【正文】 有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差，管內(nèi)不容易清洗，一旦內(nèi)層有管束堵塞更換困難，只有將堵塞的換熱管兩端封住，影響傳熱。本次選擇設(shè)計(jì)的是U型管式換熱器，它的管板比固定管板式換熱器少，其泄露量也相應(yīng)減少，并且U型管式換熱器具有殼程水壓試驗(yàn)后烘干更容易，適用場(chǎng)合廣、換熱面積大、管內(nèi)介質(zhì)流速大效率高、檢修簡(jiǎn)便、操作彈性較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜承受能力強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，換熱器計(jì)算軟件發(fā)展到今天已經(jīng)可以向很多制造廠商提供設(shè)備條件。目前對(duì)換熱器的研究現(xiàn)狀，工程上已經(jīng)大量使用商業(yè)的軟件進(jìn)行換熱器的計(jì)算。自60年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）U型管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模學(xué)院名稱(chēng)制造科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)過(guò)程裝備與控制工程學(xué)生姓名XX學(xué)號(hào)XX 指導(dǎo)教師XX 講師二〇一五年六月 目錄緒論第一章 換熱器的生產(chǎn)需求第二章 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)參數(shù) 方案確定 確定介質(zhì)物性參數(shù) 計(jì)算總傳熱系數(shù) 熱流量 平均傳熱溫差 水蒸氣用量 總傳熱系數(shù)K 傳熱面積計(jì)算 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 傳熱管排列和分程方式 殼體內(nèi)徑Di 折流擋板 接管尺寸第三章 構(gòu)件材料選擇 一般選材原則 壓力容器常用鋼 構(gòu)件材料終定第四章 筒體計(jì)算 厚度計(jì)算 校核筒壁壓力 封頭尺寸計(jì)算 封頭厚度計(jì)算 校核封頭應(yīng)力 管箱短節(jié)圓筒厚度的計(jì)算 壓力及應(yīng)力計(jì)算 管箱短節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算 管板設(shè)計(jì)及校核 布管面積 管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑 管板名義厚度 換熱管軸向應(yīng)力計(jì)算及校核 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 殼程接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 管程開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)第五章 設(shè)備外部結(jié)構(gòu) 殼體結(jié)構(gòu) 封頭結(jié)構(gòu) 管箱結(jié)構(gòu) 接管設(shè)計(jì) 法蘭選用 支座結(jié)構(gòu) 設(shè)備內(nèi)部件結(jié)構(gòu) 折流板設(shè)計(jì) 拉桿和定距管設(shè)計(jì) 分程隔板設(shè)計(jì) 防沖擋板 管板設(shè)計(jì) U型換熱管 各構(gòu)件連接形式 壓力容器連接形式分類(lèi) 橢圓封頭和殼體的連接 殼程接管和殼體的連接 管程接管與殼體的連接 管束和管板的連接第一章 緒論 是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱(chēng)熱交換器。二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。最著名的專(zhuān)業(yè)換熱器計(jì)算軟件主要有以下幾個(gè)：第一是成立于1962年的美國(guó)傳熱研究公司（Heat Transfer Research Inc.,即HTRI）開(kāi)發(fā)的Xchange Suit軟件；第二是成立于1976年的英國(guó)傳熱及流體服務(wù)中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service,即HTFS）開(kāi)發(fā)的HTFS系列軟件和BJAC軟。目前工業(yè)上用得較多的管殼式換熱器主要有浮頭式、固定管板式和U型管式，其中以浮頭式換多。由于U型換熱管的兩端都同時(shí)固定在上同一塊管板上，管子可以自由伸縮，因此，當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。所以，U型管式換熱器適用于管與殼壁溫差較大或管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的介質(zhì)的情形；有時(shí)候也用在換熱器殼程容易結(jié)垢，需要清洗，但又不適宜用浮頭式或固定管板式的場(chǎng)合。U 型管換熱器僅有一塊管板，且無(wú)浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)比其他換熱器便宜。但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)介質(zhì)必須是清潔且不易結(jié)垢的物料。管束中心部分存在空隙，所以流體易發(fā)生短路而影響傳熱效果。 換熱器的生產(chǎn)需求 U型管換熱器在當(dāng)前市場(chǎng)的生產(chǎn)需求是比較大的，U型管換熱器是在工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)兩種介質(zhì)間進(jìn)行熱量傳遞的一種設(shè)備，也可以用來(lái)保證工藝流程和條件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二次能源余熱的回收。