PAGEword文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯某某大學畢業設計(論文)題目：煤油冷卻器的設計（處理量1600kg/h）學院：機電工程學院專業班級：過控084班學生姓名：指導老師：成績：2012年6摘要本次畢業設計的任務是設計一個換熱器。首先分析設計任務和條件，初步選擇換熱器的類型，進行流程安排，接著進行工藝結構計算，并重點針對湍流程度和傳熱面積裕度進行核算。以上完成后是結構設計,包括管板、殼體、管箱、折流板、封頭、換熱管、法蘭、接管等的設計，并確定連接方式和密封形式。下一步是進行強度計算，對各個部分進行計算后，再進行面積、許用應力、力矩計算，然后進行各種可能情況下的應力校核。最后選擇接管法蘭、密封元件和鞍座，完成本次設計任務。在實際應用中，固定管板式換熱器結構簡單、制造方便、成本低、管程清洗方便、規格系列范圍廣，故在工程上得到廣泛應用。所以我本次設計選擇了固定管板式換熱器的設計。關鍵詞:換熱器；結構設計；強調計算；應力校核AbstractThegraduationdesigntaskistodesignaheatexchanger.Firstanalysisdesigntaskandconditions,choosethetypeofpreliminaryheatexchanger,processarrangement,thenprocessstructurecalculation,andfocusingontheturbulentflowandheattransferareadegreethemarginaccounts.Afterthecompletionoftheaboveisthestructuredesign,includingthetubeplate,shellandtubebox,baffleplate,sealing,headofheatexchangetube,flange,takeoverofdesignof,anddeterminedtheconnectionmodeandsealingform.Thenextstepisforstrengthcalculation,calculatedforeachpart,thenarea,allowablestresscalculation,torque,andthencarryoutallthepossiblecheckthestress.Thelastchoicetotakeoverflange,sealcomponentsandsaddle,completethedesigntask.Inpracticalapplications,fixedtubeplateheatexchangersimplestructure,easyfabrication,lowcost,convenientwashing,providespecificationsseriesrangewide,itiswidelyappliedinengineering.SothisdesignIchosefixedtubeplateheatexchangertodesign.Keywords:Heatexchanger;Structuredesign;Emphasizecomputing;Stresschecking目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景 11.2換熱器的研究現狀 1第2章確定設計方案 32.1設計任務和操作條件 32.2換熱器類型的選取 32.3流程安排 3第3章工藝計算 43.1物性數據的確定 43.1.1定性溫度的確定 43.1.2物性數據 43.2估算傳熱面積 53.2.1平均傳熱溫差 53.2.2由煤油的流量計算熱負荷 63.2.3傳熱面積計算 63.2.4冷卻水用量 73.3結構尺寸的設計 73.3.1換熱管的選擇和管內流速的確定 73.3.2確定管程數和傳熱管數 73.3.3平均傳熱溫差校正及殼程數 83.3.4殼體內徑 93.3.5折流板 93.3.6傳熱管排列和分程方法 103.3.7接管 113.3.8其他附件 123.4換熱器核算 133.4.1傳熱能力核算 133.4.2壁溫核算 173.4.3換熱器內流體的流動阻力 173.5換熱器主要結構尺寸表 19第4章換熱器結構設計 214.1殼體、管箱殼體和封頭設計 214.2選取接管 214.2.1接管外伸長度 