老師指導(dǎo)設(shè)計(jì)正文

1、大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）前言換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的一種設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用，在各個(gè)化工相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，人們通過換熱器來將熱量從一溫度較高的物料傳遞到另一溫度較低的物料。例如，在氨的生產(chǎn)中，通過廢熱鍋爐來降溫以實(shí)現(xiàn)溫度的目的；在精餾塔結(jié)構(gòu)中設(shè)置冷凝器；用換熱器來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)的散熱等等。這都是換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。換熱器按結(jié)構(gòu)形式分成好幾種，其中管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。本次設(shè)計(jì)的是浮頭式換熱器，是管殼式換熱器的一種，和其他管殼式換熱器一樣，能適應(yīng)高溫、高壓的工作環(huán)境，同時(shí)，還容易清潔，但造價(jià)比較貴。在設(shè)計(jì)的過程中，我根據(jù)設(shè)計(jì)說明書，翻閱了相關(guān)資料，查了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

2、，從工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度校核等方面設(shè)計(jì)出了符合條件的浮頭式換熱器，并繪制了圖紙。本次設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)成果的檢驗(yàn)，但因人水平有限、知識(shí)比較匱乏，設(shè)計(jì)中難免有錯(cuò)誤以及不當(dāng)之處，希望各位、同學(xué)能給予指正。第 1 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第一章 概述1.1 研究的目的和意義在化工、煉油、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中，絕大部分的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些被總稱為換熱過程，而使這些換熱過程得以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備稱為換熱設(shè)備,作為通用工藝設(shè)備被廣泛應(yīng)用于化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其他許多工業(yè)部門。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 在化工廠， 換熱設(shè)備的投資約占總投資的 10%20%；在石油煉廠中，約占全部工藝設(shè)備

3、投資的 35%40%?？梢钥闯鲈谔岣邆鳠嵝实耐瑫r(shí)，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性以及的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化與專業(yè)化不僅可以對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行提高，還能節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本。1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)上個(gè)世紀(jì) 70 年代初發(fā)生世界性能源，地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。換熱器技術(shù)的發(fā)展以 CFD（計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)）、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)等形成一個(gè)高技術(shù)體系。最近十幾年，強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外先后推出了板式、螺旋板式、板翅式等高效的傳熱設(shè)備。早期，我國(guó)換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，由于工藝以及技術(shù)的限制，當(dāng)時(shí)的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，不但傳熱面積小，而且體

4、積大、笨重。近年來，借著國(guó)內(nèi)迅猛發(fā)展良好機(jī)遇，的國(guó)內(nèi)的換熱器制造技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，各種類型和種類的換熱器發(fā)展猛烈，使用新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)，但與國(guó)外有不小的差距，特別是在新型高效換熱器領(lǐng)域。未來，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求將會(huì)有以下特點(diǎn)：質(zhì)量水平應(yīng)有更高的要求，特別是在環(huán)保與節(jié)能方面，更是發(fā)展的重點(diǎn)方向；的性價(jià)比應(yīng)該更高；產(chǎn)品的多樣化與系列化；品牌的需求；生產(chǎn)廠家的大型化與化。在國(guó)外二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)了板式換熱器，一出現(xiàn)就應(yīng)用在了食品行業(yè)。板式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好，后來被發(fā)展出了多種結(jié)構(gòu)形式。30 年代初，瑞典制成了螺旋板換熱器，接著英國(guó)用釬焊成了由銅及其合金材料制造的板翅式換

5、熱器，并應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)散熱。30 年代末，瑞典又首次第 2 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）制成了板殼式換熱器，并應(yīng)用于紙漿工廠。同時(shí)，腐蝕問題漸漸被人們重視，越來越多的人注意到了新材料的應(yīng)用。到了 60 年代，隨著制造工藝的進(jìn)一步完善，緊湊型板面式換熱器得到了蓬勃的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為了滿足在高溫、高壓條件下的工藝要求，典型管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步發(fā)展，增加了強(qiáng)化傳熱。70 年代，逐漸向體積減小、重量減小、消耗減少、適應(yīng)性增強(qiáng)方面發(fā)展。在國(guó)外市場(chǎng)，現(xiàn)如今，雖然板式換熱器發(fā)展迅速，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不斷上升，但管殼式換熱器仍占住著主導(dǎo)地位。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，換熱設(shè)備也漸漸向著高溫、

