1、 本科畢業(yè)設計（論文）U型管換熱器結(jié)構(gòu)設計與建模學院名稱制造科學與工程學院專業(yè)名稱過程裝備與控制工程學生姓名XX學號XX 指導教師XX 講師二一五年六月 目錄緒論第一章1.1換熱器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀1.2 換熱器的生產(chǎn)需求第二章2.1 設計任務2.1.1 設計題目 2.1.2 設計參數(shù)2.2 方案確定2.3 確定介質(zhì)物性參數(shù)2.4 計算總傳熱系數(shù)2.4.1 熱流量2.4.2 平均傳熱溫差2.4.3 水蒸氣用量2.4.4 總傳熱系數(shù)K2.5 傳熱面積計算2.6 工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.6.1管束數(shù)量確定2.6.2平均傳熱溫差校正2.6.3 傳熱管排列和分程方式2.6.4 殼體內(nèi)徑Di2.6.5 折流擋板2

2、.6.7 接管尺寸第三章3.1 構(gòu)件材料選擇3.1.1 一般選材原則3.1.2 壓力容器常用鋼3.1.3 構(gòu)件材料終定第四章4.1 筒體計算4.1.1 厚度計算 4.1.2 校核筒壁壓力4.2 封頭尺寸計算4.2.1 封頭厚度計算4.2.2 校核封頭應力4.3管箱短節(jié)計算4.3.1 管箱短節(jié)圓筒厚度的計算4.3.2 壓力及應力計算4.3.3 管箱短節(jié)長度計算4.4 管板設計及校核4.4.1 布管面積4.4.2 管板布管區(qū)的當量直徑4.4.3管板計算厚度4.4.4 管板名義厚度 4.4.5 換熱管軸向應力計算及校核4.5 開孔補強計算4.5.1等面積法適用范圍4.5.2 殼程接管開孔補強4.5.

3、3 管程開孔補強第五章5.1 設備外部結(jié)構(gòu)5.1.1 殼體結(jié)構(gòu)5.1.2 封頭結(jié)構(gòu)5.1.3 管箱結(jié)構(gòu)5.1.4 接管設計5.1.5 法蘭選用5.1.6 支座結(jié)構(gòu)5.2 設備內(nèi)部件結(jié)構(gòu)5.2.1 折流板設計5.2.2 拉桿和定距管設計5.2.3 分程隔板設計5.2.4 防沖擋板5.2.5 管板設計5.2.6 U型換熱管5.3 各構(gòu)件連接形式5.3.1 壓力容器連接形式分類5.3.2 橢圓封頭和殼體的連接5.3.3 殼程接管和殼體的連接5.3.4 管程接管與殼體的連接5.3.5 管束和管板的連接第一章 緒論1.1換熱器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 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。二十世

4、紀20年代出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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。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(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)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(shù)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。自60年代開始，為了適應高溫和高

5、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。目前對換熱器的研究現(xiàn)狀，工程上已經(jīng)大量使用商業(yè)的軟件進行換熱器的計算。最著名的專業(yè)換熱器計算軟件主要有以下幾個：第一是成立于1962年的美國傳熱研究公司（Heat Transfer Research Inc.,即HTRI）開發(fā)的Xchange Suit軟件；第二是成立于1976年的英國傳熱及流體服務中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service,即HTFS）開發(fā)的HTFS系列軟件和B-JAC軟。因此，換熱器計算軟件發(fā)展到今

6、天已經(jīng)可以向很多制造廠商提供設備條件。目前工業(yè)上用得較多的管殼式換熱器主要有浮頭式、固定管板式和U型管式，其中以浮頭式換多。本次選擇設計的是U型管式換熱器，它的管板比固定管板式換熱器少，其泄露量也相應減少，并且U型管式換熱器具有殼程水壓試驗后烘干更容易，適用場合廣、換熱面積大、管內(nèi)介質(zhì)流速大效率高、檢修簡便、操作彈性較大、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜承受能力強的特點。由于U型換熱管的兩端都同時固定在上同一塊管板上，管子可以自由伸縮，因此，當殼體與U形換熱管有溫差時不會產(chǎn)生熱應力。但是，U型管換熱器的主要缺點就是U型管具有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差，管內(nèi)不容易清洗，一旦內(nèi)層有管束堵塞更換困難，只有