224.2.2接管與筒體和管箱殼體的連接 224.2.3接管位置的確定 224.3換熱管與管板 234.3.1換熱管 234.3.2管板 244.4殼體與管板、管板與換熱管的連接 254.4.1殼體與管板的連接 254.4.2換熱管與管板的連接 264.5其他部件 274.5.1拉桿與定距管 274.5.2折流板 274.5.3膨脹節 27第5章強度計算 305.1設計條件 305.2結構尺寸 305.3材料選擇及許用應力的計算 315.4管箱設計 335.5封頭計算 335.6筒體設計 345.7換熱器管板設計 345.7.1相關面積計算 345.7.2換熱管許用應力的計算 365.7.3力矩計算 365.8應力校核計算 435.8.1殼程設計壓力的情況 435.8.2管程設計壓力的情況 505.9開孔補強 57第6章法蘭、墊片及鞍座的設計 586.1接管法蘭 586.1.1接管法蘭的材料 586.1.2對材料的加工要求 586.1.3排氣、排污接管法蘭 586.1.4煤油進出口接管法蘭 586.1.4循環冷卻水進出口接管法蘭 596.1.5墊片選擇 596.2鞍座的選擇 596.3技術要求 62結論 63參考文獻 64致謝 65第1章緒論1.1課題背景1.2換熱器的研究現狀第2章確定設計方案2.1設計任務和操作條件2.2換熱器類型的選取2.3流程安排word文檔可自由復制編輯第3章工藝計算3.1物性數據的確定3.1.1定性溫度的確定參考文獻，對于一般輕油和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故管程流體冷卻水的定性溫度為：（3-1）式中—冷卻水定性溫度（℃）—冷卻水進口溫度（℃）—冷卻水出口溫度（℃）℃，殼程煤油的定性溫度為：（3-2）式中—煤油定性溫度（℃）—煤油的進口溫度（℃）—煤油的出口溫度（℃）℃，3.1.2物性數據參考文獻，分別參考管程和殼程流體在對應的溫度下，在生產中的物性數據實測值，循環冷卻水在28.5℃比熱容：kJ/(kg·℃)密度：kg/；粘度：Pa·s；導熱系數：W/(m·℃)。煤油在87.5比熱容：kJ/(kg·℃)；密度：kg/；粘度：Pa·s；導熱系數：W/(m·℃)。確定物性數據后，后面的計算中需用到以上數據者，可直接引用。3.2估算傳熱面積3.2.1平均傳熱溫差煤油的進出口溫度分別為140℃和35℃，冷卻水的進出口溫度分別為25（3-3）℃式中—逆流或并流的平均傳熱溫差—可按圖３-１所示進行計算。圖３-１列管式換熱器內流型3.2.2由煤油的流量計算熱負荷依據文獻公式：（3-4）式中Qh—熱負荷，W；Wh—工藝流體的流率，kg/h；cph—工藝流體的熱容；kJ/(kg·℃)；—工藝流體的溫度變化，℃；==W3.2.3傳熱面積計算由于殼程煤油的壓力不高，所以可以選擇較小的K值。假設W/(m2·℃)，則估算的傳熱面積A為：考慮到估算值對計算結果的影響，根據文獻提供的經驗范圍，取實際傳熱面積為估算值的1.15～1.25倍，取1.15倍。即3.2.4冷卻水用量對于工藝流體被冷卻的情況，工藝流體所放出的熱量等于冷卻劑所吸收的熱量與熱損失之和，在實際設計中，為可靠起見，常可忽略熱損失，依據公式：，計算冷卻水用量：3.3結構尺寸的設計3.3.1換熱管的選擇和管內流速的確定考慮到管徑太小，流動阻力大，機械清洗困難，由文獻根據具體情況選用mm傳熱管。材料為20號鋼。參考文獻取管內流速m/s。3.3.2確定管程數和傳熱管數參考文獻，根據公式（3-5）可由傳熱管內徑和流體流速確定單程傳熱管數目，式中ns—單程管子數目；V—管程流體的體積流量，m3/s；di—換熱管內徑，m；u-管內流體的流速，m/s。計算得：根按單管程計算，所需的傳熱管長度為L：（3-6）式中L—按單管程計算的管子長度，m；A—估算的傳熱面積，m2；d0—管子外徑，m。如果按照單管程設計，傳熱管尺寸過長。應該采用多管程結構。根據本設計實際情況，參考文獻推薦的傳熱管長3m，則該換熱器的管程數為：（管程）換熱器內傳熱管根數為：3.3.3平均傳熱溫差校正及殼程數參考文獻，折流情況下的平均傳熱溫差可先按純逆流情況計算，然后加以較正，由于在相同的流體進出口，溫度下，逆流流型具有較大的傳熱溫差，所以在工程上，若無特殊要求均采用逆流。平均傳熱溫差校正系數：（3-7）

