U型管式換熱器設計【包含12張CAD圖紙】

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世界最新機械設計理念 來源:中國科技期刊 摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進行機械產(chǎn)品設計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)的努力方向。 關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設計方法發(fā)展趨勢 設計文件是將語義設計網(wǎng)作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡描述設計，結(jié)點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構(gòu)件或加工設備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設計過程中的所有活動和結(jié)果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。 系統(tǒng)化設計方法 系統(tǒng)化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設計系統(tǒng)所需完成的任務。 系統(tǒng)化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法。 1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。 2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 3. 將機械設計中系統(tǒng)科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。 由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設計方法。 4. 設計元素法 用五個設計元素（功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。 5. 圖形建模法 研制的“設計分析和引導系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。 將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。 6. “構(gòu)思”—“設計”法 將產(chǎn)品的方案設計分成“構(gòu)思”和“設計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。 將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現(xiàn)有知識的方法，并將其應用于“構(gòu)思”和“設計”階段。 7. 鍵合圖法 將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設計方案的方法。 提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。 本結(jié)構(gòu)應該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設計與組合設計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。 以設計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。 網(wǎng)絡技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產(chǎn)品的方案設計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產(chǎn)品設計中的應用。 機械產(chǎn)品的方案設計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。 基于產(chǎn)品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設計。 機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設計學者針對機械系統(tǒng)方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。 The worlds Latest Mechanical Design Conceptssource： China Science and Technology JournalAbstract:According to scholars at home and abroad to carry out mechanicaldesign product design features of the main ideas, product design method of theprogram summarized as systematic, modular structure, based on productcharacteristics of knowledge and wisdom. The characteristics of these methods andtheir organic connection between them and put forward to achieve the computerproduct design direction. K ey words: Mechanical Product Design MethodDevelopment Trends Design documents will be Semantic Web as a design tool inthe design of its Semantic Web activity of the development of ASK, using nodes andlines to describe the design a network, nodes that components of the cell (such asdesign tasks, functions, components or processing equipment, etc. ), used to adjust thelines and definitions between nodes of different semantic relations, thus the designprocess all the activities and results of pre-built models so that the definition of theearly design requirements to the specific description of each structure can be definedby the relationship between the expression, achieved a computer-aided design process,the leap from the abstract to the concrete.Asystematic design method The main features of a systematic design method are: the design as designed by anumber of elements of a system, the independence of each design elements, eachelement of an organic link between the existence of, and is layered, with all the designelements , you can design systems to achieve the required task.Systematic design idea in the 70s by the German scholar Professor Pahl andBeitz, the system based on the theory they developed a general pattern of the design, advocacy design work should have organized. German Engineers Association, on thebasis of this design concept to develop a standard VDI2221 technology systems andproduct development design methods.1. The user needs functional characteristics as a product concept, structuredesign and part design, process planning, job control, etc. based on the macro fromthe product development process of starting the use of quality function deploymentmethod and system to user demand information reasonably and efficiently convertedto the various stages