畢業(yè)設(shè)計-水-異丁烷換熱器設(shè)計

⑨列管式換熱器。1.4.3列管式換熱器的詳細分類列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗，其設(shè)計資料比較完備，在許多國家都有了系列化標準。近年來盡管列管式換熱器也受到新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進了其自身的發(fā)展。例如當流體的流速較大和壓強較高時，若采用其他類型的換熱器就有一定的困難。所以列管式換熱器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要類型的換熱器，在高溫、高壓條件下和大型換熱器中，仍占絕對優(yōu)勢。列管式換熱器的種類很多，其結(jié)構(gòu)形式與所受的溫差應(yīng)力以及是否需要溫差補償裝置有著密切的聯(lián)系。按溫差補償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下四種：1）固定管板式換熱器如圖1-1（a）所示，此種換熱器的特點是管束以焊接或脹接方式固定在兩塊管板上，管板分別焊接在外殼的兩端并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體上裝有流體進出口接管。與其他形式的換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。管內(nèi)不易積累污垢，即使產(chǎn)生了污垢也便于清洗，但無法對管子的外表面進行檢查和機械清洗，因而不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。由于管子和管板與殼體的連接都是剛性的，當管子和殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體和管子中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或從管板上松脫，甚至損壞整個換熱器。當管子和殼體的壁溫差大于50℃時，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補償——膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力，膨脹節(jié)的形式較多，常見的有Ｕ形、平板形和Ω形等幾種。由于Ｕ形膨脹節(jié)的撓性與強度都比較好，所以使用得最為普遍。當要求較大的補償量時，宜采用多波形膨脹節(jié)。當管子和殼體的壁溫差大于60℃和殼程壓強超過0.6MPa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。2）浮頭式換熱器如圖1-1（b）所示，換熱器的一塊管板用法蘭與殼體連接，另一塊管板不與殼體連接，且能自由移動。當管束與殼體受熱或受冷產(chǎn)生伸縮時，兩者互不牽制，因而不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分由浮頭管板、鉤圈與浮頭端蓋組成，為可拆連接，管束可以抽出，故管內(nèi)外都能清洗，也便于檢修。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價較高。3）填料函換熱器如圖1-1（c）所示，浮頭部分伸在殼體之外，它與殼體之間的空隙用一填料函密封，使換熱器管束的一端可以自由伸縮。當管束和殼體間的溫差較大，管束腐蝕嚴重且需經(jīng)常更換時，采用這種形式的換熱器比較合適。這種換熱器以制造、清洗和檢修都比較方便，造價也比浮頭式的低。4）Ｕ形管換熱器如圖1-1（d）所示，換熱器被彎成Ｕ形，管的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板和一個管箱（流道室）。Ｕ形管具有自由伸縮的特點，可以完全消除熱應(yīng)力。管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，所以宜讓不結(jié)垢的流體從管內(nèi)流過。因彎管時，必須保證一定的曲率半徑，所以管束的中心部分存在較大的空隙，在相同直徑的殼體中排列的管子數(shù)較固定管板式少，價格比固定管板式高10％。綜觀上述不同種類的換熱器，由于本設(shè)計題目為水-異丁烷換熱器的設(shè)計，水和異丁烷均為潔凈流體，不易結(jié)垢，傳熱溫度和熱負荷都較小，且管殼程的壓力較低，所以結(jié)合設(shè)計條件和項目經(jīng)費，選擇經(jīng)濟實用的固定管板式換熱器，這種換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體內(nèi)徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。

