換熱器設計報告

1、本科畢業(yè)設計說明書本科畢業(yè)設計說明書 乙炔反應器出料冷卻器設計乙炔反應器出料冷卻器設計 acetylene reactor discharging cooler design 學院（部）： 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 2012 年 06 月 05 安徽理工大學畢業(yè)設計 i 乙炔反應器出料冷卻器設計 摘要 合成乙炔工業(yè)中，對出料進行冷卻是工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，因而冷卻器 是該工業(yè)中的必備設備。本設計從生產(chǎn)實際出發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)能力的 需求，選擇合適的換熱器類型，然后根據(jù)具體生產(chǎn)工況，按相關設計規(guī)范，進 行基于整體結構的工藝設計，再對相關輔助部件進行機械設計，最終設計出一 臺滿足要求

2、的換熱器。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，它的特點 是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭 式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生 溫差熱應力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗。設計的前半 部分是工藝計算部分，主要設根據(jù)設計傳熱系數(shù).壓強校核.殼程壓降.管程壓降 的計算。設計的后半部分則是關于結構和強度的設計，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的 換熱器型式進行設備內各零部件（如殼體. 折流板.分程隔板.拉桿.進出口管. 浮頭箱.浮頭.支座.法蘭.）的設計 關鍵詞關鍵詞: :工藝設計，機械設計，開孔補強工藝設計，機械設計，開孔補強

3、 安徽理工大學畢業(yè)設計 ii acetylene reactor discharging cooler design abstract synthesis of ethylene industry, the discharge of cooling is an important link in the process which makes cooler be the necessary equipment in this industry. the design comes from the actual production. we will choose the proper type

4、 of heat exchanger according to the production environment and production needs. then complete the process design and related auxiliary parts of machinery design, according to the relevant specifications and design according to the design specification. finally, to complete the task of designing the

5、 heat exchanger, floating head type heat exchanger is a shell and tube heat exchanger in the series, it is characterized by both ends of the tube plate and shell is fixed only at one end, the other end can be relative to the casing slip, known as the floating head. floating head type heat exchanger

6、tube bundle from the shell due to expansion of the constraints, thus not due to differential expansion between tube bundles arising from thermal stress, the first is the process design calculation section, established according to the design of the heat transfer coefficient. shell- side pressure dro

7、p calculation of pressure drop of tube. the latter part of the design is the design of the structure and strength, are mainly based on the heat exchanger type has been selected for equipment parts (such as a casing. pipe box fixed tube plate. pass partition. pull rod. the floating head flange.) keyw

8、ards：process design, mechanical design, opening reinforcement 安徽理工大學畢業(yè)設計 i 目錄 摘要.i abstract.ii 1 緒論 .1 1.1 換熱器概述.1 1.2 浮頭式換熱器.2 2 換熱器設計.3 2.1 換熱器計算方法依據(jù).3 2.2 換熱器工藝設計計算.3 2.2.1 確定設計方案.3 2.2.2 定性溫度和物性參數(shù)計算 .3 2.3 初選結構 .4 2.3.1 管排列方式 .4 2.3.2 管子外徑 .5 2.3.3 折流板的選擇 .7 2.3.4 校核總換熱系數(shù) .7 3、換熱器的機械設計計算.10 3.1

9、換熱流程設計 .10 3.1.1 管子和傳熱面積 .10 3.1.2 殼體 .10 3.2.前端管箱筒體計算.11 3.2.2 前端管箱封頭的設計計算 .13 3.2.3 外頭蓋筒體計算 .14 3.2.4 外頭蓋封頭計算 .15 3.2.5 浮頭設計計算 .16 3.2.6 殼程外壓作用下浮頭蓋的計算 .18 3.2.7 管板的設計計算 .19 3.2.8 接管及開孔補強計算 .25 4 其他結構選擇 .27 4.1.1 換熱器支座選擇和設計 .27 安徽理工大學畢業(yè)設計 ii 4.1.2 法蘭選擇 .30 4.1.3 拉桿的選取 .31 4.1.4 防沖與導流 .32 4.1.5 安裝與拆

10、卸 .33 總結.34 主要參考文獻.35 致謝.40 安徽理工大學畢業(yè)設計 1 1 緒論 1.1 換熱器概述 換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領域中應用十分廣泛的熱量交換設備。 隨著 現(xiàn) 代新工藝、新技術、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重，世界各國已 普遍 把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面 臨著新 的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性 和可靠性 起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家 熱回收率已 達 96%。換熱設備在現(xiàn)代裝置中約占設備總重的 30%左右，其中管 殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢，約 70%。其余 30%

11、為各類高效緊湊式換熱器、 新型熱管熱泵和蓄熱器等設備，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各類高效傳 熱元件的發(fā)展十分迅速。1 在繼續(xù)提高設備熱效率的同時，促進換熱設備的 結構緊湊性，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。浮頭式 換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，換熱管束包括換熱管、管板、折流板、 支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅 片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅 片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為 圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分 程隔板可將管程

