1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄摘要mABSTRACT IV1緒論1.1 本設(shè)計(jì)的研究背景和意義11.1.1 本設(shè)計(jì)的研究背景11.1.2 本設(shè)計(jì)的研究意義11.2 換熱器在生產(chǎn)中的作用和地位11.3 換熱器的分類21.4 換熱器的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.5 換熱器的發(fā)展動(dòng)向61.6 三維造型技術(shù)的應(yīng)用61.7 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容及方法81.7.1 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容81.7.2 本設(shè)計(jì)的研究方法92蛇管式換熱器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 管徑及介質(zhì)進(jìn)入蛇管內(nèi)外的選擇92.2 冷熱流體物性數(shù)據(jù)的確定92.3 傳熱面積的計(jì)算92.4 蛇管長(zhǎng)度及組數(shù)的確定102.5 管間距h和內(nèi)、外圈間距t的確定112.6 筒體直徑及材

2、料、蛇管圈數(shù)及高度的確定112.7 封頭尺寸及材料的確定122.8 吊耳尺寸的確定132.9 支座尺寸的確定132.10 筒體法蘭尺寸的確定143換熱器零部件的強(qiáng)度校核3.1 筒體壁厚計(jì)算及校核153.1.1 筒體壁厚計(jì)算153.1.2 筒體壁厚校核153.2 封頭壁厚計(jì)算及校核163.2.1 封頭壁厚計(jì)算163.2.2 封頭壁厚校核163.3 支座的選擇及校核163.3.1 支座的選擇163.3.2 支座的校核163.4 筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算174蛇管式換熱器三維造型設(shè)計(jì)4.1 換熱器蛇管的建模184.2 換熱器筒體的建模184.3 換熱器封頭的建模184.4 換熱器筒體法蘭的建模194.5

3、換熱器裝配體的生成204.5.1 換熱器的裝配模式204.5.2 換熱器筒體、接管、接管法蘭的裝配204.5.3 筒體、法蘭、支座的裝配214.5.4 封頭與法蘭的裝配224.5.5 蛇管的裝配224.5.6 換熱器的總體裝配圖生成235總結(jié)25謝辭26參考文獻(xiàn)27III畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書摘要換熱器是廣泛應(yīng)用于石油化工、動(dòng)力、冶金、輕工、制冷等行業(yè)的一種通用設(shè)備， 因其在化工行業(yè)的重要性，換熱設(shè)備的研究受到世界各國(guó)政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視。 其性能的好壞不但直接影響到各部門生產(chǎn)的順利進(jìn)行和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)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諸多問(wèn)題。本設(shè)計(jì)完成了蛇管式換熱器的選型、總

4、體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，運(yùn)用三維繪圖軟件 Solidedge對(duì)換熱器的各個(gè)零部件建立三維參數(shù)化模型，并對(duì)換熱器的部分零部件進(jìn)行了 校核。關(guān)鍵詞：蛇管式換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維造型；強(qiáng)度校核iii畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書Structure Design and Solid Modeling of Coil Heat ExchangerABSTRACTAs a general equipment, the heat exchanger is widely applyed in petrochemical, power, metallurgy, light industry, refrigretion and so

5、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 influenc

6、ed 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 modeland part of heat exchanger components to check.Key Words

7、: coil heat exchanger structural design; solid modeling;strength checkIV畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1緒論1.1 本設(shè)計(jì)的研究背景和意義1.1.1 本設(shè)計(jì)的研究背景換熱器是廣泛應(yīng)用于石油化工、動(dòng)力、冶金、輕工、制冷等行業(yè)的一種通用設(shè)備。 隨著全球能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)、資源危機(jī)的加劇，對(duì)于高效節(jié)能換熱設(shè)備的需求迫在眉 睫，因此換熱設(shè)備的研究備受世界各國(guó)政府及科研機(jī)構(gòu)的高度重視。在我國(guó)機(jī)械的設(shè)計(jì) 大多數(shù)還局限于傳統(tǒng)的靜態(tài)的、經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，需要更快、更好的 完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)已不能適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)新型化工設(shè)備的需求以及復(fù)雜化

8、、高效 化的發(fā)展趨勢(shì)。蛇管式換熱器是一種簡(jiǎn)單的換熱設(shè)備，它屬于管殼式換熱器的一種，其傳熱面是由 彎曲成平板或圓柱形的蛇形管子來(lái)充當(dāng)。其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，緊湊的空間，且能承受一定的 高壓，加之制造的方便性，在很多場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。由于蛇管式換熱器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算工作量大，效率低下，不能在設(shè)計(jì)的過(guò)程中邊設(shè)計(jì)邊改進(jìn)，容易造成產(chǎn) 品設(shè)計(jì)已完成但不符合要求的結(jié)果，導(dǎo)致了資源能源的浪費(fèi)。1.1.2 本設(shè)計(jì)的研究意義本設(shè)計(jì)根據(jù)給定參數(shù)的蛇管式換熱器的要求，查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)，完成了沉浸式 蛇管式換熱器各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，并對(duì)殼體、支撐部件進(jìn)行強(qiáng)度的校核。通過(guò) 實(shí)體造型給出了零部件的三維圖形表示，

