流量为120t每小时四管程固定管板式换热器的设计

摘要 本设计是四管程固定管板式换热器，是目前应用最为广泛的换热器。本台换热器主要完成的是水蒸气-水之间的热量交换，设计压力为管程2.4MPa，壳程0.7MPa，管程冷水的定性温度为55℃，壳程煤油的定性温度为112.5℃。传热面积为137，采用Φ25×2.5×6000的无缝钢管换热，则可计算出290根换热管。本台换热器的管板延长兼做法兰，管板与换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点，也是一个难点，本文按照弹性支撑假设对管板进行设计和校核的。本设计为固定管板式换热器，由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大制造较简单。固定管板式换热器的管程有双管程和四管程等几种，本设计采用单壳程，四管程。固定管板式换热器的设计包括：管子的规格和排列方式、圆筒、封头、管板的材料选择及厚度设计，折流板、防冲板的选择等。首先管子的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。管子在管板上的排列方式为三角形排列。因为正三角形排列时，管板的强度高、流体短路的机会少，且相同壳程内可排列更多的管子。壳体厚度计算式是由圆筒薄膜应力准则推导出的。其最小壁厚应根据标准选取。而封头采用了限制最小壁厚方法，其有效厚度应不小于封头内径的0.15%。管板是管壳式换热器中最重要的部件之一，在选材时除力学性能外，还应考虑流体的腐蚀性的影响。在计算厚度时，要在满足强度要求的前提下，尽量减少管板的厚度。折流板最常用的为圆缺型挡板，切去的弓形高度一般取外壳内径的20%-25%。固定管板式换热器的优点是：结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；这种换热器使用于壳侧介质清洁且不宜结垢，并能进行清洗管束，壳程两侧温差不大或者温差较大但壳侧压力不高的场合。关键词：换热管;固定管板;温差应力

AbstractThisdesignisaboutfixedplateheatexchanger.Atpresentthisexchangeraremostused.Thisexchangerismainlycompletedtheheatexchangefromhotwatersteamtowater.Thedesignpressureofthetube-sideis2.4MPa,thedesignpressureoftheshell-sideis0.7MPa.Thequalitativetemperatureofthecoldwateris55degreesCelsius,andthequalitativetemperatureoftheshellprocesskeroseneis112.5degreesCelsius.Theareaforexchangingheatis137.TheheatexchangerusedthetubeΦ25×2.5×6000,290heatexchangetubescanbecalculated.Weweldthetubetotheplatebecausetherehasastressbetweenthetube-sideandshell-sidethatisreallydifficulttoworkout.Thetubeplateisdesignedandcheckedbasedinelasticsupportingassumption.Thedesignforthefixedtubeheatexchanger,thecontrolbox,shell,tubesheets,tubesandothercomponentparts.Itsstructureismorecompact,pipesaremorecasesinthesamediameterlargerthanthesimplemanufacturing.Fixedtubesheetheatexchangertubewithtwo-wayandfour-waycontrolofseveralsuch,thisdesignusesasingleshell,four-way.

