漁業(yè)蒸發(fā)器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄1 緒論11.1 選題背景及研究意義11.2換熱器分類及選擇11.3 換熱器的發(fā)展趨勢(shì)21.4設(shè)計(jì)過程21.4 本論文主要內(nèi)容32 換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算32.1、已知條件：32.2、計(jì)算步驟32.2.1管子數(shù)n32.2.2管子排列方式，管間距的確定32.2.3確定換熱器筒體直徑42.2.4加熱室筒體壁厚計(jì)算42.2.5加熱室水壓試驗(yàn)52.2.6 設(shè)計(jì)計(jì)算管箱52.2.7筒體與管箱的連接72.2.8管箱與筒體連接法蘭的選用92.2.9確定管板尺寸92.2.10管子的拉脫力計(jì)算162.2.11計(jì)算是否要安裝膨脹節(jié)182.2.12選取接管192.2.13選取接管法蘭192.2.14分離室計(jì)算2

2、02.2.15 支座232.2.16 殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)23結(jié) 論28致 謝29參 考 文 獻(xiàn)301 緒論1.1 選題背景及研究意義蒸發(fā)器也就是換熱器，是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的使用目的來命名的。換熱器就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。它是化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。對(duì)于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。用換熱器進(jìn)行熱能回收或工藝過程加熱（冷卻）時(shí)，一方面實(shí)現(xiàn)了熱能回收利用，帶來了經(jīng)濟(jì)效益；另一方面要增加相應(yīng)的投資和其他費(fèi)用。因此在設(shè)計(jì)或選用換熱器時(shí)，存在著如何使之經(jīng)濟(jì)合理的問題。設(shè)計(jì)者希望能有一種簡(jiǎn)單而又符合工程要求的方法，

3、來經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)或選用換熱器。工業(yè)生產(chǎn)中所用換熱器的種類很多，其中管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，以降低動(dòng)力消耗，減少占地面積和金屬消耗。所以對(duì)它的研究就顯得尤為重要。1.2換熱器分類及選擇在化工生產(chǎn)中由于用途、工作條件和載熱體的特性等的不同，對(duì)換熱器提出了不同的要求，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。為了便于對(duì)它進(jìn)行分析研究，可將換熱器分類如表1.1所示。 表1.1 換熱器的分類分類式名稱備注作用原理或傳熱方式直接接觸式又稱混合式，是利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱的換熱器。該換熱器具有傳熱效率高，單位容積提供的

4、傳熱面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場(chǎng)合。蓄熱式又稱回?zé)崾?，是借助于由固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。該換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面大，適合用于氣-氣熱交換的場(chǎng)合。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器就是一種蓄熱式換熱器。間壁式又稱表面式，是利用間壁將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。是應(yīng)用最廣泛的換熱器，形式多樣，常見的如管殼式和板式換熱器。中間載熱體式這類換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。生產(chǎn)中使用目的冷卻器加熱器冷凝器汽化器也稱再沸器

5、。換熱器使用材料金屬非金屬換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)管式蛇管式套管式管殼式板面式螺旋板式板式板翅式板殼式以上各種換熱器都有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，所以在選擇換熱器時(shí)應(yīng)考慮多方面因素，進(jìn)行全面分析，根據(jù)不同的使用目的和工藝要求選擇最合適的換熱器。選擇換熱器時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：(1)滿足工藝要求，不論是設(shè)計(jì)換熱器或是選型，都必須符合工藝要求。如流體的種類、油料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，特別是腐蝕性，操作壓力、溫度、允許的壓力降、結(jié)垢情況等。(2)換熱效率要高，盡量使兩種流體的傳熱系數(shù)相同或相近，以保證有較大的傳熱系數(shù)。(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠。(4)安裝、檢修、清洗方便等。1.3 換熱器的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前

6、換熱器的發(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)制造的標(biāo)準(zhǔn)系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。1.4設(shè)計(jì)過程本文主要從換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本邏輯入手，首先確認(rèn)問題，選擇一種基本的換熱器類型，其次選擇一系列換熱器的暫行參數(shù)并計(jì)算設(shè)計(jì)值：壁厚，最大壓力值，最大應(yīng)力值等，再次，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，檢驗(yàn)校核包括：壓力校核，應(yīng)力校核，反復(fù)修改，檢驗(yàn)，最后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析并得出結(jié)論。換熱器是由各種受壓部件組成的，其中筒體、管箱、封頭、法蘭、管板、換熱管等受壓部件都必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以確保在運(yùn)行中安全可靠。其計(jì)算必須嚴(yán)格按照gb150-1998鋼制壓力容器和gb1

