换热器设计说明书电子版1

太原科技大学

毕 业 设 计（论 文）

设计(论文)题目：合成气、变换气第一热交换器设计

姓 名 高 佩 学院（系）化学与生物工程学院 专 业 过程装备与控制工程 年 级 1021班 指导教师 闫建新

2012年 6 月 1日

太原科技大学毕业设计（论文）任务书

（由指导教师填写发给学生）

学院（直属系）： 化学与生物工程学院 时间： 2012 年 3月 1 日

学 生 姓 名 设计（论文）题目 高佩 指 导 教 师 闫建新 合成气、变换气第一热交换器设计 1.工艺计算； 主要研 究内容 2.机械设计； 3.零部件设计； 4.autocad绘图。 研究方法 调查法、观察法、文献研究法等 主要技术指标(或研究目标) 通过这次毕业论文的设计，进一步加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握；培养设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、外文应用等基本工作实践能力，加深对autocad绘图软件的使用能力。 1天津大学化工原理教研室，《化工原理》上册，天津科技出版社，主要参考文献 1992年 2 国家技术监督局，《钢制管壳式换热器》（GB151-99），1999年 3 国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》（上、下册），化学工业出版社，1987年 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）

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目 录

中文摘要 ................................................................... IV ABSTRACT .................................................................... V 第一章 绪 论 ................................................................ 1 1.1 合成氨的工艺流程 ..................................................... 1 1.2 低温甲醇洗工段工艺流程 ............................................... 2 1.3 第一换热器(3W-505A)的设计说明......................................... 2 第二章 控制方案的确定 ....................................................... 3 2.1 工艺过程及控制参数的选取 ............................................. 3 2.2 控制方案的设计 ....................................................... 3 2.3 各仪表的作用方式 ..................................................... 4 第三章 工艺计算 ............................................................. 5 3.1 原始数据 ............................................................. 5 3.2 类型选择 ............................................................. 5 3.3 流体流径的选择 ....................................................... 6 3.4 工艺参数的计算 ....................................................... 6 3.4.1 确定冷热流体的定性温度 ............................................ 6 3.4.2 定性温度下的物性参数 .............................................. 6 3.4.3 计算热负荷 ........................................................ 7 3.4.4 平均温度差 ........................................................ 8 3.4.5 初选总传热系数 .................................................... 8 3.4.6 初算所需传热面积 .................................................. 8 3.4.7 换热器结构设计 .................................................... 8 3.4.8 核算总传热系数 .................................................... 9 3.5 核算压强降 .......................................................... 11 3.5.1管程压强降 ........................................................ 11 3.5.2壳程压强降 ........................................................ 11 第四章 机械设计 ............................................................ 13 4.1 结构设计 ............................................................ 13 4.1.1设计条件 .......................................................... 13

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4.1.2筒体壁厚 .......................................................... 13 4.1.3管箱设计 .......................................................... 15 4.1.4管箱法兰 .......................................................... 16 4.1.5管箱法兰垫片 ...................................................... 17 4.1.6管箱法兰紧固件 .................................................... 17 4.1.7封头的设计 ........................................................ 19 4.1.8拉杆设计 .......................................................... 20 4.1.9管板设计 .......................................................... 21 4.1.10换热管设计 ....................................................... 22 4.1.11接管设计 ......................................................... 23 4.1.12接管外伸长度 ..................................................... 23 4.1.13防冲挡板 ......................................................... 24 4.1.14折流板 ........................................................... 25 4.1.15吊耳 ............................................................. 26 4.1.16焊接结构设计 ..................................................... 27 4.1.17设备总质量估算 ................................................... 27 4.1.18支座的设计 ....................................................... 29 4.1.19鞍座位置确定 ..................................................... 31 4.1.20开孔补强条件 ..................................................... 32 4.2 强度校核 ............................................................ 32 4.2.1固定管板换热器设计计算 ............................................ 32 4.2.2壳程圆筒计算 ...................................................... 33 4.2.3前端管箱封头计算 .................................................. 35 4.2.4后端管箱封头计算 .................................................. 35 4.2.5管箱法兰计算 ...................................................... 37 4.2.6开孔补强计算 ...................................................... 39 4.2.7延长部分兼作法兰固定式管 .......................................... 40 第五章 技术条件的编制 ...................................................... 48 5.1 技术条件的说明 ....................................................... 48 5.1.1 钢材 ............................................................. 48

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5.1.2 焊接 ............................................................. 48 5.1.3 热处理 ........................................................... 48 5.1.4 无损探伤 ......................................................... 48 5.1.5 质量证明书、标志、油漆、包装、运输 ............................... 48 5.1.6 换热器的尺寸偏差 ................................................. 49 5.2 设备的技术条件 ....................................................... 49 5.2.1 换热器的技术条件 ................................................. 49 5.2.2 折流板或支持板技术条件 ........................................... 49 5.2.3 管板技术要求 ..................................................... 49 5.2.4 法兰技术条件 ..................................................... 50 5.2.5 支座技术条件 ..................................................... 50 参考文献 ................................................................... 51 致谢 ....................................................................... 52 附录 ....................................................................... 53

III

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摘 要

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

本文以固定管板式管式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要以循环水和氯乙烷为介质，按实际设计步骤依次进行工艺计算、结构设计和强度校核，并画出换热器的CAD结构图。主要研究内容如下：

（1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。

（2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对换热器进行设计，具体分为换热器的工艺计算，结构设计和强度校核。

（3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器支座的设计。

（4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。

除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。

本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准，在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出CAD图，对我们了解换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。

关键词： 换热器，工艺计算，机械设计，强度校核

IV

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Abstract

The heat exchanger is the process of heat to the cold fluid, chemical production process of heat exchange and transmission of essential equipment.

Based on the fixed tube plate and tube type heat exchanger as the research object, referring to many domestic and foreign literature on the basis of the heat exchanger, the development, background, classification and application are explored and studied, with gas heat exchanger design process as the main line, structure design as the main body, a comprehensive introduction to heat exchanger the design of the whole process. This paper mainly in the circulating water and chlorine oxide as the dielectric, according to the actual design steps of process calculation, structure design and strength check, and draw the heat exchanger CAD structure. The main research contents are as follows:

(1) heat exchanger development, classification, material and applying heat exchanger were introduced, to understand the basic structure and basic principle.

(2) by referring to the design of the heat exchanger standards derived data, heat exchangers design, divided into specific heat exchanger process calculation, structure design and strength check.

(3) heat exchanger exterior design including its cylinder head design, design, tube box and heat exchanger bearing design.

(4) heat exchanger internal design includes: the heat transfer tube size, fixed tube plate thickness and the baffle dimensions.

