年產萬噸合成氨廠變換工段列管式換熱器E設計設計說明

1、畢業(yè)論文（設計）題目：年產30萬噸合成氨廠變換工段列管式換熱器E04102設計 學 院： 化學與化學工程學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 過控101班 學 號： 1008110071 學生姓名： 楊明學 指導教師： 楊雙全 目錄目錄中文摘要英文摘要前言1第一章 工藝計算51.1物料衡算51.2熱量衡算5冷流體的物性參數(shù)5熱流體的物性參數(shù)9冷熱流體的物性表131.3冷熱流體的流程安排131.4管殼程數(shù)及流體流型的確定141.5傳熱平均溫差的計算141.6估算傳熱面積141.7結構設計14管程設計-確定換熱器規(guī)格、管數(shù)和布管14確定管程流速15殼程設計16核算換熱面積A16第二章 強度

2、計算222.1殼體設計22殼體筒體壁厚計算與校核22殼體筒體封頭計算與校核242.2管箱設計26管箱壁厚計算與校核27管箱封頭計算與校核292.3法蘭設計31墊片設計32螺栓設計33法蘭設計352.4管板設計392.5溫差應力的計算462.6筒體內部設計48換熱管與管板的連接48支撐板的設計48管箱隔板的設計49防沖板的設計49起吊附件492.7開孔和開孔補強設計49管箱開孔補強設計50殼體開孔補強設計512.8耳座的設計54第三章 U型管式式換熱器的制造工藝583.1U型管式換熱器的制造58筒體58封頭和管箱58換熱管58設備組裝583.2換熱管管板的連接583.3管板的加工59第四章 換熱

3、器的檢驗、安裝與維修604.1安裝604.2維修604.3 清洗60結論61參考文獻62致謝63摘要本設計著重就E04102U型管換熱器的設計，并簡要論述了其加工制造過程，就以所給的物性參數(shù)和生產量為基礎，利用傳熱原理和傳熱計算所得換熱器面積確定U型管換熱器的基本形式。依據(jù)GB1502001壓力容器和GB1511999管殼式換熱器等標準對換熱器各零件結構與強度進行了設計，包括筒體、管箱、封頭、管板以及開孔補強等。最后還介紹了U型管換熱器檢驗、安裝、維修的內容。關鍵字：傳熱面積，傳熱系數(shù)，U型管換熱器，管殼式換熱器AbstractThis design mainly on E04102 U ty

4、pe heat exchanger design，and briefly discusses the processing and manufacturing process, with given physical parameters and production basis, calculated by using the theory of heat transfer and heat transfer heat exchanger area determine the basic form of U tube heat exchanger. According to GB150-20

5、01"The pressure vessel" and GB151-1999 "tube shell heat exchanger" such as the standard for heat exchanger parts structure and strength design , including cylinder, Tube box, Head, Tube plate and opening reinforcement, etc. Finally U tube heat exchanger is introduced in the paper

6、 the contents of the inspection, installation, maintenance.Keywords： Heat transfer area Heat transfer coefficient U tube heat exchanger Tube and shell heat exchanger前言1換熱器的概況節(jié)約能源是當今世界的一種重要社會意識，是指盡可能的減少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行為。加強用能管理，采取技術上可行、經濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，從能源生產到消費的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費，有效、合理地利用能

7、源。目前，在我國石油化工產業(yè)換熱器受到普遍的重視，而換熱器的廣泛應用性，決定了換熱器換熱性能的改善設計理論的不斷創(chuàng)新，企業(yè)經濟的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展都具有一定的積極作用為節(jié)約能源和保護環(huán)境有顯著的貢獻。換熱器是在工業(yè)生產中實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設備，它是化工，煉油、動力、油田儲運集輸系統(tǒng)和原子能及其許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用設備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設備。在化工廠換熱器約占總投資的10%-20%;在煉油廠換熱器約占全部工藝設備投資的35%-40%。由于工藝流程不同，生產中往往進行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體

8、傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需要。2換熱器的分類與結構特點在生產中有時把換熱器作為一個單獨的化工設備，有時則把它作為某一工藝設備中的組成部分，按傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式及蓄熱式3類，其中間壁式換熱器應用最普遍。其中，從作為換熱面的間壁形式看，間壁式換熱器主要分為管式和板式兩大類。按照有無溫度補U形管式換熱器的研究與優(yōu)化設計償及補償方法的不同，管殼式換熱器主要分為下列幾種：(1)固定管板式；殼體與傳熱管壁溫度之差大于50，加補償圈，也稱膨脹節(jié)，當殼體和管束之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應它們之間的不同的熱膨脹。 特點：結構簡單，成本低，殼程檢修