12、及殼程介質分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器主要有 固定管板式，u 型管式和浮頭式換熱器。針對固定管板式與 u 型管式的缺陷， 浮頭式作了結構上的改進，兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼 體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會 因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應力。浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于方便拆卸， 清洗方便，對于管子和殼體間溫差大、殼程介質腐蝕性強、易結垢的情況很能 適應。其缺點在于結構復雜、填塞式滑動面處在高壓時易泄露，這使其應用受 到限制，適用壓力為：1.0mpa6.4mpa。 換熱器（熱交換器）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，換熱器 按傳

13、熱方式的不同可分為混合式（混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、 混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器） 、蓄熱式（蓄熱式換熱器是利 用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體（填料）表面，從而進行熱量交換的 換熱器）和間壁式（隨間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間 壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用最廣）三 類2。 安徽理工大學畢業(yè)設計 2 在我國換熱器的制造技術遠落后于外國，由于制造工藝和科學水平的限制， 早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管 式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位 體積具

14、有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為 一種典型的換熱器。 在我國隨著經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快， 新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的 換熱器已經(jīng)建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以 下基本要求： （1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； （2） 結構安全可靠； （3） 便于制造、安裝、操作和維修； （4） 經(jīng)濟上合理。 所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系數(shù)指提高 流體和傳熱之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結為下述兩個原理：溫度邊界層減 勃和調換傳熱面附近的流體。 因此最近

15、十幾年來，強化傳熱技術受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分 迅速的發(fā)展，凝結是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過程，凝結換熱系數(shù)很 高，但經(jīng)過強化措施還可以進一步提升換熱效率。 1. 管外凝結換熱的強化 （1）冷卻表面的特殊處理 （2）冷卻表面的粗糙化 （3）采用擴展表面 2. 管內凝結換熱的強化 （1）擴展表面法 （2）采用流體旋轉法 （3）改變傳熱面形狀 1.2 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，一端的管板可在殼體內自由浮動， 殼體和管板對熱膨脹是自由的，因此當兩種介質溫差較大時，管束與殼體之間 不產(chǎn)生溫差應力。浮頭端設計成可拆結構，使管束能容易地插入或抽出殼體， 這樣方便清洗和

16、檢修。由于此類換熱器結構復雜，而且浮動端小蓋在操作時無 法得知其泄漏情況，所以在安裝時應特別注意其密封。首先，通過換熱計算確 定換熱面積與管子的根數(shù)初步選定結構。然后按照設計的要求以及一系列國際 安徽理工大學畢業(yè)設計 3 標準進行結構設計，在結構設計時，要考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、 介質壓力、溫度、流體性質以及便于拆卸等等3。 2 換熱器設計 2.1 換熱器計算方法依據(jù) 由于換熱器不僅是一種把熱量從一種流體傳遞到另一種流體的專用設備， 而且還是一種壓力容器，所以在上個世紀較長的時間里，換熱器各個部件的設 計和計算都是由壓力容器標準，特別是asme標準提供依據(jù)的，但其主要部件： 管板，卻

17、沒提供設計和計算的依據(jù)。我國的管殼式換熱器管板設計計算最早出 現(xiàn)于th2-59標準中，1972年頒布的jbll45-71也包含有關管板設計計算的內容。 參照tema和日本jisb8249標準，根據(jù)鋼制石油化工壓力容器相關設計規(guī)定和 鋼制列管式換熱器相關技術條件和我國多年來在管殼式換熱器設計、制造、安 裝、使用和維護等方面的經(jīng)驗，于1989年頒布文獻11的前版本：gbl51 1989。該標準同時遵守文獻10和勞動部頒布的壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程的 有關規(guī)定4 2.2 換熱器工藝設計計算 管殼式換熱器的工藝設計，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫 差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等，通過各

18、種因素的綜合考慮及比較 來選擇某一種適合的結構形式，并且按工藝特定的條件進行設計，以滿足工藝 上的需要。 2.2.1 確定設計方案確定設計方案 兩流體溫度變化情況：熱流體是乙炔，進口溫度 116.7 oc，出口溫度 40oc；冷流體（循環(huán)水）進口溫度 30 oc，出口溫度 38.5oc。 2.2.2 定性溫度和物性參數(shù)計算 水的定性溫度： （1） 0 38.530 t=34.25 2 c 水的密度：2=995.7kg/m3 水的比熱：cp2=4.174kj/kg 水的導熱系數(shù)：k2=0.686w/m 安徽理工大學畢業(yè)設計 4 水的粘度：2=801.510-6 水的柏朗特數(shù)：pr2=5.42 乙

