本科生畢業(yè)設計（論文）PAGEPAGE59緒論 3第一章工藝計算 91.1初步估算傳熱面積 91.1.1熱流量計算 91.1.2冷卻水用量計算 91.1.3平均傳熱溫差計算 91.1.4初算傳熱面積 91.2工藝結構及尺寸計算 101.2.1換熱管參數(shù)計算 101.2.2殼程參數(shù)計算 121.2.3折流板選擇及參數(shù)計算 131.2.4接管參數(shù)計算 141.3換熱器核算 151.3.1傳熱面積校核 151.3.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 161.3.3傳熱面積校核 171.4換熱器內壓降的核算 181.4.1管程阻力計算 181.4.2殼程阻力 191.5工藝計算結果匯總 20第二章強度計算 212.1換熱器壁厚設計計算 212.1.1殼程壁厚設計計算 212.1.2管箱短節(jié)壁厚設計校核 222.1.3封頭壁厚設計校核 232.1.4左端平蓋封頭的設計校核 242.2換熱管失穩(wěn)應力分析 252.3補強判別 252.3.1開孔補強計算方法判別 262.3.2開孔所需補強面積 262.4密封裝置選型及設計 302.4.1墊片選型與設計 302.4.2壓力容器法蘭設計 302.4.3管法蘭設計 342.5管板設計及校核 342.5.1管板計算的有關參數(shù)的確定 342.5.2計算各參數(shù)和系數(shù) 352.5.3管板的應力校核及評定 392.6接管 412.7支座的設計計算及校核 442.7.1選型 442.7.2支座安裝位置的確定 452.7.3鞍座主要尺寸的確定 462.7.4鞍式支座的計算及校核 472.7.5鞍座內力的分析 492.8拉桿 502.9定距管 512.10焊接結構設計 512.10.1焊接接頭選擇 512.10.2焊接方法選擇 532.10.3主要焊接結構 53參考文獻 58致謝 59緒論目前壓縮機被廣泛應用在空分、冶金、化肥、化工、制藥、動力站等領域。壓縮機要實現(xiàn)等溫壓縮，效率優(yōu)化，保證出口壓力和溫度指標，在壓縮機出口處要配置壓縮機出口冷卻器。由于壓縮機對各段間允許的壓力損失和進口溫度的嚴格要求，決定了壓縮機出口冷卻器設計選型的特殊性。壓縮機出口冷卻器幾乎涵蓋了所有管殼式換熱器的結構形式。這正體現(xiàn)了它集各種形式換熱器優(yōu)點于一身的設計理念。由于其結構堅固，使用彈性大，適應性強，近些年來又對結構、工藝和材料等方面作了大量改進，使它的技術性能更趨于合理成為了應對多種機型，大跨度工況范圍的必然選擇壓縮機出口冷卻器是換熱設備的一類，用以冷卻壓縮機出口的熱流體。通常用水或空氣為冷卻劑以除去熱量。使流體溫度達到流程規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設備之一。中國在“十二五”期間加大了對能源戰(zhàn)略的調控力度，加快節(jié)能減排技術創(chuàng)新，大幅度提高了能源利用效率，增強可持續(xù)發(fā)展能力，確保實現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。作為一種節(jié)能設備，壓縮機出口冷卻器實現(xiàn)了熱能的回收、轉化利用，是工業(yè)生產中不可或缺的設備。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代壓縮機行業(yè)中所用冷卻器的投資大約占設備總投資的絕大部分，在工藝設備部分更是被重點研究，并且壓縮機出口冷卻器具有壓縮機之肺的形象比喻，它的冷卻效果和可靠性直接影響壓縮機的氣動性能和整機效率。隨著為壓縮機配套的冷卻器的增多，一個適應各種工況和不同機型的冷卻器系列也自然形成。近年來國內冷卻器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對壓縮機出口冷卻器穩(wěn)定的需求增長，我國冷卻器行業(yè)在未來一段時期內將保持穩(wěn)定增長，前瞻網預計2020年至2030年期間，我國冷卻器產業(yè)將保持年均10-15%左右的速度增長，到2030年我國冷卻器行業(yè)規(guī)模有望達到1500億元。（1）壓縮機出口冷卻器傳熱原理分類1.直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。2.蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。3.間壁式換熱器間壁式換熱器是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。4.直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進行換熱的設備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。（2）壓縮機出口冷卻器按結構分類1.浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結構，它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側法蘭內側面設凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通。浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當兩張介質的溫差較大時，管束和殼體之間不產生溫差應力。浮頭端設計成可拆結構，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結構較復雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別注意其密封。浮頭換熱器的浮頭部分結構，按不同的要求可設計成各種形式，除必須考慮管束能在設備內自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。在設計時必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應小于殼體內徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內壁的間隙b1=3~5mm。這樣，當浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內抽出。以便于進行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進行裝配，所以在設計中應考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質間的串漏起著重要作用。隨著浮頭式換熱器的設計、制造技術的發(fā)展，以及長期以來使用經驗的積累，鉤圈的結構形式也得到了不段的改進和完善。鉤圈一般都為對開式結構，要求密封可靠，結構簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性，在長期使用過程中積累了豐富的經驗，不斷促進了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中仍占主導地位。2.固定管板式換熱器固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構成。由于其結構簡單，運用比較廣泛。固定管板式換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術的發(fā)展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經濟效益。固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，制造較簡單。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較?。诲懠褂幂^少，造價低；無內漏；傳熱面積比浮頭式換熱器大20%～30%。固定管板式換熱器的缺點是：殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t≤50℃,當t≥503.U形管式換熱器U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。結構簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可抽出，管間（殼程）清洗方便。質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料，由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板利用率低；管束最內層間距大，殼程易短路；內層管子不能更換，因而抱人率高。U形管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢，而管程介質清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質走管內，可是高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。4.板式換熱器板式換熱器（PlateTypeHeatExchanger），本成套設備由板式換熱器、平衡槽、離心式衛(wèi)生泵、熱水裝置（包括蒸汽管路、熱水噴入器）、支架以及儀表箱等組成。用于牛奶或其它熱敏感性液體之殺菌冷卻。欲處理的物料先進入平衡槽，經離心式衛(wèi)生泵送入換熱器、經過預熱、殺菌、保溫、冷卻各段，凡未達到殺菌溫度的物料，由儀表控制氣動回流閥換向、再回到平衡槽重新處理。物料殺菌溫度由儀表控制箱進行自動控制和連續(xù)記錄，以便對殺菌過程進行監(jiān)視和檢查。此設備適用于對牛奶預殺菌、巴式殺菌。板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片三種。第一章工藝計算已知工藝設計參數(shù)列表1-1表1-1工藝設計參數(shù)表殼程管程工作介質氮氣水流量54877入口溫度10832出口溫度4040工作壓力1.00.41.1初步估算傳熱面積1.1.1熱流量計算由，，1.1.2冷卻水用量計算1.1.3平均傳熱溫差計算按逆流算1.1.4初算傳熱面積根據(jù)表1-2先假設則估算的傳熱面積為表1-2列管式換熱器中K值大致范圍熱流體冷流體傳熱系數(shù)K/(W·m2·K-1)水