9、使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的表達(dá)更加直觀，整個(gè)過(guò)程中可以 邊設(shè)計(jì)邊優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)蛇管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率不高的缺點(diǎn)。綜上所述，能夠簡(jiǎn) 化制造過(guò)程，降低生產(chǎn)成本。1.2 換熱器在生產(chǎn)中的作用和地位換熱器是用于物料之間進(jìn)行熱量傳遞的過(guò)程設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備能達(dá)到指定的溫度 以達(dá)到工藝的要求。在目前大型化及石油化工裝置中，采用各種換熱的組合，就能充分 合理的利用各種等級(jí)的能量，使產(chǎn)品的單位能耗降低，從而降低產(chǎn)品的成本以獲得好的 經(jīng)濟(jì)效益。因而，在大型化及石油化工生產(chǎn)過(guò)程中，換熱器得到越來(lái)越廣泛的使用。在 工廠建設(shè)投資中，換熱器所占的比例也有明顯的提高，成為最重要的單元設(shè)備之一。為了滿足不同工業(yè)對(duì)熱源的結(jié)構(gòu)要求，換熱

10、器在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了多種分支，管殼 式換熱器是最常見的一類換熱器，廣泛應(yīng)用于電廠，化工以及過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，盡管其他 類型的換熱器使用越來(lái)越多，但管殼式換熱器由于適應(yīng)性廣，還將長(zhǎng)期受到人們的歡迎 沉浸式蛇管換熱器是管殼式換熱器的一種，在化工、輕工、醫(yī)藥及其他工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常 用到，此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作管理也方便，且管內(nèi)能夠承受高壓。1.3 換熱器的分類換熱器的用途很廣泛，可用于各種不同的換熱過(guò)程，作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工 業(yè)中應(yīng)用非常普遍，而常用的換熱器設(shè)備按結(jié)構(gòu)可分為兩大類，板片式換熱器和管殼式 換熱器。板片式換熱器由板片和密封墊片組合而成。管殼式換熱器是管子、殼體及管板 等組成的設(shè)

11、備。1按使用目的不同，換熱器可分為加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。在生產(chǎn)中有 時(shí)把換熱器作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分。按傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為混合式、間壁式及蓄熱式三類，其 中間壁式換熱器應(yīng)用最普遍。間壁式換熱器在各工業(yè)部門中使用極其廣泛，擔(dān)負(fù)著各種 換熱任務(wù)，例如用以加熱、蒸發(fā)、冷凝和廢熱回收等。由于它們的使用條件和要求差別 很大，如容量、溫度、壓力和工作介質(zhì)的性質(zhì)等，涉及的范圍極廣，因此換熱器的結(jié)構(gòu) 型式也多種多樣。間壁式換熱器，從作為換熱面的間壁形式看，主要分為管式和板式兩 大類。管殼式、套管式換熱器的換熱面由管子構(gòu)成，屬于管式換熱器

12、；板翅式、板式換 熱器的換熱面由板片構(gòu)成，屬于板式換熱器。各種間壁式換熱器的特征、工作特性、允 許的使用范圍等差別很大，具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱計(jì)算也各有特點(diǎn)。管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，屬于間壁式換熱器。其主要的結(jié)構(gòu)形式及使用 特點(diǎn)如下：(1)浮頭式換熱器圖1.1浮頭式換熱器示意圖如圖1.1該換熱器是由管箱、殼體、管束、浮頭蓋、外頭蓋等組成。優(yōu)點(diǎn)：1.管束可以抽出來(lái)，方便清洗管程、殼程；2.介質(zhì)間溫差不受限制；3.可在高溫、高壓下工作；4.可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合；5.可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。缺點(diǎn)：小浮頭易發(fā)生泄露；金屬材料耗量大；3.結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(2) U形管換熱器圖1.2 U形管式換熱器示意圖如圖

13、1.2該換熱器由管箱、殼體、管束等零部件組成，只需一塊管板，重量較輕。 相同直徑下，換熱面積最大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單緊湊，在高溫高壓下金屬耗量最少，目前加氫 換熱器基本上全部采用U形管換熱器。優(yōu)點(diǎn)：1.管束可抽出來(lái)機(jī)械清洗；2.殼體與管壁 不受溫差限制；3.可在高溫高壓下工作；4.可用于殼程結(jié)垢較嚴(yán)重的場(chǎng)合；5.可用于管程 易腐蝕的場(chǎng)合。缺點(diǎn)：1.在管子的U形處易沖蝕，應(yīng)控制管內(nèi)流速；2.管程不適于結(jié)垢 較嚴(yán)重的場(chǎng)合；3.單管程換熱器不適用；4.不適用于內(nèi)導(dǎo)流筒，故死區(qū)較大。(3)固定管板式換熱器圖1.3固定管板式換熱器如圖1.3該換熱器是由管箱、殼體、管板、管子等零件組成。其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在

