蛇管式换热器毕业设计 - 图文

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目 录

摘 要····································································Ⅲ ABSTRACT·····························································Ⅳ 1 绪 论

1.1本设计的研究背景和意义················································1 1.1.1本设计的研究背景···················································1 1.1.2本设计的研究意义···················································1 1.2换热器在生产中的作用和地位············································1 1.3换热器的分类··························································2 1.4换热器的发展及国内外研究现状··········································5 1.5换热器的发展动向·················································6 1.6三维造型技术的应用··················································6 1.7本设计的研究内容及方法·················································8 1.7.1本设计的研究内容·····················································8 1.7.2本设计的研究方法·····················································9

2 蛇管式换热器整体结构设计

2.1管径及介质进入蛇管内外的选择···········································9 2.2冷热流体物性数据的确定·················································9 2.3传热面积的计算·························································9 2.4蛇管长度及组数的确定···················································10 2.5管间距h和内、外圈间距t的确定···········································11 2.6筒体直径及材料、蛇管圈数及高度的确定····································11 2.7封头尺寸及材料的确定···················································12 2.8吊耳尺寸的确定·························································13 2.9支座尺寸的确定·························································13 2.10筒体法兰尺寸的确定····················································14

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3 换热器零部件的强度校核

3.1筒体壁厚计算及校核·····················································15 3.1.1筒体壁厚计算························································15 3.1.2 筒体壁厚校核························································15 3.2 封头壁厚计算及校核····················································16 3.2.1封头壁厚计算························································16 3.2.2封头壁厚校核························································16 3.3支座的选择及校核·······················································16 3.3.1支座的选择··························································16 3.3.2支座的校核··························································16 3.4 筒体开孔补强的计算····················································17

4 蛇管式换热器三维造型设计

4.1换热器蛇管的建模·······················································18 4.2换热器筒体的建模·······················································18 4.3换热器封头的建模·······················································18 4.4换热器筒体法兰的建模···················································19 4.5换热器装配体的生成·····················································20 4.5.1换热器的装配模式····················································20 4.5.2换热器筒体、接管、接管法兰的装配······································20 4.5.3筒体、法兰、支座的装配················································21 4.5.4封头与法兰的装配····················································22 4.5.5蛇管的装配··························································22 4.5.6换热器的总体装配图生成··············································23

5 总 结································································25 谢 辞···································································26 参考文献································································27

II

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摘 要

换热器是广泛应用于石油化工、动力、冶金、轻工、制冷等行业的一种通用设备，因其在化工行业的重要性，换热设备的研究受到世界各国政府及研究机构的高度重视。其性能的好坏不但直接影响到各部门生产的顺利进行和对产品质量的控制，并且可能造成其自身的高能耗、低效率及可靠性差等诸多问题。

本设计完成了蛇管式换热器的选型、总体结构设计等内容，运用三维绘图软件Solidedge对换热器的各个零部件建立三维参数化模型，并对换热器的部分零部件进行了校核。

关键词：蛇管式换热器；结构设计；三维造型；强度校核

III

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Structure Design and Solid Modeling of Coil Heat Exchanger

ABSTRACT

As a general equipment, the heat exchanger is widely applyed in petrochemical, power, metallurgy, light industry, refrigretion and so on. Because of its importance in the chemical industry, the heat exchanger equipment research is highly valued by the various countries government and the research institutions. Besides the important effects on the trouble-free operation and product quality control, its performance has been influenced by its energy consume and reliability.

Completed the design of the coil heat exchanger selection,the overall structural design, and utilizating three dimensional cartography software Solidedge to established three-dimensional parametric model and part of heat exchanger components to check.

Key Words: coil heat exchanger; structural design; solid modeling;strength check

IV

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1 绪 论

1.1 本设计的研究背景和意义 1.1.1 本设计的研究背景

换热器是广泛应用于石油化工、动力、冶金、轻工、制冷等行业的一种通用设备。随着全球能源危机、环境危机、资源危机的加剧，对于高效节能换热设备的需求迫在眉睫，因此换热设备的研究备受世界各国政府及科研机构的高度重视。在我国机械的设计大多数还局限于传统的静态的、经验的设计方法，随着生产的发展，需要更快、更好的完成产品的设计，而传统设计已不能适应市场对新型化工设备的需求以及复杂化、高效化的发展趋势。

