固定管板式换热器毕业设计

1、绪论3.第一章工艺计算8.1.1 初步估算传热面积 9.1.1.1 热流量计算9.1.1.2 冷却水用量计算 9.1.1.3 平均传热温差计算 9.1.1.4 初算传热面积 9.1.2 工艺结构及尺寸计算 101.2.1 换热管参数计算 101.2.2 壳程参数计算 121.2.3 折流板选择及参数计算 1.31.2.4 接管参数计算 141.3 换热器核算1.41.3.1 传热面积校核 141.3.2 管内表面传热系数 151.3.3 传热面积校核 171.4 换热器内压降的核算 181.4.1 管程阻力计算 181.4.2 壳程阻力1.81.5 工艺计算结果汇总 19第二章强度计算202.

2、1 换热器壁厚设计计算2.12.1.1 壳程壁厚设计计算 2.12.1.2 管箱短节壁厚设计校核212.1.3 封头壁厚设计校核 222.1.4 左端平盖封头的设计校核 242.2 换热管失稳应力分析252.3 补强判别252.3.1 开孔补强计算方法判别262.3.2 开孔所需补强面积262.4 密封装置选型及设计292.4.1 垫片选型与设计 292.4.2 压力容器法兰设计302.4.3 管法兰设计332.5 管板设计及校核342.5.1 管板计算的有关参数的确定342.5.2 计算各参数和系数 342.5.3 管板的应力校核及评定 392.6 接管412.7 支座的设计计算及校核432

3、.7.1 选型432.7.2 支座安装位置的确定442.7.3 鞍座主要尺寸的确定 .452.7.4 鞍式支座的计算及校核462.7.5 鞍座内力的分析 482.8 拉杆492.9 定距管502.10 焊接结构设计 502.10.1 焊接接头选择 502.10.2 焊接方法选择 512.10.3 主要焊接结构 52参考文献56致谢5616绪论目前压缩机被广泛应用在空分、冶金、化肥、化工、制药、动力站等领域。压缩机要实现等温压缩，效率优化， 保证出口压力和温度指标，在压缩机出口处 要配置压缩机出口冷却器。由于压缩机对各段间允许的压力损失和进口温度的严 格要求，决定了压缩机出口冷却器设计选型的特殊

4、性。压缩机出口冷却器几乎涵盖了所有管壳式换热器的结构形式。这正体现了它集各种形式换热器优点于一身 的设计理念。由于其结构坚固，使用弹性大，适应性强，近些年来又对结构、工 艺和材料等方面作了大量改进，使它的技术性能更趋于合理成为了应对多种机 型，大跨度工况范围的必然选择压缩机出口冷却器是换热设备的一类， 用以冷却压缩机出口的热流体。 通常 用水或空气为冷却剂以除去热量。使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程 工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。中国在“十二五”期间加大了对能源战略的调控力度，加快节能减排技术创新，大幅度提高了能源利用效率，增强可持续发展能力，确保实现资源节约型、

5、 环境友好型社会。作为一种节能设备， 压缩机出口冷却器实现了热能的回收、 转 化利用，是工业生产中不可或缺的设备。 据统计，在现代压缩机行业中所用冷却 器的投资大约占设备总投资的绝大部分， 在工艺设备部分更是被重点研究，并且 压缩机出口冷却器具有压缩机之肺的形象比喻，它的冷却效果和可靠性直接影响 压缩机的气动性能和整机效率。随着为压缩机配套的冷却器的增多，一个适应各 种工况和不同机型的冷却器系列也自然形成。近年来国内冷却器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压 降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶 金、船舶、机械、食品、制药等行业对压缩机出口冷却器

6、稳定的需求增长，我国 冷却器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，前瞻网预计2020年至2030年期问，我国冷却器产业将保持年均 10-15%左右的速度增长，到2030年我国冷却器 行业规模有望达到1500亿元。(1)压缩机出口冷却器传热原理分类1 .直接接触式换热器直接接触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。表面式换热器有管壳 式、套管式和其他型式的换热器。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

