换热器设计-本科毕业论文

1、目 录1概述11.1 换热器的作用和意义11.2 换热器的分类11.3 U形管式换热器的优缺点41.4 国内外现状及发展趋势62 工艺计算82.1 原始设计参数82.2 计算换热量82.2.1 计算有效平均温度82.2.2 计算换热量82.3 计算换热管根数N92.4 选择换热器的基本参数92.4.1 选择换热管的排列形式92.4.2 计算换热管的基本参数102.4.3 计算壳体内径102.4.4 折流板的参数选择113 结构计算133.1 圆筒结构计算133.1.1 计算圆筒直径Di133.1.2 计算圆筒壁厚133.1.3 最小壁厚校核143.1.4 应力校核143.2 封头的选择计算15

2、3.2.1 封头类型选择153.2.2 封头厚度计算153.2.3 最小壁厚校核163.2.4 壁厚强度校核163.3 管箱结构计算173.3.1 计算管箱直径Di173.3.2 计算管箱圆筒壁厚173.4 接管计算173.4.1 确定接管外径和壁厚173.4.2 确定接管长度183.5 开孔补强193.5.1 补强元件类型203.5.2 接管补强计算213.5.3 接管补强计算223.6 支座243.6.1 支座类型选择243.6.2 支座受力理论分析263.6.3 计算换热器质量283.6.4 支座强度校核294 零件设计324.1 法兰324.1.1 法兰类型选择324.1.2 法兰结构

3、尺寸选择324.2 垫片354.2.1 容器法兰垫片354.2.2 物料接管法兰垫片354.2.3 排气、排液法兰垫片354.3 螺栓364.3.1 容器法兰螺栓364.3.2 物料接管法兰螺栓364.3.3 排气、排液法兰螺栓364.4 膨胀节374.5 拉杆374.5.1 拉杆的结构尺寸374.5.2 拉杆与管板连接384.6 折流板38结 论40致 谢41参考文献421概 述1.1 换热器的作用和意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备1。 在换热器中，至少有两种温度不同的流体，

4、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。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。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，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2。换热器的设计制造结构改进以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。1.2 换热器的分类换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器

5、，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：1、换热器按传热原理可分为： (1)间壁式换热器 间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 (2)蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 (3)流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由

6、在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称作蓄冷器，多用于空气分离装置中。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。 (4)混合式换热器 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，冷水塔、气体冷凝器等3。2、换热器按用途分为： (1)冷却器冷却器是把流体冷却到必要的温度，但冷却流体没有发生相的变化。 (2)加热器 加热器是

7、把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 (3)预热器 预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 (4)过热器过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。(5)蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化5。3、换热器按结构分为：(1)固定管板式。固定管板式换热器的典型结构是管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低;壳程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点是当管束与壳体的壁温差或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳程侧介质清洁且不易结垢的场合;管、壳程两侧温

8、差不大或温差较大但壳程侧压力不高的场合。(2)浮头式。浮头式换热器的典型结构是两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆联接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便;但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。它适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。(3) U形管式。U形管式换热器的典型结构是只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳

9、体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。其主要缺点是U形管具有一定的弯曲半径，故管板的利用率较差，管内不易清洗，U形管更换困难。U形管换热器结构比较简单、价格便宜，承受能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合，特别适用于管内清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。(4)填料函式。换热器两管板中一块与法兰通过螺栓固定连接，另一块类似于浮头，与壳体间隙处通过填料密封，可做一定量的移动。此结构的特点是结构比较简单，加工、制造、检修、清洗比较方便，但填料密封处易产生泄漏。填料函式换热器适用于压力和温度都不高、非易燃、难挥发的介质传热。在近代的许多

10、化工过程中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高温高压下进行，有的压力高达250MPx，温度高达7500C，在这样的条件下，尤其还存在腐蚀的情况下，实现换热更困难。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗和金属消耗;另一方面，随着精细化工的迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展的趋势，管壳式结构的换热器能满足这样的要求。1.3 U形管式换热器的优缺点U形管式换热器是管壳式换热器的一种，由管板、壳体、管束等零部件组成，重量较轻。在同一直径情况下换热面积最大，结构简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小6。其优点是:(1)管束可抽出来机械清洗;(2)壳