輕油

重油

氣體

水蒸汽冷凝

水蒸汽冷凝

低沸點烴類蒸汽冷凝

高沸點烴類蒸汽冷凝

水蒸汽冷凝

水蒸汽冷凝

水蒸汽冷凝水

水

水

水

水

氣體

水

水

水沸騰

輕油沸騰

重油沸騰850～1700

340～910

60～280

17～280

1420～4250

30～300

455～1140

60～170

2000～4250

455～1020

140～4251.2工藝結構及尺寸計算1.2.1換熱管參數(shù)計算（1）管子的選用換熱管的外表面積決定換熱器傳熱面積的大小。在換熱器中采用小直徑管子可以使換熱器的傳熱面積大，設備緊湊；但同時會使流體阻力大，易結垢，管內不易清洗。故一般處理臟、粘介質的換熱器應選用較大的管徑。本次設計考慮到苯為有毒液體，冷卻水較硬易結垢，由于管徑的大小影響管內流速的的大小和管內的壓強降，因此選用管規(guī)格為φ25×2.5mm。（2）管內流速選擇為了提高管程增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。因此，應選擇適當流速。下表列出工業(yè)一般采用的流體流速范圍。表1-3工業(yè)一般流體流速液體的種類一般液體易結垢液體氣體流速m／s管程0.5－3＞15－30殼程0.2－1.5＞0.53－15故先取管內流速為（3）管程數(shù)和傳熱管數(shù)計算單程傳熱管數(shù)為取所需傳熱管總長度為確定管子長度時應該考慮兩個因素，一個是換熱器的長徑比；一個是管子的長度規(guī)格，管子的長度規(guī)格從1.5～12有多種，臥式換熱器。綜上考慮取傳熱管長。則管程數(shù)，取六管程傳熱管總根數(shù)根（4）傳熱管排列和分程方法換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圓排列。正三角形排列比較緊湊，管板利用率高，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。本次設計內傳熱管按正三角形排列。表1-4常用管心距（mm）管外徑管心距各程相鄰管的管心距管外徑管心距各程相鄰管的管心距192538324052253244384860圖1-1換熱管排列方式1.2.2殼程參數(shù)計算（1）殼程數(shù)確定平均傳熱溫差校正系數(shù)如下：平均傳熱溫差：由于平均溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故采用單殼程。（2）殼體直徑計算采用六管程結構，取管板利用率，則殼體直徑按卷制殼體的進級檔取。 1.2.3折流板選擇及參數(shù)計算設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使管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，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常見的折流板形式為弓形和圓盤—圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形和雙弓形，如下圖所示：圖1-2折流板結構折流板材質和形式的選擇根據(jù)本設計的要求，綜合考慮材料的性能及經濟性要求選用的材料為Q235-B。選用單弓形折流板。折流板的排列布置一般應使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口管，其余折流板按等距離布置，對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時，折流板缺口應水平上下放置。排列形式如下所示：圖1-3折流板排列方式采用弓形折流板，切去圓缺高度折流板間距圓整取。折流板數(shù)目由參考文獻查得，內徑為2000，間距為1500時，取折流板厚度為20mm。表1-5折流板參數(shù)表材質形式高度/mm板間距/mm厚度/mmQ235-B單弓2.4接管參數(shù)計算接管的選擇與流體的流速和流量有關。冷凝器的管程進出口接管直徑通常選用直徑較大、管壁較厚的熱軋無縫鋼管，殼程流體出口接管選擇冷軋無縫鋼管。本次設計選用材料為Q235-B的無縫鋼管。因考慮到氮氣流量過大采用兩個接管輸送氮氣，取接管內流體流速，則接管內徑：取標準管φ610×10mm。管程流體進出口接管取接管內液體流速，則接管內徑取標準管φ475×9mm。初步選定臥式固定管板式換熱器的規(guī)格如下：表1-6換熱器的規(guī)格項目公稱直徑D管程數(shù)NP管數(shù)n管長L管子直徑管子排列方式數(shù)據(jù)626589000正三角形1.3換熱器核算1.3.1傳熱面積校核殼程傳熱膜系數(shù)傳熱管按正三角形排列時傳熱當量直徑管程流體流通截面積管程流體流速和雷諾數(shù)普朗特數(shù)黏度校正取傳熱膜系數(shù)1.3.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積管程流體流速和雷諾數(shù)普朗特數(shù)傳熱膜系數(shù)污垢熱阻和管壁熱導率污垢熱阻往往對換熱器的操作有很大影響，需要采取措施防止或減少污垢的積累或定期清洗。由表3-4查得管內側污垢熱阻，管外側熱阻。管壁厚度，碳鋼在該條件下的熱導率表1-7污垢熱阻Rd的大致范圍流體污垢熱阻Rd/(m2·℃·kw-1）流體污垢熱阻Rd/(m2·℃·kw-1）水（u<1m/s,t<47℃)