7、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 .间壁式换热器间壁式换热器是把两个表面式换热器由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。4 .直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。(2)压缩机出口冷却器按结构分类1 .浮头式换热器新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩 圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设 凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均

8、布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以 该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型 凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮 动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间 不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。(也 可设计成不可拆的)。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂， 而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须

9、考虑 管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑浮头管板的外径 Do。该外径应小于壳体内径Di, 一般推 荐浮头管板与壳体内壁的间隙 b1=35mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可 将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、 清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装 配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的用漏起着重要作用。随着浮头式换 热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式 也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆 装方便。浮

10、头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性， 在长期使用过程中积累了 丰富的经验，不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占主导地位。2 .固定管板式换热器固定管板式换热器由两端管板和壳体构成。由于其结构简单，运用比较广泛。 固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、 石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、 化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的30%-45%。随着节能 技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显 著的经济效益。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结

11、构较紧凑, 排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀 接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口 管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固， 管程的进出口管直接和 封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。 这种换热器管程 可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多 程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难， 对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。 当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀 节，以减少因管、壳

12、程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的特点是：旁路渗流较小；锻件使用较少，造价低；无内 漏；传热面积比浮头式换热器大 20%30%。固定管板式换热器的缺点是：壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差 t050,当t50时必须在壳体上设置膨胀节；易产生温差力，管板与管头之间 易产生温差应力而损坏；壳程无法机械清洗； 管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿 命较低。bOa流体管箱接管33 . U形管式换热器U形管式换热器每根管子均弯成 U形，流体进、出口分别安装在同一端的 两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可抽出，管

13、间（壳程）清洗方便。质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程 流体必须是洁净和不易结垢的物料，由于管子需要一定的弯曲半径，故管板利用率低；管束最内层间距大，壳程易短路；内层管子不能更换，因而抱人率高。U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易 结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管 内，可是高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。4 .板式换热器板式换热器（Plate Type Heat Exchanger,本成套设备由板式换热器、平衡 槽、离心式卫生泵、热水装置（包括蒸汽管路、热水喷入器）、支架以及仪表箱 等

14、组成。用于牛奶或其它热敏感性液体之杀菌冷却。欲处理的物料先进入平衡槽， 经离心式卫生泵送入换热器、经过预热、杀菌、保温、冷却各段，凡未达到杀菌 温度的物料，由仪表控制气动回流阀换向、 再回到平衡槽重新处理。物料杀菌温 度由仪表控制箱进行自动控制和连续记录，以便对杀菌过程进行监视和检查。 此设备适用于对牛奶预杀菌、巴式杀菌。板式换热器的型式主要有框架式 （可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主 要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。央军空城第一章工艺计算已知工艺设计参数列表1-1表1-1工艺设计参数表壳程管程工作介质氮气水流量（m3/h）54877入口温度（C）10832出口温度（C）4

15、040工作压力（MPa）1.00.41.1 初步估算传热面积1.1.1 热流量计算由 P=m, m=卬=54877 m3/hM11.55kg/m3 =633829 kg/h ,八6338293QT =qmh Cph =T = 1.05 103 (108- 40) = 12571kW, p,36001.1.2 冷却水用量计算qm,ccp,c , ' t12571 1034.174 103 (40 - 32)-376.5 kg, s -1355277kg / h1.1.3平均传热温差计算按逆流算tm1.1.4初算传热面积(108-40)-(40 -32),108-40 ln40-32= 2

16、8.04° C根据表1-2先假设K =280W/（m2，C）则估算的传热面积为Qt _ 12571 103K tm - 280 28.04=1601m2',一 一， 一 .2S =1.15S =1.15 1601 =1841m热流体冷流体传热系数 K/(W-m2-K -1)表1-2列管式换热器中K值大致范围水水8501700轻油水340910重油水60 280气体水17 280水蒸汽冷凝水14204250水蒸汽冷凝气体30 300低沸点胫类蒸汽冷凝水4551140高沸点胫类蒸汽冷凝水60 170水蒸汽冷凝水沸腾20004250水蒸汽冷凝轻油沸腾4551020水蒸汽冷凝重油沸腾

