浮頭式換熱器

1、遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文浮頭式換熱器E-204機械設計摘 要本次設計的題目為浮頭式換熱器。浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，關鍵詞Floating head heat exchanger mechanical design E-204AbstractThe subject of this design is floating head heat exchanger. Key words: heat exchangers, thermal stress, heat transfer顯示對應的拉丁字符的拼音 字典46目錄前言11.1 換熱器的概述11.1.1 換熱設備的應用

2、11.1.2 換熱器設備的分類11.2 浮頭式換熱器31.2.1設計參數(shù)的確定41.2.2 材料的選取71.2.3 管程結構111.2.4 殼程結構131.2.5 開孔和開孔補強設計161.2.6 密封裝置設計18 1.2.7 焊接結構設計19 1.2.8 支座結構設計212 設計計算222.1 筒體的計算22 2.1.1 計算條件22 2.1.2 厚度的計算222.2 管箱短節(jié)的計算23 2.2.1 計算條件23 2.2.2 厚度的計算232.3 外頭蓋短節(jié)的計算24 2.3.1 計算條件24 2.3.2 厚度的計算242.4 管箱封頭的計算25 2.4.1 計算條件25 2.4.2 厚度的

3、計算252.5 外頭蓋封頭的計算26 2.5.1 計算條件26 2.5.2 厚度的計算262.6 固定管板設計27 2.6.1 符號說明27 2.6.2 管板厚度的計算28 2.6.3 換熱管的軸向應力32 2.6.4 換熱管與管板連接拉脫力342.7 浮動管板設計35 2.7.1 符號說明35 2.7.2 管板厚度的計算36 2.7.3 換熱管的軸向應力40 2.7.4 換熱管與管板連接拉脫力422.8 浮頭蓋的設計計算42 2.8.1 管程壓力作用下浮頭蓋的計算422.8.2 殼程壓力作用下浮頭蓋的計算482.9 開孔補強502.10 水壓試驗校核583 總結62參考文獻63謝辭641前言

4、1.1 換熱器概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標的熱量交換設備，又稱熱交換器。換熱器作為傳熱設備被廣泛用于鍋爐暖通領域，隨著節(jié)能技術的飛速發(fā)展，換熱器的種類越來越多。1.1.1 換熱器設備的應用換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。2設計計算2.1 筒體的計算2.1.1 計算條件計算壓力 設計溫度 t=150內徑 選用的材料 Q345R鋼板負偏差 鋼板的腐蝕余量 操作溫度下的許用應力 設計溫度下的許用應力 試驗溫度下的屈服點 焊接系數(shù) =0.852.1.2 厚度的計算計算厚度 （2-1）設計厚度 （2-2）名

5、義厚度 （2-3）有鋼材標準規(guī)格，可取 有效厚度 （2-4）2.2 管箱短節(jié)的計算2.2.1 計算條件計算壓力 設計溫度 內徑 選用的材料 Q345R鋼板負偏差 鋼板的腐蝕余量 操作溫度下的許用應力 設計溫度下的許用應力 試驗溫度下的屈服點 焊接系數(shù) 2.2.2 厚度的計算 有鋼材標準規(guī)格，可取 2.3 外頭蓋短節(jié)的計算2.3.1 計算條件計算壓力 設計溫度 t=150內徑 選用的材料 Q345R鋼板負偏差 鋼板的腐蝕余量 操作溫度下的許用應力 設計溫度下的許用應力 試驗溫度下的屈服點 2.3.2 厚度的計算 2.4 管箱封頭的計算2.4.1 計算條件計算壓力 設計溫度 t=150內徑 選用的