蒸餾水

海水

清潔的水

未處理的涼水塔用水

已處理的涼水塔用水

已處理的鍋爐用水

硬水、井水

水蒸汽

優(yōu)質－不含油

劣質－不含油0.09

0.09

0.21

0.58

0.26

0.26

0.58

0.052

0.09水蒸汽

優(yōu)質－不含油

劣質－不含油

往復機排出液體

處理過的鹽水

有機物

燃料油

焦油

氣體

空氣

溶劑蒸汽0.052

0.09

0.176

0.264

0.176

1.056

1.76

0.26～0.53

0.14總傳熱系數(shù)1.3.3傳熱面積校核換熱器的實際傳熱面積換熱器的面積裕度所以該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。1.4換熱器內壓降的核算換熱器管程及殼程的流動阻力，常?？刂圃谝欢ㄔ试S范圍內。若計算結果超過允許值時，則應修改設計參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格大換熱器。按一般經驗，對于液體常控制在104～105Pa范圍內，對于氣體則以103～104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。表1-8換熱器操作允許壓降△P換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降△P<105(絕壓)

0～105(表壓)

>105(表壓)0.1P

0.5P

>5×104Pa1.4.1管程阻力計算換熱管阻力其中，，。直管阻力由，傳熱管相對粗糙度0.01查得摩擦系數(shù)。1.4.2殼程阻力筒體內阻力其中，。流體流經管束的阻力其中。流體流過折流板缺口的阻力由計算結果可知所選換熱器合適。1.5工藝計算結果匯總表1-9換熱器主要結構尺寸和計算結果參數(shù)管程殼程流率m3/h54877溫度（進/出)/℃32/40108/40物性參數(shù)定性溫度/℃3674密度/(kg/m3)994.311.55比熱容/〔kJ/kg/℃）〕4.1741.05黏度/mPa·s0.7420.0195熱導率/〔W/(m·℃)〕0.6240.030普朗特數(shù)0.68254.67結構參數(shù)型式固定管板式臺數(shù)1殼體內徑/mm2000殼程數(shù)1管子規(guī)格Φ25mm×管心距/mm32管長/mm9000管子排列正三角形管子數(shù)目/根2658折流板數(shù)/塊6傳熱面積/m21857折流板距/mm1500管程數(shù)6材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/(m/s)0.6718傳熱膜系數(shù)/〔W/m2·℃)〕391.73450.9污垢熱阻/(m2·℃/W)0.00060.0004熱流量/KW12571傳熱溫差/℃23.61傳熱系數(shù)/〔W/(m2·℃)〕306裕度/%20第二章強度計算設計參數(shù)如下表：表2-1強度設計參數(shù)表殼程管程工作壓力設計壓力腐蝕余量mm11.13.20.40.63.22.1換熱器壁厚設計計算2.1.1殼程壁厚設計計算（1）選材由工藝設計給定的設計溫度74℃，設計壓力=1.1，選碳鋼鋼板Q245卷制。材料74℃時的許用應力=147，取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度C2=3.2。則（2）計算厚度對于Q245，鋼板負偏差（3）名義厚度因而圓整取名義厚度（4）有效厚度（5）殼程水壓試驗壓力所選材料的屈服應力（6）水壓試驗應力校核通過計算水壓強度滿足要求。2.1.2管箱短節(jié)壁厚設計校核（1）選材由工藝設計給定設計參數(shù)為：設計溫度36℃，設計壓力=0.6，選用Q235-C鋼板,取焊縫系數(shù)，腐蝕裕度。（2）計算厚度（3）名義厚度（4）圓整取名義厚度（5）有效厚度（6）殼程水壓試驗壓力所選材料的屈服應力（7）水壓試驗應力校核通過計算水壓強度滿足要求。2.1.3封頭壁厚設計校核（1）選材封頭是壓力容器設備中不可缺少的重要部件,封頭的品質直接關系到壓力容器的長期安全可靠運行。封頭根據(jù)幾何形狀的不同，可分為球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中球形、橢圓形、碟形、球冠型封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。