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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目： 臥式半容積式換熱器設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 過程裝備與控制工程
班 級(jí)： 1201
學(xué)生姓名： 劉雷
指導(dǎo)教師： 王昭春
論文提交日期： 2016 年 5 月 25 日
論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
過程裝備與控制工程專業(yè)
1201班
學(xué)生：劉雷
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：臥式半容積式換熱器設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容：設(shè)計(jì)計(jì)算說明說一份；
設(shè)計(jì)圖紙一份
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分： 換熱器
起止時(shí)間：
2016年3月1日——2016年5月23日
指導(dǎo)教師： 王昭春 2016 年 3 月 1 日
摘要
物料之間傳遞熱量需要換熱器，因此，換熱器的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的步驟。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在化工，化肥，煉油，制藥，冶金，電力等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。在上述行業(yè)中，換熱器的投資所占比重很大，約占到企業(yè)投資的35-40%，數(shù)量上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他設(shè)備。換熱器作為上述行業(yè)的通用設(shè)備，在企業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。鎖著國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)能源利用，開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日漸加強(qiáng)。一臺(tái)換熱器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，應(yīng)符合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要。對(duì)著國際科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)換熱器的研究水品也有了顯著的提高。換熱器的設(shè)計(jì)，制造，結(jié)構(gòu)改進(jìn)和以及傳熱機(jī)理的研究也十分活躍。列管式換熱器的應(yīng)用有著悠久的歷史，即使現(xiàn)代，列管式換熱器作為一款傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中有著廣泛的使用和深遠(yuǎn)的影響。尤其在化工，化肥，煉油，等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域所實(shí)用的設(shè)備中，列管式換熱器仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。
歐美發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)80年代起開始競(jìng)相開發(fā)、研制各種型式的換熱器。我國對(duì)各種新型換熱器的研究雖然起步較晚，但經(jīng)過對(duì)國外換熱器的借鑒、消化、吸收，也得到了飛速的發(fā)展。我國科技工作者也加快了自主研發(fā)新型節(jié)能換熱器的步伐，我國很多大型石化公司和設(shè)計(jì)院的新型換熱器產(chǎn)品如板殼式換熱器、蒸發(fā)式空冷器、波節(jié)管換熱器等不斷獲得國際大獎(jiǎng)并出口應(yīng)用于國外大型設(shè)備和廠家。
隨著近年對(duì)設(shè)備環(huán)保、節(jié)能的要求越來越高，如果有效利用工業(yè)余熱廢熱成為研究的熱門問題，同時(shí)隨著人民生活水平的提升，對(duì)熱水供暖的需求加大，快速傳熱，穩(wěn)定供熱的環(huán)保設(shè)備得到更多的認(rèn)可。而半容積式換熱器具有的換熱快速，傳熱系數(shù)高，換熱量大，容積利用率大，節(jié)能，節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。[1]
關(guān)鍵詞: 換熱器設(shè)計(jì)； 自主研發(fā)； 環(huán)保； 節(jié)能
Abstract
Heat transfer between the material need heat exchanger, therefore, the design of heat exchanger is a key step. With the rapid development of national economy in our country, in the chemical, fertilizer, oil refining, pharmaceutical, metallurgy, electric power and other industries have a wide range of applications. Heat exchanger in the industry, investment proportion is very big, about 35-40% of the enterprise investment, the number is far more than other devices. General equipment, heat exchanger as the industry occupies an important position in the enterprise production. Locked state science and technology development, the energy utilization, the requirement of increasing the development and conservation, and also to the requirement of heat exchanger intensified. A heat exchanger in the design of the product, should conform to the enterprise actual production needs. The development of the international science and technology, the study of heat exchanger water quality has improved significantly. Heat exchanger design, manufacture, structure improvement and the research and the heat transfer mechanism is also very active. The application of shell and tube heat exchanger has a long history, even modern, shell and tube heat exchanger for a traditional standard heat exchange equipment has been widely used in many industrial sectors and far-reaching influence. Especially in chemical, fertilizer, oil refining, traditional industries such as the practical equipment, shell and tube heat exchanger is still dominant.