19、炔的定性溫度： （2） 0 116.740 t=78.35 2 c 乙炔密度：1=1.261 kg/m3 乙炔比熱：cp1=1.222 kj/kg 乙炔導熱系數(shù)：k1=1.25 w/m 乙炔粘度：1=9.8510-4 乙炔柏朗特數(shù)：=0.963 1 pr 2.3 初選結構 有效平均溫差計算 由于逆流的傳熱效果比并流好，故在此選用逆流操作 逆流平均溫差 76.78.5 30.123 76.7 ln() ln 8.5 n tt tc tt 大小 大小 參數(shù) r: 11 22 116.74076.7 9.024 38.5308.5 tt r tt 參數(shù) p： 22 12 38.5308.5 0.09

20、8 116.73086.7 tt p tt 換熱器按照雙殼程四管程設計，查 gb151 圖 f2（b）可得溫差校正系數(shù)： ，則有效平均溫差=0.950.95 30.12328.617 mn ttc 在此溫度下水的密度為： 3 kg =995.7 m 水 水的比熱容： 0 4.174. p ckj kg c 查相關資料取總傳熱系數(shù) 0 300wm ck 化工原理 16p 表 4-7 安徽理工大學畢業(yè)設計 5 2.3.1 管排列方式 ： 管子在管板上的排列方式，應力求均布、緊湊并考慮清掃和整體結構的要 求。基本的排列方式有五種： 等邊三角形。其一邊與流向垂直，是最常用的形式。與正方形排列相比傳 熱

21、系數(shù)高，可節(jié)省 15%的管板面積。適用于不生污垢或可用化學清洗污垢以及 允許壓降較高的工況； 轉角三角形。三角形的一邊與流向平行，其特點介于等邊三角行和正方形 兩種排列之間，不宜用于臥式冷凝器，因下方管子形成的厚度越來越厚的凝膜 會使傳熱削弱； 正方形排列最不緊湊，但便于機械清掃，常用于殼程介質易生污的浮頭式 換熱器； 對于多管程換熱器常采用組合排列法，每程均屬正三角形排列，而各層面 間呈正方形排列，以便于安排分程隔板5。 圖圖 2-12-1，排管方式簡圖，排管方式簡圖 綜合比較以上幾種布管方式，可采用組合排列形式.采用正方形. 2.3.2 管子外徑管子外徑 對一定的傳熱面積而言，傳熱管徑越小

22、，換熱器單位體積的傳熱面積越大。 對清潔的流體，管徑可取小些，而對黏度較大或易結垢的流體，考慮管束的清 洗方便或避免管子堵塞，管徑可取大些。由已知設計條件知冷卻水走管程，急 冷油走殼程，故可取較小的管徑。在此選取的無縫鋼管 d0=0.019m 作為換熱管。 安徽理工大學畢業(yè)設計 6 熱管中心距選擇表熱管中心距選擇表 2-12-1 10.gb150鋼制壓力容器設計標準 管子內徑： =d0-（22/1000）=0.015m（4） i d 由已知設計條件知換熱面積，則總傳熱量 2 1052.1ma 6 0 300 1052.1 28.6179.0324 10 m qk atw 列管式換熱器內常用流速

23、氣體為 530m/s 取管內水的流速 u=1m/s 則單根管子的傳熱量 23 mpip q=qt=dt=4.2739 10 w 4 cc aaa aaa 水 所需換熱管根數(shù) 6 3 9.0324 10 n=2113.39 q4.2739 10 q 則取換熱管根數(shù)n=2114根 則管子的長度為 0 1052.1 =8.342m d21143.140.019 a l na 經(jīng)查換熱管長度的系列標準取換熱管長8lm 管長：l=8 m 換熱管中心距宜不小于 1.25 倍的換熱管外徑，根據(jù)換熱管外徑查管殼式換熱器 設計手冊 gb151 表 12 可得換熱管中心距 s=25mm；分程隔板槽兩側相鄰管中心

24、距。38mm n s 則管束中心換熱管數(shù)： 1.11.1211454 c nn 安徽理工大學畢業(yè)設計 7 取=54 根 c n 故殼體內徑： 12255412 1.5 191379 ic ds nbmm 式中管束中心線上最外層管的中心到殼體內壁的距離，一般取 b ，在此取，mm。 0 11.5bd 0 1.5bd 圖圖 2-22-2 折流板簡圖折流板簡圖 查標準取筒體公稱直徑=1600mm i d 長徑比 設計合理 8 5 1.5 i l d 2.3.3 折流板的選擇 常用的折流板和支撐板有弓形和圓盤兩種。弓形折流板又可以分為單弓形、 雙弓形、三弓形。這里選用單弓形。 折流板的作用是可以提高殼

25、程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體 垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結垢。常用 的折流板形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種，在這里選用弓形折流板。 即弓形折流板弓高：0.250.25 1600400 i hdmm 折流板的最小間距宜不小于殼體內直徑的，且不小于 50mm；最大間距1 5 應不大于殼體內直徑。在這里取折流板間距： 11 1.60.533 33 i bdm 折流板數(shù)量： 8 1114.009 0.533 b l n b 取=14 b n 2.3.4 校核總換熱系數(shù) （1）管程對流傳熱系數(shù) 0.80.4 0.023repr i i i d 式中管子的內徑，m

