.固定管板式換熱器設(shè)計(jì) 傳熱傳質(zhì)學(xué)課程設(shè)計(jì)

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1、 專業(yè)課程設(shè)計(jì) 固定管板式換熱器設(shè)計(jì) 院（系、部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師: 2010年 1 月 5 日·北京 目錄 一設(shè)計(jì)參數(shù)2 二、熱工藝設(shè)計(jì)2 1.估算傳熱面積2 2.工藝結(jié)構(gòu)尺寸3 三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6 3.1結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)6 3.2采用原件材料及數(shù)據(jù)7 3.3 折流板7 3.4接管7 3.5殼體和封頭的設(shè)計(jì)8 3.5管板與換熱管8 3.6殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接10 3.7其他各部件結(jié)構(gòu)11 四、強(qiáng)度的計(jì)算與校核13 4.1圓

2、筒計(jì)算13 4.2壓力實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核13 4.3最大工作壓力和計(jì)算應(yīng)力13 4.4封頭設(shè)計(jì)計(jì)算13 4.5管板設(shè)計(jì)計(jì)算14 4.6 接管、接管法蘭以及開孔補(bǔ)強(qiáng)17 4.7 鞍座強(qiáng)度校核19 參考文獻(xiàn)21 一 設(shè)計(jì)參數(shù) - 殼 程 管 程 設(shè)計(jì)壓力（MPa） 2.6 1.7 操作壓力（MPa） 2.2 1.0/0.9（進(jìn)口/出口） 設(shè)計(jì)溫度（℃） 250 75 操作溫度（℃） 220/175（進(jìn)口/出口） 25/45（進(jìn)口/出口） 流量（kg/h） 40000 選定 物料（-） 石腦油 冷卻水

3、 程數(shù)（個(gè)） 1 2 腐蝕余度（mm） 3 - 定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程石腦油的定性溫度為 = (220+175)/2=197.5℃ 管程流體的定性溫度為 t= (45+25)/2=35℃ 查《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》得設(shè)計(jì)溫度下物料的物理性質(zhì)參數(shù)如下表(其中石腦油按汽油算)： 石腦油的物性參數(shù)(T=197.5℃) 水的物性參數(shù)（t=35℃） 密度：ρ1=0.71×103kg/m3 定壓比熱容:Cp1=2.13J/(kg?K) 導(dǎo)熱率

4、：λ1=0.218W/(m?K) 粘度：μ1=0.64×10-3Pa?s 密度：ρ2=993.95kg/m3 定壓比熱容:Cp2=4.174J/(kg?K) 導(dǎo)熱率：λ2=0.625W/(m?K) 粘度：μ2=0.727×10-3Pa?s 二、熱工藝設(shè)計(jì) 1.估算傳熱面積 1.1計(jì)算兩流體的平均溫度差 先按單殼程、2或2n管程進(jìn)行計(jì)算，其逆流時(shí)的平均溫度差為： Δt===162.18k P===0.102 , R===2.25 按單殼層，雙管程查溫差修正系數(shù)表得: εΔt=0.99 故有效平均溫差 Δtm=εΔtΔtm逆=0.99×162.18=160.

5、56K 1.2計(jì)算熱流量及冷卻水的流量 熱流量: Φ=qm1cp1Δt1=4000×2.13×(220-175) =3.834×106kJ/h=1065kw 取熱損失系數(shù)ηC=0.97,則冷卻水吸收的熱量： Φ2=ηCΦ=3.834×106×0.97=3.719 kJ/h=1033kw 冷卻水用量： qm2=Φ2/ cp2Δt2=3.719×106/[4.174×(45-25)]=44549.59kg/h 1.3估算傳熱面積 初選K=680W/(m2?K),由穩(wěn)態(tài)傳熱基本方程得傳熱面積: A估=Φ/KΔtm=1033000/(680×160.56)=9.46m2

6、 2.工藝結(jié)構(gòu)尺寸 2.1選擇管徑和管內(nèi)流速 選用φ25×2.5mm較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-2-7得： 公稱直徑DN（mm） 管程數(shù) nt（個(gè)） 管子根數(shù) Nt（根） 中心 排管數(shù) 管程流通 面積（m2） 換熱面積（m2） 換熱管長(zhǎng) 度L(mm) 400 2 94 11 0.0148 21.4 3000 排列形式：正三角形 管間距： =32mm 折流板間距： 2.2計(jì)算實(shí)際換熱面積 實(shí)際換熱面積 A實(shí)際=πd(L-2δ-0.006)n =3.14×0.025×(3-2×0.