Fixedtubesheetheatexchangerdesign,including:specificationandarrangementofpipes,cylinder,head,tubesheetofmaterialselectionandthicknessofthedesign,baffle,erosioncontrolpanelchoices.First,thechoiceiseasytocleanpipeandtubingtotheprinciplesofreasonableuse.Tubeintubearrangementoftheboardarrangedforthetriangle.Becausethetrianglearrangement,thetubesheet,highstrength,lesschanceoffluidshortcircuit,andthesamecanbearrangedwithintheshellmoretubes.Shellthicknessofthecylinderformulaisderivedmembranestresscriterion.Theminimumwallthicknessshouldbeselectedaccordingtothestandard.Theheadusedtoavoidrestrictionsontheminimumthicknessmethod,theeffectivethicknessoftheheaddiametershouldbenotlessthan0.15%.Controlpanelisshellandtubeheatexchangerisoneofthemostimportantcomponents,inadditiontomechanicalpropertiesofthetimeselection,shouldconsidertheimpactofcorrosivefluids.Incalculatingthethickness,tomeetthestrengthrequirementsofthepremise,tominimizethethicknessoftubeplate.Bafflethemostcommonlyusedforthemoonandnewmoonshapedbaffle,cutthearchheightandgenerallytheshelldiameterof20%-25%.Theadvantagesofthefixedtube-shellexchanger:Theexchangercanbearhighpress;Thepriceofmakingislow;Structureissimpleandcompacted;Wecanwashthetubeseasily;Wecanchangethebrokentubesconveniently.Theforemostshortcomingofthefixedtube-shellexchangeristheheatstressbetweentheshellandthetubesisverylarge.Keywords:heatexchangetube;fixedtubesheet;thermalstress

目录第一章换热器综述 11.1管壳式换热器结构 11.2管壳式换热器类型 21.2.1固定管板式换热器 21.2.2浮头式换热器 21.2.3U型管换热器 31.2.4填料函式换热器 31.3管壳式换热器强化传热 41.3.1增大传热面积 41.3.2提高传热系数 41.4换热器的防腐措施 51.4.1防腐涂层 51.4.2金属涂层 51.4.3金属堆焊 51.4.4缓释剂 51.5管壳式换热器的发展前景 6第二章换热器传热工艺计算 72.1原始数据 72.2确定定性温度及物性数据 72.3煤油的传热量与冷水流量的计算 82.4管程换热系数的计算 82.5结构的初步设计 92.6壳程换热系数计算 102.7传热系数计算 102.8管壁温度计算 112.9管程压力降计算 112.10壳程压力降计算 12第三章固定管板式换热器结构设计计算 143.1换热管材料及规格的选择和根数的确定 143.2布管方式的选择 143.3筒体内径的确定 143.4筒体壁厚的确定 153.5筒体水压试验 163.6封头形式的确定 163.7管箱短节壁厚计算 173.8管箱水压试验 183.9容器法兰的选择 183.10管板尺寸的确定及强度计算 193.11是否安装膨胀节的判定 313.12防冲板尺寸的确定 313.13折流板尺寸的确定 323.13.1折流板类型 323.13.2换热管无支撑跨距或折流板间距 323.13.3折流板管孔 323.14各管孔接管及其法兰的选择 323.15开孔补强计算 34参考文献 37致谢 38沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章换热器综述PAGEPAGE39第一章换热器综述管壳式换热器(shellandtubeheatexchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。1.1管壳式换热器结构管壳式换热器主要由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。