式中：—熱流體的進、出口溫度，℃—冷流體的進、出口溫度，℃。計算平均傳熱溫差如下：（3-8）式中—折流情況下的平均傳熱溫差；—溫差校正系數。按單殼程雙管程，查文獻圖F2可知：所以，平均傳熱溫差：==39.5℃參考文獻,因為計算得平均傳熱溫差校正系數為0.96，大于0.8，所以取單殼程合適。3.3.4殼體內徑參考文獻采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體的內徑為：mm按無縫鋼管進級檔，可取mm,初步選取壁厚為6mm，即。3.3.5折流板折流板有橫向折流板和縱向折流板，橫向折流板同時兼有支撐傳熱管，防止發生震動的作用，其常用的型式有弓形折流板和和圓盤-圓環形折流板，弓形折流板結構簡單，性能優良，在實際中最為常用。本設計采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度約為殼體內徑的20%，則切去的圓缺高度為：mm所以，取mm。參考文獻取折流板的的間距，則mm所以，取mm。折流板數為：折流板選擇圓缺豎直裝配，具體型式見總裝配圖。3.3.6傳熱管排列和分程方法對于多管程換熱器，常采用組合排列方式，每一程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方法。如圖3.1所示。參考文獻,管心距選擇為：mm，取mm。隔板中心距離相鄰的換熱管中心距離S等于：各程之間相鄰換熱管的管心距等于：19×2=38mm橫過管束中心線的管數：圖３-２換熱管組合排列兩管程，每程各有換熱管數目為21根，管箱中隔板安裝位置和介質的流通方式按照圖3.2所示。圖３-３管程隔板安裝位置和換熱管分程方式3.3.7接管1.管程流體進、出口接管：選取接管內冷卻水的流速為：m/s，則接管內徑如下：m圓整后，管程進、出口接管規格為：。2.殼程流體進、出口接管取接管內流體流速為：m/s，則接管內徑如下：m為了方便取材，圓整后，殼程進、出口接管規格也選擇為。3.3.8其他附件1.拉桿數量與直徑根據文獻表43和表44查得，本換熱器換熱管外徑為19mm，所以拉桿直徑。拉桿數不得少于4個，考慮到殼體內徑較小，選擇4根拉桿。2.防沖擋板參考文獻，當管程采用軸向入口接管或換熱管內流體速度超過3m/s時，應設置防沖板。當殼程進口流體的（其中味流體密度，；味流體的流速，m/s）值為下列數值時，應在殼程進口管處設置防沖板或導流筒：非腐蝕、非磨蝕性的單向流體，者；其他液體，包括沸點下的液體，者。有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物，應設置防沖板；當殼程進出口接管距管板較遠，流體停滯區過大時，應設置導流筒，以減小流體停滯區，增加換熱器的有效換熱長度。本換熱器設計中，管程進口流速為2.5m/s,殼程故管程和殼程均無需設置防沖板。3.膨脹節膨脹節是裝在固定管板式換熱器殼體上的撓性構件，依靠這種易變形的撓性構件，對管束與殼體間的變形差進行補償，以此來消除殼體與管束間因溫度而引起的溫差應力。固定管板式換熱器換熱過程中，管束和殼體有一定得溫差存在，而管板、管束與殼體之間是剛性地連接在一起的，當溫差大于50℃時，由于過大的溫差應力往往會引起殼體的破壞或造成管束彎曲。當溫差很大時，可以選用浮頭式、U型管及填料函式換熱器。但上述換熱器的造價較高，若管間不需要清洗時，也可采用固定管板式換熱器，但需要設置溫差補償裝置，如膨脹節。膨脹節的型式較多，通常有波形膨脹節、平板膨脹節、Ω形膨脹節。在生產實際中，應用最多也最普遍的是波形膨脹節。本設計初步選用波形膨脹節。圖３-4波形膨脹節3.4換熱器核算3.4.1傳熱能力核算1.管程傳熱膜系數參考文獻,用克恩法進行計算，選擇公式：（3-9）n=0.4(當流體被加熱時)n=0.3(當流體被冷卻時)所以取n=0.4正確。因為，=<0.002Pa·s，滿足條件，定性溫度可取流體進出口溫度的算術平均值；特征尺寸取換熱管的內徑di。管程冷卻水流通截面積計算得：m2管程冷卻水流速為：m/s雷諾數=23926普蘭特數用克恩法計算，則管程流體傳熱膜系數為：=5925W/(m2·℃)2.殼程流體傳熱膜系數可用克恩法進行計算，當量直徑，按三角形排列時公式如下：（3-10）式中t—管間距，m；d0—換熱管外徑，m；有上式，當量直徑如下：殼程流通截面積為：=0.00288殼程流體流速=，即=0.187m/s雷諾數=4315普蘭特數粘度校正，則：用克恩法計算，則殼程流體傳熱膜系數為：=565W/(m2·℃)3.污垢熱阻和管壁熱阻查文獻表F1、F7.3得：管外側污垢熱阻為：(m2·K)/W管內側污垢熱阻為：(m2·K)/W查表F3得：碳鋼在該條件下的導熱系數W/(m2·K)則管壁熱阻：（3-11）式中b—換熱管壁厚，m；—管壁導熱系數，m·℃/W=0.00004(m2·K)/W4.