9、和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產生垢層和腐蝕的介質。(2)浮頭式；兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應力。      特點：結構較為復雜，成本高，消除了溫差應力，是應用較多的一種結構形式。(3) U形管式；把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。(4)填料函式：外填料函：管間容易漏泄，不宜處理易揮發(fā)、易爆易燃

10、及壓力較高的介質；內填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場合。 3 U型管換熱器的概述圖1 U型管換熱器U型管換熱器的結構特點是：只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上。由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄露損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當于壞兩根管，報廢率較高。 U型管式換熱器結構比較簡單，價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別

11、適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料?？偨Y起來U 型管換熱器的特點如下：優(yōu)點：(1)由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，殼體和管壁不受溫差限制，流程較長，流速較高，管側傳熱性能好，承壓能力強；(2)只有一塊管板且無浮頭，所以結構簡單、緊湊，在直徑相同的情況下?lián)Q熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其它換熱器小，造價比其它換熱器低等；(3)管束可以抽出清洗，可以用于殼程結垢較嚴重的場合。缺點：(1)U形管束在與換熱管垂直方向的中心部位存在較大空隙，易結垢，流體易形成短路，使傳熱效率降低；(2)管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板間的殘余焊接應力大；(3)換熱管

12、的彎管段無支承件，管束易振動，易在此處形成殼程流體流動死區(qū)，易結垢，影響傳熱效果；(4)當U 形管中有一根壞了，得同時堵死管子的兩頭，這樣會造成二倍管長的換熱管損失，比固定管板式的損失更多的換熱面積。5 設計U型管換熱器的基本要求和目的設計換熱器時，其基本的要求是： 第一，熱量能有效的從一種流體傳遞的另外的一種流體，即傳熱效率高，單位傳熱面上能傳遞的熱量多。在一定的熱負荷下，也即每小時要求傳遞的熱量一定時，傳熱效率（通常用傳熱系數(shù)表示）越高，需要的傳熱面積越小，當然這是在相同的溫差作比較。 第二，換熱器的結構能適應所規(guī)定的工藝操作條件，運轉安全可靠，嚴密不漏。清洗檢修方便，

13、流體阻力小。 第三，要求價格便宜，維護容易，使用時間長。 本次設計的目的：1，了解設計換熱器所需要的工藝參數(shù)及傳熱計算，對換熱器的設計有一個初步的準備。2，在設計的過程中，學會參照國標以及查閱相關的文獻獲得設計所需要的物性以及結構參數(shù)。3，通過計算機制圖，更加熟練使用CAD繪圖軟件。4，從宏觀上把握化工設備的生產過程，為以后的工作打下基礎。本次設計的換熱器在編制說明書分了六部分：第一部分前言，主要是對U型管換熱器的應用、優(yōu)缺點作了論述。第二部分工藝計算，通過計算傳熱量，物性參數(shù)來算出換熱面積。第三部分就U型管換熱器進行結構及強度計算。第四部分是U型管式換熱器的制造工藝。第五

14、部分是關于U型管式換熱器的檢驗、安裝、維修和使用。第六部分個人小結以及致謝，是針對本次設計的總結和設計后的感想。最后是參考文獻。第一章 工藝計算1.1物料衡算表1.1介質名稱 管程進/出口煤氣 殼程進/出口變換氣溫度 244.8260 391.2376.8壓力MPa 4.08 4.08摩爾流量Kmol/h 8540.101 8540.101質量流量Kg/h 174744.4 174744.4組分CO 0.326 0.12H2 0.103 0.31CO2 0.028 0.235N2 0.004 0.004H2O 0.534 0.327H2S 0.004 0.0041.2熱量衡算冷流體的物性參數(shù)冷

15、流體的定性溫度冷流體的比熱表1.2 常壓下，0t時氣體的平均定壓熱容（kcal/kmol.）溫度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S200 6.97 6.94 9.68 6.93 8.07 7.91300 7.05 6.96 10.00 7.01 8.23 8.17400 7.13 6.98 10.30 7.08 8.38 8.51運用內插法，可求得：同理可得其他氣體的定壓比熱容于表1.3表1.3 各氣體在常壓，時的平均定壓熱容（kcal/kmol.） CO H2 CO2 N2 H2O H2SCp kcal/kmol. 7.012 6.950 9.848 6.972 8.154 8.04

