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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
題 目
乙烯冷卻設(shè)備設(shè)計(jì)
院 系
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)年級(jí)
學(xué) 號(hào)
學(xué)生姓名
題 目
來(lái) 源
科研課題（ ）
題 目
類 型
設(shè) 計(jì)
工程實(shí)際（ ）
請(qǐng)直接在所屬項(xiàng)目括號(hào)內(nèi)打“√”（單選）
實(shí)驗(yàn)研究（ ）
教師自擬（ ）
軟件開發(fā)（ ）
論 文
理論研究（ ）
設(shè)計(jì)（論文）選題目的及工作任務(wù)
一、選題目的
通過(guò)對(duì)冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)，有助于學(xué)生掌握一般的化工設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和查閱文獻(xiàn)的能力。
2、 工作任務(wù)
設(shè)置一固定管板式換熱器，已知條件如下
已知條件
殼程
管程
工作壓力
4
0.45
工作溫度（進(jìn)口）
92
30
工作溫度（出口）
35
35
操作介質(zhì)
乙烯
冷卻水
換熱面積
400m2
要求收集和學(xué)習(xí)資料（含指定參考資料)
[1]秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書.換熱器設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
[2]錢頌文. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002
[3]余建祖. 換熱器原理與設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006
[4]錢頌文. 管式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2003
[5] 劉巍等著.冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè).北京：中國(guó)石化出版社，2003
[6] 其它資料及網(wǎng)上資源
設(shè)計(jì)(論文)的進(jìn)程安排
序 號(hào)
設(shè)計(jì)(論文)各階段內(nèi)容
起止日期
1
查閱相關(guān)資料，確定設(shè)計(jì)方案和論文結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)備開題答辯
3.10~3.17
2
進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.18～4.18
3
進(jìn)行計(jì)算機(jī)繪圖
4.19～5.29
4
書寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，打印論文、圖紙
5.30～6.10
5
準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯
6.10~6.14
6
英文資料翻譯同時(shí)進(jìn)行，抽空完成
設(shè)計(jì)(論文)的預(yù)期結(jié)果
1、要求翻譯2萬(wàn)印刷字符(或譯出5000漢字)以上的有關(guān)技術(shù)資料或?qū)I(yè)文獻(xiàn)，內(nèi)容要盡量結(jié)合課題(譯文連同原文單獨(dú)裝訂成冊(cè))；
2、1.5萬(wàn)以上的說(shuō)明書和折合2.5張0號(hào)圖紙工作量；
下達(dá)任務(wù)日期：2014年X月X日
要求完成日期： 2014年 6月 15日
指導(dǎo)教師（簽名）：
教研室主任（簽名）：
院系負(fù)責(zé)人審定（簽名）： 侯勇俊
備 注：
此任務(wù)書一式兩份，于畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始前一周下達(dá):一份發(fā)給學(xué)生，一份指導(dǎo)教師保存，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)束時(shí)交教研室備案。
3
西南石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
固定管板式換熱器是管殼式換熱器的一種典型結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種換熱器。這類換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、可靠性高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn),并且生產(chǎn)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(duì)優(yōu)勢(shì)。
本次設(shè)計(jì)的題目是乙二醇塔底進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)，課題預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)為：
換熱器面積的計(jì)算（實(shí)際換熱面積：92.6mm2），管程殼程壓力降的計(jì)算（小于等于0.4MPa），工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算：管程數(shù)（1管程），換熱管的確定（內(nèi)徑：19mm 數(shù)量：500根），殼體內(nèi)徑（600mm），殼程數(shù)（1殼程）的計(jì)算，折流板的選型（形式：弓形折流板，數(shù)量：13）等。
換熱器的強(qiáng)度計(jì)算：對(duì)筒體、管箱厚度的計(jì)算和校核，對(duì)殼體及管箱各處開孔補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)延長(zhǎng)部分兼做法蘭的計(jì)算及強(qiáng)度核算。經(jīng)水壓試驗(yàn)、壓力校核后顯示結(jié)果全部合格。
換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：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(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
關(guān)鍵詞：換熱器；工藝；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度
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
I
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(shì) 1
第2章 固定管板式換熱器的工藝計(jì)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(shù)據(jù) 3
2.1.4 估算傳熱面積 4
2.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 5
2.2.1 管徑和管內(nèi)流速 5
2.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 5
2.2.4 傳熱管排列和分程方法 7
2.2.5 殼體內(nèi)徑 8
2.2.6 折流板 8
2.2.7其他附件 9
2.2.8 接管 9
2.3 換熱器核算 10