14、相同直徑時(shí)面積較大，制造較簡(jiǎn)單。 優(yōu)點(diǎn)：1.傳熱面積比浮頭換熱器大；2.旁路泄流較 ??；3.鍛件使用較少，成本低；4.沒有內(nèi)漏。缺點(diǎn)：1.殼體和管子壁溫差一般易小于或等 于50C ,大于50 c時(shí)應(yīng)在殼體上設(shè)膨脹節(jié)；2.管板和管子之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；3.殼程無(wú)法機(jī)械清洗；4.管子腐蝕易造成殼體報(bào)廢，殼體壽命決定于管子，故設(shè)備壽命較 低；5.不適于殼程易結(jié)垢的場(chǎng)合。(4)蛇管式換熱器該換熱器屬于管殼式換熱器的一種，其蛇管的形式如圖1.4所示：圖1.4蛇管結(jié)構(gòu)示意圖此類換熱器按結(jié)構(gòu)形狀可分為沉浸式和噴淋式蛇管換熱器兩類?，F(xiàn)分別介紹如下：沉浸式蛇管換熱器，此形狀的蛇管換熱器是由殼體、i支撐輔助

15、零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1.5所示：圖1.5沉浸式蛇管換熱器示意圖沉浸式蛇管換熱器，通常用于對(duì)管內(nèi)介質(zhì)的冷卻，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作 方便；且蛇管可以承受高壓。缺點(diǎn)是容器內(nèi)流體流動(dòng)速度低，傳熱系數(shù)小，換熱效果差,設(shè)備笨重。噴淋式蛇管換熱器，此形狀的蛇管換熱器是由噴淋裝置、換熱管、支架、檐板等 部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1.6所示：圖1.6噴淋式蛇管換熱器示意圖噴淋式蛇管換熱器與沉浸式蛇管換熱器相比，除了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、能承受 高壓等優(yōu)點(diǎn)外，還具有易于檢查、清洗和維修的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是占地面積大，操作時(shí)設(shè)備 周圍衛(wèi)生差。1.4 換熱器的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，換

16、熱器技術(shù)飛速發(fā)展，降低成本成為 企業(yè)追求的最終目標(biāo)，因此節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張、全球環(huán) 境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護(hù)要求的提高給空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器帶來(lái)了日 益廣闊的應(yīng)用前景。在太陽(yáng)能、核能、地?zé)?、余熱回收的利用上，各?guó)政府及民間機(jī)構(gòu) 和企業(yè)都加大了投入的資金的力度。目前換熱器存在共同的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不緊湊，單位換熱器的容積所提供的傳熱面積小， 傳熱系數(shù)不大，金屬消耗量大。文獻(xiàn) 口介紹了各國(guó)為提高管殼式換熱器性能所進(jìn)行的研 究主要是強(qiáng)化傳熱，提高對(duì)苛刻的工藝條件和各類腐蝕介質(zhì)適應(yīng)性材料的開發(fā)以及大型 化發(fā)展所作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。圍繞這三個(gè)方面分別介紹了：管殼式換熱器在強(qiáng)化傳

17、熱方面所 采用的改變傳熱元件本身的表面形狀和表面處理的方法或者用內(nèi)插物增加流體本身的擾 流來(lái)強(qiáng)化傳熱的方法；緊湊式換熱器向大型化發(fā)展趨勢(shì)，即擴(kuò)大傳熱面積，增大單位體 積內(nèi)的傳熱面積；防腐蝕換熱器的開發(fā)動(dòng)向等。在各種換熱器節(jié)能技術(shù)中，強(qiáng)化傳熱技術(shù)是應(yīng)用較廣泛的一種。所謂換熱器傳熱強(qiáng) 化是指通過(guò)對(duì)影響傳熱的各種因素的分析與計(jì)算，采取某些技術(shù)措施以提高換熱設(shè)備的 傳熱量或者在滿足原有傳熱量條件下，使它的體積縮小。強(qiáng)化傳熱主要有兩種途徑：提 高傳熱系數(shù)、增大傳熱而積。當(dāng)前，對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究主要基于這兩點(diǎn)展開。文獻(xiàn)8著重介紹了從殼程方面提高換熱器傳熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)研究及發(fā)展，具體有板式支承結(jié)構(gòu)、桿

18、式支承結(jié)構(gòu)、空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)、管式自支承結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)9從換熱器的管程和殼程兩方面介紹了管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的傳熱機(jī)理及其應(yīng)用范圍，進(jìn)一步分析 了各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了部分改進(jìn)措施和思路。管殼式換熱器管程的強(qiáng)化 傳熱技術(shù)，主要通過(guò)改變傳熱面的形貌或管內(nèi)插入物來(lái)增加流體湍流度、擴(kuò)展傳熱面積,從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，達(dá)到節(jié)能目的。具體有帶內(nèi)凸肋結(jié)構(gòu)管，此種換熱管具有雙面強(qiáng)化 傳熱的作用，適用于對(duì)流、沸騰和冷凝等工況。 同流速下，橫紋管與單頭螺旋紋管比較， 流體阻力稍大，但傳熱性能好，應(yīng)用場(chǎng)合二者相同；內(nèi)翅片管，此種換熱管的加工以焊 接為主，翅片的加工、焊接對(duì)于換熱有很大的影響。內(nèi)翅片管改變了管內(nèi)