7、05-0.006)×94=21.35m2 2.3 計(jì)算總傳熱系數(shù) 管內(nèi)冷卻水速度： ui=Qi/ρAi=44549.59/(3600×993.95×0.0148)=0.84m/s 換熱管內(nèi)經(jīng)di=d0-2δ=0.025-2×0.0025=0.02m 雷諾數(shù)：Rei=uidiρ/μ=0.84×0.02×993.95/0.000727=22968.86 對(duì)于湍流，由Dittus –Boelter關(guān)系式，有傳熱膜系數(shù)： 普朗特?cái)?shù)： =4174×0.000727/0.625=4.86 由于冷卻水要被加熱,故取n=0.4 管內(nèi)傳熱膜系數(shù)

8、αi=0.023×0.625/0.02×22968.860.8×4.860.4=4170.07W/(m2?K) 管外傳熱膜系數(shù) 換熱管呈正三角形排列，根據(jù)Kern法 當(dāng)量直徑：= 流體流過管間最大截面積是 殼體內(nèi)徑估算為=0.37 =0.216.7 =40000/(3600×710×0.0167)=0.94m/s 雷諾數(shù)：Re=uodoρ/μ=0.94×0.025×710/0.00064=26070 普朗特?cái)?shù)： =2130×0.00064/0.218=6.25 壁溫可視為流體平均溫度，即： 0.55 αo=0.36×(0.218/0.02) ×(0.02×0.64×

9、710/0.00064)0.55×6.251/3 =1389.25W/(m2?K) 查表《GB151-1999管殼式換熱器》得： 管外有機(jī)物污垢熱阻：/W 管內(nèi)冷卻水污垢熱阻：/W 插入法得到= 式中：——管外流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)； ——管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)； ,——分別為管外、管內(nèi)流體污垢熱阻，(m2·K) /W；—管壁厚度，m； ——管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K) oα iαiorr,δwλ 1/K=1/1389.25+1/4170.07+1.76×10-4+0.0025/73=1.1698×10-3 K=1/1.1698×10

10、-3=854.8 2.4 計(jì)算總換熱面積 由穩(wěn)態(tài)傳熱基本方程： A =Φ/KΔtm=1033000/(854.8×160.56)=7.526m2 （1+25%）=9.41,符合選型要求 2.5計(jì)算管程壓力降 管程壓力降有三部分組成，可按照如下公式進(jìn)行計(jì)算 —流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa; --流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa; —流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，Pa; —結(jié)構(gòu)矯正因素，無(wú)因次，對(duì)Φ25×2.5mm，取為1.4； 管程數(shù)取2； 串聯(lián)的殼程數(shù)取1; 根據(jù)伯拉修斯式，Re=3時(shí)有： λ=0.3164/22968.86

11、0.25=0.0257 ΔpL=0.0257×(2/0.02)×(993.95×0.842/2)=901.21Pa Δpr=3×(ρiui2/2)=3×(993.95×0.842/2)=1051.997Pa Δpn=1.5×(993.95×0.842/2)=526Pa Δpi=(901.21+1051.997) ×1.4×2×1+526×1=0.005594MPa 管程壓力降在允許范圍內(nèi) 2.6計(jì)算殼程壓力降 采用埃索法計(jì)算公式： 式中：--流體橫過管束的壓力降，Pa; --流體通過折流板缺口的壓力降，Pa; —?dú)こ虊毫档慕Y(jié)垢修正系數(shù)，無(wú)因此，對(duì)液體取

12、1.15; 其中： 式中：F—管子排列方法對(duì)壓力降的修正系數(shù)，對(duì)三角形F=0.5; —?dú)こ塘黧w摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時(shí)，; --橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)三角形排列; --按殼程流通截面積計(jì)算的流速，。 =5.0×26070-0.228=0.492 0.2××0.025)=0.0207m3 =40000/(3600×710×0.0207)=0.756m/s =0.5×0.492×10.66×(14+1) ×710×0.7562/2 =0.00798Mpa 14×[3.5-(2×0.2/0.37)] ×710×0.7562/2=0.006871MPa

