西南石油大學畢業(yè)設計（論文） I 摘 要 固定管板式換熱器是管殼式換熱器的一種典型結構，也是目前應用比較廣泛的一種換熱器。這類換熱器具有結構簡單、緊湊、可靠性高、適應性廣的特點 ,并且生產成本低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便。固定管板式換熱器能承受較高的操作壓力和溫度，因此在高溫高壓和大型換熱器中，其占有絕對優(yōu)勢。 本次設計的題目是乙二醇塔底進料換熱器的設計，課題預期達到的目標為： 換熱器面積的計算（實際換熱面積： 92.6mm2），管程殼程壓力降的計算（小于等于 0.4MPa），工藝結構尺寸的計算：管程數（ 1 管程），換熱管的確 定（內徑： 19mm 數量： 500 根），殼體內徑（ 600mm），殼程數（ 1殼程）的計算，折流板的選型（形式：弓形折流板，數量： 13）等。 換熱器的強度計算：對筒體、管箱厚度的計算和校核，對殼體及管箱各處開孔補強，對延長部分兼做法蘭的計算及強度核算。經水壓試驗、壓力校核后顯示結果全部合格。 換熱器的結構設計：折流板、法蘭（甲型平焊法蘭）、換熱管、支座（鞍式支座）、墊片（石棉橡膠板墊片）的規(guī)格及選型。 完善設計圖紙及設計說明書。 關鍵詞：換熱器；工藝；結構；強度 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） II Abstract Fixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large,. This design topic is naphtha condenser design, the goal which the topic anticipated achieved: The craft design of heat exchanger:the heat transfer area computation(actual heat transfer area:322.2mm2)；tube side pressure drop computation( 0.4MPa)；the craft structure size computation:number of tube passes(2 tube passes),the number of heat exchange tube(inside diameter:19mm,number:900),the inside diameter of shell(1000mm), number of shell passes(1 shell passes),the lectotype of baffle board(form:segmental baffle,number:13)etc The strength calculation of heat exchanger:the computation and check of cylinder thinckness and channel thinckness,the shell and the reinforcement for opening supplements the intensity,the extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation. Examinatation part carried on the hydraulic pressure test, the pressure examination and so on, in which all results has been all qualified The structural design of the heat exchanger:The specification and lectotype of baffle plate、 flange(type A manhole weded flange)、 heat exchange tube、 suppot(saddle support)、gasket(paronite gasket) Consummates the design paper and the design instruction booklet Keywords: heat exchanger； craft；structure； intensity 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） III 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 引 言 . 1 1.1 換熱器的用途 . 1 1.2 換熱器的分類 . 1 1.3 換熱器的發(fā)展趨勢 . 1 第 2 章 固定管板式換熱器的工藝計算 . 3 2.1 估算換熱面積 . 3 2.1.1 選擇換熱器的類型 . 3 2.1.2 流程安排 . 3 2.1.3 確定物性數據 . 3 2.1.4 估算傳熱面積 . 4 2.2 工藝結構尺寸 . 5 2.2.1 管徑和管內流速 . 5 2.2.2 管程數和傳熱管數 . 5 2.2.4 傳熱管排列和分程方法 . 7 2.2.5 殼體內徑 . 7 2.2.6 折流板 . 8 2.2.7 其他附件 . 8 2.2.8 接管 . 9 2.3 換熱器核算 . 9 2.3.1 熱流量核算 . 9 2.3.2 壁溫核算 . 13 2.3.3 換熱器內流體的流動阻力 . 14 2.4 換熱器的主要結構尺寸和計算結果 . 17 第 3 章 強度計算 . 19 3.1 筒體壁厚計算 . 19 3.2 管箱短節(jié)、封頭厚度的計算 . 20 3.2.1 管箱短節(jié)厚度的計算 . 20 3.2.2 封頭厚度的計算 . 20 3.3 管箱短節(jié)開孔補強的校核 . 21 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） IV 3.4 殼體接管開孔補強校核 . 22 3.5 管板設計及校核 . 23 3.5.1 管板計算的有關參數的確定 . 23 3.5.2 計算法蘭力矩 . 27 3.5.3 管板 的計算的相關參數 . 28 3.5.4 確定 和2G . 29 3.5.5 對于其延長部分兼作法蘭的管板計算 . 29 3.5.6 設計條件不同的組合工況 . 30 第 4 章 結構設計 . 36 4.1 折流擋板 . 36 4.2 法蘭 . 36 4.3 換熱管 . 37 4.4 支座 . 37 4.5 壓力容器選材原則 . 38 4.6 墊片 . 39 第 5 章 結論 . 40 參 考 文 獻 . 41 致 謝 . 