其结构简图如图1.1：图1.1管壳式换热器结构简图1-平盖2-平盖管箱3-接管法兰4-管箱法兰5-固定管板6-壳体法兰7-防冲板8-仪表接口9-补强圈10-壳体11-折流表12-旁路挡板13-拉杆14-定距管15-支持板16-双头螺柱或螺栓17-螺母18-外头盖垫片19-外头盖侧法兰20-外头盖法兰21-吊耳22-放气口23-凸形封头24-浮头法兰25-浮头垫片26-球冠形封头27-浮动管板28-浮头盖29-外头盖30-排液口31-钩圈32-接管33-活动鞍座34-换热管35-挡管36-管束37-固定鞍座38-滑道39-管箱垫片40-管箱圆筒41-封头管箱42-分程隔板壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。1.2管壳式换热器类型由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：1.2.1固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。如图1.2图1.2固定管板式换热器1.2.2浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。应用较广，但结构比较复杂，造价较高。如图1.3图1.3浮头式换热器1.2.3U型管换热器每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。如图1.4图1.4U型管式换热器1.2.4填料函式换热器在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于用填料函式密封结构，使得管束在课题轴向可以自由伸缩，不回产生壳壁与管壁变形差引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价较低，且管束从壳体内可以抽出，管内管间都能进行清洗，维修方便。如图1.5图1.5填料函式换热器1.3管壳式换热器强化传热1.3.1增大传热面积换热器的传热面积不可能无限制地增大，否则投资费用会大大增加，并且随着工业化的发展，设备要紧凑化1.3.2提高传热系数主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。可通过改变管子外形或在管内加入插入物：=1\*GB2⑴螺旋槽管螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能再有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分，主要结构参数有槽深、槽距和槽旋角。=2\*GB2⑵横纹管它是一种用普通圆管做毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。横纹管主要用来强化管内单向流体的传热，经研究发现，在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。=3\*GB2⑶螺旋扁管螺旋扁管是瑞士一公司首先提出。由于管子的独特结构，流体在管内处于螺旋流动，促使湍流程度。经实验表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，达2-3倍；随着雷诺数的增大，通常也可提高传热系数50%以上。=4\*GB2⑷管内插入物管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、纽带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为四种：=1\*GB3①形成旋转流；=2\*GB3②破坏边界层；=3\*GB3③中心流体与管壁流体产生置换作用；=4\*GB3④产生二次流。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造，以提高其换热性能。在强化传热的同时能达到清除污垢的目的。英国一公司还开发了一种花环式插入物，能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。用于液体工况，可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍；用于气体工况，可使相应值提高5倍。这种插入物使换热管的防垢能力提高8-10倍。=5\*GB2⑸内翅片管内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热。其主要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。1971年美国首先提出内翅片管，并于二十世纪九十年代又开发出一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。八十年代初，日立电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2.8倍左右。=6\*GB2⑹缩放管缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成，流体在该管结构的作用下引起湍动，从而提高传热效率。1.4换热器的防腐措施1.4.1防腐涂层一般采用非金属涂层，常用的水冷器有防腐、防垢涂料84和901，还有Ni-P镀，但在油气系统使用较多的是涂陶瓷。但由于换热管一般可达6米长，在长度上涂均匀很难，但非常重要。