【正文】 化工容器設(shè)計(jì) [M]化學(xué)工業(yè)出版社； 2021 [4]賀匡國主編，化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版） [M]化學(xué)工業(yè)出版社； 2021 [5]王非，林英編。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。 41 致 謝 歷時(shí) 幾個(gè) 月的時(shí)間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程 中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過了。工藝計(jì)算主要是根據(jù)原始設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算換熱量、換熱管根數(shù)以及選擇換熱器的基本參數(shù)等；結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包括筒 體的結(jié)構(gòu)計(jì)算、封頭的選擇計(jì)算、管箱的結(jié)構(gòu)計(jì)算、接管計(jì)算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算和支座的選擇計(jì)算以及它們的強(qiáng)度校核計(jì)算等；零件設(shè)計(jì)主要是法蘭、墊片、螺栓、膨脹節(jié)、拉桿和折流板等標(biāo)準(zhǔn)件的選擇計(jì)算?；叵脒@半年來，由于該課題與我所學(xué)課程偏離較多，從開始領(lǐng)到課題時(shí)的迷茫，不知所措。 (2) 管壁溫差應(yīng)力與管壁內(nèi)壓軸向應(yīng)力的總和是否超過管體材料允許的極限 。 法蘭結(jié)構(gòu)尺寸選擇 法蘭的結(jié)構(gòu)類型按其固定在容器上的方法可分為松式法蘭、整體法蘭和任意式法蘭等三種形式。 要保證法蘭的連接緊密性，必須合適的選擇壓緊面的形狀。對(duì) 于圓柱形截面其彎曲截面系數(shù)： 333 mdW Z ???? ? 前面已經(jīng)通過 查（ GB1501998）鋼板需用壓力表得 16MnR 在 150℃ 時(shí)的??? =170Mpa， 而 筒體部分所承受的最大正應(yīng)力： ? ??? ???? MP aWM ZL a x 所以，滿足要求。本設(shè)計(jì)中換熱器又兩個(gè)封頭，則封頭的總質(zhì)量 kgm ??? 。由本章 管箱尺寸選圓筒長度為 1000mm，那么管箱圓筒的質(zhì)量 29 kgm 20210213 ??? 。則換熱 管質(zhì)量kgm )(1 ??????? 。對(duì)于半球形封頭，根據(jù)幾何關(guān)系可算出重心的位置 He 83? ，（ e 為封頭重心到封頭切 線的距離）。 （ 1）均布載荷 q 和支座反力 F 容器本身的重量和容器內(nèi)物料的重量可假設(shè)為沿容器長度的均布載荷。具體的結(jié)構(gòu)形式見下圖： F 型 S 型 圖 支座結(jié)構(gòu)尺寸圖 26 具體的結(jié)構(gòu)尺寸查 JB/T4712 表 如所示： 表 支座結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)表 支座 受力理論分析 置于對(duì)稱分布的鞍座上臥式容器所受的外力包括載荷和支座反力。 25 前面已計(jì)算出殼體公稱內(nèi)直徑 mmDi 800? ，查 JB/T 4712《鞍式支座》選取重型（ BⅠ ） , 結(jié)構(gòu)特征是 ?120 包角、焊制、雙筋、帶墊板。 )( 32104 AAAAA ???? ) 7 ( 2 3 4 ???? mm? 所以補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為 mmdB At ????? 圓整后取 mmt 8? 支座 支座類型選擇 根據(jù)第二章工藝計(jì)算部分可知該 U 形管換熱器為臥式容器，常用的臥式容器支 座形式主要有鞍式支座、圈座和支腿三種。 ① 1A —— 承受內(nèi)壓時(shí)容器殼體設(shè)計(jì)計(jì)算厚度之外多余金屬截面積。 )( 32104 AAAAA ???? （ 38） )( ???? mm? 所以補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為 mmdB At ????? 圓整后取 mmt 6? 接管 mmmmmm 2106159 ??? 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)， 基本結(jié)構(gòu)為外補(bǔ)強(qiáng) 平齊。 ① 1A —— 承受內(nèi)壓時(shí)容器殼體設(shè)計(jì)計(jì)算厚度之外多余金屬截面積。等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則提出最早且 是世界各國延用已久的一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。所以使用條件一般為：靜載、常溫、中低壓、材料的強(qiáng)度極限低于 540Mpa、補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度小于 、殼體壁厚T 不大于 38mm。 