43 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） V 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） VI 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） VII 西南石油大學畢業(yè)設計（論文） VIII 1 第 1 章 引言 1.1 換熱器的用途 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門 1。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一 2。換熱器在節(jié)能技術改革中具有的作用表現在兩個方面：一是在生產工藝 流程中使用著大量的換熱器的效率顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著提高設備的熱效率 3。 1.2 換熱器的分類 換熱器的種類劃分方法很多，方法也各不相同。 按其用途：可將換熱器分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器 45。 按其傳熱方式和作用原理：可分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器等。其中間壁式換熱器為工業(yè)應用最為廣泛的一種換熱器。它按傳熱面形狀可分為管式換熱器、板面式換熱器、擴展表面換熱器等。這其中又以管殼式換熱器應用最為廣泛，它通過換熱管的管壁進行傳熱。 具有結構簡單牢固、制造簡便、使用材料范圍廣、可靠程度高等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的一種換熱器 5。 管 殼式換熱器的形式：管殼式換熱器根據其結構的不同，可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 形管式換熱器、填料函式換熱器、釜式重沸器等 68。 1.3 換熱器的發(fā)展趨勢 二十世紀 20 年代出現板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器 912。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛 機發(fā)動機的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板 2 殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意 13。 60 年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。此外，自 60 年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。 70 年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基 礎上又創(chuàng)制出熱管式換熱器 14。 當前換熱器發(fā)展的基本趨勢是：繼續(xù)提高設備的傳熱效率，促進設備結構的緊湊性，加強生產制造成本的標準系列化，并在廣泛的范圍內繼續(xù)向大型化發(fā)展，并 CDF（ Comptational Fluid Dynamics）模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發(fā)等形成一個高技術體系 1516。 板翅式換熱器（冷箱）主要用于乙烯裂解，空氣分離和天然氣液化等。我國杭州制氧機集團有限公司（杭氧）在引進美國 S-W 公司技術和關鍵加工設備 大型真空釬焊爐基礎上，生產制造出的乙烯冷箱，設計水平和制 造能力已基本達到國際先進水平，并在燕山，揚子，上海，天津，廣州及齊魯等乙烯改造項目中得到應用。板翅式換熱器流道多達 15 股，單體外形尺寸達 6m 1.1 1.154m,最高設計壓力達 5.12Mpa。 管殼式換熱器具有結構堅固、彈性大和使用范圍廣等獨特優(yōu)點，一直被廣泛應用。尤其在高溫高壓和大型化的場合下，以及制造工藝上的進一步自動化和機械化，管殼式換熱器今后將在廣泛的領域內得到繼續(xù)發(fā)展17。 3 第 2 章 固定管板式換熱器的工藝計算 2.1 估算換熱面積 2.1.1 選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況：熱流體 進口溫度 170，出口溫度 140；冷流體進口溫度 70，出口溫度 90，因此初步確定選用固定管板式換熱器。 2.1.2 流程安排 從兩物流的操作壓力來看，應使溫度低的走管程，溫度高的走殼程。 2.1.3 確定物性數據 定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。 故殼程流體的定性溫度為： 1 7 0 1 4 0 1 5 5 ( )2T 管程流體的定性溫度為： 7 0 9 0 8 0 ( )2t 根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。 2N在 155下的有關物性數據如下： 密度 1=1.38kg/ 3m 4 定壓比熱容 1pc=1.038kJ/kg 熱導率 =0.0545W/m 粘度 =2.3 310 Pa s N2 在 80下的物性數據： 密度 =1.14kg/ 3m 定壓比熱容 2pc=1.038kJ/kg 熱導率 =0.051W/m 粘度 =2.1 310 Pa s 2.1.4 估算傳熱面積 1.熱流量： 1 1 1 1pQ m c t=D （ 2-1） 33 4 7 6 0 0 / 3 6 0 0 ()kw 2.平均傳熱溫差 : 1212lnmttttt （ 2-2） ( 1 7 0 7 0 ) ( 1 4 0 9 0 )ln （ 170-70 ）（ 140-90 ） 24.66( )K 5 3.傳熱面積： 由于殼程的壓力較高，故可以選取較大的 K 值。假設 K=20W/（ .K）則估算的面積為： 21 3 0 0 6 . 7 4 1 0 1 0 1 . 6 ( )pmQAmKt （ 2-3） 2.2 工藝結構尺寸 2.2.1 管徑和管內流速 換熱管的規(guī)格包括管徑和管長，換熱管直徑越小，換熱器單位體積的換熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些，但對于不潔凈或易結垢的流體，管徑應取得大些，以免堵塞。 本設計選用 25 2較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速iu=10.8m/s 2.2.2 管程數和傳熱管數 根據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 19： 224 1 . 