16、6摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09混合氣體的比熱：將常壓下，252.4時C|pm2校正為該溫度，4.08MPa下的Cpm2圖1.1 熱容校正圖表1.4 各氣體組分的臨界溫度、臨界壓力 CO H2 CO2 N2 H2O H2STc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2Pc（MPa） 3.496 1.297 7.376 3.394 22.05 8.937摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.00

17、4 0.534 0.004查通用熱容校正圖可得：Cp=0.55 （kcal/kmol.） 冷流體的黏度表1.5 各氣體在時的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0264 0.013 0.0246 0.0265 0.0179 0.0241摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.09注：當時，混合煤氣黏度則混合煤氣黏度：冷流體的導熱系數(shù)表1.6 各氣體在時的導熱系數(shù) CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kcal/m·h·

18、;） 0.0364 0.2463 0.0296 0.0344 0.0411 0.0363W/（m·k） 0.0423 0.2864 0.0344 0.0400 0.0478 0.0422摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.091kcal/m·h·=1.163 W/（m·k）計算H2S的時，應用公式其中當時，混合煤氣的導熱系數(shù)則混合煤氣的導熱系數(shù)冷流體的密度表1.7 各氣體在，P=4.08MPa時的密度 CO H2 CO

19、2 N2 H2O H2S（kg/m-3） 26.1492 1.8827 41.0916 26.1679 16.8289 31.8367摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09由計算得到表1.7中各值式中：當時混合煤氣的密度冷流體的吸熱量冷流體的平均摩爾質量熱流體的物性參數(shù).1熱流體的定性溫度.2熱流體的比熱表1.8 用內插法求得各氣體在時的常壓下平均定壓熱容（kcal/kmol.） CO H2 CO2 N2 H2O H2SCp kcal/kmol. 7.11

20、7 6.977 10.252 7.069 8.356 8.456摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09變換氣的比熱：將常壓下，384時C|pm1校正為該溫度，4.08MPa下的Cpm1表1.9 各氣體組分的臨界溫度、臨界壓力 CO H2 CO2 N2 H2O H2STc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2Pc（MPa） 3.496 1.297 7.376 3.394 22.05 8.937摩爾分率yi（%） 0.12 0

21、.31 0.235 0.004 0.327 0.004查通用熱容校正圖可得：Cp=0.225 （kcal/kmol.） 熱流體的黏度表1.10 各氣體在時的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0296 0.0152 0.0296 0.0306 0.0241 0.0358摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09注：當時，混合煤氣黏度則混合煤氣黏度：熱流體的導熱系數(shù)表1.11 各氣體在時的導熱系數(shù) CO H2 CO2 N2 H2O H2S（k

22、cal/m·h·） 0.0408 0.2994 0.0387 0.0404 0.0475 0.0542W/（m·k） 0.0475 0.3482 0.0450 0.0470 0.0552 0.0630摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.091kcal/m·h·=1.163 W/（m·k）計算H2S的時，應用公式其中當時，混合煤氣的導熱系數(shù)則混合煤氣的導熱系數(shù)熱流體的密度表1.12 各氣體在，P=4.08M

23、Pa時的密度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kg/m-3） 20.9132 1.5058 32.8636 20.9281 13.4591 25.4618摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09由計算得到表1.7中各值式中：當時混合煤氣的密度熱流體的平均摩爾質量冷熱流體的物性表表1.13冷熱流體的物性表 摩爾流率 導熱系數(shù) 黏度 比熱Cp 平均摩爾質量 平均密度Kmol/h W/（m·k） pa·s kcal/lmol·

24、; kg/kmol kg/m3冷流體 8540.101 0.0489 2.147×10-5 8.242 20.1388 19.0877熱流體 8540.101 0.0835 2.62×10-5 7.6939 20.4659 15.28591.3冷熱流體的流程安排換熱器內流體流程安排依據(jù)： (1) 粘性大的流體應走殼程，流體在有折流板的殼程流動時，在較低的雷諾數(shù)下，即可達湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。 (2) 壓力高的流體走管程，因為管子直徑小，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。 (3) 具有腐蝕性的流體走管程，這樣可以用普通材料制造殼體，而管束、管板和封頭要采用