11、体与管壁不受温差限制;(3)可在高温、高压下工作，一般适用于温度小于等于500 C，压力小于等于10MPa;(4)可用于壳程结垢比较严重的场合;(5)可用于管程易腐蚀场合。任何事物都有两面性，U形管式换热器也有它自身的缺点如管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热等。 U形管式换热器壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板，以增加壳程侧介质流速。为了进一步发扬该换热器的优点以弥补存在的些许缺点，还必须选择冷热流体的流动通道，在U形管式换热器中可根据以下原则选

12、择: (1)因为U形管内清洗不方便，所以不洁净和易结垢的液体宜在壳程; (2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀; (3)压力高的流体宜在管程，以免壳体承受压力; (4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较洁净，一般给热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出; (5)被冷却的流体宜走壳程，以便于散热; (6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，使给热系数大的流体通入壳程，以减少热应力;(7)流量小而粘度大的流体一般通入壳程为宜。1.4 国内外现状及发展趋势换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30 %

13、 ，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70 年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器7。世界爆发能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，

14、对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到了十分重要的位置，换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约占70%，其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热

15、器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，也促进了换热设备结构的紧凑性、产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。近年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热器，为我国的节能事业做出贡献。其次，新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(

16、CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。 并且，产品结构发生变化。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广型产品的开发和生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软件化。随着各类仪器装上CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器设计归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，在经过软件处理变换后用DA输出。 随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展9。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的

17、发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。2 工艺计算2.1 原始设计参数 (1)操作条件 管程：最高工作压力 1.75Mpa，设计压力3.0Mpa 设计温度 200 壳程：最高工作压力 2.73Mpa，设计压力3.0Mpa 设计温度 150 (2)操作介质 管程：煤油 壳程：普通河水 (3)保温材料 岩棉 (4)保温厚度 100 mm 2.2 计算换热量 2.2.1 计算有效平均温度由平均温度计算公式： 代入数据得 （2-1） 2.2.2 计算换热量已知换热面积S =161m2，根据GB151表，

18、查得传热系数K = 400w/m2.，则由换热量计算公式： 代入数据得1.127107 W （2-2）其中：tm：平均温度 K：传热系数 t1：管程设计温度 Q：换热量 t2：壳程设计温度 S：换热面积2.3 计算换热管根数N初选换热管材料为不锈钢，规格为25mm2.5mm6000mm，由换热面积可求得换热管根数： 代入数据得根 （2-3）选取350根。其中拉杆12根（GB151表43和表44得拉杆最少6根，选取12根），实际有效管数338根。2.4 选择换热器的基本参数 2.4.1 选择换热管的排列形式管子在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式。传热管的排列应使其在整个换热器圆

19、截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。一般来说，正三角形排列在一定的管板面积上可配置较多的管子，而且管外表面传热系数较大，但正三角形排列时管外机械清洗较为困难，而且管外流体的流动阻力也较大。正方形排列在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少，但管外易于进行机械清洗，所以当管子外壁需要机械清洗时，常采用这种排列方法。同心圆排列方式优点在于靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热器中可排列的传热管数比三角形排列还多。对于多管程换热器，常采用组合排列法。本设计为U形管式换热器，壳程介质易结垢需要清洗，故采用正方形排列方式。 2.4.2 计算换热管的基本参数

20、换热管选材料为不锈钢的无缝钢管，其中心距t应不小于1.25倍的换热管外径，即，查GB151表12知换热管中心距t取32mm，分程隔板两侧相邻管中心距取=44mm。有了前面得到的传热面积、管根数和管子外径，很容易得到管子的长度，由传热面积计算公式： 得 (2-4)考虑到常用管子的长度有3m、4.5m和6m，根据计算值取管子长度为6m，与先前初选的管子长度相符。 2.4.3 计算壳体内径下面来计算壳体的内径，有了管程的排列方式和管心距的数据，就可以计算 壳体内径。壳体内径应等于或大于管板的直径，所以可通过确定管板的直径来确定壳体内径。在初步设计时可用下式来计算壳体内径：Di=t(nc-1)+2e

