四川理工学院毕业设计 U形管换热器设计及三维参数化建模学 生：陈 志学 号：08041020102专 业：过程装备与控制工程班 级：2008.2指导教师：石 艳 四川理工学院机械工程学院二O一二年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： U形管换热器设计及三维参数化建模 系：机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 2008.2 学号： 08041020102 学生： 陈 志 指导教师： 石 艳 接受任务时间 2011年1月3日 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1）遵循GB150/GB151的相关规定，对U形管换热器进行结构和强度设计2）以Pro/ENGINEER为平台，实现换热器主要零部件（壳体、封头、管束、管板和支座等）的参数化和系列化设计3）实现换热器的虚拟装配4）完成：毕业设计（论文）1份；换热器三维装配模型2套（其中1套为参数驱动的变形设计模型）；主要零部件参数化模型1套；零件图1张（手工图）2指定查阅的主要参考文献及说明GB150-98钢制压力容器及GB151-99钢制管壳式换热器、化工原理、换热器设计手册、Pro/ENGINEER三维产品建模、Pro/ENGINEER企业实施与应用、Pro/ENGINEER工图程设计3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1资料收集，阅读文献，完成开题报告3月03日至3月22日2完成上机实验的准备工作3月23日至4月23日3的完成实验数据的采集和处理工作4月24日至5月13日4完成设计论文的撰写5月14日至5月24日5完成设计论文修改，答辩的准备5月25日至6月01日 摘 要参数化设计是通过改变参数值来驱动构件的形状，零件的移动、删除和尺寸的改动都会引起相关构件参数的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改，从而提高了工作效率和工作质量，这就是参数化设计的重要优点。本次设计是U形管式换热器的设计，并用Pro/ENGINEER软件对U形管换热器进行三维参数化建模。关键词：换热器；参数化；Proe/ENGINEER ABSTRACTParametric design is by changing the parameters to drive the shape of the components, components of the mobile, delete and the size of the changes they will cause some component variation of parameters, a view of what happened under any change can be parameterized, two-way spread to all the view, to ensure that all of the consistency of the drawings, shall not be obliged to modify one all views, so as to improve the working efficiency and quality of work, this is an important parameter design advantagesThis design is u-shaped tube exchanger design, and Pro/e software to U shape heat exchanger for 3 d parametric modeling.Keywords: heat exchanger; Parametric; Proe/ENGINEER 目录摘 要IABSTRACTI第一章 绪论11.1换热设备在工业中的应用11.2 U形管换热器简介21.3换热设备研究现状及发展动向3第二章 工艺简述72.1 换热器的选型72.2 介质流动空间的确定72.3 介质流动方向的选择72.4 管子排列方式的选择8第三章 结构及强度计算93.1原始数据93.2 U型换热管设计93.2.1 U形换热管基本尺寸93.2.2换热管的材料、排列方式及厚度93.2.3布管限定圆93.3壳体设计103.3.1壳程筒体壁厚计算及校核103.3.2管箱圆筒壁厚设计及校核113.4封头设计123.5 管板设计123.5.1法兰选择133.5.2管板尺寸确定133.5.3组合工况下管板的强度校核143.6小结16第四章 三维参数化建模174.1参数化设计174.1.1参数化设计的概述174.1.2参数化设计在CAD中的应用174.1.3参数化设计的本质及意义174.1.4参数化设计的历史和现状184.1.5常用的参数化设计软件194.2主要零件参数化建模194.2.1关系驱动参数化建模204.2.1.1壳体的参数化建模204.2.1.2封头建模254.2.2族表参数化建模304.2.2.1法兰建模304.2.2.2鞍座建模364.2.2.3螺栓建模424.3装配建模514.4小结54第五章 结论55参考文献56致 谢57第一章 绪论1.1换热设备在工业中的应用换热器概隐藏窗体顶端窗体底端换热设备在工业中的应用在工业生产中，用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量（或焓）传递的装置称为换热设备。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用 的一种通用设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热设备尤为重要。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-30%,在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。近20年来，换热设备在能源储存、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛的应用。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气（约 200300 ）高炉炉气压力蒸汽（约 500 ）需要冷却的化学反应工艺气3001000）等余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动 力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济 效益。 换热设备随着使用目的的不同，可以把它分为热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件不同，换热设备又有各种不同的形势和结构。 另外，在化工生产中，有时换热设备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，如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。总之，换热设备在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。近年来，随着这节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热设备进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如氢裂化，汽油、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大，螺纹锁紧环换热器、密封环换热器、金属垫圈式换热器、密封盖板式换 热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力 消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解。化肥中合成氨、聚合和天然气等场合，可 满足承压高达 35MPa，承温达 700的使用要求。在这些场合，换热设备占有的投资 占 50%以上。在5001200燃气、合成器、烟气使用的石油、化工、乙烯、原子能、航天、化肥等领域使用的换热设备主要是用特殊材料制成的废热锅炉。这些废热锅炉回收了大量的热能。如温度高达550780炼油装置燃气统，4501200的航天发动机燃气系统，6801100的化肥合成系统等。1.2 U形管换热器简介U形管换热器是将管子弯成U形，管子两端固定在同一块管板上的换热器。U形管式换热器是由管箱、壳体、管束等组成。壳体与管子分开，可不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，没有浮头，所以结构比较简单，造价比其他换热器便宜。换热管做成U形，两端固定在同一块管板上，由于壳体和管子分开，可以不考虑热膨胀，管束可以自由伸缩，不会因为流体介质温差而产生温差应力。由于换热管均做成半径不等的U形弯，除最外层损坏后可更换外，其余的管子损坏只有堵管。和固定管板式换热器相比，它的管束的中心部分存有空隙，流体很容易走短路，影响了传热效果，管板上排列的管子也比固定管板式换热器少，体积有些庞大。为增加流体介质在壳程内的流速，可在壳体内设置折流板和纵向隔板，以提高传热效果。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隙，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。管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积损失。U形管式换热器一般使用于高温高压的情况。尤其使用在压力较高的情况下，U形管式换热器。弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。要求采用正方形排列。一般情况按三角形排列，壳程需要常常清洗的管束。管程为偶数程。壳程内按工艺要求装置折流板，纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）。以增加壳侧介质流速。U形管式换热器的特点是： 1、管束可以自由抽入和抽出，方便清洗；2、壳体和管子分开，管束以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制3、可在高温、高压下工作，一般适用于温度500，压力10MPa