European and American developed country in the 1980 s began to development, to develop various types of heat exchanger. Though the study of all kinds of new type heat exchanger in our country starts relatively late, but after a reference, digestion, absorption of foreign heat exchangers, also got rapid development. China's science and technology workers also accelerated the pace of independent research and development of new energy saving heat exchanger, many large petrochemical company and design institute in China, a new type of heat exchanger products such as plate heat exchanger evaporative air cooler, bellows tube heat exchanger and other international awards and export used in large foreign equipment and
As in recent years, more and more high to the requirement of equipment, environmental protection, energy saving, if the effective utilization of industrial waste heat heat become research hot topic, at the same time as people's living standards improve, the demand for hot water heating, rapid heat transfer, environmental protection equipment stable heating to get more recognition. And half volume heat exchanger with heat fast, high coefficient of heat transfer, heat transfer, volumetric efficiency, saving energy, saving space, etc.
Key words: The heat exchanger design； Independent research and development； Environmental protection ； Energy saving
目 錄
第一章工藝計(jì)算 1
1.1 設(shè)計(jì)條件 1
1.2 確定物性參數(shù) 1
1.3 確定傳熱面積 1
1.4 平均溫度差 2
1.5 總傳熱系數(shù) K 2
1.6 估算換熱量及產(chǎn)熱水量 2
1.7 校核傳熱系數(shù) K 3
1.7.1 殼程換熱系數(shù)α0 3
1.7.2 折流板的切除高度 3
1.7.3 折流板的弓形面積 3
1.7.4 管子的橫截面積與殼體的橫截面積之比 4
1.7.5 圓缺區(qū)內(nèi)的流通面積 4
1.7.6 幾何平均流通面積 4
1.7.7 幾何平均流速 4
1.7.8 幾何平均雷諾數(shù) 4
1.7.9 殼程平均換熱系數(shù) 4
1.7.10 管程的平均換熱系數(shù) 5
1.7.11 傳熱系數(shù)K 5
1.8 計(jì)算壓力降 5
1.8.1 管程壓力降ΔPi 5
1.8.2 殼程壓力降 7
1.9 本章小結(jié) 9
第二章U 型管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.1 筒體的內(nèi)徑確定 10
2.2 管板與換熱管 10
2.3 折流板 10
2.4 拉桿與定距管 11
2.4.1 拉桿 11
2.4.2 定距管 11
2.4.3 折流板、拉桿、定距管的連接 11
2.5 設(shè)計(jì)堰板防短路 12
2.6 法蘭的選用 12
2.6.1 接管法蘭選用 12