在焊接上分為對焊封頭，承插焊封頭。用于各種容器設備，如儲罐，換熱器，塔，反應釜和分離設備等。材質有碳鋼（A3、20#、Q235、Q235B、16Mn等）、不銹鋼（304、321、304L、316、316L等）、合金鋼（15Mo315CrMoV35CrMoV45CrMo）、鋁、鈦、銅、鎳及鎳合金等。本次設計我們選用最常見的橢圓形封頭，如圖9，材質選擇Q235，并對其所需厚度進行計算和校核。圖2-1橢圓形封頭（1）計算厚度（2）名義厚度為了減少焊接應力，殼體封頭厚度取與短節(jié)厚度相同.（3）有效厚度（4）殼程水壓試驗壓力所選材料的屈服應力（5）水壓試驗應力校核通過計算水壓強度滿足要求。表2-2DN2000標準橢圓封頭尺寸及質量公稱直徑DN/mm曲面高度/mm直邊高度/mm內表面積F/㎡容積V/厚度/mm質量G/kg2000485404.49301.1257101282.1.4左端平蓋封頭的設計校核（1）計算厚度（2）名義厚度為了減少焊接應力，殼體封頭厚度取與短節(jié)厚度相同。（3）有效厚度（5）殼程水壓試驗壓力所選材料的屈服應力（6）水壓試驗應力校核通過計算水壓強度滿足要求。2.2換熱管失穩(wěn)應力分析本次設計選用的是φ25×2.5的碳鋼管，材質為20，MPa。（1）臨界長度所以判定換熱管為長圓筒。（2）臨界壓力本次設計選用碳鋼管所以，綜上換熱管不會發(fā)生失穩(wěn)。2.3補強判別當設計壓力小于或等于的殼體開孔，兩相鄰開孔中心的間距大于孔直徑之和的兩倍，且接管公稱直徑小于或等于89mm時，只要接管最小厚度滿足下表，就可不另行補強。由于本次開孔公稱外徑為600mm和457mm,，故需另行考慮其補強。表2-3不另行補強的接管最小厚度接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.0 6.0壓力容器接管補強結構通常采用局部補強結構主要有補強圈補強厚壁管補強整鍛件補強三種形式。由于設計壓力在低壓范圍內、工作溫度不高、介質腐蝕性弱、材質為Q235-B、其標準抗拉強度低于540Mpa、殼體名義厚度不大于38mm，以上均滿足補強圈補強的條件，又因為補強圈補強，結構簡單、使用經驗豐富，所以采用補強圈。因為等面積補強有長期的實踐經驗，簡單易行，當開孔較大時，只要對其開孔尺寸和形狀等給與一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全。2.3.1開孔補強計算方法判別開孔補強的設計方法主要有等面積補強法和極限分析補強，又因為等面積補強有長期的實踐經驗，簡單易行在一般壓力容器使用范圍下能夠保證安全所以采用等面積補強法進行補強計算內徑為Di=2000mm的圓柱形容器。本次設計封頭開孔直徑小于Di/2=1000mm,滿足等面積法補強計算的適用條件故可用等面積法進行開孔補強計算。2.3.2開孔所需補強面積現(xiàn)對固定式管板式換熱器管箱短節(jié)的兩個接管開孔進行補強校核。（1）接管外徑為457mm，壁厚。確定殼體和接管的計算厚度及開孔直徑已知殼體的計算厚度接管的計算厚度，計算強度削弱系數(shù)，查得；接管有效厚度為，；開孔直徑為，；開孔所需最小面積為有效補強范圍有效寬度B，即：取較大值：外側有效高度取最小值內側有效高度取最小值有效補強面積——殼體有效厚度減去計算厚度以外的多余面積；——接管有效厚度減去計算厚度以外的多余面積接管區(qū)焊接面積（焊腳取6.0）有效補強面積，所需另行補強面積補強圈設計根據(jù)接管公稱直徑DN450選補強圈，參照JB/T4732取補強圈外徑，內徑。補強圈在有效補強范圍內。補強厚度為為了方便制造時準備材料，補強圈名義厚度可取管箱的厚度，即現(xiàn)對固定式管板式換熱器殼體的四個接管開孔進行補強校核。（2）接管外徑為610mm，壁厚已知殼體的計算厚度，。接管的計算厚度，計算強度削弱系數(shù)，查得；接管有效厚度為，；開孔直徑為，；開孔所需最小面積為有效補強范圍有效寬度B，即：取較大值：外側有效高度取最小值內側有效高度取最小值有效補強面積——殼體有效厚度減去計算厚度以外的多余面積；——接管有效厚度減去計算厚度以外的多余面積接管區(qū)焊接面積（焊腳取6.0）有效補強面積，所需另行補強面積因考慮到實際情況重疊補強補強圈設計根據(jù)接管公稱直徑DN600選補強圈，參照JB/T4732取補強圈外徑，內徑。