由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進(jìn)行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過(guò)程。近20年來(lái)，換熱設(shè)備在能量?jī)?chǔ)備、轉(zhuǎn)化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了廣泛運(yùn)用。除此之外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低品位熱能的有效裝置。第二章 換熱器工藝計(jì)算 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)題目 U型管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，處理量為12000Nm/h，使用壽命為15年。（2）水蒸汽加熱空氣： 水蒸汽：入口溫度100℃，出口溫度100℃； 空 氣：入口溫度30℃，出口溫度40℃。 方案確定 考慮到空氣和水蒸氣均不易結(jié)垢，且為了便于強(qiáng)化傳熱，應(yīng)使傳熱系數(shù)較小的流體管程。 確定介質(zhì)物性參數(shù)根據(jù)定性溫度，分別從《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》中查取殼程和管程流體的相關(guān)物性數(shù)據(jù)如下表21：表21 相關(guān)介質(zhì)物性參數(shù)介質(zhì)空氣水蒸氣溫度/℃30℃35℃（差值法取值）40℃100℃密度kg/m3定壓比熱容kJ/(kg.℃)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.℃)21 計(jì)算總傳熱系數(shù) 熱流量： （21） 平均傳熱溫差： （22） 水蒸氣用量： 常壓下100℃的水蒸氣汽化熱為r=2258KJ/Kg，則 （23） 總傳熱系數(shù)K ①管程傳熱系數(shù)： （24） ②殼程傳熱系數(shù)： 假設(shè)殼程傳熱系數(shù)；污垢熱阻， ；管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；則傳熱系數(shù)K： （25） 傳熱面積計(jì)算： （26） 考慮25%的面積裕度， （27） 工藝結(jié)構(gòu)尺寸：本次U型管換熱器設(shè)計(jì)采用單殼程雙管程結(jié)構(gòu)，若取傳熱管長(zhǎng)L=3m，換熱器程數(shù)為2，則 （27）每程管束為226/2=113根。平均傳熱溫差：。 殼體內(nèi)徑Di： 采用雙管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為： （211）圓整后可取目前常用管徑。 取折流擋板間距，則。 接管尺寸： ①殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)空氣流速為u1=40m/s，則接管內(nèi)徑為 （213） 圓整后可取殼程接管內(nèi)徑為350mm。 ②管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水蒸汽流速u(mài)2=2m/s,則接管內(nèi)徑為： （214）圓整后取接管內(nèi)徑為150mm。第三章 材料選擇 構(gòu)件材料選擇 一般選材原則： （1）所需鋼板厚度小于8mm時(shí)，在碳素鋼和低合金鋼之間，應(yīng)盡量采用碳素鋼鋼板。在強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的場(chǎng)合，根據(jù)壓力、所需耐酸不銹鋼溫度、介質(zhì)等使用限制，選用Q245R、Q345R等鋼板。 （4）耐酸不銹鋼應(yīng)盡量不用做設(shè)計(jì)溫度小于或等于500℃的耐熱鋼。 （6）低合金鋼高強(qiáng)度鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)、壁厚較大（≥8mm）的受壓容器。 (8)不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較高、防鐵離子污染或設(shè)計(jì)溫度大于500℃或設(shè)計(jì)溫度小于100℃的耐熱或低溫用鋼。它具有良好的加工工藝性能。根據(jù)GB1511999規(guī)定：當(dāng)壓力容器圓筒公稱(chēng)直徑DN≤400mm時(shí)，可用鋼管制作。3)鍛件 高壓容器的平蓋、端部法蘭、中（低）壓設(shè)備法蘭、接管法蘭等常用鍛件制造。如：碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B和Q235C鋼板；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼管，35鋼鍛件；壓力容器專(zhuān)用鋼板Q245R、20G，Q245R是在20鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是對(duì)硫、磷等有害元素的控制更加嚴(yán)格，對(duì)剛才的表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷控制的要求也較高。它具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性、焊接性能、成型性能和耐腐蝕性能；同時(shí)它不僅可以減小容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝中因厚度太大所帶來(lái)的各種困難。 16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR三種鋼板是使用溫度低于等于20℃的壓力容器專(zhuān)用鋼板。 0Cr1