【正文】 式換熱器中的浮頭式換熱器。 摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器的種類很多，但是根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式上的不同基本可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。同時(shí)結(jié)合所選定的材料和工作環(huán)境制定相應(yīng)的焊接工藝。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。而管式換熱器又可分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器。浮頭式換熱器如圖1所示，浮頭式換熱器對(duì)固定管板式換熱器的缺陷上做了改進(jìn)，這類換熱器和管束對(duì)熱膨脹是自由的，浮頭端設(shè)計(jì)成可拆卸式，方便檢修、清洗，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，浮頭端小蓋在操作時(shí)無(wú)法知道泄漏情況，所以在安裝時(shí)要特別注意其密封情況。本次設(shè)計(jì)的是雜醇油冷卻器，冷卻器操作參數(shù)如下：表21 冷卻器操作參數(shù)循環(huán)水雜醇油設(shè)計(jì)壓力Mpa進(jìn)口溫度℃出口溫度℃流量kg/h出口溫度℃進(jìn)口溫度℃流量kg/hT1=30T2=40100000T3=40T4=14025000由《化工原理》P285，查得：循環(huán)水的定性溫度：Tmc=1/2(30+40)=35℃給出雜醇油液體的定性溫度：Tmh=1/2(140+40)=90℃在定性溫度下，得到流體物性如下表：表22定性溫度下流體物性參數(shù)密度kg/m3比熱容（Kj/kg因?yàn)楣軞な綋Q熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，單位體積具有的傳熱面積較傳熱效果較好，同時(shí)其制造材料范圍廣泛。但是由于殼程不易檢修與清理，因此殼程流體應(yīng)是不易結(jié)垢的物料。但是其管內(nèi)清洗比較困難，所以管內(nèi)流體必須潔凈；且管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差。綜合以上幾種換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)以及工藝液體介質(zhì)的性質(zhì)因此選用浮頭式換熱器作為雜醇油的冷卻器。計(jì)算熱負(fù)荷Qh=WhCph(th1th0)=25000(14040)=106KJ/h=Qc=WCCpc(tcitco)=100000(4030)=106KJ/h=因QcQh，所以取Qh為總傳熱量。則流體通過(guò)管間最大截面積為：A=hD1dot==流速為：U0=wρA=25000/(3600825)=de=4（t2π4d02）πd0=4（）π=雷諾數(shù)：Re=deuoρμ=103=4625普蘭特準(zhǔn)數(shù)：Pro=CPOμλO=103=殼程中雜醇油被冷卻，=1所以有：α0=（μμw）==587W/(m2℃)(3)總傳熱系數(shù)計(jì)算和校核 參考[4]《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P105附錄1，知道：管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：Rsi=104m2=QK?tm=10335431=該換熱器實(shí)際換熱面積：Sp=πd0LNnc=636615=那么換熱器的面積為：φ=S0SPSp==%此裕度在15%25%之間，符合設(shè)計(jì)要求。?Pc的檢驗(yàn)1 熱流體側(cè)的壁溫tth=TmhK?tm1αi+RSO=903543213419+=℃2 冷流體側(cè)的壁溫ttc=TmcK?tm1α0+Rsi=35+354321587+=℃3 金屬壁的溫度由公式：t0tw1α0+Rso=twti1αi+Rsi代入數(shù)據(jù)得tw=℃第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 ①、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求， ②、設(shè)計(jì)溫度是換熱器在正常工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度，在任何情況下，金屬的表面溫度不得超過(guò)材料的允許使用溫度，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)下可能達(dá)到的最高溫度，本設(shè)計(jì)中，介質(zhì)工作最高溫度為140℃，因此我們?nèi)≡O(shè)計(jì)溫度為t=150℃。④、壓力容器法蘭和管法蘭的內(nèi)直徑應(yīng)考慮腐蝕余量。