7、將堵塞的換熱管兩端封住，影響傳熱。所以，U型管式換熱器適用于管與殼壁溫差較大或管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的介質(zhì)的情形；有時候也用在換熱器殼程容易結(jié)垢，需要清洗，但又不適宜用浮頭式或固定管板式的場合。U 型管換熱器是一種典型的管殼式換熱器， 其管子彎成 U形,管子的兩端固定在同一管板上， 因此每根管子可以自由伸縮，而與其他管子及殼體無關。U 型管換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價比其他換熱器便宜。U 形管束可以從殼體內(nèi)抽出，所以管子便于清洗。但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)介質(zhì)必須是清潔且不易結(jié)垢的物料。由于換熱管呈 U形，管子的更換除外側(cè)一層外，內(nèi)部管子大部分不能更換。管

8、束中心部分存在空隙，所以流體易發(fā)生短路而影響傳熱效果。U 形管的彎頭部分曲率不同， 管子長度不一， 因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。1.2 換熱器的生產(chǎn)需求 U型管換熱器在當前市場的生產(chǎn)需求是比較大的，U型管換熱器是在工業(yè)過程生產(chǎn)中實現(xiàn)兩種介質(zhì)間進行熱量傳遞的一種設備，也可以用來保證工藝流程和條件的同時實現(xiàn)二次能源余熱的回收。在化工廠換熱器約占總投資10%-20%；在煉油廠換熱器約占全部工藝設備投資的35%-40%。由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需要。近20年來，換熱設備在能量儲備、轉(zhuǎn)化、回收

9、，以及新能源利用和污染治理中得到了廣泛運用。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，以滿足工藝過程的需要。除此之外，換熱設備也是回收余熱、廢熱特別是低品位熱能的有效裝置。所謂低品位熱能是指難以利用容易忽略的熱能，例如工業(yè)排放的煙道氣、高爐爐氣等。第二章 換熱器工藝計算2.1 設計任務2.1.1 設計題目 U型管換熱器結(jié)構(gòu)設計，處理量為12000Nm/h，使用壽命為15年。2.1.2 設計參數(shù)（1）由2管程和1殼程組成。（2）水蒸汽加熱空氣： 水蒸汽：入口溫度100，出口溫度100； 空 氣：入口溫度30，出口溫度40。 （

10、3）設計壓力為常壓1.1013；允許的壓降：不大于105Pa。2.2 方案確定 考慮到空氣和水蒸氣均不易結(jié)垢，且為了便于強化傳熱，應使傳熱系數(shù)較小的流體管程。因此，選擇空氣走殼程，水蒸氣走管程。2.3 確定介質(zhì)物性參數(shù)根據(jù)定性溫度，分別從化學化工物性數(shù)據(jù)手冊中查取殼程和管程流體的相關物性數(shù)據(jù)如下表2-1：表2-1 相關介質(zhì)物性參數(shù)介質(zhì)空氣水蒸氣溫度/3035（差值法取值）40100密度kg/m31.1651.1471.1280.597定壓比熱容kJ/(kg.)1.0051.0051.0051.525導熱系數(shù)W/(m.)0.026750.027160.027560.024黏度Pa.s0.0.0.

11、0.2-12.4 計算總傳熱系數(shù)2.4.1 熱流量： （2-1）2.4.2 平均傳熱溫差： （2-2） 2.4.3 水蒸氣用量： 常壓下100的水蒸氣汽化熱為r=2258KJ/Kg，則 （2-3）2.4.4 總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù)： （2-4） 殼程傳熱系數(shù)： 假設殼程傳熱系數(shù)；污垢熱阻， ；管壁的導熱系數(shù)；則傳熱系數(shù)K： （2-5）2.5 傳熱面積計算： （2-6） 考慮25%的面積裕度， （2-7）2.6 工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.6.1管束數(shù)量確定：本次U型管換熱器設計采用單殼程雙管程結(jié)構(gòu)，若取傳熱管長L=3m，換熱器程數(shù)為2，則 （2-7）每程管束為226/2=113根。管內(nèi)流速： （2-8