21、其中：Di：壳体内径 ：横过管束中心线的管数 t：管心距 e：管束中心线上最外层管中心到壳体内壁的距离要求得壳体内径须先知道和e，其中当管子正三角形排列时，当管子正方形排列时，本设计采用的是正方形排列，故，取整为23根。管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离e=1.5d=1.525=37.5mm，则将数据代入式（2-5）得 Di= t(nc-1)+2e =32（23-1）+237.5=779mm (2-5)换热器筒体内径的常用标准尺寸在400mm以后，以100mm递增，故按壳体内径标准系列尺寸圆整，取壳体内径：Di =800mm。对于卧式设备，长径比（Di）的值一般取为610。此时，该换热器

22、的长径比，符合要求。管程数：1 壳程数：2 2.4.4 折流板的参数选择在管壳式换热器壳层安装折流板，不仅可以提高壳程流速，增加流体湍动，改善壳层侧传热，同时在卧式换热器中还可以起到支撑管束的作用。常见的折流板有弓形和圆环-圆盘形两种，其中弓形折流板又可以分为单弓形、双弓形和三弓形3种，它以结构简单、流动死去少等优点普遍应用于管壳式换热器中。故本设计采用单弓形折流板。由前面确定的换热管的外径和材料，查GB151表42得，换热管最大无支撑跨距为1850mm，已知管程长为6000mm，则需折流板最少个数为60001850=3.24个，为对称布置取折流板个数为4个，则折流板间距为。弓形折流板缺口高度

23、应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近，缺口弦高宜取0.200.45倍的壳体内径，本设计折流板形成采用切除25%的壳体内径，则折流板切除高度为。根据壳体内径，折流板的直径可查GB151表41得，D=Di-4.5=800-4.5=795.5mm。再结合换热管无支撑跨距，折流板的最小厚度查GB151表34取s =12mm。折流板上管孔的直径查GB151表35知。折流板上管孔数 N =35025/4=875个。3 结构计算3.1 圆筒结构计算3.1.1 计算圆筒直径Di圆筒内直径有第二部分工艺计算已经求出，Di=800mm。3.1.2 计算圆筒壁厚根据工艺条件以及一般化工设备的选材和经济性的考虑，

24、确定壳体材料选择碳素钢16MnR。壳程设计温度150，设计压力3.0Mpa，属于内压容器，圆筒设计厚度可按下式计算: (3-1)其中：圆筒的计算厚度，mm ：计算压力，Mpa：焊接接头系数， ：厚度附加量，mmt：设计温度下材料的需用应力，Mpa取为设计压力，设在616mm之间，查（GB150-1998）钢板需用压力表得16MnR在150时的t=170Mpa，=+=0.3+1.5=1.8mm。代入式（3-1）得： 但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3.1（摘自GB151表8）的规定，因此取圆筒壁厚=10mm。则有效厚度。表3.1 圆筒最小壁厚公称直径 mm400700700100010

25、0015001500200020002600浮头式，U形管式mm810121416固定式管板mm681012243.1.3 最小壁厚校核我国容器标准对最小容器壁厚（已包括，但不包括）有如下规定：（1）对碳素钢和低合金钢容器不小于3mm。（2）对高合金钢容器不小于2mm。本设计材选采用的是碳素钢16MnR，其圆筒的最小壁厚可按下式计算：，最小厚度符合要求。3.1.4 应力校核本设计是卧式容器，液压试验压力规定为： （3-2）式中：内压容器的试验压力，Mpa p：设计压力，Mpa ：试验温度下材料的许用应力，Mpa t：设计温度下材料的需用应力，Mpa在进行液压试验时，应按下式校核圆筒的应力： （

