照設(shè)備及管道保溫設(shè)計導(dǎo)則,外表面的溫度大于50時,設(shè)備和管子需要設(shè)置保溫層。管道和圓筒設(shè)備外徑小于1020mm,按照圓筒面計算保溫層厚度。DoLnDoDs=A2fntT-TsPiS-2=Do-Ds10002 式中: 保溫層厚度; A2常數(shù),A2=0.002; fn熱價,元/106kj; 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),(kcal/m.h.); t年行時間,h; T設(shè)備和管道的外表面溫度, Ta環(huán)境溫度, Pi保溫結(jié)構(gòu)單位造價,元/m; S保溫工程投資貸款年分?jǐn)偮?S=(i(1+i)n)/(1+i)n-1)%; i年利率,%; n計息年數(shù),年; 保溫層外表面向大氣熱的放熱系數(shù),kcal/m.h.; Do保溫層外徑,mm; Ds保溫層內(nèi)徑,mm;DoLnDoDs=A2fntT-TsPiS-2=0.0023.60800089.45-308630.24-2011.63=0 保溫層外徑Do=510mm=Do-Ds10002=510-0.4510002=30mm7.7其他構(gòu)件 旁路擋板:材料為不銹鋼,厚度為12mm,寬度為25mm,長157.3mm, 與折流板焊接牢固418 其它零部件的選擇和布置8.1 接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計查鋼制管法蘭、墊片、緊固件 殼程接管外伸高度及管程接管外伸高度: lh+hl+15或查熱交換器設(shè)計手冊(錢頌文)表1.66 殼程接管外伸高度,當(dāng)DN=250,=050,l3=200 1.殼程接管的計算 如圖11為殼程接管的位置圖。殼程接管位置的最小尺寸可由下列公式計算: L1dh/2+(b-4)+C,(不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管)計算得L1274mm,取274mm表7名稱公稱直徑DN管子外徑A法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n(個)螺栓Th法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B殼程接管直徑39527339535022122026276.5 2.管程接管的計算 管程接管外伸高度,當(dāng)DN=125, =050,l4=200 如圖12管程接管的位置圖。管程接管位置的最小尺寸可由下列公式計算: L2dh/2+hf+C,(不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管)計算得L2203mm, 取L2 = 203mm表8接管計算數(shù)據(jù)名稱公稱直徑DN管子外徑A法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n(個)螺栓Th法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B管程接管直徑250139.72502101881622143.5 圖11 排氣管法蘭圖12 殼程接管位置圖13 管程接管位置 3.接管開孔補(bǔ)強(qiáng) (1)筒體厚度的確定 焊接方式:選為雙面焊對接接頭,100%無損傷,故焊接系數(shù)為=1 筒體厚度計算為:=PcDs10002t-Pc=1.20.45100021221-1.2=2.22mm 式中: Pc設(shè)計壓力,MPa Di殼體厚度,mm 計算厚度,mm 焊接接頭系數(shù) 殼體厚度的負(fù)差值C1=1,在無特殊腐蝕條件下,腐蝕裕量C21mm,取腐蝕裕量2。 設(shè)計厚度:d=+C2=2.22+2=4.22mm 名義厚度:n=d+C1=4.22+1=5.22mm 考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要,名義厚度向上取整為8mm 有效厚度:e=n-C1-C2=14-1-2=11mm 管箱厚度計算選擇設(shè)計溫度為42.5,設(shè)計壓力為Pc=1.6MPa,焊縫系數(shù)=0.6,腐蝕裕度C2=2 計算厚度:=PcDs2t-Pc=1.645021220.6-1.6=4.97mm 設(shè)計厚度:d=+C2=4.97+2=6.97mm 名義厚度:n=d+C1=6.97+1=7.97mm 圓整后名義厚度為5.4mm 有效厚度:d=n-C1-C2=8-1-2=5mm8.2殼程接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 殼程接管的選用39512mm的熱軋?zhí)妓劁摴?材料的許用應(yīng)力147MPa,取C2=0,C=1。采用等面積補(bǔ)償法校核。C1=0.15nt=0.1512=1.8 接管計算壁厚:t=PcD2t-Pc=1.239521471-1.2=1.62mm 接管有效壁厚:et=nt-C2-C1=12-0-1.8=10.2mm 開孔直徑:d=D+2C=395+21=397mm 接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度:B=2d=2397=794mm 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度:h1=dnt=39712=69.02mm 需要補(bǔ)強(qiáng)面積:A=d=3972.22=881.34 強(qiáng)度削弱系數(shù):fr=0.5 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積:A1=B-de-=794-39711-2.22=3485.66A2=2h1et-tfr=269.0210.2-1.620.5=592.19A=A1+A2=4077.85881.34 接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠,不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。8.3管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 管箱接管的選用2507mm的熱軋?zhí)妓劁摴?材料的許用應(yīng)力147MPa,取C2=0,C=1。采用等面積補(bǔ)償法校核。