12、）2.6.2平均傳熱溫差校正： 平均傳熱溫差校正系數(shù)：， （2-9） （2-10） 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)查溫差校正系數(shù)表可得。平均傳熱溫差：。2.6.3 傳熱管排列和分程方式： 每程均按正三角形排列，取管心距t=1.25d，則 橫過管束中心線的管數(shù)：根。2.6.4 殼體內(nèi)徑Di： 采用雙管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為： （2-11）圓整后可取目前常用管徑。2.6.5 折流擋板 采用弓形折流擋板，取弓形折流擋板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的30%，則切去的圓缺高度為：。 取折流擋板間距，則。（根據(jù)GB151相關規(guī)定，擋板間距最小間隔為1/5倍殼體內(nèi)徑，且不小于50mm） 折流擋板數(shù)為：塊 （2-12

13、） 折流擋板圓缺面水平裝配。2.6.7 接管尺寸： 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)空氣流速為u1=40m/s，則接管內(nèi)徑為 （2-13） 圓整后可取殼程接管內(nèi)徑為350mm。根據(jù)GB3087-82中標準鋼管規(guī)格，選用的10號無縫鋼管。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)水蒸汽流速u2=2m/s,則接管內(nèi)徑為： （2-14）圓整后取接管內(nèi)徑為150mm。根據(jù)GB3087-82中標準鋼管規(guī)格，選用的10號無縫鋼管。第三章 材料選擇3.1 構(gòu)件材料選擇3.1.1 一般選材原則： （1）所需鋼板厚度小于8mm時，在碳素鋼和低合金鋼之間，應盡量采用碳素鋼鋼板。 （2）在剛度和結(jié)構(gòu)設計為主的場合，應盡量選用普通碳

14、素鋼。在強度設計為主的場合，根據(jù)壓力、所需耐酸不銹鋼溫度、介質(zhì)等使用限制，選用Q245R、Q345R等鋼板。 （3）所需耐酸不銹鋼厚度大于12mm時應盡量采用復合板襯里、堆焊等結(jié)構(gòu)形式。 （4）耐酸不銹鋼應盡量不用做設計溫度小于或等于500的耐熱鋼。 （5）碳素鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強的常壓、低壓容器，壁厚不大的中壓容器，鍛件、承壓鋼管、非受壓元件以及其他由剛性或結(jié)構(gòu)決定壁厚的場合。 （6）低合金鋼高強度鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強、壁厚較大（8mm）的受壓容器。 （7）珠光體耐熱鋼用作抗高溫氫或硫化氫腐蝕，或設計溫度為350650的壓力容器用耐熱鋼。 (8)不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較高、防鐵離子污染或設計溫

15、度大于500或設計溫度小于-100的耐熱或低溫用鋼。3.1.2 壓力容器常用鋼 (1)壓力容器常用鋼分類：1)鋼板 鋼板是壓力容器最常用的材料，如圓筒一般由鋼板卷焊而成，封頭一般由鋼板通過沖壓或旋壓制成。它具有良好的加工工藝性能。2)鋼管 壓力容器的接管、換熱管等常用無縫鋼管制造。根據(jù)GB151-1999規(guī)定：當壓力容器圓筒公稱直徑DN400mm時，可用鋼管制作。當卷制圓筒的公稱直徑以400mm為基數(shù)，以100mm為進級檔；必要時，也可采用50mm為進級檔。3)鍛件 高壓容器的平蓋、端部法蘭、中（低）壓設備法蘭、接管法蘭等常用鍛件制造。(2)鋼材類型1)碳素鋼也稱碳鋼 碳素鋼強度較低，塑性和可

16、焊性較好，價格低廉，故常用于常壓或中、低壓容器制造，也用作支座、墊板等零部件的材料。如：碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B和Q235-C鋼板；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼10、20鋼管，20、35鋼鍛件；壓力容器專用鋼板Q245R、20G，Q245R是在20鋼基礎上發(fā)展起來的，主要是對硫、磷等有害元素的控制更加嚴格，對剛才的表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷控制的要求也較高。2)低合金鋼 低合金鋼是在碳素鋼基礎上加入少量合金元素的合金鋼。它具有高強度、優(yōu)良的韌性、焊接性能、成型性能和耐腐蝕性能；同時它不僅可以減小容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗、運輸、安裝中因厚度太大所帶來的各種困難。Q345R（16