of product development, technical goals and operational controlprocedures method.2. The level of the product life of the organism as a system, and means of living systems theory, the product design process can be divided into successfulhierarchy of needs to achieve the functional requirements of the conceptual level andproduct level of the specific design. At the same time life-support systems used toexpress the abstract icons of the product functional requirements, system structureformation of product features.3. The mechanical design of the application of systems science into two basicquestions: First, to be designed as a system dealing with the products, the best way todetermine its component parts (modules) and their mutual relations 1; is the productdesign process as a system, according to design objectives, a correct and reasonablydetermine the various aspects of the design work and various design stage.Because each designers point of research questions and to consider the questionof emphasis, to design a specific research methods used is also different. Here aresome representative of the systematic design methods.4. Design Element MethodWith the five design elements (functions, effects, effects vector, shape, elements,and surface parameters) describe the product solutions that a product to determinethe value of the five design elements, the product of all the features and characteristics of the value of i.e. determined. Scholars in China have adopted similar methodsdesigned to describe the products original understanding.5. Graphic modeling method And developed a design analysis and guidance systems KALEIT, with thelevel of clear graphic description of a products functional structure and its associatedabstract information, to the system structure and function relationship of graphicalmodeling, and functional connection between the layers 2.Assistance will be designed to be divided into two aspects of methodology andexchange of information using the Nijssen Information Analysis Method can be usedgraphic symbols, with a rich semantic model structure, can be described as integrationconditions, can be divided into types of constraints can be achieved in relationsbetween any combination of characteristics , the design method to solve integrationand information technology to realize the design process of information between different abstraction layers between the graphical modeling.6. Concept - Design methodProducts design is divided into concept and design in two stages. Conceptphase of the task is to find, choose and mix to meet the requirements of the originalunderstanding of design tasks. Design stage of work is a concrete realization of theoriginal understanding of the conceptual stage.Of the programs idea of specific described as: In accordance with theappropriate functional structure, seeking to meet the design requirements of theoriginal understanding of the task. The functional structure of the sub-function isperformed by the structural elements to achieve, and structural elements of the physical connection between the definition of a feature vector, feature vector andstructural elements further the interaction between the formation of the functionaldiagram ( mechanical diagram). The program design is based on functional diagram,the first qualitative description of all of the feature vector and structural elements,and then quantitatively describe all the structural elements and the connection parts( feature vectors), the shape and location to be structure diagram 3. Roper, H. usinggraph theory, by means of which he defines as the total design unit (GE), structuralelements (KE), functional structural elements (FKE), connect structural elements(VKE), Structural Parts (KT), structure element part (KET) concepts, as well asdescribe the structure element size, location, and transmission parameters of the interactions between a number of kinds of schematics, the intuitive designprofessionals have done a formal design method a description of the formation of aneffective application of existing knowledge, methods, and applied to ideas anddesign stage.7. Bond Graph MethodFunction of the composition of system components will be divided into produceenergy, consumed energy, changing energy forms, such as various types of energytransfer, and to use bond graphs to express the function component