17、1404251.2 工艺结构及尺寸计算1.2.1 换热管参数计算(1)管子的选用换热管的外表面积决定换热器传热面积的大小。在换热器中采用小直径管子 可以使换热器的传热面积大，设备紧凑；但同时会使流体阻力大，易结垢，管内 不易清洗。故一般处理脏、粘介质的换热器应选用较大的管径。 本次设计考虑到 苯为有毒液体，冷却水较硬易结垢，由于管径的大小影响管内流速的的大小和管 内的压强降，因此选用管规格为 (|)25X2.5mm(2)管内流速选择为了提高管程增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速

18、增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。因 此，应选择适当流速。下表列出工业一般采用的流体流速范围。表1-3工业一般流体流速液体的种类一般液体易结垢液体气体流速m/ s管程0.5 3>15-30壳程0.2 1.5>0.5315故先取管内流速为u =2.8m/s i(3)管程数和传热管数计算单程传热管数为376.5/9952 IT0.785 0.02 2.8= 442.8 取 N = 443所需传热管总长度为L = -s =1841 =52.94m二 doN 3.14 0.025 443确定管子长度时应该考虑两个因素，一个是换热器的长径比；一个是管子的长度规格，管子的长度规格从1.5

19、12有多种，卧式换热器L/Di=6|_10。综上考虑取传热管长l=9m。则管程数 NP=L=52.946,取六管程p l 9传热管总根数n = 443><6 = 2658根(4)传热管排列和分程方法换热管管板上的排列方式有正方形直列、正三角形排列、同心圆排列。正三 角形排列比较紧凑，管板利用率高，管外流体湍动程度高，对流传热系数大，但 管外清洗较困难；正方形排列便于机械清洗； 同心圆排列用于小壳径换热器，外 圆管布管均匀，结构更为紧凑。本次设计内传热管按正三角形排列。表1-4常用管心距 (mm)管外径管心距各程相邻管的管心距管外径管心距各程相邻管的管心距19253832405225

20、3244384860转角三角形正方形转角正方形图1-1换热管排列方式1.2.2 壳程参数计算(1)壳程数确定平均传热温差校正系数如下:P _t2 -t1T1 -t140-32=0.105108 -32R 3 =0=8.512 T 40-322 P(1 R ,. R2 1)2 - P(1 R. R2 1)8.5218.5-1in 1-0.105in1 -0.105 8.52-0.105(1 8.5 -、8.52 1)小n2寓1MM)2 -P(1 R 、R2 1)8.52 1(40-32)2.9=23.61oC由于平均温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大，故采用单壳程(2)壳体直径计算采用

21、六管程结构，取管板利用率 刈=0.8,则壳体直径D -1.05p .nK-1.05 32 . 2658/0.8-1936.7mm按卷制壳体的进级档取 D -2000mm1.2.3 折流板选择及参数计算Cggg8? OOO00。， oooooooo 00000000 ooooaaoo gcoooQ。9翁飞oc oooooo aooo ooo oooo oo ooOOOO OOOO设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速， 增加湍动程度，并使管程流 体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢，而且 在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常见的折流板形式为弓形和圆盘一圆环形 两种，

22、其中弓形折流板有单弓形和双弓形，如下图所示：/ OOOO QOOO fooooo OOCOO1 Icoooo ocooor I ooc6 0口。0 /图1-2折流板结构折流板材质和形式的选择根据本设计的要求，综合考虑材料的性能及经济性要求选用的材料为Q235-R选用单弓形折流板。折流板的排列布置一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口管，其余折流板按等距离布置，对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下放置。排列形式如下所示：卜一I十 图1-3折流板排列方式采用弓形折流板，切去圆缺高度h =0.25 2000 =500 mm折流板间距B=0.3D =0.3M2000 =