補強圈在有效補強范圍內。補強厚度為為了方便制造時準備材料，補強圈名義厚度可取封頭的厚度，即。2.4密封裝置選型及設計2.4.1墊片選型與設計墊片是兩個物體之間的機械密封，通常用以防止兩個物體之間受到壓力、腐蝕、和管路自然地熱脹冷縮泄漏。由于機械加工表面不可能完美，使用墊片即可填補不規(guī)則性。墊片通常由片狀材料制成，如墊紙，橡膠，硅橡膠，金屬，軟木，毛氈，氯丁橡膠，玻璃纖維或塑料聚合物（如聚四氟乙烯），特定應用的墊片可能含有石棉。本次設計選用墊片橡膠石棉。查參考文獻得墊片的尺寸如下表表2-4墊片參數(shù)表(mm)公稱直徑DN墊片內徑墊片外徑墊片厚度Φ2000Φ2027Φ20773圖2-1墊片2.4.2壓力容器法蘭設計（1）選型法蘭聯(lián)接是作為容器的筒體與封頭、筒體與筒體、管道間、管道與閥門管件等的可拆性聯(lián)接。它是由一對法蘭、數(shù)個螺栓、螺母和一個墊片組成。由于強的密封性能和較好的強度，故應用廣泛。缺點是不能快速拆卸，制造成本較高。常見的整體法蘭形式有兩種即平焊法蘭和對焊法蘭。平焊法蘭結構能保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適量減薄，但會在殼體上產生較大應力，適用于（PN≤4.0MPa）的低壓容器。甲型平焊法蘭與乙型平焊法蘭的區(qū)別在于乙型平焊法蘭有一個壁厚不小于16mm的圓筒形短節(jié)，因而乙型平焊法蘭的剛性比甲型平焊法蘭好，甲型法蘭在（PN≤0.6MPa）時，適用的容器直徑范圍為（DN=300~1200）。由于本次設計的換熱器壓力低，屬于一類容器DN=2000mm，所以選用已型平焊法蘭。如下圖圖2-2法蘭（2）法蘭壓緊面的選擇壓緊面的形式主要由以下幾種即：全平面、凹凸面、榫漕面。1.全平面：結構簡單，加工方便，裝卸容易，且便于進行防腐襯里。適用于PN≤2.5MPa場合。2.凹凸面：安裝時易于對中，還能有效地防止墊片被擠出壓緊面，適用于PN≤6.4MPa的容器法蘭和管法蘭。3.榫漕面：不會被擠出壓緊面，且少受介質的沖刷和腐蝕，所需的螺栓力較小，但結構復雜，更換墊片較難，只適用于易燃、易爆和高度或極度毒性危害介質等重要場合。圖2-3法蘭全平面壓緊面綜上所述，選用全平面壓緊面。如圖2-3根據(jù)本次設計的筒體公稱直徑和設計壓力查參考文獻得法蘭的尺寸如下表：表2-5法蘭尺寸表（mm）公稱直徑DN/mm法蘭螺柱規(guī)格數(shù)量2000216021152076205620538728516211827M2460(3)法蘭的校核法蘭材料選用Q235-A，許用應力為：，。螺栓材料選用Q235-A，許用應力為：，。其中：—常溫下法蘭材料的許用應力，MPa；—設計溫度下法蘭材料的許用應力，MPa?！叵侣菟ú牧系脑S用應力，MPa；—設計溫度下螺栓材料的許用應力，MPa作用于法蘭內徑截面上的流體壓力引起的軸向應力，流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差，窄面法蘭墊片壓緊力，墊片壓緊力作用中心圓直徑，螺栓中心至作用位置的徑向距離，螺栓中心至作用位置處的徑向距離，螺栓中心至作用位置處的徑向距離，預緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷，操作狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷，預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積，操作狀態(tài)下，需要的螺栓總截面積，實際使用的螺栓總面積，螺栓設計載荷法蘭操作力矩操作狀態(tài)下的剪應力，預緊狀態(tài)下的剪應力，2.4.3管法蘭設計接管法蘭材料選用Q235-A，類型選擇板式平焊法蘭，密封面形式選擇全平面。其結構尺寸和焊接尺寸根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可查HG20592～20635－2009鋼制管法蘭標準選擇。其具體尺寸如下表所示：表3-6接管法蘭尺寸（㎜）公稱直徑DN鋼管外徑Al連接尺寸法蘭厚度C密封面法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓空數(shù)量n螺栓ThABdf4504574805955502216M202051826006106307807253620M243066722.5管板設計及校核管板是管殼式換熱器最重要的受壓元件之一，管板的合理設計對降低設備費用和保證設備安全運行是至關重要的。