1.4.2金属涂层一般有镀Ni、镀Ti、镀Cu等，工艺效果好，但价格昂贵。1.4.3金属堆焊一般采用碳钢、CrMo钢堆焊不锈钢较多，用来抗硫化氧和酸腐蚀。该方法价格便宜，效果好。另外，还有复合板、双向钢管用量也较大，效果较好。1.4.4缓释剂目前炼油装置、化工装置多采用一脱四注的方式很多。另外，还有复合板、双向钢管用量也较大，效果很好。1.5管壳式换热器的发展前景换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水氯碱醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，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。换热器的大量使用有效提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章换热器传热工艺计算第二章换热器传热工艺计算2.1原始数据管程冷水的进口温度:tc1=20℃管程冷水的出口温度:tc2=90℃管程冷水的工作压力:P1=2.4MPa壳程热油的进口温度：th1=135℃壳程热油的出口温度：th2=90℃壳程热油的工作压力:P2=0.7MPa壳程热油的流量:G2=120t/h=120000kg/h2.2确定定性温度及物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值管程冷水的定性温度为tmc==55℃根据定性温度可查取管程冷水的有关物性数据。冷水在55℃下的物性数据如下：密度ρc=985.6Kg/m3定压比热容Cpc=4.1796KJ/(Kg·℃)导热系数λc=0.6536w/(m·℃)粘度μc=50.95×10-5Pa·s普朗特准数Prc=3.26壳程煤油的定性温度为tmh==112.5℃根据定性温度可查取壳程煤油的有关物性数据。煤油在112.5℃下的物性数据如下：密度ρh=757Kg/m3定压比热容Cph=2.44KJ/(Kg·℃)导热系数λh=0.0967w/(m·℃)粘度μh=0.490×10-3Pa·s普朗特准数Prh=12.3642.3煤油的传热量与冷水流量的计算取定换热效率为η=0.98，则设计的煤油传热量：==120000×2.44×（135－90）×0.98×1000/3600=3586800W则管程冷水流量为：=56.81℃参数P：P=参数R：R=查《换热器设计手册》图1-3-6(a)，将换热器按单壳程、四管程设计，可查得:温差校正系数：Ft=0.84有效平均温差:=0.84×56.81=47.72℃2.4管程换热系数的计算选K值，估算传热面积。参照《化工原理》表4-8，初选传热系数K0=550W/（m2·℃）则初选传热面积为：选用Ф25×2.5×6000的无缝钢管做换热管则:管子外径d0=25mm管子内径di=20mm管子长度L=6000㎜则需要换热管根数:==根可取换热管根数为290根管程流通面积:A管==0.0228㎡管程流速:ui==0.546管程雷诺数:=因为水被加热，n=0.4则管程传热系数:==3474W/（m2·℃）2.5结构的初步设计查参考资料GB151-1999《管壳式换热器》，可知管间距不宜小于1.25倍的换热管外径，查表12可知换热管管间距:s=0.032管束中心排的管数为:=1.1==18.7根，取20根则壳的体内径为:===0.708圆整后:=800㎜则长径比:==7.5。所以折流板选择弓形折流板，那么:折流板的弓高:=折流板的间距:=折流板的数量:=块取16块2.6壳程换热系数计算壳程流通面积:壳程流速:壳程质量流速:=0.603757=456.471壳程当量直径:壳程雷诺数:根据，切去弓形面积所占的比例，可查得为0.145根据《管壳式换热器原理与设计》图2-12查得壳程传热因子：管外壁温度假定值为110℃，壁温下煤油的粘度：=0.501×10-3粘度修正系数:壳程换热系数:2.7传热系数计算查GB151-1999《管壳式换热器》第140页可以得知油侧污垢热阻为:=水侧污垢热阻:=由于管壁比较薄，所以管壁的热阻γ可以忽略不计，可得总传热系数为：所以传热系数比值为:=（合理）2.8管壁温度计算管外壁热流密度计算:=管外壁温度:QUOTE=℃误差校核:℃，误差不大，合理。2.9管程压力降计算查《换热器设计手册》P76可知，管程压力降可按照公式1-3-47计算：式中：—流体流过直管因摩擦阻力引起的压降,单位Pa;—流体流过弯管因摩擦阻力引起的压降，单位Pa；—流体流过管箱进出口的压降，单位Pa；—结构校正系数，=1.4；—串联的壳程数，=1；—管程数，=2；查《换热器设计手册》P76，可知公式式中：—管内流速，m/s;—管内径，m/s;—管长，m;—摩擦系数—管内流体密度，kg/m3其中=即=(1296+440.7)x1.4x2x1+220x1=5082.76Pa＜0.05，符合压强条件。2.10壳程压力降计算查《换热器设计手册》P76可知，管程压力降可按照公式1-3-75计算：式中：—壳程压降摩擦因子—壳体内流体的流速，单位m/s;—壳体内径，单位m;L—管子长度，单位m；—管外流体定性温度下的密度，单位kg/m3；—管外流体定性温度下的粘度，单位Pa·s;—管外流体壁温下的粘度，单位Pa·s;—折流板间距，单位m;—壳程当量直径，单位m;管外流体壁温84℃下粘度=0.0006402Pa·s由=21106.7，可查图1—3—24得壳程压强摩擦因子=0.045则壳程压强＜0.05，符合压强计算。