蛇管式换热器是一种简单的换热设备，它属于管壳式换热器的一种，其传热面是由弯曲成平板或圆柱形的蛇形管子来充当。其简单的结构，紧凑的空间，且能承受一定的高压，加之制造的方便性，在很多场合应用广泛。由于蛇管式换热器本身的结构特点，传统的设计计算工作量大，效率低下，不能在设计的过程中边设计边改进，容易造成产品设计已完成但不符合要求的结果，导致了资源能源的浪费。 1.1.2 本设计的研究意义

本设计根据给定参数的蛇管式换热器的要求，查阅相关的设计手册，完成了沉浸式蛇管式换热器各个零部件的结构尺寸设计，并对壳体、支撑部件进行强度的校核。通过实体造型给出了零部件的三维图形表示，使结构设计的表达更加直观，整个过程中可以边设计边优化，克服了传统蛇管式换热器结构设计效率不高的缺点。综上所述，能够简化制造过程，降低生产成本。 1.2 换热器在生产中的作用和地位

换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备，通过这种设备能达到指定的温度以达到工艺的要求。在目前大型化及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理的利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本以获得好的经济效益。因而，在大型化及石油化工生产过程中，换热器得到越来越广泛的使用。在工厂建设投资中，换热器所占的比例也有明显的提高，成为最重要的单元设备之一。

为了满足不同工业对热源的结构要求，换热器在发展过程中出现了多种分支，管壳式换热器是最常见的一类换热器，广泛应用于电厂，化工以及过程工业领域，尽管其他类型的换热器使用越来越多，但管壳式换热器由于适应性广，还将长期受到人们的欢迎。

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沉浸式蛇管换热器是管壳式换热器的一种，在化工、轻工、医药及其他工业生产中经常用到，此类换热器结构简单，造价低，操作管理也方便，且管内能够承受高压。 1.3 换热器的分类

换热器的用途很广泛，可用于各种不同的换热过程，作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，而常用的换热器设备按结构可分为两大类，板片式换热器和管壳式换热器。板片式换热器由板片和密封垫片组合而成。管壳式换热器是管子、壳体及管板等组成的设备。[1]

按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。在生产中有时把换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分。

按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为混合式、间壁式及蓄热式三类，其中间壁式换热器应用最普遍。间壁式换热器在各工业部门中使用极其广泛，担负着各种换热任务，例如用以加热、蒸发、冷凝和废热回收等。由于它们的使用条件和要求差别很大，如容量、温度、压力和工作介质的性质等，涉及的范围极广，因此换热器的结构型式也多种多样。间壁式换热器，从作为换热面的间壁形式看，主要分为管式和板式两大类。管壳式、套管式换热器的换热面由管子构成，属于管式换热器；板翅式、板式换热器的换热面由板片构成，属于板式换热器。各种间壁式换热器的特征、工作特性、允许的使用范围等差别很大，其结构设计、热计算也各有特点。

管壳式换热器又称为列管式换热器，属于间壁式换热器。其主要的结构形式及使用特点如下： （1）浮头式换热器

图1.1 浮头式换热器示意图

如图1.1该换热器是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等组成。优点：1.管束可

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以抽出来，方便清洗管程、壳程；2.介质间温差不受限制；3.可在高温、高压下工作；4.可用于结垢比较严重的场合；5.可用于管程易腐蚀场合。缺点：小浮头易发生泄露；金属材料耗量大；3.结构复杂。 （2）U形管换热器

图1.2 U形管式换热器示意图

如图1.2该换热器由管箱、壳体、管束等零部件组成，只需一块管板，重量较轻。相同直径下，换热面积最大，结构较简单紧凑，在高温高压下金属耗量最少，目前加氢换热器基本上全部采用U形管换热器。优点：1.管束可抽出来机械清洗；2.壳体与管壁不受温差限制；3.可在高温高压下工作；4.可用于壳程结垢较严重的场合；5.可用于管程易腐蚀的场合。缺点：1.在管子的U形处易冲蚀，应控制管内流速；2.管程不适于结垢较严重的场合；3.单管程换热器不适用；4.不适用于内导流筒，故死区较大。 （3）固定管板式换热器

图1.3 固定管板式换热器

如图1.3该换热器是由管箱、壳体、管板、管子等零件组成。其结构较紧凑，排管较多，

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在相同直径时面积较大，制造较简单。优点：1.传热面积比浮头换热器大；2.旁路泄流较小；3.锻件使用较少，成本低；4.没有内漏。缺点：1.壳体和管子壁温差一般易小于或等于50℃，大于50℃时应在壳体上设膨胀节；2.管板和管子之间易产生温差应力而损坏；3.壳程无法机械清洗；4.管子腐蚀易造成壳体报废，壳体寿命决定于管子，故设备寿命较低；5.不适于壳程易结垢的场合。 （4）蛇管式换热器