17、MnR）是屈服強度為340MPa級的壓力容器專用鋼板，也是中國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板，它具有良好的綜合力學性能和制造工藝性能，主要用于制造中低壓容器和多層高壓容器。 16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR三種鋼板是使用溫度低于等于-20的壓力容器專用鋼板。3)高合金鋼 壓力容器中采用的低碳或超低碳高合金鋼大多是耐腐蝕、耐高溫鋼，主要有鉻鋼、鉻鎳鋼和鉻鎳鉬鋼，除了鉻鋼以外，高合金鋼都具有良好的低溫性能。 0Cr13是常用的鐵素體不銹鋼，有較高的強度、塑性、韌性和良好的切削加工性能。 0Cr18Ni9是奧氏體不銹鋼，具有良好的塑性、韌性和冷加工性，在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質(zhì)中

18、耐腐蝕性亦佳。3.1.3 構(gòu)件材料終定 （1）殼體材料 本次U型管換熱器結(jié)構(gòu)設計中，水蒸氣為干凈清潔的氣體，空氣在流速低的情況下容易結(jié)垢，兩者均不屬于腐蝕介質(zhì)。考慮到U型管換熱器殼體內(nèi)壁不易清洗且管程流速快，本次設計由空氣走管程，水蒸氣走殼程。故計算溫度殼程為100，計算壓力為常壓，屬于低壓容器。 綜合上面所述，本次殼程筒體材料的選擇：殼程介質(zhì)為空氣，無毒、無腐蝕性,由于筒體直徑為800mm 400mm，因此我們可以選擇 Q245(GB150，4.1.4規(guī)定需在正火處理后使用)鋼板作為殼體的材料。（GB151-1999） （2）封頭和管箱短節(jié)材料 本次U型管換熱器結(jié)構(gòu)設計中，與封頭接觸的介質(zhì)均

19、為干凈、無腐蝕、不易結(jié)垢的氣體介質(zhì)；并且設計壓力為常壓，在保證強度和成本的基礎上考慮到殼體材料，為了焊接方便，因此殼體封頭、管箱封頭和管箱短節(jié)材料均采用Q245R鋼板。綜上：本次U型管換熱器各構(gòu)件材料選擇匯總?cè)缦卤?-1：表3-1 換熱器各部分零部件材料構(gòu)件殼體封頭管箱短節(jié)接管法蘭管板分程隔板材料/鋼號Q245RQ245RQ245R10Q235AQ245RQ245R續(xù)表3-1構(gòu)件U形換熱管折流板拉桿定距管鞍式支座墊片緊固件材料/鋼號20Q235A1010Q235A石棉橡膠板0Cr18Ni9 注明：由于本次換熱器設計流體介質(zhì)均為干凈無腐蝕的流體，并且操作壓力和操作溫度都是常溫常壓，因此對材料的選

20、用要求不高，故通過查閱相關標準選用最常用，最節(jié)約成本的材料。第四章 強度計算4.1 筒體計算4.1.1 厚度計算 由于本次設計空氣走殼程，空氣入口溫度為30，出口溫度為40，則設計溫度取最高溫度40。設計壓力為常壓為Pc=0.1013Mpa，選用材料為Q245R鋼板卷制。材料在40時的許用應力為。焊接接頭系數(shù)根據(jù)GB150-2011和GB151-1999規(guī)定取雙面焊局部檢測0.85，殼體內(nèi)徑Di=800mm。計算厚度 （4-1） 介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣和水的碳素鋼或低合金鋼制換熱器腐蝕裕量不低于1mm，查腐蝕數(shù)據(jù)與材料選擇手冊得年腐蝕量為0.1mm，使用年限為15年，故腐蝕裕量為C2=150.

21、1=1.5mm，故設計厚mm （4-2）根據(jù)GB/T 709-2006中的B類要求，Q245R等鋼板的負偏差均為 ： C1=-0.30mm，故名義厚度 （4-3） 根據(jù) GB151 中 5.3.2 的規(guī)定，碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度符合下表4-1要求。U型管式換熱器筒體最小壁厚為 10mm，其中包含 1mm 的厚度附加量，因此本換熱器筒體的名義厚度圓整后為 =10mm。當厚度為10mm時Q245R鋼板的t無變化，厚度合適。表4-1工稱直徑4007007001000100015001500200020002600浮頭式、U形管式810121416固定管板式68101214注：表中數(shù)據(jù)包括厚度