2工藝結(jié)構(gòu)的計算2.1設(shè)計任務(wù)和設(shè)計條件題目：水-異丁烷換熱器的設(shè)計設(shè)計參數(shù)：熱負荷：Q=200KW；介質(zhì)流量：根據(jù)熱負荷計算；設(shè)計壓力（MPa）：管程0.3，殼程0.53；設(shè)計溫度（℃）：管程入口25，管程出口35；殼程溫度40，殼程入口飽和氣，殼程出口飽和液；介質(zhì)：管程水，殼程異丁烷；允許壓降：≤100000Pa。2.2確定設(shè)計方案1）選擇換熱器的類型異丁烷屬于無色氣體、無毒，對金屬無腐蝕性，微溶于水，與水無反應(yīng)，能溶于乙醚。兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度40℃，出口溫度40℃，冷流體進口溫度25℃，其出口溫度為35℃，所以由于管壁溫與殼體壁溫的溫差較小，且殼程壓力較小，故選取固定管板式冷凝器。固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。并且固定管板式換熱器能得到最小的殼體內(nèi)徑，管程可分多程，殼程也可分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。2）流程的安排和確定從兩流體的操作壓力看，應(yīng)使異丁烷飽和氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱能力下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程異丁烷飽和氣體走殼程。另外由于異丁烷飽和氣體屬于氣體，對金屬無腐蝕性，并且對于飽和蒸汽的冷凝換熱器，飽和蒸汽一般走殼程，以便于冷凝液的排出，所以水走管程，異丁烷走殼程非常合適。2.3確定物性溫度和物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可卻流體進出口溫度的平均值。故殼程異丁烷的定性溫度為：；管程水的定性溫度為：；查物性參數(shù)表可得：1.殼程異丁烷在40℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1）異丁烷為飽和氣體時的物性參數(shù)密度；定壓比熱容；熱導(dǎo)率；粘度；異丁烷為飽和液體時的物性參數(shù)密度；定壓比熱容；熱導(dǎo)率；粘度；2.管程水在30℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度；定壓比熱容；熱導(dǎo)率；粘度；2.4估算傳熱面積熱負荷：Q=200KW;2.4.1管程冷卻水的流量；2.4.2殼體異丁烷的質(zhì)量流量由參考文獻[19]中公式：；Q：流體相變產(chǎn)生的傳熱速率，kwγ：流體的氣化相變焓，異丁烷的相變焓為311.5kJ/kg：流體的質(zhì)量流量，kg/s所以：；2.4.3平均傳熱溫差先按純逆流計算，依據(jù)文獻[11]式（4-40）得；冷凝器操作情況如圖2-1所示：2.4.4傳熱面積的估算按照文獻[11]表4-7，取，依據(jù)文獻[11]式（4-34）得；2.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算2.5.1管徑和管內(nèi)流速根據(jù)參考文獻[12]表3-2，由GB8163選用的普通碳素鋼鋼管，根據(jù)表3-3和3-4取管程流速。2.5.2計算管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)文獻[12]式（3-9）確定單程傳熱管數(shù)（根）；按單程管計算，所需的傳熱管長度為；按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)GB151-1999，現(xiàn)取傳熱管長度，則該換熱器的管程數(shù)為：（管程）；所以，傳熱管總根數(shù)為：（根）；2.5.3平均傳熱溫差和殼程數(shù)依據(jù)文獻[12]式（3-13a）和（3-13b）得：；；按單殼程、四管程查溫差矯正系數(shù)圖得：；平均傳熱溫差；當時，多管程換熱器內(nèi)出現(xiàn)溫度逼近現(xiàn)象，在這種情況下，就需考慮采用多殼程結(jié)構(gòu)的換熱器或多臺換熱器串聯(lián)來解決。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)，則不需設(shè)置多殼程結(jié)構(gòu)。同時，殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.5.4傳熱管的排列和分程方法換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。所以，選擇正方形錯列排列，能夠有效提高給熱系數(shù)。