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章固定管板式换热器结构设计计算第三章固定管板式换热器结构设计计算3.1换热管材料及规格的选择和根数的确定序号项目符号单位数据来源及计算公式数值1换热管材料20#2换热管规格Φ252.560003传热面积A1374换热管根数根2905拉杆直径GB1511999《管壳式换热器》表43166拉杆数量根GB1511999《管壳式换热器》表4463.2布管方式的选择序号项目符号单位数据来源和数据计算数值1正三角形GB151-1999图112换热管中心距SGB151-1999表12323隔板槽两侧相邻管中心距GB151-1999表12443.3筒体内径的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1换热管中心距SGB151-1999表12322换热管根数根2903管束中心排管根数根=1.1204换热管外径255到壳体内壁最短距离=0.25且不小于886布管限定圆直径=-27847筒体内径=s（Nc-1）+48008实取筒体公称直径DJB/T4737-958003.4筒体壁厚的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1壳程工作压力设计说明书0.72壳程计算压力0.773筒体内径8004筒体材料5设计温度下筒体材料的许用应力GB150-19981336焊接接头系数过程设备设计P1160.857筒体计算厚度2.738腐蚀裕量29负偏差010设计厚度=+4.7311名义厚度GB151-1999项目5.3.2812有效厚度613设计厚度下圆筒的计算应力50.94814校核<=113.05合格15设计温度下圆筒的最大许用应力1.6833.5筒体水压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1实验压力0.96252圆筒薄膜应力64.653校核合格3.6封头形式的确定序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1封头内径8002计算压力0.773焊接接头系数0.854封头材料16MnR5设计温度下的许用应力GB150-19981706标准椭圆封头计算厚度2.1347腐蚀裕量18负偏差09设计厚度3.13410名义厚度GB151-1999项目5.3.2103.7管箱短节壁厚计算序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1计算压力0.772管箱内径8003管箱材料16MnR4设计温度下许用应力GB150-19981705管箱计算厚度2.1376焊接接头系数Φ0.857腐蚀裕量18负偏差09设计厚度3.13710名义厚度GB151-1999项目5.3.2811有效厚度712设计厚度下圆筒的计算应力43.61513校核<Φ=144.5合格14设计温度下圆筒的最大许用工作压力2.5073.8管箱水压试验序号项目符号单位根据来源及计算公式数值1实验压力0.96252圆筒薄膜应力55.483校核合格3.9容器法兰的选择序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1法兰类型乙型平焊法兰JB/T4702-2000PN=1.6MPa2法兰外径JB/T4702-20009603螺栓中心圆直径JB/T4702-20009154法兰公称直径JB/T4702-200010005法兰材料16MnR6垫片类型JB/T4704-2000PN=1.6MPa7垫片材料石棉橡胶板垫片GB/T3985-19958垫片公称直径JB/T4704-200010009垫片外径JB/T4704-200086510垫片内径JB/T4704-200081511法兰厚度JB/T4702-20004812垫片厚度JB/T4704-2000313螺栓规格及数量M242243.10管板尺寸的确定及强度计算本设计为管板延长部分兼作法兰的形式，即GB151-1999项目5.7中，图18所示e型连接方式的管板，材料16Mn锻件。A、确定壳程圆筒、管箱圆筒、管箱法兰、换热管等元件结构尺寸及管板的布管方式；以上项目的确定见项目一至九。B、计算、、、、、、、、、、、、；序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1筒体内径8002筒体内径横截面积5026553筒体厚度84圆筒内壳壁金属截面积20307.35管子金属总截面积=5.3×1046换热管根数3007换热管外径258换热管壁厚2.59换热管材料的弹性模量GB150-1998表F518780010换热管有效长度441711沿隔板槽一侧的排管数3212布管区内未能被管支撑的面积16678.91213管板布管区面积282714.11214管板布管区当量直径60015换热管中心距GB151-19993216隔板槽两侧相邻管中心距GB151-19994417管板布管内开孔后的面积35539318系数0.7119壳体不带膨胀节时换热管束与圆筒刚度比2.6120壳程圆筒材料的弹性模量GB150-1998表F518780021系数=/0.14922系数3.4523系数4.9824管板布管区当量直径与壳程圆筒内径比0.7525管子受压失稳当量长度GB151-1999图32300026设计温度下管子受屈服强度GB150-1998表F222027管子回转半径8.00328系数129.829管子稳定许用应力48.6530校核合格C.