C1=0.15nt=0.157=1.05 接管計算壁厚:t=PcD2t-Pc=1.625021471-1.6=1.37mm 接管有效壁厚:et=nt-C2-C1=7-0-1.05=5.95mm 開孔直徑:d=D+2C=250+21=252mm 接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度:B=2d=2252=504mm 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度:h1=dnt=2527=42mm 需要補(bǔ)強(qiáng)面積:A=d=2524.97=1252.44 強(qiáng)度削弱系數(shù):fr=0.5 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積:A1=B-dd-=504-25211-4.97=1519.56A2=2h1et-t=2425.95-1.37=384.72A=A1+A2=1904.281252.44 接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠,不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。8.4管箱的設(shè)計 封頭(JB-T 25198-2010):固定管板式熱交換器的兩端管箱可由封頭和管箱圓筒(短節(jié))構(gòu)成。封頭的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù) JB-T 25198-2010(壓力容器封頭)7和GB150-2011(壓力容器)2的相關(guān)規(guī)定設(shè)計。選取選用材料為16Mn的EHA以內(nèi)經(jīng)為基準(zhǔn)橢圓形封頭。 圖14 橢圓形封頭EHA 公稱直徑為450mm,查得H=138mm,由D1/2*(H-hi)=2得,h=25.5mm,厚度取5.4mm。分程隔板材料為Q235鋼,厚度為6mm,寬度為444mm,長為486.35mm, 一端為和封頭相同的橢圓,一端為平面,隔板槽深為6mm,寬為8mm,拐角處倒角為458.5排氣管、排液管的選用和布置 臥式換熱器的排氣、排液口多采用圖10的結(jié)構(gòu),設(shè)置的位置分別在殼體、管箱殼體的上部和底部。選用404.15,材料20號鋼無縫鋼管,外伸高度h=150mm。8.6支座的選擇與布置(JB/T 4712-2007) 選用鞍式支座,材料為Q235鋼,公稱直徑為450mm 圖15 鞍式支座示意圖 安裝2個支座,均勻布置鞍座之間的距離LB=(0.50.7)L=3150m表9公稱直徑DN鞍座高度h底板l1b11腹板2筋板l3b23墊板弧長b4,4el24502004201208822514085402006482909 應(yīng)力計算9.1熱交換器所受的應(yīng)力 壓力引起的軸向力:F1=4psDs2-ndo10002+4ptdi10002n=3.1441.20.452-602510002+3.1441.6201000260=0.19N 殼側(cè)截面積:fs=4Ds+n100022-Ds2=3.1440.45+8100022-0.452=0.01m2 管側(cè)截面積:ft=4do10002-di10002nt=3.1442510002-2010002120=0.0212m2殼體的彈性模數(shù):Es=190000MPa管子的彈性模數(shù):Et=190000MPa殼體應(yīng)力:sp=F1EsfsEs+ftEt=0.191900000.01190000+0.0212190000=6.09MPa管子應(yīng)力:tp=F1EtfsEs+ftEt=0.191900000.01190000+0.0212190000=6.09MPa9.2溫差應(yīng)力管的外壁溫度:tto=t-K12+rs2tm=42.5-513.6111511.85+0.000528185.62=-70.9管的內(nèi)壁溫度:tti=tm1+K12+rs1tm=230+513.6114862.49+0.000176185.62=266.39管子的平均溫度:tw=tto+tti2=-70.9+266.392=97.74殼側(cè)熱流量:Qs=QL1-L=3480.960.981-0.98=71.04Kw熱流密度:q=Qs2Ds4500=71.0423.140.454500=0.005586223Kwm2殼側(cè)內(nèi)壁溫:ts=t-q12+rs1=42.5-0.00558622311511.85+0.000176=42.5所以:ts=42.5,tw=97.74管側(cè)的軸向力:ts=ftEsEtattw-t0-asts-t0Esfs+Etft=0.02121900001900001.684E-0697.74-25-1.654E-0642.5-251900000.01+1900000.0212=12.077436MPa殼側(cè)溫差產(chǎn)生的軸向力:tt=fsEsEtattw-t0-asts-t0Esfs+Etft=0.011900001900001.684E-0697.74-25-1.654E-0642.5-251900000.01+1900000.0212=5.7MPa管子的自由伸長量:t=attw-t0l=1.684E-0697.74-254.5=0.00055m殼體的自由伸長量:s=asts-t0l=1.654E-0642.5-254.5=0.00013m由于殼體膨脹量大于管子的膨脹量,故: 殼體的軸向合成力:s=sp+ts=6.09+12.077436=18.17MPa 管子的軸向合成力:t=tp-tt=6.09-5.7=0.39MPa9.3拉脫力q=s4do10002-di10002do1000h=18.173.1442510002-20100023.142510000.0025=16.35MPa9.4許用應(yīng)拉脫力q=0.5tt=0.5137=68.5MPas=18.17MPas=137MPat=0.39MPat=137MPaq=16.35MPaq=68.5MPa強(qiáng)度應(yīng)力校核符合要求10 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果匯總10.1工藝參數(shù)匯總參數(shù)管程殼程物質(zhì)水潤滑油流量(kg/s)18.5537進(jìn)口溫度()20250出口溫度()65210壓力(MPa)1.61.210.2物性參數(shù)匯總物性管程殼程定性溫度()42.5230密度(kg/)991821比熱容(KJ/(kg)4.172.4黏度(kg/(ms)0.0006220.0011導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m)0.640.13普朗特系數(shù)P_r2P_r2=4.05272P_r2P_r2=4.0527210.3結(jié)構(gòu)計算參數(shù)匯總構(gòu)件計算值構(gòu)件計算值殼體規(guī)格mm4508管程數(shù)2殼程接管mm250管程接管mm125排液管mm40排氣管mm40殼程材質(zhì)不銹鋼管程材質(zhì)不銹鋼換熱管長mm4500換熱管數(shù)量n_tn_t=120根換熱管規(guī)格mm252.5管子排列方式等邊三角形排列折流板數(shù)目mm12折流板間距m0.3總結(jié)本次設(shè)計是對一個U型管式換熱器進(jìn)行設(shè)計,使其結(jié)構(gòu)能夠滿足絕大多數(shù)實際使用要求。