3 8 / 8 6 . 9 2 2 4 . 5 ( )0 . 7 8 5 0 . 0 1 5 1 0 . 84siiVndu 根 （ 2-4） 按單程管計算，所需的傳熱管長度為： 01 0 6 . 1 2 . 7 ( )3 . 1 4 0 . 0 1 9 2 5 0p sALmdn （ 2-5） 按單程管設計傳熱管過長，宜采用多管程結構。 6 我國生產的鋼管系列標準中管長有 1.5m,2m,3m,4.5m,6m 和 9m,根據選定的管徑和流速，現取傳熱管長 3lm 。 則該換熱器的管程數為： 2 . 7 1 ( )3p LN l 管 程 （ 2-6） 傳熱管總根數： 2 2 4 . 5 2 4 4 9TN （ 根 ） 平均溫差校正系數： 12211 7 0 1 4 0 1 . 59 0 7 0ttR tt 21119 0 7 0 0 . 21 7 0 7 0ttP Tt 按單殼 程，兩管程結構，查得： 0.99t 平均傳熱溫差： = 0 . 9 9 2 4 . 6 6 2 4 . 4mt mtt 逆（） （ 2-7） 由于平均溫差校正系數大于 0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。 7 2.2.4 傳熱管排列和分程方法 管子的排列方式有等邊三角形，正方形，轉角正方形三種。與正方形相比，等邊三角形排列比較僅湊，管外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂荡?。正方形排列雖然比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗比 較方便，對易結垢流體更為適用。若將正方形排列的管束斜轉 45安裝，可在一定程度上提高對流傳熱系數 12。 圖 2-1 換熱管排列方式 綜合本設計結構和工藝結構考慮采用正三角形排列方法。 取管心距 01.25td（焊接時），則 25t （ mm） （ 2-8） 隔板中心到力氣最近一排管中心距離： 25 6 1 8 . 5 ( )2S m m （ 2-9） 2.2.5 殼體內徑 采用多管程結構，取管板利用率 0.7 ，則殼體內徑為： 1 .0 5 /D t N 8 1 . 0 5 2 5 2 5 0 / 0 . 7 6 6 6 6 （ mm ） （ 2-10） 按卷制殼體 的進級檔，可取 6666D mm。 2.2.6 折流板 安裝折流擋板的目的是為了提高管外對流傳熱系數，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當，本設計采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都會產生死區(qū)，太大不利于傳熱，太小又增加流體阻力 12。 取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的 25%，則切去的圓缺高度為： 0 . 2 5 6 6 6 6 1 6 6 5h （ mm） 故可取 h=1665（ mm） 取折流板間距 0.3BD= ，則： 0 . 3 6 6 6 6 2 0 0 0B （ mm） 故可取 B=200（ mm） 折流板數 BN ： - 1 = - 1 = 22000BN 傳 熱 管 長 4000 （ 塊 ）折 流 板 間 距 （ 2-11） 2.2.7 其他附件 根據本換熱器殼體的內徑，故按標準取拉桿直徑為 16 ，拉桿數量 4根。 殼程入口處應設防沖擋板 19。如下表所得： 表 2-1 拉桿直徑表 9 換熱管外徑 d 拉桿直徑 dn 10 d 14 10 14 d 25 12 25 d 57 16 2.2.8 接管 殼程流體進出口接管：取接管內2N流速為1 20 /u m s，則接管內徑為 : 114 4 3 4 7 6 0 0 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 3 5 5 . 6 ( )3 . 1 4 2 0VD m mu （ 2-12） 圓整后可取內徑為 360mm。 管程流體進出口接管：取接管內液體流速2 10.8 /u m s，則接管內徑為： 24 1 4 8 9 7 1 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 4 0 6 . 4 ( )3 . 1 4 1 0 . 8D m m （ 2-13） 圓整后取管內徑為 410mm。 2.3 換熱器核算 2.3.1 熱流量核算 （ 1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?1819 用克恩法計算， 10 10 . 5 5 0 . 1 41 3000 . 3 6 R e P r ( )ewdl mam= （ 2-14） 當量直徑： 2234 0 . 0 2 5 0 . 7 8 5 0 . 0 1 9 2 0 . 0 1 7 ( )3 . 1 4 0 . 0 1 9edm （ 2-15） 殼程流通截面積： 200 19( 1 ) 0 . 3 0 . 6 0 . 6 ( 1 ) 0 . 0 2 5 ( )25dS B D mt （ 2-16） 殼體流體流速及雷諾數分別為： 0003 4 7 6 0 0 / ( 3 6 0 0 1 6 8 . 3 7 ) ) 1 6 . 8 7 ( / )0 . 0 3 4Vu m sS （ 2-17） 00 30 . 0 1 7 1 6 . 8 7 1 6 8 . 3 7R e 2 4 1 4 3 40 . 2 1 0edu （ 2-18） 普朗特數： 11 330001 . 0 3 8 1 0 0 . 2 1 0P r 40 . 0 5 1pc （ 2-19） 粘度校正： 0.14( ) 1wmm 則： 0 . 5 5 1 / 3 0 . 1 40 2 20 . 3 6 ( )erewRPd 0 . 5 5 1 / 3 20 0 . 0 5 10 . 3 6 2 4 1 4 3 4 4 1 5 6 5 / ( ) 0 . 0 1 7 W m K (2) 管內表面?zhèn)鳠嵯禂担?0 . 8 0 . 40 . 0 2 3 R e P riiid （ 2-20） 管程流體流通截面積： 2 2 25000 . 7 8 5 0 . 0 1 5 0 . 0 4 4 ( )42TiipNS d mN （ 2-21） 管程流體流速： 1 4 8 9 7 1 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 1 0 . 8 ( / )0 . 0 4 4ii iVu m sS 12 30 . 