对于延长部分兼作法兰的管板，计算和序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1垫片接触宽度GB150-1998表9-1252垫片基本密封宽度12.53垫片比压力GB150-1998表9-2114垫片系数GB150-1998表9-22.05垫片有效密封宽度96垫片压紧力作用中心圆直径9977预紧状态下需要的最小螺栓载荷309927.428操作状态下需要的最小螺栓载荷687608.41779常温下螺栓材料的许用应力GB150-1998表F455010预紧状态下需要的最小螺栓面积563.511操作状态下需要的最小螺栓面积1250.212需要螺栓总截面积1250.213法兰螺栓的中心圆直径111514法兰中心至作用处的径向距离5915预紧状态的法兰力矩4.1×10616筒体厚度817法兰颈部大端有效厚度1418螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交的径向距离143.519螺栓中心距FD作用处的径向距离157.520螺栓中心处至FT作用位置处的径向距离108.2521作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力38684822流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力差21398023操作状态下需要的最小垫片压力8678024操作状态的法兰力矩8.9×107D、假定管板的计算厚度为δ，然后按结构要求确定壳体法兰厚度，计算K，k、和。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1假定管板计算厚度402壳体法兰厚度403管板材料弹性模量GB150-1998表F5188×1034换热管材料的弹性模量GB150-1998表F5187.8×1035管板刚度削弱系数ηGB151-19990.46换热管有效长度44177管板强度削弱系数μGB151-19990.48管子金属总截面积5.3×1049换热管加强系数4.7710管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比0.7511管板周边不布管区的无量纲参数k1.1912管束模数281613壳体法兰材料弹性模量GB150-1998表F5188×10314壳体圆筒材料弹性模量GB150-1998表F5187.8×10315壳体法兰宽度18016系数GB151-1999图260.000217壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数=8.88518旋转刚度无量纲参数0.002478E、由GB151-1999P51图27按照K和查，并计算值，由图29按照K和查G2值序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管板第一弯矩系数GB151-1999图270.052系数16.953系数GB151-1999图291.0F、计算M1，由GB151-1999图30按照K和Q查，计算，、。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1管箱法兰材料的弹性模量GB150-1998表F5197×1032管箱圆筒材料的弹性模量GB150-1998表F5197×1033管箱法兰厚度JB/T4702-2000664系数GB151-1999图260.000405管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数=33.6576换热管束与圆筒刚度比2.617系数GB151-1999图308×10-48法兰力矩折减系数0.75599管板边缘力矩的变化系数=1/（/+）0.9810法兰力矩变化系数=×/0.25911管板第二弯矩系数GB151-1999图28（a）2.47G、按壳程设计压力，而管程设计压力=0，膨胀变形差r，法兰力矩的的危险组合（GB151-1999项目分别讨论）只有壳程设计压力，而管程设计压力，不计膨胀变形差。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1有效压力组合2.65652基本法兰力矩系数0.00543系数0.001454管板边缘力矩系数0.006825管板边缘剪切系数0.11566管板总弯矩系数0.37系数0.07548系数0.2819系数0.28110管板径向应力系数0.021711管板布管区周边外径向的应力系数0.014612管板布管区周边剪切应力系数0.07713壳体法兰力矩系数0.003714管板的径向应力150.3=202.515管板布管区周边外径向的应力134=202.516管板布管区周边的剪切应力4.13=67.517法兰的外径与内径之比1.0418系数GB150-1998表9-548.9719壳体法兰应力107.36=278.720换热管的轴向应力1.719=70.621壳程圆筒的轴向应力=××4.1822一根换热管管壁金属的横界面积176.6623换热管与管板连接的拉托应力0.0222只有壳程设计压力，而管程设计压力，并计入膨胀变形差。