管子排列方式如圖2-2所示：圖2-2換熱管排列示意圖取管間距：；隔板中心側(cè)到離其最近一排管中心距離為：；則各程相鄰管的管心距為44mm。每程各有傳熱管22根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按照文獻[12]圖3-14選取。選取情況如圖2-3所示：2.5.5殼體內(nèi)徑的計算采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按照文獻[12]式（3-20）估算。正四邊形排列4程管子時，取管板利用率。則殼體內(nèi)徑為：；按卷制殼體的進級檔100mm，經(jīng)圓整可取D=500mm。2.5.6折流板采用弓形折流板，根據(jù)文獻[12],由折流板尺寸確定原則，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%，則切去的圓缺高度為：；考慮到制造過程中的管孔變形而影響換熱管的穿入，故被切除處最邊緣上的管孔應(yīng)小于0.5個孔位。則取圓缺高度為：。折流板的最小間距：，則最??；折流板的最大間距：，故??；所以取折流板數(shù)NB：（塊）；取折流板圓缺面水平裝配。由參考文獻[12]表4-3可得折流板厚度為5mm。2.5.7其他附件拉桿數(shù)量與直徑按文獻[12]表（4-7）和（4-8）選取。本換熱器傳熱管外徑為25mm，其拉桿直徑為16mm，取拉桿數(shù)量為4個。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，厚度取5mm。2.5.8接管1）管程流體進出口接管根據(jù)文獻[12]表3-3到3-5，可確定管內(nèi)冷卻水流速為，則接管內(nèi)徑為；圓整后可取接管內(nèi)徑為100mm。2）殼程流體進出口接管根據(jù)文獻[12],可確定進口接管內(nèi)氣體流速為，則接管內(nèi)徑為：；圓整后可取進口接管內(nèi)徑為150mm。由于出口接管流出飽和液體，體積流量較入口的氣體體積流量小很多，考慮到制造安裝的統(tǒng)一性，則取殼程出口接管內(nèi)徑與管程接管內(nèi)徑相同，為100mm。2.6換熱器核算2.6.1換熱器的熱流量核算1)殼側(cè)系數(shù)殼側(cè)壁溫℃。冷凝平均溫度為：40℃。40℃時異丁烷的物理性質(zhì)飽和液體時，；；；b）飽和氣體時，；根據(jù)參考文獻[13]，估算管束直徑：；由于正方形排列管子，四管程時：，；且；所以，；在平均蒸汽溫度下的蒸汽密度：；中排的管數(shù)為：；水平換熱管的載荷，單位管周長的冷凝物速率為：；根據(jù)參考文獻[13]公式(12.51)：；2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)依據(jù)文獻[12]式（3-32）和（3-33）得；管程流體流通截面積；管程流體流速和雷諾數(shù)為：；；普朗特數(shù)為：；由于管內(nèi)流體被加熱，則；3）污垢熱阻和管壁熱阻依據(jù)文獻[12]表（3-10），可取管程冷卻水側(cè)的熱阻；殼程異丁烷側(cè)的熱阻；鋼的導(dǎo)熱系數(shù)；管壁熱阻；4)傳熱系數(shù)依據(jù)文獻[12]表（3-21），可得；在初步計算時，假設(shè)的總傳熱系數(shù)為。通過核算，該換熱器在規(guī)定的流動條件下，所提供的傳熱系數(shù)為，所以假設(shè)合適。5)傳熱面積和面積裕度依據(jù)文獻[12]式（3-35）可得所計算的傳熱面積Ac為；該換熱器的實際傳熱面積A為；該換熱器的面積裕度依據(jù)文獻[12]式（3-36）計算為；所以，由于面積裕度在（15%～20%）之間，則該換熱器面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.6.2壁溫核算因管壁很薄，管壁熱阻小，故管壁溫度可按文獻[12]式（3-42）計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度為35℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，依據(jù)文獻[12]式（3-42）有：；式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別按式（3-44）和（3-45）計算為：；；；；傳熱管平均壁溫；殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即；殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為；由于該溫差較小，且殼程壓力較小，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器較為適宜，而且經(jīng)濟。2.6.