浮頭式換熱器說(shuō)明書(shū)

摘要本設(shè)計(jì)來(lái)源于工廠(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐。浮頭式換熱器具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，熱應(yīng)力低，安裝方便，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中壓浮頭式換熱器是臥式熱交換器，設(shè)計(jì)此裝置旨在培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)及結(jié)合實(shí)際獨(dú)立完成設(shè)計(jì)題目的工作能力，掌握學(xué)科專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的基本方法，為將來(lái)進(jìn)行過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)中的浮頭式換熱器主要參照GB/T151-2014《熱交換器》，在給定的設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，然后對(duì)管箱、換熱管、圓筒等進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核，對(duì)于換熱器的一些零部件則根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)查找標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于具體的設(shè)計(jì)步驟與準(zhǔn)則在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中有詳細(xì)的說(shuō)明。關(guān)鍵詞：換熱器；浮頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AbstractThisdesignisderivedfromtheproductionpracticeofthefactory.Thefloatingheadheatexchangerhasthesignificantadvantagesofhighheattransfercoefficient,compactstructure,lowthermalstress,easyinstallation,easyadjustment,smallfootprint,lowequipmentandoperatingcosts.Thedesignofthismediumpressurefloatingheadheatexchangerisahorizontalheatexchanger,thedesignofthisdeviceisdesignedtocultivateourabilitytocomprehensivelyusetheknowledgewehavelearnedandcombinewiththeactualworkabilitytoindependentlycompletethedesignproblems,masterthebasicmethodsofdisciplinedesign,andlaythefoundationforthefuturedesignofprocessequipment.ThefloatingheadheatexchangerinthisdesignmainlyreferstoGBT151-2014,andtheprocessdesigniscarriedoutunderthegivendesignconditions,andthenthedetailedmechanicalstructuredesign,calculationandverificationofthetubebox,heatexchangertube,cylinder,etc.,andsomepartsoftheheatexchangerarefoundaccordingtothedesignparameters.Thespecificdesignstepsandguidelinesaredescribedindetailinthedesignspecification.Keywords:heatexchanger,floatinghead,structuraldesig內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄TOC\o"1-3"\h\u引言 引言浮頭式換熱器的應(yīng)用前景廣闊。首先，浮頭式換熱器可以應(yīng)用于新能源領(lǐng)域。隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的快速發(fā)展，浮頭式換熱器可以作為太陽(yáng)能集熱器和風(fēng)能發(fā)電裝置中的關(guān)鍵傳熱部件，實(shí)現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)化和利用。其次，浮頭式換熱器可以應(yīng)用于工業(yè)廢熱利用。在石化、化工等行業(yè)，大量的廢熱被浪費(fèi)掉，而浮頭式換熱器可以將廢熱回收利用，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)。最后，浮頭式換熱器還可以應(yīng)用于核電站和核能領(lǐng)域。由于核能領(lǐng)域的特殊性和安全性要求，浮頭式換熱器可以提供更加高效和可靠的熱交換設(shè)備，為核能的安全和可持續(xù)發(fā)展提供支持。本課題來(lái)源于工廠(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐。浮頭式換熱器具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，熱應(yīng)力低，安裝方便，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)浮頭式換熱器是臥式熱交換器，設(shè)計(jì)此裝置旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)及結(jié)合實(shí)際獨(dú)立完成設(shè)計(jì)題目的工作能力，掌握學(xué)科專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的基本方法，為將來(lái)進(jìn)行過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

第一章設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)依據(jù)1.1換熱器選型換熱設(shè)備有多種多樣的形式，每種結(jié)構(gòu)形式的換熱設(shè)備都有其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性，換熱器選型需要考慮的因素有很多，主要包括流體的性質(zhì)、壓力、溫度、壓降及其可允許范圍；對(duì)清洗、維修的要求；材料價(jià)格及控制成本；動(dòng)力消耗費(fèi)；現(xiàn)場(chǎng)安裝和檢修的方便程度，壁面工作溫度；使用壽命和可靠性。兩流體的溫度變化情況：油、水進(jìn)口溫度80°，出口溫度148°；循環(huán)水進(jìn)口溫度175°，出口溫度130°?？紤]到殼體和管束之間壁溫差較大且殼程介質(zhì)為水易結(jié)垢，初步確定本設(shè)計(jì)采用浮頭式換熱器，浮頭式換熱器具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，熱應(yīng)力低，安裝方便，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)。1.2浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介浮頭式換熱器主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結(jié)構(gòu)三部分。前端管箱主要由管箱筒節(jié)、浮頭、管箱法蘭和管箱側(cè)法蘭組成；殼體內(nèi)部主要由換熱管、折流桿、折流板、旁路擋板、拉桿和定距管組成；后端結(jié)構(gòu)主要由浮頭蓋、鉤圈、浮頭法蘭和外頭蓋組成。兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)稱(chēng)為浮頭。浮頭由浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的變形互不約束，因而不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。1.3浮頭式換熱器的原理浮頭式換熱器的工作原理是通過(guò)流體在管束內(nèi)的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱傳遞的目的。當(dāng)熱傳遞管內(nèi)的流體流動(dòng)時(shí)，浮頭隨著流體一起上升或下降，從而保證了管外殼體的密封性。具體來(lái)說(shuō)，流經(jīng)換熱器的流體進(jìn)入熱傳遞管內(nèi)，流經(jīng)管程內(nèi)的管壁，通過(guò)管壁與管內(nèi)的熱傳遞介質(zhì)(如水、蒸汽等)進(jìn)行熱量交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。隨著流體的流動(dòng)，浮頭也隨之浮動(dòng)，使得管殼之間始終保持一定的密封狀態(tài)，從而確保了換熱器的正常運(yùn)行。