22、附加量C2（按1mm考慮）4.1.2 校核筒壁壓力 根據(jù)化工容器及設備簡明設計手冊圓筒殼應力校核公式為： （4-4） 其中Pc=0.1013Mpa，Di=800，=-C1-C2=8-1.5+0.3=8.8，帶入數(shù)據(jù)得：=5.48Mpt=147Mpa，滿足要求。4.2 封頭尺寸計算本次封頭采用標準橢圓形封頭其形狀系數(shù)K=1；查化工容器及設備簡明設計手冊（第二版）P324中有以內(nèi)徑為公稱直徑的碳素鋼制封頭在DN為800mm，壁厚為10mm時封頭的直邊為h2=40mm,曲面高度為h1=200mm質(zhì)量為63.6kg。采用Q245R鋼板沖壓成型。4.2.1 封頭厚度計算 由于本次設計空氣走殼程，空氣入口

23、溫度為30，出口溫度為40，則設計溫度取最高溫度40。設計壓力為常壓為Pc=0.1013Mpa，選用材料為Q245R鋼板沖壓制成。材料在40時的許用應力為。焊接接頭系數(shù)根據(jù)GB150-2011和GB151-1999規(guī)定取雙面焊局部檢測0.85，殼體內(nèi)徑Di=800mm。封頭形狀系數(shù)K=1。計算厚度 （4-5） 介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣和水的碳素鋼或低合金鋼制換熱器腐蝕裕量不低于1mm，查腐蝕數(shù)據(jù)與材料選擇手冊得年腐蝕量為0.1mm，使用年限為15年，故腐蝕裕量為C2=150.1=1.5mm，故設計厚mm。根據(jù)GB/T 709-2006中的B類要求，Q245R等鋼板的負偏差均為C1=-0.30mm

24、，故名義厚度。 由于換熱器筒體的壁厚為10mm，封頭厚度應與筒體厚度一致，故圓整后封頭名義厚度為=10mm。當厚度為10mm時Q245R鋼板的t無變化，厚度合適。4.2.2 校核封頭應力根據(jù)公式： （4-6）必須滿足。其中Pc=0.1013Mpa，Di=800，=-C1-C2=8-1.5+0.3=8.8，帶入數(shù)據(jù)得： （4-7） 滿足許用要求。4.3管箱短節(jié)計算4.3.1 管箱短節(jié)圓筒厚度的計算 管程最高操作溫度100,故取設計溫度100，管程操作壓力，選用Q245R鋼板,負偏差為-0.3mm材料許用應力,取焊縫系數(shù),腐蝕余量。 計算厚度 （4-8） 設計厚度 （4-9） 名義厚度 （4-10

25、） 綜合考慮結(jié)構(gòu),補強,焊接的需要,由GB151-1999表8有 有效厚度 則短節(jié)圓筒名義厚度 4.3.2 壓力及應力計算 根據(jù)化工容器及設備簡明設計手冊圓筒殼應力校核公式為： （4-11） 其中Pc=0.1013Mpa，Di=800，=-C1-C2=8-1.5+0.3=8.8，帶入數(shù)據(jù)得：=5.48Mpt=147Mpa，滿足要求。4.3.3 管箱短節(jié)長度計算 管箱最小長度計算；按流通面積計算： （4-12） mm 封頭曲面高度 200mm； 封頭直角邊高度40 mm； 換熱管數(shù) 226根； 換熱管內(nèi)徑 20mm； 封頭厚度10 mm ； 在殼體設計時，已知管箱和殼體在DN800時，圓筒最小厚

26、度要取10mm，根據(jù)GB150規(guī)定，短節(jié)長度L300,考慮到管程開孔直徑 ，計算所得最小長度為335mm，故取管箱短節(jié)的尺寸為。4.4 管板設計及校核管板與法蘭采用a型連接，換熱管與管板采用強度焊接連接。管板材料為Q245R,設計溫度下管板彈性模量，設計溫度下許用應力為，考慮到管板與分程隔板的連接，殼、管程側(cè)開槽深度為。腐蝕余量 。4.4.1 布管面積 布管區(qū)域內(nèi)，未能被支撐的面積 （4-13） 管板布管區(qū)面積 （4-14） 管板開孔后面積 （4-15） 4.4.2 管板布管區(qū)的當量直徑 （4-16） 管板參數(shù)：根據(jù)JB/T4700-4703，殼體內(nèi)徑為800mm時，管板與管箱、殼體連接采用a