2.3.1 熱流量核算 10
2.3.2 壁溫核算 13
2.3.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 15
2.4 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 17
第3章 強(qiáng)度計(jì)算 19
3.1 筒體壁厚計(jì)算 19
3.2 管箱短節(jié)、封頭厚度的計(jì)算 20
3.2.1 管箱短節(jié)厚度的計(jì)算 20
3.2.2 封頭厚度的計(jì)算 20
3.3 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 21
3.4殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 22
3.5 管板設(shè)計(jì)及校核 23
3.5.1 管板計(jì)算的有關(guān)參數(shù)的確定 23
3.5.2 計(jì)算法蘭力矩 27
3.5.3管板的計(jì)算的相關(guān)參數(shù) 27
3.5.4 確定和 29
3.5.5 對(duì)于其延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板計(jì)算 29
3.5.6 設(shè)計(jì)條件不同的組合工況 30
第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jié)論 40
參 考 文 獻(xiàn) 41
致 謝 43
18
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(shè)備，又稱熱交換器。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)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(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門[1]。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一[2]。換熱器在節(jié)能技術(shù)改革中具有的作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在生產(chǎn)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(lái)回收工業(yè)余熱，可以顯著提高設(shè)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[4~5]。
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(yīng)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(kuò)展表面換熱器等。這其中又以管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛，它通過(guò)換熱管的管壁進(jìn)行傳熱。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、制造簡(jiǎn)便、使用材料范圍廣、可靠程度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)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(jù)其結(jié)構(gòu)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[6~8]。
1.3 換熱器的發(fā)展趨勢(shì)
二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)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[9~12]。接著英國(guó)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)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(shù)和尖端科學(xué)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(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)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(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器[14]。
當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢(shì)是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造成本的標(biāo)準(zhǔn)系列化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化發(fā)展，并CDF（Comptational Fluid Dynamics）模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成一個(gè)高技術(shù)體系[15~16]。
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(guó)杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司（杭氧）在引進(jìn)美國(guó)S-W公司技術(shù)和關(guān)鍵加工設(shè)備——大型真空釬焊爐基礎(chǔ)上，生產(chǎn)制造出的乙烯冷箱，設(shè)計(jì)水平和制造能力已基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在燕山，揚(yáng)子，上海，天津，廣州及齊魯?shù)纫蚁└脑祉?xiàng)目中得到應(yīng)用。板翅式換熱器流道多達(dá)15股，單體外形尺寸達(dá)6m×1.1×1.154m,最高設(shè)計(jì)壓力達(dá)5.12Mpa。 管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大和使用范圍廣等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用。尤其在高溫高壓和大型化的場(chǎng)合下，以及制造工藝上的進(jìn)一步自動(dòng)化和機(jī)械化，管殼式換熱器今后將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展[17]。
第2章 固定管板式換熱器的工藝計(jì)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(jìn)口溫度170℃，出口溫度140℃；冷流體進(jìn)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(lái)看，應(yīng)使溫度低的走管程，溫度高的走殼程。
2.1.3 確定物性數(shù)據(jù)
定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。
故殼程流體的定性溫度為：
管程流體的定性溫度為：
根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。
在155℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：
密度 =1.38kg/
定壓比熱容 =1.038kJ/kg·℃
熱導(dǎo)率 =0.0545W/m·℃