0 1 5 1 0 . 8 8 6 . 9R e 6 1 2 0 70 . 2 3 1 0i i ii idu 普朗特數： 331 . 0 3 8 1 0 0 . 2 3 1 0P r 4 . 4 20 . 0 5 4pC （ 2-22） 0 . 8 0 . 4 20 . 6 2 60 . 0 2 3 6 1 2 0 7 4 . 4 2 7 6 3 7 / ( ) 0 . 0 1 5i W m k （ 3）污垢熱阻和管壁熱阻 管外側污垢熱阻： 20 0 . 0 0 0 1 7 6 ( ) /R m K W 管內側污垢熱阻： 20 . 0 0 0 2 ( ) /iR m K W 碳鋼在該條件下的熱導率為 5 0 / mW 管壁熱阻為： 20 . 0 0 2 0 . 0 0 0 0 4 ( ) /50wR m K W (4) 傳熱系數 0 0 0 001 1()C iwi i i mK d d dR R Rd d d （ 2-23） 11 9 0 . 0 0 0 2 1 9 0 . 0 0 0 0 4 1 9 10 . 0 0 0 1 7 67 6 3 7 1 5 1 5 1 7 1 5 6 5 27 8 3 / ( ) W m K 13 （ 5）傳熱面積裕度 計算的傳熱面積為： 21 3006740 7 8 . 6 ( )7 8 3 2 4 . 6 6ccmQAmKt （ 2-24） 該換熱器的實際傳熱面積為： 20 3 . 1 4 0 . 0 1 9 6 5 0 0 9 2 . 6 ( )pTA d l N m （ 2-25） 該換熱器的面積裕度為： 9 2 . 6 7 8 . 6 1 7 . 9 ( )7 8 . 6PccAAH A （ 2-26） 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。 2.3.2 壁溫核算 由于換熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高 ，減低了傳熱管和殼體的壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫 19。 /1 / 1 /m c m hw chTtt （ 2-27） 式中液體的平均溫度mt和mT為： 14 12 7 0 9 0 8022m ttt （） （ 2-28） 12 1 7 0 1 4 0 15522m TTT （） （ 2-29） 27 6 3 7 W / ( m K )ci 20 1 5 6 5 W / ( m K )h 傳熱管平均壁溫： 1 5 5 / 7 6 3 7 8 0 / 1 5 6 5 9 2 . 71 / 7 6 3 7 1 / 1 5 6 5t 殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即 155T 。 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： 1 5 5 9 2 . 7 6 2 . 3t 由于換熱器殼程流體的溫差不大，殼程壓力不高，因此，選用 固定管板式換熱器較為適宜。 2.3.3 換熱器內流體的流動阻力 （ 1）管程流體阻力 12()t s p tp p p N N F （ 2-30） 15 1,sN = 2pN 1.5tF 24iiiLupd （ 2-31） Re 61207 傳熱管對粗糙度 0 .2 0 .0 120d ，查圖得 0.04i 流速 10.8 /u m s ，38 6 .9 /kg m 216 1 0 . 8 8 6 . 90 . 0 4 8 1 0 8 8 . 10 . 0 1 5 2p （ Pa） 2228 6 . 9 1 0 . 83 3 1 5 2 0 4 . 0 2up （ Pa） （ 2-32） ( 8 1 0 8 8 . 1 1 5 2 0 4 . 0 2 ) 1 2 1 . 5 2 8 8 8 7 6tp (Pa) 管程流體阻力在允許范圍之內 19。 （ 2）殼程阻力 12()s s sp p p F N （ 2-33） 1,sN = 1.15sF = . 2 010 ( 1 ) 2CBup F f N N （ 2-34） 16 0.5F 0 . 2 2 8 0 . 2 2 80 5 . 0 R e 5 2 4 1 4 3 4 0 . 2 9 6f 0 . 5 0 . 51 . 1 1 . 1 5 0 0 2 4 . 5CTNN （ 2-35） 19BN 0 0.54u m/s 201 6 8 . 3 7 0 . 4 7 80 . 5 0 . 2 9 6 2 4 . 5 ( 1 9 1 ) 1 3 9 2 . 32p (Pa) 流體流過折流板缺口的阻力： 2 02( 3 . 5 )2iB uBpN D （ 2-36） 0.3B= m, 1D m 222 0 . 2 1 6 8 . 3 7 0 . 5 41 9 ( 3 . 5 ) 1 3 2 1 . 70 . 6 2p （ Pa） 總阻力： 0 ( 1 3 9 2 . 3 1 3 2 1 . 7 ) 1 1 . 1 5 3 1 2 1 （ Pa） 由 于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。 17 2.4 換熱器的主要結構尺寸和計算結果 表 2-2 物性參數表 參數 管程 殼程 流率 /（ Kg/h） 148971 347600 進 /出溫度 / 70/90 170/140 壓力 /MPa 0.045 0.009 定性溫度 / 80 155 密度 /（ Kg/m3 ） 1.38 1.14 定壓比熱容 /KJ/(Kg.K) 1.038 1.038 粘度 /cp 0.211 0.23 熱導率 /W/(m. ) 0.051 0.054 普朗特數 4.42 4 設備結構參數：殼體內徑 /mm： 800 ， 殼程數： 1 ， 管徑 /mm： 25 2， 材質：碳鋼， 管心距 /mm ： 25 ， 管數目 /根： 449， 折流板數 /個： 2 ， 傳熱面積 /： 176， 折流板間距 /mm ： 2000，管程數： 1 。 表 2-3 計算結果表 主要計算結果 管程 殼程 流速 /（ m/s） 10.8 20 表面?zhèn)鳠嵯禂?/W/( . ) 7637 1565 污垢熱阻 /（ .h. /Kcal） 0.0002 0.000176 18 阻力 /MPa 0.0288 0.025 傳熱溫差 /K 62.3 面積裕度 17.9 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 19 第 3 章 強度計算 3.1 筒體壁厚計算 由 工 藝 設計 給 定的 設計 溫 度 155 ，設 計 壓力cp=1.1 p =1.1 0.099=0.0099MPa ，選低合金結構鋼板 16MnR 卷制 .