solution, hoping tofunction-based model and bond graph combine to achieve functional structure theautomatic generation and functional structure with the bond graph automatic conversion between the search for bond graph generated by a number of designmethods.To promote the product on the basis of functional analysis, the product has somefeatures broken down into one or several modular basic structure, by selection andcombination of the basic structure of these modular form into different products.These basic structures can be parts, components, or even a system.The structure should have a standardized interface (connection and co-operationdepartment), and is serialized, universal, integrated, hierarchical, agile,economic-oriented, with interchangeability, compatibility and relevance. Chinascombination of software component technology and CAD technology, variant design combined with the modular design, according to modular principle of classification,will be divided into descending Machining Center Machine Tool product level,component level, component level and component level, and use expert knowledgeand CAD technology to combine them into different species, different specificationsof functional blocks, and then by the combination of these functions into differentmodules of the overall program processing center.To design a directory as an alternative variation of the mechanical structure ofthe tool, the solution proposed by the design elements of a complete, structured layout,the formation of the solution set design catalogs. And in the solution set designed tocomment on each one listed in the directory solution additional information, is very beneficial to design engineers select solution elements.The vigorous development of network technology, collaborative design andmanufacturing, as well as the product from the users functional requirements design processing assembly finished product of this realization of concurrentengineering possible. However, an important prerequisite to achieve these goals oneof the conditions is to realize the effect of product design three-dimensionalvisualization. To this end, three-dimensional graphics software, more and moreintelligent design software programs used in the product design, virtual realitytechnology and multimedia, hypermedia tools for product design is also its first debut.At present, Germany and other developed countries are focused on research hypermedia technology, product data exchange standard STEP, as well as standardvirtual reality modeling language based on a standard exchange format for virtualenvironments) in the product design applications.Mechanical product design is moving in computer-aided realization of intelligentdesign and to meet the needs of distributed collaborative design and manufacture ofdirection, due to the computer product design Study on the implementation startedlate, not yet mature, to achieve the above objectives program design tools 4. Authorbelieves that the integrated use of paper, four types of design method is an effectiveway to achieve this goal. Although the integrated use of these methods are moreinvolved in the field, not only with the mechanical design of the field-related knowledge, but also to the systems engineering theory, artificial intelligence theory,computer hardware and software engineering, network technology areas such asdomain knowledge, it is still product design must be working for. Abroad in researchin this area has achieved initial success, our scholars have been aware of CAD designtechnology and the importance of international exchange and cooperation, and itsmeasures to be taken.Feature-based design methodology of knowledge The main features are: using acomputer can identify the language to describe the characteristics of the product andits design experts in the field of knowledge and experience to establish the appropriateknowledge base and inference engine, re-use of stored domain knowledge and the establishment of the inference mechanism to bring computer-aided product design.The mechanical system design is mainly based on the characteristics of a product,and design experts in the field of knowledge and experience to push volume anddecision-making, the completion of body type, the number of synthesis. To achievethis stage of computer-aided design, must study the automatic acquisition ofknowledge, expression, integration, coordination, management and use. To this end,the design and scholars at home and abroad program for the mechanical systemdesign knowledge of the automated processing done a lot of research work, theapproach can be summarized into the following several. U型管式換熱器設計 摘要 本文介紹了U型管換熱器的整體結(jié)構(gòu)設計計算。