23、600(mm) 圆整取 B = 1500mm。折流板数目Nb g鬻一1二6由参考文献查得，内径为2000mm,间距为1500mm时，取折流板厚度为20mm表1-5折流板参数表材质形式高度/mm板间距/mm厚度/mmQ235-B单弓2.4 接管参数计算接管的选择与流体的流速和流量有关。冷凝器的管程进出口接管直径通常选 用直径较大、管壁较厚的热轧无缝钢管，壳程流体出口接管选择冷轧无缝钢管。 本次设计选用材料为Q235-B的无缝钢管。因考虑到氮气流量过大采用两个接管 输送氮气，取接管内流体流速ui=30m/s,则接管内径：阳 4 54877/(3600 2)= 0.569m

24、.二 u1.3.14 30取标准管(|)610X10mm管程流体进出口接管取接管内液体流速 必=2.5m/s,则接管内径 D2 =例二 4 1355277/(3600 994.3)=0.439m二出,3.14 2.5取标准管(|)475X9mm初步选定卧式固定管板式换热器的规格如下：表1-6换热器的规格项目公称直径D管程数Nb管数n管长L管子直径管子排列方式数据2000mm626589000G25M 2.5mm正三角形1.3 换热器核算1.3.1 传热面积校核壳程传热膜系数0.551/3 / 口、0.14二0 = 0.36 RePr ()d，iew传热管按正三角形排列时传热当量直径4(-t2

25、-do2)4(立 0.0322 0.0252)de = 24 =24 = 0.027m二 do二 0.025管程流体流通截面积0.0252So =BD(1-= 1.5 2000 (1-)= 0.825m20.032管程流体流速和雷诺数Reo工uo548773600 0.825=18m/sde;?Uo0.027 18 11.55Z751.95 10=289352普朗特数c P二三ro,o1.05 103 1.95 10上 =0.68250.030黏度校正取（；）0.14 : 1w传热膜系数二。=0.36 30 2893520.55 0.6825 1 = 391.7W： m2LoC 0.0271.

26、3.2管内表面传热系数二 i =0.023Re0.8 P0.4di管程流体流通截面积c226582§ =0.785 0.022 =0.4173m2 2管程流体流速和雷诺数ui376.5=0.67m/ s994.3 0.41730.000742180.02 0.67 994.3Rei = 17956普朗特数c 4174 0.000742Pri4.9630.624传热膜系数1 0 =0.023 024 179560.8 4.9630.4 =3450.9W m2oC0.020污垢热阻和管壁热导率污垢热阻往往对换热器的操作有很大影响，需要采取措施防止或减少污垢的积累或定期清洗。由表3-4查得

27、管内侧污垢热阻R = 0.0006m2 C/W ,管外侧热阻R0 =0.0004m2 C/W 。管壁厚度b = 0.0025m,碳钢在该条件下的热导率 =45W/(m C)表1-7污垢热阻Rd的大致范围流体污垢热阻-1 .Rd/(m2 - C - kw )流体污垢热阻-1 .Rd/(m2 - C - kw )水(u<1m/s,t<47 C)水蒸汽蒸储水0.09优质-不含油0.052海水0.09劣质-不含油0.09清洁的水0.21往复机排出液体0.176未处理的凉水塔用水0.58处理过的盐水0.264已处理的凉水塔用水0.26有机物0.176已处理的锅炉用水0.26燃料油1.056硬

28、水、井水0.58焦油1.76水蒸汽气体优质-不含油0.052空气0.26 0.53劣质-不含油0.09溶剂蒸汽0.14总传热系数dm0.019 0.015-0.017m601Rob-doRidoId：。dmdi:，di1397.10.00040.0025X.450.0250.02250.00060.02510.0250.02 3450.9 0.02=306W. m2LoC1.3.3传热面积校核QtK tm12571 103306 28.042=1496.5m2_2换热器的实际传热面积S=：do l n=3.14 0.025 (9 0.1) 2658 = 1857.0m'换热器的面积裕度