1.4浮頭式換熱器的主要材料選擇壓力容器用鋼根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》所引用的鋼材標(biāo)準(zhǔn)，主要為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼三大類(lèi)。由于壓力容器作為過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中重要的設(shè)備，雖然在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的安全運(yùn)行與很多因素有關(guān)，但其中材料性能是最重要的因素之一，為了確保壓力容器的使用安全，壓力容器在制造技術(shù)要求上非常嚴(yán)格，其承壓元件應(yīng)采用壓力容器專(zhuān)用鋼板。這類(lèi)鋼板要求質(zhì)地均勻，對(duì)硫，磷等有害元素的控制更加嚴(yán)格(ω<0.015%,ω<0.025%)，且需要進(jìn)行某些力學(xué)性能方面特殊項(xiàng)目的檢驗(yàn)。壓力容器專(zhuān)用鋼板有Q245R,Q345R,Q370R,10MnMoNbR,13MnNiMoR,15CrMoR,14CrlMoR,12Cr2MolR,16MnR12Cr1MoVR，304不銹鋼，Q235A，00Cr19Ni10，0Cr18Ni9。介質(zhì)為水、油，沒(méi)有腐蝕性，可以考慮Q345R這種鋼種，Q345R是制造壓力容器專(zhuān)用的低合金高強(qiáng)度鋼板，具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性。Q345R鋼400C°的中低壓壓力容器，多層高壓容器及其承壓結(jié)構(gòu)件。所以在此選擇O345R作為本次設(shè)計(jì)的主要材料。1.5主要設(shè)計(jì)依據(jù)本設(shè)計(jì)課題為中壓浮頭式油、水混合物換熱器，所以本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)主要依據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》以及GB/T151-2014《熱交換器》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第二章設(shè)計(jì)基本參數(shù)管程殼程介質(zhì)循環(huán)水油，水介質(zhì)特性無(wú)毒，非易燃易燃工作溫度進(jìn)/出（℃）175/13080/148設(shè)計(jì)溫度200工作壓力（MPa）2.02.0設(shè)計(jì)壓力2.22.2腐蝕裕量（mm）2.02.0焊接接頭系數(shù)1.01.0程數(shù)21保溫層厚度（mm）100換熱面積（外徑）（m2）100工作溫度Tw：殼程進(jìn)/出=80/148℃；管程進(jìn)/出=設(shè)計(jì)溫度：Td工作壓力：Pw設(shè)計(jì)壓力：Pd=1.1Pw=1.1×根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和液柱靜壓力確定計(jì)算壓力，液柱靜壓力根據(jù)公式：P=ρgh計(jì)算后較小，省略，所以計(jì)算壓力：Pc

第三章殼體設(shè)計(jì)3.1殼體設(shè)計(jì)3.1.1選材由于所設(shè)計(jì)的浮頭式換熱器屬于常規(guī)容器，在工廠(chǎng)中多采用碳素鋼和低合金鋼制造，而且殼程中的介質(zhì)為水和油，無(wú)腐蝕性，根據(jù)HG/T20581-2020《鋼制壓力容器材料選用規(guī)范》選擇Q345R為筒體的材料，采用雙面焊，無(wú)損檢測(cè)程度為100%，焊縫系數(shù)φ=1。Q345R是低碳低合金鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，而且采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應(yīng)力知：溫度為200℃，材料厚度為3-16mm時(shí)，σt3.1.2確定設(shè)計(jì)參數(shù)焊接接頭系數(shù)φ：查《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》，采用雙面焊對(duì)接接接頭，100%無(wú)損檢測(cè)，取φ=1。根據(jù)所給簡(jiǎn)圖得鋼板厚度負(fù)偏差：C1=0.3mm，腐蝕裕量：C2=2mm,即C=C3.2殼體厚度計(jì)算計(jì)算殼體厚度δ=PcDi2代數(shù)得δ=2.2×10002×183×1-2.2設(shè)計(jì)厚度δd=δ+C2名義厚度δn=δ考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及制造，向上圓整取名義厚度δn有效厚度δe=δn-3.3殼體液壓試驗(yàn)液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)為1.25，所以 PT=1.25Pd[σ]σ代數(shù)得PT=1.25在耐壓試驗(yàn)前要按照下式校核試驗(yàn)時(shí)殼體的薄膜應(yīng)力σσT=PT(代數(shù)得σT液壓試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足σT≤0.9φReLREF_Ref28955\r\h[1]根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》查得材料Q345R在室溫下的屈服強(qiáng)度ReL=345MPa。代數(shù)得σT≤0.9φReL=0.9×1×345滿(mǎn)足液壓試驗(yàn)。3.4殼體強(qiáng)度計(jì)算校核3.4.1殼體強(qiáng)度校核計(jì)算殼體的應(yīng)力強(qiáng)度σt=PT(代數(shù)得σtσt值應(yīng)小于等于σtσt校驗(yàn)合格。3.4.2殼體計(jì)算校核計(jì)算殼體的允許最大工作壓力[Pw]=φ2δeσ代數(shù)得[Pw]=1×校驗(yàn)合格。

第四章管箱設(shè)計(jì)4.1管箱筒體設(shè)計(jì)4.1.1選材管程中的介質(zhì)為循環(huán)水，無(wú)腐蝕性，根據(jù)根據(jù)HG/T20581-2020《鋼制壓力容器材料選用規(guī)范》選擇Q345R為封頭與管箱的材料，采用雙面焊，無(wú)損檢測(cè)程度為100%，焊縫系數(shù)φ=1。根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應(yīng)力知：溫度為200℃，材料厚度為3-16mm時(shí)，σt4.1.2管箱筒體壁厚計(jì)算根據(jù)所給簡(jiǎn)圖得鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.3mm，腐蝕裕量：C2=2mm,即C=計(jì)算筒體厚度δ=PcDi2代數(shù)得δ=2.2×10002×183×1-2.2設(shè)計(jì)厚度δd=δ名義厚度δn=δ考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及制造，向上圓整取名義厚度δn有效厚度δe=δn-C=4.1.3管箱筒體液壓試驗(yàn)液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)為1.25，所以 PT=1.25Pd[σ]σ代數(shù)得PT=1.25在耐壓試驗(yàn)前要按照下式校核試驗(yàn)時(shí)筒體的薄膜應(yīng)力σσT=PT(代數(shù)得σT=液壓試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足σT≤0.9φReLREF_Ref28955\r\h[1]根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》查得材料Q345R在室溫下的屈服強(qiáng)度ReL=345MPa。代數(shù)得σT≤0.9φReL=0.9×1×345滿(mǎn)足液壓試驗(yàn)。4.1.4管箱筒體強(qiáng)度計(jì)算校核4.1.4.1管箱筒體強(qiáng)度校核計(jì)算筒體的應(yīng)力強(qiáng)度σt=PT(代數(shù)得σtσt值應(yīng)小于等于σtφ，即σt≤σt校驗(yàn)合格。4.1.4.2管箱筒體計(jì)算校核計(jì)算筒體的允許最大工作壓力[Pw]=φ2δeσ代數(shù)得[Pw]=1×2×11.7×1831000+11.7=4.23MPa>校驗(yàn)合格。4.2管箱法蘭和管箱側(cè)法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1法蘭材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力Pw4.2.2法蘭選型根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，設(shè)計(jì)壓力Pw4.2.3法蘭尺寸根據(jù)NB/T47023-2012《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》查得法蘭質(zhì)量m=199.7Kg及表4-1法蘭尺寸（單位：mm）4.2.4法蘭墊片的選取根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力Pw=2.2MPa，公稱(chēng)直徑DN=1000mm，將墊片材料選為耐油石棉橡膠板，根據(jù)GB/T29463-2023《管殼式熱交換器用墊片》查得墊片的尺寸，具體數(shù)值如下：公稱(chēng)直徑DN=1000mm；墊片內(nèi)徑d=1037mm；墊片外徑D=1087；墊片厚度4.2.5螺柱的選取4.2.5.1選材結(jié)合法蘭的類(lèi)型以及設(shè)計(jì)溫度選擇螺柱螺母的材料為：螺柱40Cr4.2.5.2選型根據(jù)NB/T47027-2012《壓力容器法蘭用緊固件》選擇螺柱型式為A型螺柱，其結(jié)構(gòu)如圖4-1。