所以：計(jì)算厚度δd=+2=鋼板的名義厚度：鋼板的厚度負(fù)偏差C1的選取，查HG205801998，對(duì)于GB665496的鋼板，對(duì)于所有厚度，其厚度負(fù)偏差為0mm，取其名義厚度為12mm，即δn=12mm。所以可以確定殼體厚度為12mm。 考慮到介質(zhì)腐蝕性相同的原則，且對(duì)于同種材料易于焊接的特性，選擇管箱的材料為16MnR，厚度計(jì)算方法同筒體相同，但由于管程流體的最高工作溫度大于殼程流體的溫度140℃，因此設(shè)計(jì)溫度應(yīng)為t=150℃，此時(shí)16MnR的許用應(yīng)力值為σt=170MPa，因此在此設(shè)計(jì)溫度下，管箱短節(jié)的計(jì)算厚度為：δ1=8002170=考慮到腐蝕余量和最小厚度要求，取名義厚度為δn1=12mm 材料依然選擇16MnR，選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T473795P3，選擇以內(nèi)徑為基準(zhǔn)，類型代號(hào)為EHA，型式參數(shù)為：Di/2(Hh)=2。由Di/2(Hh)=2及已知條件可算出：h=25mm標(biāo)記：EHA DN8001216MnR JB/t47462002 根據(jù)GB150—1999 中封頭得計(jì)算厚度按下式計(jì)算δ= =18002170=式中：應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)K=1（采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭） 查JB/ T47062002,=（100%無(wú)損檢測(cè)） 根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》規(guī)定：對(duì)于16MnR鋼板可取厚度負(fù)偏差=0mm；在無(wú)特殊腐蝕情況下，對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于 1 mm取腐蝕裕量=2mm。筒體有效厚度由JB/ T47062002，附錄B，表B2， ，=12mm，Di=800mm查得封頭質(zhì)量M=。由JB/T47002000，表2，法蘭選用鍛件16MnII,。由JB/T47002000，表2，選用纏繞墊片，種類為特制石棉填充帶；查JB/T47052000，表1，有0Cr13,代號(hào)為5；由JB/T47052000，表4，當(dāng)DN=800mm，PN=，查得D=865,d=825； 由JB/T47052000，圖1，見(jiàn)下圖：圖23 管箱纏繞墊片查GB1501998，表92，查得：墊片系數(shù)m=，比壓力y=69MPa；選管箱墊片與管箱側(cè)墊片一致。 A型與B型的兩種螺柱選用原則如下。所以當(dāng)法蘭與螺柱間在工作狀態(tài)下溫差較大時(shí)，應(yīng)選用B型螺柱。這種連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是被連接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙，通孔的加工精度要求低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，使用時(shí)不受被連接件材料的限制，因此應(yīng)用極廣。 螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算，首先是根據(jù)連接的類型，連接的裝配情況，載荷狀態(tài)等情況，確定螺栓的受力；然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑或校核其強(qiáng)度。③ 法蘭應(yīng)力（整體法蘭） a．軸向應(yīng)力 其中: ——法蘭頸部最小端有效厚度——法蘭頸部最大端有效厚度——法蘭頸部高度，參數(shù)——法蘭頸部有效厚度==48mm ； ； 由GB1501998，圖97，得： 由K=，在GB15098查表95，得：表33 U 由GB1501998，圖93，得：整體法蘭系數(shù) 則：由GB1501998，圖94，得：整體法蘭系數(shù) 則，參數(shù) b．徑向應(yīng)力 法蘭有效厚度： c．切向應(yīng)力 ④ 應(yīng)力校核a． 軸向應(yīng)力 其中：——設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料許用應(yīng)力=170Mpa。綜上所述，管箱法蘭設(shè)計(jì)符合要求。C．螺栓設(shè)計(jì)載荷 a．預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷： b．操作狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：2．浮頭法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算參看[7]壓力容器法蘭JB/T47002000,表1，選用長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，密封面型式為凸面。 