29、H = S二S = 18596.5 100% = 20%S 1496.5所以该换热器的传热面积裕度符合要求1.4 换热器内压降的核算换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超 过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格大换热器。按一般经验， 对 于液体常控制在104105Pa范围内，对于气体则以103104Pa为宜。止匕外，也可 依据操作压力不同而有所差别，参考下表。表1-8换热器操作允许压降换热器操作压力 P（Pa）允许压降4P<105（绝压）0.1P0 105（表压）0.5P>105 （表压）>5X104 Pa1.4.1 管程阻力计算换热管阻力

30、Pi =(AP +AP2)NsNpFt其中 Ns=1, Np=6, '=1.4。l :u2直管阻力d 2由Re =17956,传热管相对粗糙度0.01查得摩擦系数九=0.036。9994 3 22P =0.036= 32215.3Pa0.022：u 2994 3 22汜=3'=3=5965.8Pa22P 二(32215.3 5965.8) 6 1.4 =320721.2 Pa1.4.2壳程阻力筒体内阻力Po=(AP'+AP2)NsFs其中 Ns=1, Fs=1.15。:u 2流体流经管束的阻力AP； = Ffonc(NB +1) 其中F =0.3。20.2280.228

31、fo = 5Re -=5 723380 _= 0,2307nc =1.19 NT =1.19 . 2658 =61.411,55 182R =0.3 0.2307 61.4 (11 1) =92259Pa2流体流过折流板缺口的阻力_ 222B ： u；2 0,711.55 182.住=心(3.5 -) o=11 (3.5 ) =56998.7PaD 22.22 Po=(602533.6+372251.3) 1.15 1 =171000Pa由计算结果可知所选换热器合适。1.5工艺计算结果汇总表1-9换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程、3流率m/h54877温度(进/出)/ C32/4010

32、8/40物性参数定性温度/c3674密度 /(kg/m 3)994.311.55比热容/kJ/kg/ C)4.1741.05黏度/mPa。s0.7420.0195热导率/W/(m-C)0.6240.030普朗特数0.68254.67结 构 参 数型式固定管板式台数1壳体内径/mm2000壳程数1管子规格 25mm< 2 .5mm管心距/mm32管长/mm9000管子排列正三角形管子数目/根2658折流板数/块6 . 一一2传热面积/m1857折流板距/mm1500管程数6材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.6718传热膜系数/W/ m2 C)391.73450.9污垢热阻/(

33、m2 C/W)0.00060.0004热流量/KW12571传热温差/C23.61传热系数/ W/(m C )306裕度/%20第二章强度计算设计参数如下表:表2-1强度设计参数表管程壳程0.4工作压力MPa设计压力MPa腐蚀余量mm1.13.20.63.22.1 换热器壁厚设计计算2.1.1 壳程壁厚设计计算(1)选材由工艺设计给定的设计温度 74C,设计压力pc=1.1 MPa ,选碳钢钢板Q245 卷制。材料74c时的许用应力bf=147MPa ,取焊缝系数4=0.85,腐蚀裕度 C2=3.2mm。则(2)计算厚度PcD2 lc I - - Pc1.1 20002 147 0.85-1.

34、1= 8.97mm对于Q245钢板负偏差C1 = -0.30mm(3)名义厚度、n =、 C1 C2=8.97 3.2 - 0.3=11.87mm因而圆整取名义厚度i=12mm(4)有效厚度e = n - G。=12-3.2 0.3 = 9.1mm (5)壳程水压试验压力148Pt =1.25pc= 1.25 1.11.375MPa147所选材料的屈服应力c-s =245Mpa(6)水压试验应力校核= -DJ375 (2000 9)=114MPa2 e2 9.1二T 一0.9；1=0.9 245 0.85 =187.4MPa通过计算水压强度满足要求2.1.2 管箱短节壁厚设计校核(1)选材由工