U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無熱應力，熱補償性能好；管程采用雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。U型管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。 本次設計為二類壓力容器，設計溫度和設計壓力都較高，因而設計要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設計中主要進行了換熱器的結(jié)構(gòu)設計，強度設計以及零部件的選型和工藝設計。 關(guān)鍵詞：U型管換熱器，結(jié)構(gòu)，強度，設計計算 U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN ABSTRACT This paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories. This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design. KEYWOEDS: U-tube heat exchanger, frame, intensity, design and calculation 50 安徽理工大學畢業(yè)論文 目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 緒論 1 1管殼式換熱器的類型、結(jié)構(gòu)與型號 2 1.1 換熱器的零部件名稱 2 1.2 換熱器的主要組合部件 3 2換熱器材料選擇 4 2.1 選材原則 4 3換熱器結(jié)構(gòu)設計 5 3.1 壁厚的確定 6 3.2 管箱圓筒短節(jié)設計 6 3.3 殼體圓筒設計 7 3.4 封頭設計 8 3.4.1 后封頭計算 9 3.4.2 管箱封頭計算 10 3.5 換熱管設計 11 3.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 11 3.5.2 U形管的尺寸 12 3.5.3 管子的排列型式 12 3.5.4 換熱管中心距 13 3.5.5 布管限定圓 13 3.5.6 換熱管的排列原則 15 3.6 管板設計 15 3.6.1 管板連接設計 17 3.6.2 管板設計計算 19 3.7 管箱結(jié)構(gòu)設計 21 3.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度 22 3.7.2 分程隔板 22 4 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu) 23 4.1 進出口接管設計 23 4.1.1 接管法蘭設計 23 4.1.2 接管外伸長度 25 4.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接 25 4.1.4 接管開孔補強的設計計算 25 4.1.5 接管最小位置 29 4.1.6 殼程接管位置的最小尺寸 30 4.1.7 管箱接管位置的最小尺寸 30 4.2 管板法蘭設計 30 4.2.1 墊片的設計 33 4.2.2 螺栓設計 34 4.2.3 法蘭設計 38 4.3 折流板 38 4.3.1 折流板尺寸 39 4.3.2 折流板的布置 39 4.3.3 折流板的固定 36 4.4 拉桿與定距管 38 4.4.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式 39 4.4.2 拉桿的直徑和數(shù)量 39 4.4.3 拉桿的尺寸 40 4.4.4 拉桿的布置 42 4.4.5 定距管尺寸 42 4.5 防沖與導流 42 4.5.1 防沖板的形式 42 4.5.2 防沖板的位置和尺寸 42 4.5.3 導流筒 43 4.6 雙殼程結(jié)構(gòu) 43 4.7 防短路結(jié)構(gòu) 44 4.7.1 旁路擋板的結(jié)構(gòu)尺寸 44 4.7.2 擋管 44 4.7.3 中間擋板 44 4.8 鞍座 45 結(jié)論 46 參考文獻 47 致謝 48 附錄 英文文摘及翻譯 49 緒論 能源是當前人類面臨的重要問題之一，能源開發(fā)及轉(zhuǎn)換利用已成為各國的重要課題，而換熱器是能源利用過程中必不可少的設備，幾乎一切工業(yè)領(lǐng)域都要使用，化工、冶金、動力、交通、航空與航天等部門應用尤為廣泛。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)利用，各種類型的換熱器越來越受到工業(yè)界的重視，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設備，因此，無論是從工業(yè)的發(fā)展，還是從能源的有效利用，換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。 近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應用領(lǐng)域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經(jīng)濟效益。換熱器分類方式多樣,按照其工作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類,間壁式換熱器又可分為列管式和板殼式換熱器兩類,其中列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性,在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗,其設計資料比較齊全, 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。 近年來盡管列管式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn),但由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應用材料廣等優(yōu)點,列管式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設備中仍占有絕對優(yōu)勢。 列管式換熱器適用于化工、石油、醫(yī)藥、食品、輕工、冶金、焦化等行業(yè)的液和液,汽和汽,汽和液的對流傳熱,蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱等換熱冷凝流程。列管式換熱器是由一個圓筒形殼體及其內(nèi)部的管束組成。管子兩端固定在管板上，并將殼程和管程的流體分開。殼體內(nèi)設有折流板，以引導流體的流動并支承管子。用拉桿和定距管將折流板與管子組裝在一起。列管式換熱器共有三種結(jié)構(gòu)型式:固定管板式、浮頭式和U形管式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低，每根換熱管可以單獨清洗和更換，在結(jié)構(gòu)尺寸相同的條件下，與浮頭式和U形管式換熱器相比，換熱面積最大。固定管板式換熱器的殼程清洗困難，適應熱膨脹能力差，決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質(zhì)清潔，殼程壓力不高，換熱介質(zhì)溫差不大的場合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束，而且可拆卸抽出管束，檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便，因此，浮頭式換熱器應用最廣泛，在油田儲運集輸系統(tǒng)中，60%～70%的換熱器為浮頭式換熱器。?Ｕ形管式換熱器是管殼式換熱器的一種,它由管板、殼體、管束等零部件組成。在同樣直徑情況下,Ｕ形管換熱器的換熱面積最大；它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、密封性能高, 檢修、清洗方便、在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價最低;Ｕ形管換熱器只有一塊管板,熱補償性能好、承壓能力較強,適用于高溫、高壓工況下操作。 1管殼式換熱器的類型、結(jié)構(gòu)與型號 1.1 換熱器的零部件名稱 表1.1 序號 名稱 序號 名稱 序號 名稱 1 接管法蘭 11 活動鞍座（部件） 21 縱向隔板 2 管箱法蘭 12 U形換熱管 22 接管 3 殼體法蘭 13 擋管 23 內(nèi)導流筒 4 防沖板 14 固定鞍座（部件） 24 圓筒 5 補強圈 15 滑到 25 管箱側(cè)墊片 6 殼體（部件） 16 管箱墊片 26 凸形封頭 7 折流板 17 管箱圓筒（短節(jié)） 27 雙頭螺柱或螺栓 8 拉桿 18 封頭管箱（部件） 28 放氣口 9 定距管 19 分層隔板 29 螺母 10 支持板 20 中間擋板 圖1.1U型管式換熱器 1.2 換熱器的主要組合部件 換熱器的主要組合部件有前段管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。