7、51-89管殼式換熱器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。1.4 本論文主要內(nèi)容本文的主要內(nèi)容是對(duì)換熱器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，包括筒體的設(shè)計(jì)計(jì)算，封頭厚度設(shè)計(jì)計(jì)算，管箱厚度設(shè)計(jì)計(jì)算，換熱管及兼做法蘭的固定管板的設(shè)計(jì)計(jì)算，筒體的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。最后嚴(yán)格按照gb151-89管殼式換熱器中的規(guī)定對(duì)換熱器進(jìn)行了檢驗(yàn)與驗(yàn)收。2 換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算2.1、已知條件：名 稱管程殼程物料名稱魚液蒸汽設(shè)計(jì)壓力mpa0.60.6工作壓力mpa0.50.5工作溫度170 170換熱面積15m2推薦材質(zhì)2020r2.2、計(jì)算步驟2.2.1管子數(shù)n 選252.5的20號(hào)鋼的無縫鋼管，管長(zhǎng)1500mm。 由換熱面積，可得 （2-1） 考慮到留有一定的

8、裕量，實(shí)際管數(shù)取為140根。2.2.2管子排列方式，管間距的確定 換熱管在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圓排列三種方式，如圖所示。 圖1 換熱管排列方式 在管板上管子排列的間距t，與管子與管板的連接方法有關(guān)。本設(shè)計(jì)采用正三角形的排列方式 所以取2.2.3確定換熱器筒體直徑筒體內(nèi)徑可由下式計(jì)算： （2-2）式中t換熱器的管間距，t=32mm； nc一位于管束中心線上的管數(shù)，管子按正三角形排列時(shí): （2-3）一最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取,取筒體內(nèi)徑 ，且為固定管板式。查gb151-89表3-2的 400700mm圓筒的最小厚度為6mm(包括厚度附加量=1mm)2.2.4加熱室筒體壁

9、厚計(jì)算 取設(shè)計(jì)壓力0.6mpa，焊縫系數(shù)，材料選用20r，按照標(biāo)準(zhǔn)中的20r，123mpa。取鋼板厚度負(fù)偏差，腐蝕裕量，設(shè)計(jì)壁厚為： （2-4）設(shè)計(jì)厚度名義厚度根據(jù)規(guī)定取有效厚度 2.2.5加熱室水壓試驗(yàn) 加熱器水壓水壓試驗(yàn)壓力： 為了方便壓力表讀數(shù)，取水壓試驗(yàn)應(yīng)力為： = =57.3mpa （2-5）為水壓試驗(yàn)時(shí)筒體的壁內(nèi)應(yīng)力。所用20r板材在常溫245mpa，由gb150-1998查出 可見水壓試驗(yàn)時(shí)筒體壁內(nèi)應(yīng)力小于，水壓試驗(yàn)安全。2.2.6 設(shè)計(jì)計(jì)算管箱管箱的作用是把由管道來的管程流體均勻分布到各傳熱管把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體流向的作用。無論那

10、種管箱，其管箱的最小內(nèi)側(cè)深度應(yīng)當(dāng)滿足這樣的要求：使連接雙程間流體流動(dòng)的橫截面至少大于或等于單管程通過的截面。 選擇管箱結(jié)構(gòu)形式（1）、a型（平蓋管箱）如圖（a）裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時(shí)只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路，缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大是得用鍛件，耗費(fèi)大量機(jī)加工時(shí)，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一一般多用于dn900mm的浮頭式換熱器中。（2）、b型封頭管箱型 如圖（b），用于單程或多程管箱，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，適于高壓，清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價(jià)高的盲板、法蘭和幾十對(duì)螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好的多，缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管

11、程時(shí)必須拆下連接管道和管箱。（3）、c型、d型管箱 這種形式是管箱一端與殼體及管板連成一體，或是用于可拆管束與管板制成一體的管箱，另一端可采用a型結(jié)構(gòu)，減少了泄漏的可能性。一般用的較少，只在高壓情況下采用。 a型管箱 b型管箱 c型管箱 d型管箱圖2 管箱形式本設(shè)計(jì)選擇a型管箱 選擇封頭為平蓋平蓋厚度的計(jì)算公式 （2-6)其中dc-墊片壓緊力作用力中心圓直徑，mmk-結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。取下列兩式中的較大值 操作時(shí)系數(shù) (2-7) 預(yù)緊時(shí)系數(shù) (2-8)lg-墊片壓緊力的力臂，為螺栓中心圓直徑與dc之差的一半，mmw-預(yù)緊狀態(tài)或操作狀態(tài)時(shí)的螺栓設(shè)計(jì)載荷，n 確定法蘭為甲型凹凸密封法蘭 pn0.6 d