6、材料 Q345R鋼板負偏差 鋼板的腐蝕余量 操作溫度下的許用應力 設計溫度下的許用應力 試驗溫度下的屈服點 焊接系數(shù) =0.852.4.2 厚度的計算本設備采用標準橢圓形封頭 2.5 外頭蓋封頭的計算2.5.1 計算條件計算壓力 設計溫度 t=150內徑 選用的材料 Q345R鋼板負偏差 鋼板的腐蝕余量 操作溫度下的許用應力 設計溫度下的許用應力 試驗溫度下的屈服點 2.5.2厚度的計算采用標準橢圓形封頭 2.6 固定管板設計2.6.1 符號說明-未能被換熱管支撐的面積，；-管板布管區(qū)內開孔后的面積，；-管板布管區(qū)面積，；a-一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；-固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑

7、，mm；d換熱管直徑，mm；-設計溫度時管板材料彈性模量，MPa；-設計溫度時換熱管材料彈性模量，MPa；-管束模量，MPa；-管束無量綱剛度；L換熱管有效長度，mm；l換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，mm；n換熱管根數(shù)；-沿隔板槽一側的排管根數(shù)；-無量綱壓力；-當量壓力組合，MPa；-管板設計壓力，MPa；-殼程設計壓力，MPa；-管程設計壓力，MPa；q換熱管與管板連接拉脫力，MPa；-許用拉脫力，MPa;S換熱管中心距，mm；管板設計厚度，mm；-換熱管管壁厚度，mm；管板剛度消弱系數(shù)；管板強度消弱系數(shù)；-換熱管軸向應力，MPa；-換熱管穩(wěn)定許用壓應力，MPa； -設計溫度時，管板材料的

8、許用應力，MPa；-設計溫度時，換熱管材料的許用應力，MPa。2.6.2管板厚度的計算=14 S=32mm =45mm （2-5）n=268 （2-6） （2-7）墊圈外徑D=765mm 墊圈內徑d=725mm密封基本寬度 （2-8） （2-9） （2-10） （2-11） （2-12） （2-13） （2-14）設管板厚度，。 （2-15） （2-16）=0.4 （2-17）換熱管材料選用20號鋼=216MPa （2-18）d=25mm =2.5mm換熱管的回轉半徑 （2-19）換熱管受壓失穩(wěn)當量長度=465mm （2-20） （2-21）=1.6MPa =1.6MPa取或較大者 （2-22

9、） （2-23） （2-24）查圖23得到C=0.48查圖24得到=4.7管板計算厚度 （2-25）管板規(guī)定的最小厚度 （2-26）殼程腐蝕裕量1.5mm或結構開槽深度0管程腐蝕裕量1.5mm或分程隔板槽深度5mm （2-27）所以取管板厚度=58mm2.6.3 換熱管的軸向應力一般情況下，應按下列三種工況分別計算換熱管的軸向力只有殼程設計壓力,管程設計壓力=0時， （2-28） （2-29） 0時， 符合要求只有管程設計壓力，殼程設計壓力=0時 （2-30） （2-31）0時， 符合要求殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用時 （2-32） （2-33）0時， 符合要求2.6.4 換熱管與管板連

10、接拉脫力 （2-34）換熱管與管板焊腳高度l=3.5mm換熱管的軸向應力，上述最大值為 （2-35） 符合要求在三種情況下，換熱管與連接的拉脫力均滿足要求。2.7 浮動管板設計2.7.1 符號說明-未能被換熱管支撐的面積，；-管板布管區(qū)內開孔后的面積，；-管板布管區(qū)面積，；a-一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；-固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；d換熱管直徑，mm；-設計溫度時管板材料彈性模量，MPa；-設計溫度時換熱管材料彈性模量，MPa；-管束模量，MPa；-管束無量綱剛度；L換熱管有效長度，mm；l換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，mm；n換熱管根數(shù)；-沿隔板槽一側的排管根數(shù)；-無量