25、耐蝕材料。 (4) 蒸汽一般通入殼程，因為這樣便于排除冷凝液，而且蒸汽教清潔，其給熱系數(shù)又與流速關系小。 (5) 需要提高流速以增大其給熱系數(shù)的流體應當走管內，因為管內截面積小，而且易于采用多管程以增大流速。 (6) 被冷卻的流體應走殼程，便于散熱。 分析粗合成氣和變換氣的物理化學性質：本次設計任務中，粗合成氣的壓力等于變換氣的壓力；而且粗合成氣中水汽處于飽和狀態(tài)，H2S造成的腐蝕性大，而變換氣中水汽處于不飽和狀態(tài)，故H2S造成的腐蝕性較??；而且變換氣是被冷卻的流體。根據(jù)上述流程安排依據(jù)，綜合考慮：冷熱流體流程設計為粗合成氣走管程，變換氣走殼程。1.4管殼程數(shù)及流體流型的確定權衡傳熱和流體輸送

26、兩方面的得失后，確定為雙管程雙殼程。 根據(jù)冷熱流體的流程安排和所設計的管、殼程數(shù)（雙管程雙殼程）確定兩流體呈逆流。 設計該換熱器逆流操作有兩方面原因：在冷熱流體進出口溫度相同的情況下，逆流的對數(shù) 平均傳熱溫差恒大于并流，所需的傳熱面積比并流時的少，則設備費較低；逆流還可以節(jié)省冷卻劑或加熱劑的用量。1.5傳熱平均溫差的計算已知 t1=244.8oC t2=260oC T1=291.2 oC T2=376.8oC 因為該換熱器是逆流操作，則 t1=T1-t2=391.2 oC - 260oC =131.2oC t2=T2-T1= 376.8oC-244.8oC=132oC 則對數(shù)平均傳熱溫差1.6

27、估算傳熱面積根據(jù)化工原理列管式換熱器中K值的大致范圍，取K=46kcal/h,由傳熱基本方程式，得：1.7結構設計管程設計-確定換熱器規(guī)格、管數(shù)和布管初選管程流速選用32×2.5冷拔無縫鋼管對于在時的體積流率：粗算列管根數(shù)：確定U型管在管板上的排列方法為正三角形排列，因為正三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數(shù)大。當管子排列大于六層（管數(shù)超過127根），管束外緣與殼壁之間弓形區(qū)域應增排管子。這樣既可以充分利用設備空間，又可以防止殼程流體短路旁流，有利于傳熱。表1.14 換熱器中心距換熱管外徑d0(mm)換熱管中心距t(mm)分程隔板槽兩側相鄰管中心距tn(mm)3240

28、52根據(jù)正三角形排列布管圖確定管數(shù)確定布管限定圓的直徑 式中，為列管束最外層換熱管外壁到殼體內壁的最小距離mm，,且不小于10mm。取圓整相應調整，確定管程流速1.7.3殼程設計1.7.3.1確定換熱管長度前面估算的傳熱面積 U型管的參考長度： 選取標準化L=2000mm 長徑比 因為換熱器豎放時長徑小于6之間，因此所設計換熱器為立式。1.7.3.2管外傳熱面積的設計值A0換熱器的換熱面積：取弓形高度 hd=25%，取 一般取板間距h=0.21D， 取h=600mm1.7.4核算換熱面積A1.7.4.1管程對流傳熱膜系數(shù) 在管程定性溫度下，物性數(shù)據(jù)前面已經求得： m2=2.147×1

29、0-5Pas M=20.1388 kgkmol-1 m2=4.89×10-2wm-1k-1 m2=19.0877kgm-3普蘭特準數(shù)：雷諾數(shù)：根據(jù)公式：，當流體被加熱時，n=0.4 則管內傳熱系數(shù)：1.7.4.2殼程對流傳熱膜系數(shù)在殼程定性溫度下，物性數(shù)據(jù)前面已經求得： m1=2.62×10-5Pas M=20.4659 kgkmol-1 m1=0.0835wm-1K-1 m1=15.2859kgm-3 假設壁溫 管子按正三角形排列時，當量直徑 流體流過的最大截面積S在定性溫度時則流速：普蘭特準數(shù)：雷諾數(shù)： 當殼程設置有25%的圓缺形擋板： 壁溫：當，查得各組分的黏度如下：