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力1)管程流動阻力依據(jù)文獻[12]式（3-47）～（3-49）可得：；式中，ΔPi為單程直管阻力；ΔPr為局部阻力；Ns為殼程數(shù)；ΔPt為管程總阻力；Fs為管程結(jié)垢校正系數(shù)，可近似取1.5。；；由，傳熱管的相對粗糙度，查莫狄圖，流速；，所以：；；；由于，故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2)殼程流動阻力根參考文獻[13]，可得橫截面積：;質(zhì)量流速為：;;當量直徑為：;飽和異丁烷蒸汽粘度為：;所以熱阻為：;由文獻[13]圖12.30可得：;設(shè)壓降為利用進口流量進行計算的計算值的50%，忽略粘度矯正，則：;由于殼程壓降2222Pa<100000Pa，故殼程的流動阻力也在允許范圍內(nèi)。2.6.4換熱器的主要尺寸和計算結(jié)果換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果如表2-1所示：

表2-1換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果參數(shù)管程殼程流率kg/h172442304進出溫度℃25/3540/40壓力MPa0.30.53物性定性溫度/℃3040密度（kg/m3）995.73813.666定壓比熱容[kJ/（kg·k）]4.1791.921粘度Pa·S0.797×10-30.791×10-3熱導(dǎo)率[W/（m·k）]0.61560.0185普朗特數(shù)5.40.7354設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑mm500殼程數(shù)1管徑mm管心距mm32管長mm6000管子排列正錯管數(shù)目根88折流板數(shù)個20傳熱面積m242折流板間距mm300管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速m/s0.73表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[W/（m2·k）]34451445污垢熱阻（m2·k/W）阻力Pa38062222熱流量kW200傳熱溫差K9.1傳熱系數(shù)[W/（m2·k）]620裕度20%3換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在確定換熱器的換熱面積后，應(yīng)進行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強度計算，主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、法蘭的計算和選擇、開孔補強計算和校核，還有主要構(gòu)件的設(shè)計（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計算如下：3.1選材本換熱器管程部分的溫度在30℃左右，介質(zhì)為冷卻水，殼程部分的溫度在40℃左右，介質(zhì)為異丁烷，對材料沒有較高的特殊要求，一般的石油化工容器用鋼即可。又因為該換熱器的壓力p=0.53MPa，屬于低壓，所以本設(shè)計的殼體材料選用Q345R，它是低合金鋼，具有良好的焊接性能，機械性能及成形性能和耐腐蝕性能，是中國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板，質(zhì)量穩(wěn)定，符合本設(shè)計對材料的要求，具體的化學(xué)成分及性能和冷彎性能描述如下表3-1，表3-2；管程筒體和封頭均采用Q345R。表3-1Q345R的化學(xué)成分CMnPS0.20～0.601.20～1.26表3-2Q345R的力學(xué)性能和冷彎性能板厚/MPa/MPa（﹪）Akv/J.冷彎試驗6～16510345≥25≥31>17～25490325≥25≥31Q345R的性能指標：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：;常溫下的許用應(yīng)力：;參數(shù)選取焊縫系數(shù)（雙面焊，100﹪探傷）3.2管板與殼體、管箱、換熱管的連接3.2.1管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)由于殼程流體較清潔，且殼體與管子溫差較小，殼程壓力也不高，故采用兩端管板與殼體焊接，其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。3.2.2管板與管箱的連接結(jié)構(gòu)固定管板式換熱器的管板兼作法蘭，與管箱的連接形式比較簡單，根據(jù)工藝要求，選擇長頸對焊法蘭連接。