27、型，此時管板外徑為840mm，墊片壓緊作用中心圓直徑DG=820mm。鋼板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)。 系數(shù)： 查詢GB151-1999表19，得 在a型連接中，由GB150-2011表7-1，壓緊面形狀選擇為1a,墊片外徑為840mm，內(nèi)徑為800mm。墊片基本密封寬度： （4-17）墊片有效密封寬度： （4-18）4.4.3管板計算厚度 由管板厚度計算公式： （4-19） 式中， 管板強度削弱系數(shù)，0.4設計溫度下管板材料的許用應力，147 Pd為0.1013Mpa 管板計算厚度為： （4-20）4.4.4 管板名義厚度 根據(jù)GB151-1999 管板的名義厚度不小于下列三者之和： （1）管板的計算

28、厚度或最小厚度，取大者； （2）殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開槽深度，取大者； （3）管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，取大者；所以，管板名義厚度應不小于下列三部分之和即： （4-21） 考慮到拉桿固定，取管板名義厚度4.4.5 換熱管軸向應力計算及校核換熱管材料為20（GB9948），其設計溫度下材料許用應力，許用拉脫力 。一根換熱管管壁金屬的橫截面積 （4-22） 換熱管軸向應力校核： （4-23）分別以三種不同工況進行計算： 只有殼程設計壓力，管程設計壓力為0； 只有管程設計壓力，殼程設計壓力為0； 殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用； 以上三種工況下計算值的絕對值均小于換熱管設計溫度下的許用應力：

29、。換熱管與管板連接拉脫力： （4-24） 其中取以上計算中三種工況的絕對值最大者，查GB151-1999表33有： （4-25）取換熱管最小伸出長度，最小坡口深度，則有 由此得：1 500 mm時，開孔最大直徑Di/3，且1 000 mm； 3)凸形封頭或球殼開孔的最大允許直徑Di/2；錐形封頭開孔的最大直徑Di/3，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。 注:開孔最大直徑對橢圓形或長圓形開孔指長軸尺寸。 由以上規(guī)定可知，本次接管外徑為均大于不另行補強的最大接管外徑，故開孔需另行考慮其補強。其中10號鋼管許用應力，取腐蝕裕度C=150.1=1.5mm。4.5.2 殼程接管開孔補強 開孔直徑：，滿足等面

30、積法開孔補強計算使用條件。 開孔材料強度削弱系數(shù)fr： （4-26） 接管計算厚度： （4-27） 接管有效厚度： （4-28） 開孔所需補強面積： （4-28） 有效補強范圍： 有效寬度：； 有效高度：外側(cè)有效高度； 內(nèi)側(cè)有效高度。 殼體多余金屬面積： （4-29） 接管多余金屬面積： （4-30） 接管區(qū)焊縫面積： 綜上，有效補強面積為：，由于，所以本次開孔滿足補強要求，不需要另行補強。4.5.3 管程開孔補強 開孔直徑：，滿足等面積法開孔補強計算使用條件。 開孔材料強度削弱系數(shù)fr： （4-31） 接管計算厚度： （4-32） 接管有效厚度： （4-33） 開孔所需補強面積： （4-34

31、） 有效補強范圍： 有效寬度：； 有效高度：外側(cè)有效高度； 內(nèi)側(cè)有效高度。 殼體多余金屬面積： （4-35） 接管多余金屬面積： （4-36） 接管區(qū)焊縫面積： 綜上，有效補強面積為：，由于，所以本次開孔滿足補強要求，不需要另行補強。結(jié)論是采用10號無縫鋼管滿足補強要求，不需要另行補強。第五章 結(jié)構(gòu)設計5.1 設備外部結(jié)構(gòu)5.1.1 殼體結(jié)構(gòu) 筒體按結(jié)構(gòu)可分為單層式和組合式兩大類： （1）單層式筒體 單層筒體按制造方式又可分為單層卷焊式、整體鍛造式、鍛焊式等幾種。其中單層卷焊是目前用得最多的一種筒體形式，它的主要優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。 （2）整體鍛焊式筒體的材料金相組織緊密，強度高，因而