6、高壓、大型化方向發(fā)展。1.3 本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容本次設(shè)計(jì)的是浮頭式換熱器，是管殼式換熱器的一種，具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在現(xiàn)如今的各種換熱器中占住著主導(dǎo)地位。組成，根據(jù)換熱管材料、管數(shù)、管程、管壁溫度、管程數(shù)以及殼形狀、與數(shù)量、折流板的布置情況和確定換熱器的結(jié)構(gòu)。根據(jù)已知第二章 換熱器工藝設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)第 3 頁 共 73 頁的工作狀況，選定換熱器所在的化工工藝過程，從而根據(jù)工藝條件，以確定換熱器內(nèi)介質(zhì)的物性參數(shù)；根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)結(jié)合已知條件，進(jìn)一步計(jì)算換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后進(jìn)行換熱器核算。體材料、內(nèi)徑、厚度、殼程、溫度等條件下確定管板的厚度、折流板的該換熱器設(shè)計(jì)參考的前提是常減壓

7、裝置中的工藝條件，根據(jù)裝置工藝條件選擇具體的流量、溫度、等參數(shù)。浮頭式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是管束可以抽出，以方便管、殼程；介質(zhì)間溫差不受限制；可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于 450°，小于等于 6.4MPa；可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合；可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，制造安裝要求高。浮頭式換熱器是由管箱、筒體、管板、封頭、折流板、換熱管等零部件大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）滑油流量 50m3/h， 進(jìn)口溫度 45,出口溫度 40,冷卻水流量 54m3/h,進(jìn)口溫度 33，管程殼程操作為 0.435MPa。2.2 設(shè)計(jì)方案換熱器按設(shè)計(jì)要求選擇浮頭式換熱器。如下圖所示，循環(huán)冷卻水容易結(jié)

8、垢，而且，當(dāng)流速慢的時(shí)候，結(jié)垢的速度還會(huì)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器的流量下降。綜合考慮，水走管程，滑油走殼程，選擇逆流。圖 2.1 并、逆流示意圖2.3 物性參數(shù)的確定對(duì)于一般滑油和水，粘度低，定性溫度可以取溫度的平均值，則滑油的定性溫度為：T= 45 + 40 =42.52查取滑油在 42.5下的物性參數(shù)有：r 876 kg/ m3密度1cp1 =1.955 kJ/(kg·K)定壓比熱容l1 =0.144 W/(m·K)熱導(dǎo)率m1 =0.21 pa·s粘度第 4 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）則熱流量為：Q1 = cp1 qv r1 t1 =1.955×

9、;50×876×(45-40)=428145kJ/h= 428145 =119即Qkw13600其中，qv體積流量 m3 /h假設(shè)冷卻水的出口溫度為 35則水的定性溫度為：T= 35 + 33 =342查物性表可得水在 34下的物性參數(shù)為：r 994.3 kg/ m3密度2定壓比熱容cp 2 =4.174 kJ/(kg·K)l2 =0.624 W/(m·K)熱導(dǎo)率-3m2 =0.742×10Pa·s粘度由熱流量得冷卻水的溫差： t2 = Q1 /（ cp 2 qv r2 ）=428145/(4.174×54×994

10、.3)=1.9故假設(shè)比較合理。則總傳熱系數(shù) K 取經(jīng)驗(yàn)值為：K=510 W/(·K)2.4 估算傳熱面積按純流體計(jì)算，由于Dt大 / Dt小 =(45-35)/(40-33)=1.4<2所以（Dt大 + t?。﹖m=(10+7)/2=8.5 K2可求換熱面積為：AP = Q1 /(K· tm )=119/(510×8.5)=27.5第 5 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）2.5 確定工藝結(jié)構(gòu)2.5.1 傳熱管的選擇小管徑的結(jié)構(gòu)緊湊，體積傳熱面積大，成本少，故選f 19×2較高級(jí)冷拔換熱管(材質(zhì)為碳鋼)，取管內(nèi)流速為 u=1.3m/s。2.5.2

11、 傳熱管數(shù)與管程數(shù)單程傳熱管數(shù)為：54ns V/( 4 di2u)=65.3 根3600´ 0.785´ 0.0152 ´1.3則傳熱管長(zhǎng)度為：L AP /d0 ns 27.5/（3.14×0.015×65）= 8.98 m一般按四管程設(shè)計(jì)會(huì)使傳熱管長(zhǎng)度適中，則取管長(zhǎng)為：L=2.25 m則傳熱管總根數(shù)為：NT =65×4260 根2.5.3 平均傳熱溫差的校正以及殼程數(shù)換熱器采用的是多殼程，則流體的形式不是純粹的并流與逆流，使得平均溫差的計(jì)算變得復(fù)雜。對(duì)于錯(cuò)流或復(fù)雜的流體的平均溫差，查設(shè)計(jì)手冊(cè)知，常用圖算法，過程如下：R= ( T1