该换热器属于管壳式换热器的一种，其蛇管的形式如图1.4所示：

图1.4 蛇管结构示意图

此类换热器按结构形状可分为沉浸式和喷淋式蛇管换热器两类。现分别介绍如下： ①沉浸式蛇管换热器，此形状的蛇管换热器是由壳体、i支撑辅助零部件组成，结构如图1.5所示：

图1.5 沉浸式蛇管换热器示意图

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沉浸式蛇管换热器，通常用于对管内介质的冷却，优点是结构简单，造价低，操作方便；且蛇管可以承受高压。缺点是容器内流体流动速度低，传热系数小，换热效果差，设备笨重。

②喷淋式蛇管换热器，此形状的蛇管换热器是由喷淋装置、换热管、支架、檐板等部分组成，结构如图1.6所示：

图1.6 喷淋式蛇管换热器示意图

喷淋式蛇管换热器与沉浸式蛇管换热器相比，除了具有结构简单、造价低、能承受高压等优点外，还具有易于检查、清洗和维修的优点。缺点是占地面积大，操作时设备周围卫生差。

1.4 换热器的发展及国内外研究现状

20世纪80年代以来，随着市场经济的发展，换热器技术飞速发展，降低成本成为企业追求的最终目标，因此节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在太阳能、核能、地热、余热回收的利用上，各国政府及民间机构和企业都加大了投入的资金的力度。

目前换热器存在共同的缺点是结构不紧凑，单位换热器的容积所提供的传热面积小，传热系数不大，金属消耗量大。文献[7]介绍了各国为提高管壳式换热器性能所进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及大型化发展所作的结构改进。围绕这三个方面分别介绍了：管壳式换热器在强化传热方面所采用的改变传热元件本身的表面形状和表面处理的方法或者用内插物增加流体本身的扰流来强化传热的方法；紧凑式换热器向大型化发展趋势，即扩大传热面积，增大单位体积内的传热面积；防腐蚀换热器的开发动向等。

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在各种换热器节能技术中，强化传热技术是应用较广泛的一种。所谓换热器传热强化是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。强化传热主要有两种途径：提高传热系数、增大传热而积。当前，对换热器强化传热技术的研究主要基于这两点展开。

文献[8]着重介绍了从壳程方面提高换热器传热系数的结构研究及发展，具体有板式支承结构、杆式支承结构、空心环支承结构、管式自支承结构。文献[9]从换热器的管程和壳程两方面介绍了管壳式换热器强化传热技术的传热机理及其应用范围，进一步分析了各种强化传热技术的优缺点，提出了部分改进措施和思路。管壳式换热器管程的强化传热技术，主要通过改变传热面的形貌或管内插入物来增加流体湍流度、扩展传热面积，从而实现强化传热，达到节能目的。具体有带内凸肋结构管，此种换热管具有双面强化传热的作用，适用于对流、沸腾和冷凝等工况。同流速下，横纹管与单头螺旋纹管比较，流体阻力稍大，但传热性能好，应用场合二者相同；内翅片管，此种换热管的加工以焊接为主，翅片的加工、焊接对于换热有很大的影响。内翅片管改变了管内部流场及温度场的分布情况，提高了换热壁面附近的温度梯度，强化了传热。但因为翅片的存在，换热管的清洗工作比较困难。此外还有管内插入物形式的换热管，螺旋扁管。

虽然管壳式换热器在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗方面无法与板式或板翅式换热器相比，但由于管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。 1.5 换热器的发展动向

换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理论研究创新，寻求建立能支撑肋片设计选型的系统化的理论，同时要结合实验研究，寻求实际应用中最节能的肋片参数值。

换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外型、布置仍然没有可靠的理论依据，传统的肋片布置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状或圆台状肋，而对于针状肋片在换热管表面的最佳换热的散布规律仍然还不明晰，理论研究非常薄弱；对替代传统的平板和环状肋片的高效换热肋片研究甚少。