總傳熱系數總傳熱系數為：（3-12）式中K—總傳熱系數，W/(m2·K)；—殼程流體的傳熱膜系數，W/(m2·K)；—殼程污垢熱阻，m2·℃/W；—管壁熱阻，m2·℃/W；—管程污垢熱阻，m2·℃/W；—換熱管外徑，m；—換熱管內徑，m；—換熱管平均直徑，m；—管程傳熱膜系數，W/(m2·K)；所以=410W/(m2·K)5.傳熱面積裕度實際所需的傳熱面積m2該換熱器的實際傳熱面積=7.52m該換熱器的面積裕度=17.7%該換熱器能夠完成生產任務，F＞(15﹪～25﹪),符合要求。 3.4.2壁溫核算因為管壁很薄，且管壁熱阻很小，所以管壁溫度可以按公式（3-13）計算；取循環冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度為32℃計算傳熱管壁溫。計算中按最不利的操作條件考慮，=35.5℃式中：℃℃W/(m2·K)W/(m2·K)殼體壁溫可近似取為殼體流體的平均溫度，即：T=87.5℃殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：≈51.9℃參考文獻,該溫差大于50℃，所以需要設置溫度補償裝置。由于浮頭式、U型管式及填料函式換熱器造價較高，且操作壓力較小，所以初步選用帶膨脹節的固定管板式換熱器比較合適3.4.3換熱器內流體的流動阻力1.殼程流體阻力由于，，，，m/s，=0.7416則流體流經管束的阻力損失為：=1830Pam，m，則流體流過折流板圓缺的阻力損失：=1966Pa總阻力損失為：=3796Pa=0.038MPa<0.1MPa參考文獻,殼程流體的阻力損失比較適宜。2.管程流體阻力因為，，，，傳熱管的相對粗糙度，查莫狄圖得：摩擦因子，流速m/s，kg/m3。所單程直管阻力：=5123Pa因為局部阻力系數一般取3，所以局部阻力：=1281Pa=8966Pa=0.0896MPa<0.1MPa參考文獻,管程流體阻力在允許范圍之內。3.5換熱器主要結構尺寸表換熱器主要結構尺寸表如表3.1所示。表3-1換熱器主要結構尺寸和計算結果表管程殼程流量kg/h127651600溫度℃進/出25/32140/35壓力Mpa0.40.4物性物性定性溫度℃28.587.5密度kg/m3995.7825比熱容kJ/(kg·℃)4.1732.22黏度Pa·s0.8007×10-37.15×10-4導熱系數w/(m·℃)0.61760.14普蘭特數5.4111.338設備結構參數設備結構參數形式固定管板式臺數1殼體內徑207殼程數1管徑φ19×2管心距25管長3000管子排列Δ管數目（根）42折流板個數44傳熱面積m27.59折流板距60管程數2材質碳鋼冷流體進出口接管φ45×2.5材質碳鋼熱流體進出口接管φ38×2.5材質碳鋼排污管φ25×2.5材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速m/s0.9620.187傳熱膜系數W/m2·℃5925565污垢熱阻m2·℃/W3.44×10-41.72×10-4阻力損失MPa0.0890.038熱負荷kw103.6傳熱溫差℃51.6傳熱系數W/m2·℃410裕度%17.7第4章換熱器結構設計4.1殼體、管箱殼體和封頭設計根據文獻，查圖7，選擇前端管箱為封頭管箱，型號為A型，殼體型式為E型；后端結構為M型。如圖4-1所示。圖4-1換熱器結構4.2選取接管接管材料均為10號鋼。在殼體的左端上部設有管徑為的煤油出口管，在殼體的右端底部設有管徑為的煤油出口管；在前端管箱頂部設有管徑為的冷卻水進口管，在前端管箱底部設有管徑為的冷卻水進口管，在殼體的右端上部設有管徑為的排氣管出口管，在殼體的左端底部設有管徑為的排污管出口管；接管位置如上圖4-1所示。4.2.1接管外伸長度工藝煤油進、出口接管外伸長度=250mm；冷卻水進、出口接管外伸長度=250mm；排液管和排氣管的外伸長度=100mm。4.2.2接管與筒體和管箱殼體的連接接管與殼體和管箱殼體及封頭連接的結構型式采用插入式焊接結構。接管不得凸出于殼體的內表面。如圖4-2所示。圖4-2焊接結構4.2.3接管位置的確定在換熱器設計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進、出口接管應盡量靠近兩端管板，管箱進、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設備的重量。