2.7 墊片 12
2.8 支座 12
2.9 本章小結(jié) 12
第三章強(qiáng)度校核 14
3.1 換熱器殼體計(jì)算 14
3.1.1 筒體 14
3.1.2 封頭 14
3.2 罐體計(jì)算 14
3.2.1 罐體 14
3.2.2 封頭 15
3.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 15
3.3.1 接管h,j 16
3.3.2 接管a,b 16
3.4 U型管換熱器開孔 16
3.4.1 橢圓形封頭非中心孔處部位補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算 16
3.5 橢圓封頭計(jì)算直徑 17
3.5.1 接管周圍封頭補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的計(jì)算寬度 17
3.5.2 接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)高度 17
3.5.3 接管內(nèi)側(cè)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)計(jì)算高度 17
3.5.4 計(jì)算結(jié)果 17
3.5.5 封頭因開孔削弱需要補(bǔ)強(qiáng)的面積 18
3.5.6 封頭多余金屬面積 18
3.5.7 補(bǔ)強(qiáng)圈的金屬面積 18
3.5.8 接管外側(cè)多余金屬面積 18
3.5.9 接管內(nèi)側(cè)金屬面積 18
3.5.10 一個(gè)孔需要補(bǔ)強(qiáng)面積 18
3.6 補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì) 18
3.6.1 人孔開孔 18
3.6.2 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法的判別 19
3.6.3 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)的面積 19
3.6.4 接管多余金屬面積 19
3.6.5 有效補(bǔ)強(qiáng)面積殼體的有效厚度 20
3.6.6 有效補(bǔ)強(qiáng)面積A4 20
3.7 罐體水壓試驗(yàn)及其殼體的強(qiáng)度校核 21
3.8 換熱器管程水壓試驗(yàn)及其殼體的強(qiáng)度校核 21
3.9 管板校核 22
3.10 本章小結(jié) 24
第四章制造、檢驗(yàn)、安裝與維修 25
4.1 概述 25
4.2 材料驗(yàn)收 25
4.3 筒體的制造 25
4.4 封頭的制造 26
4.5 管板的制造 27
4.6 管束的制造 27
4.7 接管的制造 28
4.8 裝配 28
4.8.1 筒體、法蘭的組裝與焊接 28
4.8.2 管箱的組裝、焊接與加工 28
4.9 油漆、包裝 29
4.10 熱器在使用中常見故障及處理 29
4.10.1 原因 29
4.10.2 現(xiàn)象 29
4.10.3 處理 29
結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 工藝計(jì)算
第一章工藝計(jì)算
1.1 設(shè)計(jì)條件
已知，臥式貯罐容積4m3；
工作壓力：管程≤0.6，殼程≤0.6；
設(shè)計(jì)溫度：（水-水換熱）℃ 管程：進(jìn)口蒸汽 85 出口55℃ 管程：
被加熱水： 進(jìn)口10 出口55；
罐體公稱直徑： mm DN1400-
換熱器公稱直徑：mm DN400
換熱介質(zhì)： 水-水
1.2 確定物性參數(shù)
表1-1 通過查表可知:
進(jìn)口溫度
出口溫度
平均溫度
密度 ρ
Kg/m
定壓比
熱容 Cp
Kj/kg.
℃
導(dǎo)熱系
數(shù) λ×102
W/(m2.℃
)
黏度
μ×10^5
Pa.s
普朗特?cái)?shù)
Pr
管程
85
55
70
978
4.19
57.4
41.4
2.55
殼程
10
55
32.5
995
4.17
53.5
77.92
4.03
1.3 確定傳熱面積
假設(shè)換熱面積是 10m2，取U型波紋管直管長(zhǎng)是1200mm。則由總面積
A= 2n［πdL 波×1.2+ πd×0.1］可得出：
管子根數(shù) n = A/2［πdL 波×1.2+ πd×0.1］ （1-1）