管板的強度計算又是管板合理設計中很關鍵的一步。為此，許多國家的有關部門對管板強度計算的方法作了許多研究工作，并提出了不同的計算方法。2.5.1管板計算的有關參數(shù)的確定（1）根據(jù)管板的最小厚度或計算者的經驗確定管板的有效厚度。管箱法蘭厚度為94mm，換熱管與管板連接采用焊接，管板的最小厚度不小于12mm，假設管板的有效厚度。（2）根據(jù)管板的有效厚度和管板的結構要求，以及管板的腐蝕裕量，確定管板的公稱厚度，用管板的公稱厚度和管板的設計溫度確定管板的許用應力。管板設計溫度，Q245鍛件，管板的許用應力。2.5.2計算各參數(shù)和系數(shù)（1）法蘭力矩1.墊片墊片外徑，墊片內徑墊片系數(shù)，墊片比壓力墊片基本密封寬度墊片有效密封寬度墊片壓緊力作用中心圓直徑2.螺栓載荷螺栓材料選用Q235-A，常溫下的許用應力為工作溫度下的許用應力為。預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷3.螺栓面積預緊狀態(tài)下所需螺栓面積操作狀態(tài)下所需螺栓面積實際螺栓面積4.螺栓設計載荷預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷操作狀態(tài)下螺栓設計載荷5.法蘭力矩管程壓力操作工況下法蘭力矩基本法蘭力矩殼體法蘭應力系數(shù)（按查圖）（2）換熱管穩(wěn)定許用壓力換熱管受壓失穩(wěn)當量長度換熱管材料在設計溫度下的屈服點換熱管材料在換熱管平均金屬溫度下的彈性模量系數(shù)換熱管穩(wěn)定許用壓力（3）參數(shù)和系數(shù)計算殼體圓筒內徑面積殼體圓筒金屬橫截面積換熱管金屬橫截面積換熱管有效長度換熱管材料在換熱管金屬溫度下的彈性模量管束模數(shù)管板材料在管板設計溫度下的彈性模量管板強度削弱系數(shù)沿隔板槽一側的排管根數(shù)，隔板槽兩側相鄰管中心距布管區(qū)內未被換熱管支撐的面積，對于三角形排列管板布管區(qū)面積管板布管區(qū)當量直徑系數(shù)管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度法蘭外徑法蘭寬度管箱法蘭厚度，法蘭頸部大端厚度，法蘭頸部小端厚度管箱圓筒厚度取管箱法蘭頸部大小端厚度的平均值，管箱法蘭材料在管程設計溫度下的彈性模量，，得管箱旋轉剛度取殼體法蘭厚度殼體厚度殼體材料在平均金屬溫度下的彈性模量，，得殼體旋轉剛度旋轉剛度無量綱參數(shù)管板開孔后面積按，查得，按，查得，2.5.3管板的應力校核及評定（殼程壓力作用下有溫差工況），，計入熱膨脹差。設定換熱器的組裝溫度為20℃。換熱管在金屬溫度下的熱膨脹系數(shù)殼體在金屬溫度下的熱膨脹系數(shù)換熱管與殼程殼體的熱膨脹變形差當量組合壓力有效壓力組合基本法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)管板邊緣剪切系數(shù)管板總彎矩系數(shù)，管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)管板徑向應力系數(shù)管板布管區(qū)周邊處徑向應力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù)管板徑向應力管板材料在設計溫度下的許用應力合格管板布管區(qū)周邊處徑向應力管板布管區(qū)周邊剪切應力殼體法蘭應力殼體圓筒軸向應力換熱管軸向應力綜上所述該固定管板符合設計要求，管板采用延長部分兼作法蘭的管板形式。2.6接管（1）選材本次設計壓力在低壓范圍內、工作溫度不高、介質腐蝕性弱、接管與殼體焊接連接，為了減少焊接應力集中選擇接管材料選用20。（2）接管尺寸規(guī)格對于臥式換熱器，如殼側介質進出口接管分別設在殼體正上方或正下方，通常不設排液口。本次設計共有6個接管，分別是管程進出口、殼程進出口。