詳細分類見圖1.2。 圖1.2[2] 主要部件的分類及代號 2換熱器材料選擇 在進行換熱器設計時，對換熱器各種零部件的材料，應根據(jù)設備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但對于材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。 2.1 選材原則 換熱器用鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應力、無損檢測標準及檢測項目均按GB150-1998第四章及其附錄A的規(guī)定。 換熱器的目的是為了傳熱，經(jīng)常與腐蝕性介質(zhì)接觸的換熱表面積很大，為了保護金屬部受腐蝕，最根本的方法是選擇耐腐蝕的金屬或非金屬材料。換熱器主要部件材料選擇見表2.1 表2.1材料 零部件 材料 設計壓力 設計溫度 許用應力 [s]t 標準 管箱封頭 15CrMoR 8.0 323 128.24 GB6654 后封頭 15CrMoR 8.5 273 136.4 GB6654 筒體 15CrMoR 8.5 273 136.4 GB6654 管箱圓筒短節(jié) 15CrMoR 8.0 323 128.24 GB6654 管板 0Cr18Ni10Ti 4.5 323 112.62 GB4728 換熱管 0Cr18Ni10Ti 8.0 323 100.4 GB/T13296-2007 殼程接管 15CrMo PN16 273 105.86 GB6479 管程接管 0Cr18Ni10Ti PN16 273 筒體法蘭 15CrMo PN6.4 273 GB470O-4703- 2000 管程接管法蘭 0Cr18Ni10Ti PN16 HG20592-97 殼程接管法蘭 15CrMo PN16 323 HG20592-97 管箱法蘭 15CrMo PN6.4 273 GB470O-4703- 2000 3換熱器結(jié)構(gòu)設計 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設計，必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、比溫差、結(jié)垢情況、流體的性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇一些適合的結(jié)構(gòu)型式。 對同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設計，以滿足工藝上的需要。 U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價比其它換熱器便宜，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)介質(zhì)必須清潔及不易結(jié)垢的物料。U形管的彎管部分曲率不通，管子長度不一。管子因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。 U型管式換熱器，使用在壓力較高的情況下，在彎管段的壁厚要加厚，以彌補彎管后管壁的減薄。 殼程內(nèi)可按工藝要求裝置折流板、縱向隔板等，折流板由拉桿固定，以提高換熱設備的傳熱效果?？v向隔板是一矩形平板，安裝在平行于傳熱管方向（縱向隔板按工藝要求決定）以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。 符號： ---- 鋼材厚度負偏差mm，應按相應鋼材標準的規(guī)定選?。? ---- 鋼材的腐蝕裕量，mm； ---- 厚度附加量（按[1]第三章?。?，mm；對多層包扎圓筒只考慮內(nèi)筒的C值，對熱套圓筒只考慮內(nèi)側(cè)第一層套盒圓筒的C值； ---- 圓筒或球殼的內(nèi)直徑，mm； ---- 圓筒或球殼的外直徑（) ,mm； ---- 計算壓力（按[1]第3章）,MPa； ---- 設計壓力，Mpa； ---- 管程設計壓力，Mpa； ---- 殼程設計壓力，Mpa； ---- 圓筒或球殼的最大允許工作壓力，MPa； ---- 圓筒或球殼的計算厚度，mm； ---- 圓筒或球殼的有效厚度，mm； ---- 圓筒或球殼的名義厚度，mm； ---- 設計溫度下圓筒或球殼的計算應力，MPa； ---- 設計溫度下圓筒或球殼材料的許用應力（按[1]第4章）,MPa； ---- 試驗溫度下材料的許用應力（按[1]第4章）,MPa； ---- 焊接接頭系數(shù)（按[1]第3章）；對熱套圓筒取 = 1 .0； 3.1 壁厚的確定 殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常由管材或板材卷制而成。壓力容器的公稱直徑按GB9019-88規(guī)定，當直徑＜400㎜時，通常采用管材做殼體和管箱殼體。當直徑≥400㎜時，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以便于法蘭、封頭的選型。卷制圓筒的公稱直徑以400㎜為基數(shù)，一般情況下，當直徑＜1000㎜時，直徑相差100㎜為一個系列，必要時也可采用50㎜；當直徑＞1000㎜時直徑相差200㎜為一個系列，若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔可以取為100㎜。 圓筒的厚度按GB150-1998第5章計算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于表3.1.1的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應不小于3.1.2的規(guī)定。 表3.1.1[2] mm 公稱直徑 400～≤700 ＞700～≤1000 ＞1000～≤1500 ＞1500～≤2000 ＞2000～≤2600 浮頭式，U形管式 8 10 12 14 16 固定式管板式 6 8 10 12 14 表3.1.2[2] mm 公稱直徑 400～≤500 ＞500～≤700 ＞700～≤1000 ＞1000～≤1500 ＞1500～≤2000 ＞2000～≤2600 最小厚度 3.5 4.5 6 8 10 12 3.2 管箱圓筒短節(jié)設計 管箱圓筒（短節(jié)）計算按GB150-1998第五章的有關(guān)規(guī)定；其開孔補強計算按GB150-1998第八章有關(guān)規(guī)定。圓筒的最小厚度按表3.1.2的規(guī)定。設計條件見表3.1.3。 表3.1.3 部件 材料 設計溫度℃ 設計壓力Mpa Mpa Mpa 標準 mm mm 管箱圓筒短節(jié) 15CrMoR 323 8.0 128.24 1.0 GB6654 0 0 圓筒計算： 設計溫度下圓筒的計算厚度按式（3-2-1）計算，公式的適用范圍為。 （3-2-1） 其中；； ；=1.0帶入上式得： 計算厚度：δ= 25.76mm 設計厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm 有效厚度： 設計溫度下圓筒的計算應力按式（3-2-2）計算： （3-2-2） 得 < 滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。 設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計算： （3-2-3） 滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。 3.3 殼體圓筒設計 圓筒的厚度應按GB 150-1998第5章計算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于表3-1的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應不小于表3-2的規(guī)定。設計條件見表3-4： 表3-4 部件 材料 設計溫度℃ 設計壓力Mpa Mpa Mpa 標準 mm mm 殼體圓筒 15CrMoR 273 8.5 136.4 1.0 GB6654 0 0 圓筒計算： 設計溫度下圓筒的計算厚度按式（3-2-1）計算， 其中；； ；=1.0帶入（3-2-1）得： 計算厚度：δ= 25.73mm 設計厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm 有效厚度： 設計溫度下圓筒的計算應力按式（3-2）計算： 得 < 滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。 設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計算： 滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。 3.4 封頭設計[1～3] 壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。 此次設計采用標準橢圓形封頭，它由半個橢球面和短圓筒組成，如圖3.4所示。直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。設計條件見表3.4-1，表3.4-2。 