根據(jù)前文選取螺柱規(guī)格為M27，查得螺柱的尺寸，具體尺寸如表4-2。圖4-1螺柱結(jié)構(gòu)表4-2螺柱尺寸（單位：mm）dLCrM2770384.2.6螺母的選取根據(jù)螺柱規(guī)格為M27，選取螺母規(guī)格為M27，根據(jù)NB/T47027-2012《壓力容器法蘭用緊固件》查得螺母的尺寸，具體尺寸如表4-3。表4-3螺母尺寸（單位：mm）dddemmsmaxminminminmaxminminmaxminM2729.12742.550.427.426.120.946454.2.7平墊圈的選取根據(jù)螺栓的型號(hào)和尺寸選取A型平墊圈，規(guī)格為M27，根據(jù)GB/T97.1-2002《平墊圈A級(jí)》查得平墊圈尺寸：內(nèi)徑d1=min=28mmmax=28.33mm，外徑4.2.8墊片的計(jì)算選取的墊片材料選為耐油石棉橡膠板，且厚度為3mm，根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》查得墊片系數(shù)m=2.00，比壓力y=11MPa。墊片的接觸寬度NN=D-d2REF_Ref28955\r\h基本密封寬度bb0=N2REF_Ref28955\r\h代數(shù)得N=1087-1037b0根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》規(guī)定當(dāng)b0>6.4mm時(shí)，b=2.53當(dāng)b0>6.4mm時(shí)，DG等于墊片接觸的外徑減去2b，即DG=預(yù)緊狀態(tài)下所需的最小墊片壓緊力FFa=3.14DGbyREF_Ref28955\r\h[1]代數(shù)得Fa=3.14×1069.12×8操作狀態(tài)下所需的最小墊片壓緊力FFp=6.28DGbmPc代數(shù)得Fp=6.28×1069.12×8.94×4.3管箱封頭設(shè)計(jì)4.3.1選材選型壓力容器封頭的的種類(lèi)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、碟形封頭和球冠形封頭，如圖4-2所示。圖4-2壓力容器各種類(lèi)結(jié)構(gòu)橢圓形封頭應(yīng)力分布均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，所以封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，直邊高度為25mm。4.3.2封頭壁厚計(jì)算計(jì)算橢圓封頭壁厚，且標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的K=1，則δ=PCDi代數(shù)得δ=設(shè)計(jì)厚度δd=δ名義厚度δn=δ考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及制造并且與管箱筒體的配合，向上圓整取名義厚度δn有效厚度δe=δn-C=根據(jù)GB/T25198-2023《壓力容器封頭》得橢圓形封頭具體參數(shù)總深度H=275mm，內(nèi)表面積A=1.1625m2，容積V=0.1505m34.3.3封頭液壓試驗(yàn)液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)為1.25，所以 PT=1.25Pd[σ]σ代數(shù)得PT=1.25在耐壓試驗(yàn)前要按照下式校核試驗(yàn)時(shí)封頭的薄膜應(yīng)力σσT=PT(代數(shù)得σT=液壓試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足σT≤0.9φReLREF_Ref28955\r\h[1]根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》查得材料Q345R在室溫下的屈服強(qiáng)度ReL=345MPa。代數(shù)得σT≤0.9φReL=0.9×1×345滿(mǎn)足液壓試驗(yàn)。4.3.4封頭強(qiáng)度計(jì)算校核4.3.4.1封頭強(qiáng)度校核計(jì)算封頭的應(yīng)力強(qiáng)度σt=PT(代數(shù)得σtσt值應(yīng)小于等于σtφ，即σt≤σt校驗(yàn)合格。4.3.4.2封頭計(jì)算校核計(jì)算封頭的允許最大工作壓力[Pw]=φ2δeσ代數(shù)得[Pw]=1×2×11.7×1831000+11.7=4.23MPa>校驗(yàn)合格。4.4管束分程從制造、安裝、操作等角度考慮，偶數(shù)管程更加方便。本設(shè)計(jì)為雙管程，具體流動(dòng)方向、前端管箱隔板（介質(zhì)進(jìn)口側(cè)）、后端管箱隔板（介質(zhì)返回側(cè)）布置如圖4-3。圖4-3管束分程布置

第五章?lián)Q熱管設(shè)計(jì)5.1選材常用材料有碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、鈦等，根據(jù)介質(zhì)為水和油均無(wú)腐蝕性，所以選擇換熱管的材料為20鋼。5.2確定設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》知：溫度為200℃，材料厚度為3-16mm時(shí)，σt5.3換熱管排列形式換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形，如圖5-1。其中正三角形排列形式最為普遍，換熱介質(zhì)為水，清洗難度影響不大，所以選用正三角形排列。圖5-1換熱管排列形式5.4換熱管尺寸換熱管常用的尺寸（外徑x壁厚）主要為?19mmx2mm、?25mmx2.5mm和?38mmx2.5mm的無(wú)縫鋼管以及?25mmx2mm和?38mmx2.5mm的不銹鋼管。標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等。根據(jù)所給條件表，本設(shè)計(jì)選用外徑為25mm、管長(zhǎng)為2.0m的換熱管。根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》計(jì)算換熱管厚度δ=PcD02代數(shù)得δ=2.2×252×131×1-2.2所以選擇規(guī)格為?25mmx2.5mm，管長(zhǎng)為2.0m的換熱管。根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查表得出換熱管中心距S=32mm，隔板兩側(cè)相鄰管中心距Sn=44mm，如圖5-2所示位置。圖5-25.5換熱管根數(shù)首先根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查得浮頭式換熱器布管限定圓直徑公式DL=Di-2（b1+根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查得b>4,取b=5mm；根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查得b1=5mm，bn≥13，取bn=14mm，因?yàn)閎2=代數(shù)得DL=1000-2根據(jù)畫(huà)CAD圖可知，換熱管根數(shù)n為748根。根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查標(biāo)準(zhǔn)可知布置拉桿數(shù)量為6根，所以換熱管根數(shù)應(yīng)為748-6=742根。5.6換熱面積計(jì)算校核假設(shè)管板厚度70mm，換熱管伸出管板長(zhǎng)度10mm，換熱管的有效長(zhǎng)度L=管長(zhǎng)-2×厚度-代數(shù)得L=2000-2×70-換熱面積A=nπ代數(shù)得A=742×3.14×25×1840=根據(jù)要求換熱器的換熱面積應(yīng)為100m2

第六章固定管板設(shè)計(jì)6.1管板類(lèi)型殼程和管程中的介質(zhì)為水和油，無(wú)腐蝕性，管板材料選擇為Q345R。根據(jù)所給條件圖可知，管板與管箱、殼體的連接為a型（管板通過(guò)螺柱、墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接），如圖6-1所示。圖6-16.2管板計(jì)算根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》7.4.5計(jì)算步驟，進(jìn)行下列計(jì)算。管板分程處面積Ad=n'(Sn根據(jù)CAD圖可知沿隔板一側(cè)管根數(shù)n’=29且根據(jù)上面查表可知換熱管中心距S=32mm，中心距S代數(shù)得Ad=29×浮頭式三角形排列管板布管區(qū)面積At=0.886nS2+Ad代數(shù)得At=0.886×742×32×32管板的布管區(qū)當(dāng)量直徑Dt=代數(shù)得Dt=4×688304.398a型連接方式得管板計(jì)算半徑R=DG2REF_Ref23368\r\h[2]根據(jù)本設(shè)計(jì)書(shū)第三章得壓緊力作用中心圓直徑DGR=1069.12布管區(qū)當(dāng)量直徑Dt與計(jì)算直徑2R之比ρt=Dt2R代數(shù)得ρt一根換熱管管壁金屬的橫截面積aa=πδt（d-代數(shù)得a=3.14×2.5×（25-2.5）管板布管區(qū)內(nèi)開(kāi)孔后的面積AAI=At-nπ代數(shù)得AI=688304.398-742系數(shù)ββ=naAIREF_Ref23368\r\h[2]代數(shù)得β=742×176.625管數(shù)模數(shù)KKt=Etna根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得設(shè)計(jì)溫度下?lián)Q熱管彈性模量Et=1.91×105MPa。