粘度 =2.3×Pa·s
N2在80℃下的物性數(shù)據(jù)：
密度 =1.14kg/
定壓比熱容 =1.038kJ/kg·℃
熱導(dǎo)率 =0.051W/m·℃
粘度 =2.1×Pa·s
2.1.4 估算傳熱面積
1.熱流量：
（2-1）
2.平均傳熱溫差:
（2-2）
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(shè)K=20W/（㎡.K）則估算的面積為：
（2-3）
2.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸
2.2.1 管徑和管內(nèi)流速
換熱管的規(guī)格包括管徑和管長(zhǎng)，換熱管直徑越小，換熱器單位體積的換熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體管徑可取小些，但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞。
本設(shè)計(jì)選用Φ25×2較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速=10.8m/s
2.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)
根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)[19]：
（2-4）
按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：
（2-5）
按單程管設(shè)計(jì)傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。
我國(guó)生產(chǎn)的鋼管系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5m,2m,3m,4.5m,6m和9m,根據(jù)選定的管徑和流速，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)。
則該換熱器的管程數(shù)為：
（2-6）
傳熱管總根數(shù)：
平均溫差校正系數(shù)：
按單殼程，兩管程結(jié)構(gòu)，查得：
平均傳熱溫差：
（℃） （2-7）
由于平均溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。
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(zhuǎn)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(dòng)程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。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(duì)易結(jié)垢流體更為適用。若將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝，可在一定程度上提高對(duì)流傳熱系數(shù)[12]。
圖2-1 換熱管排列方式
綜合本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)考慮采用正三角形排列方法。
取管心距 （焊接時(shí)），則 （2-8）
隔板中心到力氣最近一排管中心距離：
（2-9）
2.2.5 殼體內(nèi)徑
采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為：
（2-10）
按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取mm。
2.2.6 折流板
安裝折流擋板的目的是為了提高管外對(duì)流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)，本設(shè)計(jì)采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)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(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：
（mm）
故可取h=1665（mm）
取折流板間距，則：
（mm）
故可取B=200（mm）
折流板數(shù)：
（2-11）
2.2.7其他附件
根據(jù)本換熱器殼體的內(nèi)徑，故按標(biāo)準(zhǔn)取拉桿直徑為，拉桿數(shù)量4根。
殼程入口處應(yīng)設(shè)防沖擋板[19]。如下表所得：
表2-1 拉桿直徑表
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(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流速為，則接管內(nèi)徑為:
（2-12）
圓整后可取內(nèi)徑為360mm。
管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速，則接管內(nèi)徑為：
（2-13）
圓整后取管內(nèi)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?shù)[18~19]
用克恩法計(jì)算，
（2-14）
當(dāng)量直徑：
（2-15）
殼程流通截面積：
（2-16）
殼體流體流速及雷諾數(shù)分別為：
（2-17）
（2-18）
普朗特?cái)?shù)：
（2-19）
粘度校正：
則：
(2) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：
（2-20）
管程流體流通截面積：
（2-21）
管程流體流速：
普朗特?cái)?shù)：
（2-22）
（3）污垢熱阻和管壁熱阻
管外側(cè)污垢熱阻：
管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：
碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為
管壁熱阻為：
(4) 傳熱系數(shù)
（2-23）
（5）傳熱面積裕度
計(jì)算的傳熱面積為：
（2-24）
該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：
（2-25）
該換熱器的面積裕度為：
（2-26）
傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。
2.3.2 壁溫核算
由于換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)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(jì)算中應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫[19]。
（2-27）
式中液體的平均溫度和為：
（℃） （2-28）
（℃） （2-29）
傳熱管平均壁溫：
℃
殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即℃。
殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：
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(nèi)流體的流動(dòng)阻力
（1）管程流體阻力
（2-30）
（2-31）
傳熱管對(duì)粗糙度，查圖得流速，
（Pa）
（Pa） （2-32）
(Pa)
管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)[19]。
（2）殼程阻力
（2-33）
.