材料 170時的許用應力 t =170Mpa（假設厚度為 6 16mm時） 12取焊縫系數 =0.85,腐蝕裕度 C2=2mm.則 計算厚度 0 . 0 0 9 9 6 0 0 0 . 1 0 22 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 0 9 92 ct cpD mmp （ 3-1） 設計厚度 2 3 2 5d C m m （ 3-2） 對于 16MnR，鋼板負偏差 .01 mmC ，因而可取名義厚度 6n mm 。 有效厚度 12 6 0 2 4en C C m m （ 3-3） 水壓試驗壓力 1701 . 2 5 1 . 2 5 0 . 1 1 0 . 0 4 1 3170Tc tp p M P a （ 3-4） 所選材料 的屈服應力 345s Mpa 水壓試驗應力校核 0 . 0 4 1 3 ( 6 0 0 4 )3 . 1 1 82 2 4TeT epD M P a （ 3-5） 0 . 9 0 . 9 3 4 5 0 . 8 5 2 6 3 . 9 2 5Ts M P a 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 20 水壓強度滿足要求 . 氣密試驗壓力 0 . 0 4 9 5Tcp p M p a 3.2 管箱短節(jié)、封頭厚度的計算 3.2.1 管箱短節(jié)厚度的計算 由工藝設計給定設計參數為 :設計溫度 60 ,設計壓力cp=1.1 p =1.10.4=0.44 MPa ,選用 16MnR 鋼板 , 材料許用應力 t =170Mpa, 屈服強度330s Mpa ,取焊縫系數 .2,85.0 2 mmC 腐蝕裕度12 計算厚度 0 . 0 4 9 5 6 0 0 0 . 1 7 12 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 4 9 52 ct cpD mmp （ 3-6） 設計厚度 2 3 2 5d C m m （ 3-7） 名義厚度 1 50nd C 圓 整 （ 3-8） 綜合考慮結構 ,補強 ,焊接的需要 ,取 6n mm 有效厚度 12 6 0 2 4en C C m m （ 3-9） 3.2.2 封頭厚度的計算 殼體封頭選用標準橢圓封頭 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 21 計算 厚度 0 . 0 4 9 5 6 0 0 2 . 2 92 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 4 9 52 ct cpD mmp （ 3-10） 名義厚度 1 50nd C 圓 整 （ 3-11） 為了便于選材殼體封頭厚度取與短節(jié)厚度相同 6n mm . 有效厚度 2 6 2 4en C m m 壓力試驗應力校核 水壓試驗壓力 1701 . 2 5 1 . 2 5 0 . 0 4 9 5 0 . 0 6 1170Tc tp p M p a （ 3-12） 0 . 5 0 . 0 6 1 6 0 0 0 . 5 42 2 44 . 5 0 . 9 0 . 9 0 . 8 5 3 4 52 6 3 . 9 3TeTespDM p aM P a （ 3-13） 3.3 管箱短節(jié)開孔補強的校核 開孔補強采用等面積補強法 ,由工藝設計給定的接管尺寸為 300 6 考慮實際情況選 20 號熱軋?zhí)妓劁摴?, Mpatn 130 ,腐蝕裕度2 2C mm 130 0 . 7 6 4 7170tnrtf （ 3-14） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 22 接管計算壁厚 0 . 0 4 9 5 3 0 0 0 . 5 72 1 3 0 1 0 . 0 4 9 52 COt t CPD mmP （ 3-15） 接管有效壁厚 12 6 2 0 4e t n t C C m m （ 3-16） 開孔直徑 2 3 0 0 2 6 2 ( 0 2 ) 2 9 2id d C m m （ 3-17） 接管有效補強寬度 2 2 2 9 2 5 8 4B d m m （ 3-18） 接管外側有效補強高度 1 2 9 2 6 4 1 . 8 6nth d m m （ 3-19） 需要補強面積 22 9 2 0 . 1 7 1 4 9 . 9 3A d m m （ 3-20） 可以作為補強的面積為 21 5 8 4 2 9 2 4 0 . 1 7 1 1 1 1 8eA B d m m （ 3-21） 221 2 2 4 1 . 8 6 4 0 . 5 7 1 3 0 / 1 7 0 2 1 9 . 5e t t rA h f m m （ 3-22） 212 1 1 1 8 2 1 9 . 5 1 3 3 7 . 5A A m m A （ 3-23） 該接管補強的強度足夠，不需另設補強結構。 3.4 殼體接管開孔補強校核 開孔補強采用等面積補強。選取 20 號熱軋?zhí)妓劁摴?200 6 ，鋼管的許用應力 at MP130 ，2 2C mm 接管計算壁厚 0 . 0 4 9 5 2 0 0 0 . 0 3 82 1 3 0 1 0 . 0 4 9 52 COt t CPD mmP （ 3-24） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 23 接管有效壁厚 12 6 2 6 0 4e t n t C C m m （ 3-25） 開孔直徑 2 2 0 0 2 6 2 2 1 9 2id d C m m （ 3-26） 接管有效補強寬度 2 2 1 9 2 3 8 4B d m m （ 3-27） 接管外側有效補強高度 1 1 9 2 6 3 3 . 5 5nth d m m （ 3-28） 需要補強面積 21 9 2 0 . 1 2 2 3 . 0 4A d m m （ 3-29） 可以作為補強的面積為 21 5 8 4 1 9 2 4 0 . 1 2 1 5 2 0 . 9 6eA B d m m （ 3-30） 221 2 2 4 1 . 8 6 4 0 . 0 3 8 1 3 0 / 1 7 0 2 5 3 . 6 5e t t rA h f m m （ 3-31） 212 1 5 2 0 . 9 6 2 5 3 . 6 5 1 7 7 4 . 6 1A A m m （ 3-32） 無需另設補強結構。 3.5 管板設計及校核 3.5.1 管板計算的有關參數的確定 計算殼程圓筒內直徑橫截面積 22 2600 28260044DA m m （ 3-33） 圓筒殼壁金屬的橫截面積 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 24 26 6 0 0 6 1 1 4 1 7s n nADmm （ 3-34） 一根換熱管管壁金屬的橫截面積 2 22 2 241 9 1 5 1 0 6 . 