=10/2×［3.14×0.019×1.2×1.2+3.14×0.025×0.1］
=53
根據(jù)管板的布置圖(管的排列方式為倒角正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列)驗(yàn)算上述估算結(jié)果，為了結(jié)構(gòu)上的合理，每殼程布管數(shù)為 57 根。則布管后的換熱面積為：A= 2n［πdL 波×1.2+ πd×0.1］=10.7m2
1.4 平均溫度差
熱流體與被加熱流體的平均傳熱溫度 Dtm：
按照逆流傳熱計(jì)算，
∵ （1-2）
∴△tm按照平均溫度差計(jì)算，
（1-3）
1.5 總傳熱系數(shù) K[9]
根據(jù)波紋管半容積式換熱器中，汽—水換熱時(shí)總傳熱系數(shù)一般范圍，首
先假設(shè)總傳熱系數(shù)
[2] （1-4）
1.6 估算換熱量及產(chǎn)熱水量
（1-5）
熱媒的消耗量：
（1-6）
產(chǎn)的熱水量：
（1-7）
1.7 校核傳熱系數(shù) K
1.7.1 殼程換熱系數(shù)α0
換熱管平均直徑是dm=(di+do) / 2 =(19+25) / 2=22mm （1-8）
流體橫著經(jīng)過過管束時(shí)的流通面積是
F1= hDi(1- dm/ t) （1-9）
= 0.35×0.4×(1-0.022/0.025)
=0.017m2
對(duì)于其中，Di ——?dú)んw內(nèi)徑 400mm
t——換熱管的中心距 25mm
h——折流板的間距 350mm
1.7.2 折流板的切除高度：
（1-10）
1.7.3 折流板的弓形面積
As=0.5(Di/2)2θ-0.5b（Di/2-H） （1-11）
=0.5(Di/2)2x（120/360）x2π-0.5x0.346（0.4/2-0.1）
=0.025
1.7.4 管子的橫截面積與殼體的橫截面積之比
bβ=0.785×（dm/2）2 （1-12）
=0.785×（0.022/0.025)2
=0.61
1.7.5 圓缺區(qū)內(nèi)的流通面積
F2 = As (1 –β)=0.01 （1-13）
1.7.6 幾何平均流通面積
Am=F1F2=0.013 （1-14）
1.7.7 幾何平均流速
Vm= （1-15）
=
=0.47m/s
1.7.8 幾何平均雷諾數(shù)
Re0= （1-16）
=
=11403
1.7.9 殼程平均換熱系數(shù)
（1-17）
1.7.10 管程的平均換熱系數(shù)
Αi =（1164 +17.5 t pj-0.0466 t pj2）w0 .64 /d0.36 （1-18）
公式中： tpj—水的平均溫度，tpj=32.5℃
w—水的流速，w=0.47 m/s
d—管徑，d=0.019m
將上述數(shù)據(jù)代入公式得出 αi =9595 W/m2.℃
1.7.11 傳熱系數(shù)K
（1-19）
=2470W / m2℃
1.8 計(jì)算壓力降
1.8.1 管程壓力降ΔPi
管程壓力降由三部分組成，即：
（1-20）
式p1 ——流體流過波紋管部分的壓力降（Pa）
pr ——管程轉(zhuǎn)彎壓力降（Pa）
pn ——管箱進(jìn)出口壓力降（Pa）
以上三項(xiàng)分別由下式求得
（1-21）
（1-22）
（1-23）
式中 ——管內(nèi)流體的摩擦系數(shù)；
——以波紋管最小內(nèi)徑計(jì)算的流速（m/s）
——管程數(shù)
——管箱進(jìn)出口的流速（m/s）
摩爾系數(shù)由下式求得：
（1-24）
計(jì)算：
（1-25）
=0.82m/s
雷諾數(shù)：
（1-26）
由式（1-24）
由式（1-22）
=18729Pa
由式（1-21）
取Vn=10m/s,則
由式(1-20 )得
18729+6309+73350
=98388pa
1.8.2 殼程壓力降
(1-27)
式中 ——?dú)こ塘黧w在流動(dòng)路徑上所產(chǎn)生的壓力降（Pa）
——流體在殼程回彎處產(chǎn)生的壓力降（Pa）
——?dú)こ踢M(jìn)出口壓力降（Pa）
以上三式求得下式得：
（1-28）
（1-29）
（1-30）
式中 ——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)；
——?dú)こ陶哿靼宓臄?shù)目；
——?dú)んw內(nèi)直徑（m）；
——換熱管的平均直徑（m）；
——?dú)こ塘黧w的密度（ kg / m3 ）；
——最小流通面積處流速（m/s）。
摩爾系數(shù)由下式求得：
（1-31）
流速：