32、質(zhì)量較好，特別適合于焊接性能較差的高強度鋼所制造的超高壓容器。 (3)組合式筒體又包含多層包扎式、熱套式、繞板式、整體多層包扎式和繞帶式。 (4)多層包扎式是目前世界上使用最為廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式圓筒結(jié)構(gòu)，制造工藝簡單，可靠性強。但是，制造工序多，周期長，效率低，鋼板材料利用率低的缺點。 (5)熱套式圓筒除了具有多層包扎式的優(yōu)點外還具有工序少和周期短等優(yōu)點，但需要有較準確的過盈量，對卷筒的精度要求很高，且套合時需選配套合。 (6)繞板式和整體多層包扎式具有的特點與多層包扎式和熱套式類似。綜上所述：本次筒體結(jié)構(gòu)形式采用單層卷焊式。5.1.2 封頭結(jié)構(gòu) 根據(jù)幾何形狀的不同，封頭可分

33、為球形、橢圓形、碟形、球冠行、錐殼、變徑段、緊口和平蓋等幾種，其中球形、橢圓形、碟形和球冠形封頭又統(tǒng)稱為突形封頭。受內(nèi)壓的半球形封頭 在均勻內(nèi)壓作用下,薄壁球形容器的薄膜應力為相同直徑圓筒的一半，故從受力分析上看，球形封頭是理想的結(jié)構(gòu)形式。但是缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。半球形封頭常用在高壓容器上。橢圓形封頭 是由半個橢球面和短圓筒組成。由于封頭廢熱橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢球形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。碟形封頭 是一個不連續(xù)曲面，在經(jīng)線曲率半徑突變的兩個曲面連接

34、處，由于曲率的較大變化而存在著較大邊緣彎曲應力。該邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其他部位，故受力狀況不佳。球冠形封頭 碟形封頭當r=0時，即成為球冠形封頭，它是部分球面與圓筒直接連接，因而結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，也可用作端蓋。錐殼 由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，錐殼的應力分布并不理想，但其特殊的結(jié)構(gòu)形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液體的排放，可作為不同直徑圓筒的中間過渡段，在中、低壓容器中使用較為普遍。綜上所述：本次封頭采用標準橢圓形封頭其形狀系數(shù)K=1；查化工容器及設備簡明設計手冊（第二版）P324中有以內(nèi)徑為公稱直徑的碳素鋼制封頭在DN為800mm，壁厚

35、為10mm時封頭的直邊為40mm,質(zhì)量為63.6kg。5.1.3 管箱結(jié)構(gòu) 管箱位于管殼式換熱器的兩端，管箱的作用是把從管道輸送來的流體均勻的分布到各換熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起改變流體流向的作用。 管箱的結(jié)構(gòu)形式主要是根據(jù)換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素來確定的，本次設計的換熱器中，兩流體分別為空氣和水蒸氣，從介質(zhì)來講屬于比較清潔的介質(zhì)，對于管子的清洗要求不是很高，從各方面的條件考慮選用封頭管箱結(jié)構(gòu)，管箱封頭也采用標準橢圓形封頭。5.1.4 接管設計 接管設計一般由以下幾個要求： （1）接管宜與殼體內(nèi)表面平齊； （2）接管應盡量沿換熱器的徑向或

36、軸向設置； （3）設計溫度高于或等于300時，應采用對焊法蘭； （4）對于不能利用接管進行放氣和排液的換熱器，應在管程和殼程的最高點設置排氣口，或在最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm。 由于殼體內(nèi)空氣可由接管排出，故不設置排氣孔；接管與法蘭采用板式平焊法蘭。根據(jù)化工容器及設備設計手冊（第二版）表23-5-1規(guī)定，當接管公稱直徑70mm-500時mm，接管外伸長度為150mm。5.1.5 法蘭選用（1）法蘭形式選擇 法蘭類型包括：板式平焊法蘭、帶頸平焊法蘭、帶頸對焊法蘭、整體法蘭、承插焊法蘭、螺紋法蘭、對焊環(huán)松套法蘭、平焊環(huán)松套法蘭、法蘭蓋和襯里法蘭蓋。由于本次設計溫度為常壓，對法蘭要求

37、不是很高，且為了方便鑄造，降低成本，故采用接管法蘭采用板式平焊法蘭；設備法蘭選用甲型平焊法蘭。根據(jù)JB/T4700-2000表6規(guī)定，綜合考慮后材料選用Q235A板材。（2）接管法蘭尺寸查HG20592-2009法蘭標準表8.2規(guī)定：PN0.6Mp，鋼管外徑A1=377mm時，法蘭外徑D=490mm，螺栓孔中心圓直徑K=445mm，螺栓孔直徑L=22mm，螺栓孔數(shù)量n=12個，螺紋M20，法蘭厚度C=26mm，密封面d=415mm,f1=4mm，f2=5.5,法蘭內(nèi)徑B1=381mm，法蘭理論重量11.9kg。 PN0.6Mp，鋼管外徑A1=159mm時，法蘭外徑D=265mm，螺栓孔中心圓直