12、- T2 )/( t2 - t1 )=(45-40)/(35-33)=2.5P= ( t2 - t1 )/( T1 - t1 )=(35-33)/(45-33)=0.167第 6 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）其中R熱流體的溫降/冷流體的溫升P冷流體的升溫/兩流體最初溫差T1 、T2 熱流體溫度t1 、t2 冷流體溫度按單殼程、四管程結(jié)構(gòu)，查圓筒和管子幾何參數(shù)計(jì)算圖有：圖 2.2 單殼程管子參數(shù)圖圖 2.3 四殼程管子參數(shù)圖則平均傳熱溫差校正系數(shù)為：t 0.960.8，故單殼程合適第 7 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）求得平均傳熱溫差為：tm =t ·tm=0.96

13、15;8.5=8.162.5.4 傳熱管的排列以及分程換熱管排列方式主要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列可以在同樣的管板面積上排的管子，但是管外不易，故采用組合排列法。即管程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)用正方形排列，如下圖所示。圖 2.4 傳熱管排列方式換熱管中心距宜不小于 1.25 倍的換熱器外徑，根據(jù)常用的換熱器中心距表有：表 2.1 換熱器中心距換熱器中心距為：S=25 mm分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距為：Sn=38 mm結(jié)構(gòu)：第 8 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.5分程隔板槽結(jié)構(gòu)2.5.5 殼體內(nèi)徑殼體內(nèi)徑為：D= 1.05tN/h其中，t 管心距m

14、mN 傳熱管的總根數(shù)d0 傳熱管外徑mm 管板利用率換熱器采用多管程結(jié)構(gòu)，取=0.6，則D=1.05×25 260 / 0.6 =546.4mm圓整可取 D=600 mm2.6 換熱器的核算2.6.1 熱流量的核算當(dāng)量直徑為： 3p2（4t - d0）d =24=4( 3 /2)× 0.0252 -0.785× 0.0192 /(3.14×0.0epd0第 9 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）19)=0.017 m殼程流通截面積為：S0 =BD(1- d0 /t)=0.18×0.6(1-0.019/0.025)=0.0259 殼程流體流速為

15、：u0 = qVO / A0 =(50/3600)/0.0259=0.54 m/s則雷諾數(shù)為：Re0 = d0 u0/0 =0.015×0.54×876/0.21=33.792300，層流普蘭特?cái)?shù)為：Pr cp 0 / l 1955×0.21/0.144= 2851又因?yàn)閐R P2851×33.79×0.015/2.25=642.210e rl努塞特?cái)?shù)公式為Nu= a0 .d/ la0 傳熱系數(shù)其中d 流體特征常數(shù)l 熱導(dǎo)率則傳熱系數(shù)為：dl1a = 1.86(R P)3 ()0 14 d0e rlw第 10 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（

16、）其中，粘度校正( )0.14 1w所以1a0 =1.86×(2851×33.79×0.015/2.25 )3 ×0.144=154W/(·K)0.015對(duì)管內(nèi)，假設(shè)冷卻水為湍流，則Nu=0.023 Re0.8 Prna = 0.023 diui）0.（8CP）n （得idi根據(jù)化工原理可知： 自來水被加熱時(shí)，n=0.4所以，管程流體流通截面積為：260S =(/4)·d ·n =0.785× 0.015 ×=0.012 22si4求得管程流體流速為：54u =1.25 m/si3600´ 0.

17、012可得雷諾數(shù)為：= 0.015´1.25´ 994.3 =25125.5100000Re= d u / m2i20.742 ´10-3所以，假設(shè)成立，即冷卻水為湍流普蘭特?cái)?shù)為：第 11 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）4.174 ´103 ´ 0.742 ´10-3Pr cp mi / l =4.960.624代入公式可得：a =0.023× 0.624 ×(25125.5 )0.8 × 4.960.4 =6013W/(·K)i0.015查GB151-1999 管殼式換熱器F7.1 表

18、F1 有：管外側(cè)污垢熱阻Ro =0.000176 ·/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri =0.0006 ·/W又查表 F3 得碳鋼在給定設(shè)計(jì)條件下的熱導(dǎo)率約為 51.8W/(m·)則管壁熱阻為：R = 0.002 =0.00004 ·/Wbl51.8ww其中b傳熱管厚度m；lw 管壁熱導(dǎo)率W/(m·)bd1d1d111由公式=+ R+ R+得ldd1d 2Kada d0m2i 2傳熱系數(shù)為：1K=1 + 0.000176 + 0.0019 ´ 0.0015 + 0.0006 0.0015 +0.001551.8 ´ 0.001750.0

19、0196013´ 0.0019154第 12 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）=514 w/m2·KQ1由公式 A =得：cKtm= 119 ´1000 28.4 Ac514 ´ 8.16又換熱器的實(shí)際換熱面積為：Ap d0lNT 3.14×0.019×2.25×260=34.9 所以換熱器的面積裕度為：Ap - Ac34.9 - 28.4H=22.920Ac28.4所以傳熱面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.6.2 壁溫的核算該換熱器的管壁比較薄，而且管壁熱阻非常小，所以管壁溫度公式為：( 1( 1+ R ) + t+