Besides mentioned above, the research of heat exchanger content should also include the pressure vessel flange, pipe flanges, opening and reinforcement, took over the parts, and its attachments, each hole stress checking etc.

This article is in pressure vessel design and application of classification method based on the design of heat exchangers, consult the relevant standards, which are studied and analyzed the design data of the heat exchanger, make CAD picture, on our understanding of heat exchanger design process and function will have a more profound understanding of.

Key words: heat exchanger, process design, mechanical design, strength check

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第一章 绪 论

在不同温度的流体之间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

1.1 合成氨的工艺流程

合成氨生产工艺过程示意图：

造气→粗煤气→低温甲醇洗及冷冻系统→液氨洗系统→氨合成→氨库 造气即原煤经处理系统产生煤与空气中分离的氮气在加压气化流中反应。

氨由H和N两种元素组成。合成氨是以H2和N2在一定条件下全盛的。H2是从煤中获得的，而N2是从空气中分离得到的。

原煤经过筛选，粉碎等过程后，在200#工段加压气化系统的燃烧炉内与高温水蒸气反应得到水煤气，反应的一系列方和如下：

燃烧层： C+O2→CO2+Q C+O2→CO+Q CO+O2→CO2+Q 气化层：

C+ H2O→CO2+H2 －Q C+ H2O→CO+ H2－Q C+ H2→CH4+Q CO+ H2O→CO2+ H2+Q

粗煤气继续在200# 经过洗涤降温，分离等程序最后进入300#，粗煤气变换系统的主要成分有CO2、CO、H2、H2S、CH4等。到300#的粗煤气洗涤变换后进入400#，在300#的变换炉内发生的主要反应有：C+ H2O→CO2+ H2 +Q。进入400#变换气冷却系统的变换气主要成分是CO2、H2，还有少量的CO、N2、H2S、CH4等。400#2段的主要作用是冷却变换气，气

1

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体的成分基本没有变化。

CO2、H2S等有害物质和各种杂质的作用会影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损坏等，因此，在合成氨之前必须将这些有害物质和杂质去除。500#低温甲醇洗涤系统和600液氮洗系统是用物理方法吸收，沉淀这些物质。500主要吸收CO2 和H2S，从500流出的净化气还有少量的CO、N2、CH4等。600#主要吸收CO，从1800#、5800#空气分离得到的N2 也进入600#，并和H2混合，得到比例大约为1：3的N2和H2混合气体。此混合气体进入900#氨全盛系统合成，反应方程式如下：

#

#

#

N2+3 H2→2NH3

经氨合成系统合成的氨经处理后进入氨库。

1.2 低温甲醇洗工段工艺流程

冷却工段即为气氨的液化。气氨的液化包括气氨的压缩和冷凝，气氨在常压常温下冷凝温度为—33.35℃。因此，在常压常温下，气氨不能用常温水使其冷却成液氨。氨的冷凝温度随压力的提高而升高，当压力提高1.6MPa时，冷凝温度为40℃，高于一般冷却水温度，因此可以用25～35℃的常温水冷却，使之液化。

工艺流程：气氨冷凝为液氨，是靠冷冻循环来完成的，冷冻循环主要由压缩、冷却、冷凝、节流膨胀、蒸发五个过程组成的。气氨—冰机压缩提压后，进入氨冷却器，冷却后的气氨进入冷凝器，由冷却水把气氨冷凝为液氨，由冷却水将气氨放出的热量带走，冷凝后的液氨通过节流阀由冷凝压力降至蒸发压力。节流膨胀后的氨在氨冷器中蒸发吸收被冷却水的热量，此时液氨又变为气氨送入冰机进口，如此构成一个循环，这个循环周而复始的进行，被冷却物质的温度便于降低达到工艺要求。

1.3 第一换热器(3w-505A)的设计说明

第一换热器的主要作用是实现两种不同温度、不同压力之间的热量交换，从而满足工艺要求。

2

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第二章 控制方案的确定

2.1 工艺过程及控制参数的选取

1．被控变量的选择：本过程主要是冷却变换气，使变换气出口温度达到一定值来达到下道工段的要求。因而选择其出口温度为被控变量。

2．操纵变量：变换气进口流量。被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后 时间越小越好。

3．干扰因素：（1）变换气进口温度,压力及流量的变化； （2）变换气进口温度,压力及流量的变化； （3）周围环境的影响。 最终确定参数如下：

被控变量：变换气出口温度。 给定值：变换气出口给定温度。

测量值：由检测元件测得的变换气的实际出口温度值。 被控对象：变换气出口管。 操纵变量：变换气进口流量。

2.2 控制方案的设计

采用单回路控制系统。

温度给定值 ys偏差eTC控制信号 u调节阀操纵变量 m干扰 f y气体出口管 ymTT热交换器温度简单控制方框图图2.1热交换器温度简单控制方框图

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TCTT水进口管氨冷却器水出口管氨分离器氨压缩机

图2.2氨冷却器温度控制方案流程图

2.3 各仪表的作用方式

对于系统而言，当发生故障时，应保证气氨出口温度不要太高，即在考虑安全及节能方面，应选用气开阀。

各仪表的作用方式为： 1.气开阀：正作用“+”； 2.变送器：正作用“+”；

3.当阀关小时，气氨出口温度升高，“-” “-”=“+”，取反，故调节器为反作用“-”。验证：T ? ?

TT ? ? TC ? ?阀开大? T ?

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第三章 工艺计算

3.1 原始数据

物 料 温度（进口/出口）℃ 操作压力(MPa) 变换气 合成气

体积流量 (m3/h) 1850 12.5/-31 -66/-26 2.6 1.3 气体 管程 体积分数% 40.01 壳程 体积分数% 质量分数% 85.88 质量分数% CO2 H2S 0.12 0.2 CO 1.45 1.98 H2 49.79 4.86 74.95 17.46 CH4 7.03 5.49 N2 0.92 1.26 24.18 82.29 Ar 0.15 0.29

3.2 类型选择

Tm?tm?T1?T22?t1?t22?12.5℃???31?℃2??66℃?(?26℃)2?36.75℃?50℃

因此不需考虑热补偿。

5

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3.3 流体流径的选择

考虑逆流时换热效率高，故选择逆流传热。

壳程：变换气（操作压力：1.3 MPa）

管程：变换气（操作压力：2.6 MPa）

3.4 工艺参数的计算

3.4.1 确定冷热流体的定性温度

工程上对于低黏度流体大多以其平均温度作为定性温度。

Tm?T1?T22t1?t22?12.5℃???31?℃2??9.25℃

tm???66℃?(?26℃)2?-46℃

T1, T2 ?热流体进出口温度, ℃

t1, t2 ?冷流体进出口温度, ℃

3.4.2 定性温度下的物性参数 管程 -9.25℃下的物性参数 成分 密度 kgmCO23比热容 KJKg?C?导热系数 WmC?粘度 mPa?S 1.976 1.539 1.250 0.0899 0.93 1.05 1.1 15.4 2.27 1.2 20.8 0.14 0.14 0.22 0.21 0.34 0.25 0.17 0.013 0.0112 0.0164 0.0076 0.01 0.016 0.02 H2SCOH2 CH4 0.717 1.251 1.782 N2 Ar 成分 壳程 -46℃下的物性参数 6

