【導讀】換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。算、換熱器的結構和強度設計。設計的前半部分是工藝計算部分，主要是根據(jù)給定的設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。最后設計結果可通過5張。器進行設計、制造、試驗和驗收，結果與實際運行設備相符。關于浮頭式換熱器。設計的各個環(huán)節(jié)，設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計算的給熱系數(shù)， W/（ m178?！妫? 熱流體側的壁溫： 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構尺寸。 本科生畢業(yè)設計（論文） 17 第 3 章 換熱器結構設計與強度計算 在確定換熱器的 傳 熱面積 和工藝結構尺寸 后，應進行換熱器主體結構以及零部件的設計和強度計算，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 ，還有主要構件的設計（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，選擇設計溫度為 350℃；設計壓力為 。 殼體和管箱材料的選擇 由于所設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， 。 假設材料的許用應力 ? ?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。 此時選用標準橢圓形封頭，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標準橢圓形封頭參數(shù) DN(mm) 總深度 H(mm) 內表面積 A(m2) 容積 V(m3) 封頭質量（ 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計，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。外頭蓋的內直徑為 1100mm，這可在“浮頭蓋計算”部分看到。 選用標準橢圓形封頭，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標準橢圓形封頭參數(shù) DN(mm) 總深度 H(mm) 內表面積 A(m2) 容積 V(m3) 封頭質量（ 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)設計（論文） 19 開孔補強計算 本次畢業(yè)設計的浮頭式換熱器，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 ， 因結構的連接性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，給換熱器的安全操作帶來隱患。 因此 ， 需要對 結構 開孔部位進行補強設計，以保證換熱器的正常運行 。 殼體開孔補強 設計 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)設計（論文） 20 （ a）外側有效高度 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）內側有效高度 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 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 補強圈標準 ， 選取 D 型坡口 的 補強圈 ，其 外徑 2D 620mm? ，內徑 1D 385mm? 。因為2B=710 D? ，則補強圈在有效補強范圍內。 補強圈的厚度 ： 本科生畢業(yè)設計（論文） 21 39。 421A 2451δ = 1 0 .4 m mD D 6 2 0 3 8 5??? ； 圓整 到標準系列 ， 39。nδ 12mm? 。 前端管箱開孔補強設計 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）內側有效高度 2h 為： 本科生畢業(yè)設計（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 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? ? ? ? ? ?