【導(dǎo)讀】本文介紹了U形管換熱器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。U形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(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；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形管式換熱器的主要。結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。本次設(shè)計為二類壓力容器，設(shè)計溫度和設(shè)計壓力都較高，因而設(shè)計要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。強(qiáng)度設(shè)計以及零部件的選型和工藝設(shè)計。

　　

【正文】 開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的 Q345R 整體管板。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 管板與殼體的連接﹕由于 U 形管式換熱器 要求管束能夠方便地從殼體中抽出進(jìn)行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式 ，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。 本設(shè)備利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。 管板的加工 管板：管板為碳鋼鍛件，應(yīng)檢查表面含碳量，使任意點(diǎn)的 C%，或在管板上加兩層低碳堆焊層來避免偏析的影響 [13]。 管孔加工：管孔加工必須滿足下列要求： （ 1）保證孔的位置及尺寸精度，如管孔不圓度、同心度及孔壁的光潔度。 （ 2）對大厚度的管板須保證孔與管板平面垂直。 （ 3）組裝狀態(tài)下管板和折流板的同一位置的管孔和拉桿用孔的中心應(yīng)在同 一直線上。 折流板 折 流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設(shè)計殼程介質(zhì)流道，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和流量以及換熱器大小確定折流板的多少。折流板被設(shè)置在殼程，它既可以提高傳熱效果，還起到支撐管束的作用。折流板有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種 。 本次設(shè)計選用弓形折流板。 折流板形式如圖 212所示。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 212 折流板形式 折流板的形式 選用單弓形折流板，上下方向排列，這樣可造成液體的劇烈擾動，增大傳熱膜系數(shù)。為方便選材，選擇折流板的材料為 Q235A，弓形缺口高度為 ，折流板間距為 56mm，查 GB1511999《管殼式換熱器》可知折流板厚度為 6mm。 該臺換熱器折流板排列如下圖 213所示。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 圖 213 折流板排布簡圖 由于折流板很薄，鉆孔時鉆頭的推力使管板中心變形，故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點(diǎn)焊、然后一起鉆孔。 為了保證順利穿管，必須是折流板的管孔與管板中心在同一直線上，可以將管板當(dāng)作鉆模放在折流板上，壓緊后進(jìn)行引孔，即以管板危機(jī)出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，將折流板壓緊，并換上合適的鉆頭 [14]。 拉桿 拉桿的作用是與定距管配合將換熱器的管束上的折流板連接固定起來，防止竄動。拉桿的一端靠螺扣旋入管板中固定，它從數(shù)塊折流板中間的拉桿孔中穿過，另一端用螺母固定在支持板上。拉桿結(jié)構(gòu)見圖。為了使各塊折流板間距符合設(shè)計要求，均勻受力，保證折流板與換熱管垂直，就需要在一個管束中布置一定數(shù)量的拉桿。但拉桿又位于布管區(qū)內(nèi)，一根拉桿就要占一跟換熱管的位置。因此拉桿的布置既要合理，數(shù)量又不能太多。拉桿直徑的選擇與換熱管外徑有關(guān)，拉桿數(shù)量則視換熱器的直徑而定 [15]。拉桿形式如圖 213。 常用拉桿的形式有兩種 ： (1)拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于 19mm 的管束， 2 alL? （ aL按 《 GB1511999》 表 45 規(guī)定）； (2)拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于 14mm 的管束，1ld? ； (3)當(dāng)管板比較薄時，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。 本次設(shè)計換熱管的外徑為 14mm，拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，材料為 Q235A。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 214 拉桿結(jié)構(gòu)示意圖 拉桿的直徑、數(shù)量及布置 其具體尺寸如下圖 215 所示。 圖 215 拉桿結(jié)構(gòu)尺寸 按 GB1511999《管殼式換熱器》中規(guī)定 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。若對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于 3 個支承點(diǎn)。 還應(yīng)滿足 GB1511999《管殼式換熱器》中規(guī)定。拉桿參數(shù)見表 24，表 25所示。