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密度 H2 N2 比热容 15.5 1.25 导热系数 0.02 0.021 粘度 0.0067 0.0142 0.0850 1.230 物性参数的计算 1管程

密度?=1.976×85.88%+1.539×0.2%+1.250×1.98%+0.0899×4.86%+0.717×5.49%+1.251

×1.26%+1.781×0.29%=1.8kgm3

比热容Cp=0.93×85.88%+1.05×0.2%+1.1×1.98%+15.4×4.86%+2.27×5.49%+1.2×1.26%+20.8×0.29%=1.77KJKg?C?

粘度?=85.88％×0.013+0.2％×0.0112+1.98％×0.0164+4.86％×0.0076+5.49％ ×0.01+1.26％

×0.016+0.29％×0.02=0.0164×10-3Pa?S

导热系数?=85.88％×0.14+0.2％×0.14+1.98％×0.22+4.86％×0.2+5.49％ ×0.34+1.26％

×0.25+0.29％×0.17=0.157WmC?

2壳程

密度?=0.850×17.46%+1.230×82.29%=1.045kgm3

?比热容Cp=15.5×17.46%+1.25×82.29%=3.74KJKg?C

粘度?=0.0067×17.46%+0.0142×82.29%=0.0129×10-3Pa?S 导热系数?=0.02×17.46%+0.021×82.29%=0.0208W3o类别 密度kg/m 比热容kj/kg?C mC?

黏度mPa?s 导热系数W/(m?OC) 管程 1.8 1.77 0.0163 0.0129 壳程 1.045 3.74 0.157 0.0208 3.4.3 计算热负荷

Q?WhCPh(T1?T2)?1850?1.83600?1.77?10?(12.5?31)?71220W3

计算平均温度（采用逆流操作） 管程变换气 12.5℃?-31℃ 壳程合成气 -26℃?-66℃

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?t1=38.5℃ ?t2=35℃

?t2?35?0.9?2 [3，223]

?t138.5?tt1??t2.5?35m??2?382?36.75℃

初步假定换热器为单管程单壳程，即平均温度差取?tm?36.75℃。 3.4.4 平均温度差

?tm?36.75℃ R?T1?T2t?热流体的温降?12.5?312?t1冷流体的升温?26?66?1.08

P?t2?t1?冷流体的升温?26?66T两流体的最初温差92

1?t?112.5?31?0.根据P.R查图4-25（C）得：?=1 ?tm??tm逆???1?36.75?36.75?C.

3.4.5 初选总传热系数

Ko=40Wm2?。C

3.4.6 初算所需传热面积

Q?KoS?tm S?Q71220K0?t?m40?36.75?48m2

3.4.7 换热器结构设计 1.换热管的选取

选定?25mm?2.5mm规格的管子，材料为碳钢。 所以 do= 25mm di=20mm 换热管总长L?S?48?d3.14?25?10?3?611m

0在标准管长系列中选取换热管长度为L=3m。

管心距t=32mm，根据传热面求管根数n 8

[3，223]

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换热管根数n?外加4根拉杆

S?d0L?483.14?0.025?3?204

横过管束中心线的管数nc

管子按正三角形排列时nc=nc?1.1nc?1.1?204?16根 2.壳体内径

Di的确定

b'?(1~1.5)d0 b'?管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，取b'?1.2d0?1.2?25?30mm Di?32?(16?1)?2?25?540mm,按壳体标准系列取为600mm。

Di?t(nc?1)?2b'

3.折流板形式的选择

最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度h约为外壳内径的10%~40%，一般取20%~25 %，过高或过低都不利于传热。本次设计取h=20%Di=20%?600 mm =120 mm。

两相邻挡板的距离B为壳体内径的（0.2~1）倍。系列标准中采用的值为：固定管板式的有150，300和600三种，单位mm。本次设计取B=0.5Di=0.5?600mm=300mm，可 折流板数NB?LB?1?30.3?1?9（块）。

取B为300mm。 [3，277]

3.4.8 核算总传热系数 1.管程对流传热系数?i 管程流速ui?Vi?21850/3600?4din?4?4.94m/s

?0.02?2042管程雷诺数Rei?diui?i?i?0.02?4.94?1.80.0163?103?3?10888

普朗特数Pr??diCp?i?0.8=

1.77?10?0.0163?100.0129?3?2.2365

?i?0.023?RePrn

当液体被加热时n=0.4，当液体被冷却时n=0.3；由于管内流体被冷却故取n=0.4。

?i?0.023?0.01290.02?108880.8?2.23650.3?31W/m2℃

2.壳程对流传热系数?o

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换热管正三角行排列时

4(32t?2?4壳程当量直径de?do)?24?(32?0.032?2?40.025)?0.020mm

25322?do??0.025dot)?0.3?0.6?(1?流体通过管间最大截面积 Ao?BDi(1?流体管间流速u0?diui?iV0A0?1850/36000.039375)?0.039375m2

?13m/s

Re0??i?0.020?13?1.0450.0157?103?3?17305

Pr?Cp?i?=

?de3.74?10?0.0157?100.020810.55?3?2.3

?o?0.36??wRePr3(??w)0.14

??w()0.14，对于气体不论加热还是冷却，可忽略此项不计，取(1)0.14=1.0，则

?0?0.023?0.02080.020?173050.55?2.33?1?6.3W/m℃

23.污垢热阻

两流体介质组分相同，故查表可取

Rsi?Rso?1.7197m?CW2?

4.总传热系数Ko的计算

b×45°LaLLb

25202531?201K02。?16.3d?1.7197?10?4d?1.7197?10?4?