19、部流場(chǎng)及溫度 場(chǎng)的分布情況，提高了換熱壁面附近的溫度梯度，強(qiáng)化了傳熱。但因?yàn)槌崞拇嬖?，換 熱管的清洗工作比較困難。此外還有管內(nèi)插入物形式的換熱管，螺旋扁管。雖然管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位金屬消耗方面無(wú)法與板式或板翅 式換熱器相比，但由于管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便， 適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓，因而在化工、石油、能源等行業(yè) 的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。1.5 換熱器的發(fā)展動(dòng)向換熱器肋片換熱的研究應(yīng)該注重基礎(chǔ)性的理論研究創(chuàng)新，尋求建立能支撐肋片設(shè)計(jì) 選型的系統(tǒng)化的理論，同時(shí)要結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，尋求實(shí)際應(yīng)用中最節(jié)能的肋片參數(shù)值。換熱器制造商和設(shè)

20、計(jì)人員對(duì)于換熱器肋片外型、布置仍然沒有可靠的理論依據(jù)，傳 統(tǒng)的肋片布置方式在換熱效率上不如換熱管表面設(shè)置的針狀或圓臺(tái)狀肋，而對(duì)于針狀肋 片在換熱管表面的最佳換熱的散布規(guī)律仍然還不明晰，理論研究非常薄弱；對(duì)替代傳統(tǒng) 的平板和環(huán)狀肋片的高效換熱肋片研究甚少。新型換熱管的形狀研究過(guò)少，目前的研究?jī)H局限于傳統(tǒng)的圓形或矩形換熱管上，對(duì) 更高效的換熱管型的探索研究比較缺乏。對(duì)換熱管排數(shù)和排列方式對(duì)換熱器整體換熱性能的影響研究的理論體系還沒形成， 目前對(duì)于此方面的研究多以實(shí)驗(yàn)研究為主，然后從實(shí)驗(yàn)中提取經(jīng)驗(yàn)公式，關(guān)于管排數(shù)的 純理論的換熱理論還沒有得到建立。作為衡量換熱器性能時(shí)的換熱效率，已不能作為換熱器設(shè)計(jì)

21、選型的標(biāo)準(zhǔn)，換熱效率 高并不意味著制造成本的節(jié)省以及換熱效果最佳化；傳熱因子和摩擦因子是比較合適的 衡量換熱器整體性能的指標(biāo)，但是需要綜合考慮兩種因素后建立換熱器最優(yōu)化換熱的統(tǒng) 一理論，單一的考慮換熱因子或者摩擦因子的大小對(duì)于衡量換熱器換熱性能沒有任何意 義。21.6 三維造型技術(shù)的應(yīng)用近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)展開了極為廣闊的空間。 基于微機(jī)平臺(tái)的三維CAD軟件不斷被推出，在微型計(jì)算機(jī)上已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的三 維設(shè)計(jì)功能，Solid Edge即是該類軟件的優(yōu)秀代表11。由于軟件兼容了許多 Windows的 卓越性能，使其界面簡(jiǎn)潔美觀，易于操作，已成為最具應(yīng)用價(jià)值的 C

22、AD系統(tǒng)。12文獻(xiàn)11介紹了三維實(shí)體設(shè)計(jì)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可以為設(shè)計(jì)人員提供生動(dòng)直觀 的視覺感受，對(duì)三維實(shí)體造型的步驟和基本方法作了介紹，以造型結(jié)果作為素材完成了 不同類型的裝配設(shè)計(jì)。利用 Solid Edge強(qiáng)大的造型、裝配功能來(lái)建立工業(yè)產(chǎn)品模型是非 常方便、快捷的，所制作的模型幾乎可以達(dá)到隨心所欲的程度。最終構(gòu)造出的三維實(shí)體 能夠充分表達(dá)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖， 各種裝配體可以真實(shí)反映零件 之間的裝配關(guān)系，使 產(chǎn)品在制造之前即可觀察到結(jié)構(gòu)的全貌，并可得到有關(guān)重量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物性參 數(shù)。文獻(xiàn)13對(duì)比分析了三維實(shí)體造型的各種描述方法，并結(jié)合其在CADCAECAM等 方面的應(yīng)用。對(duì)各種方法進(jìn)

23、行了比較，論述了各種不同的方法在具體應(yīng)用環(huán)境中的利弊。文獻(xiàn)14介紹了使用Solidedge軟件進(jìn)行閥門三維實(shí)體造形、 變量表在參數(shù)化設(shè)計(jì)中 的應(yīng)用、二維工程圖的實(shí)現(xiàn)以及網(wǎng)絡(luò)分布的方法。其中三維實(shí)體造形講述了零件實(shí)體造 型的方法首先要確定合理的建模順序，再次通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、除料、掃掠和放樣等特征 命令進(jìn)行實(shí)體造形，最后為了制造工藝還需要添加倒角、圓角等特征。文獻(xiàn)15介紹了在Pro/E環(huán)境下，以減速器齒輪的設(shè)計(jì)為例，講述了參數(shù)化建模的特 點(diǎn)、步驟，建模過(guò)程中應(yīng)用了陣列、復(fù)制等特征命令，使復(fù)雜零件的建模簡(jiǎn)單化。三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的進(jìn)步。特別是基于三維設(shè)計(jì) 技術(shù)的虛擬樣機(jī)和