13、=（0.00798+0.006871）×1.15×1=0.01708MPa 因此，殼程壓力降在允許范圍內(nèi)。 三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) a)根據(jù)換熱器公稱直徑為400mm，選用圓筒作為換熱器殼體。 殼體圓筒：公稱直徑DN=400mm，壁厚。 b)換熱管：外徑d=25mm，壁厚，換熱管長(zhǎng)度，根數(shù) n=94，受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度，換熱管呈正三角形排列，管間距 。 c)管板：剛度削弱系數(shù)，強(qiáng)度削弱系數(shù)。 d)螺栓：數(shù)量n=16，規(guī)格M27，30mm有效承載面積： （《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》） e)管箱法蘭：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整體鋼制管法蘭

14、法蘭外徑 ，螺栓孔徑中心圓直徑，法蘭厚度C=32mm，管箱 圓筒厚度，法蘭寬度： 3.2采用原件材料及數(shù)據(jù) a)換熱管材料：碳素鋼鋼管 20 設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn) 設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量(GB150-89,表15) 管壁溫度下的彈性模量 管壁溫度下的膨脹系數(shù) b)殼程圓筒材料：碳素鋼Q235-B 250設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 圓筒在壁溫下的彈性模量Mpa 圓筒在壁溫下的線膨脹系數(shù)mm/ c)管板材料：16Mn 250設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 250設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量 d)螺栓材料：40Cr（GB1

15、50-1989表2-7） 常溫下許用應(yīng)力 250設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 e)管箱法蘭材料：16Mn 由于管箱法蘭為長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，管箱圓筒材料彈性模量取管箱法蘭材料的值，根據(jù)GB150-1989 250下的彈性模量 75下的彈性模量 f)墊片材料：鐵包石棉墊片 根據(jù)GB150-1998，墊片系數(shù)m=2，比壓y=11Mpa 3.3 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺 高度為： 100mm 折流板數(shù)NB=14塊 3.4接管 殼程流體進(jìn)出口接管： 接

16、管內(nèi)流速uo=0.756m/s,則接管內(nèi)徑為
圓整后取170mm 管程流體進(jìn)出口接管： 接管內(nèi)流速uo=0.84m/s 圓整后取140mm 3.5殼體和封頭的設(shè)計(jì) 3.3.1殼體的設(shè)計(jì) a)圓筒公稱直徑 由計(jì)算知，圓筒的公稱直徑為400mm400mm，采用卷制圓筒。 b)圓筒厚度 圓筒的最小厚度應(yīng)按GB150-1989計(jì)算，但不得小于表3-1規(guī)定。 表3-1碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度 mm 公稱直徑 400 固定管板式 6 如上表按附加量圓

17、整取最小厚度為10mm 表2-2殼體、管箱殼體厚度 mm DN（mm） 材料 殼程或管程公稱壓力PN,MPa 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 Q235-A/B/C 8 8 8 8 - - 400 16MnR 8 8 8 8 10 12 1Cr18Ni9Ti 4 4 4 6 10 14 對(duì)應(yīng)殼體、管箱殼體厚度也取10mm 3.3.2封頭設(shè)計(jì) 按工作原理，設(shè)計(jì)封頭應(yīng)為受內(nèi)壓的橢圓形封頭，采用長(zhǎng)軸與短軸比為2的標(biāo)準(zhǔn)型封頭。 橢圓形封頭是由半個(gè)橢圓球和具有高

18、度h的圓筒（即封頭直邊）構(gòu)成，直邊的作用是避免筒體與封頭連接的還焊縫受到邊緣應(yīng)力的影響。 封頭厚度（不包括壁厚附加量）應(yīng)小于封頭直徑的0.3%。 由表3-3，取封頭厚度為10mm 3.5管板與換熱管 3.5.1 管板 3.5.1.1材料：16MnR 3.5.1.2厚度 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)采用先脹后焊連接時(shí)，管板的最小厚度（不包括腐蝕裕量）見表3-5；?。òǜg裕量）。 換熱管外徑 25 最小厚度 用于易燃易爆及有毒介質(zhì)等場(chǎng)合 用于無(wú)害介質(zhì)的一般場(chǎng)合 2.5.1.3布管 a