REF_Ref28955\r\h[1]代數(shù)得Kt=管束無(wú)量綱剛度Kt=KtηEp根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得在設(shè)計(jì)溫度下?lián)Q熱管的彈性模量Ep=1.91×105MPa，管板剛度削弱系數(shù)η無(wú)特殊要求時(shí)，取η=μ=0.4。REF_Ref28955\r\h代數(shù)得K根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定，管板強(qiáng)度削弱系數(shù)μ一般取μ=0.4，根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》，假設(shè)管板厚度為70mm，查得設(shè)計(jì)溫度下管板材料的許用應(yīng)力σrt=150MPa。REF_Ref23368\r\h計(jì)算系數(shù)CrCr=π2EtR根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》查得設(shè)計(jì)溫度下?lián)Q熱管材料屈服強(qiáng)度ReLt=275MPa。REF_Ref23368\r\h[2]代數(shù)得Cr=3.14×換熱管的回轉(zhuǎn)半徑i公式i=0.25d2+(d-2δt代數(shù)得i=0.25×25根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，折流板最小間距宜不小于殼體內(nèi)直徑的15，且不小于50mm，故選取折流板間距為400mm，則根據(jù)下圖6-2可得lcr=800mm，則圖6-2根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》規(guī)定當(dāng)Cr≤lcr/i時(shí)，σcrt=ReLt代數(shù)得σcr管板計(jì)算壓力公式Pd=PS或代數(shù)得Pd無(wú)量綱壓力公式Pa=Pd1.5μ代數(shù)得Pa根據(jù)Kt13/Pa1管板計(jì)算厚度公式δ=CDtPaREF_Ref23368\r\h代數(shù)得δ=0.38×936.39×0.024負(fù)偏差C1=0.3mm，腐蝕裕量：C2=2mm,即C=C1+C2=2+管板名義厚度小于假設(shè)管板厚度，所以假設(shè)管板厚度為70mm成立。換熱管的軸向應(yīng)力計(jì)算σt=1βPc-Pc=Ps-Pt（1+β）（1）只有殼程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力為0時(shí)，Pc=Pσt根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定，當(dāng)σt<0時(shí)，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足（2）只有管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力為0時(shí)，Pc=0-2.2×（σt=1根據(jù)GB/T151-2014規(guī)定，當(dāng)σt≥0時(shí)，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足（3）管程設(shè)計(jì)壓力和殼程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用，Pc=2.2-σt=10.4-0.88-0×根據(jù)GB/T151-2014規(guī)定，當(dāng)σt<0時(shí)，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足6.3管板與換熱管的連接管板與換熱管的連接方式有強(qiáng)度焊接，強(qiáng)度脹接，脹焊并用，貼脹和密封焊等。本次設(shè)計(jì)將管板與換熱管的連接方式選為強(qiáng)度焊接。因其制造加工簡(jiǎn)單。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)。在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。符合設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度以及操作狀態(tài)下的性能要求。根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查得換熱管與管板連接拉脫力q=σtaπdl換熱管的軸向應(yīng)力取三種情況下的最大值根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》可知焊腳高度不應(yīng)小于換熱管壁厚，焊腳高度l取2mm，代數(shù)得q=根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查得焊接許用拉脫應(yīng)力q=0.5minσtt，σrt=150MPa，REF_Ref28955\r\h[2]

第七章接管、法蘭、墊片以及螺栓的設(shè)計(jì)7.1接管的選擇接管材料選擇20鋼。根據(jù)HG/T20581-2020《鋼制化工容器材料選用規(guī)范》查得各鋼管接管外徑和壁厚，選用國(guó)內(nèi)沿用（公制管）系列；根據(jù)保溫層厚度為100mm，查HG/T20583-2020《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》得伸出長(zhǎng)度；接管參數(shù)如表7-1。表7-1接管參數(shù)表符號(hào)公稱(chēng)尺寸連接標(biāo)準(zhǔn)接管外徑壁厚伸出長(zhǎng)度用途和名稱(chēng)N1200HG/T205922198200油進(jìn)口N2200HG/T205922198200油出口N3300HG/T2059231510200循環(huán)水進(jìn)口N4300HG/T2059231510200循環(huán)水出口N5a,b25M25×324.5150排氣口N625M25×324.5150排凈口7.2接管法蘭的選擇7.2.1接管法蘭材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力P=2.2MPa，標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592-2009《鋼制管法蘭》選擇法蘭材料為Q345R。7.2.2接管法蘭選型根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，設(shè)計(jì)壓力Pc=2.2MPa，公稱(chēng)壓力PN選用16Mpa，壓力容器法蘭分類(lèi)選擇帶頸對(duì)焊法蘭（結(jié)構(gòu)如圖7-2），全平面密封（結(jié)構(gòu)如圖7-3）圖7-2帶頸法蘭結(jié)構(gòu)圖7-3全平面密封結(jié)構(gòu)7.2.3接管法蘭尺寸根據(jù)HG/T20592~20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》查得法蘭相應(yīng)參數(shù)如表7-2。符號(hào)公稱(chēng)尺寸DN/mm鋼管外徑法蘭焊端外徑A1連接尺寸法蘭厚度C/mm法蘭頸法蘭高度H/mm法蘭外徑D/mm螺栓孔中心圓直徑K/mm螺栓孔直徑L/mm螺栓孔數(shù)量n(螺栓ThN/mmS≥/mmH1R/mmN12002193402952212M20242356.3161062N22002193402952212M20242356.3161062N33003254604102612M24283447.1161278N43003254604102612M24283447.1161278N5a,b253211582144M1218462.66440N6253211582144M1218462.66440表7-27.2.4接管法蘭墊片的選取根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力P=1.65MPa，參考HG/T20592~20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》將墊片材料選為耐油石棉橡膠板。根據(jù)HG/T20592~20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》查得墊片的尺寸如表7-3，墊片結(jié)構(gòu)如圖7-4。圖7-4墊片結(jié)構(gòu)表7-3墊片的尺寸符號(hào)公稱(chēng)尺寸墊片內(nèi)徑D墊片內(nèi)徑D螺栓孔中心圓直徑K/mm螺栓孔直徑L/mm螺栓孔數(shù)量n(墊片厚度TN120022034012222951.5N220022034012222951.5N330032446012264101.5N430032446012264101.5N5a,b2534115414851.5N62534115414851.57.3螺母螺柱的選取工作溫度為200℃，公稱(chēng)壓力PN=16，根據(jù)HG/T20592~20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》選擇六角頭螺栓和Ⅰ級(jí)六角螺母，結(jié)構(gòu)如圖7-5，材料為20號(hào)鋼。圖7-5六角頭螺栓和Ⅰ級(jí)六角螺母結(jié)構(gòu)壓力容器法蘭分類(lèi)選擇帶頸對(duì)焊法蘭，全平面密封。