設(shè)計(jì)厚度 名義厚度圓整后可取檢查：時(shí)，、無(wú)變化且滿足封頭選型時(shí)的假設(shè)，故取封頭的名義厚度合適。C受外壓時(shí)球冠形封頭的計(jì)算厚度確定 取A、B中的較大值，即，取名義厚度②受外壓浮頭法蘭厚度計(jì)算（GB1511999，） 因部分參數(shù)與受內(nèi)壓的參數(shù)相同，這里只就不同參數(shù)加以計(jì)算說(shuō)明： A法蘭力矩a預(yù)緊狀態(tài)下法蘭力矩 b操作狀態(tài)下的法蘭力矩=B法蘭厚度計(jì)算 預(yù)緊狀態(tài) 操作狀態(tài) 預(yù)緊狀態(tài)下法蘭厚度 操作狀態(tài)下法蘭厚度 法蘭厚度取與之大者，且不小于球冠形封頭厚度的兩倍，則===90mm（3）浮頭法蘭及球冠形封頭厚度確定綜合上述兩種情況，根據(jù)GB1511999規(guī)定：球冠形封頭，浮頭法蘭應(yīng)分別在管程壓力Pt作用下和殼程壓力Ps作用下進(jìn)行內(nèi)壓和外壓的設(shè)計(jì)計(jì)算，取其大者為計(jì)算厚度，即球冠形封頭厚度 浮頭法蘭厚度查JB/T47462002附錄1，得DN=800mm,總深度H=104mm，內(nèi)表面積A=，容積V=，封頭質(zhì)量M=標(biāo)記： PSH DN8001016MnR JB/T47462002鉤圈分A、B兩種。根據(jù)GB1511999中B型鉤圈的設(shè)計(jì)計(jì)算式，其中為管板厚度。管板是管殼式換熱器的主要部件。對(duì)管板的設(shè)計(jì)，除了滿足強(qiáng)度要求外，同時(shí)應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。查GB1511999, ，表16，允許偏差為；換熱管與管板采用先焊后脹的形式。即圓整為48mm。校核合格不用再計(jì)算。開(kāi)孔以后，出削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來(lái)隱患，因此壓力容器設(shè)計(jì)必須充分考慮開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。否則需另行補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)《壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1—2—23查的不銹鋼鋼管的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為：殼程、管程的標(biāo)準(zhǔn)尺寸：159 。 = 強(qiáng)度削弱系數(shù) 接管有效厚度。4. 有效補(bǔ)強(qiáng)面積 筒體的有效厚度 筒體多余金屬面積接管計(jì)算厚度接管多余金屬面積A2=2h1δetδtfr+2h2(δetδt)fr（焊腳取10mm） 則有那么開(kāi)孔后不需另行補(bǔ)強(qiáng)了。查表45得拉桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)下表所示。根據(jù)GB1511999，隔板厚度=14mm；分層隔板的材料與管箱材料一樣，采用16MnR，槽寬為12mm。4 滑道設(shè)計(jì)滑道焊雨折流板下部預(yù)設(shè)的槽內(nèi)，與管束成為一個(gè)整體，在拖拉管束時(shí)起導(dǎo)軌作用，以防折流板破壞。折流板圓缺面水平裝配，見(jiàn)下圖。6 防沖板設(shè)計(jì)（GB1511999，）當(dāng)管程采用軸向入口或換熱管內(nèi)平均流速超過(guò)3m/s時(shí)，要設(shè)置防沖板如圖215，以減少流體的不均勻和對(duì)換熱管管端的沖蝕。9 鞍式支座的選用 根據(jù)JB/T471292選用120176。換熱管發(fā)生震動(dòng)，首先的條件就是要有激震源，而殼體流體的流動(dòng)就是誘發(fā)和維持管子震動(dòng)的激振能源。在做設(shè)計(jì)之前，我們查找了許多換熱器方面的書(shū)，我們很清晰地認(rèn)識(shí)了換熱器的結(jié)構(gòu)、制造、安裝以及清洗等方面的知識(shí)，為我們接下來(lái)的設(shè)計(jì)做了很好的鋪墊！ 在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多參數(shù)是沒(méi)有直接給出的，需要我們自己動(dòng)手去搜集資料，計(jì)算公式也要根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，因此必須查閱大量的文獻(xiàn)資料與設(shè)計(jì)手冊(cè)，以獲得時(shí)所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在此向邢靜宜老師表示深深的感謝和崇