19、)換熱管的排列形式，見圖2-3，本設(shè)計(jì)選擇三角形錯(cuò)列形式 圖2-3布管形式 b)換熱管中心距 換熱管中心距一般不小于1.25倍的換熱管外徑。常用換熱管外徑如《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-6-16，即表3-6 所示： 根據(jù)表中要求選取換熱管中心距為S=32mm 表3-6 換熱管中心距 mm 換熱管外徑d 25 換熱管中心距S 32 分程隔板槽兩相鄰管中心距 44 c)布管限定圓：布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑 表3-7布管限定圓 m

20、m 換熱器形式 固定管板式、U型管式 浮頭式 布管限定圓 表中：b—見圖2-4，其值按表2-8選取，mm --見圖2-4，其值按表2-9選取，mm --見圖2-4，，mm --固定管板式換熱器或U型管換熱器管束最外層換熱管表面至殼體內(nèi)壁的最短距離，且不小于10mm —墊片寬度，其值按表2-9選取，mm 圖3-4 布管示意圖 除了考慮布管限定圓直徑外，換熱管與防沖板間的距離也需考慮。通常，換熱管外表面與鄰近防沖板表面間的距離，最小為6 mm。換熱管中心線與防沖板板厚中心線或上表面之間的距離，最大為換熱管中心距的倍。 表3-8不同的b值mm

21、 b 表3-9 3 4 從表中可得：選取b=5mm,mm,=15mm，=10mm ,392-210=372mm d)管程分程：經(jīng)壓力降設(shè)計(jì)，采用雙管程結(jié)構(gòu)。 e)殼程進(jìn)出口處的布管：應(yīng)考慮殼體內(nèi)壁與管束之間的流通面 積和介質(zhì)進(jìn)出口管處的流通面積相當(dāng)。 3.5.2管孔 換熱器的換熱管和管孔直徑允許偏差按GB151-1999規(guī)定： 換熱管，管孔 a)拉桿孔：拉桿與管板采用螺紋連

22、接 螺孔深度：，其中為拉桿螺孔公稱直徑。 b)管板密封面：管板與法蘭連接的結(jié)構(gòu)尺寸及制造、檢驗(yàn)要求等按JB1157-1163-82《壓力容器法蘭》的規(guī)定。 3.5.3換熱管 a)換熱管長(zhǎng)度選用：3000mm b)換熱器的規(guī)格和尺寸偏差：按GB8164-87《輸送流體用無(wú)縫鋼管》的規(guī)定，常用規(guī)格如表3-10 表3-10常用換熱管的規(guī)格和尺寸偏差(材料：碳鋼) 換熱管標(biāo)準(zhǔn) 管子規(guī)格 高精度、較寬精度 普通精度 外徑 厚度 外徑偏差 壁厚偏差 外徑偏差 壁厚偏差 GB/T8163 2.0 +15%

23、 GB-9948 2.5 -10% -10% 選型 57 3.5 +12% -10% 選用普通精度的標(biāo)準(zhǔn)，。 3.6殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接 管板與殼體連接形式分為兩類，一是不可拆的，如固定管板式，管板與殼體使用焊接連接。二是可拆式，如U型管，浮頭及填料函式管板式換熱器。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，換熱管與管板的連接采用焊接。 3.6.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸：按表3-11，3-12的規(guī)定 表3-11 換熱管外伸長(zhǎng)度 mm 換熱管外徑 d 16 伸出長(zhǎng)度

24、 槽 深 K 0.5 表3-12換熱管外伸長(zhǎng)度 mm 換熱管規(guī)格 外徑25 換熱管最小伸出長(zhǎng)度 =1.5 =2.5 槽深 K 2 3.7其他各部件結(jié)構(gòu) 3.7.1折流板和支持板常用的折流板和支持板的形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種，本設(shè)計(jì)中采用25%的單弓形折流板，如圖2-5 圖2-5 單弓形介質(zhì)流動(dòng)圖 3.7.2拉桿、定距管 3.7.2.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式：常用的拉桿形式有兩種，由于換熱管的外徑等于25mm≥19mm，故本設(shè)計(jì)選用拉桿定距結(jié)構(gòu)