24、仿真技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)化提供了一種理想的技 術(shù)支撐平臺(tái)。1.7 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容及方法1.7.1 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容蛇管式換熱器：3000kg/h的油從145c冷卻至40C；壓力為：0.3MPa；冷卻介質(zhì)采 用循環(huán)水；循環(huán)冷卻水的壓力為：0.4 MPa；循環(huán)水入口溫度25C；出口溫度：40C。(1)確定換熱器的主要結(jié)構(gòu)如筒體、換熱管、封頭、支座、吊耳等的基本尺寸。(2)確定各零部件之間的連接形式及固定方式，包括筒體與法蘭的連接，蛇管的固 定，以及支座與筒體的連接。(3)對(duì)重要零部件進(jìn)行校核，其中包括封頭、筒體、開口補(bǔ)強(qiáng)、支座等。1.7.2 本設(shè)計(jì)的研究方法本設(shè)計(jì)采用Solide

25、dge進(jìn)行三維造型，可以更直觀、更完整、更準(zhǔn)確地表達(dá)出設(shè)計(jì)信 息。它具有基于特征、參數(shù)化、實(shí)體造型等特點(diǎn)。整個(gè)設(shè)計(jì)基于裝配關(guān)系進(jìn)行，裝配的 基礎(chǔ)要素是相關(guān)的零件，零件是由若干參數(shù)化的可以基于裝配關(guān)系的特征堆砌而成。特 征是一些與機(jī)械設(shè)計(jì)的表達(dá)意圖相關(guān)的簡(jiǎn)單幾何形體。這些幾何形體的基礎(chǔ)是參數(shù)化的， 可以基于裝配關(guān)系的二維或者三維草圖。362蛇管式換熱器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 管徑及介質(zhì)進(jìn)入蛇管內(nèi)外的選擇考慮污垢清洗因素及換熱效果，故使油走管內(nèi)，循環(huán)冷卻水走管外。換熱管選用標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)格25 2碳鋼管。2.2 冷熱流體物性數(shù)據(jù)的確定定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。油的定性溫度為:92.5 C145

26、40 T2水的定性溫度為：25 40232.5 C根據(jù)定性溫度，分別查取油和水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)油在92.5C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度0 850.4 kg/m3定壓比熱容Cp0 2.1KJ/(kgC)導(dǎo)熱系數(shù)0 0.137W/ (mC)運(yùn)動(dòng)粘度循環(huán)冷卻水在32.5C下的物性數(shù)據(jù)如下:20.000014m /s密度994 kg/m3定壓比熱容cp04.08KJ / (kg C)導(dǎo)熱系數(shù)0.626W/(m- C)考慮換熱余量1.1及換熱器效率0.9,計(jì)算得到實(shí)際傳熱量Q 1.1Q0/0.91.1 367500 0.9 224583J /s(2)平均傳熱溫度t1ln%t2(145 40) (40 25

27、)。- 46.25 C,145 40ln 40 25(3)總傳熱系數(shù)K管內(nèi)流通面積A -di42_ 2_420.0213.46 10 m4管內(nèi)流速3000 / 36000A850.4 3.46 10 42.8m / s雷諾數(shù)Redi 2.8 0.021 42480.000014管內(nèi)傳熱系數(shù)5i 湍流=1-670- 0.027.R0.8 Pr1/3 560.9 W/ (m2 . C) Redi外傳熱系數(shù)o0.023-o Re0.8 Pr0.30.023 0.137 42480.8 1920.3di0.021運(yùn)動(dòng)粘度0.000725m2/s2.3 傳熱面積的計(jì)算(1)熱負(fù)荷計(jì)算QoCpom t21

28、00 3000/3600 145 40183750J/s=580.5W/ M C)管外和管內(nèi)污垢熱阻分別是1=0.000174 (m2 C) /W, Ro=0.000516 (m2 C) /W1doR dodoR 1idii didi0.025560.9 0.0210.0001740.0250.0210.002 0.02543.6 0.0230.0005161580.5=216.45 W/ (m2 C)(4)傳熱面積 Q 224583 A K T 216.45 46.252.4蛇管長(zhǎng)度及組數(shù)的確定22.4m2(1)蛇管總長(zhǎng)度A do22.43.14 0.025286 m(2)組數(shù)考慮到蛇管長(zhǎng)度

29、較長(zhǎng)，將蛇管做成兩組螺旋圓柱蛇管組。每組長(zhǎng)度A2 do22.42 3.14 0.025143m2.5 管間距h和內(nèi)、外圈間距t的確定若有數(shù)組同心圓柱形蛇管沉浸于容器中時(shí)，蛇管內(nèi)圈與外圈間距t 一般取23do,此處取3d。即75mm；同組中蛇管間距h一股取1.52co,止匕處取2d。即50mm,如圖2.1。圖2.1管間距示意圖2.6 筒體直徑及材料、蛇管圈數(shù)及高度的確定(1)筒體直徑及材料筒體直徑選擇標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸 DN=900型，Q235A是屈服點(diǎn)為235MPa的低合金結(jié)構(gòu) 鋼板，它具有良好的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能。由于本換熱器的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓 力均較低,故選用Q235A鋼板作為筒體的材料