為了保證設備的制造、安裝，管口距地的距離也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。1.殼程接管位置的最小尺寸參考文獻[8],公式（4-1）（4-2）（4-3）（4-4）式中b—管板厚度，mm/—殼程/管箱接管位置的最小尺寸，mmC—補強圈外邊緣（無補強圈時為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm—補強圈的外圓直徑，mm—接管外徑，mm（1）帶補強圈時接管的位置：=99mm（2）無補強圈時接管的位置：=91綜合考慮尺寸的大小，取=100mm2.管箱接管位置的最小尺寸（1）帶補強圈時接管的位置：=108（2）無補強圈時接管的位置：=98所以，綜合考慮后取=124.3換熱管與管板4.3.1換熱管換熱管的規格為Φ19×2，查文獻可得，其外徑偏差為±0.4.，壁厚偏差為?？紤]煤油粘度較低，不易結垢，則采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。其換熱管的管心距為25mm，分程板槽兩側相鄰管中心距為38mm。如圖4-4所示。圖4-4換熱管排列4.3.2管板管板是管殼式換熱器中一個重要元件，它除了與管子和殼體等的連接外，還是換熱器中的一個重要受壓元件。對管板的設計，除滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結構設計。1.管板結構參考文獻,管板結構如圖4-5所示。選擇固定管板兼作法蘭的管板，管板與法蘭連接的密封面為凸面。分程隔板拐角處，倒角為4×45°。圖4-5管板結構2.管板最小厚度管板的最小厚度除了要滿足強度計算要求外，當管板和換熱管采用焊接時，應滿足結構設計和制造的要求，且不小于12mm。當管板和換熱管采用脹接時，管板的最小厚度（不包括腐蝕裕度）應滿足文獻表1-6-8。管板應滿足較高的強度要求，具體尺寸如圖4-6所示。圖4-6管板尺寸4.4殼體與管板、管板與換熱管的連接4.4.1殼體與管板的連接考慮到介質溫度、壓力及物料性質，本設計采用管板兼作法蘭的不可拆結構，連接型式如圖4-7所圖4-7管板與筒體的連接4.4.2換熱管與管板的連接因為殼程介質是煤油，換熱管和管板材料都是碳鋼，焊接工藝性好，故本設計換熱器與管板的連接采用焊接連接。如圖4-8所示。圖4-8換熱管與管板的連接4.5其他部件4.5.1拉桿與定距管選擇了拉桿定距結構，拉桿直徑為12mm，拉桿螺紋公稱直徑為12mm，拉桿數量為4根，均勻安裝于管束的外邊緣。其型式如圖4-9所示。圖4-9拉桿定距結構4.5.2折流板為了增加殼程流體的流速，提高殼程的傳熱膜系數，從而達到提高總傳熱系數的目的同時為緩解換熱管的受力狀況和防止流體流動誘發振動，本設計設置44塊豎直弓形折流板。折流板的缺口高度為40mm，厚度為3mm，折流板管孔直徑為，折流板外直徑為，靠近管板的折流板與管板間距為180mm，折流板間距為604.5.3膨脹節膨脹節計算管子拉脫力計算在換熱器中承受流體壓力換熱管殼壁的溫差應力的聯合作用，這兩個力在管子與管板的連接接頭處產生了一個拉托力，使管子與管板由脫離的傾向。拉脫力是管子平均每平方米脹接周邊所受到的力，單位為Pa。對于管子與管板是焊接連接的接頭，實驗表明，接頭的強度高于管子本身金屬的強度，拉脫力不足以引起街頭的破壞。由于管子和管板采用的是焊接連接，因此在這里我們不需要計算管子拉脫力。膨脹節設置計算必須設置膨脹節的條件：對于固定管板式換熱器，用下式計算殼體和管子中的應力：若滿足下述條件之一者，必須設置膨脹節：式中F1是由殼體和管子之間的溫差所產生的軸向力，N；F2是由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N；其中F3是由于殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，N；At,As分別為管程和殼程的橫截面積，mm2；。分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數，；t0安裝時的溫度；tt,ts分別為操作狀態下管壁溫度和殼壁溫度，oC；殼體和管子的材質都為碳素鋼，其物性常數如下：查外壓圓管、管子和球殼厚度計算圖（屈服點大于207MPa的碳素鋼）得：B=140MPa。[σ]st=113MPa，[σ]tt=112MPa，Φ=0.85。由此可知此換熱器并不必設置膨脹節。