12、n500 材料選用16mnr螺栓中心圓直徑 根據(jù)jb4704-92 選取墊片 d=539mm ，d=503mm n=18mm n-墊片接觸寬度 由gb1501998表91 取墊片基本密封寬度所以墊片有效密封寬度查gb150-98 表9-2 取 y=11 ，m=2預(yù)緊狀態(tài)下的最小螺栓載荷 (2-9)操作狀態(tài)下的最小螺栓載荷 (2-10) 操作時(shí) 預(yù)緊時(shí) 假設(shè) 不符合假設(shè) 符合所以平蓋的厚度為22mm。取上下平蓋厚度均為22mm管箱材料選用20r，考慮到考慮到管箱應(yīng)有足夠的空間來均勻輸送流體，現(xiàn)取管箱筒節(jié)長(zhǎng)l=360mm。2.2.7筒體與管箱的連接考慮到筒體直徑500mm，上下管箱壁厚與筒體壁厚相

13、等，為了減少成本，保證密封性能。將上下封頭與筒體用法蘭連接在一起。管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間可以有不同的連接方式，如圖3所示。 圖3a型 ： 管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接；b型 ： 管板直接與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)；c型 ： 管板與殼程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分形成凸緣被夾持在活套環(huán)與管箱法蘭之間；d型 ： 管板與管箱圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分形成凸緣被夾持在活套環(huán)與殼體法蘭之間；e型 ： 管板與殼程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分兼作法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接；f型 ： 管板與管箱圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分兼作法蘭，與殼體法蘭用螺柱、墊片連接。本次設(shè)計(jì)選用e型連接2.2.8管箱與筒體連

14、接法蘭的選用根據(jù)jb4703一92標(biāo)準(zhǔn)，選用的凹凸密封面長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。本換熱器因采用管板兼作法蘭，故選用兩個(gè)凹面法蘭(管板兼作凸面法蘭)，材料選用16mnr。2.2.9確定管板尺寸選用固定式換熱器管板，并兼作法蘭。材料選用16mnr。因管板兼作槽面法蘭，故其與法蘭相配的密封面尺寸應(yīng)按所選法蘭的相應(yīng)尺寸來確定。管板厚度的計(jì)算見gb15198表3-15，具體計(jì)算步驟如下：已知條件如下所示：管子殼體材質(zhì)2020r線膨脹系數(shù)彈性模量e（mpa）尺寸 管子數(shù) 140根管間距32mm殼程圓筒的內(nèi)徑面積 (2-11) 殼程圓筒金屬的橫截面積 (2-12)換熱管金屬的總截面積 (2-13)管板的開孔面積 (2

15、-14)假定管板的厚度 = 40mm換熱管的有效長(zhǎng)度 l=換熱管的總長(zhǎng)-2-3=1500-240-3=1417mm (2-15)換熱管束模數(shù) (2-16)管子的回轉(zhuǎn)半徑 (2-17)管子的受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度，查閱gb151-89,圖3-21，可知其與折流板間距有關(guān)，本設(shè)計(jì)不加折流板則由圖3-21，取 (2-18)則系數(shù) (2-19) 管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 (2-19)開孔之后的面積 (2-20)管板布管區(qū)的面積 (采用正三角形排列) (2-21)管間距。查gb151-89 表3-7， 取32mm隔板槽面積，本設(shè)計(jì)不分程 取 所以 管板布管區(qū)當(dāng)量的直徑： (2-22) 由于法蘭的外徑與管板的外徑相互

16、平齊，所以取管板的直徑為640mm系數(shù)： (2-23) (2-24) (2-25) (2-26) (2-7) (2-28)法蘭力矩的計(jì)算： 基本法蘭力矩 ，其計(jì)算查閱gb1501998 螺栓載荷的計(jì)算 預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓載荷：查壓力容器的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，此處選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭（pn1.0,dn500）,凹凸密封面則 (2-30)m,y查 gb1501998表92 取y=11 ,m=2查gb150-1998表9-1 取墊片基本密封寬度 (2-31)因?yàn)?所以墊片有效密封寬度所以預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓載荷： 操作狀態(tài)下的螺栓載荷： (2-32) 螺栓面積的計(jì)算： 預(yù)緊狀態(tài)下螺栓面積： (2-33) 螺栓材料取為q

17、235，查gb1501998表47 得 操作狀態(tài)下的螺栓面積： 所需要的螺柱面積： 取其中大值2411實(shí)際用24個(gè)m20螺柱，其螺柱的總面積： 所以符合要求的螺柱設(shè)計(jì)載荷。預(yù)緊狀態(tài)的螺柱載荷： (2-34)操作狀態(tài)螺柱載荷: 法蘭基本力矩： (2-35) (2-36)螺柱中心圓直徑 查法蘭標(biāo)準(zhǔn) 此處 查gb150-1998 第96頁(yè)管程壓力作用時(shí)法蘭力矩的計(jì)算 (2-37) (2-38) (2-39) (2-40) (2-41)管板的計(jì)算：管子的加強(qiáng)系數(shù)： (2-42) 所以k=4.1 (2-43)法蘭的計(jì)算：法蘭的寬度 (2-44)管箱法蘭的厚度 因?yàn)榉ㄌm為fm 500-1.0所以 (2-4