26、3-3）式中：试验温度下材料的屈服强度，Mpa代入数据得：符合要求。3.2 封头的选择计算3.2.1 封头类型选择封头的类型有很多。在管壳式换热器中，常用的封头形式有椭圆形封头、半球形封头、平板形封头和碟形封头。其中椭圆形封头由半个椭圆球面和一圆柱直边段组成，椭圆部分经线曲率平滑连续，封头中的应力分布比较均匀。鉴于以上优点本设计采用标准椭圆形封头（a/b=2）。 3.2.2 封头厚度计算封头厚度按下式计算： （3-4）其中K为应力增强系数（标准椭圆形封头K=1），其他参数与式（3-1）相同，则代入数据计算得：封头为能更好的和筒体焊接在一起，选择与筒体一样的厚度=10mm。则封头的有效厚度。在设

27、计中有关封头的其他结构尺寸可从表3.2（摘自JB/T 4337-95）中查取。表3.2 以内径为公称直径的椭圆形封头结构公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm内表面积F/m2容积V/m3厚度tn/mm质量G/(kg/m) 800 200250.7540.079610200400.7920.0871500.8170.0921由上表3-2选取封头尺寸：曲面高度h1=200mm，直边高度h2=25mm。 其结构示意图如下：图3.1 封头结构尺寸图3.2.3 最小壁厚校核GB151规定椭圆形封头允许的最小壁厚应不小于0.15%倍的公称直径，即，符合要求。3.2.4 壁厚强度校核椭圆形封

28、头的最大允许工作压力： 3.0Mpa，符合要求。3.3 管箱结构计算换热器管内流体进、出口的空间称为管箱。管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分布到各个换热管和将换热管内的流体汇集在一起送出换热器。管程的常用结构有封头整体式、平板式和管板整体式等，U形管换热器管内走的流体较清洁，考虑到耐压、密封性和设备成本等因素，管箱选用封头整体式结构。3.3.1 计算管箱直径Di管箱与壳体在管板处通过法兰连接，故管箱圆筒直径应该与壳体圆筒直径相同，因此管箱内直径取Di=800mm。3.3.2 计算管箱圆筒壁厚根据工艺条件以及一般化工设备的选材和经济性的考虑，确定管程材料选择碳素钢16MnR。管程设计温度200

29、，设计压力3.0Mpa，属于内压容器，则管程圆筒设计厚度可按式（3-1）计算。取为设计压力，设在616mm之间，查（GB150-1998）钢板需用压力表得16MnR在300时的t=144Mpa，=1.5mm。代入式（3-1）得：但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3.1（摘自GB151表8）的规定，因此取圆筒壁厚=10mm。则有效厚度。3.4 接管计算3.4.1 确定接管外径和壁厚GB150 8.2.1规定：（1）当圆筒内直径时，开孔最大直径，且；（2）当圆筒内直径时，开孔最大直径，且。本设计圆筒内直径为800mm，按照上述规定（1）圆筒最大开孔直径520mm，再结合国标无缝钢管规格表选

30、取：壳体：物料进、出口接管：；排气、排液口接管：。管箱：物料进、出口接管：。 表3.3 国标无缝钢管规格表直径mm厚度mm管重/米（Kg）直径mm厚度mm管重/米（Kg）159415.29325647.2518.99862.54622.641077.68219421.21377654.89526.39763.87631.52872.8736.6981.67841.631090.5273533.04426662.14639.51772.33745.92882.46852.28992.553.4.2 确定接管长度接管轴线垂直于壳体经线时，接管及其连接法兰的密封面到经线外表面的长度值可按表3.4选取