25、，如圖3-7 圖3-7拉桿定距管結(jié)構(gòu) 3.7.2.2拉桿的尺寸：如圖3-8 圖3-8 表3-16拉桿的尺寸 mm 拉桿直徑d 拉桿螺紋公稱直徑 10 10 13 12 12 15 16 16 20 a)拉桿尺寸通過圖3-8，表3-16確定 b) 拉桿的長(zhǎng)度L按換熱器管長(zhǎng)需要設(shè)定 c) 拉桿的布置應(yīng)盡量布置在管束的外邊緣 3.7.2.3 拉桿的直徑和數(shù)量：按表3-17，表3-18選用 表3-17 拉桿直徑選用表 mm 換熱管外徑d 25 拉桿直徑

26、 16 表3-18拉桿數(shù)量選用表 拉桿直徑d\公稱直徑DN 16 4 取拉桿直徑為16mm，拉桿數(shù)量為4. 3.7.3防沖板 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在殼程設(shè)置防沖板，以減少氣流的不均勻分布和對(duì)換熱管管端的沖蝕。防沖板表面到圓筒內(nèi)壁的距離，一般為接管外徑的1/4～1/3，取距離為50mm；防沖板的直徑和邊長(zhǎng)，應(yīng)大于接管外徑50mm，取防沖板直徑為250mm；防沖板的最小厚度：碳鋼為4.5mm，不銹鋼為3mm，取厚度為6mm。 防沖板的固定形式： a) 防沖板的兩端焊在定距管或拉桿上，也可同時(shí)焊在靠近管板的第一塊折流板上； b) 防沖板焊在

27、圓筒上； c) 用U形螺栓將防沖板固定在換熱管上。 3.7.4沉降管設(shè)計(jì) 由，，得 根據(jù)實(shí)際情況選下沉管為Φ273×9.5，管子材料為A3鋼。 3.5換熱管下箱設(shè)計(jì) 材料：16MnR 厚度：，管箱長(zhǎng)度：l=800mm，管箱內(nèi)徑： 3.7.6座選取 按JB4712選用BI型，120°包角，焊接，單筋，帶墊板。 四、強(qiáng)度的計(jì)算與校核 下面對(duì)換熱器各部件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與校核: 4.1圓筒計(jì)算 圓筒由鋼板卷制而成，故查得鋼壁厚為10mm，則內(nèi)徑為380 mm。取焊縫系數(shù)φ=0.85，筒體計(jì)算厚度按下式計(jì)算: 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： 根據(jù)鋼材規(guī)定名義厚度要

28、≥6mm，所以取到 有效厚度： 其中C1為GB709鋼板負(fù)偏差，C2=3mm為題目所給設(shè)計(jì)參數(shù)。 4.2壓力實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核 液壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力由GB150-1989式（1-5）確定： ,取兩者中的較大值。 --設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，Mpa； —實(shí)驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力， Mpa。 壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，圓筒的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算： 在進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，圓筒的薄膜應(yīng)力不得超過試驗(yàn)溫度下材料屈服點(diǎn)的90％，即，符合要求。 4.3最大工作壓力和計(jì)算應(yīng)力 最大許用工作壓力： 設(shè)計(jì)溫度下的圓筒筒壁計(jì)算應(yīng)力按下式計(jì)算： ，滿足應(yīng)力要求。 4.4封頭設(shè)

29、計(jì)計(jì)算 受內(nèi)壓的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度按下式計(jì)算（GB150-1989，式5-2） 封頭設(shè)計(jì)壁厚： 按GB6654-1996 ，鋼板負(fù)偏差：C1=0.6mm 封頭名義厚度： 根據(jù)鋼材規(guī)定名義厚度要5mm，所以取到 封頭有效厚度： 橢圓形壓力按下式確定（GB150-1989，式5-3）： 4.5管板設(shè)計(jì)計(jì)算 4.5.1換熱管穩(wěn)定許用應(yīng)力 換熱管的回轉(zhuǎn)半徑 查GB151-1989附錄H—管子特性表： 系數(shù)： 換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度： 從而有： 所以換熱管的穩(wěn)定需用應(yīng)力為： 4.5.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算 a) 墊片壓緊力作用