7 64o ia d dmm （ 3-35） 25 0 0 1 0 6 . 7 6 5 3 3 8 0TN a m m （ 3-36） 兩管板間換熱管有效長度 (估計管板厚度為 40mm ) 2 6 8 9 2 4 0 2 6 2 5L m m （ 3-37） 管束模數 根據 1998150 JB 查得 31 9 1 . 5 1 0tE P a(換熱管材料為 10號 鋼 ) 31 9 1 . 5 1 0 5 3 3 8 05 9 2 0 6 0 02 8 7 7 . 8 9tTtE N aKLDM p a （ 3-38） 管子回轉半徑 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 25 22221 241 1 9 1 9 2 2 64ti d dmm （ 3-39） 管子受壓失穩(wěn)當量長度 由 1999151 JB ,確定 7.0 1 . 0 55001 . 0 5 2 5 7 0 10 . 7TNDsmm （ 3-40） 0 . 3 0 . 3 7 0 1 2 1 0B D m m 取 300B mm 2 2 3 0 0 6 0 0crl B m m （ 3-41） 管子穩(wěn)定許用壓應力 cr 根據 1998150 JB 查得 205ts M Pa 4 3600 100622 1 9 1 . 5 1 0 2 0 5 1 3 5 . 7 2crtr t sliCE （ 3-42） cr rl Ci ,由公式得 cr 為 / 1 222 0 5 6 0 0 / 6 1 6 4 . 7 4 2 2 1 3 5 . 7 2ts c rcrrttliCM P a （ 3-43） 管板開孔后面積 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 26 22213 . 1 4 1 9/ 4 2 8 2 6 0 0 5 0 0 1 4 0 9 1 04TA A N d m m （ 3-44） 管板布管區(qū)面積 2( 0 . 8 6 6 )1 0 0 0 ( 3 7 0 . 8 6 6 2 5 )15350dnA n s S Smm 2220 . 8 6 60 . 8 6 6 5 0 0 2 5 1 5 3 5 0 2 8 5 9 7 5tdA n S Amm （ 3-45） 管板布管區(qū)的當量直徑 4 4 2 8 5 9 7 56 0 3 . 53 . 1 4ttAD m m （ 3-36） 系數 為 1 140910 0 . 4 9282600AA （ 3-37） 殼體不帶波形膨脹節(jié)時 ,換熱管束與圓筒剛度比 st EE 53380 4 . 611417tTssE N aQ EA （ 3-38） 系數 、 s、 t 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 27 153380 0 . 3 7140910TNaA （ 3-39） 0 . 6 0 . 60 . 4 1 0 . 4 1 4 . 6 5 . 30 . 6 8s Q （ 3-40） 10 . 4 1 0 . 610 . 4 1 0 . 3 7 0 . 6 4 . 6 1 3 . 1 20 . 6 8t Q （ 3-41） 管板布管區(qū)的當量直徑與殼程圓筒內徑之比 6 0 3 . 51600tt DD （ 3-42） 3.5.2 計算法蘭力矩 根據 0 .0 4 9 5p M pa ,殼程直徑 800D mm ,選用 / 4 7 0 1 2 0 0 0JB T 甲型平焊法蘭 ,直徑111 1 3 0 , 1 0 9 0 , 4 0 , 1 2 , 2 3 .D m m D m m m m m m d m m 螺柱選用20M ,數 量 32n ,材料為 3 5 , 1 5 7bC r M o A M p a 20。 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 墊片選用石棉橡膠板墊片 ,公稱直徑1080ND m m ,公稱壓力 P=1.0Mpa 墊片型號 :1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根據 / 3985GB T 表29 查得系數 2.5m ，比壓力 20y Mpa 21。 72 . 2 1 0mM N m m 71 . 9 1 0pM N m m 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 28 3.5.3 管板的計算的相關參數 確定fbkK , 假定管板的計算厚度 40mm ，則換熱管的加強系數為 1212331 . 3 1 81 0 0 0 1 9 1 . 5 1 0 5 3 3 8 01 . 3 1 8 5 . 4 34 0 1 9 3 1 0 0 . 4 5 9 2 0 4 01 5 . 4 3 1 0 . 8 1 . 0 8111 1 3 0 6 0 0 2 6 522i t TptfiD E N aKELkKb D D m m （ 3-43） 剛度參數計算及某些系數的確定 確定 , ww （根據 2619 99151 圖JB ） 6 0 . 0 0 61000niD 40 0 . 0 41000fiD 8 0 . 0 0 8 8 91000h iD 60 0 . 0 6 6 71000f iD 0.00014w 0.00028w 33332 2 1122 1 9 1 . 5 1 0 6 5 2 4 00 . 0 0 0 1 416 0 0 6 5 6 0 0121 8 9 . 5 1 03 . 1f f ffsi f iEbK w ED b D （ 3-44） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 29 32 2 1 5 . 2 112f f ffsi f iEbK w ED b D （ 3-45） 3 . 1 3 . 10 . 0 0 0 7 84 4 3 1 0 8 . 1 2fffftKKKKK （ 3-46） 3.5.4 確定 和 2G 由 K 和fK根據 1999151 JB 查得120 . 4 6 ( 2 7 ) , 3 . 4 ( 2 9mG圖 圖 ） 1 0 . 4 6 1 0 2 . 55 . 7 5 0 . 0 0 0 7 8fmKK （ 3-47） 3.5.5 對于其延長部分兼作法蘭的管板計算 計算 1M 11220 . 4 6 0 . 0 0 4 7 62 5 . 7 5 5 3 . 4mMK Q G （ 3-48） 由 K 和 Q 根據 1999151 JB 查得 33 0 . 