30、。(2)蛇管外圈中心圓直徑Do=DN-(200400),止匕處取 Dn=700mm。蛇管內(nèi)圈中心圓直徑Di=Do-2t=700-2X 75=550mm(3)每圈蛇管長(zhǎng)度(以斜面長(zhǎng)度表示)2.2m1.7m外圈 lo,Do 2 h2: 3.14 0.7 2 0.052內(nèi)圈 li； Di 2 h2；(3.14 0.55)2 0.052(4)每組蛇管圈數(shù)noLlo1432.265nili84由于內(nèi)外圈數(shù)相差較大，此處取內(nèi)外圈均為74圈。(5)每組蛇管高度H=(n-1)h=(74-1) X0.05=3.7m2.7 封頭尺寸及材料的確定封頭有多種，可以是普通的標(biāo)準(zhǔn)鑄件，也可以是裝配件，選擇封頭時(shí)有兩點(diǎn)主要

31、考慮因素：（1）是否容易接近傳熱管以便于清洗和更換；（2）管道安裝是否方便。本設(shè)計(jì) 封i橢圓封頭，材料與筒體相同均為 Q235A,內(nèi)徑DN=900,結(jié)構(gòu)如圖2.3。圖2.3封頭示意圖2.8 吊耳尺寸的確定由于本設(shè)備屬于立式換熱器且質(zhì)量較重，故選擇板式吊耳，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2.4:t/圖2.4吊耳結(jié)構(gòu)示意圖2.9 支座尺寸的確定根據(jù)筒體公稱直徑DN及估計(jì)的總質(zhì)量Q初選標(biāo)準(zhǔn)支座，考慮此換熱器屬于立式換熱器且高度較高，綜合各方面選擇耳式支座，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2.5。圖2.5支座結(jié)構(gòu)示意圖2.10 筒體法蘭尺寸的確定法蘭須選用鍛造鋼，Q235A的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等綜合力學(xué)性能好，所以設(shè)備 法蘭選用Q235

32、A鍛件，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2.6。凸面圖2.6法蘭結(jié)構(gòu)示意圖3換熱器零部件的強(qiáng)度校核3.1 筒體壁厚計(jì)算及校核3.1.1 筒體壁厚計(jì)算材料選用Q235A,在150 0c以下的許用應(yīng)力由表可以查出，t=113MPa,常用屈服極限cs=235Mpa。取計(jì)算壓力等于筒內(nèi)最高工作壓力，即pc=0.4MPa。筒體內(nèi)徑取Di=900mm,焊縫系數(shù)=0.85。筒體計(jì)算厚度：c TD 0.4 900 1.9mm2 tPc 2 113 0.85 0.4鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.6mm,腐蝕裕量C2=2mm。鋼板厚度附加量C=C+C2=2.6mm。根據(jù)鋼板規(guī)格及 GB151規(guī)定的壓力容器最小厚度取筒體名義厚度n=10mm

33、。所以筒體有效厚度 e= n-C=10-2.6=7.4mm。3.1.2 筒體壁厚校核(1)液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核筒體試驗(yàn)壓力計(jì)算值：PT 1.25PcU 1.25 0.4 125 0.55MPat113表示筒體材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，查表得 125Mpa。液壓試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力：t 0.9 s 0.9 0.85 235 179.8MPa液壓試驗(yàn)下圓筒應(yīng)力：tPT(Die) 0.55 (900 7.4) 33.72MPa2 e2 7.4因?yàn)閠 t ,所以校核結(jié)果合格。(2)工作條件應(yīng)力校核設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力：t Pc(Die) 0.4(900 7.4) 24.52MPa2 e2 7.4允許通過(guò)的最

34、大應(yīng)力了 113 0.85 96.05MPa因?yàn)閠 ，所以校核結(jié)果合格。綜上所述筒體名義厚度6 n符合要求。3.2 封頭壁厚計(jì)算及校核3.2.1 封頭壁厚計(jì)算材料選用Q235A,在150 0c以下的許用應(yīng)力由表可以查出，t=113MPa,常用屈服極限cs=235Mpa。取計(jì)算壓力等于筒內(nèi)最高工作壓力，即pc=0.4MPa。封頭選擇橢圓封頭內(nèi)徑取與筒體相同Di=900mm,焊縫系數(shù)=0.85。橢圓封頭計(jì)算厚度：c 啰0.4 900 1.8mm2 0.5Pc 2 113 0.85 0.5 0.4鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.6mm,腐蝕裕量C2=2mm。鋼板厚度附加量C=C+C2=2.6mm?？紤]制造加

35、工方便，取橢圓封頭壁厚n與筒體等厚，即10mm。3.2.2 封頭壁厚校核(1)橢圓封頭壁厚計(jì)算條件驗(yàn)算封頭有效厚度e n C 7.4mm0.15%Di 1.35mm,因?yàn)閑 0.15% Di ,故計(jì)算壁厚合適。(2)封頭應(yīng)力校核封頭允許的最大應(yīng)力:tPc(KDi 0.5 e)。4 900 0.5 7.42 1.8 0.85113.10MPa其中K是橢圓形封頭形狀系數(shù)，查表 K=1。封頭工作應(yīng)力：t P-Di一- 0.4 (900 7.4) 24.52MPa2 e2 7.4因?yàn)閠 t ,所以封頭厚度合適。綜上所述，橢圓封頭壁厚合適。3.3支座的選擇及校核3.3.1 支座的選擇根據(jù)鋼制壓力容器的相