30、中心圓直徑DG 參照J(rèn)B4705-92非金屬軟墊片標(biāo)準(zhǔn)，取墊片內(nèi)徑404mm，外徑444mm，墊片寬度N=40mm。 查表9-1中1-a得： 當(dāng)b0>6.4mm時(shí)，b= 墊片壓緊力作用中心圓直徑： b) 面積計(jì)算 隔板槽兩側(cè)換熱管之間管排中心距Sn=32mm 鄰近隔板槽一側(cè)的一排換熱管根數(shù)=12，管間距S=32 mm 對(duì)于三角形排列，布管區(qū)未能被換熱管支承的面積: 殼程圓筒內(nèi)徑面積： 殼程圓筒金屬橫截面積： 查GB151-1989附錄H，一根換熱管金屬橫截面積a=144.51mm2。 則有：na=94144.51=13583.94mm2 管板開孔后面積

31、： mm2 c)管板布管區(qū)域當(dāng)量直徑管板區(qū)域面積： 布管區(qū)當(dāng)量直徑： 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比： d)系數(shù)計(jì)算 按GB150第7章， 查表7-5，殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)Y=4.75 4.5.3法蘭力矩算 基本法蘭計(jì)算力矩Mm：查GB150-89表7-2得：y=11，m=2.0 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算： 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算： 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按下式計(jì)算： 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積按下式計(jì)算： 需要的螺栓面積取較大值，即 實(shí)際使用的螺栓總面積： 法蘭力矩的力臂：

32、 基本法蘭力矩： 4.5.4管程壓力操作工況下法蘭力拒Mp 螺栓中心至作用位置處的徑向距離: 螺栓中心至作用位置處的徑向距離： 螺栓中心至作用位置處的徑向距離： 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力： 流體靜壓總軸向力-作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體靜壓軸向力： 法蘭墊片壓緊力： 法蘭操作力矩： 4.5.5換熱管與殼體圓筒的熱膨脹應(yīng)變形差Y 假定換熱器制造環(huán)境溫度為15℃ 89.345 3.54Mpa 4.5.6管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 法蘭寬度： , ， 查GB151-1999 圖26得 管箱圓

33、筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： 其中法蘭材料：采用16Mn彈性模量（根據(jù)插入法） , 4.5.7管子加強(qiáng)系數(shù) a)已知管板名義厚度，管板腐蝕余量： 管板殼程側(cè)焊接結(jié)構(gòu)槽深3mm 管板有效厚度，即校核中的計(jì)算厚度 換熱管的有效長(zhǎng)度： b)管子加強(qiáng)系數(shù)K c)管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度 4.5.8旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù) a)殼體法蘭與圓筒旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 已知?dú)んw法蘭管板延長(zhǎng)部分厚度,殼體厚度 ， 查GB151-1989圖3-15， b)旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù) 管束模數(shù)： c)確定系數(shù) 由K=3.69,=0.032

34、查GB151 圖3-16，管板第一彎矩系數(shù)：,圖3-18， K=3.69，Q=0.96，查GB151 圖3-17，管板第二彎矩系數(shù)：圖3-19， 法蘭力矩折減系數(shù)： 令 管板邊緣力矩變化系數(shù)： 法蘭力矩變化系數(shù)：=0.678 4.6 接管、接管法蘭以及開孔補(bǔ)強(qiáng) 4.6.1 殼程接管、法蘭 由熱流體的參數(shù)：取0.1—1 可得接管直徑： 取接管伸出長(zhǎng)度150mm，即需要兩個(gè) 4.6.2 管箱接管、法蘭 由冷流體的參數(shù)：取0.1—1 可得接管直徑： 取接管伸出長(zhǎng)度150mm，即需要兩個(gè)的接管法蘭 4.6.3 以殼程開孔補(bǔ)

