渔业蒸发器毕业设计.doc

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1、目 录1 绪论11.1 选题背景及研究意义11.2换热器分类及选择11.3 换热器的发展趋势21.4设计过程21.4 本论文主要内容32 换热器的机械设计计算32.1、已知条件：32.2、计算步骤32.2.1管子数n32.2.2管子排列方式，管间距的确定32.2.3确定换热器筒体直径42.2.4加热室筒体壁厚计算42.2.5加热室水压试验52.2.6 设计计算管箱52.2.7筒体与管箱的连接72.2.8管箱与筒体连接法兰的选用92.2.9确定管板尺寸92.2.10管子的拉脱力计算162.2.11计算是否要安装膨胀节182.2.12选取接管192.2.13选取接管法兰192.2.14分离室计算2

2、02.2.15 支座232.2.16 壳体开孔补强23结 论28致 谢29参 考 文 献301 绪论1.1 选题背景及研究意义蒸发器也就是换热器，是根据实际生产中的使用目的来命名的。换热器就是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。它是化工、炼油、动力、原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。用换热器进行热能回收或工艺过程加热（冷却）时，一方面实现了热能回收利用，带来了经济效益；另一方面要增加相应的投资和其他费用。因此在设计或选用换热器时，存在着如何使之经济合理的问题。设计者希望能有一种简单而又符合工程要求的方法，

3、来经济合理地设计或选用换热器。工业生产中所用换热器的种类很多，其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种。由于现代化工厂的生产规模日益扩大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消耗。所以对它的研究就显得尤为重要。1.2换热器分类及选择在化工生产中由于用途、工作条件和载热体的特性等的不同，对换热器提出了不同的要求，出现了各种不同形式和结构的换热器。为了便于对它进行分析研究，可将换热器分类如表1.1所示。 表1.1 换热器的分类分类式名称备注作用原理或传热方式直接接触式又称混合式，是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。该换热器具有传热效率高，单位容积提供的

4、传热面积大，设备结构简单，价格便宜等优点，仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。蓄热式又称回热式，是借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。该换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，适合用于气-气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一种蓄热式换热器。间壁式又称表面式，是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。是应用最广泛的换热器，形式多样，常见的如管壳式和板式换热器。中间载热体式这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。生产中使用目的冷却器加热器冷凝器汽化器也称再沸器

5、。换热器使用材料金属非金属换热器传热面的形状和结构管式蛇管式套管式管壳式板面式螺旋板式板式板翅式板壳式以上各种换热器都有它独特的优点和不足之处，所以在选择换热器时应考虑多方面因素，进行全面分析，根据不同的使用目的和工艺要求选择最合适的换热器。选择换热器时应考虑以下几个问题：(1)满足工艺要求，不论是设计换热器或是选型，都必须符合工艺要求。如流体的种类、油料的物理性质、化学性质，特别是腐蚀性，操作压力、温度、允许的压力降、结垢情况等。(2)换热效率要高，尽量使两种流体的传热系数相同或相近，以保证有较大的传热系数。(3)结构简单、使用可靠。(4)安装、检修、清洗方便等。1.3 换热器的发展趋势当前

6、换热器的发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。1.4设计过程本文主要从换热器强度设计的基本逻辑入手，首先确认问题，选择一种基本的换热器类型，其次选择一系列换热器的暂行参数并计算设计值：壁厚，最大压力值，最大应力值等，再次，根据设计参数，检验校核包括：压力校核，应力校核，反复修改，检验，最后进行技术经济分析并得出结论。换热器是由各种受压部件组成的，其中筒体、管箱、封头、法兰、管板、换热管等受压部件都必须进行强度计算，以确保在运行中安全可靠。其计算必须严格按照GB150-1998钢制压力容器和GB1

7、51-89管壳式换热器的相关标准执行。1.4 本论文主要内容本文的主要内容是对换热器的强度设计，包括筒体的设计计算，封头厚度设计计算，管箱厚度设计计算，换热管及兼做法兰的固定管板的设计计算，筒体的开孔补强计算。最后严格按照GB151-89管壳式换热器中的规定对换热器进行了检验与验收。2 换热器的机械设计计算2.1、已知条件：名 称管程壳程物料名称鱼液蒸汽设计压力Mpa0.60.6工作压力Mpa0.50.5工作温度170 170换热面积15m2推荐材质2020R2.2、计算步骤2.2.1管子数n 选252.5的20号钢的无缝钢管，管长1500mm。 由换热面积，可得 （2-1） 考虑到留有一定的