9 7 1 0 ( 3 0G 圖 ） 計算fMM , 330 . 0 0 0 7 8 0 . 4 40 . 0 0 0 7 8 0 . 9 7 1 0ffKKG （ 3-49） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 30 110 . 9 5 6 3 . 10 . 4 5 5 . 2 1ffM KK （ 3-50） 3 . 1 0 . 9 5 9 0 . 5 7 5 . 2 1ff fKMMK （ 3-51） 3.5.6 設計條件不同的組合工況 殼程壓力作用下的危險組合 殼程壓力 0 . 0 4 5scp p M p a 管程壓力 Mpapt 0 不計膨脹 0 0tE 4 0 . 0 4 5 0 . 1 9 8a s s tp p E M P a 由 K 和 m 根據 1999151 JB 查得 aGli 31圖 05.0liG 3 / 3 0 . 4 1 . 9 / 5 . 7 5 0 . 3 9 7leG m K 則 1G 取leG與liG中較大的值 1 0 .3 9 7leGG 122211 1 2 . 1 2 4 0 . 4 8 9113 9 7 0 . 0 4 74 4 4 . 6 3 . 41 1 . 9 1 2 . 1 2 433 0 . 0 9 64 4 5 . 7 5 4 . 6 3 . 41 1 1 1 2 . 1 2 40 . 0 9 34 4 4 . 6 3 . 40 . 4 4 0 . 1 3 0 . 5 7 0 . 0 0 4 7 60 . 0 5 4 4rrpw s m fVGQGmVK Q GVQGM M M M （ 3-5255） （ 1）管板應力 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 31 2 20 . 6 8 1 0 0 00 . 0 4 7 0 . 1 3 2 60 . 4 4 02 . 3 7 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5ir r antrDpM p a M P a （ 3-56） 2222 1 220 . 6 8 0 . 1 9 8 1 . 0 2 5 2 1 . 0 2 5 20 . 0 9 6 1 2 1 . 90 . 4 1 . 9 2 1 . 910004 . 3 8 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 540airrntrpDkkmmmM P a M P a （ 3-57） 0 . 6 8 0 . 1 9 8 6 0 3 . 50 . 0 9 60 . 4 4 00 . 4 8 0 . 5 0 . 5 1 3 7 6 8 . 5atppntrpDM p a M P a （ 3-58） （ 2）殼體法蘭應力 1130 1 . 8 8600iDK D （ 3-59） 按 1 5 0 1 9 9 8 9 5 1 4 . 8 6J B Y 表 查 得 2246001 4 . 8 6 0 . 0 5 4 4 0 . 6 8 0 . 1 9 84 4 01 9 . 2 1 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5if w s aftfDY M pM P a M P a （ 3-60） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 32 （ 3）管子應力 2211 3 . 4 2 . 1 2 4 50 . 0 4 9 5 0 . 1 9 80 . 1 8 5 3 . 40 . 7 3t c aG V QppQGM P a （ 3-61） 130t c r M P a （ 4）殼程圓筒軸向應力 210 . 6 8 1 2 . 1 2 42826000 . 1 9 81 1 4 1 7 4 . 6 3 . 41 . 3 0 0 . 8 7 1 7 0 1 4 7 . 8castcVApA Q GM p a M P a （ 3-62） （ 5）拉脫應力 連接形式選用焊接 20 . 8 1 1 0 6 . 7 61 9 20 . 7 2 0 . 6 0 . 6 1 3 0 7 8tttl m maqdlM p a q M p a （ 3-63） 管程壓力作用下的危險組合 殼程壓力 Mpaps 0 管程壓 0 .0 4 9 5tp M pa 1 0 . 0 4 9 5 1 0 . 1 8 0 . 5 8 4ctp p M p a 不計膨脹差 0 0tE 8 . 7 0 . 0 4 9 5 0 . 4 3a t t tp p E M p a 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 33 733124 4 1 . 9 1 00 . 6 8 6 0 0 0 . 4 30 . 3 8 .0 . 3 81 0 0 0 . 0 0 9 3 80 . 4 6 0 . 2 4 2 . 7 50 . 2 61 1 0 . 2 4ppiapMMDpN m mMMVMm V mmV （ 3-6467） 由 K 和 m 根據 1999151 JB 查得 bGli 31圖 0.3liG 則1 0.3liGG 122211 1 0 . 5 8 0 . 3 9 7110 . 4 3 74 4 5 3 . 41 0 . 2 6 1 3 833 0 . 1 4 74 4 5 . 7 5 5 3 . 41 1 1 1 3 81 . 14 4 5 3 . 40 . 4 5 0 . 3 8 0 . 0 0 4 7 60 . 1 6 6 2 4rrpw s pVGQGmVK Q GVQGM M M （ 3-6871） （ 1）管板應力 2 20 . 6 8 1 0 0 00 . 0 0 1 3 . 8 2 80 . 4 4 00 . 1 6 4 1 . 51 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5ir r antrDpM p aM P a （ 3-72） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 34 22 221 nirarDmmkmkp （ 3-73） 221 . 0 2 5 2 1 . 0 2 5 210 . 6 8 3 . 8 2 8( 0 . 2 6 ) 2 ( 0 . 2 6 )( 0 . 0 0 0 4 )0 . 42 0 . 2 660040 2 . 2 1 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5trM p a M p a （ 3-74） 0 . 