然后利用二維軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維繪圖處理,讓他的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行直觀表達(dá)出來。通過對本設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計,使其自由度能夠符合實際應(yīng)用,并對該設(shè)計的動力傳遞進(jìn)行針對性設(shè)計。使用該產(chǎn)品的具體范圍進(jìn)行了說明,重要部件的傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計,以及必要的檢查完成,以確保設(shè)計的安全性和可靠性。本次設(shè)計完成對換熱器的設(shè)計,讓我更加深入的了解了換熱器,通過整個設(shè)計過程,讓我結(jié)合了各種知識,我已經(jīng)學(xué)會和全面的方式行使權(quán)力。同時設(shè)計需要繪制圖紙,鍛煉了我圖紙設(shè)計和二維圖紙繪制的水平。通過學(xué)習(xí)已讓我看到國內(nèi)外這方面設(shè)計的差距,讓我有動力去提升自身素質(zhì),為祖國的機(jī)械制造業(yè)添磚加瓦。此次設(shè)計雖初步完成U型管換熱器整體設(shè)計方案,但是不足之處依然,像此機(jī)構(gòu)的實際生產(chǎn)簡單與否,工作運(yùn)動合理與否都有待驗證,設(shè)計精度也欠考慮,后續(xù)再有此類設(shè)計的人員,可進(jìn)行完善,讓此類設(shè)計能更好的符合實際的生活需求,提高質(zhì)量,實現(xiàn)真正的中國制造。參考文獻(xiàn)1 錢頌文.換熱器設(shè)計手冊M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20022 史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計M.南京:東南大學(xué)出版社,19893 潘國昌,郭慶豐.化工設(shè)備設(shè)計M.北京:清華大學(xué)出版社,19964 鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20055 尾花英朗著,徐忠權(quán)譯.熱交換器設(shè)計手冊M.北京:石油工業(yè)出版社,19826 卓震.化工容器及設(shè)備M.北京:中國石化出版社,19987 董舒民,姜德林煉油廠換熱器腐蝕分析及防護(hù)J.化工技術(shù)與開發(fā), 2006年10期 35卷.8 趙淑芝.換熱器技術(shù)新進(jìn)展J.石油化工動態(tài), 1996年4期 4卷9 王海名.換熱器的強(qiáng)化傳熱J.石油化工建設(shè),2005年第2期第27卷10 吳金星(編),高效換熱器及其節(jié)能應(yīng)用,化學(xué)工業(yè)出版社,200911 馬曉馳。國內(nèi)外新型高效換熱器J?;みM(jìn)展,2001,(01):49-5112 盧煥章. 石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 1982.13 李世玉. 壓力容器工程師設(shè)計指南M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 199614 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 鋼制壓力容器.GB150-201115 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 鋼制壓力容器封頭.GBT25198-201016 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 容器支座.JB4712-200717 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 鞍式支座壓力容器法蘭.GB150-201118 中華人民化學(xué)工業(yè)部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 鋼制管法蘭、墊片、緊固件.HG20592-20635-200919 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 熱交換器 GB/T 151-201443致謝經(jīng)過這學(xué)期最后幾個星期終于把這次設(shè)計做完,當(dāng)我的畢業(yè)設(shè)計做完,我的大學(xué)生活也悄悄的接近尾聲,回想大學(xué)四年,有諸多回憶和留戀。在這次論文設(shè)計中我經(jīng)歷了論文初期的困惑、茫然、失望甚至厭煩,中期學(xué)習(xí)中的豁然開朗、峰回路轉(zhuǎn),到最后的卸下負(fù)擔(dān)一身輕松。通過這次的畢業(yè)設(shè)計,我學(xué)到了很多,收獲了很多。這次論文的順利完成,感謝在大學(xué)期間所有教過我的老師,他們讓我學(xué)到了與此次論文設(shè)計相關(guān)的東西,其次就是指導(dǎo)老師,在我有不懂的方面多次去請教他,在他細(xì)心的講解下我明白了這次設(shè)計內(nèi)容,以及如何做好篇論文,最后真心的表示感謝!45I
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