8、裕量，实际管数取为140根。2.2.2管子排列方式，管间距的确定 换热管在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如图所示。 图1 换热管排列方式 在管板上管子排列的间距t，与管子与管板的连接方法有关。本设计采用正三角形的排列方式 所以取2.2.3确定换热器筒体直径筒体内径可由下式计算： （2-2）式中t换热器的管间距，t=32mm； nc一位于管束中心线上的管数，管子按正三角形排列时: （2-3）一最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取,取筒体内径 ，且为固定管板式。查GB151-89表3-2的 400700mm圆筒的最小厚度为6mm(包括厚度附加量=1mm)2.2.4加热室筒体壁

9、厚计算 取设计压力0.6MPa，焊缝系数，材料选用20R，按照标准中的20R，123MPa。取钢板厚度负偏差，腐蚀裕量，设计壁厚为： （2-4）设计厚度名义厚度根据规定取有效厚度 2.2.5加热室水压试验 加热器水压水压试验压力： 为了方便压力表读数，取水压试验应力为： = =57.3MPa （2-5）为水压试验时筒体的壁内应力。所用20R板材在常温245MPa，由GB150-1998查出 可见水压试验时筒体壁内应力小于，水压试验安全。2.2.6 设计计算管箱管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无论那

10、种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求：使连接双程间流体流动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。 选择管箱结构形式（1）、A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一一般多用于DN900mm的浮头式换热器中。（2）、B型封头管箱型 如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管

11、程时必须拆下连接管道和管箱。（3）、C型、D型管箱 这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄漏的可能性。一般用的较少，只在高压情况下采用。 A型管箱 B型管箱 C型管箱 D型管箱图2 管箱形式本设计选择A型管箱 选择封头为平盖平盖厚度的计算公式 （2-6)其中Dc-垫片压紧力作用力中心圆直径，mmK-结构特征系数。取下列两式中的较大值 操作时系数 (2-7) 预紧时系数 (2-8)LG-垫片压紧力的力臂，为螺栓中心圆直径与Dc之差的一半，mmW-预紧状态或操作状态时的螺栓设计载荷，N 确定法兰为甲型凹凸密封法兰 PN0.6 D

12、N500 材料选用16MnR螺栓中心圆直径 根据JB4704-92 选取垫片 D=539mm ，d=503mm N=18mm N-垫片接触宽度 由GB1501998表91 取垫片基本密封宽度所以垫片有效密封宽度查GB150-98 表9-2 取 y=11 ，m=2预紧状态下的最小螺栓载荷 (2-9)操作状态下的最小螺栓载荷 (2-10) 操作时 预紧时 假设 不符合假设 符合所以平盖的厚度为22mm。取上下平盖厚度均为22mm管箱材料选用20R，考虑到考虑到管箱应有足够的空间来均匀输送流体，现取管箱筒节长l=360mm。2.2.7筒体与管箱的连接考虑到筒体直径500mm，上下管箱壁厚与筒体壁厚相

13、等，为了减少成本，保证密封性能。将上下封头与筒体用法兰连接在一起。管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间可以有不同的连接方式，如图3所示。 图3a型 ： 管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接；b型 ： 管板直接与壳程圆筒和管箱圆筒形成整体结构；c型 ： 管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分形成凸缘被夹持在活套环与管箱法兰之间；d型 ： 管板与管箱圆筒连为整体，其延长部分形成凸缘被夹持在活套环与壳体法兰之间；e型 ： 管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；f型 ： 管板与管箱圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与壳体法兰用螺柱、垫片连接。本次设计选用e型连接2.2.8管箱与筒体连