Ko=46Wm?C）

K0K?4640?1.16,在1.15?1.25的范围内,则初选合理。

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3.5 核算压强降

3.5.1管程压强降

??Pi?(?P1??P2)Ft?Ns?Np

?P1,?P2?分别为直管和弯管中因摩擦阻力引起的压强降,Pa；

Ft?Ns?结垢校正系数 ,对?25mm?2.5mm的管子取为1.4； 壳程数

Np?管程数

?P1??Ldi??u22

?di0.120设管壁粗糙度??0.1mm，??0.1mm,?，由??Re关系图查得??0.034

上式适用范围为Re =3?103~3?106。

?P1?0.034?230.02?1.8?4.9421.8?4.942f2?112pa

?P2?3(?u22)?3?()?66pa

??Pi?(?P1??P2)FtNsN?(112?66)?1.4?1?1?249pa

3.5.2壳程压强降

?Po=（?P1?+?P2?）Fs?Ns 流体横过管束的压强降，Pa 流体通过折流缺口的压强降，Pa

?P1???P2??Fs?Ns?壳程压强降的结垢校正系数，无量纲，气体可取1.0 壳程数

?uo22?P1??Ffonc(NB?1)

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2B?uo?P2??NB(3.5?)Di22

F?管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列F=0.5

fo?壳程流体的摩擦系数，当Reo〉500时，fo?5.0Reo?0.228

?0.2280f0?5.0Re?5.0?(17305)?0.228?0.632

?P1?0.5?0.63?16?(9?1)?`1.045?1322?4450

?P?9?(3.5?'22?0.30.6)?1.045?132?1986

?P0?6436

一般来说，气体流经换热器的压强降为1~10kPa，以上计算表面管程和壳程压降都符合要求。

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第四章 机械设计

机械设计包括结构设计和强度计算两部分。参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。

4.1 结构设计

4.1.1设计条件

1．设计压力

设计压力根据最高工作压力确定。设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.05～1.10倍。本设计取1.1倍。

壳程设计压力Pd?1.1Pw?1.1?1.3?1.43Mpa 管程设计压力Pd?1.1Pw?1.1?2.6?2.86Mpa

2. 设计温度

管程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为12.5℃，故取设计温度为30℃。 壳程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为-26℃，故取设计温度为10℃。

3. 计算压力

壳程液柱静压力 ?gh?1.045?9.8?1.5?15pa

显然液柱静压力小于5%Pd，故忽略液柱静压力，即壳程计算压力Pc?Pd?1.43Mpa 同理可得管程计算压力Pc?Pd?2.86Mpa

管程液柱静压力?gh?1.8?9.8?1.5?27pa 则可忽略液柱压力， 计算压力Pc?Pd，Pc?2.86MPa

4.1.2筒体壁厚

1. 筒体选材

由于筒体设计温度为10℃，设计压力为1.43MPa，参考GB150-1998，由钢制压力容器GB150-1998,表4-1，4-2选16MnR， 2. 筒体壁厚的计算

选取壳体材料为Q345R,查GB150得 设计温度下的许用应力[?]t?189MPa 试验温度下的许用应力[?]?189MPa 试验温度下的屈服点?s?345MPa

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钢板负偏差C1?0.3mm 腐蚀裕量C2?1mm

焊接接头系数?：初选1

??PcDi2[?]??Pct

式中?— 计算厚度，mm；

Pc—

计算压力，MPa；

? — 焊接接头系数。

??PcDi2[?]??Pct=

1.3?6002?189?1?1.3?2.07mm

设计厚度?d???C2?2.07?1?圆整?5mm

名义厚度?d???C2?圆整?5?0.3?圆整?8mm 根据GB-1999的5.3.2表8得：?n?10mm

?e??n?C1?C2?10?0.3?1?8.7mm

3. 筒体的强度校核

压力试验类型：液压试验 试验压力值PT?1.25P[?][?]t?1.25?1.3?189189?1.625Mpa

压力试验时允许通过的应力水平[?]T?0.9?s?310.5MPa 试验压力下圆筒的应力

?T?PT(Di??e)2?e??1.625?(600?8.7)2?8.7?1?56.85Mpa

式中?e — 有效厚度， ?e=?n-C， mm；

?n— 名义厚度， mm；

?— 设计温度下圆筒的计算应力， MPa；

t C —厚度附加量， mm。

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校核条件?T?[?]T? 故满足强度要求。 圆筒的最大工作压力[pw]为

[Pw]?2?e[?]?Di??et?2?8.7?189?1600?8.7?5.403Mpa

设计温度下计算应力?t?tPc(Di??e)2?e?1.3?(600?8.7)2?8.7?45.47Mpa

[?]??189?0.85?160.65MPa

校核条件[?]t???t，故合格。 4.1.3管箱设计 1. 管箱选材

选材同设备筒体为Q345R，查GB150可得，在相应设计条件下其[?]、[?]t、?s同设备筒体，C1、C2、?的取值参照设备筒体。 2. 管箱筒体厚度计算 计算厚度??PcDi2[?]??PctPcDi2[?]??Pct

??=

2.86?6002?189?1?2.86?4.57

设计厚度?d???C2?圆整?4.57?1?圆整?6mm 名义厚度?n??d?C1?圆整?6?0.3?圆整?8mm 根据GB-1999的5.3.2表8得：?n?10mm 有效厚度?e??n?C1?C2?10?1?0.3?8.7mm

3. 筒体的强度校核

压力试验类型：液压试验 试验压力值PT?1.25P[?][?]t?1.25?2.86?189189?3.58Mpa

试验压力下圆筒的应力

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?T?PT(Di??e)2?e??3.58?(600?8.7)2?8.7?1?125.24Mpa

校核条件?T?[?]T? 故满足强度要求。 圆筒的最大工作压力[pw]为

[Pw]?2?e[?]?Di??et?2?8.7?189?1600?8.7?5.4Mpa

设计温度下计算应力?t?tPc(Di??e)2?e?2.86?(600?8.7)2?8.7?100Mpa

[?]??189?0.85?160.65MPa

校核条件[?]t???t，故合格。 4.1.4管箱法兰

1. 材料选择 2. 法兰型式及尺寸

管程设计压力为2.86MPa，温度为30℃，选16Mn II。

依据JB/T 4703-2000选取长颈对焊法兰，DN=600，PN=4.0MPa，密封面为凹面，密封面结构形式及法兰些列尺寸如下图标所示 ：

图4.1带颈对焊法兰密封面型式

16

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表4.1带颈对焊法兰

表4.2带颈对焊法兰质量

4.1.5管箱法兰垫片

依据HG/T 20627-2009选择增强性柔性石墨垫,垫片尺寸如下表

公称尺寸 DN 600

表4.3垫片尺寸

垫片内径 NPS 24 D1 垫片外径 D2 垫片厚度 T 3 610 692 4.1.6管箱法兰紧固件

1螺柱

对于PN?4.0MPa的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。依据JB/T4707-2000， 本次选用等长双头螺柱，A型。

图4.2等长双头螺柱结构图

d, mm 16 20 24 27 30 40 50 60 65 70 L0,mm C,mm 36 80 5 2 2.5 17

3 4 4

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r,mm d2,mm L,mmAB 5 16 6 20 6 24 6 27 6 30 36 极限 偏差 公称尺寸 600 ?1.5 单件质量, kg ? 0.625 0.900 1.160 1.422 表4.4等长双头螺柱的型式与尺寸