新型换热管的形状研究过少，目前的研究仅局限于传统的圆形或矩形换热管上，对更高效的换热管型的探索研究比较缺乏。

对换热管排数和排列方式对换热器整体换热性能的影响研究的理论体系还没形成，目前对于此方面的研究多以实验研究为主，然后从实验中提取经验公式，关于管排数的

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纯理论的换热理论还没有得到建立。

作为衡量换热器性能时的换热效率，已不能作为换热器设计选型的标准，换热效率高并不意味着制造成本的节省以及换热效果最佳化；传热因子和摩擦因子是比较合适的衡量换热器整体性能的指标，但是需要综合考虑两种因素后建立换热器最优化换热的统一理论，单一的考虑换热因子或者摩擦因子的大小对于衡量换热器换热性能没有任何意义。[2]

1.6 三维造型技术的应用

近年来，随着计算机技术的飞速发展，为计算机辅助设计展开了极为广阔的空间。基于微机平台的三维CAD软件不断被推出，在微型计算机上已经完全实现了复杂的三维设计功能，Solid Edge即是该类软件的优秀代表[11]。由于软件兼容了许多 Windows的卓越性能，使其界面简洁美观，易于操作，已成为最具应用价值的CAD系统。[12]

文献[11]介绍了三维实体设计是参数化设计的基础，可以为设计人员提供生动直观的视觉感受，对三维实体造型的步骤和基本方法作了介绍，以造型结果作为素材完成了不同类型的装配设计。利用Solid Edge强大的造型、装配功能来建立工业产品模型是非常方便、快捷的，所制作的模型几乎可以达到随心所欲的程度。最终构造出的三维实体能够充分表达出设计者的设计意图，各种装配体可以真实反映零件 之间的装配关系，使产品在制造之前即可观察到结构的全貌，并可得到有关重量、质心、转动惯量等物性参数。

文献[13]对比分析了三维实体造型的各种描述方法，并结合其在CAD\\CAE\\CAM等方面的应用。对各种方法进行了比较，论述了各种不同的方法在具体应用环境中的利弊。

文献[14]介绍了使用Solidedge软件进行阀门三维实体造形、变量表在参数化设计中的应用、二维工程图的实现以及网络分布的方法。其中三维实体造形讲述了零件实体造型的方法首先要确定合理的建模顺序，再次通过拉伸、旋转、除料、扫掠和放样等特征命令进行实体造形，最后为了制造工艺还需要添加倒角、圆角等特征。

文献[15]介绍了在Pro/E环境下，以减速器齿轮的设计为例，讲述了参数化建模的特点、步骤，建模过程中应用了阵列、复制等特征命令，使复杂零件的建模简单化。

三维产品设计技术的发展，推动了机械产品创新设计的进步。特别是基于三维设计技术的虚拟样机和仿真技术的发展，为机械产品创新设计的自动化提供了一种理想的技术支撑平台。

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1.7 本设计的研究内容及方法 1.7.1 本设计的研究内容

蛇管式换热器：3000kg/h的油从145℃冷却至40℃；压力为：0.3MPa；冷却介质采用循环水；循环冷却水的压力为：0.4 MPa；循环水入口温度25℃；出口温度：40℃。 （1）确定换热器的主要结构如筒体、换热管、封头、支座、吊耳等的基本尺寸。 （2）确定各零部件之间的连接形式及固定方式，包括筒体与法兰的连接，蛇管的固定，以及支座与筒体的连接。

（3）对重要零部件进行校核，其中包括封头、筒体、开口补强、支座等。 1.7.2 本设计的研究方法

本设计采用Solidedge进行三维造型，可以更直观、更完整、更准确地表达出设计信息。它具有基于特征、参数化、实体造型等特点。整个设计基于装配关系进行，装配的基础要素是相关的零件，零件是由若干参数化的可以基于装配关系的特征堆砌而成。特征是一些与机械设计的表达意图相关的简单几何形体。这些几何形体的基础是参数化的，可以基于装配关系的二维或者三维草图。

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2 蛇管式换热器整体结构设计

2.1管径及介质进入蛇管内外的选择

考虑污垢清洗因素及换热效果，故使油走管内，循环冷却水走管外。换热管选用标准规格?25?2碳钢管。 2.2冷热流体物性数据的确定

定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 油的定性温度为： T?145?40?92.5℃ 225?40?32.5℃ 2水的定性温度为： T?根据定性温度，分别查取油和水的有关物性数据。 油在92.5℃下的有关物性数据如下： 密度 ?0?850.㎏4/m3 定压比热容 cp0?2.1/（㎏·℃） KJ导热系数 ?0?0.137W/（m·℃）