14、接法兰的选用根据JB4703一92标准，选用的凹凸密封面长颈对焊法兰。本换热器因采用管板兼作法兰，故选用两个凹面法兰(管板兼作凸面法兰)，材料选用16MnR。2.2.9确定管板尺寸选用固定式换热器管板，并兼作法兰。材料选用16MnR。因管板兼作槽面法兰，故其与法兰相配的密封面尺寸应按所选法兰的相应尺寸来确定。管板厚度的计算见GB15198表3-15，具体计算步骤如下：已知条件如下所示：管子壳体材质2020R线膨胀系数弹性模量E（Mpa）尺寸 管子数 140根管间距32mm壳程圆筒的内径面积 (2-11) 壳程圆筒金属的横截面积 (2-12)换热管金属的总截面积 (2-13)管板的开孔面积 (2

15、-14)假定管板的厚度 = 40mm换热管的有效长度 L=换热管的总长-2-3=1500-240-3=1417mm (2-15)换热管束模数 (2-16)管子的回转半径 (2-17)管子的受压失稳当量长度，查阅GB151-89,图3-21，可知其与折流板间距有关，本设计不加折流板则由图3-21，取 (2-18)则系数 (2-19) 管子稳定许用压应力 (2-19)开孔之后的面积 (2-20)管板布管区的面积 (采用正三角形排列) (2-21)管间距。查GB151-89 表3-7， 取32mm隔板槽面积，本设计不分程 取 所以 管板布管区当量的直径： (2-22) 由于法兰的外径与管板的外径相互

16、平齐，所以取管板的直径为640mm系数： (2-23) (2-24) (2-25) (2-26) (2-7) (2-28)法兰力矩的计算： 基本法兰力矩 ，其计算查阅GB1501998 螺栓载荷的计算 预紧状态下的螺栓载荷：查压力容器的法兰标准，此处选择长颈对焊法兰（PN1.0,DN500）,凹凸密封面则 (2-30)m,y查 GB1501998表92 取y=11 ,m=2查GB150-1998表9-1 取垫片基本密封宽度 (2-31)因为 所以垫片有效密封宽度所以预紧状态下的螺栓载荷： 操作状态下的螺栓载荷： (2-32) 螺栓面积的计算： 预紧状态下螺栓面积： (2-33) 螺栓材料取为Q

17、235，查GB1501998表47 得 操作状态下的螺栓面积： 所需要的螺柱面积： 取其中大值2411实际用24个M20螺柱，其螺柱的总面积： 所以符合要求的螺柱设计载荷。预紧状态的螺柱载荷： (2-34)操作状态螺柱载荷: 法兰基本力矩： (2-35) (2-36)螺柱中心圆直径 查法兰标准 此处 查GB150-1998 第96页管程压力作用时法兰力矩的计算 (2-37) (2-38) (2-39) (2-40) (2-41)管板的计算：管子的加强系数： (2-42) 所以K=4.1 (2-43)法兰的计算：法兰的宽度 (2-44)管箱法兰的厚度 因为法兰为FM 500-1.0所以 (2-4

18、5)查GB151-1998 图3-15得：旋转刚度 (2-46)法兰材料采用16MnR 取为 此处用长颈对焊法兰 所以壳体法兰厚度取为查GB151-1998 图3-15得：壳体法兰的旋转刚度 (2-47) 旋转刚度无量纲参数 (2-48) =0.00278壳体法兰应力参数Y :查GB15098 P103 表95 (2-49)查表得 Y=8.01按K, 查GB151-1998 图316 得 (2-50)按K, 查GB151-1998 图318 得 (2-51)按K,Q 查GB151-1998 图319 得 (2-52) (2-53) (2-54) (2-55)按K,Q 查GB151-1998 图

19、317 得 壳程压力作用下的危险组合壳程设计压力 =0.1164MPa 管程压力=0不计膨胀差y=at(tt-to)-as(ts-to)0yEt/MPa0/MPa-0.43-0.240.288=2.51.8 1.4/MPa0.055/MPa0.213/MPa0.162/MPa-0.14管板应力/MPa7.4/MPa6.7/MPa-1.13壳体法兰应力/MPa47.5管子应力MPa-1.011.01540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透结构形式。2、 接管腐蚀裕量为1mm。加热器与蒸发器接管选择了1594.5，取料管182 1 加热室与分离室接管的开孔补强计算加热室圆筒名义厚度6mm，有效