序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1壳程圆筒材料线膨胀系数GB150-199811.75×10-62换热管材料线膨胀系数GB150-199811.57×10-63沿长度平均的壳程圆筒金属温度GB151-1999附录F1354沿长度平均的换热管金属温度GB151-1999附录F127.75制造环境温度206换热管与壳程圆筒的膨胀变形差171.55×10-67有效压力组合14.468基本法兰力矩系数0.0009319管板边缘力矩系数0.00235210管板边缘剪切系数0.039811管程总弯矩系数0.142612系数0.28113管板径向应力系数0.020214管板布管区周边外径向的应力系数0.0296215管板布管区周边的剪切应力系数0.072016壳体法兰力矩系数0．000328217管板的径向应力76.174=40518管板布管区周边外径向的应力115.17=40519管板布管区周边的剪切应力22.399=202.520壳体法兰应力42.841=40521换热管的轴向应力-18.922=40522壳程圆筒的轴向应力=××3.89823换热管与管板连接的拉托应力-0.0963c、只有管程设计压力，。而壳程设计压力，不计膨胀节变形差时：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1有效压力组合11.9522操作状态的法兰力矩系数0.026083管板边缘力矩变化系数0.026084管板边缘剪切系数0.4425管板总弯矩系数0.79186系数0.2817管板径向应力系数0.028068管板布管区周边外径向的应力系数0.2289管板布管区周边的剪切应力系数0.110610管程压力作用下壳体法兰力矩系数0.01826311管板的径向应力196=202.512管板布管区周边外径向的应力132.76=202.513管板布管区周边的剪切应力28.4=79.514壳体法兰应力149=202.515换热管的轴向应力38=70.616壳程圆筒的轴向应力71.654=77.317换热管与管板连接的拉托应力0.01935=67.5d、只有管程设计压力，。而壳程设计压力，计入膨胀节变形差时序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1换热管与壳程圆筒的膨胀变形差171.55×10-62有效压力组合16.7523操作状态的法兰力矩系数0.026084管板边缘力矩变化系数0.026085管板边缘剪切系数0.4426管板总弯矩系数0.177系数0.328管板径向应力系数0.03199管板布管区周边外径向的应力系数0.0489710管板布管区周边的剪切应力系数0.099811管程压力作用下壳体法兰力矩系数0.01826312管板的径向应力186=40513管板布管区周边外径向的应力78.3=40514管板布管区周边的剪切应力30.86=202.515壳体法兰应力26.3=40516换热管的轴向应力-36.57=70.617壳程圆筒的轴向应力87.3=231.818换热管与管板连接的拉托应力-3.56=67.5H、由管板计算厚度来确定管板的实际厚度：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值备注1管板计算厚度402壳程腐蚀裕量23管程腐蚀裕量24管板的实际厚度45考虑圆整3.11是否安装膨胀节的判定由十.G.a、b、c、d计算结果可以看出：四组危险组合工况下，换热管与管板的连接拉托力均没超过设计许用应力，并且各项应力均没超过设计许用应力。所以，不需要安装膨胀节。3.12防冲板尺寸的确定根据GB151-1999《管壳式换热器》项目5.11.4确定防冲板的长为450mm，宽为375mm，厚度为8mm，防冲板外表面到圆筒内壁的距离为100mm。3.13折流板尺寸的确定3.13.1折流板类型根据GB151-1999《管壳式换热器》图37选择单弓行折流板，折流板缺口垂直左右布置。3.13.2换热管无支撑跨距或折流板间距由GB151-1999表42知，当换热管为外径25的钢管时，换热管的最大无支撑跨距为L=1850mm，且折流板最小间距一般不小于圆筒内直径五分之一且不小于50mm，取折流板间距B=400mm。3.13.3折流板管孔由GB151-1999表36查得管孔直径为25.4允许偏其主要尺寸如下表：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1折流板的厚度GB151-1999项目表34162折流板的直径GB151-1999表4110943折流板直径的允许偏差GB151-1999表4110940-0.84折流板的材料Q235-B5折流板的缺口高度GB151-1999P73图206折流板的弦高hGB151-1999P71图2253.14各管孔接管及其法兰的选择接管a、b选择相同型号的法兰，设水的流速u1=1.4m/s，则根据公式取d=100mm，设计压力为2.4Mpa由HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》选择板式平焊法兰(PL)，公称压力为2.5Mpa，相关尺寸如下：a,b进出水口接管法兰的选择：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径DNHG/T20592-2009表8.2.1-41002接管外径HG/T20592-2009表8.2.1-