36、關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇短臂、帶墊板的耳式支座，支座本體允許承受的載荷Q=20KN ,支座處筒體允許承受的彎矩ML=5.75KN.m。3.3.2 支座的校核實(shí)際承受載荷計(jì)算：Qkn nD其中k是不均勻系數(shù)安裝4個(gè)支座取0.83; n是支座數(shù)；h是水平力作用點(diǎn)到底板的高度，考慮換熱器重心位置及耳座安裝位置h取1m； D是支座安裝周向尺寸，開孔直徑：d di 2c 200 2 2 204mm需要的補(bǔ)強(qiáng)面積A:A d2 e 1 fr ,其中fr強(qiáng)度削弱系數(shù)取1,故A=326.4mm2c殼體多余金屬截面積：A (B d)( n C ), B=2d,代入數(shù)據(jù)得 Ai=1305.6mm2。接管多余金屬截面積：A22h

37、int C tfr , hiJ204 10 45.2mm,接管計(jì)算壁厚：tPd0.4 2040.4mm2 t FC 2 113 0.4將所得數(shù)據(jù)代入A2得687.0mm2。焊縫金屬截面積 A3=0.5X 10X 10X2=100mm2?？勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積 Ae=A+A2+A3=2092.6mm2。因?yàn)锳e>A,故開孔不需另加補(bǔ)強(qiáng)。4蛇管式換熱器三維造型設(shè)計(jì)4.1 換熱器蛇管的建模蛇管是本換熱器重要的換熱元件，由兩圈螺旋的管子組成，外圈中心圓直徑700mm, 內(nèi)圈中心圓直徑550mm,內(nèi)外圈間隔75mm,旋轉(zhuǎn)一圈升高50mm。螺旋蛇管類似于彈 簧，所以首先在草圖環(huán)境建立旋轉(zhuǎn)軸及蛇管截面圓，

38、蛇管截面直徑25mm。退出草圖環(huán)境，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)拉伸命令，從草圖選擇 25mm圓，確定拉伸參數(shù)：螺距 50mm,圈數(shù) 74,確定后點(diǎn)擊預(yù)覽命令，建立內(nèi)圈蛇管。同樣方法建立外圈蛇管，如圖 4.1蛇管模型。圖4.1蛇管模型4.2 換熱器筒體的建模本換熱器筒體內(nèi)徑900mm,壁厚10mm,距離筒體底部與上部230mm處分別開有 218mm的圓口，兩圓口對(duì)稱分布在直徑方向。首先在草圖環(huán)境建立同心圓，直徑分別 是900mm和920mm。退出草圖環(huán)境，應(yīng)用垂直拉伸命令，選擇兩個(gè)同心圓，拉伸距 離3911mm。選擇與筒體平行的平面建立圓口草圖，退出草圖環(huán)境，應(yīng)用除料命令建立 接管口，筒體模型如圖4.2。4.3

39、換熱器封頭的建模本換熱器由兩個(gè)封頭組成，均采用橢圓封頭，結(jié)構(gòu)尺寸相同，內(nèi)徑900mm,壁厚10mm,加工采用沖壓方法加工。建模時(shí)采用旋轉(zhuǎn)拉伸命令，建立草圖時(shí)要注意線段的 連接關(guān)系，否則拉伸時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)，模型如圖 4.3。圖4.2筒體模型圖4.3橢圓封頭模型4.4 換熱器筒體法蘭的建模換熱器法蘭選用凹凸面密封法蘭，公稱直徑 900mm,用32個(gè)M20雙頭螺柱緊固密 封。法蘭的作用主要是連接封頭和筒體， 其材料為Q235A鍛件，封頭法蘭和筒體法蘭上 的螺栓孔的裝配方式應(yīng)一致。由于法蘭是圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只畫出其剖面二維草圖，再用旋轉(zhuǎn)拉伸出命令即可建模。其上的螺栓連接孔可以只畫出一個(gè)，然后用陣列命令陣

40、列出即可。模型如圖4.4。圖4.4筒體法蘭模型4.5 換熱器裝配體的生成4.5.1 換熱器的裝配模式零部件裝配的過(guò)程，就是確定裝配體中各組成零部件如何連接的過(guò)程。零部件之間 的連接關(guān)系即為裝配關(guān)系。裝配體是在 Solid edge裝配環(huán)境中進(jìn)行的。用戶可以使用配 合關(guān)系來(lái)確定零部件的位置和方向，傳統(tǒng)的方法是自下而上的設(shè)計(jì)過(guò)程，即先設(shè)計(jì)各個(gè) 零部件，然后再進(jìn)行裝配。自上而下的設(shè)計(jì)過(guò)程恰好相反，即先從裝配體開始設(shè)計(jì)工作， 用戶可以使用一個(gè)零部件的幾何體來(lái)幫助定義另一個(gè)零部件，或生成組裝零部件后才添 加加工特征。采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，零部件設(shè)計(jì)完成之后，可根據(jù)要求進(jìn)行零部件裝配。零部件之 間的裝配關(guān)系實(shí)