35、艺设计给定设计参数为：设计温度 36C,设计压力pc =0.6 MPa ,选用Q235-C钢板，取焊缝系数邛=0.85 ,腐蚀裕度C2 =3mm(2)计算厚度(3)名义厚度PeDi0.6 20002k j - pc2 125 0.85-0.6=5.66mm、n =、 C1c2 = 5.66 3.2 = 8.86mm(4)圆整取名义厚度、F =10mm(5)有效厚度、e =、n-C2 =10 -3.2 -6.8mm(6)壳程水压试验压力仁125c Pt =1.25pc t =1.25 0.6 = 0.75MPaI；- I125所选材料的屈服应力 =235Mpa(7)水压试验应力校核pt Die

36、0.75 (2000 6.8)二 T - =1 = 110.7MPa2 e2 6.8二T E0.9；=s =0.9 235 0.85 =179.8MPa通过计算水压强度满足要求。2.1.3 封头壁厚设计校核(1)选材封头是压力容器设备中不可缺少的重要部件，封头的品质直接关系到压力容 器的长期安全可靠运行。封头根据几何形状的不同，可分为球形、椭圆形、碟形、 球冠形、锥壳和平盖等几种，其中球形、椭圆形、碟形、球冠型封头又统称为凸形封头。在焊接上分为对焊封头，承插焊封头。用于各种容器设备，如储罐，换热器，塔，反应釜和分离设备等。材质有碳钢(A& 20#、Q235 Q235B 16Mn 等)、

37、不锈车冈(304、 321、304L、 316、316L等)、合金车网(15Mo315CrMoV35CrMoV 45CrMo )、铝、钛、铜、锲及锲合金等。本次设计我们选用最常见的椭圆形封头，如图 9,材质选择Q230并对其所需厚 度进行计算和校核。(1)计算厚度(2)名义厚度图2-1椭圆形封头PcDi2 f -0.5pc0.6 20002 125 0.85-0.5 0.6=5.66mm、n => +C1+C2 = 8.86mm为了减少焊接应力，壳体封头厚度取与短节厚度相同6n =10mm.(3)有效厚度、e = n -C1 -C2 =10 -3.2 = 6.8mm(4)壳程水压试验压力

38、Pt =1.25pc125= 1.25 0.60.75MPa125所选材料的屈服应力J =235Mpa(5)水压试验应力校核pT Di 、e 0.75 (2000 6.8)2 6.8-i_- =() = 110.7MPa二T E0.9；=s =0.9 235 0.85 =179.8MPa通过计算水压强度满足要求。表2-2 DN2000 标准椭圆封头尺寸及质量公称直径DN/mm曲面图度h1 /mm直边高度h0/mm内表面积F/ m2容积3 v/ m厚度a /mmp质量G/kg2000485404.49301.1257101282.1.4 左端平盖封头的设计校核(1)计算厚度6= 20000.30

39、 0.6125 0.85=73.63mm(2)名义厚度、n =、 C1+C2 = 73.63 3.2 = 76.83mm为了减少焊接应力，壳体封头厚度取与短节厚度相同6n= 78mm(3)有效厚度、e =、n -C1 -C2 = 78 -3.2 = 74.8mmPt =1.25pcbk- .t(5)壳程水压试验压力125= 1.25 0.60.75MPa125所选材料的屈服应力仃s =235Mpa(6)水压试验应力校核Pt Die 0.75 (2000 74.8)二 Tt = = 10.40MPa2 e2 74.8二t -0.9-s =0.9 235 0.85 =179.8MPa通过计算水压强

40、度满足要求2.2 换热管失稳应力分析本次设计选用的是 小25 mm X 2.5 mm的碳钢管，材质为20, b】t=147MPa(1)临界长度d00.025Lcr =1.17d0, 0 =1.17 0.025.: ：0.092m； 9mcr t. 0.0025所以判定换热管为长圆筒。(2)临界压力本次设计选用碳钢管所以，E = 200t 30.0025 3Pcr =2.2E()3 =2.2 200 ()3 =0.44Mpad00.025cr氏d02t0.44 0.0252 0.0025=2.2Mpa，工二 245Mpa综上换热管不会发生失稳2.3 补强判别当设计压力小于或等于2.5MPa的壳体