根據(jù)HG/T20592~20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》查得相關(guān)參數(shù)表如表7-4：符號(hào)公稱(chēng)尺寸螺紋數(shù)量n/（個(gè)）六角頭螺栓和螺柱LSR質(zhì)量/KgLZR質(zhì)量/KgN1200M201220282105252N2200M201220282105252N3300M241290482125450N4300M241290482125450N5a,b25M12455647560N625M12455647560表7-4參數(shù)表7.4補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》中等面積法適用范圍，可選用等面積法補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》規(guī)定可得，本設(shè)計(jì)中排氣口和排凈口開(kāi)孔滿(mǎn)足不另外補(bǔ)強(qiáng)的條件，可不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。本設(shè)計(jì)中油進(jìn)口和油出口公稱(chēng)尺寸均為DN=200mm，計(jì)算一次即可，循環(huán)水進(jìn)口和循環(huán)水出口同理。接管材料為20鋼，殼體材料為Q345R，兩種材料不同時(shí)，根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》可得強(qiáng)度削弱系數(shù)fr=σtt/σtREF_Ref28955\r\h[1]。由上文可知設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力σt=183MPa，設(shè)計(jì)溫度下接管材料的許用應(yīng)力σt7.4.1油進(jìn)口和油出口的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管計(jì)算壁厚δt=PcDi2σ代數(shù)得δt開(kāi)孔直徑d=Di+2C=203+接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度取二者（B=2d、B=d+2δn+2δnt)中較大值REF_Ref28955\r\h[1]B=2×207.6=415.2mmB=207.6+2×14+2×8=251.60mm所以綜上得B=415.2mm接管有效厚度δet=8-C=8開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=dδ+2δδet（1-fr代數(shù)得A=207.6×6.05+2×6.05×5.7×1-0.72=接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度取二者（h1=dδnt、接管實(shí)際外伸高度)中較小值REF_Ref28955\r\hh1=接管實(shí)際外伸高度=200mm所以綜上得h接管內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度取二者（h2=dδnt、接管實(shí)際外伸高度)中較小值REF_Ref28955\r\hh2=接管實(shí)際內(nèi)伸高度=0mm所以綜上得h接管區(qū)焊縫面積A3=36Ae=A1+A1=B-dδe-δ-A2=2h1δet-δ代數(shù)得A1=A2=2×40.75×5.7-1.72×0.72+Ae=綜上Ae=1515.287.4.2循環(huán)水進(jìn)口和循環(huán)水出口的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管計(jì)算壁厚δt=PcDi2σ代數(shù)得δt開(kāi)孔直徑d=Di+2C=295+接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度取二者（B=2d、B=d+2δn+2δnt)中較大值REF_Ref28955\r\h[1]B=2×299.6=599.20mmB=299.6+2×14+2×10=347.60mm所以綜上得B=599.20mm接管有效厚度δet開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=dδ+2δδet（1-fr代數(shù)得A=299.6×6.05+2×6.05×7.7×1-0.72=接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度取二者（h1=dδnt、接管實(shí)際外伸高度)中較小值REF_Ref28955\r\hh1=接管實(shí)際外伸高度為200mm所以綜上得h接管內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度取二者（h2=dδnt、接管實(shí)際外伸高度)中較小值REF_Ref28955\r\hh2=接管實(shí)際內(nèi)伸高度=0mm所以綜上得h接管區(qū)焊縫面積A3=36Ae=A1+A1=B-dδe-δ-A2=2h1δet-δ代數(shù)得AA2=2×54.74×7.7-2.5×0.72+Ae=綜上Ae

第八章浮頭蓋、鉤圈和外頭蓋設(shè)計(jì)根據(jù)管程、殼程的介質(zhì)，選擇浮頭蓋法蘭、鉤圈和封頭材料均為Q345R。8.1鉤圈的設(shè)計(jì)與計(jì)算浮頭端選用B型鉤圈式浮頭，根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》鉤圈式浮頭部分計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸，查表得b>4,取b=5mm；b1=5mm，bn≥13，取bn=14mm；因?yàn)閎2=bn+1.5，所以浮動(dòng)管板外徑DC=Di-2代數(shù)得DC=1000-2×浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)徑Dfi=Di-2b代數(shù)得Dfi=浮頭法蘭和鉤圈的外徑Dfo=Dw-20根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》外頭蓋內(nèi)徑Dw≥Di+100REF_Ref23368\r\h[2]，所以取Dfo=1100-B型鉤圈計(jì)算厚度δg=δ1+16取浮動(dòng)管板的厚度與固定管板厚度一致，即δ1δg=70+8.2浮頭蓋設(shè)計(jì)8.2.1浮頭蓋封頭的設(shè)計(jì)8.2.1.1選型根據(jù)所給簡(jiǎn)圖可得浮頭蓋封頭為球冠形封頭，取公稱(chēng)尺寸DN為900mm。8.2.1.2封頭計(jì)算厚度根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》可知，球冠形封頭計(jì)算厚度應(yīng)取以下三種情況的較大值。焊接接頭系數(shù)φ=1；根據(jù)公稱(chēng)尺寸查得封頭內(nèi)徑Ri=700mm；設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的許用應(yīng)力1.管程壓力Ptδ=5PtRi代數(shù)得δ=5×2.2×700設(shè)計(jì)厚度δd=δ+C2=名義厚度δn=δd+向上圓整取名義厚度δn有效厚度δe=δ2.管程壓力PsA=0.125Roδe球殼外半徑Ro=Ri+δn，假設(shè)名義厚度與內(nèi)壓作用下一致，取δnA=0.125根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》及所用材料Q345R，查圖得外壓應(yīng)力系數(shù)B=140MPa。許用外壓力PP=BRoδ代數(shù)得P=計(jì)算得到的P>PC=2.2，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。球冠形封頭名義厚度第三種情況不存在，所以比較前兩種情況即可，綜上取球冠形封頭名義厚度δn=14mm，有效厚度根據(jù)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》查得球冠形封頭總深度H=117mm，內(nèi)表面積A=0.6624m2，容積V=0.0371m3，質(zhì)量W8.2.2浮頭法蘭的設(shè)計(jì)8.2.2.1法蘭墊片的選取與計(jì)算設(shè)計(jì)壓力為2.2MPa，公稱(chēng)壓力PN選用2.5Mpa，將墊片材料選為耐油石棉橡膠板，根據(jù)GB/T29463-2023《管殼式熱交換器用墊片》查得浮頭墊片的尺寸，具體數(shù)值如下：公稱(chēng)直徑DN=1000mm；墊片內(nèi)徑d=955mm；墊片外徑D=992，墊片厚度δ=3mm，根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》查得墊片系數(shù)m=2.00，比壓力y=11MPa。具體結(jié)構(gòu)如圖8-1。圖8-1管箱、管箱側(cè)、外頭蓋、浮頭及浮頭蓋墊片結(jié)構(gòu)根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》查得墊片的接觸寬度N公式N=D-d2REF_Ref28955\r\h基本密封寬度b0b0=N2REF_Ref28955\r\h[1]代數(shù)得N=992-955b0=18.5根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》規(guī)定當(dāng)b0>6.4mm時(shí)，b=2.53b0，代數(shù)得b=7.69mmREF_Ref28955\r\h[1]。