word文檔可自由復制編輯第5章強度計算5.1設計條件換熱器設計條件如表5-1所示。表5-1設計條件管程殼程壓力MPa溫度℃金屬溫度℃操作0.40.4設計0.50.5操作進/出25℃/32℃14設計進/出-10℃/70℃-10殼程圓筒ts14換熱管tt40介質水煤油腐蝕裕量℃mm22程數21焊接接頭系數0.850.855.2結構尺寸換熱器公稱直徑DN200，即mm；換熱管為正三角形排列,管心距t=25mm；換熱管排列根數；換熱管規格，mm；換熱管與管板的連接形式：焊接連接；管板分程隔板槽深4mm；殼程側管板結構開槽深度3mm；管箱法蘭采用HG/T20592-2009法蘭PL200(B)-16RFQ345R法蘭外直徑mm；法蘭螺柱孔中心圓直徑mm；法蘭密封面尺寸mm；法蘭頸部大端厚度mm；法蘭頸部小端厚度mm；管箱法蘭厚度mm；柱數量；柱規格，查JB4707-2000，得，則螺柱有效承載面積mm2；墊片采用JB/T4718-2000標準規定的石棉橡膠板；墊片尺寸，mm；墊片接觸寬度mm；基本密封寬度，查文獻[1]表9-1得：mm（5-1）查表9-2，墊片系數，比壓力；5.3材料選擇及許用應力的計算查文獻：圓筒、管箱封頭選擇材料Q345R，查表4-1，70℃設計溫度下許用應力MPa； 170℃設計溫度下許用應力MPa；查表F5，140℃金屬溫度下彈性模量查表F6140℃金屬溫度平均線性膨脹系數mm/mm·℃管板材選擇料Q345R鍛件查表4-5，常溫下許用應力MPa；70℃設計溫度下許用應力MPa；170℃設計溫度下許用應力查表F5，70℃金屬溫度下彈性模量MPa；170℃金屬溫度下彈性模量MPa；螺柱材料：40MnB查表4-7，常溫下許用應力MPa；70℃設計溫度下許用應力MPa；170℃設計溫度下許用應力接管材料：10號鋼查表4-3，常溫下許用應力MPa；70℃設計溫度下許用應力MPa；170℃設計溫度下許用應力墊片材料：石棉橡膠板。表9-2，墊片系數；比壓力MPa；換熱管，法蘭材料選用20號鋼；查表4-3，170℃設計溫度下許用應力查表F2,170℃設計溫度下屈服應力MPa；查表F5，170℃金屬溫度下彈性模量40℃金屬溫度下彈性模量MPa；查表F6，40℃金屬溫度平均線性膨脹系數mm/mm·℃；5.4管箱設計由公式計算圓筒部分計算厚度：（5-2）式中—計算厚度，mm—計算壓力，mm—筒體內徑，mm—設計溫度下圓筒材料的許用應力，Mpa—焊接接頭系數mm設計厚度：mm參考文獻，查得鋼板負偏差mm。名義厚度：mm根據文獻中表8查得公稱直徑為200mm的固定管板換熱器的最小壁厚為6mm，按參考文獻，因此5.5封頭計算設計中選擇標準型橢圓封頭，所以：計算厚度：mm設計厚度：mm按文獻，選擇鋼板負偏差mm。所以名義厚度：mm參考文獻中表8查得公稱直徑為200mm的固定管板式換熱器的壁厚最小值為6mm，取名義厚度mm比較合適5.6筒體設計圓筒計算厚度：mm設計厚度；mm按文獻，查得鋼板負偏差mm。名義厚度：mm參考文獻中表8查得公稱直徑200mm的固定管板換熱器的壁厚最小值為6mm，所以取名義厚度5.7換熱器管板設計5.7.1相關面積計算殼側筒體橫截面積：mm2隔板槽兩側相鄰管中心距mm；沿隔板槽一側的排管根數；換熱管支撐的面積由公式：（5-3）mm2開孔后管板面積：mm2所以，筒體金屬橫截面積：（5-4）mm2布管區面積：（5-5）mm2參考文獻附錄J1得：mm2，所以全部換熱管管壁金屬橫截面積：mm2 所以，由公式（5-6）5.7.2換熱管許用應力的計算參考文獻附錄表J1查得換熱管的回轉半徑mm，前面計算換熱器折流板間距等于60mm，參考文獻圖32得換熱管受壓失穩當量長度mm。所以由公式得系數：（5-7）因此由直線公式得許用應力：（5-8）符合要求。5.7.3力矩計算布管區當量直徑：mm直徑與殼程圓筒內徑之比由下式計算：（5-9）管板凸緣寬度由下式計算：（5-10）1.螺柱面積的確定預緊狀態下需要的最小螺栓面積由下式計算：（5-11）mm2操作狀態下需要的最小螺栓面積：（5-12）mm2需要螺柱面積：mm22.壓緊力中心圓直徑的確定因為mm，所以，mmmm3.螺柱載荷的計算預緊狀態下需要的最小螺柱載荷：（5-13）N操作狀態下需要的最小螺栓載荷：（5-14）N需要螺柱載荷：N4.管程壓力操作工況下的法蘭力矩為螺柱中心至作用位置處的徑向距離由下式計算：（5-15）mm螺柱中心至作用位置處的徑向距離由下式計算：（5-16）mm螺栓中心至作用位置處的徑向距離：（5-17）mm法蘭墊片壓緊力由下式計算：（5-18）N作用于法蘭內徑截面上的流體靜壓軸向力由下式計算：（5-19）N流體靜壓總軸向力與作用于法蘭內徑截面上的流體靜壓軸向力之差：（5-20）N法蘭操作力矩由下式計算：（5-21）N·mm基本法蘭力矩由下式計算：（5-22）N·mm因為：，，參考文獻圖26得：。