41、开孔，两相邻开孔中心的间距大于 孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于 89mm寸，只要接管最小厚度满 足下表，就可不另行补强。由于本次开孔公称外径为 600mmf口 457mm,故需另 行考虑其补强。表2-3不另行补强的接管最小厚度接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁管补强整锻件补强三种形式。由于设计压力在低压范围内、工作温度不高、 介质腐 蚀性弱、材质为Q235-B、其标准抗拉强度低于 540Mpa壳体名义厚度不大于 38mm以上均满足补强圈补强的条件，又因为补强圈补强，结构简单

42、、使用经验丰富，所以采用补强圈。因为等面积补强有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等给与一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全。2.3.1 开孔补强计算方法判别开孔补强的设计方法主要有等面积补强法和极限分析补强，又因为等面积补 强有长期的实践经验，简单易行，在一般压力容器使用范围下能够保证安全，所以采用等面积补强法进行补强计算内径为Di =2000mm的圆柱形容器。本次设计封头开孔直径小于Di/2=1000mm,满足等面积法补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。2.3.2 开孔所需补强面积现对固定式管板式换热器管箱短节的两个接管开孔进行补

43、强校核。(1)接管外径为 457mm壁厚每n=9mm。确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径已知壳体的计算厚度、：=5.66mm接管的计算厚度,PcD00.6 457=cc0 = = 1.05mm2七 f P 2 130 0.6计算强度削弱系数,二大 140fr'旦得 fr=Fi7=i40=1;接管有效厚度为,5et =93.2= 5.8mm ；开孔直径为，d = 457 + 2 父 3.2 = 463.4mm ；开孔所需最小面积为A = d、2、式（1 - fr） =463.4 5.66 0 = 2622.8mm2有效补强范围有效宽度B,即：B=2 463.4 = 926.8B =463

44、.4 2 10 2 9=501.4IB =2dB =d 2、n 2'nt取较大值： B= 926.8mm外侧有效高度几=也,，=接管实际外伸高度。.383.4 9=58.74。=0取最小值hi u58.74mm内侧有效高度h2 = d ,宜h =接管实际内伸高度h2 =；383.4 9=58.74h2 =0取最小值h2 =0mm有效补强面积A 壳体有效厚度减去计算厚度以外的多余面积A= B-d e - ,- 2 et , e f 3 1 - fr= (926.8-463.4)(6.8-5.66)=528.3mm2 'A 接管有效厚度减去计算厚度以外的多余面积A =2h(et 7

45、f,2h2(、eC2)fr=2 58.74 (5.8-1.05) 1 0 = 558.03mm2接管区焊接面积（焊脚取6.0 ）1 c C C C CC2A3 - 26.0 6.0 = 36mm2有效补强面积 Ae = A + A2 + A3 =528.3 +558 +36=1122.3,所需另行补强面积A4=A - A =2622.8 -1122.3 -1500.5mm2补强圈设计根据接管公称直径 DN450选补强圈，参照 JB/T 4732取补强圈外径D'=760mm,内径d'=484mm。补强圈在有效补强范围内。、,:一A卫二 5.43mm补强厚度为D -d 760 -4

46、84为了方便制造时准备材料，补强圈名义厚度可取管箱的厚度，即c =10mm现对固定式管板式换热器壳体的四个接管开孔进行补强校核。(2)接管外径为 610mm壁厚6n =10mm已知壳体的计算厚度8 = 8.97mm, & =9.1mm接管的计算厚度,PcD。2fct*+Pc c1.2 610 = 2.80mm计算强度削弱系数fr,查得fr =二tn 140二r 140=1 ；2 130 1.2接管有效厚度为，6戌=10-3.2 = 6.8mm ；开孔直径为， d =610 2 3.2 = 616.4mm；开孔所需最小面积为 _2A 2、.、et(1 - fr)-616.4 8.97 0