查JB4703-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭，法蘭，平面密封面，材料為鍛件20MnMoⅡ，其具體尺寸如下表：表3-3DN500長頸對焊法蘭尺寸DN法蘭螺柱對接筒體最小厚度DD1D2D3D4Hhaa1Rd規(guī)格數(shù)量5006406005655554523810025171412221223M20244管板尺寸根據(jù)法蘭的相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸確定，最大外徑確定為640mm，寬度根據(jù)標準取40mm。法蘭重量為27.8kg，管板重量為80kg。管箱墊片，依據(jù)管程操作條件，選石棉墊片，其寬度為14mm，墊片圓角尺寸，取R=8mm，墊片圓角是為了保證墊片有足夠的強度。3.2.3管板與傳熱管的連接結(jié)構(gòu)換熱管與管板的連接形式，主要有三種：(1)強度脹接;(2)強度焊接;(3)脹焊并用。本設(shè)計采用強度焊接，其結(jié)構(gòu)簡單，換熱管修補容易。但這種方法不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。焊接結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫能力強，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。當管子焊接處有滲漏可以補焊。管子破漏，可以用專門道具劃掉焊縫，重新更換新管子。管子與管板的焊接其焊縫的剪切斷面應(yīng)不低于管子斷面的1.25倍。即：，強度焊的尺寸見表3-3。

表3-3強度焊結(jié)構(gòu)尺寸換熱管外徑規(guī)格（外徑×壁厚）10×1.514×219×225×2.532×338×345×357×3.5伸出長度l10.5+0.51+0.51.5+0.52.5+0.53+0.5注：1.當工藝要求管端伸出長度小于表中數(shù)據(jù)時，可以適當加大管板焊縫破口深度，以保證焊腳高l2不小于1.4倍管壁厚度。2.換熱管壁厚超標時，l1值可適當調(diào)整。3.3其他零部件結(jié)構(gòu)3.3.1管程因為管程介質(zhì)清潔，且壓力不高，故采用B型管箱（封頭管箱），如下圖3-1示圖3-1管箱結(jié)構(gòu)示意圖3.3.2分程隔板分程隔板和管板上的溝槽結(jié)構(gòu)如下，隔板材料一般采用與管箱相同的材料，每一程隔板上開約φ6mm的排放孔，以便排除每一程的殘液。分程隔板的密封長度應(yīng)比較短，減少泄露和用料。分程隔板槽型要簡單。分程隔板除了要滿足換熱器標準規(guī)定的最小厚度外，還要滿足隔板兩側(cè)的壓差。管板上的分程隔板槽見下圖。槽深一般不小于4mm，碳鋼的槽寬為12mm。槽的拐角處的倒角45℃，倒角寬度為分程墊片的圓角半徑R加1～2mm。拐角的另一側(cè)轉(zhuǎn)角為R=7。墊片的拐角為圓弧型過度，使墊片有足夠的強度，一般圓角半徑R=10mm。本設(shè)計所采用的分程隔板結(jié)構(gòu)如下圖3-2所示。圖3-2分程隔板示意圖3.3.3拉桿拉桿通常有兩種形式，一種為拉桿和折流板焊接形式，一般用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束。另一種為拉桿定距管結(jié)構(gòu)形式，一般用于換熱管外徑大于或等于18mm的管束。本設(shè)計即采用后一種形式。拉桿一般盡量均勻布置在管束外邊緣。任何一塊折流板不小于3個支承點。拉桿直徑如下表3-5所示。表3-6拉桿直徑換熱管外徑d10≤d≤1414＜d＜2525≤d≤57拉桿直徑dn101216拉桿的長度按需要確定。拉桿的連接尺寸見圖3-6，連接尺寸表見表3-7.圖3-6拉桿的連接尺寸拉桿的數(shù)量由換熱器的公稱直徑來確定，初次設(shè)計取拉桿數(shù)量為4個。表3-7拉桿的連接尺寸拉桿直徑d螺紋公稱直徑dnlalbb101013≥401.5121215≥502.0161620≥602.03.3.4排氣口與排液口在換熱器的管程與殼程，為了回收或排除介質(zhì)，空氣及凝液，在管板或靠近管板的殼體上設(shè)置排氣口和排液口。排氣口和排液口的大小，一般不小于φ15mm。臥式換熱器的殼程排氣和排液口設(shè)置的位置分別在上部和底部。3.3.5膨脹節(jié)由于壓力和溫差都較小，故選用波形膨脹節(jié)（U形膨脹節(jié)）較為合適。波形膨脹節(jié)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、補償性能好、價格便宜而得到廣泛應(yīng)用，其補償能力和使用壓力與材料有關(guān)，當要求補償能力較大時，可采用多個波形膨脹節(jié)，或在設(shè)備組裝時預(yù)先將波形膨脹節(jié)進行預(yù)壓。為減小波形膨脹節(jié)的流動阻力，在設(shè)計時應(yīng)考慮在臥式換熱器的液體流動方向焊一作導(dǎo)流作用的襯板，以減小流體阻力。