6 8 3 . 8 2 8 6 0 3 . 50 . 0 0 30 . 4 4 00 . 2 9 0 . 5 0 . 5 1 3 0 6 5atppntrpDM p a M P a （ 3-75） （ 2）殼體法蘭應力 1130 1 . 8 8600iDK D （ 3-76） 按 87.16591998150 YJB 查得表 2246001 4 . 8 6 0 . 1 6 6 2 4 7 0 . 6 8 0 . 4 34 4 01 2 7 . 5 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5if w s aftfDY M pM P a M P a （ 3-77） 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 35 （ 3）管子應力 2211 3 . 4 3 8 4 . 60 . 0 3 3 0 . 4 30 . 1 8 5 3 . 45 0 . 4 8 2 . 0 1 8 0t c attG V QppQGM P a M P a （ 3-78） （ 4）殼程圓筒軸向應力 210 . 6 8 1 0 . 9 3 82826000 . 0 4 9 5 0 . 4 31 1 4 1 7 5 3 . 41 9 . 9 4 0 . 8 5 1 7 0 1 4 4 . 5c t astcVAppA Q GM P a M P a （ 3-79） （ 5）拉脫應力 連接形式選用焊接 3 . 52 0 . 1 9 1 0 6 . 7 61 0 . 3 21 9 3 . 50 . 5 0 . 5 1 3 0 6 5tttl m maq M p adlq M p a （ 3-80） 計算結果表明進行的管板設計合格。 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 36 第 4 章 結構設計 4.1 折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外對流傳熱系數，為取得良好效果， 擋板的形狀和間距必須適當。對常用的圓缺型擋板，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會產生“死區(qū)”，太大不利于傳熱，太小又增加流體阻力。 擋板的間距對殼程的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外對流傳熱系數下降；間距太小，不便于制造和檢修，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內徑的 0.2 1.0 倍。我國系列標準中采用的擋板間距為：固定管板式有 100mm、 150mm、 200mm、300mm、 450mm、 600mm、 700mm、 7 種；浮頭式有 100mm、 150mm、 250mm、300mm、 350mm、 450mm、 (或 480mm)、 600mm 8 種 18。 4.2 法蘭 換熱器設備常用的法蘭分為設備法蘭和管法蘭兩類。 設備法蘭標準有： JB 4710 甲型平焊法蘭 選用壓力范圍為 0.25 1.6 Mpa JB 4702 乙形平焊法蘭 選用壓力范圍為 0.25 4.0 Mpa JB 4703 長頸對焊法蘭 選用壓力范圍為 0.6 6.4 Mpa 本設計選用 JB 4701 甲型平焊法蘭 選用壓力范圍為 0.25 1.6 Mpa。 甲型平焊法蘭只有法蘭環(huán)。一般采用鋼板制作，必要時也可以采用鍛件軋制，與圓筒體或封頭角焊連接。由于法蘭環(huán)與筒體或封頭連接的整體性差，即該法蘭的連接強度和剛度較小，因此只適用于溫度、壓力較低的場合。在現行的行業(yè)標準中，甲型平焊法蘭只有四個壓力等級（ PN0.25、 0.6、 1.0、 1.6MPa），公稱直徑的適用范圍也較?。?DN300 2000mm），所用工作溫度范圍為 -20300 22。 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 37 4.3 換熱管 換熱管的規(guī)格包括管徑和管長。換熱管的直徑越小，換熱器單位體積的 傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些，但對于不潔凈或亦結垢的流體，管徑應該取得大些，以免堵塞。目前我國試行的系列標準規(guī)定采用 25 2 和 19 2 兩種規(guī)格，對于一般流體是適用的。此外還有 38 2.5， 57 2.5 的無縫鋼管。 本設計選用 25 2 規(guī)格的換熱管。 我國生產的鋼管系列標準中管長有 1.5m、 2m、 3m、 4.5m、 6m、 9m，按選定的管徑和流速確定管子數目，再根據所需傳熱面積，求得管長合理截取。同時管長又應與殼徑相適應，一般管長與殼徑之比，即 L/D 為 3 4.5。 本設計選用 3m的管長。 管 子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊管外流體湍流程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂荡?。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對亦結垢流體更為適用。 本設計選用 等邊三角形的排列方式 18。 4.4 支座 化工壓力容器及設備都是通過支座固定在工藝流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大類：立式容器支座、臥式容器支座、球式容器支座。臥式容器支座又可分為鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最為廣泛。 鞍式支座的結構特征： 1鞍式支座標準分輕型（代號 A）和重型（ 代號 B）兩種。輕型用于滿足一般臥式容器使用要求；重型用以滿足臥式換熱器、盛裝液體重度大和 L/D 大的臥式容器使用要求。 2根據安裝形式，鞍式支座分固定式（代號 F）和滑動式（代號 S）兩種。 3鞍式支座適用于臥式容器直徑 DN159 426（用無縫管件筒體）、 3004000（用卷制筒體）的范圍內 22。 本設計選用鞍式支座 23 浙江 大學本科生畢業(yè)設計（論文） - 38 圖 4-1 鞍式支座 4.5 壓力容器選材原則 1.選用壓力容器材料時，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和 介質特征；材料的使用性能，如機械性能、物理性能和化學性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經濟合理性能，如材料的價格、制造費用