=0.23m/s
雷諾數(shù)：
由式（1-31）
由式（1-28）
由式（1-29）
由式（1-30）取Vn=2m/s, 得：
由式（2-35）得：
一般來說，對(duì)液體，兩側(cè)的壓力降一般控制在 0.01~0.1MPa
此壓降在允許的壓力范圍內(nèi)，滿足要求。[3]
1.9 本章小結(jié)
在本章傳熱計(jì)算中，對(duì)換熱器的計(jì)算部分有了個(gè)基本的了解，同時(shí)，對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)的未來方向有了一定的方向，對(duì)蒸汽和水在設(shè)計(jì)條件下的一些物性參數(shù)的查找，同時(shí)對(duì)傳熱面積，工藝結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，選定了換熱器形式臥式半容積換熱器，最后再經(jīng)過核算，確定了換熱器的初步形式。這在設(shè)計(jì)中指導(dǎo)了自己接下來的工作內(nèi)容。同時(shí)對(duì)自己的能力有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。
37
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 U型管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第二章U 型管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 筒體的內(nèi)徑確定
筒體的內(nèi)徑為 DN=400mm
2.2 管板與換熱管
可用可拆式管板夾持型式，厚度初選為 45mm，與法蘭連接采用凹面密封。分程隔板槽寬 12mm，深 4mm。換熱管選用不銹鋼波節(jié)換熱管，Φ19換熱管尺寸：波谷 19mm、波峰 25mm、壁厚 0.8mm，，排列形式采用轉(zhuǎn)角三角形。換熱管中心距 S=25mm。
為了方便于制造加工，管子和管板的密封性與抗拉托強(qiáng)度，管子和管板連接全部采用強(qiáng)度焊。換熱管最小伸出管板長(zhǎng)度 2mm。
2.3 折流板
折流板選用單弓形折流板，折流板厚度與殼體直徑與折流板間距有關(guān)，見表 2-1 所列數(shù)據(jù)。折流板最小厚度取 8mm，折流板缺口高度為殼體內(nèi)徑的 25％，則切去圓缺高度為 110.5mm，折流板間距 B=350mm，管束兩端折流板應(yīng)可能靠近殼程進(jìn)，出口接管。折流板外徑取 400-10=390mm，折流板管孔Φ19.50+0.2，材料選 Q235B鋼。折流板與折流板間距為 350 mm。
折流板切除高度：
H=Disin2= =390xsin230=97.5mm, （2-1）
θ=120°
表 2-1 折流板厚度
殼體公稱內(nèi)徑/mm
相鄰兩折流板間距/mm
≤300
300-450
450-600
600-750
＞750
200-500
3
5
6
10
10
400-700
5
6
10
10
12
700-1000
6
8
10
12
16
＞1000
6
10
12
16
16
2.4 拉桿與定距管
2.4.1 拉桿
換熱管外徑為 19mm，故拉桿采用拉桿定距管的形式，查 GB151 表43 及表 44 可得 400mm 內(nèi)徑，10mm 壁厚的換熱器的拉桿的直徑為 12mm，上下管板各 2根，數(shù)量為 4。
2.4.2 定距管
定距管尺寸和所在換熱器的換熱管規(guī)格都是相同，全部才有Φ25x2,選用材料為 20號(hào)鋼。
2.4.3 折流板、拉桿、定距管的連接
折流板與拉桿和定距管的連接形式如圖 2-1
圖2-1 連接圖
2.5 設(shè)計(jì)堰板防短路
2.6法蘭的選用[5]
管箱法蘭根據(jù)設(shè)計(jì)壓力及安裝使用要求選用，法蘭--RF400--1.6；JB/T4701 2000 ，由于使用壽命較長(zhǎng)，對(duì)密封、防腐的要求較高，因此，根據(jù) JB / T 4704- 2009標(biāo)準(zhǔn)，選用墊片 400-1.6。法蘭材料選用20Ⅱ的鍛件，鍛件質(zhì)量要求達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
2.6.1 接管法蘭選用
管程接管法蘭根據(jù) HG20592 - 2009 標(biāo)準(zhǔn)中選用PL65（B）-16RF法蘭，法蘭的材料選用Q235B.