26、； i d 管程雷諾數(shù) 4 1 -4 0.015 1 1000 re2.1 10 7.274 10 i d u 水 水 安徽理工大學畢業(yè)設計 8 管程普朗特準數(shù) 3-4 1 1 4.174 107.274 10 pr4.85 0.6265 cp 水 水 故管程對流傳 0.80.440.80.4 0.6265 0.023repr=0.023(2.1 10 )4.855183.6 0.015 i i i d 0 w/(m. c) （2）殼程對流傳熱系數(shù) 殼程流通截面積 20 19 10.533 1.610.2047 25 i d shdm t 式中 h折流擋板間距，m； t管中心距，mm。 乙炔流

27、量 6 2 3 221 9.0324 10 28.213 4.174 1076.7 m p q kg q s ctt 乙炔流速 222 28.213 10.93 1.261 0.2047 m s m usq 管子正三角形排列時當量直徑 2 00 2 3 4 24 e dtdd 式中 t相鄰兩管中心距，m； 管外徑，m。 0 d 所以 222 00 2 31.7323.14 440.0250.0193.14 0.0190.0173 2424 e dtdmd 32 2 3 0.0173 10.93 1.261 re0.298 10 0.8 10 e d u 2 2 查化工原理圖 4-53 得 0.

28、14 1 3 2 22 pr17 w u nu u 33 22 2 1.222 100.8 10 pr1.834 0.533 p c 安徽理工大學畢業(yè)設計 9 乙 炔 被 冷 卻， 取 =0.95 0.14 2 w u u 則 總傳熱系數(shù) 總傳熱熱阻： 222 21 2111 1 = b1 + dd m k ddd rr ddd 計 式中 0 0.0190.015 0.017 22 i m dd dmm 計算得 0 =342.34w/(m. c)k計 傳熱面積 6 2 9.032 10 921.9 t342.3428.617 m q am k 計 計 1052.1 1.141 921.9 a

29、a 計 即傳熱面積有 14.1%的裕量 0.14 11 0 32 2 3 22 0.533 17pr1714.40.951200w/(m. c) 0.0173w e u u d 安徽理工大學畢業(yè)設計 10 3、換熱器的機械設計計算 3.1 換熱流程設計 采用 2 殼程 4 管程的 2-4 型換熱器。由于換熱器尺寸較大，可以用一臺， 未考慮采用多臺組合使用。管程分程隔板采用十字型結構，其主要優(yōu)點是布管 緊密。殼體分程采用縱向隔板。 圖圖 3-13-1 換熱器隔板簡圖換熱器隔板簡圖 3.1.1 管子和傳熱面積 換熱管除要求具有足夠的強度外，當采用脹管法固定時，還要求管子有良 好的塑性，避免因脹接而

30、產(chǎn)生裂縫。焊接固定時，要求管子可焊性好，一般采 用優(yōu)質碳鋼，以保證管子質量，一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用 10 號鋼和 20 號鋼管，在強腐蝕性流體的情況下，可采用不銹鋼 （189） 、鋼、鋁等無縫管石墨管、聚四氟乙炔管等。由于水、油腐蝕 r c1 i n i t 性不大，故可采用碳鋼，現(xiàn)選擇 20 號鋼的無縫鋼管。 根據(jù)設計要求采用的無縫鋼管192 管子總數(shù)為 2114 根。其傳熱面積為： 2 0 0.019 821141008.96 t fd lnm 3.1.2 殼體 殼體材料除要滿足一定的強度外，由于制造過程中經(jīng)過卷板、沖壓和焊接， 故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含

31、碳量較低的 q345r、等，nr16 現(xiàn)選用鋼。 安徽理工大學畢業(yè)設計 11 殼體內徑 ds=1600mm 殼體壁厚： （50）c p pd t s 2 為殼體工作溫度下的許用應力，已知殼程設計溫度為 415，根據(jù)碳鋼 t 板許用應力，表查得=99.4 t 為焊縫系數(shù)，取=1 ，p1為工作壓力，p1=3.46mpa 1 1.25pp c=3mm 則 1.25 3.46 1600 340.06 299.4 1 1.25 3.46 mm 液壓試驗 對于內壓容器，耐壓試驗的的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會 發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。 水壓試驗壓力 7.76

32、t t ppmpa 式中耐壓試驗壓力，； t p mpa 壓力容器的設計壓力， ；pmpa 耐壓試驗壓力系數(shù)；對于鋼和有色金屬，液壓試驗時。1.25 的應力水平 t 0.90 s =274.54mpa 試驗壓力下圓筒的應力t = =148.32mpa pd tie e .() . 2 由于t t 所以滿足條件 3.2.前端管箱筒體計算 .由給定條件知、管程的設計壓力；焊接接頭系數(shù)； 13.46pmpa0.85 壓力試驗允許通過 安徽理工大學畢業(yè)設計 12 設計溫度；腐蝕裕量。在此筒體的材料選擇 q345r 設計溫 0 65tc 2 3.0cmm 度需用應力 =163pa t m 鋼板負偏差 1