20、厚度e4.4mm，设计压力P0.6MPa,设计温度170，在圆筒接1594.5的接管，接管高度180mm,圆筒材料为20R,接管材料为20号钢，其许用应力t=123MPa,接管的厚度附加量C2.0mm，焊接接头系数。开孔直径 mm开孔直径符合等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。筒体计算壁厚mm (2-65)强度削弱系数 接管有效厚度 mm接管有效补强宽度 mm接管外侧有效补强高度 需要补强面积 (2-66)可以作为补强的面积mm2 (2-67)接管计算厚度 mm2 (2-68) 接管多余金属面积 mm2 (2-69) 接管区焊缝面积（焊脚取6.0） 有效补强面积 (

21、2-70)该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。分离室封头的 分离室封头圆筒计算厚度8mm，有效厚度e6.4mm，设计压力P0.6MPa,设计温度170，在圆筒接1594.5的接管，圆筒材料为20R,接管材料为20号钢，其许用应力t=123MPa,接管的厚度附加量C2.0mm，焊接接头系数。开孔直径 开孔直径符合等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。封头计算壁厚强度削弱系数 接管有效厚度 接管有效补强宽度 故B=308mm接管外侧有效补强高度 故h1=26.3mm需要补强面积 可以作为补强的面积接管计算厚度 接管多余金属面积 接管区焊缝面积（焊脚取6.0） 有效补强

22、面积 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。2 取料管补强计算 分离室封头圆筒计算厚度8mm，有效厚度e6.4mm，设计压力P0.6MPa,设计温度170，在圆筒接182的接管，接管高度150mm,圆筒材料为20R,接管材料为20号钢，其许用应力t=123MPa,接管的厚度附加量C1.0mm，焊接接头系数。开孔直径 开孔直径符合等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。封头计算壁厚强度削弱系数 接管有效厚度 mm接管有效补强宽度 故B=34mm接管外侧有效补强高度 需要补强面积 可以作为补强的面积接管计算厚度 接管多余金属面积 接管区焊缝面积（焊脚取6.0） 有效补强面

23、积 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。结 论这次设计是在大学完成四年全部课程的基础上，查阅了相关资料的基础上进行的。一个月以来，我们在指导老师的热心指导下，经过个人的努力，顺利完成了本次设计任务。本次设计大致分四个步骤，首先进行的是工艺部分计算，确定换热管数、管长、管程及壳程流体的流速、换热器筒体的内径等；然后就开始换热器的结构设计，通过抑制条件及计算部分的结果选定固定管板式换热器的一系列零部件，这步工作需要参照GB151，GB150等国家标准进行设计；接着进行各零部件的强度校核，用以保证各零部件的强度和刚度，这也是设计的难点和重点。这三步工作完成以后，最后就是绘图和论文的编排和打印。设

24、计是一个从无到有的过程，其中有很多因素都必须考虑到，因此需要一定的耐心和细心才能完成。在本次的毕业设计过程中，使我学到了很多知识，把以前的理论知识联系到实际当中，但是，由于时间和自己掌握的知识有限，在设计的过程中难免有错误，衷心希望老师指正。致 谢本设计的完成是在我们的导师王元文老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦得讲解才使得我的设计顺利进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了王老师很多宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心的感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！还要感谢和我的同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨

25、问题，并指出我设计上的误区，使我能及时发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意 参 考 文 献1中华人民共和国国家标准GB1511989.钢制管壳式换热器.国家技术监督局，1989.2 中华人民共和国国家标准GB1501998.钢制压力容器.国家技术监督局，1998.3 化工机械手册编辑委员会主编.化工机械手册.天津.1991.4 潘家桢等主编.压力容器材料实用手册.化学工业出版社.北京.2000.5 刘湘秋等主编.常用压力容器手册.北京.机械工业出版社.2004.6 郑津洋等主编.过程装备设计.天津大学出版社.北京.2005.7 汤善甫等主编.化工设备机械基础.华东理工大学出版社.上海.1991.8 詹长福等主编.化工设备机械设计基础.机械工业出版社.北京.1991.9 董大勤等主编.化工设备机械基础.化学工业出版社.北京.2003.