38、徑K=225mm，螺栓孔直徑L=18mm，螺栓孔數(shù)量n=8個，螺紋M16，法蘭厚度C=20mm，密封面d=202mm,f1=3mm,f2=5,法蘭內(nèi)徑B1=161mm，法蘭理論重量5.14kg。 具體尺寸位置如下圖5-1： 圖 5-1（3）殼體法蘭尺寸 查JB/T47004703-200壓力容器法蘭標準表一規(guī)定： PN=0.25Mp,DN=800時，D=915,D1=880,D2=850,D3=840,D4=837,厚度=36mm,螺栓孔直徑d=18mm，螺栓孔數(shù)量n=32個，螺紋M16。 螺栓孔位分布如下圖5-2： 圖 5-25.1.6 支座結(jié)構(gòu) 采用換熱器常用支座-鞍式支座，查化工容器及設

39、備設計簡明手冊（第二版）表22-1規(guī)定，符合殼體公稱直徑800mm的鞍式支座為：重型、B1型，120度包角，焊制，雙筋，帶墊板；支座具體尺寸見下表5-1。工稱直徑DN允許載荷鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距l(xiāng)2鞍座質(zhì)量l1b1l3b3弧長b4e帶墊板不帶墊板700170200640150108350120883020063646028218002207201040010940530352790022581045010605904030表5-1 鞍座材料一般為Q235-A.F，如需更換其他材料則選擇與殼體材料相同。鞍座置應盡可能靠近封頭，即A應小于或等于D0/4，且不宜大于0.2L，當需要時最

40、大不得大于0.25L。考慮到管箱長度，本次鞍座位置A取872mm60012001200810146810(2) 分程隔板板槽板槽設計應符合以下規(guī)定： 1）槽深不宜小于4mm；2)寬度為：碳鋼12mm；3)板槽拐角處的倒角一般為45度，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R，如下圖5-6：圖5-65.2.4 防沖擋板 根據(jù)GB151規(guī)定： 當管程采用軸向入口接管或介質(zhì)流速超過3m/s時應設置防蟲沖擋板，本次管程流速為2m/s，故可以不設置防沖擋板。 當殼程進口管非腐蝕單相流體的時應在殼程進口處設置防沖擋板，本次殼程為空氣，故不需要設置防沖擋板。5.2.5 管板設計管板與殼體、管箱的連接方式 采用

41、a型連接（管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接），如下圖5-7：圖5-75.2.6 U型換熱管 （1）U型換熱管規(guī)格 管子材料選擇20號無縫碳鋼管，級管束，根據(jù)GB151表11可得： U形管彎管段的彎曲半徑R應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑取=50mm，如下圖5-8。 圖5-8 （2）U型管彎曲段彎曲前最小壁厚 最小壁厚按下式計算： （5-2） 其中，d = 25mm，R = = 50mm， = 2.5mm，帶入上式得： ，圓整取為3.0mm。 符號規(guī)定： d - 換熱管外徑，mm； - 換熱管厚度，mm； R - 彎管段彎曲半徑，mm； - 彎曲前換熱管的最小壁厚，mm；

42、- 直管段的計算厚度，mm； （3）管子的排列型式換熱管的排列主要有以下圖5-9四種方式：圖5-9正三角形排列用得最普遍，因為管子間距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標準規(guī)定，殼程需用機械清洗時，不得采用三角形排列型式。在殼程需要機械清洗時，一般采用正方形排列，管間通道沿整個管束應該是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道。圖中a和d兩種排列方式，在折流板間距相同的情況下，其流通截面要比b、c兩種的小，有利于提高流速，故更合理些。本次設計殼程為空氣，不易結(jié)垢，故采用正三角形排列。（4）換熱管中心距換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，根據(jù)GB151-1999表12，取換熱管中心距為S = 32mm，取分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 = 44mm。（5）布管限定圓 根據(jù)GB151規(guī)定，各尺寸由以下確定：符號：b -