圖3.4 表3.4-1 部件 材料 設計溫度℃ 設計壓力Mpa Mpa Mpa 標準 mm mm 管箱封頭 15CrMo 323 8.0 128.24 1.0 GB6654 0 0 表3.4-2 部件 材料 設計溫度℃ 設計壓力Mpa Mpa Mpa 標準 mm mm 后封頭 15CrMo 273 8.5 136.4 1.0 GB6654 0 0 符號規(guī)定： ---- 封頭內(nèi)直徑，mm； ---- 封頭外直徑（),mm； ---- 封頭曲面深度，mm； ---- 封頭質(zhì)變高度，mm； A ---- 封頭內(nèi)表面積，㎡； V ---- 封頭容積，； m ---- 封頭質(zhì)量，㎏； ---- 計算壓力（按[1]第3章）,MPa； ---- 最大允許工作壓力，MPa； ---- 封頭計算厚度，mm； ---- 封頭有效厚度，mm； ---- 封頭名義厚度，mm； ---- 設計溫度下封頭材料的計算應力，MPa； ---- 設計溫度下封頭材料的許用應力（按[1]第4章）,MPa； ---- 焊接接頭系數(shù)（按[1]第3章）。 3.4.1 后封頭計算 標準橢圓形封頭的計算厚度按式（3-4-1）計算： （3-4-1） 其中；； ；=1.0帶入式（3-4-1）得：計算厚度：δ= 25.32mm 設計厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm 有效厚度： 標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內(nèi)直徑的0.15％，但當確定封頭厚度時已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。 故該標準橢圓形封頭的名義厚度= 26mm合適。 橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計算： （3-4-2） 該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。 設計溫度下封頭的計算應力按式（3-4-3）計算： （3-4-3） 滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。 3.4.2 管箱封頭計算 標準橢圓形封頭的計算厚度按式（3-4-1）計算： 其中；； ；=1.0帶入（3-4-1）得：計算厚度：δ= 25.35mm 設計厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm 有效厚度： 標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內(nèi)直徑的0.15％，但當確定封頭厚度時已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。 故該標準橢圓形封頭的名義厚度= 26mm合適。 橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計算： 該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。 設計溫度下封頭的計算應力按式（3-4-3）計算： 滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。 由續(xù)表1[3]查取封頭的數(shù)據(jù)見表3.4.2： 表3.4.2 封頭 公稱直徑DN mm 曲面高度 mm 直邊高度 mm 內(nèi)邊面積A 容積V 質(zhì)量m 管箱封頭 800 200 50 0.8194 0.0992 174.67 后封頭 800 200 50 0.8194 0.0992 174.67 3.5 換熱管設計[4] 符號規(guī)定： d ---- 換熱管外徑，mm； δ ---- 換熱管厚度，mm； R ---- 彎管段彎曲半徑，mm； ---- 彎曲前換熱管的最小壁厚，mm； ---- 直管段的計算厚度，mm； 3.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 換熱管的長度有設計條件給定取為6m，直徑Ф19mm，厚度δ=2mm；由GB13296查得換熱管的規(guī)格和尺寸偏差見表3.5.1： 表3.5.1 材料 換熱管標準 管子規(guī)格，mm 高精度，較高精度，mm 管控規(guī)格，mm 外徑d 厚度δ 外徑偏差 厚度偏差 管孔直徑 允許偏差 不銹鋼0Cr18Ni10Ti GBA13296-2007 19 2 0.20 19.25 3.5.2 U形管的尺寸 ① U形管彎管段的彎曲半徑 U形管彎管段的彎曲半徑R（見圖3.5.2）應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑可按GB151-1999表11選取，取=40mm。 圖3.5.2 ② U形管彎管段彎曲前的最小壁厚按式（3-5-1）計算： （3-5-1） 其中，d = 19mm，R = = 40mm， = 2mm，帶入上式得： ，圓整取為2.5mm 3.5.3 管子的排列型式 換熱管的排列主要有以下四種方式： 圖3.5.3[2] 正三角形排列用得最普遍，因為管子間距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標準規(guī)定，殼程需用機械清洗時，不得采用三角形排列型式。 在殼程需要機械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應該是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道。 圖3.5.3中（a）和（d）兩種排列方式，在折流板間距相同的情況下，其流通截面要比（b）、（c）兩種的小，有利于提高流速，故更合理些。 本次設計采用正三角形排列。 3.5.4 換熱管中心距 換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，根據(jù)GB151-1999表12，取換熱管中心距為S = 25mm，取分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 = 38mm。 3.5.5 布管限定圓 符號： b ---- 見圖3.5.5.1，其值按表3.5.5.1選取，mm； ---- 見圖3.5.5.1，其值按表3.5.5.2選取，mm； ----見圖3.5.5.1，，mm； ---- 固定管板式換熱器或U型管式換熱器管束最外層換熱管外表面至殼體內(nèi)壁的最短距離，見圖3.5.5.2， = 0.25d = 0.25×19 = 4.75mm，一般不小于8mm，取= 8mm； ---- 墊片寬度，其值按表3-9選取，mm； ---- 布管限定圓直徑，mm； ---- 圓筒內(nèi)直徑，mm； ---- 換熱管外徑，mm； 圖3.5.5.1 圖3.5.5.2 表3.5.5.1[2] b <1000 >3 1000～2600 >4 = 800mm,取b = 28mm。 表3.5.5.2[2] ≤700 ≥10 3 >700 ≥13 5 取= 30mm，= 5mm，則有。 布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，布管限定圓按表3.5.5.3確定。 表3.5.5.3[2] 換熱器型式 固定管板式、U形管式 浮頭式 布管限定圓直徑 得：。 除了考慮布管限定圓直徑外，換熱管與防沖板間的距離也許考慮。通常，換熱管外表面與鄰近防沖板表面間的距離，最小為6mm。換熱管中心線與防沖板板厚中心線或上表面之間的距離，最大為換熱管中心距的。 3.5.6 換熱管的排列原則 ①換熱管的排列應使整個管束完全對稱； ②在滿足布管限定圓直徑和換熱管與防沖板間的距離規(guī)定的范圍內(nèi)，應全部布滿換熱管； ③拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣在靠近折流板缺邊位置處應布置拉桿，其間距小于或等于700mm，拉桿中心至折流板缺邊的距離應盡量控制在換熱管中心距地（0.5～1.5）范圍內(nèi)； ④多管程的各管程數(shù)應盡量相等，其相對誤差應控制在10%以內(nèi)，最大不得超過20%。 3.6 管板設計 符號規(guī)定： ---- 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積，；例如雙管程管板，對于三角形排列： （3-6-1） ---- U 形管根數(shù)，管板開孔數(shù)為2n； ---- 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)； ---- 換熱管中心距，mm； ---- 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm； ---- 管板布管區(qū)面積，㎡； 三角形排列: （3-6-3） ---- 一根換熱管管壁金屬的橫截面積，㎡； ---- 系數(shù)，按和，查圖19[2]； ---- 系數(shù)，按和，查圖20[2]； ---- 系數(shù)，按和，查圖21[2]； ---- 管板開孔前的抗彎剛度，N·mm； （3-6-5） ---- 墊片壓緊力作用中心圓直徑，按[1]第9章，mm； ---- 殼程圓筒和管箱圓筒內(nèi)直徑，mm； ---- 管板布管區(qū)當量直徑，Mmm； （3-6-6） d ---- 換熱管外徑,mm； ---- 管板材料的彈性模量,MPa； ---- 管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ，對于a型連接 ---- 殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ---- 管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ---- 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)；對于a型連接= 0 ---- 換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，按5.8.2.3或5.8.3.2[2]規(guī)定，mm； ---- 管板設計壓力，MPa； ---- 殼程設計壓力，MPa； ---- 管程設計壓力，MPa； ---- 換熱管與管板連接的拉脫力，MPa； ---- 許用拉脫力，按5.7.5[2]規(guī)定，MPa； ---- 半徑，mm；對a型連接： （3-6-7） ---- 換熱管中心距，mm； ---- 管板計算厚度，mm； ---- 管箱圓筒厚度，mm； ---- 殼程圓筒厚度，mm； ---- 換熱管壁厚,mm； ---- 管板強度削弱系數(shù)，一般可??