根據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》規(guī)定當(dāng)b0>6.4mm時(shí)，DG等于墊片接觸的外徑減去2b，即DG=D-2b，代數(shù)得壓緊力作用中心圓直徑DG=976.61mmREF_Ref28955\r\h預(yù)緊狀態(tài)下所需的最小墊片壓緊力FaFa=3.14DGbyREF_Ref28955\r\h[1]代數(shù)得Fa=3.14×976.61×7.69操作狀態(tài)下所需的最小墊片壓緊力FpFp=6.28DGbmPcREF_Ref28955\r\h代數(shù)得Fp=6.28×976.61×7.69×2×8.2.2.2螺柱的選取與計(jì)算結(jié)合法蘭的類(lèi)型以及設(shè)計(jì)溫度選擇螺柱的材料為40Cr根據(jù)NB/T47027-2012《壓力容器法蘭用緊固件》選擇螺柱型式為A型螺柱，其結(jié)構(gòu)如下圖。螺柱規(guī)格為M27，查得螺柱的尺寸，具體尺寸如表8-1。表8-1螺柱的尺寸（單位：mm）dLCrM277038若想計(jì)算螺柱的個(gè)數(shù)n，應(yīng)計(jì)算螺栓相鄰螺栓間距L和螺柱中心圓周長(zhǎng)。螺柱公稱(chēng)直徑dB=27mm，根據(jù)GB/T196-2003《普通螺紋基本尺寸》取螺距P=3，螺柱中徑dB2=25.051mm，螺柱小徑dB1=根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得螺柱規(guī)格為M27時(shí)相鄰螺栓間距L=62mmREF_Ref28955\r\h[1]。根據(jù)鉤圈式浮頭結(jié)構(gòu)可得螺柱中心圓直徑DDb=Dfo-2根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得LeDb螺柱中心圓周長(zhǎng)Lb=πDn=代數(shù)得n=3215.36所以最終取螺栓的數(shù)量為52個(gè)。根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》浮頭法蘭計(jì)算表格進(jìn)行螺柱相關(guān)計(jì)算。預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa=Fa=259399.92N內(nèi)壓引起的總軸向力F=0.785DG2PC代數(shù)得F=0.785×976.612操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp=FP+F代數(shù)得Wp計(jì)算螺栓的面積Am1=F+FPAm2=WaσAm=maxAm1，A根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得設(shè)計(jì)溫度下40Cr的許用應(yīng)力σbt=180MPa，室溫下代數(shù)得40Am1=Am2=Am=實(shí)際螺栓面積Ab=nπd代數(shù)得Ab=AbW=Am+Ab代數(shù)得W=10303.75操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷W=Wp=1854675.71NREF_Ref28955\r\h[1]8.2.2.3螺母的選取結(jié)合法蘭的類(lèi)型以及設(shè)計(jì)溫度選擇螺母的材料為35號(hào)鋼。根據(jù)螺柱規(guī)格為M27，選取螺母規(guī)格為M27，根據(jù)NB/T47027-2012《壓力容器法蘭用緊固件》查得螺母的尺寸，具體尺寸如表8-2。表8-2螺母的尺寸dddemmsmaxminminminmaxminminmaxminM2729.12742.550.427.426.120.946458.2.2.4平墊圈的選取根據(jù)螺栓的型號(hào)和尺寸選取A型平墊圈，規(guī)格為M27，根據(jù)GB/T97.1-2002《平墊圈A級(jí)》查得平墊圈尺寸：內(nèi)徑d1=min=28mmh=公稱(chēng)=4mmmax=4.3mmmin=3.7mmREF_Ref32688\r\h[12]8.2.3浮頭法蘭的計(jì)算根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》浮頭法蘭計(jì)算步驟進(jìn)行法蘭相關(guān)計(jì)算。管程壓力Pt管程壓力Pt作用下，設(shè)計(jì)壓力P法蘭力矩的力臂LD=Db-DfiLT=LD+LGLG=Db-DGLr=δf2-δe代數(shù)得LDLGLT假設(shè)浮頭法蘭有效厚度δf=90mm，根據(jù)上文得球冠形封頭有效厚度δe=β1=arcsin0.5DfiRi假設(shè)l=10mm，代數(shù)得β1=arcsin0.5×956700+0.5×11.7Lr預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩Ma=Am+根據(jù)上文可知計(jì)算螺栓面積Am=10303.75mm2，實(shí)際螺栓面積Ab=23028.91mmMa=10303.75作用于法蘭內(nèi)徑截面上的內(nèi)壓引起的軸向力FD=0.785Dfi2P代數(shù)得FD=0.785×956內(nèi)壓引起的總軸向力F與內(nèi)徑截面上的軸向力FD之差FT=F-F代數(shù)得FT=法蘭力矩MP=FDLD+浮頭法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力Fr=FDtan-1β代數(shù)得Fr=1578367.47FPMP=53664494+1984542.46+4917184.98根據(jù)浮頭法蘭表格計(jì)算LL=PCDfi4Ri代數(shù)得L=2.2×956×4×操作狀態(tài)下法蘭剛度JP=MPσft代數(shù)得JP=預(yù)緊狀態(tài)下法蘭剛度Ja=MaσfD代數(shù)得Ja=操作狀態(tài)下法蘭厚度δfp=L+JP+L代數(shù)得δfp預(yù)緊狀態(tài)下法蘭厚度δfa=JPREF_Ref28955\r\h[2代數(shù)得δfa殼程壓力Ps殼程壓力Ps作用下，設(shè)計(jì)壓力P法蘭力矩的力臂LD=Db-DfiLT=LD+LGLG=Db-DGLr=δf2-δ代數(shù)得LDLGLT假設(shè)浮頭法蘭有效厚度δf=90mm，根據(jù)上文得球冠形封頭有效厚度δe=β1=arcsin0.5DfiRi假設(shè)l=10mm，代數(shù)得β1=arcsin0.5×956700+0.5×11.7Lr預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩Ma=Am+Ab根據(jù)上文可知計(jì)算螺栓面積Am=10303.75mm2，實(shí)際螺栓面積Ab=23028.91mmMa=10303.75作用于法蘭內(nèi)徑截面上的外壓引起的軸向力FD=代數(shù)得FD=0.785×956外壓引起的總軸向力F與內(nèi)徑截面上的軸向力FD之差FT=F-FDREF_Ref28955\r\h代數(shù)得FT=法蘭力矩MP=FDLD-浮頭法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力Fr=FDtan-1β代數(shù)得Fr=1578367.47FPMP=1578367.47×=40024976N?mm根據(jù)浮頭法蘭表格計(jì)算LL=PsDfi4Ri代數(shù)得L=2.2×956×4×操作狀態(tài)下法蘭剛度JP=MPσft代數(shù)得JP=預(yù)緊狀態(tài)下法蘭剛度Ja=MaσfD代數(shù)得Ja=操作狀態(tài)下法蘭厚度δfp=L+JP+L代數(shù)得δfp預(yù)緊狀態(tài)下法蘭厚度δfa=JPREF_Ref28955\r\h[2代數(shù)得δfa綜上，法蘭厚度δf應(yīng)取δfa和δfp的較大者，且不能小于2倍的球冠形封頭名義厚度δn，即不小于19.24mmREF_Ref28955\r\h[2]，所以取法蘭厚度δf=83.68mm，假設(shè)成立，向上圓整得浮頭法蘭名義厚度δ8.3外頭蓋的設(shè)計(jì)8.3.1外頭蓋法蘭和外頭蓋側(cè)法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算8.3.1.1材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力PW8.3.1.2選型根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，設(shè)計(jì)壓力PW=2.2MPa，公稱(chēng)壓力PN選用2.5Mpa，外頭蓋側(cè)法蘭選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，凸面密封（結(jié)構(gòu)如圖8-2），公稱(chēng)直徑DN=1000mm，外頭蓋法蘭選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，凹面密封（結(jié)構(gòu)如圖8-3），公稱(chēng)直徑DN圖8-2凸面密封結(jié)構(gòu)圖8-3凹面密封結(jié)構(gòu)8.3.1.3法蘭尺寸根據(jù)GB/T29465-2023《浮頭式熱交換器用法蘭》查得外頭蓋側(cè)法蘭質(zhì)量為433.7Kg及相應(yīng)參數(shù)如表8-3。表8-3外頭蓋側(cè)法蘭參數(shù)（單位：mm）根據(jù)NB/T47023-2012《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》查得外頭蓋法蘭質(zhì)量為245.1Kg及相應(yīng)參數(shù)如表8-4。