20、 R )TcmhaaMt =ch1a1+ R + Rchach又因?yàn)樵摀Q熱器用循環(huán)水冷卻，在冬季工作時(shí)，循環(huán)水的溫度會(huì)比較低。取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度 15、出口溫度 39來計(jì)算傳熱管壁溫。同時(shí)，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻比較大，這會(huì)使得傳熱管壁溫升高，從而降低了傳熱管與殼體之間的壁溫差。但是，在操作初期，傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻比較小，則傳熱管與殼體之間壁溫差會(huì)比較大。計(jì)算時(shí)，應(yīng)該按最不利的操作條件來考慮，故，取兩側(cè)的污垢熱阻為零來計(jì)算傳熱管壁溫。第 13 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）所以，公式可以寫為：Tm + tm acaht =11+acah其中 Tm 熱流體的平均溫度，tm 冷流體的平均溫

21、度，ac 熱流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(·K)ah 冷流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(·K)液體的平均溫度為：t = 1 (t + t )=34m122T = 1 (T + T )=42.5m122其中 T1 熱流體進(jìn)口溫度，T2 熱流體出口溫度，t1 冷流體進(jìn)口溫度，t2 冷流體出口溫度，所以傳熱管的平均壁溫為：第 14 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）42.534+t = 6013154=34.211+1546013殼體壁溫可以近似的取殼程流體的平均溫度為： T=42.5所以，殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為： t=42.5-34.2=8.3該溫差較小，實(shí)際上可以不使用浮頭式

22、，但是按設(shè)計(jì)要求選用浮頭式。2.6.3 換熱器內(nèi)流體阻力的核算管程流體總阻力為：DPt = (DPi + DPr )NS NP FS其中Pi 單程直管阻力；Pr 局部阻力；NS 殼程數(shù)；NP 管程數(shù)FS 管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，可近似的取值為 1.5由前面可得NS =1，NP =4又 Re =25125，則傳熱管的相對(duì)粗糙度為：第 15 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）e= 0.2 =0.013d15查化工原理摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)以及相對(duì)粗糙度的關(guān)聯(lián)圖可得：li =0.04又流體速度 u=1.25 m/s, r =994.3m3 ,局部阻力系數(shù)x =3.0kg/所以l ru 2994.3´

23、1.2522.25Pi = liD= 0.04 ´´0.015=4661 Pad22iru 2994.3´1.252Pr = xD= 3.0 ´=2330 Pa22DPt = (DPi + DPr )NS) ´ 1 ´ 4 ´ 1.5=41946P FS =(4661Pa管程流體總阻力在范圍內(nèi)（小于 50KPa）。對(duì)殼程，總阻力按公式Ps = (P0 +Pi )Fs Ns 計(jì)算由前面有Ns=1,Fs=1.15管束采用正三角形，則F=0.5Re=33.79-0 228-0 228f0 = 0.5 ´ Re= 0.5

24、´ 33.79=0.224NT =260（傳熱管的總根數(shù)）第 16 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）0.50.5NTC=1.1NT =1.1×260 =17.7NB =11 （折流板數(shù)）u0 0.54m/s故流體流經(jīng)管束的阻力為：ru2876 ´ 0.542DP = Ff N (N + 1)0 = 0.5 ´ 0.224 ´17.7 ´ (11 + 1) ´00TB22=3038 Pa對(duì)折流板有B=0.18 m，D=0.6 m則流體流過折流板缺口的阻力為：2B ru22 ´ 0.18876 ´ 0.5

25、42DP = N (3.5 -)0 = 11´ (3.5 -) ´=4074PaiBD20.62所以總阻力為：DPS = (DP0 + DPi )FS NS = (3038 + 4074) ´1´1015=8178.8Pa故殼程流體的總阻力在范圍內(nèi)。小結(jié)換熱器主和計(jì)算結(jié)果如下表所示：表 2.2 換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)第 17 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第 18 頁共 73 頁參數(shù)管程殼程流量/（ m3 /h）5450溫度/33/3545/ 40/MPa0.50.5定性溫度/3442.5密度/(kg/ m3 )994.3876定壓比熱容/kj/(kg&#

26、183;k) 4.1741.955粘度/(pa·s)0.742´ 10-30.21導(dǎo)熱率/W/(m·k)0.6240.144普蘭特?cái)?shù)4.962851形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)1管徑/mm19管子排列/mm管長(zhǎng)/mm2250折流板/個(gè)11管數(shù)目/根260折流板間距180傳熱面積/34.9材質(zhì)碳鋼管程數(shù)4管心距/mm25主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.30.54表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(·K)1546013污垢熱阻/(·K/W)0.00060.000176阻力/MPa0.0419460.0081788熱流量/KW119傳熱溫差/K