11、綱壓力；-當量壓力組合，MPa；-管板設計壓力，MPa；-殼程設計壓力，MPa；-管程設計壓力，MPa；q換熱管與管板連接拉脫力，MPa；-許用拉脫力，MPa;S換熱管中心距，mm；管板設計厚度，mm；-換熱管管壁厚度，mm；管板剛度消弱系數(shù)；管板強度消弱系數(shù)；-換熱管軸向應力，MPa；-換熱管穩(wěn)定許用壓應力，MPa； -設計溫度時，管板材料的許用應力，MPa；-設計溫度時，換熱管材料的許用應力，MPa。2.7.2 管板厚度的計算=14 S=32mm =45mm n=268 墊圈外徑D=692mm 墊圈內徑d=672mm密封基本寬度 設管板厚度，。 =0.4 換熱管材料選用20號鋼=216MP

12、a d=25mm =2.5mm換熱管的回轉半徑 換熱管受壓失穩(wěn)當量長度=465mm =1.6MPa =1.6MPa取或較大者 查圖23得到C=0.38查圖24得到=5.2管板計算厚度 管板規(guī)定的最小厚度 殼程腐蝕裕量1.5mm或結構開槽深度0管程腐蝕裕量1.5mm或分程隔板槽深度5mm 所以取管板厚度=58mm2.7.3 換熱管的軸向應力一般情況下，應按下列三種工況分別計算換熱管的軸向力只有殼程設計壓力,管程設計壓力=0時， 0時， 符合要求只有管程設計壓力，殼程設計壓力=0時 0時， 符合要求殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用時 0時， 符合要求2.7.4 換熱管與管板連接拉脫力 換熱管與管

13、板焊腳高度l=3.5mm換熱管的軸向應力，上述最大值為 符合要求在三種情況下，換熱管與連接的拉脫力均滿足要求。2.8 浮頭蓋的設計計算2.8.1 管程壓力作用下浮頭蓋的計算a) 球罐形封頭的計算厚度管程壓力 =1.6MPa封頭球面內半徑 封頭材料選用 Q345R封頭材料在設計溫度下的許用應力 焊接接頭系數(shù) =0.85 b) 浮頭法蘭計算厚度計算壓力設計溫度t=120法蘭外直徑螺栓中心圓直徑法蘭內直徑螺栓材料 墊片材料 0墊片系數(shù) m=3.75比壓力 y=62.1MPa螺栓直徑 =20mm螺栓數(shù)量 n=32個浮頭墊片的基本參數(shù)，可得外徑D=692mm 內徑d=672mm墊片寬度 （2-36） （

14、2-37） （2-38） （2-39） （2-40） （2-41） （2-42） （2-43） （2-44） （2-45） （2-46）螺栓根徑 （2-47） （2-48）封頭邊緣外球殼中面切線與法蘭環(huán)的夾角 （2-49）操作情況下法蘭的受力 （2-50） （2-51） （2-52） （2-53） （2-54） 設法蘭厚度=90mm，l=16mm （2-55） 操作情況下法蘭總力矩 預緊螺栓時法蘭的受力 （2-56） （2-57）法蘭材料為 16Mn （2-58）操作狀態(tài) （2-59）操作狀態(tài)下的法蘭厚度 （2-60）預緊狀態(tài)下的法蘭厚度 （2-61）2.8.2 殼程壓力作用下浮頭蓋的計算a)

15、 球罐形封頭的計算厚度假設=10mm （2-62）B=140MPa 合理 （2-63） 操作情況下法蘭總力矩 綜上所述 =90mm2.9 開孔補強2.9.1 管箱接管設計壓力 P=1.6MPa設計溫度 t=120接管規(guī)格 159×6的無縫接管短節(jié)厚度 =8mm厚度附加量 C=1.5mm焊接系數(shù) =0.85短節(jié)材料 Q345R其設計溫度下的許用應力 =189MPa接管材料 20號鋼其設計溫度下的許用應力 =144MPa開孔直徑 （2-64）強度消弱系數(shù) （2-65）接管有效厚度 開孔所需補強面積 （2-66）有效寬度 （2-67） （2-68）去兩者較大值外側有效高度 （2-69）接管