30、表1.17 各氣體在的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0308 0.0158 0.0302 0.0312 0.0247 0.0370摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.09在此溫度下，變換氣的黏度 則變換氣的黏度 則 則相對偏差 因此假設成立，璧溫1.7.4.3熱阻R的確定 參考GB1511999，取合成氣污垢熱阻，變換氣組成大致相同，近似取 管壁熱阻 ，換熱管采用32×2.5冷拔無縫鋼管，查GB1502000得，鋼的導熱系數(shù)

31、。則管壁熱阻1.7.4.4傳熱系數(shù)K0傳熱系數(shù)Ko按下式計算式中：1.7.4.5核算傳熱面積A0按傳熱基本方程式計算需要的管外傳熱面積則裕度假設成立。第二章 強度計算表2.1設計參數(shù) 殼程 管程設計壓力/MPa 4.08 4.08操作壓力/MPa 3.6 3.67設計溫度/ 420 330操作溫度/ 391.2376.8 244.8260流量/kg·h-1 174744.4 物料 變換氣 煤氣程數(shù) 2 2換熱面積/m2 162.05592.1殼體設計殼體筒體壁厚計算與校核筒體材料為16MnR+0Cr18Ni10Ti，設計壓力PC=4.08MPa，設計溫度T=420，內徑Di=1400

32、mm。查GB1511999，當介質為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時，腐蝕余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查過程設備設計與選型基礎得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設計溫度下16MnR的許用應力，屈服極限，0Cr18Ni10Ti的許用應力。計算厚度：設計厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999，復合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復合板的許用應力：則復合板的有效厚度校核操作溫度下復合板的許用應力：試驗壓力值：壓力試驗前圓筒的薄膜應力：因為，所以選材合格壓力及應力計算 圓筒的最大允許工作壓力因為，所以滿足條件。計溫度下圓筒的計算應力因為，所以滿足強度校核條件。 殼體筒體封頭計算與校核

33、封頭設計原則上應根據(jù)封頭在內壓作用下的應力分析以及與之相連的筒體的邊緣應力分析進行強度校核。但實際上由于按應力分析進行設計十分復雜，所以規(guī)定中對于僅受靜載荷的一般封頭，僅以遠離封頭地區(qū)的薄膜應力或彎曲應力進行分析加以限制。對于由于各種原因所引起的邊緣應力，僅在結構形式上定性的加以限制，或在計算中直接引用某個參數(shù)，把按薄膜應力或彎曲應力求出的壁厚適當放大。壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和球冠形封頭。由于橢圓形封頭的橢球部分經線曲率變化平滑連續(xù)，應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，

34、是目前中、低壓容器中應用較多之一，所以，選用標準橢圓形封頭。則形狀系數(shù)K=1。此時，則曲面高度，根據(jù)JB/T4746-2002得，當封頭公稱直徑DN<2000mm時，直邊高度h=25mm則H=375mm。圖2.1 殼程筒體封頭根據(jù)操作介質、設計壓力、設計溫度等條件，選取筒體封頭材料為復合材料16MnR+0Cr18Ni10Ti。設計壓力PC=4.08MPa，設計溫度T=420，內徑Di=1400mm。查GB1511999，當介質為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時，腐蝕余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查過程設備設計與選型基礎得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設計溫度下16MnR的許用應力

35、，0Cr18Ni10Ti的許用應力。計算厚度：設計厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999，復合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復合板的許用應力：則復合板的有效厚度校核根據(jù)GB1502011，標準橢圓形封頭的有效厚度不應小于封頭內直徑的0.15%： 由于封頭 所以，滿足最小厚度要求。壓力及應力計算 圓筒的最大允許工作壓力：因為，所以滿足條件。2.2管箱設計2.2.1管箱壁厚計算與校核筒體管箱材料為16MnR+0Cr18Ni10Ti，設計壓力PC=4.08MPa，設計溫度T=330，內徑Di=1400mm。查GB1511999，當介質為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時，腐蝕余量不小于1mm

36、，在此取C2=2mm，查過程設備設計與選型基礎得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設計溫度下16MnR的許用應力，屈服極限，0Cr18Ni10Ti的許用應力。計算厚度：設計厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999，復合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復合板的許用應力：則復合板的有效厚度校核操作溫度下復合板的許用應力：試驗壓力值：壓力試驗前圓筒的薄膜應力：因為，所以選材合格壓力及應力計算 圓筒的最大允許工作壓力：因為，所以滿足條件。計溫度下圓筒的計算應力因為，所以滿足強度校核條件。管箱封頭計算與校核封頭設計原則上應根據(jù)封頭在內壓作用下的應力分析以及與之相連的筒體的邊緣應力分析進行強度校核。