27、8.3傳熱系數(shù)/W/(·K)417.9裕度/22.9大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第三章 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器的設(shè)計(jì)為 P=0.435MPa 1.6MPa，操作時(shí)溫度小于 350，所以封頭材料選用 Q235-B，封頭的結(jié)構(gòu)形式采用最常用的橢圓封頭。查標(biāo)準(zhǔn)JB/4737-95 有，橢圓封頭厚度與圓筒厚度相等，再查GB151-1999 管殼式換熱器5.3.2 表 8 有：表 3.1封頭厚度則取厚度為d =8 mm封頭結(jié)構(gòu)形式如下：圖 3.1 封頭結(jié)構(gòu)圖第 19 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）其為：表 3.2封頭1凸形封頭為：表 3.3封頭23.2 管箱與圓筒用前面可知，筒體直

28、徑 D=600mm,則 500mm DN 800mm,因此選用封頭管箱。查GB151-1999 管殼式換熱器可知，管箱圓筒(短節(jié))的最小厚度與圓筒最小厚度相同，即為 8mm。管箱的最小長(zhǎng)度為：（按 B 形管箱的流通面積計(jì)算）pd2 NL³icp+ h + S1g min1P4E其中 SP 封頭厚度，mm第 20 頁 共 73 頁公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h2/mm碳鋼厚度/mm內(nèi)表面積A/m2容積V/m37001752580.5480.0442公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h2/mm碳鋼厚度/mm內(nèi)表面積A/m2容積V/m36001502580.437

29、40.0353大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）h1 封頭直邊段高度，mmNcp 各程平均管數(shù)，根E各相鄰管程間分程處物料流通的最小寬度，mm查得 E=600mm,代入公式有：3.14 ´152 ´ 65³+ 25 + 8 =52L1g minmm4 ´ 600接著按相鄰焊縫間的距離計(jì)算最小距離為：³ L2 + L3 + L4L2 g min其中L2 接管位置，mm且 L2 ³ B /2 + C (無接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí) L2 ³ d1 /2 + C C ³ 4S，且 L2 ³ 50)L3 接管至殼體與封頭連接焊縫距離，mmL4

30、 封頭高度，mmd1 接管內(nèi)徑，mm代入公式得到：³ 387 mmL2 g min對(duì) L1g min 與 L2 g min 之間取較大值則管箱最小長(zhǎng)度為 Lmin =387 mm第 21 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）3.3 分程隔板3.3.1 分程隔板厚度對(duì)分程隔板厚度，查GB151-1999 管殼式換熱器有：表 3.4 分程隔板厚度則，取分程隔板的最小厚度為： d =8 mm3.3.2 分程隔板槽分程隔板槽槽深不小于 4mm又因?yàn)樗貌牧蠟樘间?，所以取分程隔板槽的寬度?12mm,隔板槽拐角處倒角為 45°，倒角寬度 b 可以看作近似等于分程墊片的圓角半徑 R，結(jié)

31、構(gòu)圖如下：圖 3.2 分程墊片3.4 換熱管所選換熱管的及偏差為：第 22 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）表 3.5 換熱管3.5 接管本次設(shè)計(jì)中接管的基本要求有：1) 接管與殼體內(nèi)表面平齊2) 接管應(yīng)該盡量的沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置對(duì)于接管的，殼程流體的流速為 0.54m/s,則：4 ´ 544Vsd =188 mm1pu3600 ´ 0.54 ´ 3.14管程流體的流速為 1.3m/s,則：4 ´ 504Vsd =117 mm2pu3600 ´1.3´ 3.14按管高度來確定，查取標(biāo)準(zhǔn)得到l =200mm則殼程接管位置的最小

32、如下圖所示：圖 3.3 殼程接管位置且， L + (b - 4) + c = 219 + (30 - 4) + 50 =185.5dhmm122如下圖所示：管箱接管位置的最小第 23 頁 共 73 頁材料標(biāo)準(zhǔn)外徑´ 壁厚/mm ´ mm外徑偏差/mm壁厚偏差/mm碳鋼GB/T816319 ´ 2± 0.20+12%大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.4 管箱接管位置= d H2+ h + c = 108 + 105 + 50 =209且， Lmm2f2上面兩幅圖中C4S，且 C30mmDH 補(bǔ)強(qiáng)圈外徑 , mmdh 接管外徑 , mmS 壁厚 ，mmb 管板厚度