35、強(qiáng)為例進(jìn)行計(jì)算 筒體：Q235-B 接管：20R 補(bǔ)強(qiáng)圈：16MnR 開孔直徑： 用等面積法補(bǔ)強(qiáng)： 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積： (1)有效寬度B，取兩者中的大者 取大者，所以 (2)有效高度 a.外側(cè)高度：取兩者中較小者 b.內(nèi)側(cè)高度：取兩者中較小者 (3)有效補(bǔ)強(qiáng)面積 a.圓筒多余金屬面積 圓筒有效厚度： 圓筒多余金屬面積： b.接管多余面積 接管計(jì)算厚度： 接管多余的面積： c.補(bǔ)強(qiáng)區(qū)焊縫面積（焊腳取4.5mm） d.有效補(bǔ)強(qiáng)面積： 需另行補(bǔ)強(qiáng)面積： (4)補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)

36、 a.補(bǔ)強(qiáng)圈外徑應(yīng)不大于有效寬度，取 b.補(bǔ)強(qiáng)圈厚度： 根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)踐知，我們可以直接采用被補(bǔ)強(qiáng)殼的板材，并取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑B=2d進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，既可滿足要求，以省略各項(xiàng)補(bǔ)強(qiáng)面積的計(jì)算，也可得到偏于安全的設(shè)計(jì)結(jié)果。所以下面的補(bǔ)強(qiáng)中采用這種方法。 4.6.3 管程開孔補(bǔ)強(qiáng) 補(bǔ)強(qiáng)厚度取大值： 取, 所以管程補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸為：， 4.7 鞍座強(qiáng)度校核 4.7.1 計(jì)算鞍座反力 (1)計(jì)算質(zhì)量 a.圓筒質(zhì)量： 式中：為圓筒材料密度 b.管箱殼體質(zhì)量： c.管板質(zhì)量：282.8kg d.封頭質(zhì)量： e.換熱管質(zhì)量： f.折流板質(zhì)量： g.其它附件質(zhì)量： h.充液

37、質(zhì)量： i.設(shè)備最大質(zhì)量： (2)計(jì)算鞍座支反力： 4.7.2 計(jì)算圓筒軸向彎矩 簡(jiǎn)體簡(jiǎn)化梁長(zhǎng)3000mm，鞍座中心線到橢圓形封頭距離 (1)圓筒中間處截面的彎矩： (2)鞍座處截面上的彎矩： 4.7.3 計(jì)算圓筒軸向應(yīng)力 (1)由于彎矩引起的軸向應(yīng)力 a.在圓筒中間截面上最高點(diǎn)處： ， 最低點(diǎn)處： b.在鞍座處圓筒截面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力 最高點(diǎn)處：由GB150表（8-1）， 最低點(diǎn)處：由GB150表（8-1）， (2)設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力： 4.7.4 軸向應(yīng)力組合與校核 a.軸向拉應(yīng)力：

38、 最大軸向拉應(yīng)力： b.軸向壓應(yīng)力：, 最大軸向壓應(yīng)力： c.軸向應(yīng)力校核： 許用軸向拉應(yīng)力：， 軸向許用壓縮壓力：， 其中軸向許用壓縮應(yīng)力按GB150確定 根據(jù)A值和材料，查GB150， 4.7.5 計(jì)算圓筒、封頭切向應(yīng)力 因，圓筒和封頭切向力按GB150下式計(jì)算 4.7.6 計(jì)算圓筒、封頭周向應(yīng)力 a.鞍座處橫截面最低點(diǎn)處周向應(yīng)力 式中：，考慮容器焊在鞍座上； ，由GB150查得； ，鞍座寬度 b.在鞍座邊角處的周向應(yīng)力 因，按GB150中下式計(jì)算： 參 考 文 獻(xiàn) [1].錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[S]化學(xué)工業(yè)出版社，2002. [2].GB150-1998鋼制壓力容器[S]. [3].GB151-1999管殼式換熱器[S]. [4].蔡紀(jì)寧, 張秋翔. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2000. [5].匡國(guó)柱, 史啟才. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2002. [6].國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JB/T9112-9124鋼制管法蘭[S],2000. [7].王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].化學(xué)工業(yè)出版社