2运动粘度 ??0.0000m14s /循环冷却水在32.5 ℃下的物性数据如下： 密度 ?0?994㎏/m3

定压比热容 cp0?4.08KJ/（㎏·℃）

W/（m·℃） 导热系数 ?0?0.6262运动粘度 ??0.0007m25s /2.3传热面积的计算 （1）热负荷计算

Q0?cpom?t?2100?3000/3600??145?40??183750J/s 考虑换热余量1.1及换热器效率0.9，计算得到实际传热量

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Q?1.1Q0/0.9?1.1?367500?0.9?224583J/s （2）平均传热温度

?T??t1??t2(145?40)?(40?25)??46.25℃ ?t1145?40lnln40?25?t2（3）总传热系数K

管内流通面积Ai?管内流速???4di2??4?0.0212?3.46?10?4m2 m3000/3600??2.8m/s ?0Ai850.4?3.46?10?4雷诺数Re??di2.8?0.021??4248 ?0.000014?6?105??o0.81/32管内传热系数?i???湍流=?1- W/（m·℃） ?0.027RPr?560.9e1.8?di?Re?管外传热系数?o?0.023?odiRe0.8Pr0.3?0.023?0.137?42480.8?1920.3 0.021=580.5W/（m2·℃）

管外和管内污垢热阻分别是

Ri=0.000174（m2·℃）/W，Ro=0.000516（m2·℃）/W

K?1dod?d1?Rio?o?Ro??ididi?di?o1 ?0.0250.0250.002?0.0251?0.000174???0.000516?560.9?0.0210.02143.6?0.023580.5=216.45 W/（m2·℃） （4）传热面积

A?Q224583??22.4m2 K?T216.45?46.252.4蛇管长度及组数的确定 （1）蛇管总长度

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L?A22.4??286m ?do3.14?0.025（2）组数

考虑到蛇管长度较长，将蛇管做成两组螺旋圆柱蛇管组。每组长度

L'?A22.4??143m 2?do2?3.14?0.0252.5管间距h和内、外圈间距t的确定

若有数组同心圆柱形蛇管沉浸于容器中时，蛇管内圈与外圈间距t一般取2~3do，此处取3do即75mm；同组中蛇管间距h一般取1.5~2do，此处取2do即50mm，如图2.1。

图2.1 管间距示意图

2.6筒体直径及材料、蛇管圈数及高度的确定 （1）筒体直径及材料

筒体直径选择标准系列尺寸DN=900型，Q235A是屈服点为235MPa的低合金结构钢板，它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能。由于本换热器的设计温度和设计压力均较低,故选用Q235A钢板作为筒体的材料。 （2）蛇管外圈中心圆直径

Do=DN-(200~400)，此处取Dn=700mm。 蛇管内圈中心圆直径

Di=Do-2t=700-2×75=550mm （3）每圈蛇管长度（以斜面长度表示）

外圈lo?

??Do?2?h2??3.14?0.7?2?0.052?2.2m

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内圈li???Di?2?h2?(3.14?0.55)2?0.052?1.7m

（4）每组蛇管圈数

L'143 no???65

lo2.2L' ni??84

li由于内外圈数相差较大，此处取内外圈均为74圈。 （5）每组蛇管高度

H=(n-1)h=(74-1)×0.05=3.7m

图2.2筒体结构示意图

2.7封头尺寸及材料的确定

封头有多种，可以是普通的标准铸件，也可以是装配件，选择封头时有两点主要考虑因素：（1）是否容易接近传热管以便于清洗和更换；（2）管道安装是否方便。本设计封i椭圆封头，材料与筒体相同均为Q235A，内径DN=900，结构如图2.3。

图2.3 封头示意图

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2.8吊耳尺寸的确定

由于本设备属于立式换热器且质量较重，故选择板式吊耳，结构尺寸如图2.4：

图2.4 吊耳结构示意图

2.9支座尺寸的确定

根据筒体公称直径DN及估计的总质量Q初选标准支座，考虑此换热器属于立式换热器且高度较高，综合各方面选择耳式支座，结构尺寸如图2.5。

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图2.5 支座结构示意图

2.10筒体法兰尺寸的确定

法兰须选用锻造钢，Q235A的强度、韧性、耐腐蚀性等综合力学性能好，所以设备法兰选用Q235A锻件，结构尺寸如图2.6。

凸面

凹面

图2.6 法兰结构示意图

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3 换热器零部件的强度校核

3.1筒体壁厚计算及校核 3.1.1筒体壁厚计算

材料选用Q235A，在150 0C以下的许用应力由表可以查出，???t=113MPa，常用屈服极限σs=235Mpa。取计算压力等于筒内最高工作压力，即pc=0.4MPa。筒体内径取Di=900mm，焊缝系数Φ=0.85。