33、=0.3mm c 腐蝕余量 2=3.00mm c 筒體簡圖如下： 圖圖 3-23-2 通體簡圖通體簡圖 計算厚度 3.46 1600 20.23 2 163 0.853.46 2 ci t c p d mm p 可知筒體內徑查化工壓力容器設計方法、問題和要點1600 i dmm 時浮頭式換熱器筒體的名義厚度26.0 n mm 所以有效厚度 12 100.336.7 en ccmm 液壓實驗 2 對于內壓容器，耐壓試驗的的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會 發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。 實驗壓力值 325 1.251.25=4.33 163 t t ppmpa

34、 壓力試驗下允許通過的應力水平 t s =0.9=293 t mpa 實驗壓力下圓筒的應力 t 7.76160022.7 181.9 2222.70.85 tie t e pd mpa 安徽理工大學畢業(yè)設計 13 校核 t t 所以、合格。 壓力和應力計算 3 筒體的最大允許工作壓力 w p 2222.7 163 0.85 3.88m 1600+22.7 t e w ie ppa d 筒體設計溫度下的計算應力 t 3.46160022.7 123.7 2222.7 ciet e pd mpa 163 0.85138.6 t mpampa 校核 、 t t 所以滿足要求 3.2.2 前端管箱封頭

35、的設計計算 前端封頭采用標準橢圓封頭原因如下： 根據(jù)工藝條件的要求、和制作的難易程度和材料的消耗情況采用標準橢圓 封頭最合理。 標準橢圓封頭如圖 圖圖 3-33-3 橢圓封頭簡圖橢圓封頭簡圖 橢圓形封頭是由半個橢球面和短圓筒組成。直邊段的作用是避免封頭和圓 筒的連接焊縫處出現(xiàn)徑向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由于封頭的 橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較 半球形封頭小的多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之 安徽理工大學畢業(yè)設計 14 一。在此選擇標準橢圓形封頭 見127p 封頭設計過程設備設計 已知條件：計算壓力 設計溫度 65 度、內

36、徑 1600 毫米、板材 q345r. c=3.46 papm 設計溫度許用應力 163mpa 焊接接頭系數(shù) 0.85 標準橢圓形封頭的形狀系數(shù)公式：k 2 i i 1 k = 2 = 1.0 62 d h 求封頭的曲面高度hi 11600 h=400mm 44 ii d 則封頭的計算厚度 1 3.46 1600 20.3 2 163 0.850.5 3.46 20.5 ci t c kp d mm p 封頭的有效厚度 en12=23.6mmn cc 允許最大工作壓力 2223.6 163 0.85 3.963 0.51 16000.523.3 t e w ie pmpa kd 比較可知:合格

37、 3.2.3 外頭蓋筒體計算 已知條件：計算壓力 設計溫度 t=65 度、內徑 d=1600 毫米、板材 q345r. c=3.46 papm 設計溫度許用應力 99.4mpa 焊接接頭系數(shù) 1.0 鋼板負偏差=0.3mm 1 c 安徽理工大學畢業(yè)設計 15 腐蝕裕量的最小厚度應不小于 3mm 取腐蝕余量=3.0mm 2 c 計算厚度 封頭的有效厚度 en12=43.8mmn cc 液壓實驗 2 對于內壓容器，耐壓試驗的的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會 發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。 實驗壓力值 157 1.251.25=7.7 99 t t ppmpa

38、壓力試驗下允許通過的應力水平 t s =0.9=274.5 t mpa 實驗壓力下圓筒的應力 t 7.76160043.8 163 2243.8 1 tie t e pd mpa 校核 t t 所以、合格。 壓力和應力計算 3 筒體的最大允許工作壓力 w p 2243.8 99 1 4.75m 1600+43.8 t e w ie ppa d 筒體設計溫度下的計算應力 t 4.5160043.8 94.5 2243.8 ciet e pd mpa 99 199 t mpampa 校核 、 t t 所以滿足要求 安徽理工大學畢業(yè)設計 16 3.2.4 外頭蓋封頭計算 橢圓形封頭是由半個橢球面和短

39、圓筒組成。直邊段的作用是避免封頭和圓 筒的連接焊縫處出現(xiàn)徑向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。6由于封頭 的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度 較半球形封頭小的多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭 之一。在此選擇標準橢圓形封頭。 曲面高度 1 h 4 ii d 式中，封頭內徑，即封頭直邊段內徑，mm。 i d 所以 11 h1700425 44 ii dmmmm 對于標準橢圓形封頭，形狀系數(shù)1k 封頭的材料仍選 q345r。封頭的焊接形式采用雙面全焊透，100%無損檢測， 即焊接接頭系數(shù)。1.00 假設材料的許用應力，則封頭的計算厚度為： 99