31、。本设计保温层厚度为100mm，对于物料进、出口接管最小伸出长度由表可查的，排气、排液接管最小伸出长度由表查的。其中排气和排液接管为便于排气、排液与壳体的连接形式宜选用平齐式，管长; 而物料接管与壳体和管箱的连接形式可选择内伸式,内壁弦高查圆筒体径向开孔距内壁弦高表可得，其管长。因此可得接管结构尺寸如下：壳体：物料进、出口接管：；排气、排液口接管：。管箱：物料进、出口接管：。表3.4 接管及其连接法兰的伸出长度mm3.5 开孔补强GB150规定壳体满足以下全部要求时可不另行不强：（1） 设计压力小于或等于2.5Mpa；（2） 两相邻开孔中心距的间距应不小于两空直径之和的两倍；（3） 接管公称外

32、径小于或等于89mm。由3.4所选接管结构可知两种接管的外直径均大于89mm，故两接管处均需要开孔补强。3.5.1 补强元件类型常用的补强元件有三种，即补强圈补强、接管补强和整体锻件补强。接管补强结构简单、制造和检验都比较方便，但必须保证全焊透焊接，常用于低合金钢容器或某些高压容器；整体锻件补强易探伤、质量易保证，抗疲劳性能最好，但是锻件供应困难、制造繁琐、成本较高；补强圈补强是中低压容器中使用最多的补强元件，它的优点是结构简单、制造方便、使用经验丰富，缺点是补强区域分散且因采用与壳体搭焊连接，因此抗疲劳性能较差。所以使用条件一般为：静载、常温、中低压、材料的强度极限低于540Mpa、补强圈的

33、厚度小于1.5T、壳体壁厚T不大于38mm。结合以上分析，故本设计采用补强圈补强的形式。图3.2 补强圈补强结构图3.5.2 接管补强计算采用补强圈补强，基本结构为外补强-内伸。开孔补强的设计准则主要有等面积补强设计准则和极限分析补强设计准则。等面积补强准则提出最早且是世界各国延用已久的一种经验设计方法。故本设计亦采用等面积补强准则，具体计算方法如下：（1） 开孔削弱的截面积： （3-5） 式中：d：接管内径加上壁厚附加量C以后的直径； T：壳体按内压计算所需的计算厚度； ：材料强度削弱系数，即设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，此处取。（2）有效补强范围：补强区域宽度： 取 补强区外侧

34、高度：48mm（接管内伸长度） 取 式中： ：接管的名义厚度；：壳体的名义厚度。（3）补强区内补强金属面积： 在有效补强区内可计作为有效补强金属的面积有以下几种。承受内压时容器壳体设计计算厚度之外多余金属截面积。 （3-6） 接管承受内压所需计算厚度之外的多余金属截面积。 （3-7） 在有效补强区内焊缝金属的截面积。 在有效补强区另外再增加的补强元件的金属截面积。 （3-8） 所以补强圈厚度为 圆整后取3.5.3 接管补强计算采用补强圈补强，基本结构为外补强-平齐。等面积补强准则的具体计算方法如下：（1）开孔削弱的截面积： 式中：d：接管内径加上壁厚附加量C以后的直径； T：壳体按内压计算所需

35、的计算厚度； ：材料强度削弱系数，即设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，此处取。（2）有效补强范围：补强区域宽度： 取 补强区外侧高度：200mm（接管外伸长度）补强区内侧高度：（接管为平齐式）式中： ：接管的名义厚度；：壳体的名义厚度。（3）补强区内补强金属面积： 在有效补强区内可计作为有效补强金属的面积有以下几种。承受内压时容器壳体设计计算厚度之外多余金属截面积。 接管承受内压所需计算厚度之外的多余金属截面积。 在有效补强区内焊缝金属的截面积。 在有效补强区另外再增加的补强元件的金属截面积。 所以补强圈厚度为 圆整后取3.6 支座3.6.1 支座类型选择根据第二章工艺计算部分可知该U

36、形管换热器为卧式容器，常用的卧式容器支座形式主要有鞍式支座、圈座和支腿三种。支腿的主要优点是结构简单，但其反力给壳体造成很大的局部应力，因此常用于较轻的小型设备。对于较重的大设备，通常采用鞍式支座。故本设计选用鞍式支座。前面已计算出壳体公称内直径，查JB/T 4712鞍式支座选取重型（B）, 结构特征是包角、焊制、双筋、带垫板。两支座的安装形式一个选固定式（F），另一个选滑动式（S），材料选用Q235-AF，垫板材料与筒体相同。支座位置按材料力学计算方法可知，当外伸长度时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取，由前面计算知该换热器长7000mm，则，取。具体的结构形式见下

