【導(dǎo)讀】換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。算、換熱器的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計。設(shè)計的前半部分是工藝計算部分，主要是根據(jù)給定的設(shè)計條件估算換熱面積，降和壁溫的計算。算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補強計算等。最后設(shè)計結(jié)果可通過5張。器進行設(shè)計、制造、試驗和驗收，結(jié)果與實際運行設(shè)備相符。關(guān)于浮頭式換熱器。設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，設(shè)計說明書中都有詳細的說明。

　　

【正文】 ，℃； mt? —— 流體的有效平均溫差，℃； α —— 以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計算的給熱系數(shù)， W/（ m178?！妫?。 熱流體側(cè)的壁溫： t h m d h mh31t = T Κ ( + r ) tα12 0 0 1 8 8 ( 0 . 5 2 1 0 ) 7 6 . 8 44651 6 1 . 4 o C??? ? ? ? ? ?? ； 冷流體側(cè)的壁溫： t c m dc mc31t =t + Κ ( +r ) Δ tα185 18 8 ( 0. 52 10 ) 76 .8 427814 4. 5?? ? ? ? ? ?? ℃ ； th tct t + t 16 1. 4 14 4. 5t = 15 322 ???℃。 圓筒壁溫 st 的計算 由于 換熱器殼體 外部 具 有良好的保溫層，故殼體壁溫取殼程流體的平均溫度：st 200? ℃ 。 到此換熱器的工藝計算告一段落 。其中工藝計算的主要目的是計算出其換熱器的傳熱面積和工藝結(jié)構(gòu)尺寸。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 第 3 章 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算 在確定換熱器的 傳 熱面積 和工藝結(jié)構(gòu)尺寸 后，應(yīng)進行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強度計算，主要包括殼體和封頭的厚度 計算、 材料的選擇、管板厚度的計算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補強計算 ，還有主要構(gòu)件的設(shè)計（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計算如下。 殼體與管箱厚度的確定 根據(jù)給定的流體的進出口溫度，選擇設(shè)計溫度為 350℃；設(shè)計壓力為 。 殼體和管箱材料的選擇 由于所設(shè)計的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇 Q345R 為殼體與管箱的材料。 Q345R 是低碳低合 金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強度、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，同時采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。 焊接方式：選為雙面焊對接接頭， 100%無損探傷，故焊接系數(shù) 1?? 。 根據(jù) GB6654《壓力容器用鋼板》和 GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對 Q345R 鋼板其 12C =0 C =2m m， 。 假設(shè)材料的許用應(yīng)力 ? ?tσ 143? MPa（厚度為 6～ 16mm 時），殼體計算厚度按下式計算為： ? ?cit cΡ D 2. 5 10 00δ = 8. 8m m2 14 3 1 2. 52 σ Ρ? ???? ? ?； 設(shè)計厚度 d2δ = δ + C 8 .8 3 1 1 .8 m m? ? ?； 名義厚度 n d 1δ = δ + C + 8 . 1 0 1 2 mm? ? ? ? ? ?（其中 ? 為向上圓整量）； 查其最小厚度為 12mm，則此時厚度滿足要求，且經(jīng)檢查， ??tσ 沒有變化，故合適。 管箱厚度計算 管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；且由 于前端管箱與后端管箱的形式不同，故此時將前端管箱和后端管箱的厚度計算分開計算。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 （ 1）前端管箱厚度計算 前端管箱為橢圓形管箱，這是因為橢圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。 此時選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故 Κ=1 ，且同上 12C 0, C 2m m??