根據(jù)工藝計算其尺寸如下表：表2-6接管尺寸規(guī)格序號公稱直徑DN/mm外徑/mm壁厚/mm用途a4504579冷卻水進口b60061010氮氣進口c60061010氮氣進口d4504579冷卻水出口e60061010氮氣出口f60061010氮氣出口（3）接管外伸長度對于接管的伸出長度指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度，根據(jù)換熱器設計手冊表3-7得各部分的接管外伸長度為300。表2-7PN≤1.0MPa的接管伸出長度DN(050）450300600300(4)接管位置分布1.殼體上接管的位置分布殼程接管位置是指接管中心到管板密封面距離如圖2-3：圖2-3DN450接管的位置冷卻水進出口DN450式中：——接管外徑，457；——管板厚度，150：C≥4S(S為殼體厚度，）且30。取600。2.管程接管位置分布管層接管位置是指接管中心到法蘭密封面的距離如圖3-7所示：氮氣進出口DN600式中：——設備法蘭與殼體焊縫與法蘭密封面距離（因為沒有設備法蘭，所以=0）考慮補強圈外徑為980mm所以取800mm圖2-4DN600接管位置2.7支座的設計計算及校核2.7.1選型臥式換熱器的支座有鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，本次臥式固定管板換熱器選用焊制鞍式支座。對于鞍式支座一般可按標準（JB1167-81）進行選擇。鞍座的公稱直徑即為設備的公稱直徑。按照公稱直徑的不同分為四個標準系列（Dg159~500、Dg600~1200、Dg1300~2000、Dg2100~4000）。同一公稱直徑的鞍座又分為A型（輕型）和B型（重型）。每一種形式又分為固定式（Ⅰ型）和移動式（Ⅱ型）兩種。A型和B型的區(qū)別是軸向腹板的數(shù)量和尺寸及底板的寬度不同，而Ⅰ型和Ⅱ型的區(qū)別僅僅在于底板上地腳螺栓孔的形狀不同，Ⅱ型為長圓孔，安裝地腳螺栓時采用雙螺母，第一個螺母擰緊后倒退一圈，再用第二個螺母鎖緊，使鞍座能在基礎上自由滑動。Ⅰ、Ⅱ型的尺寸除螺栓孔不同，其余均相同。在同一臺臥式容器上，Ⅰ、Ⅱ型要配對使用。在標準系列中，鞍座的高度H有200、300、400、500四種規(guī)格，但可根據(jù)要求改變。必要時要對根據(jù)標準選好的鞍座進行支座寬度b和基礎支承面進行強度校核，對支座處筒體的局部應力也要校核。本次設計按照換熱器的公稱直徑DN2000選用BI型（重型）帶加強墊板與一個筋板的鞍座一對（其中F型S型各一個），材料選用Q235-B，支座高度H=600。F型S型圖2-5支座2.7.2支座安裝位置的確定放在鞍座上的圓筒形設備，其情況和梁相似。從受力分析來看，承受同樣載荷且具有同樣幾何尺寸的梁采用多支座比采用兩個支座梁內產生的應力小，但實際上應看情況而定，對于大型容器，因制造誤差所造成的支座標高不一致，或因地基沉降不均勻，所以造成的支承點水平高度不一致，都使支承反力不均勻，在設備內造成較大附加應力。同時為了避免溫度應力，多支座的情況，也不便于采取措施。所以一般采取雙支座。為了避免產生溫差應力，有一個支座的地腳螺栓孔做成長圓形，安裝時不擰死螺母，以便使其能有自由滑動的可能。最好的辦法是一端采用移動式支座。圖2-6支座位置尺寸鞍座布置原則:當L≤3000時，取Lb=(0.4~0.6)L當L＞3000時，取Lb=(0.5~0.7)L盡量使Lc和Ld相近取Lb=0.6L，即2.7.3鞍座主要尺寸的確定（1）鞍座寬度b的確定支座b的大小一方面決定設備所給支座的載荷的大小，另一方面要考慮支座處筒壁環(huán)向應力不超過許用值。鋼制鞍座的寬度不應小于10S（S是筒體計算壁厚）所以本設計取b=120。（2）鞍座其他結構尺寸的確定根據(jù)重型鞍座承載筒體公稱直徑DN2000查參考文獻得鞍座基本尺寸如下表：表2-7鞍座尺寸公稱直徑ＤＮ允許載荷Ｑ/ＫＮ底板腹板筋板墊板螺栓間距鞍座質量（kg）增加100mm高度增加的質量（kg）弧長2000300142022012101903608233043010801260160172.7.4鞍式支座的計算及校核臥式容器的載荷有：（1）壓力，可以是內壓或外壓（真空）（2）容器的重量，包括圓筒、封頭及其它附件等的重量（3）物料的重量（4）其它載荷假設容器的總重為3F所以該容器總重作用的長度為：式中：L—該容器總作用下的長度，H—為封頭的曲面深度，所以該容器總重沿長度方向均勻分布，則作用在總長度上的單位長度均布載荷為：式中：q—作用在總長度上的單位長度均布載荷，F(xiàn)—設備總重，假設容器內介質全是冷卻水，則容器內介質的密度為1000kg/m3，殼體和封頭材質的密度為7860kg/m3：式中：—圓筒內徑，所以工程上將雙鞍式支座臥式容器化為長度為L，受均布載荷作用的外伸簡支梁。