筒体计算厚度：?c?PcDi0.4?900??1.9mm t2[?]??Pc2?113?0.85?0.4钢板厚度负偏差C1=0.6mm，腐蚀裕量C2=2mm。钢板厚度附加量C=C1+C2=2.6mm。根据钢板规格及GB151规定的压力容器最小厚度取筒体名义厚度?n=10mm。所以筒体有效厚度?e=?n-C=10-2.6=7.4mm。 3.1.2 筒体壁厚校核

(1) 液压试验应力校核

筒体试验压力计算值：PT?1.25Pc[?]125?1.25?0.4??0.55MPa [?]t113???表示筒体材料在试验温度下的许用应力，查表得125Mpa。

液压试验允许通过的应力：[?]t?0.9????s?0.9?0.85?235?179.8MPa 液压试验下圆筒应力：?t?P0.55?(900?7.4)T(Di??e)??33.72MPa 2?e2?7.4因为?t?[?]t，所以校核结果合格。 (2) 工作条件应力校核 设计温度下计算应力：?t?tPc(Di??e)0.4?(900?7.4)??24.52MPa

2?e2?7.4允许通过的最大应力[?]??113?0.85?96.05MPa 因为?t?[?]t?，所以校核结果合格。 综上所述筒体名义厚度δn符合要求。

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3.2 封头壁厚计算及校核 3.2.1封头壁厚计算

材料选用Q235A，在150 0C以下的许用应力由表可以查出，???t=113MPa，常用屈服极限σs=235Mpa。取计算压力等于筒内最高工作压力，即pc=0.4MPa。封头选择椭圆封头内径取与筒体相同Di=900mm，焊缝系数Φ=0.85。

椭圆封头计算厚度：?c?PcDi0.4?900??1.8mm t2[?]??0.5Pc2?113?0.85?0.5?0.4钢板厚度负偏差C1=0.6mm，腐蚀裕量C2=2mm。钢板厚度附加量C=C1+C2=2.6mm。考虑制造加工方便，取椭圆封头壁厚?n与筒体等厚，即10mm。 3.2.2封头壁厚校核

(1) 椭圆封头壁厚计算条件验算 封头有效厚度?e??n?C?7.4mm。

0.15%Di?1.35mm，因为?e?0.15%Di ，故计算壁厚合适。

(2)封头应力校核

Pc(KDi?0.5?e)0.4??900?0.5?7.4?封头允许的最大应力：[?]???113.10MPa

2?c?2?1.8?0.85t其中K是椭圆形封头形状系数，查表K=1。 封头工作应力：?t?tPc?Di??e?0.4?(900?7.4)??24.52MPa

2?e2?7.4t因为?????，所以封头厚度合适。

综上所述，椭圆封头壁厚合适。 3.3支座的选择及校核 3.3.1支座的选择

根据钢制压力容器的相关标准，选择短臂、带垫板的耳式支座，支座本体允许承受的载荷[Q]=20KN，支座处筒体允许承受的弯矩[ML]=5.75KN.m。 3.3.2支座的校核

?mg4Ph??3实际承受载荷计算：Q??0? ?10?knnD?? 16

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其中k是不均匀系数安装4个支座取0.83；n是支座数；h是水平力作用点到底板的高度，考虑换热器重心位置及耳座安装位置h取1m；D是支座安装周向尺寸，

D??Di?2?n?2?3???b2?2?2?22?2?l2?s1?，带入数据D?1047.6mm；P是水平力，

取Pw与Pc的最大值，其计算如下：

风载荷Pw?0.95f1qoDoHo?10?3，f1风压高度变化系数，取0.846；q0基本风压值，取550N/m2；D0圆筒外径即920mm；H0换热器总高度取4.6m。代入数据得Pw=1870.7N