，則封頭計算厚度為： ? ? cit cΚ Ρ D 1 2. 5 10 00δ = = 8. 8m m2 14 3 1 0. 5 2. 52 σ 0. 5 Ρ? ??? ? ? ? ?； 設(shè)計厚度 d2δ = δ + C 8 .8 3 1 1 .8 m m? ? ?； 名義厚度 n d 1δ = δ + C + Δ 1 1 . 8 0 1 2 m m? ? ? ?（ ? 為向上圓整量）； 經(jīng)檢查， ??tσ 沒有變化，故合適查 JB/T4746— 2021《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號參數(shù)如下： 表 31 DN1000標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù) DN(mm) 總深度 H(mm) 內(nèi)表面積 A(m2) 容積 V(m3) 封頭質(zhì)量（ kg） 1000 275 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為 12mm。 （ 2）后端管箱厚度計算 由于是浮頭式換熱器設(shè)計，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。外頭蓋的內(nèi)直徑為 1100mm，這可在“浮頭蓋計算”部分看到。 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故 Κ1? ，且同上 12C 0, C 2m m??，則計算厚度為： ? ?39。 cit cΚ Ρ D 1 2. 5 11 00δ = 9. 7 m m2 14 3 1 0. 5 2. 52 σ 0. 5 Ρ? ????? ? ? ?； 設(shè)計厚度 39。39。d2δ = δ + C 9 .7 3 1 2 .7 m m? ? ?； 名義厚度 39。39。n d 1δ = δ + C + 1 2 . 7 0 1 4 m m? ? ? ? ? ?（ Δ 為向上圓整量）； 查， ??tσ 沒有變化，故合適。查 JB/T4746— 2021《鋼制壓力容器用封頭》可得封頭的型號參數(shù)如下： 表 32 DN1100標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù) DN(mm) 總深度 H(mm) 內(nèi)表面積 A(m2) 容積 V(m3) 封頭質(zhì)量（ kg） 1100 300 短節(jié)部分的厚度同封頭處厚度，為 14mm。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 開孔補強計算 本次畢業(yè)設(shè)計的浮頭式換熱器，殼程流體的進出管口安 排在 殼體上，管程流體 的進出管口安排在 前端管箱 上 ，而 排氣口和排液口安排在 后端管箱上，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔 不但削弱了換熱器壁的強度，而且在殼體和接管的連接處 ， 因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給換熱器的安全操作帶來隱患。 因此 ， 需要對 結(jié)構(gòu) 開孔部位進行補強設(shè)計，以保證換熱器的正常運行 。 殼體開孔補強 設(shè)計 殼程出入口公稱直徑均為 350mm，按照 無縫鋼管 厚度系列，可選接管的規(guī)格為 37714? ? mm， 外伸高度為 200mm， 接管為 20 號 碳鋼管 。 （ 1） 補強及補強方法判別： 補強判別：根據(jù) GB150 表 81，允許不另行補強的最大接管外徑是 89mm? ，本開孔 接管 外徑 是 ? 377mm，因此需要另行考慮其補強。 開孔直徑 ： id= d + 2C 34 9 2 3 35 5m m 50 0 m m2 iD? ? ? ? ? ?； 滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。 （ 2） 開孔所需補強面積計算： 強度削弱系數(shù) ： ? ?? ?tnr tσ 98f = 0 .6 8 5 m m143σ ??； 接管有效厚度 ： e t n tδ = δ C 1 4 3 1 1 m m? ? ?； 開孔所需補強面積： e t r2A = d δ +2 δ δ ( 1 f )3 5 5 8 .8 2 8 .8 1 1 (1 0 .6 8 5 )3 1 8 5 m m? ? ? ? ? ? ?? ； （ 3） 有效補強范圍 ： 有效寬度 B： n n t2 d 2 3 5 5 7 1 0m mB = m a x = 7 1 0m md + 2 δ +2 δ 3 5 5 2 1 2 2 1 4 4 0 7 m m? ? ?????? ? ? ? ? ???； 有效高度： 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 （ a）外側(cè)有效高度 1h 為： nt1 d δ 3 5 5 1 4 7 0 .5 m mh = m in 7 0 .5 m m2 0 0 m m??? ? ??? ??????實 際 外 伸 長 度； （ b）內(nèi)側(cè)有效高度 2h 為： nt2 d δ 3 5 5 1 4 7 0 . 