； ---- 管板材料泊松比，取； ---- 布管區(qū)當量直徑與直徑2R之比； ---- 設計溫度下，管板材料的許用應力，MPa； ---- 設計溫度下，換熱管材料的許用應力，MPa； 管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個重要受壓元件。對管板的設計除了要滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結(jié)構(gòu)設計。管板得合理設計對于正確選用和節(jié)約材料、減少加工制造的困難、降低成本、確保使用安全都具有重要意義。 U型管換熱器僅有一塊管板，采用可拆式連接，管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。其連接形式見圖3.6。 圖3.6 管板的最小厚度除滿足強度設計要求外，當管板和換熱器采用焊接時，應滿足結(jié)構(gòu)設計和制造的要求，且不小于12mm。若管板采用復合鋼板，其復合層的厚度應不小于3mm。對于有腐蝕要求的復層，還應保證距復層表面深度不小于2mm的復層化學成分和金相組織符合復層材料的要求。 當管板與換熱管采用脹接時，管板得最小厚度（不包括腐蝕裕度）應滿足表3.6.1。若管板采用復合管板，其復層最小厚度應不小于10mm。并應保證距復層表面深度不小于8mm的復層化學成分和金相組織符合復層材料的要求。 表3.6.1 換熱管外徑d，mm ≤25 >25～<50 ≥50 最小厚度，mm 用于易燃易爆及有毒介質(zhì)等場合 ≥d 用于無害介質(zhì)的一般場合 ≥0.75d ≥0.70d ≥0.65d 3.6.1 管板連接設計 （1）管板與換熱管的連接 對于換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)形式，主要有以下三種：①脹接；②焊接；③脹焊并用，但也可采用其他可靠的連接形式。 a、強度脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況下，脹接結(jié)構(gòu)簡單，管子修不容易。由于脹接管端處在脹接時產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應力，隨著溫度的上升，殘余應力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用。一般適用設計壓力≤4MPa；設計溫度≤300℃；操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及明顯的應力腐蝕場合。一般要求：1、換熱管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有應力腐蝕時，不應采用管端局部退火的方式來降低換熱管的硬度。 b、強度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的焊接。管子與管板的焊接，目前應用較為廣泛，由于管孔不需開槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工簡單。焊接結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫力強，當焊接部分滲漏時，可以補焊，如須調(diào)換管子，可采甩專用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸脹管方便。不適用于有較大振動和有間隙腐蝕的場合。其結(jié)構(gòu)形式和尺寸見圖3.6.1和表3.6.1。 圖3.6.1 表3.6.1[2] 換熱管規(guī)格 d×δ 1×1 12×1 14×1.5 16×1.5 19×2 25×2 32×2.5 38×3 45×3 57×3.5 換熱管最小伸出長度 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 最小坡口深度 1.0 2 2.5 注：1 當工藝要求管端伸出長度列值（如立式換熱器要求平齊或少低）時，可適當加大管板坡口深度或改變結(jié)構(gòu)型式 2 當換熱管直徑和壁厚與列表值不同時值可適當調(diào)整 3 圖（c）用于壓力較高的工況 本次設計中采用不銹鋼換熱管，通常不銹鋼管與管扳一般均采用焊接結(jié)構(gòu)，不管其壓力大小，溫度高低。采用圖3.6.1焊接形式，取= 1.5mm，= 2.5mm，= 2.0mm。管板最小厚度不小于12mm。 c、對于壓力高、滲透性強或在一例有腐蝕性的介質(zhì)，為保證不致泄漏后污染另一側(cè)物料，這就要求管子與管板的連接處絕對不漏，或為了避免在裝運及操作過程中的振動對焊縫的影響，或避免縫隙腐蝕的可能性等，采用脹焊并用的結(jié)構(gòu)型式。脹焊并用的結(jié)構(gòu)從加工工藝過程來看，有先脹后焊，先焊后脹，焊后脹接及貼張等幾種形式。 3.6.2 管板設計計算 (1)換熱器設計條件： 殼程設計壓力 = 4.5MPa；管程設計壓力 = 4.5MPa 管板設計溫度323℃ 殼程腐蝕裕量C = 0mm；管程腐蝕裕量C = 0mm 管程程數(shù)為2 換熱器公稱直徑DN = 800mm 換熱管外徑d = 19mm 換熱管壁厚= 2mm 換熱管根數(shù)n = 367（根據(jù)JB/T4717-1992 U型管式換熱器型式與基本參數(shù)選?。? 換熱管與管板為焊接連接 加持管板的殼程法蘭與管箱法蘭采用特殊設計的長頸對焊法蘭環(huán)形密封面 墊片為八角墊環(huán)Ф900/Φ840 墊片基本密封寬度，按GB 150-1998表9-1選壓緊面形狀6 殼程側(cè)隔板槽深= 4mm；管程側(cè)隔板槽深= 4mm 管板強度削弱系數(shù)= 0.4 (2)各元件材料及其設計數(shù)據(jù) 換熱管材料0Cr18Ni10Ti；設計溫度下許用應力= 112.62MPa 管板材料0Cr18Ni10Ti；設計溫度下許用應力=83.62MPa 許用拉托力按GB 151-1999表33 (3)計算 a、根據(jù)布管尺寸計算、、；根據(jù)法蘭連接密封面型式和墊片尺寸計算墊片壓緊力作用中心圓直徑。由式（3.6.1）得： 由式（3.6.3）得： 由式（3.6.6）得： 根據(jù)GB150第9.5.1條 <6.4mm = 墊片接觸面的平均直徑= （900+840）/ 2 = 870mm。 b、計算，以查表22[2]得，或以查圖19，由縱坐標軸上直接查得。 ，查圖查圖19[2]，由縱坐標軸上直接查得：=0.2742 c、確定管板設計壓力 因為本次設計中設備壓力高，因而對其工作條件要求高，考慮設備運行的安全性，保證設備在任何情況下管程和殼程壓力同時作用，且兩側(cè)均為正壓，取 管板計算厚度δ按式（3.6.8）計算。 （3.6.8） 代入數(shù)據(jù)得： 根據(jù)GB151-1999 管板的名義厚度不小于下列三者之和： ⅰ、管板的計算厚度或最小厚度，取大者； ⅱ、殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開槽深度，取大者； ⅲ、管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，取大者； 所以， = 圓整取= 150mm 管板得有效厚度 整體管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和： a、 管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分； b、 殼程腐蝕裕量與管板在殼程側(cè)的結(jié)構(gòu)開槽深度二者中的較大值。 d、換熱管的軸向應力 一根換熱管管壁金屬橫截面積 按三種工況分別計算： ① 只有殼程設計壓力，管程設計壓力為0； ② 只有管程設計壓力，殼程設計壓力為0； ③ 殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用； 以上三種工況下計算值的絕對值均小于換熱管設計溫度下的許用應力 e、換熱管與管板連接拉脫力 其中取d項計算中三種工況的絕對值最大者 取，，則有 由此得：< = 56.31MPa 滿足要求。 3.7 管箱結(jié)構(gòu)設計 管箱的作用是把管道中來的流體，均勻分布到各傳熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多程換熱器中，管箱還起改變流體的流向作用。管箱側(cè)或管箱頂部有介質(zhì)的出、入口接管。 3.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度 （1）軸向開口的單管程管箱，開口中心處的最小深度應不小于接管內(nèi)直徑的1/3； （2）多程管箱的內(nèi)側(cè)深度應保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當操作允許時，也可等于每程換熱管的流通面積。 兩程之間的最小流通面積是指管箱被平行與地面的平面所剖開所形成的載面面積；每程換熱管流通面積是指同一管程內(nèi)的換熱管管內(nèi)截面所形成的面積之和。 根據(jù)設計要求選擇取管箱內(nèi)側(cè)深度為835mm。 3.7.2 分程隔板 隔板材料應采用與管箱相同的材料制造。