地震载荷Pc?0.5acmog，ac地震系数取0.23；mo换热器工作时总质量即4261.3kg。代入数据得Pc=4802.5N。

将以上数据带入Q得17.2KN。 支座处筒体计算弯矩：ML?Q?l2?s1?17.2??100?40???1.032KN?m

331010综上所述，Q<[Q]，ML

接管材料与筒体相同均为Q235A，计算压力Pc=0.4Mpa，设计温度下[σ]t=113Mpa。 筒体计算壁厚：??PcDi2????Pct?0.4?900?1.6mm

2?113?0.4开孔直径：d?di?2C?200?2?2?204mm

需要的补强面积A：其中fr强度削弱系数取1，故A=326.4mm2。 A?d??2??e?1?fr?，壳体多余金属截面积：A1?(B?d)(?n?C??)，B=2d，代入数据得A1=1305.6mm2。 接管多余金属截面积：A2?2h1????nt?C???t??fr，h1?d?nt?204?10?45.2mm，接管计算壁厚：?t?Pcd2????Pct?0.4?204?0.4mm

2?113?0.4将所得数据代入A2得687.0mm2。

焊缝金属截面积A3=0.5×10×10×2=100mm2。 可作为补强的截面积Ae=A1+A2+A3=2092.6mm2。 因为Ae>A，故开孔不需另加补强。

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4 蛇管式换热器三维造型设计

4.1换热器蛇管的建模

蛇管是本换热器重要的换热元件，由两圈螺旋的管子组成，外圈中心圆直径700mm，内圈中心圆直径550mm，内外圈间隔75mm，旋转一圈升高50mm。螺旋蛇管类似于弹簧，所以首先在草图环境建立旋转轴及蛇管截面圆，蛇管截面直径Φ25mm。退出草图环境，应用旋转拉伸命令，从草图选择Φ25mm圆，确定拉伸参数：螺距50mm，圈数74，确定后点击预览命令，建立内圈蛇管。同样方法建立外圈蛇管，如图4.1蛇管模型。

图4.1 蛇管模型

4.2换热器筒体的建模

本换热器筒体内径900mm，壁厚10mm，距离筒体底部与上部230mm处分别开有Φ218mm的圆口，两圆口对称分布在直径方向。首先在草图环境建立同心圆，直径分别是Φ900mm和Φ920mm。退出草图环境，应用垂直拉伸命令，选择两个同心圆，拉伸距离3911mm。选择与筒体平行的平面建立圆口草图，退出草图环境，应用除料命令建立接管口，筒体模型如图4.2。 4.3换热器封头的建模

本换热器由两个封头组成，均采用椭圆封头，结构尺寸相同，内径900mm，壁厚10mm，加工采用冲压方法加工。建模时采用旋转拉伸命令，建立草图时要注意线段的连接关系，否则拉伸时会报错，模型如图4.3。

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图4.2 筒体模型

图4.3 椭圆封头模型

4.4换热器筒体法兰的建模

换热器法兰选用凹凸面密封法兰，公称直径900mm，用32个M20双头螺柱紧固密封。法兰的作用主要是连接封头和筒体，其材料为Q235A锻件，封头法兰和筒体法兰上的螺栓孔的装配方式应一致。由于法兰是圆周对称结构，所以只画出其剖面二维草图，再用旋转拉伸出命令即可建模。其上的螺栓连接孔可以只画出一个，然后用阵列命令阵

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列出即可。模型如图4.4。

图4.4 筒体法兰模型

4.5换热器装配体的生成 4.5.1换热器的装配模式

零部件装配的过程，就是确定装配体中各组成零部件如何连接的过程。零部件之间的连接关系即为装配关系。装配体是在Solid edge装配环境中进行的。用户可以使用配合关系来确定零部件的位置和方向，传统的方法是自下而上的设计过程，即先设计各个零部件，然后再进行装配。自上而下的设计过程恰好相反，即先从装配体开始设计工作，用户可以使用一个零部件的几何体来帮助定义另一个零部件，或生成组装零部件后才添加加工特征。

采用传统设计方法，零部件设计完成之后，可根据要求进行零部件装配。零部件之间的装配关系实际上就是零部件之间的位置约束关系。通过给装配体添加约束关系，可以使零部件之间精确地进行定位，从而将各个零件组合成所需要的装配体。Solid edge主要装配体约束类型：面匹配、面对齐、轴对齐、平行、相切、角度等。 4.5.2换热器筒体、接管、接管法兰的装配