37、但實際上由于按應力分析進行設計十分復雜，所以規(guī)定中對于僅受靜載荷的一般封頭，僅以遠離封頭地區(qū)的薄膜應力或彎曲應力進行分析加以限制。對于由于各種原因所引起的邊緣應力，僅在結構形式上定性的加以限制，或在計算中直接引用某個參數(shù)，把按薄膜應力或彎曲應力求出的壁厚適當放大。壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和球冠形封頭。由于橢圓形封頭的橢球部分經線曲率變化平滑連續(xù)，應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多之一，所以，選用標準橢圓形封頭。則形狀系數(shù)K=1。此時，則曲面高

38、度，根據(jù)JB/T4746-2002得，當封頭公稱直徑DN<2000mm時，直邊高度h=25mm則H=375mm。圖2.2 管箱封頭根據(jù)操作介質、設計壓力、設計溫度等條件，選取筒體封頭材料為復合材料16MnR+0Cr18Ni10Ti。設計壓力PC=4.08MPa，設計溫度T=330，內徑Di=1400mm。查GB1511999，當介質為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時，腐蝕余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查過程設備設計與選型基礎得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設計溫度下16MnR的許用應力，0Cr18Ni10Ti的許用應力。計算厚度：設計厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999

39、，復合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復合板的許用應力：則復合板的有效厚度校核根據(jù)GB1502011，標準橢圓形封頭的有效厚度不應小于封頭內直徑的0.15%： 封頭 所以，滿足最小厚度要求。壓力及應力計算 圓筒的最大允許工作壓力：因為，所以滿足條件。2.3法蘭設計參考JB4703-2000，長頸對焊法蘭也殼體之間為對接焊縫，連接強度很好，且可以 采用各種方法進行焊縫質量檢查，加之有頸部支撐，使其具有較好的剛性，不易變形而發(fā)生泄露，本設計采用此種法蘭（如圖2.1）。圖2.3 對焊襯環(huán)法蘭表2.2法蘭參數(shù)DN D D1 D2 D3 D4 H h a R d1400 1650 1580 1529

40、1509 1506 130 235 64 26 23 28 42 18 392.3.1墊片設計根據(jù)JB/T 4719-92選擇墊片材料：內填石棉纏繞式不銹鋼，厚度、，查GB1502011表72 墊片系數(shù)，比壓力。墊片接觸寬度N： 墊片密封寬度： 根據(jù)GB1502011，當時，墊片有效密封寬度： = =墊片壓緊力作用中心圓直徑：墊片壓緊力預緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按下式計算：操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按下式計算：2.3.2螺栓設計螺栓材料35CrMoA、墊片系數(shù)、比壓力設計壓力PC=4.08MPa、墊片有效密封寬度、螺栓中心圓直徑。螺栓載荷預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：操作狀態(tài)下需要的最

41、小螺栓載荷：螺栓面積預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：所以查JB/T47032000壓力容器法蘭，取螺栓規(guī)格M36，數(shù)量是60個，則實際螺栓的面積：實際間距：校核墊片最小寬度：所以滿足要求查GB1502011表73得：螺栓最小間距螺栓最大間距因為， 所以，螺栓選擇合格。螺栓設計載荷預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算：操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算：法蘭設計根據(jù)操作介質、設計壓力、設計溫度等條件，選用整體對焊襯環(huán)法蘭、材料20MnMo，操作溫度下的許用應力、設計溫度下的許用應力、需要的螺栓面積、實際螺栓面積、設計壓力、內徑、 墊片壓緊中心圓直徑、法蘭頸部高度

42、、法蘭頸部小端有效厚度、法蘭頸部大端有效厚度。載荷作用于法蘭內徑截面上的流體壓力引起的軸向力：流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差：窄面法蘭墊片壓緊力：力臂力矩預緊狀態(tài)下的法蘭力矩：操作狀態(tài)下的法蘭力矩：法蘭設計力矩：根據(jù)形態(tài)常數(shù)：，。查GB1502011圖77得法蘭頸部應力校正系數(shù)，圖7-3得整體法蘭系數(shù)，則查GB1502011表7-9及圖7-4可得T=1.85 Z=6.13 Y=11.87 U=13.05整體法蘭系數(shù)。假設法蘭有效厚度：軸向應力：徑向應力： 環(huán)向應力：應力校核 軸向應力： 因為， 所以，合格。 徑向應力： 所以，合格。 環(huán)向應力： 所以，合