2.7 墊片
管箱和管箱側(cè)殼體墊片：JB/T 4704—2000 墊片 400-1.6，δ=3 mm 石棉橡膠板。殼程接管法蘭的相應(yīng)墊片：HG/T 20606 RF50-16 XB350 材料：石棉橡膠板。管程接管法蘭的相應(yīng)墊片：HG/T 20606 RF65-16 XB350 材料：石棉橡膠板。
2.8 支座
由半容積式換熱器系列估算換熱器質(zhì)量 m=1820kg=18.2KN
因?yàn)樵摀Q熱器臥式擺放，固采用鞍式支座，按 JB/T4712-92 標(biāo)準(zhǔn)，選用輕型 A 型支座，DN=1200。材料為 Q235-A·F，筋板和底板的材料 Q235-A-F. 螺栓為 M20，墊板材料為 Q235B 。鞍座標(biāo)記：JB/T4712-92,鞍座 A1200-F.S。
2.9 本章小結(jié)
本章主要根據(jù)工藝尺寸的要求，按照 GB151《管殼式換熱器》中的規(guī)定對(duì)換熱器零部件進(jìn)行選取與設(shè)計(jì)，通過這設(shè)計(jì)選取的過程對(duì)各個(gè)零件增加較深層次的認(rèn)識(shí)，
初步選取相關(guān)材料與部件，對(duì)其作用也有了很大程度了解。本章為制圖和強(qiáng)度校核
提供數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 強(qiáng)度校核
第三章強(qiáng)度校核
3.1 換熱器殼體計(jì)算
3.1.1 筒體
根據(jù)工藝條件殼程筒體的設(shè)計(jì)壓力為 pt =0.6MPa ，焊縫采用雙面對(duì)接焊局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)Φ=0.85，材料選Q235B，［δ］t=113MP， 按 GB/3274-2007，取鋼材厚度負(fù)偏差：C1=1mm，腐蝕裕量：C2=1mm ,
C1+C2=C=1.8mm （3-1）
圓筒計(jì)算壁厚為：
（3-2）
名義厚度：，圓整后取 10mm. （3-3）
3.1.2 封頭
根據(jù)換熱器的工作壓力不高，故可選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，即，，K=1.00，其厚度與筒體厚度相同，根據(jù) GB / T 25198-2010-2010 標(biāo)準(zhǔn)，取管箱封頭為DN400x10，曲邊高度h1=100，直邊高度取h2=25mm。材料選用Q235B,沖壓成型。
3.2 罐體計(jì)算
3.2.1 罐體
根據(jù)工藝條件殼程筒體的設(shè)計(jì)壓力為 pt =0.6MPa ，焊縫采用雙面對(duì)接焊局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)Φ=0.85，材料選Q235B，［δ］t=113MP， 按 GB/3274-2007，取鋼材厚度負(fù)偏差：C1=1mm，腐蝕裕量：C2=1mm ,
C1+C2=C=1.8mm
圓筒計(jì)算壁厚為：
（3-4）
名義厚度：，圓整后取 10mm。 （3-5）
3.2.2 封頭
由于且工作罐體的壓力不高，故可選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，即，K=1.00，其厚度與筒體厚度相同，根據(jù) GB / T 25198-2010 標(biāo)準(zhǔn)，取罐體封頭為DN1200X10-Q235B，曲邊高度h1=300，直邊高度取h2=25mm。材料選用Q345R，沖壓成型。
3.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)
表 3-1
標(biāo)號(hào)
數(shù)量
公稱尺寸（mm）
公稱壓力（mm）
規(guī)格（外徑x壁厚）
用途與說明
a
1
65
1.6
Φ76x6
蒸汽入口
b
1
65
1.6
Φ76x6
蒸汽出口
c
1
50
1.6
Φ57x5
進(jìn)水口
d
1
400
1.0
Φ426x10
人孔
e
1
20
Rp1/2
壓力表口
f
1
20
M27x2
測(cè)溫口
h
1
50
1.6
Φ57x5
出水口
j
1
50
1.6
Φ57x5
安全閥口
k
1
50
1.6
Φ57x5
排污口
3.3.1 接管h,j
接管取Φ76X6和Φ57x5符合不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔條件，固接管不需要空空補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。
3.3.2 接管a,b
管程接管有 a：蒸汽進(jìn)口（φ76×6） b:蒸汽出口（φ76×6），開孔尺寸一樣計(jì)算一個(gè)即可，以接管 f 為例計(jì)算如下：
取接管內(nèi)蒸汽流速為 10m/s，則接管內(nèi)徑為
（3-6）
取標(biāo)準(zhǔn) DN=65
管程流體進(jìn)出口接管 Φ76×6
管程的名義厚度 dδn=10mm。
3.4 U型管換熱器開孔
3.4.1 橢圓形封頭非中心孔處部位補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算
Di:封頭內(nèi)直徑，1200mm
d:開孔內(nèi)直徑，406mm
H:曲面高度，300mm
X:接管-封頭中心距，250mm
:封頭開孔處的壁厚10mm
：封頭開口處的計(jì)算壁厚3.76