33、 , mm3.6 浮頭管板與鉤圈法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)閾Q熱器的內(nèi)徑已經(jīng)確定下來，所以浮頭管排列外徑以及結(jié)構(gòu)均采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑來決定。查GB151-1999 管殼式換熱器表 14、表 15、圖 13 有：第 24 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.5 浮頭管板結(jié)構(gòu)圖及取 b=3mm , b1 =3mm , bn =12mm則其結(jié)構(gòu)如下：浮頭管板外徑為： D0 = Di - 2b =600-2 ´ 3=594 mm浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙為： b1 =3mm墊片寬度為： bn =12mm浮頭管板密封面寬度為： b2 = bn + 1.5 =12+1.5=13.5 mm= Di + 8

34、0 =680 mm浮頭法蘭與鉤圈外直徑為：Df 0= Di - 2(b1 + bn ) =570 mmD fi浮頭法蘭與鉤圈內(nèi)直徑為：D = Di+ 100 =700 mm外頭蓋的內(nèi)徑為:D0 + Df 0594 + 680螺栓中心圓直徑為： Db =637 mm22其浮頭管板與鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)如下圖：（選擇 B 型鉤圈）第 25 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.6鉤圈結(jié)構(gòu)圖3.7 管法蘭按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T9113.1-2000 得到如下表：表 3.6 管法蘭第 26 頁 共 73 頁滑油循環(huán)水管子直徑 A1 /mm219108法蘭內(nèi)徑 B1 /mm221110螺栓孔中心圓直徑 K /

35、mm280170公稱直徑 DN /mm200100螺栓孔直徑 L /mm2222大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）其結(jié)構(gòu)圖如下:圖 3.7管法蘭結(jié)構(gòu)圖3.8 布管限定圓其按GB151-1999 管殼式換熱器表 13 有：表 3.7 布管限定圓第 27 頁 共 73 頁螺栓孔數(shù)量 n/個(gè)88法蘭外徑 D /mm340210法蘭厚度C /mm2418密封面 d/mm254144密封面 f/mm22螺紋規(guī)格M16M16大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）則 DL = Di - 2(b1 + b2 + b) =561mm其結(jié)構(gòu)如下：圖 3.9布管限定圓結(jié)構(gòu)3.9 拉桿的、數(shù)量以及布置因?yàn)閾Q熱管的直徑為 19mm,所以采用的拉桿定距

36、管結(jié)構(gòu)形式如下圖所示：圖 3.10 拉桿結(jié)構(gòu)圖因?yàn)閾Q熱器殼體內(nèi)徑為 600mm,選拉桿直徑為 12mm,數(shù)量為 4 根，選定的拉桿如下：（螺紋連接）第 28 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.11 拉桿標(biāo)注圖表 3.8 拉桿因?yàn)槭锹菁y連接，需求螺紋深度為： l2 = 1.5dn =18mm其結(jié)構(gòu)如下：圖 3.12 拉桿孔結(jié)構(gòu)圖第 29 頁 共 73 頁拉桿螺紋公稱直徑dn /mm數(shù)量基本拉桿直徑 d/mmLa /mmLb /mmb /mm1241215502.0大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）拉桿應(yīng)該盡可能的均勻布置在管束的外邊緣。而且對(duì)于大直徑的換熱器，應(yīng)該在布管區(qū)內(nèi)或者靠近折流板缺口處布置適

37、當(dāng)數(shù)量的拉桿，并且任何折流板均應(yīng)不少于 3 個(gè)支承點(diǎn)。3.10 折流板與支承板3.10.1 折流板折流板常用形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形，弓形又分單弓形、雙弓形與三弓形，該換熱器采用單弓形折流板。折流板的方式與結(jié)構(gòu)形式如下：圖 3.13 折流板圖圖 3.14 折流板結(jié)構(gòu)圖弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時(shí)與橫向流過管束的流速相近，缺第 30 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）口大小用切去的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來確定。單弓形折流板常用的是 0.25 倍殼體內(nèi)直徑，則：h=0.25 ´ 600=150 mm11因?yàn)檎哿靼彘g距 B 的最小距離為殼體內(nèi)直徑的 ，且不小于 50mm,在

38、32這里取 B=0.3 Di ，則：B=0.3 ´ 600=180 mm折流板數(shù)為：傳熱管長(zhǎng)L-1= 2250 -1 =11.511 塊N =B折流板間距B180因?yàn)闅んw的公稱直徑 Dn =600mm，所以選取換熱管無支撐跨距l(xiāng) £ 300mm，查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)表 1-6-26 有：折流板或支撐板的最小厚度為 4mm，這里取折流板的厚度為 6mm。折流板名義外直徑為：0偏差為-0.8D= Dn -4.5=595.5 mm，因換熱器的殼程流體為單相潔凈流體，所以折流板缺口應(yīng)水平上下布置,折流板圓缺面水平裝配數(shù)量應(yīng)不少于 4 個(gè)，缺口分布如下所示：第 31 頁 共 73 頁大學(xué)