（2-34）
（2-35）
m/s
(Pa)
流體流過(guò)折流板缺口的阻力：
（2-36）
m, m
（Pa）
總阻力：
（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。
2.4 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果
表2-2 物性參數(shù)表
參數(shù) 管程 殼程
流率/（Kg/h） 148971 347600
進(jìn)/出溫度/℃ 70/90 170/140
壓力/MPa 0.045 0.009
定性溫度/℃ 80 155
密度/（Kg/m） 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(dǎo)率/[W/(m.℃)] 0.051 0.054
普朗特?cái)?shù) 4.42 4
設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)：殼體內(nèi)徑/mm：800 ， 殼程數(shù)：1 ，
管徑/mm：?25×2， 材質(zhì)：碳鋼，
管心距/mm ：25 ， 管數(shù)目/根：449，
折流板數(shù)/個(gè)：2 ， 傳熱面積/㎡：176，
折流板間距/mm ：2000，管程數(shù)：1 。
表2-3 計(jì)算結(jié)果表
主要計(jì)算結(jié)果 管程 殼程
流速/（m/s） 10.8 20
表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(㎡.℃)] 7637 1565
污垢熱阻/（㎡.h.℃/Kcal） 0.0002 0.000176
阻力/MPa 0.0288 0.025
傳熱溫差/K 62.3
面積裕度％ 17.9
浙江大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第3章 強(qiáng)度計(jì)算
3.1 筒體壁厚計(jì)算
由工藝設(shè)計(jì)給定的設(shè)計(jì)溫度155℃，設(shè)計(jì)壓力=1.1=1.1×0.099=0.0099，選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16MnR卷制.材料170℃時(shí)的許用應(yīng)力=170Mpa（假設(shè)厚度為6～16mm時(shí)）[12]取焊縫系數(shù)=0.85,腐蝕裕度C2=2mm.則
計(jì)算厚度 （3-1）
設(shè)計(jì)厚度 （3-2）
對(duì)于16MnR，鋼板負(fù)偏差，因而可取名義厚度。
有效厚度 （3-3）
水壓試驗(yàn)壓力 （3-4）
所選材料的屈服應(yīng)力
水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核
（3-5）
水壓強(qiáng)度滿足要求.
氣密試驗(yàn)壓力
3.2 管箱短節(jié)、封頭厚度的計(jì)算
3.2.1 管箱短節(jié)厚度的計(jì)算
由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)參數(shù)為:設(shè)計(jì)溫度60℃,設(shè)計(jì)壓力=1.1=1.1×0.4=0.44,選用16MnR鋼板,材料許用應(yīng)力=170Mpa,屈服強(qiáng)度,取焊縫系數(shù)[12]
計(jì)算厚度 （3-6）
設(shè)計(jì)厚度 （3-7）
名義厚度 （3-8）
綜合考慮結(jié)構(gòu),補(bǔ)強(qiáng),焊接的需要,取
有效厚度 （3-9）
3.2.2 封頭厚度的計(jì)算
殼體封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭
計(jì)算厚度 （3-10）
名義厚度 （3-11）
為了便于選材殼體封頭厚度取與短節(jié)厚度相同.
有效厚度
壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核
水壓試驗(yàn)壓力 （3-12）
（3-13）
3.3 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核
開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法,由工藝設(shè)計(jì)給定的接管尺寸為考慮實(shí)際情況選20號(hào)熱軋?zhí)妓劁摴? ,腐蝕裕度
（3-14）
接管計(jì)算壁厚 （3-15）
接管有效壁厚 （3-16）
開孔直徑 （3-17）
接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 （3-18）
接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 （3-19）
需要補(bǔ)強(qiáng)面積 （3-20）
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為
（3-21）
（3-22）
（3-23）
該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
3.4殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核
開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)。選取20號(hào)熱軋?zhí)妓劁摴?，鋼管的許用應(yīng)力，
接管計(jì)算壁厚 （3-24）
接管有效壁厚 （3-25）
開孔直徑 （3-26）
接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 （3-27）
接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 （3-28）
需要補(bǔ)強(qiáng)面積 （3-29）
可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為
（3-30）
（3-31）
（3-32）
無(wú)需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
3.5 管板設(shè)計(jì)及校核
3.5.1 管板計(jì)算的有關(guān)參數(shù)的確定