18、5)查gb151-1998 圖3-15得：旋轉(zhuǎn)剛度 (2-46)法蘭材料采用16mnr 取為 此處用長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭 所以殼體法蘭厚度取為查gb151-1998 圖3-15得：殼體法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度 (2-47) 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) (2-48) =0.00278殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)y :查gb15098 p103 表95 (2-49)查表得 y=8.01按k, 查gb151-1998 圖316 得 (2-50)按k, 查gb151-1998 圖318 得 (2-51)按k,q 查gb151-1998 圖319 得 (2-52) (2-53) (2-54) (2-55)按k,q 查gb151-1998 圖

19、317 得 殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合殼程設(shè)計(jì)壓力 =0.1164mpa 管程壓力=0不計(jì)膨脹差y=at(tt-to)-as(ts-to)0yet/mpa0/mpa-0.43-0.240.288=2.51.8 1.4/mpa0.055/mpa0.213/mpa0.162/mpa-0.14管板應(yīng)力/mpa7.4/mpa6.7/mpa-1.13殼體法蘭應(yīng)力/mpa47.5管子應(yīng)力mpa-1.011.01540mpa時(shí)，接管與殼體的連接宜采用全焊透結(jié)構(gòu)形式。2、 接管腐蝕裕量為1mm。加熱器與蒸發(fā)器接管選擇了1594.5，取料管182 1 加熱室與分離室接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算加熱室圓筒名義厚度6mm，有效

20、厚度e4.4mm，設(shè)計(jì)壓力p0.6mpa,設(shè)計(jì)溫度170，在圓筒接1594.5的接管，接管高度180mm,圓筒材料為20r,接管材料為20號(hào)鋼，其許用應(yīng)力t=123mpa,接管的厚度附加量c2.0mm，焊接接頭系數(shù)。開孔直徑 mm開孔直徑符合等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。筒體計(jì)算壁厚mm (2-65)強(qiáng)度削弱系數(shù) 接管有效厚度 mm接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 需要補(bǔ)強(qiáng)面積 (2-66)可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積mm2 (2-67)接管計(jì)算厚度 mm2 (2-68) 接管多余金屬面積 mm2 (2-69) 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0） 有效補(bǔ)強(qiáng)面積 (

21、2-70)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)。分離室封頭的 分離室封頭圓筒計(jì)算厚度8mm，有效厚度e6.4mm，設(shè)計(jì)壓力p0.6mpa,設(shè)計(jì)溫度170，在圓筒接1594.5的接管，圓筒材料為20r,接管材料為20號(hào)鋼，其許用應(yīng)力t=123mpa,接管的厚度附加量c2.0mm，焊接接頭系數(shù)。開孔直徑 開孔直徑符合等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。封頭計(jì)算壁厚強(qiáng)度削弱系數(shù) 接管有效厚度 接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 故b=308mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 故h1=26.3mm需要補(bǔ)強(qiáng)面積 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積接管計(jì)算厚度 接管多余金屬面積 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0） 有效補(bǔ)強(qiáng)

22、面積 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)。2 取料管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 分離室封頭圓筒計(jì)算厚度8mm，有效厚度e6.4mm，設(shè)計(jì)壓力p0.6mpa,設(shè)計(jì)溫度170，在圓筒接182的接管，接管高度150mm,圓筒材料為20r,接管材料為20號(hào)鋼，其許用應(yīng)力t=123mpa,接管的厚度附加量c1.0mm，焊接接頭系數(shù)。開孔直徑 開孔直徑符合等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。封頭計(jì)算壁厚強(qiáng)度削弱系數(shù) 接管有效厚度 mm接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 故b=34mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 需要補(bǔ)強(qiáng)面積 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積接管計(jì)算厚度 接管多余金屬面積 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0） 有效補(bǔ)強(qiáng)面積 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)。結(jié) 論這次設(shè)計(jì)是在大學(xué)完成四年全部課程的基礎(chǔ)上，查閱了相關(guān)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。一個(gè)月以來，我們?cè)谥笇?dǎo)老師的熱心指導(dǎo)下，經(jīng)過個(gè)人的努力，順利完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。本次設(shè)計(jì)大致分四個(gè)步驟，首先進(jìn)行的是工藝部分計(jì)算，確定換熱管數(shù)、管長(zhǎng)、管程及殼程流體的流速、換熱器筒體的內(nèi)徑等；然后就開始換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過抑制條件及計(jì)算部分的結(jié)果選定固定管板式換熱器的一系列零部件，這步工作需要參照gb151，gb150等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；接著進(jìn)行各