37、图： F型 S型图3.3 支座结构尺寸图具体的结构尺寸查JB/T4712表如所示：表3.5 支座结构尺寸数据表3.6.2 支座受力理论分析置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。载荷除了操作内压或外压外，主要是容器的重量（包括自重、附件和保温层重等），内部物料或水压试验充水的重量。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可以近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁。当解除支座约束后，梁上受到均布载荷q、支座反力F、竖直剪力V和力偶M的作用。（1）均布载荷q和支座反力F容器本身的重量和容器内物料的重量可假设为沿容器长度的均布载荷。因为容器两端为凸形封头，所以确定载荷长度时，首先

38、要把封头折算成和容器直径相同的当量圆筒。对于椭圆形封头折算为直径等于容器直径，长度为（为椭圆形封头的深度）的圆筒，故重量载荷作用的长度为。若假设容器的总重量为2F，则作用在外伸梁上单位长度上的均布载荷为： （3-9）显然，由静力平衡条件，对称配置的双鞍座中每个支座反力可写为： （3-10） （2）竖直剪力V和力偶M封头本身和封头中的物料的重量为，此重力作用在封头的重心上。对于半球形封头，根据几何关系可算出重心的位置，（e为封头重心到封头切线的距离）。对于标准椭圆形封头也可近似采用此值，按照力线平移法则，此重力可用一个作用在梁端点的竖直剪力V和一个附加力偶M来代替。即： （3-11） （3-12

39、）双鞍座卧式容器的具体受力分析情况见下图： 图3.4 双鞍式卧式容器受力分析的弯矩图和剪力图（a）受力分析； （b）两支点外伸梁；（c）剪力图； （d）弯矩图3.6.3 计算换热器质量换热管质量换热管选的是无缝钢管，根据换热管的尺寸252.5查国标无缝钢管规格表知其管重为1.39kg/m。由第二章工艺计算知换热管直线部分长为6m，弯曲部分长为3.140.05=0.157m，一共有350根。则换热管质量。壳体圆筒质量圆筒质量由公称内直径查钢制筒体的容积、面积及质量表得内径为800mm、壁厚为10mm的筒体，每米钢板质量为200kg。由第二章换热管结构尺寸可得壳体圆筒的长度为6000mm,那么壳体

40、圆筒的质量。管箱圆筒质量管箱圆筒与壳体圆筒结构尺寸基本相同，由中知管箱圆筒每米钢板质量也为200kg。由本章3.3管箱尺寸选圆筒长度为1000mm，那么管箱圆筒的质量。接管质量接管选的是无缝钢管，其质量可以根据接管的尺寸查国标无缝钢管规格表。接管有两个，由表查得其管重为22.64kg/m，则总的重量为222.640.21=9.51kg；接管有六个，由表查得其管重为90.5kg/m，则总的重量为690.50.308=55.75kg；则接管总重量。封头质量封头质量根据封头结构尺寸查JB/T4337中以内经为公称直径的碳素钢、普通低合金钢、复合钢板制椭圆形封头质量表得本章3.2中所选封头的质量为63

41、.6kg。本设计中换热器又两个封头，则封头的总质量。其他如法兰、管板及折流板等的质量可忽略不计，那么支座所要支撑的换热器的总质量主要由以上五部分组成，则总质量： 3.6.4 支座强度校核（1）静力校核由上一节3.6.3所求得的换热器质量，可得支座所承受的静载荷为。这些静载荷平均作用在两个支座上，每个支座所承受的静载荷为,满足要求。（2）强度校核根据上述理论计算将具体数值代入既得：均布载荷：竖直剪力：附加力偶：剪力：筒体弯矩：由于，则危险截面出现在筒体支座截面处。对于圆柱形截面其弯曲截面系数：前面已经通过查（GB150-1998）钢板需用压力表得16MnR在150时的=170Mpa，而筒体部分所