計(jì)算殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積
（3-33）
圓筒殼壁金屬的橫截面積
（3-34）
一根換熱管管壁金屬的橫截面積
（3-35）
（3-36）
兩管板間換熱管有效長(zhǎng)度
(估計(jì)管板厚度為)
（3-37）
管束模數(shù)
根據(jù)查得(換熱管材料為)
（3-38）
管子回轉(zhuǎn)半徑
（3-39）
管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度
由,確定
（3-40）
取 （3-41）
管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力
根據(jù)查得[4]
（3-42）
,由公式得為
（3-43）
管板開孔后面積
（3-44）
管板布管區(qū)面積
（3-45）
管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑
（3-36）
系數(shù)為
（3-37）
殼體不帶波形膨脹節(jié)時(shí),換熱管束與圓筒剛度比
（3-38）
系數(shù)、、
（3-39）
（3-40）
（3-41）
管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比
（3-42）
3.5.2 計(jì)算法蘭力矩
根據(jù),殼程直徑,選用甲型平焊法蘭,直徑螺柱選用,數(shù)量,材料為[20]。
預(yù)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,公稱壓力P=1.0Mpa
墊片型號(hào):1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根據(jù)表查得系數(shù)，比壓力[21]。
3.5.3管板的計(jì)算的相關(guān)參數(shù)
確定
假定管板的計(jì)算厚度，則換熱管的加強(qiáng)系數(shù)為
（3-43）
剛度參數(shù)計(jì)算及某些系數(shù)的確定
確定（根據(jù)）
（3-44）
（3-45）
（3-46）
3.5.4 確定和
由和根據(jù)查得
（3-47）
3.5.5 對(duì)于其延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板計(jì)算
計(jì)算
（3-48）
由和根據(jù)查得
計(jì)算
（3-49）
（3-50）
（3-51）
3.5.6 設(shè)計(jì)條件不同的組合工況
殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合
殼程壓力
管程壓力
不計(jì)膨脹
由和根據(jù)查得
則取與中較大的值
（3-52~55）
（1）管板應(yīng)力
（3-56）
（3-57）
（3-58）
（2）殼體法蘭應(yīng)力
（3-59）
按
（3-60）
（3）管子應(yīng)力
（3-61）
（4）殼程圓筒軸向應(yīng)力
（3-62）
（5）拉脫應(yīng)力
連接形式選用焊接
（3-63）
管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合
殼程壓力
管程壓
不計(jì)膨脹差
（3-64~67）
由和根據(jù)查得
則
（3-68~71）
（1）管板應(yīng)力
（3-72）
（3-73）
（3-74）
（3-75）
（2）殼體法蘭應(yīng)力
（3-76）
按
（3-77）
（3）管子應(yīng)力
（3-78）
（4）殼程圓筒軸向應(yīng)力
（3-79）
（5）拉脫應(yīng)力
連接形式選用焊接
（3-80）
計(jì)算結(jié)果表明進(jìn)行的管板設(shè)計(jì)合格。
第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1折流擋板
安裝折流擋板的目的是為提高管外對(duì)流傳熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。對(duì)常用的圓缺型擋板，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)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(duì)殼程的流動(dòng)亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過(guò)管束，使管外對(duì)流傳熱系數(shù)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(nèi)徑的0.2～1.0倍。我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備常用的法蘭分為設(shè)備法蘭和管法蘭兩類。
設(shè)備法蘭標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭 選用壓力范圍為 0.6～6.4 Mpa
本設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)度和剛度較小，因此只適用于溫度、壓力較低的場(chǎng)合。在現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，甲型平焊法蘭只有四個(gè)壓力等級(jí)（PN0.25、0.6、1.0、1.6MPa），公稱直徑的適用范圍也較?。―N300～2000mm），所用工作溫度范圍為-20～300℃[22]。
4.3 換熱管
換熱管的規(guī)格包括管徑和管長(zhǎng)。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(duì)于潔凈的流體管徑可取小些，但對(duì)于不潔凈或亦結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)該取得大些，以免堵塞。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用Φ25×2和Φ19×2兩種規(guī)格，對(duì)于一般流體是適用的。此外還有Φ38×2.5，Φ57×2.5的無(wú)縫鋼管。本設(shè)計(jì)選用Φ25×2規(guī)格的換熱管。