2螺母

根据《机械设计课程设计手册》第三版，表3—19 螺纹规格D da dw e s c m max 技术条件

max min min max max 六角螺母 薄螺母 材料 钢 M24 25.9 33.3 39.55 36 0.8 21.5 12 公差产品等级 A级用于D≤M16 3弹簧垫圈, 规格为16,材料为65

Mn,表面氧化的标准型弹簧垫圈的标记垫圈GB/T9316 规格(螺纹大径) S(b) 公称 m ≤ H min max M24 6.0 3 12 15 18

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图4.3 可供选择的型式

4.1.7封头的设计

选用标准椭圆形封头，材料为Q345R。

1. 封头的壁厚计算

形状系数K?16[2?(Di2hi)]

2式中hi—曲面高度，hi?计算厚度??KPcDi14Di?150mm，即K?16[2?(6002?150)]?1

22[?]??0.5Pct?1?2.86?6002?189?1?0.5?2.86?4.56

最小成型厚度?min?4.56mm,根据GB/T25198-2010《压力容器封头》可查得相应的名义厚度为?n?10mm

有效厚度?e??min?C?10?1?0.3?8.7mm

2. 封头尺寸

选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下：

JB4746-2002 公称直径DN/mm 600 总深度H/m 175 内表面积A/m 0.4374 2容积V/m3 0.0353 19

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表4.5 EHA椭圆形封头内表面积，容积

封头名义厚度 ?n，mm 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20

10.1 13.5 17.0 20.4 27.5 34.6 41.8 49.2 56.7 64.2 71.9 表4.6 EHA椭圆形封头质量

公称直径 DN 3 mm 600

图4.4EHA椭圆型封头结构

3. 封头的强度校核

对于标准椭圆形封头，K=1.0椭圆形封头的最大工作压力[pw]为

2?e[?]?KDi?0.5?etpw??2?8.7?189?11?600?0.5?8.7?5.44Mpa

4.1.8拉杆设计

1. 拉杆结构形式

换热管外径大于19mm，故选择拉杆定距管结构。

2. 拉杆选材

根据《化工设备设计手册》上卷，P716。单位：mm 拉杆的直径

换热管外径d 拉杆直径dn

20

25?d?27 16 太原科技大学毕业设计（论文）

拉杆数量 公称直径DN，mm 拉杆直径dn ，mm 16 4 ?400~?700 拉杆尺寸

拉杆直径dn 16 拉杆螺纹公称直径dn? 16 La Lb ?60 b 20 2.0 b×45°dnLaLLb 图4.5拉杆结构图

dn‘

拉杆应尽量布置在管束的外边缘，本设计采用四根拉杆。 4.1.9管板设计 1材料选择

选择管板材料为16MnR。 2管板结构

选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法兰与管箱法兰用螺柱连接。管板的尺寸参照与设备法兰相配的凸面法兰的尺寸，管板外径760，厚度36，

具体结构见管板零件图。 3中心距地选取

本次设计换热管采用正三角形排列，其尺寸为?25?2.5mm，因此取换热器中心距为32mm。 4布管限定圆

对固定管板式换热器,布管限定圆的直径DL为

DL?Di?2b3

Di?圆筒内径,mm

21

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b3?固定管板式换热器管束最外层管束外表面至壳体内表面的最短距离,

8mm，do为换热管外径。

b3?0.25do,一般不小于

本次设计取b3=10mm，则DL=600-2×10=580mm。

表4.7 I级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表 5拉杆孔的设计

拉杆孔直径d1?d?1.0?(12?1.0)mm?13mm ,d为拉杆直径。 拉杆与管板采用螺纹连接。螺纹深度l2?1.5dn,dn为拉杆螺纹孔公称直径,mm.

51?2m1m l2?1.5dn?1.? 8

6实际布管

实际布管数为201根，其中换热管197根，拉杆4根。 4.1.10换热管设计

在标准中选取换热管为?25?2.5mm，材料为20，长度为3000mm。 换热管与管板的连接采用强度焊，其尺寸如下：

mm

换热管最小伸出长度 换热管规格 外径×壁厚 l1 l2 最小破口深度l3 ?25?2.5mm 1.5 2.5 2 表4.8换热管与管板的连接采用强度焊

22

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图4.6换热管安装尺寸图

4.1.11接管设计 管程接管设计

接管内径d?4V?u

d?4V?u=4?1850/36003.14?4.94=0.13m

选取标准管子DN=300mm，材料为20。 4.1.12接管外伸长度

1. 各接管尺寸设计

暂定管壳程接管外伸长度均为150mm。

2. 管程接管位置的确定

无补强圈接管

L2?dH2?hf?C,mm，

式中C?4S(管箱壳体厚度)，且C?30mm，取C?60mm

23

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图4.7管程接管位置

则L2?323.92?120?60?341.95mm，取L2?350mm

3. 壳程接管位置的确定

无补强圈接管

L1?dH2?(b?4)?C,mm

式中C?4S(壳体厚度)，且C?30mm，取C?100mm

图4.8壳程接管位置

则L1?60.32?120?100?250.15mm，取L2?300mm

4.1.13防冲挡板

管程流体流体流速大于3ms，应设置防冲挡板，以减少流体的不均匀分布和对换热管管端的冲蚀。

防冲挡板的最小厚度：碳钢为4.5mm； [6，76] 本次设计取其厚度为6mm选择防冲挡板材料为20。 防冲挡板结构及其相关尺寸如下：

24

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H?h2?df4=(1.22?644)mm?16.6mm，本次取为17mm。

df?接管内径，mm

B1=B2 B1?df?50

[10，47]

=（64+50）mm=114mm 初取为120mm。

图4.9防冲挡板结构及其相关尺寸

壳程流速小于3ms，无需设置防冲挡板。 4.1.14折流板

1. 材料

折流板材料选为20。

2. 折流板的设计

折流板型式，其他参数，工艺计算时已给出。

折流板厚度根据GB151 5.9.2.2表34选取，换热器公称直径400~700，换热管无支撑跨距不大于300时，其最小厚度为4mm，本设计中取为8mm。

折流板管孔直径根据GB151 5.9.3.1表35，查得管孔直径=do?4?25?4?29mm。 换热器壳程介质为混合气体，折流板缺口应水平上下布置。

折流板直径根据GB151 5.9.4表41，查得直径=Di?4.5?600?4.5?595.5mm

25

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图4.10折流板

4.1.15吊耳

根据GB151 5.21.1，质量大于30kg的管箱宜设置吊耳。 吊耳结构形式及尺寸如以下图表所示。

图4.11吊耳结构形式

t h R2 d C 单个吊耳允许吊起载荷kg ≤1000 10 35 30 25 80 表4.9吊耳尺寸

26

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4.1.16焊接结构设计

1. 焊接结构

焊接结构按相应标准或见装配图及其零件图。

2. 焊接材料的选择

20R。 本次设计的换热设备所用材料有20、考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器采用电弧焊时所用焊条使用型号如下表：

