U型管换热器空气加热器设计及有限元分析+CAD图纸(2)
3.5.3 接管外伸长度 21
3.5.4 接管与筒体、管箱壳体的连接 21
3.5.5 接管最小位置 21
3.6 管板法兰设计 22
3.7 选取支座 23
4 强度校核 24
4.1 开孔补强设计 24
4.1.1 管程接管开孔补强的设计计算 24
4.1.2 壳程接管开孔补强的设计计算 26
4.2 管板强度校核 27
4.2.1 计算条件 27
4.2.2 校核 28
4.3 管板法兰强度校核 31
4.3.1 垫片的设计及校核 31
4.3.2 螺栓设计及校核 32
4.3.3 法兰强度校核 33
5 有限元分析 37
5.1 焊接模拟 37
6 结论 51
致谢 52
参考文献 53
1 绪论
1.1 立题依据
在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。换热器随着使用目的的不同，可以把它分成为：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器。目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器，在许多工业部门中被大量地使用，尤其在化工生产中，无论是国内还是国外，它在所有设备中，仍占主导地位。管壳式结构，它具有选材范围广，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。由于现代化工厂的生产规模日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消耗，管壳式结构的换热器也能满足这一要求。管壳式换热器的形式有固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器和填料函式换热器等。其中，浮头式换热器和U形管式换热器适用于高温高压的场合，但考虑到经济性原则，结构简单的U形管式换热器就更有优势了，具体的优缺点和应用场合见表1.1。
表1.1 优缺点与应用场合
基本类型 优点 缺点 应用场合
浮头式换热器 管间和管内清洗方便，不会产生热应力。 结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖，在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。 壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
U形管式换热器 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。 管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。
任务书中所给定的设计条件是，壳程中介质为空气，温度为250℃，压力为0.98 MPa；管程中介质为蒸汽，温度为260℃，压力为14.7 Mpa。根据以上的设计条件以及各种管壳式换热器的优缺点和应用场合，选择了U形管式换热器作为空气加热器的结构形式。
1.2 U形管式换热器的概述
U形管式换热器是将管子做成U形，管子两端固定在同一块管板上。由于壳体与管子分开，可以不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内的介质必须清洁及不易结垢的物料。由于传热管的结构形式关系，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不可能更换，管束中心部分存在空袭，所以流体易走短路，影响传热效果。而且管板上排列的管子较少，结构不紧凑。U形管的弯管部分曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。管子因渗漏而堵塞后，将造成传热面积的损失。U形管式换热器的大致结构见图 1.1所示。