4換熱器的強度設(shè)計及其校核4.1筒體的計算由于換熱器為內(nèi)壓容器，故可以采用內(nèi)壓容器的設(shè)計方法來確定其壁厚，根據(jù)內(nèi)壓薄壁容器“彈性失效”設(shè)計準則，查閱文獻[13]式（4-13），則殼體壁厚的計算公式為：；由工藝設(shè)計給定設(shè)計溫度40℃，設(shè)計壓力Pc=0.6Mpa，查閱文獻[1]選低合金結(jié)構(gòu)鋼板Q345R（控軋）卷制，該材料在40℃時的許用壓力，查閱文獻[13]表4-3，取焊縫系數(shù)，腐蝕裕量C2=2mm，則：計算厚度；設(shè)計厚度；名義厚度圓整=2.8+2+0.8+圓整=8mm；取名義厚度為8mm。有效厚度；取為5mm。水壓試驗壓力；所選材料的屈服強度；水壓試驗校核；，水壓強度滿足要求。氣壓試驗壓力：；氣壓試驗校核；，則氣壓強度滿足要求。4.2封頭的計算計算厚度；設(shè)計厚度；名義厚度圓整=2.4+0.8+2+圓整=8mm，最終取其名義厚度與殼體厚度一樣，都為8mm。有效厚度，取為5mm。水壓試驗壓力；所選材料的屈服強度；水壓試驗校核；，水壓強度滿足要求。氣壓試驗壓力；氣壓試驗校核；，氣壓強度滿足要求。

4.3接管開口補強校核在該固定管板冷凝器上，殼程流體的進出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進出，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，會給換熱器的安全操作帶來隱患。因此此時應(yīng)進行開孔補強的計算。由于管程與殼程出入口公稱直徑均為100mm和150mm，按照厚度系列，可選接管的規(guī)格為和，接管的材料選為20號熱軋?zhí)妓劁?。根?jù)GB150-2011的標準要求，殼體開孔滿足下述要求，則不需要另行補強：（1）設(shè)計壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開孔中心的間距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm。綜上條件，本換熱器選用接管公稱直徑較大，所以需要進行開孔補強。4.3.1管箱接管開孔補強開孔補強采用等面積補強法，由工藝設(shè)計給定的接管為（厚度根據(jù)文獻[5]選取）?？紤]實際情況，20號熱軋?zhí)妓劁摴?，取。接管計算壁厚；接管有效壁厚；開孔直徑；接管有效補強寬度；接管外側(cè)有效補強高度；接管內(nèi)側(cè)有效補強高度；需要補強面積；可以作為補強的面積為：；；；該接管補強的強度不夠，需另設(shè)補強結(jié)構(gòu)。且需另加的補強面積為；補強圈厚度為；考慮到鋼板負偏差，參照文獻[3]。，取其名義厚度為4mm。但為便于制造時準備材料，取補強圈的名義厚度與封頭的厚度一致，即8mm，補強材料與殼體材料一樣，此時，另行補強面積為：；；同時計及焊縫面積之后，該開孔補強的強度足夠。則根據(jù)接管公稱直徑，參照JB/T4736-2002補強圈標準取補強圈外徑，選用E型坡口-適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)，取厚度為8mm。4.3.2殼程接管的開孔補強開孔補強采用等面積補強法，由工藝設(shè)計給定的接管為（厚度根據(jù)文獻[25]選取）?？紤]實際情況，20號熱軋?zhí)妓劁摴?，取。接管計算壁厚?接管有效壁厚;開孔直徑;接管有效補強寬度;接管外側(cè)有效補強高度;接管內(nèi)側(cè)有效補強高度;需要補強面積;可以作為補強的面積為;;;該接管補強的強度不夠，需另設(shè)補強結(jié)構(gòu)。且需另加的補強面積為;補強圈厚度為;考慮到鋼板負偏差，參照文獻[3]。，取其名義厚度為4mm。但為便于制造時準備材料，取補強圈的名義厚度與封頭的厚度一致，即8mm，補強材料與殼體材料一樣，此時，另行補強面積為;;同時計及焊縫面積之后，該開孔補強的強度足夠。則根據(jù)接管公稱直徑，參照JB/T4736-2002補強圈標準取補強圈外徑，選用E型坡口-適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)，取厚度為8mm。4.4管板法蘭的設(shè)計及校核4.4.1選定法蘭結(jié)構(gòu)根據(jù)殼體的工況壓力是0.6MPa，故選用容器法蘭，依據(jù)文獻[9]，選取法蘭-WN500-1.0JB/T4703-2000，材料為16Mn鍛。4.4.2墊片根據(jù)文獻[1]表（7-2）取墊片系數(shù)m=2.00，y=11Mpa。1)墊片有效密封寬度選定墊片尺寸，按照文獻[1]確定墊片接觸寬度和基本密封寬度。查表（7-1），取b=7mm。2)墊片壓緊力作用中心圓直徑DG=K-2b=544-14=530mm;3)墊片壓緊力A.