5 m mh = m in 0 m m0 m m??? ? ??? ??????實 際 內(nèi) 伸 長 度； （ 4） 有效補強面積 ： 殼體有效厚度： enδ = δ C 1 2 3 9m m? ? ?； 殼體 多余的金屬面積： 1 e e t e rA = ( B d ) ( δ δ ) 2 δ ( δ δ ) ( 1 f )( 7 1 0 3 5 5 ) ( 9 8 .8 ) 2 1 1 ( 9 8 .8 ) ( 1 0 .6 8 5 )7 0 m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ； 接管計算厚度： ? ? cit t Ρ d 2 .5 3 4 9δ = 4 .5 m m2 9 8 1 2 .52 σ Ρ? ???? ? ?； 接管多余金屬面積： 2 2h 1 e t t r 2 e t 2 r2A = A = 2 h ( δ δ ) f + 2 h ( δ C ) f2 7 0 .5 (1 1 4 .5 ) 0 .6 8 5 06 2 8 m m? ? ? ? ? ?? ； 接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為 6mm）： 3 1A 2 6 6 36 m m2? ? ? ? ?； 有效補強面積： e 1 2 3A = A + A + A 7 0 6 2 8 3 6 7 3 4 m m? ? ? ?； （ 5） 另 需補強面積 ： 24 1 2 3A = A ( A + A + A ) 3 1 8 5 7 3 4 2 4 5 1 m m? ? ?； 采用補強圈補強 ， 根據(jù)接管公稱直徑 DN350，參照 JB/T47362021 補強圈標(biāo)準(zhǔn) ， 選取 D 型坡口 的 補強圈 ，其 外徑 2D 620mm? ，內(nèi)徑 1D 385mm? 。因為2B=710 D? ，則補強圈在有效補強范圍內(nèi)。 補強圈的厚度 ： 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 39。 421A 2451δ = 1 0 .4 m mD D 6 2 0 3 8 5??? ； 圓整 到標(biāo)準(zhǔn)系列 ， 39。nδ 12mm? 。 前端管箱開孔補強設(shè)計 管 程出入口公稱直徑均為 250mm，按照無縫鋼管厚度系列，可選接管的規(guī)格為 273 11? ? mm，外伸高度為 200mm，接管為 20 號碳鋼管。 （ 1） 補強及補強方法判別： 補強判別：根據(jù) GB150 表 81，允許不另行補強的最大接管外徑是 89mm? ，本開孔 接管 外徑 是 ? 273mm，因此需要另行考慮其補強。 開孔直徑 ： id= d + 2C 25 1 2 3 25 7 m m 50 0 m m2 iD? ? ? ? ? ?； 滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。 （ 2） 開孔所需補強面積計算： 強度削弱系數(shù) ： ? ?? ?tnr tσ 98f = 0 .6 8 5 m m143σ ??； 接管有效厚度： e t n tδ = δ C 1 1 3 8 m m? ? ?； 開孔所需補強面積： e t r2A =d δ +2 δ δ ( 1 f )257 2 8 (1 )230 6 m m? ? ? ? ? ? ?? ； （ 3） 有效補強范圍 ： 有效寬度 B： n n t2 d 2 2 5 7 5 1 4m mB = m a x = 5 1 4m md + 2 δ +2 δ 2 5 7 2 1 2 2 1 1 3 0 3 m m? ? ?????? ? ? ? ? ???； 有效高度： （ a）外側(cè)有效高度 1h 為： nt1 d δ 2 5 7 1 1 5 3 m mh = m in 5 3 m m2 0 0 m m??? ? ??? ??????實 際 外 伸 長 度； （ b）內(nèi)側(cè)有效高度 2h 為： 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 nt2 d δ 2 5 7 1 1 5 3 m mh = m in 0 m m0 m m??? ? ??? ??????實 際 內(nèi) 伸 長 度； （ 4） 有效補強面積 ： 殼體有效厚度： enδ = δ C 1 2 3 9m m? ? ?； 殼體多余的金屬面積： 1 e e t e rA = ( B d ) ( δ δ ) 2 δ ( δ δ ) ( 1 f )( 5 1 4 2 5 7 ) ( 9 8 . 8 ) 2 8 ( 9 8 . 8 ) ( 1 0 . 6 8 5 )5 0 m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ； 接管計算厚度： ? ? cit t Ρ d 2 .5 2 5 1δ = 3 .2 m m2 9 8 1 2 .52 σ Ρ? ???? ? ?； 接管多余金屬面積 ： 2 2h 1 e t t r 2 e t 2 r2A = A = 2 h ( δ δ ) f + 2 h ( δ C ) f2 5 3 ( 8 3 .2 ) 0 .6 8 5 03 4 9 m m? ? ? ? ? ?