43、格。 組合應力： 所以，滿足校核條件。剛度校核當法蘭在相同的操作條件下有成功的使用經驗時，可以避免剛度校核。否則：對整體法蘭和按整體法蘭計算的任意法蘭，剛度指數(shù)計算如下：式中：K1剛度系數(shù)，取0.3； E法蘭材料的彈性模量，MPa；當法蘭設計力矩M0為預緊控制時，E取常溫下的彈性模量，當法蘭設計力矩M0為操作控制時，E取設計溫度下的彈性模量，所以.校核條件：。所以剛度校核滿足條件2.4管板設計管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。它或者與筒體直接相焊（固定管板式換熱器），或者被夾持在兩法蘭之間，起著管、殼程之間隔板和固定管板換熱的雙重作用。

44、對管板的設計，除了滿足強度要求外，同時應合理的考慮其結構設計。管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間可以有不同的連接方式，本U型管換熱器采用e型：管板與殼程圓筒連為整體，其延長部分兼做法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接。兼作法蘭的固定管板與管箱法蘭連接，多用于低中壓場合。圖2.4 e型連接方式e型連接方式管板的計算材料選用16MnR，MPa ，殼程筒體，管箱筒體，換熱管管長，沿隔板槽一側的排管根數(shù)，換熱管外徑，三角形排列。在布管區(qū)范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支承的面積：管板布管區(qū)面積：,管板布管區(qū)當量直徑：假設管板的厚度，管箱法蘭，內徑，管板 延長部分形成的凸緣或法蘭的寬度。管板開孔前

45、的抗彎剛度：管箱筒體與法蘭（或凸緣）的旋轉剛度參數(shù)，。，由GB1511999查圖26得，殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉剛度參數(shù)，由GB1511999查圖26得，管板邊緣旋轉剛度參數(shù)：旋轉剛度無量綱參數(shù)；無量綱參數(shù)：由 ，根據(jù)GB1511999查圖19，圖20，圖21得：，僅殼程設計壓力作用時：僅殼程設計壓力作用時：由 ，根據(jù)GB1511999圖22得： 法蘭預緊力矩僅殼程設計壓力作用時： 僅管程設計壓力作用時： 管程殼程同時作用時：法蘭預緊力矩的在管板中心處，布管區(qū)周邊處和邊緣處的徑向應力殼程設計壓力作用時：管程設計壓力作用時：分別以不同工況計算法蘭設計力矩和管板延長部分的法蘭應力，殼程設計壓

46、力作用時：管程設計壓力作用時：應力校核管板應力 取壓力較大的管程計算：僅殼程設計壓力作用時：所以滿足要求。僅管程設計壓力作用時：所以滿足要求。換熱管軸向應力一根換熱管的橫截面積：換熱管材料采用0Cr18Ni10Ti，。殼程設計壓力作用時：殼程設計壓力作用時：殼程管程設計壓力同時作用時：所以滿足要求。換熱管與管板連接脫力 取較大所以滿足條件。又查GB1511999，所以滿足要求。2.5溫差應力的計算管子或殼體中的溫差軸向力：管子及殼體中的溫差應力：式中：Et,Es分別為管子和殼體材料的彈性模量，MPa； 分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/； to安裝時的溫度，； tt ,ts分別是為操作狀

47、態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，。 管子所選材料16MnR，殼體材料為16MnR+0Cr18Ni10Ti。 ， ， ， ， 其中：為列管式換熱器外壁的厚度，mm。已知換熱器壁溫：熱流體側的壁溫， 溫差：，所以，不需要采用熱補償裝置。2.6筒體內部設計換熱管與管板的連接根據(jù)操作介質、設計壓力、設計溫度等條件，參照GB1511999，換熱管與管板采用強度焊加貼脹圖2.5 強度焊加貼脹2.6.2支撐板的設計 參照GB1511999，當換熱器不需設置折流板，但換熱管無支撐跨距超過表 42規(guī)定時，則應設置支持板，用來支撐換熱管，以防止換熱管產生過大的撓度。圖2.6所示，結構尺寸A+B+C之和應不大于表42（參照GB151