管箱圓筒與法蘭的旋轉剛度參數：（5-23）MPa殼體不帶波形膨脹節時，換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差。 換熱管束與圓筒剛度比：（5-24）系數：（5-25）系數：（5-26）管板剛度削弱系數；管板強度削弱系數；管板延長部分兼作法蘭的厚度：mm；管板有效厚度： mm；換熱管有效長度：mm；換熱管加強系數：管板周邊布管區無量綱寬度：因為，符合文獻中5.7.3的規定。由于：，,參考文獻圖26得殼體法蘭與圓筒的旋轉剛度參數由下式計算：（5-27）MPa管束模數按下式計算:（5-28）Mpa旋轉剛度參數:MPa旋轉剛度無量綱參數按下式計算:（5-29）因為，參考文獻查表9-5，得：按和查文獻圖27得：管板第一彎矩系數按和查文獻圖28（a）得：管板第二彎矩系數系數，按和查文獻圖29得：系數，按和查文獻圖30得：系數按下式計算：（5-30）系數（5-31）法蘭力矩折減系數：（5-32）管板邊緣力矩變化系數：（5-33）法蘭力矩變化系數由下式計算：（5-34）5.8應力校核計算5.8.1殼程設計壓力的情況1.計入膨脹變形差的情況設定環境溫度，則換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差：MPa管程設計壓力MPa；有效壓力組合；當量壓力組合MPa；管板邊緣剪切系數：管板邊緣力矩系數：基本法蘭力矩系數：管板總彎矩系數系數，當時，按和，查文獻圖31（b）實線，得：。管板布管區周邊剪切應力系數：管板徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板徑向應力：MPaMpa管板布管區周邊剪切應力：MPaMPa管板布管區周邊處徑向應力：MPa殼體法蘭應力：MPaMpa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）MPaMPa殼程圓筒軸向應力：MPa換熱管與管板的焊腳高度參考文獻中的規定，mm，換熱管與管板連接拉脫力：各項應力均符合要求。2.不計入膨脹變形差的情況這時：，，殼程設計壓力MPa；當量壓力組合MPa；有效壓力組合MPa；管板邊緣力矩系數：管程壓力操作工況下的法蘭力矩系數：管板邊緣剪切系數：管板總彎矩系數：系數，當時，,按和，查文獻圖31（b）實線，得：管板徑向應力系數：×0.7管板布管區周邊剪切應力系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板布管區周邊處徑向應力：MPa管板徑向應力：MPa管板布管區周邊剪切應力：MPa殼程圓筒軸向應力：MPa殼體法蘭應力：MPa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）：MPa換熱管與管板的焊腳高度按文獻[2]中的規定，mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPa各項應力均符合要求。5.8.2管程設計壓力的情況1.計入膨脹變形差的情況根據已知：，MPa，有效壓力組合Mpa當量壓力組合Pc=Ps-Pt(1+)=0.5MPa基本法蘭力矩系數：管板邊緣力矩系數：管板邊緣剪切系數：管板總彎矩系數：系數：系數，當時，按和，查文獻圖31（a）實線，得；系數，取，故。管板徑向應力系數：管板布管區周邊剪切應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力：MPa管板徑向應力：MPa管板布管區周邊剪切應力：MPa殼程圓筒軸向應力：MPa殼體法蘭應力：MPa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）：Mpa換熱管與管板的焊腳高度按文獻中的規定，mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPa各項應力值均符合要求。2.不計入膨脹變形差的情況這時：，，殼程設計壓力MPa；當量壓力組合MPa；有效壓力組合MPa基本法蘭力矩系數：管板邊緣力矩系數：管板邊緣剪切系數：管板總彎矩系數：系數：系數，當時，按和，查文獻圖31（a）實線，得：；系數，取，故。