41083法兰外径HG/T20593-2009表8.2.1-42354螺栓中心圆直径KHG/T20593-2009表8.2.1-41905螺栓孔直径HG/T20593-2009表8.2.1-4226螺栓孔数量n个HG/T20593-2009表8.2.1-487螺纹HG/T20593-2009表8.2.1-4M208法兰厚度HG/T20593-2009表8.2.1-4269法兰内径HG/T20593-2009表8.2.1-411010坡口宽度HG/T20593-2009表8.2.1-4611法兰理论重量kgHG/T20593-2009表D-4612法兰密封面形式HG/T20593-2009表3.2.1RF13法兰密封面尺寸dHG/T20593-2009表3.2.5-1162c、d入口，出口接管法兰的选择，设油的流速u2=1.9m/s,则根据公式取d=200mm，设计压力为0.7MPa由HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》选择板式平焊法兰(PL)，公称压力为1Mpa，相关尺寸如下：序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管公称直径DNHG/T20592-2009表8.2.1-32002接管外径HG/T20592-2009表8.2.1-32193法兰外径HG/T20593-2009表8.2.1-33404螺栓中心圆直径KHG/T20593-2009表8.2.1-32955螺栓孔直径HG/T20593-2009表8.2.1-3226螺栓孔数量n个HG/T20593-2009表8.2.1-387螺纹HG/T20593-2009表8.2.1-3M208法兰厚度HG/T20593-2009表8.2.1-3249法兰内径HG/T20593-2009表8.2.1-322210法兰理论重量kgHG/T20593-2009表D-34.511法兰密封面形式HG/T20593-2009表3.2.1RF12法兰密封面尺寸dHG/T20593-2009表3.2.5-12683.15开孔补强计算(1)a、b孔DN=125mm序号项目符号单位数据来源和计算公式数值1接管壁厚102接管外径1333接管内径=-21134开孔直径=+2C1155壳体开孔处的计算厚度=2.736接管名义厚度107接管有效厚度=-C98设计温度下接管材料的许用应力GB150-19981599设计温度下壳体材料的许用应力GB150-199813310强度削弱系数=/1.1911圆筒开孔所需补强面积30412补强有效宽度B20013接管外侧有效补强高度=min{，接管实际外伸高度}3114接管内侧有效补强高度{接管实际内伸高度，}015壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积344.069416接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积516.4617接管计算厚度2.0718焊缝金属截面积GB150-1998项目3619补强面积896.5294因为=896.5294>=304所以a、b孔不需补强。同理，其它各孔也不需要补强。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文参考文献参考文献[1]《管壳式换热器》中国石化出版社马小明钱颂文朱冬生江楠方江敏等编[2]《过程设备设计》化学工业出版社郑津洋董其伍桑芝富主编[3]《化工设备设计全书-换热器》化学工业出版社秦叔经叶文邦等编[4]《化工原理》大连理工大学出版社王国胜主编[5]《管壳式换热器原理与设计》辽宁科学技术出版社金志浩龚斌金文陈东初主编[6]《工程常用物质的热物理性质手册》新时代出版社张家荣赵廷元主编沈阳化工大学科亚学院学士学位论文致谢致谢经过一学期的忙碌，毕业设计环节即将结束。在学校领导的关怀下，在金丹老师的帮助下，顺利的完成了毕业设计的全部任务。在此。我对金老师以及在毕业设计中给予我帮助的老师和同学表示深深的感谢。整个毕业设计环节紧张有序，初期，金老师指导我们查阅资料，让我们熟悉各种标准，为我们解难答疑、纠正错误，在金老师深入浅出的指导下，我少走了很多弯路，使设计能够较顺利的完成。通过金老师的热心指导，我学到了很多书本上学不到的东西，都是实践中得出的经验知识。通过一学期的学习，基本了解了各种容器的设计过程，熟练的掌握了管壳式换热器的设计方法和步骤，以及相关领域的许多知识，提高了自学能力，从而使我们的专业知识更加专业化、系统化。使我们大学四年学的知识更加系统，完善。金老师知识渊博、实践经验丰富、治学严谨、态度认真、高标准严要求，不厌其烦的为我们指正和纠正错误，这些都给我很大的启迪，加深了我对过程装备的认识，同时也激发了我对本专业学习的浓厚兴趣。在设计过程中，金老师要求我们多动脑，勤动手，多查资料，学会怎么去自学，使我们学到了许多东西，受益匪浅。金老师不但教我们专业知识，还教了许多课外的东西，教我们以后怎么做人怎么做事，这些将对我以后的工作和学习产生深远的影响，将成为我人生的一大财富，在次，再一次深深的感谢金老师的教诲。由于本人水平有限，加上时间仓促，虽然我很努力很认真地去做，但是难免有些错误和不足。恳请老师给予批评指正，再次表示真诚的感谢！此致敬礼姜金泽 2016年6月6日基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究HYP