47、 =5510.6mm有效补强范围有效宽度B,即：B=2d1B=2 616.4 = 1232.8B=d 2 n 2 ntB =616.4 2 12 2 10 = 660.4取较大值： B =1232.8mm外侧有效高度几=,d-T% - <616.4 10=78.5(% =接管实际外伸高度也=300取最小值hi = 78.5mm内侧有效高度h2d三n；h1 = . 616.4 10=78.5:h2 =接管实际内伸高度值=0取最小值h2 u0mm有效补强面积A 壳体有效厚度减去计算厚度以外的多余面积Al= B-d 、e-、-2、et、e-、-1 一 f,2 =1232.8 616.4 9.1

48、 8.97 = 80.132mm2A 接管有效厚度减去计算厚度以外的多余面积A2 =2儿（、锐一.拼,2卜2（、戌工2巾=2 78.5 （6.8-2.8） 1 0-628mm2接管区焊接面积（焊脚取 6.0 ）1 2A3 =2 6.0 6.0 = 36mm2有效补强面积 Ae = A + A2 + A3=80.13 + 628 +36=744.13 ,所需另行补强面积 A4=A -Ae =5510.6 -744.13 = 4766.42mm2因考虑到实际情况重叠补强补强圈设计根据接管公称直径 DN600选补强圈，参照 JB/T 4732取补强圈外径D'=980mm ,内径d'=

49、634mm。补强圈在有效补强范围内。补强厚度为4=766= 13.78mmD -d 980 -634为了方便制造时准备材料，补强圈名义厚度可取封头的厚度，即 6'=14mm。2.4密封装置选型及设计2.4.1 垫片选型与设计垫片是两个物体之间的机械密封，通常用以防止两个物体之间受到压力、腐蚀、和管路自然地热胀冷缩泄漏。由于机械加工表面不可能完美，使用垫片即可填补不规则性。垫片通常由片状材料制成，如垫纸，橡胶，硅橡胶，金属，软木， 毛毡，氯丁橡胶，玻璃纤维或塑料聚合物（如聚四氟乙烯），特定应用的垫片可 能含有石棉。本次设计选用垫片橡胶石棉。查参考文献得垫片的尺寸如下表表2-4垫片参数表

50、（mm）公称直径DN垫片内径垫片外径垫片厚度 2000 2027 20773图2-1垫片2.4.2 压力容器法兰设计(1)选型法兰联接是作为容器的筒体与封头、 筒体与筒体、管道间、管道与阀门管件 等的可拆性联接。它是由一对法兰、数个螺栓、螺母和一个垫片组成。由于强的 密封性能和较好的强度，故应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。常见的整体法兰形式有两种即平焊法兰和对焊法兰。平焊法兰结构能保证壳 体与法兰同时受力，使法兰厚度可适量减薄，但会在壳体上产生较大应力，适用于(Pn&4.0MP0 的低压容器。甲型平焊法兰与乙型平焊法兰的区别在于乙型 平焊法兰有一个壁厚不小于16mm的圆筒形

51、短节，因而乙型平焊法兰的刚性比甲 型平焊法兰好，甲型法兰在(Pn< 0.6MPO)时，适用的容器直径范围为(D=300120。由于本次设计的换热器压力低，属于一类容器 D=2000mm所 以选用已型平焊法兰。如下图D图2-2法兰(2)法兰压紧面的选择压紧面的形式主要由以下几种即：全平面、凹凸面、桦漕面。1 .全平面：结构简单，加工方便，装卸容易，且便于进行防腐衬里。适用于 PNC 2.5MPa 场合。2 .凹凸面：安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于P NK 6.4MPa的容器法兰和管法兰。3 .桦漕面：不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷和腐蚀，所需的螺栓力较小， 但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等 重要场合。图2-3法兰全平面