40、 t mpa 4.5 1700 39.08 299 10.54.5 20.5 ci t c p d mm p 所以封頭的有效厚度 e12=42.38mm cc 考慮到封頭與管箱筒體焊接的整體強度，故將封頭的名義厚度也圓整為 。51 n mm 當時，沒有發(fā)生變化，故合適。51 n mm t 51 n mm 滿足最小厚度要求 壓力試驗: 最大允許工作壓力 2242.38 99 1 4.65 0.51 17000.542.38 t e w ie pmpa kd 因為計算壓力小于最大允許工作壓力 所以合格 安徽理工大學畢業(yè)設計 17 3.2.5 浮頭設計計算 根據(jù) gb151-1999管殼式換熱器7選

41、用鉤圈式浮頭，浮頭端蓋選用 球冠形封頭，根據(jù)換熱器筒體內徑查 gb151-1999管殼式換熱1600 i dmm 器表 46 可得封頭球面內半徑.1300 i rmm 浮頭簡圖 圖圖 3-43-4 浮頭簡圖浮頭簡圖 布管限定圓參數(shù)表布管限定圓參數(shù)表 3-13-1 換熱器形式固定管板式/u 形式浮頭形式 布管限定圓直徑 3 2b i d 12 2 i dbbb 10.gb150鋼制壓力容器設計標準 布管限定圓參數(shù)總表布管限定圓參數(shù)總表 3-23-2 10.gb150鋼制壓力容器設計標準 選擇所用參數(shù)并繪制表格 布管限定圓參數(shù)表布管限定圓參數(shù)表 3-33-3 安徽理工大學畢業(yè)設計 18 序號項目單

42、位數(shù)值序號項目單位數(shù)值 1 bmm 85 布管限定圓直徑 l d 1531 mm 21 b mm 56 墊片壓緊力作用中心圓直徑 c d mm 3n b mm 207 封頭球面內半徑 i r 1300 mm 42 b mm 21.58 螺栓中心圓直徑 b d mm 10.gb150鋼制壓力容器設計標準 布管限定圓直徑 l d l d 12 =2=1600-2 5+21.5+8 =1531mm i dbbb 浮頭法蘭和鉤圈的內直徑 fi d 1 2160028201544 fiin ddbbmm 浮頭法蘭和鉤圈的外直徑 801600801680 foi ddmm 外頭蓋內直徑d 10016001

43、001700 i ddmm 浮動管板外徑 0 d 01 21600251590 i ddbmm 3.2.6 殼程外壓作用下浮頭蓋的計算 用圖算法設計球冠形封頭: 計算壓力，封頭的材料仍選擇 q345r。3.46 c pmpa 封頭材料的許用應力 99 t mpa 焊接接頭系數(shù)1.0 取腐蝕裕量，厚度負偏差。 2 3.0cmm 1 0.3cmm 安徽理工大學畢業(yè)設計 19 假設浮頭蓋的名義厚度，則有效厚度51 ns mm 則 12 510.3347.7 esns ccmm 1300 27.25 47.7 i es r 計算系數(shù) 0.1250.125 0.0045 27.25 ies a r 由，

44、設計溫度用溫度內插法查圖過程設備設計圖0.0045a 0 415tc 4-8 可得系數(shù)110bmpa 則許用外壓力 110 4.03 27.25 ies b pmpa r 且兩者相差不多，所以名義厚度合適。 c pp51 ns mm 設計厚度下封頭的計算應力 3.46160051 28.099 4451 t cie e pd mpampa 滿足強度要求。 3.2.7 管板的設計計算 管板是管殼式換熱器的主要部件。管板的設計是否合理對確保換熱器的安 全運行、節(jié)約金屬材料，降低制造成本是至關重要的。由于管板受力情況復雜， 影響管板強度因素很多，有管內、外壓力，溫度產(chǎn)生的力，法蘭力矩和換熱管 的支撐

45、力等影響，因此正確地進行管板分析是比較復雜的。在不同的假定下， 可得到各種不同計算方法各計算結果，在此采用 gb151 標準中管板計算方法 來設計計算管板。 （1）結構如圖所示， 安徽理工大學畢業(yè)設計 20 圖圖 3-53-5 管板簡圖管板簡圖 圖圖 4-64-6 布管簡圖布管簡圖 本設計選擇不帶法蘭的管板，管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。 結構如 gb151-1999 圖 18 a 型管板所示。 在布管區(qū)內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面 d a 積，。對于正方形排列mm d a n ns ss 式中：換熱管中心距, ；s 2 mm 安徽理工大學畢業(yè)設計 21 隔

46、板槽兩側相鄰管中心距，； n s mm 沿隔板槽一側的排管根數(shù)。 n 取 59n 則 2 d a5925382519175 n n s ssmm 換熱管正方形排列的浮頭式換熱器， 管板布管區(qū)的面積為: 222 211425191751340425 td ansamm 換熱管根數(shù)，根。n 管板布管區(qū)內開孔后的面積為： 22 2 1 3.14 19 13404252114741349.11 44 t d aanmm 一根換熱管管壁金屬橫截面積為： 2 3.14 2192106.76 tt admm 式中換熱管壁厚，mm。 t 管板布管區(qū)當量直徑 t d 44 1340425 1306.73 3.1