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 表 24 拉桿參數(shù) 換熱管外徑 d 10≤ d≤ 14 14≤ d≤ 25 25≤ d≤ 57 拉桿直徑 dn 10 12 16 表 25 拉桿參數(shù) 公稱直徑 DN， mm ＜ 400 ≥ 400 ≥ 700 ≥ 900 ≥ 1300 ≥ 1500 ≥ 1800 ≥ 2021 ≥ 2300 拉桿直徑 dn， mm ≤ 700 ≤ 900 ≤ 1300 ≤ 1500 ≤ 1800 ≤ 2021 ≤ 2300 ≤ 2600 10 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 14 16 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。拉桿位置占據(jù)換熱管的位置，對于大直徑換熱器，在布管區(qū)的中心部位或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。 定距管 定距管的作用是將折流板之間的距離固定下來， 定距管的規(guī)格同換熱管，其長度同實(shí)際需要確定。本臺換熱器定距管的布置可以參照部件圖，材料確定為 20 號鋼，規(guī)格為 φ 16 2 =50mm， φ 16 2 =340mm。 裙座的設(shè)計 立式化工裝備常采用裙座支承。裙座形式根據(jù)承受載荷情況不同，可分為圓筒形和圓錐形兩類。本 U 形管換熱 器采用圓筒形，圓筒形裙座經(jīng)濟(jì)上合理，故應(yīng)用廣泛。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 圖 216 裙座簡圖 裙座的結(jié)構(gòu) 由筒體、保溫支撐圈、無保溫時排氣孔、裙座筒體、人孔、螺栓座、基礎(chǔ)環(huán)、引出管通道、排液孔等組成。 裙座由裙座筒體、基礎(chǔ)環(huán)、地腳螺栓座、人孔、排氣孔、引出管通道、保溫支承圈等組成。 裙座的材料 裙座不直接與容器內(nèi)介質(zhì)接觸，也不承受容器內(nèi)介質(zhì)的壓力，因此不受壓力容器用材的限制。本設(shè)計采用 20鋼。 裙座筒體不受壓力作用，軸向組合拉伸應(yīng)力總是小于軸向組合壓縮應(yīng)力。因此，只需校核危險截面的最大軸向壓縮應(yīng)力。 起吊附件 在 《 GB1511999》 規(guī)定，質(zhì)量大于 30Kg 的管箱蓋易設(shè)置吊耳，本設(shè)計管箱質(zhì)量大于 30Kg，因此設(shè)置吊耳。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 第 3 章 U 形管式換熱器的強(qiáng)度計算與校核 換壓力熱器的計算 殼程設(shè)計壓力 : . 管程設(shè)計壓力： 殼程設(shè)計溫度： 80℃ 管程設(shè)計溫度： 200℃ 換熱面積： ㎡ 鋼制壓力容器的計算壓力等于其設(shè)計壓力加上液柱靜壓力。因換熱器的液柱靜壓力遠(yuǎn)小于 5%的設(shè)計壓力，可忽略不計，故換熱器的計算壓力等于其設(shè)計壓力，即： cP = P （ 31） 計算條件 :筒體計算參數(shù)及材料力學(xué)性能見表 31： 表 31 筒體計算參數(shù)及材料力學(xué)性能 計算條件 計算壓力 Pc Mpa 設(shè)計溫度 t ?C 內(nèi)徑 Di mm 材料 20 (管材 ) 試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 ??? MPa 設(shè)計溫度許用應(yīng)力 ???t MPa 試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ?s MPa 鋼板負(fù)偏差 C1 mm 腐蝕裕量 C2 mm 焊接接頭系數(shù) ? mm 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 筒體計算 筒體厚度計算 由于殼體的設(shè)計壓力為 ，所以計算筒體的設(shè)計壓力為 。 （ 1）筒體的計算厚度 ? ： 2[ ]cit cpD Pd sf= （ 32） 式中 CP —— 計算壓力， CP = ； iD —— 筒體內(nèi)直徑， iD =273mm； []t? —— 設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力， ???t= ? —— 焊縫系數(shù)， = .5 811 302 2 ??? ??? （ 2）筒體的設(shè)計厚度 d? ： 筒體的設(shè)計厚度等于筒體的計算厚度與腐蝕裕量之和，即： 2d C???? （ 33） 式中 2C —— 腐蝕裕量， C2 = d? =+2= （ 3）筒體的名義厚度 n? 1ndC??? ? ??=8mm 筒體的名義厚度等于筒體的設(shè)計厚度加上鋼板負(fù)偏差后向上圓整至鋼板規(guī)格厚度。對 20，鋼板負(fù)偏差 1C =，根據(jù) GB1511999《管殼式換熱器》的規(guī)定取筒體的名義厚度為 8mm。 （ 4）筒體的有效厚度 e? 筒體的有效厚度計算： 12enCC??? ? ? （ 34） =812 =5mm 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 壓力試驗(yàn)時應(yīng)力校核 （ 1）水壓試驗(yàn)壓力 筒體的水壓試驗(yàn)壓力按下式計算： ? ?? ?tT PP ??? （ 35） 式中 P — 設(shè)計壓力， P= ??? =130 aMP ， ???t= 130MPa 0 .7 2 50 .5 81 .2 5P T ??? （ 2）壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平 ? ? ST ?? ? 式中 s? —— 試驗(yàn)溫度下的材料屈服極限， ?s=245MPa ???T? ?s = （ 3）試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力計算： ()2T i eTepD ?? ???? 19 .1 3M Pa152 52730. 75T ??? ?? ）（? （ 36） （ 4）校核結(jié)論 []TT??? ，水壓試驗(yàn)校核合格，圓筒厚度滿足水壓試驗(yàn)要求。 壓力及應(yīng)力計算 （ 1）最大允許工作壓力 殼體的最大允許工作壓力計算： 2[ ][] t ewieP D? ???? ? （ 37） ? （ 2）設(shè) 計溫度下計算應(yīng)力 設(shè)計溫度下殼體的 計算應(yīng)力計算得： 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論