表8-4外頭蓋法蘭參數(shù)（單位：mm）8.3.1.4法蘭墊片的選取根據(jù)設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力PW=2.2MPa，將墊片材料選為耐油石棉橡膠板，根據(jù)GB/T29463-2023《管殼式換熱器用墊片》查得墊片的尺寸，具體數(shù)值如下：公稱(chēng)直徑DN=1000mm；墊片內(nèi)徑d=1037mm；墊片外徑D=1087；墊片厚度δ8.3.1.5螺柱材料的選取結(jié)合法蘭的類(lèi)型以及設(shè)計(jì)溫度選擇螺柱螺母的材料為：螺柱40Cr8.3.1.6螺柱選型根據(jù)NB/T47027-2012《壓力容器法蘭用緊固件》選擇螺柱型式為A型螺柱，根據(jù)前文選取螺柱規(guī)格為M27，查得螺柱的尺寸，具體尺寸如表8-5。表8-5螺柱尺寸（單位：mm）dLCrM2770388.3.1.7螺母的選取根據(jù)螺柱規(guī)格為M27，選取螺母規(guī)格為M27，根據(jù)NB/T47027-2012，查得螺母的尺寸，具體尺寸如表8-6。表8-6螺母尺寸（單位：mm）dddemmsmaxminminminmaxminminmaxminM2729.12742.550.427.426.120.946458.3.1.8平墊圈的選取根據(jù)螺栓的型號(hào)和尺寸選取A型平墊圈，規(guī)格為M27，根據(jù)GB/T97.1-2002《平墊圈A級(jí)》查得平墊圈尺寸：內(nèi)徑d1=min=28mmmax=28.33mm，外徑d2=min=49.38mmmax=50mm8.3.2外頭蓋封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算8.3.2.1外頭蓋封頭選材根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》，設(shè)計(jì)溫度T=200℃，公稱(chēng)壓力PW8.3.2.2外頭蓋封頭選型橢圓形封頭應(yīng)力分布均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，所以外頭蓋封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，直邊高度為25mm。根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得此溫度下Q345R的許用應(yīng)力[σ]t=183MPa。根據(jù)GB/T25198-2023《壓力容器封頭》查得各項(xiàng)參數(shù)：公稱(chēng)尺寸DN=1100mm，總深度H=300mm8.3.2.3外頭蓋封頭計(jì)算計(jì)算外頭蓋封頭壁厚，且標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的K=1，則δ=PCDi代數(shù)得δ=設(shè)計(jì)厚度δd=δ名義厚度δn=δ考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及制造與配合，向上圓整取名義厚度δn有效厚度δe=δn-C=根據(jù)GB/T25198-2023《壓力容器封頭》得橢圓形封頭具體參數(shù)總深度H=275mm，內(nèi)表面積A=1.1625m2，容積V=0.1505m31.外頭蓋封頭液壓試驗(yàn)液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)為1.25，所以 PT=1.25Pd[σ]σ代數(shù)得PT=1.25在耐壓試驗(yàn)前要按照下式校核試驗(yàn)時(shí)封頭的薄膜應(yīng)力σσT=PT(代數(shù)得σT=液壓試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足σT≤0.9φReLREF_Ref28955\r\h[1]根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查得材料Q345R在室溫下的屈服強(qiáng)度ReL=345MPaREF_Ref28955\r\h[1]。代數(shù)得σT≤0.9φReL=0.9×1×345滿(mǎn)足液壓試驗(yàn)。2.外頭蓋封頭強(qiáng)度校核計(jì)算封頭的應(yīng)力強(qiáng)度σt=PT(代數(shù)得σtσt值應(yīng)小于等于σtφ，即σt≤σt校驗(yàn)合格。3.外頭蓋封頭計(jì)算校核計(jì)算封頭的允許最大工作壓力[Pw]=φ2δeσ代數(shù)得[Pw]=1×2×11.7×1831000+11.7=4.23MPa>校驗(yàn)合格。8.3.3外頭蓋筒節(jié)的設(shè)計(jì)8.3.3.1外頭蓋筒節(jié)的計(jì)算根據(jù)外頭蓋法蘭尺寸，設(shè)計(jì)外頭蓋筒節(jié)尺寸DN=1100mm計(jì)算外頭蓋筒節(jié)厚度δ=PcDi2代數(shù)得δ=2.2×10002×183×1-2.2設(shè)計(jì)厚度δd=δ名義厚度δn=δ考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及制造，向上圓整取名義厚度δn有效厚度δe=δn-C=8.3.3.2外頭蓋筒節(jié)的液壓試驗(yàn)液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)為1.25，所以 PT=1.25Pd[σ]σ代數(shù)得PT=1.25在耐壓試驗(yàn)前要按照下式校核試驗(yàn)時(shí)筒節(jié)的薄膜應(yīng)力σσT=PT(代數(shù)得σT=液壓試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足σT≤0.9φReLREF_Ref28955\r\h[1]根據(jù)GB/T150.2-2011《壓力容器》查得材料Q345R在室溫下的屈服強(qiáng)度ReL=345MPa。代數(shù)得σT≤0.9φReL=0.9×1×345滿(mǎn)足液壓試驗(yàn)。8.3.3.3外頭蓋筒節(jié)的強(qiáng)度校核計(jì)算筒節(jié)的應(yīng)力強(qiáng)度σt=PT(代數(shù)得σtσt值應(yīng)小于等于σtφ，即σt≤σt校驗(yàn)合格。8.3.3.4外頭蓋筒節(jié)的強(qiáng)度校核計(jì)算筒節(jié)的允許最大工作壓力[Pw]=φ2δeσ代數(shù)得[Pw]=1×2×11.7×1831000+11.7=4.23MPa>校驗(yàn)合格。

第九章其他部件設(shè)計(jì)9.1折流板的設(shè)計(jì)9.1.1折流板的材料、形式與缺口折流板的常用形式有單弓形、雙弓形、三弓形和圓盤(pán)-圓環(huán)形，本次設(shè)計(jì)選用單弓形折流板，水平放置，結(jié)構(gòu)如下圖9-1。折流板材料選擇為Q345R。根據(jù)GB/T151-2011《熱交換器》可知臥式熱交換器的殼程為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口宜水平上下布置，所以將缺口布置為下方，如下圖9-2所示。圖9-1單弓形折流板結(jié)構(gòu)圖9-2折流板缺口布置9.1.2折流板尺寸根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》可知折流板名義外徑=DN-6=994mm，弓形折流板的缺口弦高度：圓缺高度一般為0.20~0.45倍殼體內(nèi)徑，最常用的是0.25倍的殼體內(nèi)徑REF_Ref23368\r\h[2]，取h=0.25Di=0.251000=250mm。折流板最小間距宜不小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm，最大間距應(yīng)不大于殼體內(nèi)徑。折流板間距B≥15Di=200mm且B>50mm，即取B=根據(jù)上文可知規(guī)格選用?25mmx2.5mm，管長(zhǎng)為2.0m的換熱管。根據(jù)GB/T151-2011《熱交換器》折流板最小厚度規(guī)定，取折流板厚度為16mm，折流板管口直徑為d+0.5，即25.5mmREF_Ref23368\r\h[2]。9.2支持板的設(shè)計(jì)9.2.1支持板的材料、結(jié)構(gòu)支持板材料選擇為Q345R。根據(jù)GB/T151-2011《熱交換器》浮頭式熱交換器浮頭端宜設(shè)置加厚環(huán)形或整圓的支持板，所以支持板選用圓盤(pán)-圓環(huán)形，結(jié)構(gòu)如下圖9-3。圖9-3圓盤(pán)-圓環(huán)形結(jié)構(gòu)9.2.2支持板的尺寸根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》可知折流板尺寸與支持板尺寸一致，即名義外徑=DN-6=994mm，支持板厚度為16mm，支持板管口直徑為d+0.5，即25.5mmREF_Ref23368\r\h[2]9.3分程隔板的設(shè)計(jì)9.3.1分程隔板的材料、結(jié)構(gòu)分程隔板材料選擇為Q345R，選擇三邊固定，一邊簡(jiǎn)支，結(jié)構(gòu)如下圖9-4。圖9-4分程隔板結(jié)構(gòu)9.3.2分程隔板的厚度根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》計(jì)算分程隔板厚度δ=b?pB1.5σ假設(shè)管板厚度為3-16mm，根據(jù)GB/T150-2011《壓力容器》查表可得，設(shè)計(jì)溫度下Q345R的許用應(yīng)力σt=183MPa，B=0.307；分成隔板兩側(cè)壓力降取與設(shè)計(jì)壓力相等，即?pδ=查GB/T151-2014《熱交換器》可知管箱分程隔板最小厚度為12mm，所以取δ=12mmREF_Ref23368\r\h[2]。9.4拉桿的設(shè)計(jì)9.4.1拉桿的材料、結(jié)構(gòu)拉桿材料選用與換熱管材料一致，即20鋼，換熱管外徑大于或等于19mm的管束，按照GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定使用螺紋連接，結(jié)構(gòu)如下圖9-5所示。