41、際上就是零部件之間的位置約束關(guān)系。通過(guò)給裝配體添加約束關(guān)系，可 以使零部件之間精確地進(jìn)行定位，從而將各個(gè)零件組合成所需要的裝配體。Solid edge主要裝配體約束類型：面匹配、面對(duì)齊、軸對(duì)齊、平行、相切、角度等。4.5.2 換熱器筒體、接管、接管法蘭的裝配換熱器筒體由接管及法蘭組成，首先將筒體調(diào)入裝配環(huán)境，再將接管調(diào)入，接管要 與筒體垂直裝配，最后調(diào)入接管法蘭，法蘭與接管采用軸對(duì)稱裝配，裝配完模型如圖4.5。圖4.5筒體4.5.3 筒體、法蘭、支座的裝配在筒體裝配的基礎(chǔ)上，繼續(xù)裝配筒體法蘭、密封圈及支座，法蘭、筒體、密封圈均 采用軸對(duì)稱裝配，面與面的配合采用面匹配命令，一般先應(yīng)用軸對(duì)稱命令，

42、再進(jìn)行面與 面的匹配，否則容易產(chǎn)生沖突。支座與筒體垂直裝配，共四個(gè)對(duì)稱均布在筒體周向。如 圖4.6所示為筒體一側(cè)裝配模型，另一側(cè)與之相同，圖 4.7為支座與筒體的裝配。圖4.6筒體法蘭裝配模型圖4.7支座裝配4.5.4 封頭與法蘭的裝配本換熱器有兩個(gè)封頭，具結(jié)構(gòu)相同，裝配方法也相同，均采用軸對(duì)稱及面匹配裝配, 如圖4.8。圖4.8封頭及法蘭4.5.5 蛇管的裝配由于蛇管固定結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是由四根角鋼在同一直徑方向分別固定內(nèi)外圈蛇管， 在此未能建立裝配關(guān)系模型，其固定方式可參考二維圖形。這里只是把蛇管應(yīng)用插入命 令裝入筒體內(nèi)，如圖4.9。圖4,9蛇管裝入筒體模型4.5.6 換熱器的總體裝配圖生成

43、總裝配體是由各個(gè)子裝配體裝配而成，把封頭與法蘭的的裝配作為第一個(gè)裝配體固 定，其它的裝配體如密封墊圈、筒體、吊耳、以第一個(gè)裝配體為基準(zhǔn)依次裝配。在裝配 過(guò)程中要注意的是封頭法蘭和筒體法蘭要平行對(duì)齊，否則螺栓孔就不能完全對(duì)齊，雙頭 螺柱也就無(wú)法裝配，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。最后完整的總裝配體如圖 4.10,圖4.11。至此，換熱器的各個(gè)零部件建模及裝配體的裝配過(guò)程已經(jīng)完成。裝配過(guò)程中要注意的問(wèn)題是當(dāng)兩個(gè)面配合時(shí)一定要平行，否則會(huì)產(chǎn)生干涉，使后面的步驟無(wú)法進(jìn)行。當(dāng)使 用多次軸對(duì)稱命令時(shí)，要保證裝配的零件尺寸精度，否則會(huì)產(chǎn)生沖突。也可以以此檢查 零件的建模尺寸是否標(biāo)準(zhǔn)。5總結(jié)本設(shè)計(jì)完成了蛇管式換熱器的選型、選材

44、、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和筒體、支座、開孔補(bǔ)強(qiáng) 等的校核計(jì)算。針對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)蛇管式換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的分析以及 對(duì)其部分零部件參數(shù)的分析，研究并借鑒國(guó)內(nèi)外管殼式換熱器理論及設(shè)計(jì)方法，按照參 數(shù)化設(shè)計(jì)的要求，運(yùn)用三維繪圖軟件 Solid Edge對(duì)換熱器的各個(gè)零部件建立三維參數(shù)化 模型，存入模型數(shù)據(jù)庫(kù)中。建立的模型包括：封頭、筒體、筒體接管、接管法蘭、筒體 法蘭、蛇管、耳式支座、吊耳等。基于三維繪圖軟件的換熱器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (Solid works、Solid Edge、Pro/E等)，不 僅能夠節(jié)省大量人力、物力，提高設(shè)計(jì)過(guò)程的效率，而且完全改變了以往單純的手工計(jì) 算和二維繪圖設(shè)計(jì)，使換

45、熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程提高到完全應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算和繪圖，增強(qiáng)了設(shè) 計(jì)過(guò)程中零部件和換熱器最終裝配的可視化，方便了換熱器需求方和設(shè)計(jì)方在設(shè)計(jì)過(guò)程 中的交流和產(chǎn)品的優(yōu)化。本設(shè)計(jì)較好的完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的規(guī)定要求，達(dá)到了生產(chǎn)制造的條件，但設(shè)計(jì)過(guò)程中也有不足之處，在三維造型過(guò)程中，一些復(fù)雜的建模方法掌握不熟練，建模時(shí)多次嘗試 修改，雖然模型最終建立起來(lái)，但花費(fèi)時(shí)間較多。謝辭本課題是在XX老師悉心指導(dǎo)下完成的。XX老師以高度的責(zé)任心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài) 度、淵博的知識(shí)和對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)的奉獻(xiàn)精神，為我們營(yíng)造了濃厚的學(xué)術(shù)氣氛，他的諄諄教 導(dǎo)讓我們受益匪淺。在本課題的完成過(guò)程中，XX老師積極參與，對(duì)我們不懂的問(wèn)題認(rèn)真解答，又充分發(fā)揮了我們的想象力和動(dòng)手