接头母材 20+20 20+20R 20R+20R 焊条型号 E4303(GB/T5117) E4315(GB/T5117) E4315(GB/T5117) 焊条牌号 J422 J427 J427 焊剂牌号 HJ431 HJ431 HJ431 当采用埋弧焊焊时所焊丝焊剂型号如下表： 接头母材 焊丝型号 20+20 20+20R 20R+20R H08A （GB/T14957） H08A （GB/T14957） H08A （GB/T14957） 表4.10焊接材料选用表

4.1.17设备总质量估算 壳体长度的计算

ls?l?2b?2l1=（3000-2?49.5- 2?1.5+2×3）mm=2904mm 壳体质量的计算

ms=?V=??ls?=7.85?103?3.14?2.904?0.008kg≈1164.22kg

1封头质量的估算

m封?2?27.5kg?55kg

2换热管质量的计算

其相关参数如下表：

换热管长为3米，材料为16，则其质量为mt1= 0.838?3kg=5.028 kg

换热管外径，mm 25 壁厚，mm 2.5 换热管单位长度质量，kgm 碳钢，低合金钢 0.838?10 3高合金钢 0.855?10 327

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表4.11换热管质量参数表

m换热管=204?3 ?0.838?103kg=2248.4kg

3接管质量计算

m接管=（10.36?0.109?2+22.64?0.113?2）kg

?7.376k g4接管法兰质量的计算

m法兰?(23.0?2?3.94?2)kg

?53.8kg8 5管箱法兰质量 m管箱=99.?82kg=199 .6管板质量的估算 左管板质量：

Q??4[(D?d2?n2)?bf?D4?6?D5?4?D3?h?d1?b?n1?d?l?n]?r2222222

右管板质量：Q??4[(D?d2?n2)?bf?D4?6?D5?4?D3?h?d1?b?n1]?r222222d1?换热管孔直径，mm； n1?换热管数； d?拉杆孔直径，mm；

l?拉杆孔深，mm；

n?拉杆数目；

r?材料密度，kgm3

代入已知数据求得： 左管板质量：

Q??4[(D?d2?n2)?bf?D4?6?D5?4?D3?h?d1?b?n1?d?l?n]?r22222222222

? = 4[(760?27?24)?39.5?663?6?600?4?02?9

?19.25?49.5?447?13?24?4]?10

?7.85?10kg28

3

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?202.92kg 右管箱质量：

Q??4[(D?d2?n2)?bf?D4?6?D5?4?D3?h?d1?b?n1]?r2222222222

??4[(760?27?24)?39.5?663?6?600?4?0?2?9

19.25?49.5?447]?10?7.85?10kg3 ?203.01kg 防冲挡板的质量估算

m防??4d?4.5?102?9?7.85?10kg

3=0.399kg

折流板的质量估算

m折?34?(?4?595.5?8?2?4?19.25?8?451)?102?9?7.85?10

3 ≈12.34kg

4.1.18支座的设计

1支座选型

按照JB/T4712—4725—2007 《容器支座》进行设计，由于筒体直径较小，故选择重型支座。其标记为：JB/T 4712.1—2007，支座B1 600—F； JB/T 4712.1—2007，支

座 B1 600—S，包角为120? 。 [12，6-7]

其相关参数见[14，12-13]。 2支座材料

根据[14，22]，选择其材料为Q235-A，垫板材料与筒体一致为20R。 3支座位置的确定

管束长度L〉3000mm，LA?(0.5?0.7)L，本次取LA?0.6L

LB?LB?

[10，173]

参考[10，174]，查得，LA=3600mm，LB?LB?=1200mm。 由于壳程接管外伸长度为200mm，因此加高支座高度到300mm。 4支座质量

29

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m支座=（25+5）kg=30kg

根据JB/T 4712.1-2007和公称直径DN=600mm.查表1选轻型鞍式支座。

型式 轻焊A 型 制

包角 120 垫板 o有 筋板数 4 适用公称直径 400~1000 支座尺寸

图4.12

30

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4.1.19鞍座位置确定

通常取尺寸A不超过0.2L值，A≤0.2L=0.2×3=0.6m

中国现行标准JB4731《钢制压力容器》规定A?0.2L?0.2?L?2h?，A最大不超过0.25L，否则由于容器外伸端的作用使支座截面处的应力过大。 标准椭圆形封头

Di2?H?h??2，有h?H?Di4?175?6004?25mm

故A≤0.2(L+2h)=0.2×(3000+2×25)=610mm

由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，放封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用，若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB/4731规定当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5R (R?Ri??n2?600?102?605mm)

A≤0.5R=0.5×605=302.5mm，取A=303mm

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图4.13

4.1.20开孔补强条件

由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除消弱器壁的强度外，在壳体和接管连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器的设计必须充分考虑开孔的补强问题。 GB150—1998规定：1、设计压力小于或等于2.5MPa；

2、两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔

直径之和的两倍；

3、接管公称外径小于或等于89mm； 4、接管最小壁厚满足下表 接管25 32 38 45 公称外径 最小3.5 4.0 壁厚 注：1、钢材的标准抗拉强度下限值 48 57 65 76 89 5.0 6.0 4.2 强度校核

4.2.1固定管板换热器设计计算

固定管板换热器设计计算 壳 程 设计压力 ps 设计温度 ts 壳程圆筒内径 Di 材料名称

计算单位 设 计 计 算 条 件 管 程 MPa ? 1.43 10 600 16MnR(正设计压力 pt 设计温度 tt 管箱圆筒内径Di 材料名称 32

2.86 30 600 16MnR(正火) MPa ?C C mm mm 太原科技大学毕业设计（论文）

火) 简 图

计 算 内 容

壳程圆筒校核计算 前端管箱封头校核计算 后端管箱封头校核计算 管箱法兰校核计算 开孔补强设计计算 管板校核计算

4.2.2壳程圆筒计算

壳程圆筒计算

计算条件

计算压力 Pc 设计温度 t

内径 Di 材料

试验温度许用应力 ??? 设计温度许用应力 ???t 试验温度下屈服点 ?s 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ?