預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力;B.操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力;4)墊片寬度其值按經(jīng)驗取42mm。4.4.3螺栓1)螺栓的布置法蘭徑向尺寸按文獻[1]表（7-3）選取，即，，。2)螺栓載荷A.預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷;B.操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷;3)螺栓面積A.預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積;B.操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積;所需的螺栓面積取。;4)螺栓設(shè)計載荷A.預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓設(shè)計載荷;B.操作狀態(tài)下的螺栓設(shè)計載荷;4.4.4法蘭1)法蘭力矩A.預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩;B.操作狀態(tài)下的法蘭力矩2)法蘭設(shè)計力矩;3)法蘭應(yīng)力A.軸向應(yīng)力;B.徑向應(yīng)力;C.環(huán)向應(yīng)力;D.剪應(yīng)力a.剪切載荷a1.預(yù)緊狀態(tài)下的剪切載荷;a2.操作狀態(tài)下的剪切載荷;b.剪切面積;c.剪應(yīng)力;c1.預(yù)緊狀態(tài)下的剪應(yīng)力;c2.操作狀態(tài)下的剪應(yīng)力;4.4.5應(yīng)力校核1)軸向：，合格2)徑向：，合格3)環(huán)向：，合格4)組合應(yīng)力校核，合格，合格5)剪應(yīng)力A.預(yù)緊狀態(tài)下，合格B.操作狀態(tài)下，合格4.5支座的設(shè)計及校核4.5.1支座反力的計算1)圓筒的質(zhì)量由于材料的密度，則：;2)兩個封頭的質(zhì)量;附件和保溫層的質(zhì)量,取附件和保溫層質(zhì)量為:;3)筒體做水壓試驗時的沖水質(zhì)量;4)總質(zhì)量;5)支座反力;4.5.2支座的選型根據(jù)JB/T4712-2007標準，選擇重型（B型）、包角帶墊板的鞍式支座。公稱直徑DN允許最大載荷Q（KN）鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距l(xiāng)2鞍座質(zhì)量（kg）增加100mm高度增加的質(zhì)量（kg）l1b1l3b3弧長b4e50015530046015010825012085902406563302544.5.3強度校核計算圓筒軸向彎矩1)圓筒中間截面處的彎矩：;2)截面處的彎矩;計算圓筒周向應(yīng)力1)由于彎矩引起的軸向應(yīng)力=1\*GB3①在圓筒中心截面上a.最高點處;b.最低點處;=2\*GB3②支座截面處圓筒的軸向應(yīng)力最高點處;最低點處;式中2)由于設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力;3)軸向應(yīng)力組合與校核=1\*GB3①軸向拉應(yīng)力;;最大軸向拉應(yīng)力;=2\*GB3②軸向壓應(yīng)力;;最大軸向壓應(yīng)力;=3\*GB3③軸向應(yīng)力校核a.許用軸向拉應(yīng)力：;;b.軸向許用壓縮應(yīng)力：;根據(jù)和值，查參考文獻[1]圖4-2，得A=0.00025;按選用的材料，根據(jù)查參考文獻[1]圖4-4;計算圓筒、封頭的切向剪應(yīng)力1)圓筒切向剪應(yīng)力式中=0.88，由查參考文獻[1]表8-2查得2)封頭切向剪應(yīng)力式中=0.401，由查參考文獻[1]表8-2查得3)切向剪應(yīng)力校核式中0.8為圓筒許用切向剪應(yīng)力，式中1.25為封頭許用切向剪應(yīng)力。圓筒的軸向應(yīng)力容器的鞍座墊片按不起加強作用考慮。1)圓筒截面最低點處的周向應(yīng)力式中k=1，考慮容器焊在鞍座上。=0.053，由查參考文獻[1]表8-3查得;2)在鞍座邊腳處的圓周應(yīng)力;3)周向應(yīng)力校核計算鞍座有效斷面平均應(yīng)力1)鞍座承受的水平分力式中由查參考文獻[1]表8-3查得。2)鞍座有效斷面平均應(yīng)力式中=300mm，為鞍座實際高度和兩者中較大的，腹板名義厚度為8mm。3)斷面平均應(yīng)力校核式中=170MPa。鞍座材料Q235C的許用應(yīng)力。