39、機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.15 折流板缺口管束兩端的折流板應(yīng)該盡可能靠近殼程接管，而其余折流板應(yīng)等距布置，其中，靠近管板的折流板與管板的距離為：l = (L + B2 ) - (b - 4)12= dH2+ (b - 4) + c其中L1d H 接管外徑 ， mmc=4S，且c ³ 50 mmS 壁厚 , mm取 c=50mm,當(dāng)無防沖板時(shí)，取防沖板長(zhǎng)度 B2 = di =219mm則代入公式得：L = 219 + (36 - 4) +50=191.5 mm12l = (191.5 + 219) - (36 - 4) =269 mm2折流板切口為：第 32 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)

40、設(shè)計(jì)（）h=0.2 ´ 600=120 mm靠近管板的折流板與管板的距離如圖：圖 3.16 折流板與管板間距圖3.10.2 支撐板對(duì)支撐板，當(dāng)換熱器無支撐跨距小于最大跨距時(shí)，無需設(shè)置支撐板，但是浮頭式換熱器需要設(shè)置支承板，可選用加厚的環(huán)板來作為支承板。3.11 防沖板與導(dǎo)流筒管程內(nèi)水的流速小于 3.0m/s,而對(duì)滑油有：ru 2 = 876 ´ 0.542 =255.42230 kg/(m· s 2 )所以，管程和殼程都不需要設(shè)防沖板與導(dǎo)流筒。3.12 支座鞍座所用材料是 Q235-B，查標(biāo)準(zhǔn) JB/T4712-92，選取 B 型鞍式支座，支座第 33 頁 共 7

41、3 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）結(jié)構(gòu)如下圖：圖 3.17支座結(jié)構(gòu)圖 1圖 3.18 支座結(jié)構(gòu)圖 2具體如下表：第 34 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）表 3.9支座的3.13 外頭蓋側(cè)法蘭公稱直徑為 DN =700mm,參照工藝條件、殼側(cè)以及操作溫度，按照J(rèn)B4703-92 長(zhǎng)頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)來選取，選定法蘭結(jié)構(gòu)如下：圖 3.19 法蘭結(jié)構(gòu)圖第 35 頁 共 73 頁公稱直 DN/mm載荷 Q/KN鞍座高度 h/mm底板/mm腹板2/mml1b1d1600165200550150108筋板/mm墊板/mm螺栓間距l(xiāng)3b3d3弧長(zhǎng)b4d 4el23001208710200636400大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（

42、）表 3.10 法蘭mm.14 管箱法蘭以及管箱側(cè)殼體法蘭公稱直徑為 DN =600mm,參照工藝條件、管側(cè)、操作溫度以及殼側(cè)的最大值，按照 JB4703-92 長(zhǎng)頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)來選取，其各部分與結(jié)構(gòu)如下：表 3.11管箱法蘭mm第 36 頁 共 73 頁公稱直徑 DNDD1D2D3D4dHh6007407006656556524410525螺栓規(guī)格螺栓數(shù)量aa1d1d 2RdM2028171412221223公稱直徑 DNDD1D2D3D4dHh7008408007657557525010525螺栓規(guī)格螺栓數(shù)量aa1d1d 2RdM203217大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.20管箱法蘭位置3.15

43、 固定端管板根據(jù)上面所選用的管法蘭以及管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)，確定了固定端最大外徑為：D=638mm。3.16 排與排液管排氣口與排液口直徑應(yīng)該不小于 15mm,位置應(yīng)該分別設(shè)置在殼體中的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。由于換熱器采用了四管程結(jié)構(gòu)，則設(shè)置的位置應(yīng)該有一定的偏離，但排氣（液）管的端部必須與殼體或者接管內(nèi)壁平齊。第 37 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.21排氣（液）口3.17 防短路結(jié)構(gòu)3.17.1 旁路擋板在浮頭式換熱器中，為了防止殼程流體在某些區(qū)域時(shí)發(fā)生短路，從而降低傳熱效率，需要使用防短路結(jié)構(gòu)。常用的防短路結(jié)構(gòu)有旁路擋板和擋管。對(duì)旁路擋板，當(dāng)殼體公稱直徑為 500mm DN 1000

44、mm 時(shí)，需要增設(shè)兩對(duì)擋板，擋板厚度與折流板的厚度相等，其結(jié)構(gòu)如下：第 38 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.22 旁路擋板示意圖3.17.2 擋管對(duì)擋管，擋管就是兩端被堵死的換熱管，與換熱管的規(guī)格相同，但布置在分程隔板槽背面的兩管板之間，可與折流板點(diǎn)焊固定，也可以用拉桿(帶定距管或不帶定距管)來代替。擋管應(yīng)每隔 3-4 排換熱管就設(shè)置一根，但不設(shè)置在折流板缺口處，如圖所示。擋管伸出第一塊和最后一塊折流板或者支持板的長(zhǎng)度應(yīng)不大于 50mm，且應(yīng)與任意一塊折流板焊接固定。圖 3.23擋管示意圖3.18 連接對(duì)于換熱管與管板之間的連接，因?yàn)闆]有較大的振動(dòng)以及間隙腐蝕，所以可采用強(qiáng)度焊接