1.3 10.00

MPa ? C 计算单位

筒体简图

600.00 mm 16MnR(正火) ( 板材 ) 189.00 MPa 189.00 MPa 345.00 0.3 1.00 1.00

MPa mm mm

厚度及重量计算

33

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计算厚度

? =

有效厚度 名义厚度 重量

PcDi2[?]??Pctmm

= 2.07

mm mm Kg

?e =?n - C1- C2= 8.7 ?n = 8.00

压力试验时应力校核

压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过 的应力水平 ???T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件 校核结果

液压试验

[?]MPa

PT = 1.25P [?] = 1.625 (或由用户输入)

t???T? 0.90 ?s = 310.5 MPa

pT.(Di??e)MPa

= 56.85

?T =

2?e.? ?T? ???T 合格

压力及应力计算

t最大允许工作压力

2?e[?]? [Pw]=

设计温度下计算应力

?t =

???t? 校核条件

(Di??e)MPa

= 5.403

MPa

= 45.48

MPa

Pc(Di??e)2?e 189.00 ???t? ≥?t

结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格

34

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4.2.3前端管箱封头计算

前端管箱封头计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面高度 hi 材料 设计温度许用应力 ???t 试验温度许用应力 ??? 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 2.86 30.00 600.00 100.00 MPa ? C mm mm 厚度及重量计算 形状系数 2?Di??1??2????6??2hi????计算单位 椭圆封头简图 16MnR(正火) (板材) 132.40 189.00 0.30 1.00 1.00 MPa MPa mm mm K = 计算厚度 ? = 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 = 1.00 mm = 4.57 mm mm mm KPcDi2[?]??0.5Pct ?e =?n - C1- C2= 6.00 ?min = 3.00 ?n = 8.00 满足最小厚度要求 压 力 计 算 Kg 最大允许工作压力 2[?]??etMPa = 5.4 [Pw]= 结论

合格 KDi?0.5?e4.2.4后端管箱封头计算

35

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后端管箱封头计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 2.86 30.00 MPa ? C 计算单位 椭圆封头简图 内径 Di 曲面高度 hi 材料 设计温度许用应力 ???t 试验温度许用应力 ??? 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 600.00 100.00 mm mm 16MnR(正火) (板材) 132.40 189.00 0.30 1.00 1.00 厚度及重量计算 MPa MPa mm mm 形状系数 K = 计算厚度 ? = 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 2?Di??1??2????6??2hi???? = 1.00 mm = 4.57 mm mm mm KPcDi2[?]??0.5Pct ?e =?n - C1- C2= 6.00 ?min = 3.00 ?n = 8.00 满足最小厚度要求 压 力 计 算

Kg 最大允许工作压力 2[?]??etMPa = 5.3 [Pw]= 结论

合格 KDi?0.5?e36

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4.2.5管箱法兰计算

管箱法兰计算 设 计 条 件 设计压力 p 计算压力 pc 2.86 2.86 MPa MPa 计算单位 简 图 设计温度 t 轴向外载荷 F 外力矩 M 壳 材料名称 体 许用应力 [?] tn30.0 0.0 0.0 16MnR(正火) 132.4 16MnR(正火) 189.0 121.8 35 118.0 102.4 24.0 24.0 24 ? C N N.mm MPa 法 材料名称 许用 [?]f 材料名称 应力 [?]tb 螺栓根径 d 1 数量 n 兰 应力 [?]tf 螺 许用 [?]b 栓 公称直径 d B MPa MPa MPa MPa mm mm 个 Di Db Le 600.0 715.0 22.5 软垫片 Do D外 LA N 1a,1b 760.0 665.0 31.5 25.0 垫 结构尺寸 mm 材料类型 压紧面形状 D内 h m b 615.0 10.0 3.25 8.94 δ0 δ1 16.0 26.0 y(MPa) 38.0 DG 647.1 片 b0≤6.4mm b= b0 b0≤6.4mm DG= ( D外+D内 )/2 37

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b0 > 6.4mm b=2.53b0 b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b 螺 栓 受 力 计 算

预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa Wa= πbDG y = 691014.1 操作状态下需要的最小螺栓载荷Wp 所需螺栓总截面积 Am 实际使用螺栓总截面积 Ab N N mm mm2 2Wp = Fp + F = 641837.0 Am = max (Ap ,Aa ) = 6267.9 Ab = n?42d1 = 10857.3 力 矩 计 算

操 FD = 0.785Di2pc N LD= L A+ 0.5δ1 = 44.5 mm MD= FD LD = 18053674.0 Nmm . = 405700.5 FG = Fp 作 = 169601.7 N N LG= 0.5 ( Db - DG ) = 33.9 = 45.7 mm mm MG= FG LG = 5757110.5 N.mm Nmm ..FT = F-FD Mp = 66209.9 预紧 Ma LT=0.5(LA + ?1 + LG ) MT= FT LT = 3027280.0 外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 26838064.0 Nmm W = 1010391.2 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = 34297612.0 N.mm 计算力矩 Mo= Mp 与Ma[?]ft/[?]f中大者 Mo = 31409392.0 螺 栓 间 距 校 核

实际间距 ??DbL?nN.mm mm = 93.6 mm 最小间距 ?Lmin?56.0 (查GB150-98表9-3) ?Lmax?最大间距 128.0 mm 形 状 常 数 确 定

h0?Di?0?97.98 h/ho = 0.1 T=1.811 K = Do/DI = 1.267 Y =8.349 VI=0.46029 VL=0.00000 松式法兰 d1?UVL2ho?o?1?0? 1.6 由K查表9-5得 整体法兰 松式法兰 查图9-7 由 ?1/?o 得 Z =4.309 U=9.175 e?FIh0?查图9-3和图9-4 FI=0.90379 查图9-5和图9-6 FL=0.00000 f = 2.15945 整体法兰d1?UVI2ho?o0.00922 0.00000 e?FLh0? ???f3d1?0.3 = 499951.9 = 0.0 38

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ψ=δf e+1 ? = ?/T =1.46 =0.81 剪应力校核 预紧状态 ?1?W? ??43??????fe?1?1.61 许 用 值 = 1.06 结 论 校核合格 计 算 值 MPa 20.08 MPa ?DilWp???1?0.8???n 操作状态 ?2??Dil?12.76 输入法兰厚度δ

f

???2?0.8???tn 校核合格 = 50.0 mm时, 法兰应力校核

许 用 值 1.5[?]f =182.7 或 2.5[?]n =331.0( 按整体法兰设tt应力 性质 轴向 应力 ?H?计 算 值 结 论 fMo??21Di?MPa 校核合格 158.26 计的任 意 式法兰, 取1.5[?]n ) t径向 应力 切向 应力 应力 ?R?(1.33?f?e?1)M0??2Dif? 32.00 MPa [?]tf = 121.8 MPa [?]tf = 121.8 = 校核合格 ?T?M0Y?fDi2?Z?R? 校核合格 36.93 H综合 max(0.5(?97.59 法兰校核结果 H??R),0.5(???T)) MPa [?]f=121.8 t校核合格 校核合格 4.2.6开孔补强计算