47、4 t t a dmm 換熱管的有效長度為：l 2 22 tn lll 式中換熱管長，mm。 t l 管板的名義厚度，mm； n 換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，mm。 2 l 根據(jù)換熱管外徑查管殼式熱交換器設計手冊 gb151知管板最 0 19dmm 小厚度，在這里取。 min0 0.750.75 1914.52dmm200 n mm 在這里換熱管和管板的連接方式選擇焊接，參考管殼式熱交換器設計手冊 安徽理工大學畢業(yè)設計 22 gb151表 33 取。 2 3.5lmm 換熱管最小伸出長度表換熱管最小伸出長度表 3-43-4 資料來源：11.gb151管殼式熱交換器設計手冊 則 2 2280

48、0025223.57889 tn lllmm 管束模數(shù)為： t t t e na k l d 式中管束模數(shù)，； t k mpa 設計溫度下?lián)Q熱管材料的彈性模量； t e 管板布管區(qū)當量直徑，mm。 t d 換熱管的材料選擇 10 號鋼（熱軋?zhí)幚恚?，由于換熱管既受管程溫度作用， 受殼程溫度作用，取兩者中較大的作為換熱管的設計溫度。查 gb150-1998 表 f5 得180600 t empa 則 1806002114 106.76 3953.87 7889 1306.73 t t t ena kmpa l d 管束無量綱剛度 t p k t e k 式中管板剛度削弱系數(shù)，一般可取（一般可?。?/p>

49、 ；0.4 設計溫度時，管板材料的彈性模量，。 p e mpa 同理查 gb150-1998 表 f5 可得166400 p empa 則 3953.87 0.0594 0.4 166400 t p k t e k 安徽理工大學畢業(yè)設計 23 無量綱壓力 p 1.5 d a t r p 式中管板強度削弱系數(shù)，可?。?.4 管板設計壓力，； d p mpa 設計溫度時，管板材料的許用應力，。 t r mpa 管程設計壓力，設計溫度3.46 t pmpa 0 65 t tc 殼程設計壓力，設計溫度4.5 s pmpa 0 415 s tc 管板材料選擇 16mn 鋼。管板既受管程溫度的作用也受殼程

50、溫度的作用，取 兩者中的較大者作為管板的設計溫度。 過程設備設計表 d-5 得 99 t r mpa 參考 gb151-1999管殼式熱交換器設計手冊取管程和殼程設計壓力 較大者作為管板的設計壓力，即。4.5 ds ppmpa 則 4.5 p0.0758 1.50.499 1.51.5 ds a tt rr pp 系數(shù) 1306.73 0.769 1700 t t g d d 1 3 1 3 1 21 2 0.0594 1.417 0.0758 p t a k 11 1.30 0.769 t 根據(jù) ， 1 3 1 3 1 21 2 0.0594 1.417 0.0758 p t a k 11

51、1.30 0.769 t 系數(shù) 1 2114 106.76 0.3044 741349.11 na a 系數(shù) 2 t r t s e c 安徽理工大學畢業(yè)設計 24 式中設計溫度下?lián)Q熱管材料的屈服點，； t s mpa 設計溫度下?lián)Q熱管材料的彈性模量，。 t e mpa 已查得，查 gb150-1998 表得180600 t empa99 t s mpa 則 22 180600 3.14189.66 99 t r t s e c 換熱管的回轉半徑i 22 22 0.2520.2519192 26.05 t iddmm 根據(jù) gb151-1999 圖 32， 圖圖 4-74-7 換熱管失穩(wěn)當量長

52、度簡圖換熱管失穩(wěn)當量長度簡圖 換熱管失穩(wěn)當量長度，320 cr lmm 320 52.89189.66 6.05 cr r l c i 故換熱管穩(wěn)定許用壓應力為： 9752.66 1141.76 2222 189.66 t scr cr r li mpa c 由上述計算過程知 ， max,4.5 dsts ppppmpa 。 0.0758ap 管板的計算厚度 p0.49 1306.730.0758176.30a t cdmm 管程的腐蝕裕量等于殼程的腐蝕裕量即； t c s c3 ts ccmm 安徽理工大學畢業(yè)設計 25 查 gb151-1999管殼式熱交換器設計手冊知隔板槽的深度宜不小于

53、4mm。 所以在此取管板的管程側隔板槽深，殼程側結構槽深。 2 6hmm 1 6hmm 則 12 max,max,176.3066188.30200 dstn h ch cmmmm 所以管板名義厚度取合格200 n mm （2）換熱管軸向應力計算及校核 對于浮頭式換熱器，換熱管軸向應力為: 1 1 t tcstwe a pppg a 式中1 cst ppp 只有殼程設計壓力，管程設計壓力時，。 s p0 t p cs pp 則 1 11291850 4.54.502.243.54 0.2833166593.83 t tcstwe a pppgmpa a 43.54 t cr mpa 所以管板軸