42、承受的最大正应力：所以，满足要求。4 零件设计4.1 法兰4.1.1 法兰类型选择 设备的壳体可以采用铸造、锻造或焊接成一个整体，但大多数化工设备是做成可拆的几个部件，然后把它们连接起来。常用的连接方式有螺纹连接、承插式连接、钎焊连接和法兰连接等。法兰连接的强度和紧密性比较好，拆装也较方便，因而在大多数场合比其他连接显得优越，从而获得了广泛的应用。 要保证法兰的连接紧密性，必须合适的选择压紧面的形状。常用的压紧面形状有凸面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等几种类型。凸面常用于压力不高的场合（）；榫槽面和梯形槽常用于压力较高，密封要求严格的重要场合；凹凸型压紧面分别由一个凸面和凹面配合而成适用于的场合。

43、本设计为简便起见选用凸面法兰。4.1.2 法兰结构尺寸选择法兰的结构类型按其固定在容器上的方法可分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰等三种形式。松式法兰一般不直接固定在壳体上，常用于压力不高的场合；整体法兰是不可拆卸地固定在壳体和管子上，固定方式有将法兰与壳体锻造或铸造成一个整体，或者通过焊接与壳体（管子）连接，可用于较高压力的场合；任意式法兰介于以上两种法兰之间，它们与壳体间有一定联系，但又不完全连成一体。因此，结合以上所述选择整体法兰。查国标法兰尺寸表得具体结构尺寸如下：图4.1 法兰结构尺寸容器法兰法兰管径：D=1085mm 螺栓孔中心圆直径：K=990mm螺栓孔直径：L=48mm螺栓孔数

44、量：24螺纹公称直径：M52法兰厚度：C=64mm法兰高度：H=220mm法兰内径：B=800mm颈部直径：=910mm圆角半径：R=22mm物料接管法兰法兰管径：D=555mm螺栓孔中心圆直径：K=490mm螺栓孔直径：L=34mm螺栓孔数量：16螺纹公称直径：M30法兰厚度：C=52法兰高度：H=120法兰内径：B=351mm颈部直径：=418mm圆角半径：R=12mm排气、排液接管法兰法兰管径：D=300mm螺栓孔中心圆直径：K=250mm螺栓孔直径：L=26mm螺栓孔数量：n=8螺纹公称直径：M24法兰厚度：C=30mm法兰高度：H=72mm法兰内径：B=145mm颈部直径：=186m

45、m圆角半径：R=8mm4.2 垫片 垫片的结构形式有很多种，为了简便，本设计选用最简单的基本型垫片，具体结构形式如下图所示：图4.2 基本型垫片结构4.2.1 容器法兰垫片 D2=811mm D3=835mm T=6.5mm4.2.2 物料接管法兰垫片 D2=355mm D3=374.6mm T=4.5mm4.2.3 排气、排液法兰垫片 D2=160mm D3=176.6mm T=3.2mm4.3 螺栓图4.3 选用螺栓结构尺寸4.3.1 容器法兰螺栓 螺纹公称直径：M42 螺栓数量：n=24螺栓长度：L=220mm4.3.2 物料接管法兰螺栓螺纹公称直径：M30 螺栓数量：n=16螺栓长度：L=140mm4.3.3 排气、排液法兰螺栓 螺纹公称直径：M24 螺栓数量：n=8螺栓长度：L=90mm4.4 膨胀节对于受内压的换热器，膨胀节的采用与否应该根据下列三项计算来判定：(1) 壳壁温差应力与壳壁内压轴向应力的总和是否超过壳体材料允许的极限。(2) 管壁温差应力与管壁内压轴向应力的总和是否超过管体材料允许的极限。(3) 管子拉脱力是否超过管子胀接或焊接所允许的极