45、，且焊接時(shí)，管板的最小厚度應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求下，不小于 12mm。:表 3.12 換熱管的連接第 39 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.24焊接示意圖對(duì)于管板與殼體、管箱之間的連接如下圖所示：圖 3.25 管板與殼體、管箱之間的連接示意圖其中， d =28mm第 40 頁 共 73 頁換熱管規(guī)格外徑´ 壁厚/mm換熱管最小伸長(zhǎng)量l1 /mm最小坡口深度l2 /mm19 ´ 21.52大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第四章 換熱器的強(qiáng)度校核4.1 筒體的壁厚校核設(shè)計(jì)給定溫度為 42.5，設(shè)計(jì)為 0.435MPa,取為 0.5MPa，筒體選用低合金鋼板 Q235-B

46、卷制。材料在 42.5下的應(yīng)力s t =113MPa，取焊接系數(shù)=1.0，腐蝕裕量C2 =2mm，鋼材的厚度負(fù)偏差C1 =0.3mm,則有：0.5 ´ 600pc Di計(jì)算厚度為 d =1.33 mm2s t f - p2 ´113´1.0 - 0.5c設(shè)計(jì)厚度為 d d = d + C2 =1.33+2=3.33 mm名義厚度為 d n = d d + C1 =3.33+0.3=3.63 mm,因?yàn)榈秃辖痄摬话ǜg裕量的最小厚度應(yīng)不小于 3mm,加上 2mm 的腐蝕裕量，名義厚度至少應(yīng)該取 5mm,由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取名義厚度為 6mm。有效厚度為 d e =

47、d n - C1 - C2 =6-0.3-2=3.7 mm水壓實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為：s s tP = 1.25 p=1.25´ 0.5 ´1=0.625 MPaTc所選材料的屈服應(yīng)力s s =235MPa水壓實(shí)驗(yàn)校核：第 41 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）PT (Di + d e ) = 0.625´ (600 + 3.7) =51s=MPaT2d2 ´ 3.7e因?yàn)?0.9s s f =0.9 ´ 325 ´ 1=292.5MPa ,又s T =51MPa292.5MPa所以水壓強(qiáng)度滿足要求。又因?yàn)閾Q熱器介質(zhì)為非易燃物，毒性程度為非極

48、度且微量泄露，所以不需要進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)。4.2 外頭蓋短節(jié)與封頭厚度校核外蓋頭內(nèi)徑為f =700mm，其余條件、參數(shù)與筒體同。pc Di2s t- p0.5 ´ 700=1.322 ´113 ´1 - 0.5S =短節(jié)壁計(jì)算厚度為mmc= S + C2 1.32+2=3.32 mmSd短節(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為Sn = Sd + C1 =3.32+0.3=3.52 mm,同上，應(yīng)該取名義厚短節(jié)壁名義厚度為度為 6mm。Se = Sn - C1 - C2 =6-0.3-2=3.7 mm短節(jié)壁有效厚度為實(shí)驗(yàn)為：s s tP = 1.25 p=1.25´ 0.5

49、80;1=0.625 MPaTc實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力校核：PT (Di + Se ) = 0.625´ (700 + 3.7) =59.4s=MPaT2 ´ 3.72Se第 42 頁 共 73 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（）因?yàn)?0.9s s f =0.9 ´ 325 ´ 1=292.5MPa，又s T =59.4MPa292.5MPa所以，實(shí)驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。由前面可知:外頭蓋封頭用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭pc Di0.5 ´ 700封頭計(jì)算厚度為S=1.55mm2 ´113 ´1 - 0.5 ´ 0.5s - 0.5 pt2c= S +

50、C2 1.55+2=3.55 mmSd封頭設(shè)計(jì)厚度為Sn = Sd + C1 =3.55+0.3=3.85 mm,由前面知，取名義厚度封頭名義厚度為為 Sn =8mm，符合計(jì)算結(jié)果。= Sn - C1 - C2 =8-2-0.3=5.7 mmSe則封頭有效厚度為實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力校核：PT (Di + Se ) = 0.625´ (700 + 5.7) =38.7s=MPa292.5MPaT2 ´ 5.72Se故，實(shí)驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。4.3 管箱短節(jié)與封頭厚度校核工藝設(shè)計(jì)給定溫度為 34，設(shè)計(jì)取 0.5MPa,選用 Q235-B 鋼板，材料的許用應(yīng)力為s =113 MPa，屈服強(qiáng)度為s s =235 MPa,取焊縫系數(shù)f =0.