54、向應力校核合格 換熱管與管板連接拉脫力 17.24 ta qmpaq dl 所以管板滿足強度要求 3.2.8 接管及開孔補強計算 由于各種工藝和結構上的要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管。 開孔以后，除削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結構的連續(xù)性被 破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設 計必須充分考慮開孔的補強問題。 接管宜與殼體內表面平齊；對于不能利用接管（或接口）進行放氣和排液 的換熱器，就在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其最小 安徽理工大學畢業(yè)設計 26 公稱直徑為 20mm；立式換熱器可設置溢流口。 接管直徑計算 當圓筒

55、內徑時，開孔最大直徑，且。1500 i dmm 1 3 i dd1000mmd 殼程流體進出口接管：取接管內變換氣流速為 u=10.93m/s,則接管內徑為 444273 371.89 3.14 10.93 3600 o q d u mm 查 gb/t17395-2008 取管子541 70mm 管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u=1.0 m/s,則接管內徑為 4 28 i q d u mm 查 gb/t17395-2008 取管子 71 25mm 外殼接管開孔補強計算 (1)設計條件 計算壓力：4.5mpa c p 計算溫度：415 接管實際外伸長度：200mm 接管實際內伸長度：0

56、mm 接管焊接接頭系數(shù)：1 接管腐蝕裕量：3mm 接管厚度負偏差： 1 0mmc 接管材料許用應力： 99mpa t （2）開孔補強計算 殼體計算厚度，；mm 39mm 接管計算厚度，； t mm 4.5 371 8.628mm 299 14.5 2 ci t t c pd p 接管材料強度削弱系數(shù) r f 接管與母材材料相同、所以接管材料強度削弱系數(shù)為 0 安徽理工大學畢業(yè)設計 27 開孔直徑，；dmm 12 22()371.892 82(30)361.89mm int ddcc 補強區(qū)有效寬度，；bmm 22361.89723.78mmbd 接管有效外伸長度，； 1 hmm 1 361.8

57、9 853.8mm nt hd 接管有效內伸長度，； 2 hmm 0 2 h 開孔削弱所需的補強面積，；a 2 mm 2 21361.89392395.21014271mm etr adf 殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，； 1 a 2 mm 1 2 21 723.78361.89513925.2513910 2156mm eeter abdf 接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，； 2 a 2 mm 2 2122 2211326mm ettretr ahfhcf 補強區(qū)內的焊縫面積，； 3 a 2 mm 2 3 1 28 864mm 2 a 有效補強范圍內的計算補強截面積，； e

58、 a 2 mm 2 123 64215611271=13491mm e aaaa 因為，所以不需另加補強。 e aa 結論：補強滿足要求，不需另加補強。 安徽理工大學畢業(yè)設計 28 4 其他結構選擇 4.1.1 換熱器支座選擇和設計 鞍式支座如圖 2-9 所示。鞍式支座在換熱器上的布置，因，取3000mml 。(0.5 0.7) b ll 圖圖 4-14-1 鞍式支座圖鞍式支座圖 在本換熱器設計過程中，令且令7000mm b l 1000mm cc ll 查 jb/t4712.1-2007 標準，在、120o包角重型帶墊dn1500mm 2000mm 板或不帶墊板鞍式支座結構： 鞍式支座結構表

59、鞍式支座結構表 4-14-1 12.jb/t4712.1-2007 標準 臥式設備一般采用兩個鞍座。這是因為基礎水平高度有可能不一致，如果 使用多個支座，將會造成支座反力分布不均勻，從而引起設備的局部應力增大， 因此采用兩個支座。 采用雙支座時，一個鞍座為固定支座，地腳螺栓為圓孔；另一個鞍座為活 動支座，地腳螺栓為長圓孔，配合兩個螺母，第一個螺母擰緊后，倒退一圈， 然后再用第二個螺母鎖緊。這樣，可以使設備在溫度變化是自由伸縮。如圖示： 安徽理工大學畢業(yè)設計 29 4 型 型 圖圖 4-24-2 鞍式支座鞍式支座 jb/t4712.1-2007,鞍座 bi 600-s 材料 q345r 置于對稱

60、分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。容器受重 力作用時，雙鞍座臥式容器可近似看成支承在兩個鉸支點上受均布載荷的外伸 簡支梁 支座的安放位置也有一定的標準，一般支座與殼體端面的距離a0.2l，l 為殼體的長度。 置于對稱分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。容器受 重力作用時，雙鞍座臥式容器可近似看成支承在兩個鉸支點上受均布載荷的外 伸簡支梁。在此次設計中我們對注滿水時的靜重情況進行校核計算。 14 鞍式支座結構數(shù)據(jù)表鞍式支座結構數(shù)據(jù)表 4-24-2 10.gb150鋼制壓力容器設計標準 安徽理工大學畢業(yè)設計 30 根據(jù) gb150 鋼制壓力容器鞍座設計標準、公稱直徑為