开孔补强计算 接 管: 159, φ159×6 设 计 条 件 计算压力 pc 设计温度 壳体型式 壳体材料 名称及类型 壳体内直径 Di 壳体开孔处名义厚度δn 壳体厚度负偏差 C1 1.46 10 圆形筒体 16MnR(正火) 板材 1 mm mm mm 39

计算单位 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 MPa ℃ 壳体开孔处焊接接头系数φ 600 8 0.3 太原科技大学毕业设计（论文）

壳体腐蚀裕量 C2 壳体材料许用应力[σ]t 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t 接管材料许用应力[σ]t 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 接管多余金属面积 A2 A1+A2+A3=1021 mm补强圈面积 A4

2

1 189 105 0 1 2 0.75 190 0.758 0 152.5 30.25 185.7 mm MPa mm mm mm mm mm MPa mm mm mm 接管材料 名称及类型 16(GB9948) 管材 补强圈材料名称 补强圈外径 补强圈厚度 0.18 1 305 0 799.4 36 mm mm mm MPa mm mm mm mm2 mm2 mm2 补强圈厚度负偏差 C1r 补强圈许用应力[ζ]t 接管计算厚度δt 接管材料强度削弱系数 fr 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 开 孔 补 强 计 算

开孔削弱所需的补强面积A 115.6 mm2 壳体多余金属面积 A1 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 mm2 A-(A1+A2+A3) ，大于A，不需另加补强。 结论: 补强满足要求,不需另加补强。

4.2.7延长部分兼作法兰固定式管

延长部分兼作法兰固定式管板 设 计 计 算 条 件 设计压力 ps 设计温度 Ts 平均金属温度 ts 装配温度 to 1.46 10 0 5 MPa ?设计单位 简 图 C ??C C 壳 材料名称

16MnR(正火) t 设计温度下许用应力[?]189 Mpa 40

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程 平均金属温度下弹性模量 Es 圆 壳程圆筒内径 Di 壳 程 圆 筒 名义厚 度 ?s 壳 程 圆 筒 有效厚 度 ?se 壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 ? Di2 壳程圆筒金属横截面积 As=??s ( Di+?s ) 8 6 1.916e+05 2.827e+05 1.142e+04 1.43 10 16MnR(正火) 1.92e+05 16 8 1.898e+05 16(GB9948) 0 134 214 1.898e+05 1.93e+05 1.076e-05 25 2.5 204 32 a???t(d??t)1.93e+05 1.076e-05 Mpa mm/mmC ? 600 Mm Mm Mm MPa mm2 mm MPa ?2平均金属温度下热膨胀系数?s 筒 壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef’ 管 设计压力pt 箱 设计温度Tt 圆 材料名称 筒 设计温度下弹性模量 Eh 管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)?h 管箱圆筒有效厚度?he 管箱法兰设计温度下弹性模量 Et” 材料名称 设计温度下管子材料许用应力 [?]tt 设计温度下管子材料屈服应力?st t C MPa mm mm MPa 换 管子平均温度 tt C MPa ?MPa MPa MPa mm/mmC mm mm mm mm2 mm mm MPa mm mm ?热 设计温度下管子材料弹性模量 Et 平均金属温度下管子材料弹性模量 Et 平均金属温度下管子材料热膨胀系数?t 管 管子外径 d 换 一根管子金属横截面积 管子回转半径 换热管长度 L 管子有效长度(两管板内侧间距) L1 管束模数 Kt = Et na/LDi i?0.25d2管子壁厚?t 管子根数 n 换热管中心距 S 106.8 3000 2901 2603 ?(d?2?t)26.052 778.5 132.3 热 管子受压失稳当量长度 lcr 系数Cr =?2Et/?stt 41

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管子稳定许用压应力 (管 管子稳定许用压应力 ( 管 材料名称 设计温度 tp 设计温度下许用应力???r 设计温度下弹性模量 Ep 管板腐蚀裕量 C2 管板输入厚度?n 管板计算厚度 ? 隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad 管板刚度削弱系数 ? 管子加强系数 K2比值 lcr /i lcri100.8 [?]cr? MPa ?Et2(lcri) 22 Cr??) lcri) Cr?[?]cri??1???2?2Cr? lcrt?s?66.24 MPa 16MnR(正火) 30 t121.8 1.898e+05 4 49.5 45.5 0 0.4 0.4 C MPa ?MPa mm mm mm mm2 mm MPa MPa 板 管板强度削弱系数 ? ?1.318Di?Etna/EpL??3.419 K = 焊接 3 67 16MnR 管板和管子连接型式 管板和管子胀接(焊接)高度l 胀接许用拉脱应力 [q] 焊接许用拉脱应力 [q] 管 材料名称 管箱法兰厚度 ?f 法兰外径 D fm\50 760 5.211e+06 pmm mm N?mm 箱 基本法兰力矩 M 法 管程压力操作工况下法兰力M 法兰宽度 bf比值?h/Di 比值?f/Di 系数C(按?h/Di ,?f”/Di , 查<>图25) \\-6.664e+07 N?mm 80 0.01333 0.08333 0.00 0.001041 mm ?(Df?Di)/2 兰 系数?”(按?h/Di ,?”f/Di ,查<>图 26) 42

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Kf\\\2?f12Efbf???[12Di?bf?Di?旋转刚度 壳 体 法兰宽度 法 兰 K'f???E?\]h?? 333.88 MPa 材料名称 壳体法兰厚度?f 法兰外径 Df bf?(Df?Di)/2'16MnR(正火) 49.5 760 80 0.01 0.0825 0.00 0.0005792 MPa mm mm mm 比值 ?s/Di 比值?f/Di 系数C, 按?h/Di ,?f”/Di , 查<>图25 系数?''', 按?h/Di ,?f”/Di , 查<>图26 ''2?f12Efbf???[12Di?bf?Di?旋转刚度 ???E?']s?? 326.19 法兰外径与内径之比 K?DfDi 1.267 N/mm 壳体法兰应力系数Y (按 K 查<>表9-5) 8.349 ~旋转刚度无量纲参数 膨胀节总体轴向刚度 K2f??K f0.007904 0 0.2175 8.047 4Kt?E2(lcri)2 ~管板第一弯矩系数(按K,系 系数 系数(按 ??m1~Kf查<>图 27) m1 KKf~ G2KtKf2.246 Etna查<>图 29) 4.18 3.893 换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 Q?数 换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 Qex?EsAsEtna(EsAs?KexL)EsAsKexL管板第二弯矩系数(按K,Q或Qex查<>图28(a)或(b))m2 43

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