δt：接管壁厚，10mm
Δt0：接管計(jì)算壁厚，1.25mm
δr：補(bǔ)強(qiáng)圈厚度，10mm
C：封頭壁厚附加量，1.8mm
Ct:接管壁厚附加量，1mm
Cr:補(bǔ)強(qiáng)圈壁厚附加量，1mm
C2:封頭復(fù)試裕度，1mm
Ct:接管腐蝕裕度，1mm
[δ]t:封頭材料的許用應(yīng)力113MPa
[δ]tt接管材料的許用應(yīng)力113MPa
[δ]t:補(bǔ)強(qiáng)圈材料的許用應(yīng)力，113MPa
3.5 橢圓封頭計(jì)算直徑
（3-7）
3.5.1 接管周圍封頭補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的計(jì)算寬度
（3-8）
3.5.2 接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)高度
（3-9）
3.5.3 接管內(nèi)側(cè)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)計(jì)算高度
（3-10）
3.5.4 計(jì)算結(jié)果
h1、h2 之計(jì)算值，應(yīng)分別與其實(shí)際數(shù)值相比較，取兩者中較小值
接管許用應(yīng)力比值：
取兩者最小值 （3-11）
補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力比值
取兩者最小值 （3-12）
3.5.5 封頭因開孔削弱需要補(bǔ)強(qiáng)的面積
（3-13）
3.5.6 封頭多余金屬面積
（3-14）
3.5.7 補(bǔ)強(qiáng)圈的金屬面積
（3-15）
3.5.8 接管外側(cè)多余金屬面積
（3-16）
3.5.9 接管內(nèi)側(cè)金屬面積
（3-17）
3.5.10 一個(gè)孔需要補(bǔ)強(qiáng)面積
（3-18）
3.6 補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)
根據(jù)接管公稱直徑 DN400 選補(bǔ)強(qiáng)圈，參照補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn) JB/T4736 取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為 D2 =680mm，內(nèi)徑取 D1 =428mm，因 B ＞ D2 ,補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。
考慮鋼板負(fù)偏差并圓整，但為便于制造時(shí)準(zhǔn)備材料，補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度也可取筒體厚度，即δ=10mm。
3.6.1 人孔開孔
人孔開孔處直徑為Φ426
罐體的名義厚度δn=10mm
設(shè)計(jì)壓力 pt=0.6MPa，設(shè)計(jì)溫度：100℃
殼體和補(bǔ)償圈的材料均為Q235-B，其許用應(yīng)力為[δ]t=113 MPa，人孔筒節(jié)材料為 Q235-B，其許用應(yīng)力為[δ]t=113 MPa，殼體和人孔筒節(jié)的附加量為 C=1.8mm。
3.6.2 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法的判別
（1）補(bǔ)強(qiáng)判別：允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為89 ，本開孔外徑等于Φ426mm，故須另外考慮其補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法判別：開孔直徑：
開孔直徑： （3-19）
本為圓筒上開孔直徑d=420＜Di/2=600，滿足等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，所以可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。
3.6.3 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)的面積
罐體開孔處的計(jì)算厚度：δ=3.76mm
開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積：
先計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù) fr:
（3-20）
接管的有效厚度：δet=δnt-c=10-1.8=8.2
開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積：
（3-21）
3.6.4 接管多余金屬面積
（1）有效寬度 B：
（3-22）
取兩者較大者，固B=840mm （3-23）
（2）有效高度：
外伸有效高度 h1：
（3-24）
內(nèi)側(cè)的有效高度h2：
（3-25）
取兩者最小值，所以h1=0mm
3.6.5 有效補(bǔ)強(qiáng)面積殼體的有效厚度
（3-26）
(1)殼體多余金屬面積 A1 ：
（3-27）
(2)接管多余金屬面積 A2
接管計(jì)算厚度：
（3-28）
接管的多余的金屬面積：
（3-29）
接管區(qū)焊縫面積 A3：（焊腳取 6mm）