5經(jīng)濟性分析本次設(shè)計的題目為水-異丁烷換熱器的設(shè)計。換熱器主要由三部分組成：前端管箱、筒體、后端管箱，其中，前端和后端管箱部分選擇的是標準橢圓封頭直接沖壓制成。所選的材料為一般的材料Q345R，中間筒體部分可以看作為一個壓力容器，按照壓力容器用鋼要求，同樣選擇較為普遍的Q345R。它是目前壓力容器用鋼最為普遍也較安全可靠的一種合金鋼，已經(jīng)過多年的實際檢驗。其他的結(jié)構(gòu)也都采用了目前運用廣泛且安全可靠的鋼材，如20號鋼，16Mn鍛等。對于換熱器型號的選擇，由于管壁溫差較小，壓力也較小，故選擇帶膨脹節(jié)的固定管板式冷凝器。該換熱器不僅使用方便，價格低廉，而且能夠滿足任務(wù)書所要求的各項指標，且經(jīng)校核后強度合格。它們生產(chǎn)周期短，可以大批量生產(chǎn)，且價格便宜，基本上滿足技術(shù)要求、完善，不用做工藝性檢驗，性能優(yōu)越，有良好的市場競爭力。由于我們所學(xué)的知識有限，所以本次設(shè)計在經(jīng)濟性方面也存在著許多不足之處，還有待完善，以達到效率兼顧經(jīng)濟平衡，爭取做到更好的性價比。6總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計的題目是水-異丁烷換熱器設(shè)計。首先通過傳熱計算選出換熱器的型號，根據(jù)選定的型號校核初選的換熱面積是否合格，接著進行了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這一部分是整個設(shè)計的重點，并選定了管箱的形式，管板與殼體的連接形式，封頭及法蘭等的形式，最后選定了換熱器的附屬結(jié)構(gòu)，如鞍座，接管等。按照GB150-2011，GB151-1999等資料選定不同部件的形式及材料。本次設(shè)計的材料主要以Q345R為主，還有16Mn鍛、Q235C、20號鋼等。經(jīng)過一系列的傳熱計算、形式選擇以及相應(yīng)的校核，該換熱器能滿足任務(wù)書所規(guī)定的使用要求。對本換熱器進行了初步的經(jīng)濟性分析，表明本設(shè)計的換熱器具有較好的經(jīng)濟性。

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致謝在大學(xué)四年學(xué)習即將結(jié)束之際，經(jīng)過好幾個月緊張、繁忙地學(xué)習和實踐，我的畢業(yè)設(shè)計終于定稿了。本次設(shè)計能夠順利完成，得益于袁淑霞老師的精心指導(dǎo)和督促以及本組同學(xué)的相互合作和幫助。在此，我要十分的感謝他們。畢業(yè)設(shè)計對我們來說的一次特別的鍛煉。我學(xué)到了許多從書本上、課堂上所學(xué)不到的東西，使一些相關(guān)理論知識得到了進一步的融會貫通，也增強了我思考問題和實際動手的能力。本次設(shè)計將對我將來走上工作崗位有很大的益處。通過本次設(shè)計使我深刻體會到以下幾個方面：換熱器的傳熱計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，零部件的選用以及制圖，都要經(jīng)過嚴密的計算和精心的選取，只有這樣才能做到有的放矢。進行AutoCAD繪圖時，一定要掌握AutoCAD的最基礎(chǔ)的使用，這樣就不至于在繪圖時出現(xiàn)錯誤，這樣就加快了繪圖的速度。細心和虛心是必不可少的尤其是不懂就問，問老師和同學(xué)還有就要上網(wǎng)查資料。在整個設(shè)計過程中，袁老師為我們提供了大量的相關(guān)資料，還為我們耐心的輔導(dǎo)并且提出了許多寶貴的意見。在此，我特向袁老師表示衷心的感謝和誠摯的敬意！大學(xué)本科的生活快要結(jié)束了。在這最后的時間里，我得到了同學(xué)的很多幫助。我們在一起設(shè)計，互相討論，互相請教問題，大家共享資料。在我碰到困難的時候，他們幫我渡過了難關(guān)。這般友誼，彌足珍貴。本次畢業(yè)設(shè)計對培養(yǎng)我的實踐工程能力具有重要意義。通過畢業(yè)設(shè)計，我把先修課程中所獲得的理論知識在實際的設(shè)計工作中綜合地加以動用，使這些知識得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識和生產(chǎn)實踐密切地結(jié)合起來。這次設(shè)計，初步培養(yǎng)了我對壓力容器設(shè)計的工作能力；樹立正確的設(shè)計的思想；掌握一些容器設(shè)計有基本方法和步驟，為以后進行設(shè)計工作打下了良好的基礎(chǔ)。另外還使我能訓(xùn)練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計算圖表、手冊；熟悉有關(guān)的國家標準，為成為一個工程技術(shù)人員在培養(yǎng)基本技能?；贑8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究HYPERLINK"/detail.h