封頭本身的重量和封頭中物料的重量為：此重力作用下在封頭（含物料）的重心上。對于橢圓形封頭，它的重心位置e≈0.375H=197按力平衡原理，此重力可用在梁端點的剪力和力偶代替。剪力0.667Hq=43102N力偶N/m此外，當封頭中充滿液體時，液體的靜壓力對封頭作用一水平方向的外推力，因為液體的壓力沿筒體高度按線性規(guī)律分布，頂部壓力為零，底部壓力為：P0=2ρgRi=2×1000×9.8×2=39200N所以水平推力向下偏移，偏離容器的軸線。水平推力和偏心距離為： 式中：s—水平推力，N.m所以s=123088×2=246176,式中：yc—偏心距離，當為橢圓形封頭時m2=0.25qRi(1-H2/Ri)，為簡化計算常略去一些差異，取m2=0.25qRi=688.3，所以梁端點的力偶M為：2.7.5鞍座內力的分析（1）圓筒在支座中截面處的彎矩查參考文獻得：式中：故 =668676×(0.25×123088×10?3?0.794)=20201700為正值時，表示上半部分圓筒受壓縮，下半部分圓筒受拉伸。b.圓筒在支座中截面處的彎矩式中：故為正值，表示圓筒的上半部分受壓縮，下半部分受拉伸。這里只討論支座截面處的剪力因為對于承受均勻載荷的外伸簡支梁其跨距處截面的剪力等于零所以不用討論。當支座距離封頭切線距離A＞0.5Ri時，分重量的影響，在支座處截面上的剪力為：式中：V—支座處截面上的剪力，N所以2.8拉桿（1）結構形式的選擇常用的拉桿結構形式有拉桿定距管結構和點焊結構，拉桿定距管結構適用于換熱管外徑大于或等于19的管束；點焊結構適用于換熱管外徑小于或等于14的管束，所以本次設計選用拉桿定距管結構形式。（2）拉桿尺寸及數(shù)量的確定根據(jù)表2-8、2-9、2-10確定拉桿的相關參數(shù)表2-8拉桿直徑（）換熱管外徑1014192532384557拉桿直徑1012121616161616表2-9拉桿數(shù)量()公稱直徑拉桿直徑≥400<700≥700<900≥900<1300≥1300<1500≥1500<1800≥1800<2000≥1800<200010121664410861210616128181410241812282014表2-10拉桿的連接尺寸()拉桿直徑拉桿螺紋公稱直徑LaLbLd101216101216131520>40>50>60161820圖2-7拉桿的連接尺寸本次設計選用的換熱管為?25×2.5mm，所以根據(jù)表2-4確定拉桿的直徑為16mm，數(shù)量為14根，拉桿與管板采用螺紋連接。拉桿兩端螺紋為M12，拉桿孔深度為18mm。（3）拉桿的布置拉桿應盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內或靠近折流板缺口處應布置適當?shù)睦瓧U，任何折流板應不少于3個支撐點。2.9定距管當換熱器外徑小于或等于14mm時采用折流板與拉桿點焊在一起而不用定距管，但本設計選用的換熱管為mm，所以選用定距管和換熱管外徑相同，為mm。2.10焊接結構設計2.10.1焊接接頭選擇（1）焊接接頭的選擇原則為正確合理的選擇焊接接頭的類型、坡口形狀和尺寸，主要應綜合考慮以下幾個方面：1.設計要求：保證接頭滿足使用要求；2.焊接的難易與焊接變形：焊接容易實現(xiàn)，變形能夠控制；3.焊接成本：接頭準備和實際焊接所需費用低；4.施工條件：制造施工單位具備完成施工要求所需的技術、人員和設備條件。（2）確定焊接接頭類型焊接接頭的基本類型按焊接方法不同，可以分為熔焊接頭、壓焊接頭和釬焊接頭三大類。其中熔焊接頭使用較為普遍，所以本次設計選擇熔焊接頭。焊接接頭的基本類型可歸納為5種，即對接接頭、T形（十字）接頭、搭接接頭、角接接頭和端接接頭。上述五類接頭基本類型都適用于熔焊，一般壓焊（高頻電阻焊除外），都采用搭接接頭，個別情況才采用對接接頭；高頻電阻焊一般采用對接接頭，個別情況才采用搭接接頭。釬焊連接的接頭也有多種形式，一種分類方法將其分為四種，即搭接接頭，T形接頭，套接接頭，舌形與槽形接頭。其中對接接頭是熔焊中受力比較理想的接頭形式，為保證焊接質量、減少焊接變形和焊接材料消耗，需把被焊工件的邊緣加工成各種形式的坡口，進行坡口對焊。綜合上述條件，同時考慮結構的穩(wěn)定和強度，本次焊縫采用對接接頭和角接接頭兩種形式。（3）熔焊接頭坡口的選擇熔焊接頭的坡