16、實際外伸高度 =207mm去兩者較小值 =30mm內側有效高度 接管實際內伸高度 =0去兩者較小值 =0 （2-70）接管的計算厚度 （2-72）焊縫金屬橫截面積（取焊腳為6mm） 符合要求，不需要補強。2.9.2 筒體接管設計壓力 P=1.6MPa設計溫度 t=150接管規(guī)格 273×9的無縫接管筒體厚度 =8mm厚度附加量 C=1.5mm焊接系數(shù) =0.85筒體材料 Q345R其設計溫度下的許用應力 =189MPa接管材料 20號鋼其設計溫度下的許用應力 =140MPa開孔直徑 （2-64）強度消弱系數(shù) （2-65）接管有效厚度 開孔所需補強面積 （2-66）有效寬度 （2-67

17、） （2-68）去兩者較大值外側有效高度 （2-69）接管實際外伸高度 =207mm去兩者較小值 =48.2mm內側有效高度接管實際內伸高度 =0去兩者較小值 =0 （2-70）接管的計算厚度 （2-72）焊縫金屬橫截面積（取焊腳為6mm） 符合要求，不需要補強。2.9.3 筒體接管設計壓力 P=1.6MPa設計溫度 t=150接管規(guī)格 108×5的無縫接管筒體厚度 =8mm厚度附加量 C=1.5mm焊接系數(shù) =0.85筒體材料 Q345R其設計溫度下的許用應力 =189MPa接管材料 20號鋼其設計溫度下的許用應力 =140MPa開孔直徑 （2-64）強度消弱系數(shù) （2-65）接管

18、有效厚度 開孔所需補強面積 （2-66）有效寬度 （2-67） （2-68）去兩者較大值外側有效高度 （2-69）接管實際外伸高度 =207mm去兩者較小值 =18.8mm內側有效高度 接管實際內伸高度 =0去兩者較小值 =0 （2-70）接管的計算厚度 （2-72）焊縫金屬橫截面積（取焊腳為6mm） 符合要求，不需要補強。2.10 水壓試驗校核設計壓力管程 P=1.6MPa 殼程P=1.6MPaQ345R在試驗溫度下的許用應力 =189MPaQ345R在設計溫度下的許用應力 =189MPaQ345R在試驗溫度下的屈服點 =345MPa圓筒的應力校核 符合要求外頭蓋短節(jié)的應力校核 符合要求管箱

19、封頭的應力校核 符合要求外頭蓋封頭的應力校核 符合要求球罐形封頭的應力校核內壓作用下 符合要求外壓作用下 符合要求3 總結經過將近一個學期的畢業(yè)設計實踐與學習，我完成了浮頭式換熱器E-204的結構設計、強度校核等，并且手工繪制了裝配圖紙，電腦CAD繪制了零件圖。在本次的設計中，我運用以前在學過的課程如過程設備設計、化工原理、機械設計基礎和工程材料等上面的知識，再加上導師的細心指導，順利的完成了浮頭式換熱器的設計。本次設計是大學四年所學知識的全面應用與考查，這是前幾次課程設計所不能比擬的。所以，這次我能順利完成任務，與老師、同學的熱情幫助是離不開的。同時在完成此次過程中，我也學到了許多書本以外的知識。通過此次畢業(yè)設計，我對大學所學的知識有了更深刻的了解，加深了對這些知識的印象，并且能夠融會貫通，這都為我以后的學習和工作打下了良好的基礎?？傊舜卧O計讓我受益匪淺。但由于個人水平有限，我對這個課題的研究還是沒能足夠深入，設計方面難免有一些缺陷和問題，請各位老師給我提出寶貴的意見。以便我能夠在以后的研究設計中能夠取得更大的進步。參考文獻1朱聘冠.換熱器原理及計算M.北京 ：清華大學出版社，19872史美中，王中錚.熱交換器原理與設計M