换热器筒体由接管及法兰组成，首先将筒体调入装配环境，再将接管调入，接管要与筒体垂直装配，最后调入接管法兰，法兰与接管采用轴对称装配，装配完模型如图4.5。

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图4.5 筒体

4.5.3筒体、法兰、支座的装配

在筒体装配的基础上，继续装配筒体法兰、密封圈及支座，法兰、筒体、密封圈均采用轴对称装配，面与面的配合采用面匹配命令，一般先应用轴对称命令，再进行面与面的匹配，否则容易产生冲突。支座与筒体垂直装配，共四个对称均布在筒体周向。如图4.6所示为筒体一侧装配模型，另一侧与之相同，图4.7为支座与筒体的装配。

图4.6 筒体法兰装配模型

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图4.7 支座装配

4.5.4封头与法兰的装配

本换热器有两个封头，其结构相同，装配方法也相同，均采用轴对称及面匹配装配，如图4.8。

图4.8 封头及法兰

4.5.5蛇管的装配

由于蛇管固定结构比较复杂，是由四根角钢在同一直径方向分别固定内外圈蛇管，在此未能建立装配关系模型，其固定方式可参考二维图形。这里只是把蛇管应用插入命

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令装入筒体内，如图4.9。

图4.9 蛇管装入筒体模型

4.5.6换热器的总体装配图生成

总装配体是由各个子装配体装配而成，把封头与法兰的的装配作为第一个装配体固定，其它的装配体如密封垫圈、筒体、吊耳、以第一个装配体为基准依次装配。在装配过程中要注意的是封头法兰和筒体法兰要平行对齐，否则螺栓孔就不能完全对齐，双头螺柱也就无法装配，会导致错误。最后完整的总装配体如图4.10，图4.11。

图4.10 整体装配图

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图4.11 整体装配图（示吊耳与封头及蛇管出口位置）

至此，换热器的各个零部件建模及装配体的装配过程已经完成。装配过程中要注意的问题是当两个面配合时一定要平行，否则会产生干涉，使后面的步骤无法进行。当使用多次轴对称命令时，要保证装配的零件尺寸精度，否则会产生冲突。也可以以此检查零件的建模尺寸是否标准。

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5 总 结

本设计完成了蛇管式换热器的选型、选材、总体结构设计和筒体、支座、开孔补强等的校核计算。针对现代设计方法的特点，根据对蛇管式换热器结构和尺寸的分析以及对其部分零部件参数的分析，研究并借鉴国内外管壳式换热器理论及设计方法，按照参数化设计的要求，运用三维绘图软件Solid Edge对换热器的各个零部件建立三维参数化模型，存入模型数据库中。建立的模型包括：封头、筒体、筒体接管、接管法兰、筒体法兰、蛇管、耳式支座、吊耳等。

基于三维绘图软件的换热器计算机辅助设计(Solid works、Solid Edge、Pro/E等)，不仅能够节省大量人力、物力，提高设计过程的效率，而且完全改变了以往单纯的手工计算和二维绘图设计，使换热器的设计过程提高到完全应用计算机计算和绘图，增强了设计过程中零部件和换热器最终装配的可视化，方便了换热器需求方和设计方在设计过程中的交流和产品的优化。

本设计较好的完成了设计任务的规定要求，达到了生产制造的条件，但设计过程中也有不足之处，在三维造型过程中，一些复杂的建模方法掌握不熟练，建模时多次尝试修改，虽然模型最终建立起来，但花费时间较多。

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谢 辞

本课题是在XX老师悉心指导下完成的。XX老师以高度的责任心、严谨的治学态度、渊博的知识和对学生学业的奉献精神，为我们营造了浓厚的学术气氛，他的谆谆教导让我们受益匪浅。在本课题的完成过程中，XX老师积极参与，对我们不懂的问题认真解答，又充分发挥了我们的想象力和动手能力，锻炼了我们的创造能力，培养了我们一丝不苟的学习工作作风。这次毕业设计接触了许多新的知识，我们遇到了不少困难，然而XX老师积极为我们解答疑问，在设计的整个过程中，自始至终给了我们精心指导。

在本设计的进行过程中，机设教研室里许多老师都给予过很多宝贵的建议和帮助，设计工作中的点滴进步无不凝聚着老师们的心血。在设计完成之际，向机设教研室每一位老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢！

此外，本课题组的XX同学给本设计的顺利进行提供了大力帮助。良好的团队互助氛围使我的设计最终得以圆满完成，在此也向他们表示最衷心的感谢！

最后，向所有给予本人关心、支持、理解和帮助的人们表示最诚挚的感谢!

参考文献

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