（3-30）
3.6.6 有效補(bǔ)強(qiáng)面積A4
（3-31）
補(bǔ)強(qiáng)面積
采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) dN=400mm， 外徑 D2=680mm，內(nèi)徑D1=428mm。B＞D2 ， 補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)便于制造材料，可取筒體厚度 10mm。
3.7 罐體水壓試驗(yàn)及其殼體的強(qiáng)度校核
水壓試驗(yàn)壓力為MPa （3-32）
（容器各元件材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的 [δ]/[δ]t 比值中小者）。
（3-33）
所用鋼板的材料在常溫時(shí)。
（3-36）
所以可見水壓試壓時(shí)罐體應(yīng)力小于[δ]T，水壓試壓安全。
3.8 換熱器管程水壓試驗(yàn)及其殼體的強(qiáng)度校核
水壓試驗(yàn)壓力
（3-37）
P--壓力容器的設(shè)計(jì)壓力
--耐壓試壓壓力系數(shù)
（3-38）
（容器各元件材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的 [δ]/[δ]t 比值中小者）。所用Q235B鋼板的材料在常溫時(shí)。
（3-39）
3.9 管板校核
采用 A 型 U 型管布置設(shè)計(jì)，管板材料：20鍛件，[δ]t=140Mpa。換熱管材料：S30408,[δ］t=137Mpa。換熱管公稱直徑 DN=400mm，換熱管規(guī)格Φ19×0.8，管長(zhǎng) L0=1250mm。換熱管根數(shù)：57 根。管心距 S=25mm。
根據(jù)設(shè)計(jì)條件，查 JB4701-2000，管箱法蘭選 ：法蘭-RF 400-1.6。墊片 G2-400-1.6-2，Φ454/Φ410,δ=3mm。
墊片接觸面密封寬度 N= (454-410)/ 2 =22mm ?；久芊鈱挾?，查GB150-1998，表 9-1，b0=N/2=11mm。墊片材料：石棉橡膠板。墊片壓緊力作用中心圓直徑 DG : b0＞6.4mm 時(shí)： b=2.53 /b0 =2.53× 11 =8.4mm。 DG= 460-2x8.4=443.2mm。
沿隔板槽一側(cè)排管根數(shù)： n‘ =10.隔板槽兩側(cè)相鄰中心距 S =80mm。在布管范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積：
（3-40）
管板布管區(qū)面積：
（3-41）
查表 GB151-1999 附錄 J 表 J1 得 a=144.51mm2
管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑
（3-42）
管板布置區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓通內(nèi)徑之比,對(duì)于a型連接。
（3-43）
按1 / Pt 查 GB151-1999 表 22 得：Cc=0.2534確定管板壓力
不能保證 PS 與 Pt 在任何情況下都同時(shí)作用，并且兩側(cè)均為正壓時(shí)，取兩者中的大者。
（3-44）
管板的計(jì)算厚度：
（3-45）
管板的設(shè)計(jì)厚度：
（3-46）
管板的名義厚度：
換熱管在100℃時(shí)的許用應(yīng)力為，管板在100℃時(shí)的許用應(yīng)力。
按照這三種情況分別計(jì)算換熱管軸向應(yīng)力
只有殼程設(shè)計(jì)壓力ps 管程設(shè)計(jì)壓力pt=0
（3-47）
只有管程設(shè)計(jì)壓力Pt 殼程設(shè)計(jì)壓力Ps=0
（3-48）
殼程設(shè)計(jì)壓力Ps和管程設(shè)計(jì)壓力Pt同時(shí)作用
（3-49）
此三程工況計(jì)算值均滿足 ，合格
換熱管與管板的焊腳高度按 GB151-1999 中 5.8.3.2 規(guī)定，L=2mm
（3-50）
， 合格 （3-51）
3.10 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容是半容積式換熱器進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，通過計(jì)算確定了罐體、筒體、管箱、封頭的厚度、材料等參數(shù)。對(duì)管板進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并且按照三種危險(xiǎn)工況進(jìn)行校核，對(duì)接管補(bǔ)強(qiáng)、人孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)管板，罐體和換熱器的進(jìn)行了水壓試驗(yàn)及殼體的厚度校核。
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 制造、檢驗(yàn)、安裝與維修
第四章制造、檢驗(yàn)、安裝與維修
4.1 概述
設(shè)計(jì)確定后，制造質(zhì)量是換熱器最終建造質(zhì)量的重要組成部分。所以，換熱器制造單位必須按照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程