圖9-5螺紋連接9.4.2拉桿的直徑和數(shù)量根據(jù)換熱管外徑為25mm，查GB/T151-2014《熱交換器》得拉桿直徑d0=16mm，數(shù)量為9.4.3拉桿的尺寸根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》查得拉桿尺寸如下表9-1。表9-1拉桿尺寸（單位:mm）拉桿直徑d拉桿螺紋公稱(chēng)直徑dLLb161622≥2.09.4.4拉桿的布置拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。對(duì)于大直徑的熱交換器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適量的拉桿。任何折流板不應(yīng)少于3個(gè)拉桿支撐點(diǎn)REF_Ref23368\r\h[2]。9.5定距管的設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》可知，定距管的外徑宜與換熱管外徑相同，即定距管規(guī)格為?25mmx2.5mm，定距管長(zhǎng)度的上偏差為0.0mm，下偏差為-1.0mm。定距管的材料選用20鋼。9.6防短路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)9.6.1旁路擋板的設(shè)計(jì)增設(shè)旁路擋板以迫使殼程流體通過(guò)管束與管程流體進(jìn)行換熱，防止殼程邊緣介質(zhì)短路而降低傳熱效率。根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定兩個(gè)折流板缺口間距小于6個(gè)管心距時(shí)，管束外圍設(shè)置一對(duì)旁路擋板；超過(guò)6個(gè)管心距時(shí)，每增加5-7個(gè)管心距增設(shè)一對(duì)旁路擋板REF_Ref23368\r\h[2]。本設(shè)計(jì)中的換熱管中心距S=32mm，兩個(gè)折流板缺口間距為X=994-9.6.2擋管的設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》可知，擋管可以用帶定距管的拉桿兼作擋管，所以不用另外設(shè)計(jì)擋管REF_Ref23368\r\h[2]。9.7滑道的設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》知可抽管束應(yīng)設(shè)滑道，滑道可分為板式、滾輪和圓鋼條等形式，本設(shè)計(jì)使用板式滑道。板式滑道底面應(yīng)高出折流板或支持板外緣0.5mm-1.0mm且底面邊緣應(yīng)倒角或倒圓REF_Ref23368\r\h[2]，結(jié)構(gòu)如下圖9-6。圖9-6板式滑道9.8吊耳的設(shè)計(jì)為了使浮頭蓋安裝方便，設(shè)計(jì)一對(duì)吊耳。根據(jù)HG/T21574-2018《化工設(shè)備吊耳選用規(guī)范》選用零部件吊耳形式為板式吊耳LP-1，選擇材料為Q345R，其結(jié)構(gòu)如圖9-7。根據(jù)HG/T21574-2018《化工設(shè)備吊耳選用規(guī)范》查得本形式吊耳的相關(guān)尺寸如表9-2。圖9-7吊耳結(jié)構(gòu)表9-2吊耳尺寸（單位:mm）吊耳系列公稱(chēng)吊重/tSDLTC質(zhì)量W/KgLP-10.510203525600.21

第十章支座的設(shè)計(jì)10.1支座選型本次設(shè)計(jì)為臥式容器，常見(jiàn)的大型臥式容器儲(chǔ)罐、換熱器等多采用鞍座。鞍座是應(yīng)用最廣泛的一種臥式容器支座。所以本設(shè)計(jì)選用鞍式支座，BⅠ型（重型），包角為120°，有墊板，筋板數(shù)為4，根據(jù)NB/T47065-2018《容器支座》查表可知支座相關(guān)數(shù)據(jù)如下表10-1（單位為mm）表10-1支座相關(guān)數(shù)據(jù)（單位:mm）公稱(chēng)直徑DN允許載荷Q/KN鞍式支座高度h底板腹板δ筋板lbδlbbδ1000327200760170121217014020012表10-1（續(xù)）支座相關(guān)數(shù)據(jù)（單位:mm）墊板螺栓間距鞍式支座質(zhì)量/Kg增加100mm高度增加的質(zhì)量/Kg弧長(zhǎng)bδe間距l(xiāng)螺孔d螺紋M孔長(zhǎng)l116033085960027M24407712.2由上表可知所選支座允許載荷Q=327KN，需檢驗(yàn)所選支座是否符合要求。10.2支座實(shí)際承載的計(jì)算10.2.1殼體的質(zhì)量m1計(jì)算殼體的質(zhì)量mV取殼體的長(zhǎng)度l1為3m，據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3V1=π×m1=785010.2.2管箱的質(zhì)量m2管箱的質(zhì)量為筒節(jié)m21、封頭m22和法蘭m計(jì)算筒節(jié)質(zhì)量mmV取筒節(jié)的長(zhǎng)度l21為500mm即0.5m，據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=V21=πm21橢圓形封頭質(zhì)量m22=127.9Kg，法蘭質(zhì)量m2=10.2.3管板的質(zhì)量m3計(jì)算固定管板的質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850Kgm3，根據(jù)上文可知固定管板公稱(chēng)直徑為1000mm=1mV3=0.07×π×m3=固定管板和浮動(dòng)管板直徑一樣，取浮動(dòng)管板質(zhì)量與固定管板質(zhì)量相等。所以最終m310.2.4換熱管的質(zhì)量m4計(jì)算換熱管的質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知20鋼密度ρ=7.85gcm3=7850Kgm3，根據(jù)上文知換熱管外徑為25mm=0.025m，內(nèi)徑為20mm=0.02mV4=2×π×m4=785010.2.5折流板和拉桿的質(zhì)量m5計(jì)算折流板質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850KV51=0.016×π×m51計(jì)算拉桿質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知20鋼密度ρ=7.85gcm3=7850Kgm3，根據(jù)上文知拉桿直徑為16mm=0.016mV52=2×π×m52=7850綜上m5=m5110.2.6外頭蓋的質(zhì)量m6外頭蓋的質(zhì)量為筒節(jié)m61、封頭m62、外頭蓋法蘭m63計(jì)算筒節(jié)質(zhì)量mmV取筒節(jié)的長(zhǎng)度l61為100mm即0.1m，據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=V61=πm61外頭蓋封頭質(zhì)量m62=153.3Kg，外頭蓋法蘭質(zhì)量m63m6=10.2.7浮頭蓋的質(zhì)量m7浮頭蓋的質(zhì)量為浮頭封頭m71、浮頭法蘭m72和鉤圈浮頭封頭m71計(jì)算浮頭法蘭質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850KV72=0.15×πm72=7850×0.32計(jì)算鉤圈質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850KV73=0.086×π×1.082m73=7850×0.068所以綜上浮頭蓋的質(zhì)量m710.2.8接管與接管法蘭的質(zhì)量m8油進(jìn)口和油出口接管與接管法蘭的質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850Kgm3V81=0.2×π×m81=7850×0兩根管的質(zhì)量即m81=39.25據(jù)查詢(xún)HG/T20592-2009《鋼制管法蘭》可知公稱(chēng)尺寸為200的帶頸對(duì)焊法蘭的質(zhì)量為11Kg，兩個(gè)法蘭就是22Kg，所以綜上所述m81循環(huán)水進(jìn)口和循環(huán)水出口接管與接管法蘭的質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850Kgm3V82=0.2×π×m82=7850×0兩根管的質(zhì)量即m82=45.48據(jù)查詢(xún)HG/T20592-2009《鋼制管法蘭》可知公稱(chēng)尺寸為300的帶頸對(duì)焊法蘭的質(zhì)量為22Kg，兩個(gè)法蘭就是44Kg，所以綜上所述m82排氣口和排凈口接管與接管法蘭的質(zhì)量mmV據(jù)查詢(xún)可知Q345R鋼板密度ρ=7.85gcm3=7850Kgm3V83=0.15×π×m83=7850×0兩根管的質(zhì)量即m83=1.48據(jù)查詢(xún)HG/T20592-2009《鋼制管法蘭》可知公稱(chēng)尺寸為25的帶頸對(duì)焊法蘭的質(zhì)量為1Kg，兩個(gè)法蘭就是2Kg，所以綜上所述m83所以綜上所述接管與接管法蘭的質(zhì)量m810.2.9液體介質(zhì)的質(zhì)量m9查得水的密度ρ水為1gcm3，即1000Kgm3；油的密度ρ油為0.8gcm3，即800Kgm3，殼體內(nèi)裝滿(mǎn)油后，由上文估算V91=0.014m3，所以m91=ρ油V9110.2.10其他零件的質(zhì)量m10其他零件包括滑道、旁路擋板、分成隔板、螺柱螺母等，大約估計(jì)這些零件的質(zhì)量為500Kg。10.3支座檢驗(yàn)校核綜上設(shè)備總質(zhì)量m=10886.5Kg，計(jì)算支座載荷Q支座=mg=10886.5×9.8=106.68KN，由上文可知BⅠ型支座允許載荷為Q=327KN