分程隔板的最小厚度應不小于表6[2]的規(guī)定。按規(guī)定取隔板材料為15CrMo，隔板的最小厚度為10mm。 分程隔板槽深按照5.6.6.2[2]規(guī)定： 1) 槽深宜不小于4mm ； 2）分程隔板槽的寬度為：碳鋼12mm,不銹 鋼 11 mm ； 3）分程隔板槽拐角處的倒角一般為45°，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R，見圖3.7.2。 圖3.7.2[2] 取槽深為4mm，槽寬度為12mm，倒角為45°。 4 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu) 4.1 進出口接管設計 在換熱器的殼體和管箱上一般均裝有接管或接口以及進出口管。在殼體和大多數(shù)管箱的底部裝有排液管，上部設有排氣管，殼側(cè)也常設有安全閥接口以及其他諸如溫度計、壓力表、液位計和取樣管接口。對于立式管殼式換熱器，必要時還需設置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上開孔，必然會對殼體局部位置的強度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設置，初考慮其對傳熱和壓降的影響外，還應考慮殼體的強度以及安裝、外觀等因素。 4.1.1 接管法蘭設計 已知設計條件見表4.1.1 表4.1.1 管口規(guī)格 符號 用途或名稱 公稱尺寸 連接標準 法蘭類型及密封面形式 1-1，2 管程進出口 PN16 DN250 HG20592-97 WN/RJ 2-1，2 殼程進出口 PN16 DN200 HG20592-97 WH/RJ 根據(jù)HG20592-97選取接管法蘭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 公稱直徑 DN 鋼管外徑 A1 法蘭厚度 C 法蘭頸 法蘭高度 H 法蘭理論重量 （kg） N S H1 R 200 219 66 278 16 16 8 140 65.6 250 273 76 340 20 18 10 155 106.4 公差 連接尺寸 DN 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 螺紋 Th 200 430 360 36 12 M33×2 250 515 430 42 12 M39×3 密封面尺寸 DN d P E F Rmax 250 388 330 11 17 0.8 200 322 275 11 17 0.8 公差 ±0.5 ±0.13 +0.4 0 ±0.2 ±0.5° 墊片尺寸 DN A P H C 200 15.5 275 22 10.5 250 15.5 330 22 10.5 公差 ±0.2 ±0.18 ±0.4 ±0.2 緊固件長度計算： 螺柱： 式中： ----緊固件長度，mm； ----法蘭厚度，mm ----法蘭厚度正公差（按HG 20592～20635-97表A.0.1-1規(guī)定）,mm； ----環(huán)連接面法蘭突臺高度（按HG 20592第8.0.2規(guī)定），mm； ----環(huán)連接面法蘭間近似距離（按HG 20592～20635-97表A.0.1-2規(guī)定）,mm； ----螺母最大厚度（按HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； ----緊固件倒角端長度（按HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； ----六角螺栓或螺柱安裝時的最小伸出長度（按一個螺距計算，見HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； ----六角螺栓或螺柱的負公差（按HG 20592～20635-97表A.0.1-4規(guī)定）,mm；， ----墊片厚度，取。 查取數(shù)值，及計算結(jié)果見下表: DN 計算結(jié)果l 200 66 +4.0 11 6.7 28．7 2 2 2.3 3 239.4 250 76 +4.0 11 6.7 33.4 2.5 3 2.6 3 272.1 4.1.2 接管外伸長度 接管外伸長度也叫接管伸出長度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度。 可按式（4.1.1）計算： （4.1.1） 符號： ---- 接管外伸長度，mm； ---- 接管法蘭厚度，mm；h = C+E； 殼程進出口法蘭： 管程進出口法蘭： ---- 接管法蘭的螺母厚度，mm； 殼程進出口法蘭： 管程進出口法蘭： ---- 保溫層厚度，mm，取為0。 代入數(shù)據(jù)計算接管外伸長度得： 殼程進出口接管外伸長度為：，取。 管程進出口接管外伸長度為：，取。 4.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接 接管的結(jié)構(gòu)設計應符合GB 150-1998第8章和附錄J的有關(guān)規(guī)定。接管（或接口）的一般要求： 1）接管宜與殼體內(nèi)表面平齊； 2）接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置； 3）設計溫度高于或等于300℃時，應采用對焊法蘭； 4) 必要時應設置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口； 5）對于不能利用接管（或接口）進行放氣和排液的換熱器，應在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm； 6) 立式換熱器可設置溢流口。 4.1.4 接管開孔補強的設計計算 符號： A ---- 開孔削弱所需的補強面積，㎡； B ---- 補強有效寬度，mm； C ---- 厚度附加量，mm； ---- 殼體內(nèi)直徑，mm； d ---- 開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍厚度附加量，橢圓形或長圓形孔取所考慮平面上的尺寸（弦長，包括厚度附加量），mm； ---- 強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比，當該值大于1.0時，取為1.0； ---- 接管外側(cè)有效補強高度，mm； ---- 接管內(nèi)側(cè)有效補強高度，mm； ---- 計算壓力（按GB150-1998第三章），MPa； ---- 殼體開孔處的計算厚度，mm； ---- 殼體開孔處的有效厚度，mm； ---- 接管有效厚度，mm； ---- 殼體開孔處的名義厚度，mm； ---- 接管名義厚度，mm； ---- 接管計算厚度，mm； ---- 設計溫度下殼體材料的許用應力（按GB150-1998第四章），MPa； ---- 鋼材標準 抗拉強度下限值，MPa； ---- 鋼材標準屈服點，MPa； ---- 焊接接頭系數(shù)（按GB150-1998第三章）。 本次設計采用整體補強設計。具體設計如下： （1）確認方法的適用性 A 圓筒計算厚度： 殼程圓筒計算厚度： 管程圓筒計算厚度： B 接管計算厚度： 殼程開孔直徑： 管程開孔直徑： 殼程接管計算厚度： 名義厚度：，圓整取 有效厚度： 管程接管計算厚度： 名義厚度：，圓整取 有效厚度： C 校核使用條件 殼程接管： ， 管程接管： ， 故本設計可用整鍛件補強設計。 （2）開孔所需補強面積 殼程： 管程： （3）有效補強范圍 A 設定補強元件結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1.4所示。過渡圓角半徑按GB150確定。 或取大者，式中：， 殼程圓角半徑： 取30mm 圖4.1.4 管程圓角半徑： 取35mm 或取大者 殼程圓角半徑： 取15mm 管程圓角半徑： 取15mm B 有效補強范圍半徑 有效補強范圍半徑按式（4.1.4.1）計算 （4.1.4.1） 殼程有效補強范圍半徑： 管程有效補強范圍半徑： （4）有效補強面積 A 圓筒多余金屬面積： 殼程： 管程： B 接管多余金屬面積： 殼程： 管程： C 密集補強區(qū)金屬面積： D 有效補強面積（略去，圓角處金屬面積）： 殼程： 管程： （5）補強結(jié)果 殼程： 管程： 故補強滿足要求。 4.1.5 接管最小位置 在換熱器設計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進、出口接管應盡量靠近兩端管板，而管箱進、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設備重量。然而，為了保證設備的制造、安裝，管口距地的距離也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。本設計采用接管整體補強。 4.1.6 殼程接管位置的最小尺寸 符號： b ---- 管板厚度，mm； ---- 殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C ---- 補強圈外邊緣（無補強圈時，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm； ---- 補強圈外圓直徑，mm； ---- 接管外徑，mm。 殼程接管位置的最小尺寸，可按下列公式計算： 無補強圈的接管 （4.1.6.1） 取C≥4S(S為殼體厚度，mm)且≥30mm。 計算殼程接管位置的最小尺寸如下： C ≥ 4S = 4×26 = 104mm，取C = 105mm； 4.1.7 管箱接管位置的最小尺寸 管箱接管位置的最小尺寸，可按下列公式計算： 無補強圈的接管 （4.1.7.1） 取C≥4S(S為殼體厚度，mm)且≥30mm。 計算管箱程接管位置的最小尺寸如下： C ≥ 4S