我國(guó)生產(chǎn)的鋼管系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管長(zhǎng)合理截取。同時(shí)管長(zhǎng)又應(yīng)與殼徑相適應(yīng)，一般管長(zhǎng)與殼徑之比，即L/D為3～4.5。本設(shè)計(jì)選用3m的管長(zhǎng)。
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?shù)大。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(duì)亦結(jié)垢流體更為適用。本設(shè)計(jì)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(shè)備都是通過(guò)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(jié)構(gòu)特征：
1．鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)分輕型（代號(hào)A）和重型（代號(hào)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(jù)安裝形式，鞍式支座分固定式（代號(hào)F）和滑動(dòng)式（代號(hào)S）兩種。
3．鞍式支座適用于臥式容器直徑DN159～426（用無(wú)縫管件筒體）、300～4000（用卷制筒體）的范圍內(nèi)[22]。
本設(shè)計(jì)選用鞍式支座[23]
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(shí)，必須考慮容器的工作條件，如溫度、壓力和介質(zhì)特征；材料的使用性能，如機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷熱加工性能；經(jīng)濟(jì)合理性能，如材料的價(jià)格、制造費(fèi)用和使用壽命。
2.剛制壓力容器用鋼材應(yīng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器》中所列材料選用，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計(jì)壓力不大于35Mpa，對(duì)于超出規(guī)定的，應(yīng)進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)研究以后決定。
3.鋼材的使用溫度不超過(guò)各鋼號(hào)許用應(yīng)力中所對(duì)應(yīng)的上限溫度。但要注意的是，碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃溫度下長(zhǎng)期使用時(shí)，應(yīng)考慮鋼中碳化物的石墨化傾向。奧氏體剛的使用溫度高于525℃時(shí)，鋼中的含碳量不應(yīng)小于0.04％，對(duì)于≤-20℃的低溫容器材料用鋼，還應(yīng)進(jìn)行夏比“V”型缺口沖擊試驗(yàn)。
4.壓力容器非受壓元件用鋼必須有良好的可焊性。
5.在考慮壓力容器受壓元件有足夠強(qiáng)度的情況下，必須考慮他的韌性，以防止外加載荷作用下發(fā)生脆性破壞[22]。
4.6 墊片
設(shè)備墊片標(biāo)準(zhǔn)主要有：
JB4704 非金屬軟墊片
JB4705 纏繞墊片
JB4706 金屬包墊片
一般情況下，非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。法蘭密封面形式為光滑密封面或凹凸密封面。纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。
非金屬軟墊片厚度一般根據(jù)容器直徑選?。喝萜髦睆紻N≤450mm時(shí)，厚度δ=2mm；容器直徑DN〉4500mm時(shí),厚度δ=3mm。金屬平墊片厚度一般為3～6mm。
墊片的選擇要綜合考慮操作介質(zhì)的性質(zhì)、操作壓力、操作溫度以及需要密封的程度；對(duì)墊片本身要考慮墊片性能，壓緊用的次數(shù)。對(duì)高溫高壓的情況一般多采用金屬墊片；中溫中壓可采用金屬和非金屬組合式或非金屬墊片；中低壓情況多采用非金屬墊片；高真空或深冷溫度下以采用金屬墊片為宜。
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求選用石棉橡膠板墊片，確定墊片系數(shù)m=2.5，比壓力y=20MPa，墊片尺寸D=944㎜,d =904㎜[21]。
第5章 結(jié)論
半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，我完成了石腦油冷凝器的工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的計(jì)算，確定了設(shè)備結(jié)構(gòu)，完善了設(shè)計(jì)圖紙。通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我系統(tǒng)全面地了解了化工設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)化工設(shè)備有了更深刻、全面地認(rèn)識(shí)，拓寬了知識(shí)領(lǐng)域，為今后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了換熱面積估算,實(shí)際換熱面積為 92.6 m2,面積裕度為17.9%,工藝結(jié)構(gòu)尺寸的確定，殼體內(nèi)徑為800,換熱管規(guī)格為Φ25×2；流動(dòng)阻力計(jì)算；零部件選型，選用甲型平焊法蘭，墊片選用石棉橡膠板墊片，鞍式支座，折流板選用弓形折流板，螺栓規(guī)格M12×60；設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)計(jì)算及校核后，所得的數(shù)據(jù)均符合要求。 參 考 文 獻(xiàn)
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致 謝
47
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