管板布管區周邊剪切應力系數：管板徑向應力系數：殼體法蘭力矩系數：管板布管區周邊處徑向應力系數：管板布管區周邊處徑向應力：MPa管板徑向應力：MPa殼體法蘭應力：MPa管板布管區周邊剪切應力：MPa換熱管軸向應力（位于管束周邊處換熱管軸向應力）：MPa殼程圓筒軸向應力：MPa換熱管與管板的焊腳高度按文獻中的規定，mm，換熱管與管板連接的拉脫力：MPa各項應力值均符合要求。5.9開孔補強參考文獻，允許不另行補強的最大接管外徑為。本設計中接管的外徑均小于，所以不需要另行補強。根據文獻8.3中不另行補強的條件，排氣、排污接管均滿足不另行補強條件的要求，所以不另行補強。word文檔可自由復制編輯第6章法蘭、墊片及鞍座的設計6.1接管法蘭6.1.1接管法蘭的材料根據工作溫度t=140℃下最大無沖擊載荷為1MPa，確定公稱壓力PN=對材料的加工要求1.圓環的對焊縫應采用全熔透焊縫；2.鋼板經超聲波探傷無分層缺陷；3.密封面的表面Ra0.8～1.6加工水線；4.圓環的對接焊縫應進行100%射線或超聲波探傷，且射線探傷符合JB4730的II級要求；5.水壓試驗：管法蘭原則上不進行單個法蘭的水壓試驗，當法蘭安裝到管道或設備上以后，其水壓試驗壓力應不大于HG20604規定的20℃時最高無沖擊壓力的1.56.法蘭加工完畢后,應在其密封面上涂防銹油,并防止劃傷和撞擊。6.1.3排氣、排污接管法蘭排氣、排污接管，其公稱通經為DN20mm，公稱壓力為1.0MPa。配用公制管的突面板式平焊鋼制管法蘭。標記為：HG/T20592-2009法蘭PL20-1.0RF206.1.4煤油進出口接管法蘭煤油進、出口接管，其公稱通徑為DN33mm，公稱壓力為1.0MPa。配用公制管的突面板式平焊鋼制管法蘭。標記為：HG/T20592-2009法蘭PL33-1.0RF206.1.4循環冷卻水進出口接管法蘭循環冷卻水進、出口接管，其公稱通徑為DN40mm，公稱壓力為1.0MPa。配用公制管的突面板式平焊鋼制管法蘭。標記為：HG/T20592-2009法蘭PL40-1.0RF206.1.5墊片選擇由于是低壓低溫容器墊片選擇非金屬墊片，石棉橡膠板墊片標記為：煤油接管法蘭墊片HG/T20606-2009墊片RF33-1.0NY400排污接管法蘭墊片HG/T20606-2009墊片RF20-1.0NY400循環冷卻水接管法蘭墊片HG/T20606-2009墊片RF40-1.0XB4506.2鞍座的選擇1.殼體質量殼體材料體積為：殼體質量為：2.殼體容積殼體容積為：=0.139m查文獻得,RHB橢圓封頭的數據如表6-1所示。表6-1封頭參數表公稱直徑mm總深度mm內表面積m2容積m3封頭質量kg200800.06160.08710.06192.9953.管箱筒體質量管箱筒體金屬體積為：管箱筒體質量為：=7.514.管箱容積5.換熱管質量換熱管金屬體積為：=0.0498m換熱管質量為：=391.52kg6.接管質量 a.物料進、出口接管質量煤油進、出口接管金屬體積為：=m3冷卻水進、出口接管金屬體積為：=m3接管進、出口接管質量為：kgb.排氣、排污接管質量排氣、排污接管金屬體積為：m3排氣、排污接管質量為：=0.42k7.管板質量查化學工業出版社的文獻表1-6-9表6-2管板特性參數表DND200320280262198螺栓規格數量24020014.5M16248b,Mpa,Mpah19251.01.04根據化學工業出版社的文獻公式(1-6-6)，得管板的質量為：=57.7kg8.裝滿水的質量 換熱器總容積為：裝滿水的質量為：9.估算定距管、螺母螺栓等質量 估算拉桿定距管及螺母螺栓的質量為：m=20Kg10.換熱器最大載荷設備裝滿水總質量設備裝滿水的總質量為：=867.95kg 總載荷11.鞍座選擇按文獻查得，選擇鞍座標記為：JB/T4712.1-2007,鞍座BI200-FJB/T4712.1-2007,鞍座BI200-S 6.3技術要求1.本設備筒體采用埋弧自動焊，焊絲H08C，焊劑431，其余部分采用電弧焊，焊條E4315。2.本設備按GB150-11、GB151-11、<<壓力容器安全技術監察規程>>進行制造、檢驗、驗收。 3.坡口形式：開V型坡口，焊腳取4.0mm4.設備B、D類焊縫應進行局部射線探傷，探傷長度應不小于每條焊縫的20%，且不小于250mm。 5.設備制造完畢后進行水壓試驗，立即以0.72MPa表壓進行。 6.設備外涂丹紅防銹漆兩遍。7.焊接接頭:筒體與封頭采用對接接頭B類,接管采用角接接頭D類,且全熔透。 8.檢驗