表 接管及其連接法蘭的伸出長度 mm 開孔補(bǔ)強(qiáng) GB150 規(guī)定殼體滿足以下全部要求時(shí)可不另行不強(qiáng)： （ 1） 設(shè)計(jì)壓力小于或等于 ； （ 2） 兩相鄰開孔中心距的間距應(yīng)不小于兩空直徑之和的兩倍； 20 （ 3） 接管公稱外徑小于或等于 89mm。其中排氣和排液 接 管 為 便 于 排 氣 、 排 液 與 殼 體 的 連 接 形 式 宜 選 用 平 齊 式 ， 管 長mmtlL n 210102021 ????? 。 本設(shè)計(jì)圓筒內(nèi)直徑為 800mm，按照上述規(guī)定（ 1）圓筒最大開孔直徑mmDd i 4008002121 ???? 520mm，再結(jié)合《國標(biāo)無縫鋼管規(guī)格表》選?。? 殼體：物料進(jìn)、出口接管： mmmm 10377 ?? ； 排氣、排液口接管： mmmm 6159 ?? 。 取 cp 為設(shè)計(jì)壓力，設(shè) nt 在 6~16mm 之間，查（ GB1501998）鋼板需用壓力表得 16MnR 在 300℃ 時(shí)的 ??? t=144Mpa， C =。管程的常用結(jié)構(gòu)有封頭整體式、平板式和管板整體式等， U形管換熱器管內(nèi)走的流體較清潔，考慮到耐壓、密封性和設(shè)備成本等因素，管箱選用封頭整體式結(jié)構(gòu)。 其結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 封頭結(jié)構(gòu)尺寸圖 最小壁厚 校核 GB151 規(guī)定 橢圓形封頭允許的最小壁厚應(yīng)不小于 %倍的公稱直徑，即mmtmmt e % 0 0m in ????? ，符合要求。 封頭厚度計(jì)算 封頭厚度按下式計(jì)算： ? ? CpDKpt ct i ???? ? （ 34） 其中 K 為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 K=1），其他參數(shù)與式（ 31）相同，則代入數(shù)據(jù)計(jì)算得： mmt n ?????? ??? 封頭 為能更好的和筒體焊接在一起，選擇與筒體一樣的厚度 nt =10mm。 15 封頭 的 選擇 計(jì)算 封頭類型選擇 封頭的類型有很多。 表 圓筒最小壁厚 公稱直徑 mm 400~≤700 700~≤1000 1000~≤1500 1500~≤2021 2021~≤2600 浮頭式， U 形管式 mm 8 10 12 14 16 固定式管板 mm 6 8 10 12 24 14 最小壁厚校核 我國容器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最小容器壁厚 mint （已包括 1C ，但不包括 2C ）有如下規(guī)定： （ 1）對(duì)碳素鋼和低合金鋼容器不小于 3mm。 計(jì)算 圓筒 壁厚 nt 根據(jù)工藝條件以及一般化工設(shè)備的選材和經(jīng)濟(jì)性的考慮，確定殼體材料選擇碳素鋼 16MnR。再結(jié)合換熱管無支撐跨距，折流板的最小厚度查GB151 表 34 取 s =12mm。 由前面確定的換熱管的外徑和材料，查 GB151 表 42 得，換熱管最大無支撐跨距為 1850mm， 已知管程長為 6000mm， 則需折流板 最少個(gè)數(shù)為 6000247。此時(shí)，該換熱器的長徑比 β ??? ，符合要求。殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或大于管板的直徑，所以可通過確定管板的直徑來確定殼體內(nèi)徑。 本設(shè)計(jì)為 U 形管式換熱器，殼程 介質(zhì)易結(jié)垢 需要清洗，故 采用正方形排列方式。一般來說，正三角形排列在一 定 的管板面積上可配置較多的管子，而且管外 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，但正三角形排列時(shí)管外機(jī)械清洗較為困難，而且管外流體的流動(dòng)阻力也較大。 8 2 工藝計(jì)算 原始設(shè)計(jì)參數(shù) (1)操作條件 管程：最高工作壓力 ，設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)溫度 200℃ 殼程：最高工作壓力 ，設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)溫度 150℃ (2)操作介質(zhì) 管程：煤油 殼程：普通河水 (3)保溫材料 巖棉 (4)保溫厚度 100 mm 計(jì)算換熱量 Q 計(jì)算有效平均溫度 mt? 由平均溫度計(jì)算公式 ： 2 21 tttm ??? 代入 數(shù)據(jù)得 1752 1502021 21 ?????? ttt m ℃ （ 21） 計(jì)算換熱量 Q 已知換熱面積 S =161m2，根據(jù) GB151 表，查得傳熱系數(shù) K = 400w/m2.℃ ，則由換熱量計(jì)算公式 ： mtKSQ ???? 9 代入數(shù)據(jù)得 ???????? 1 7 54 0 01 6 1mtKSQ 107 W （ 22） 其中： ? tm：平均溫度 K：傳熱系數(shù) t1：管程設(shè)計(jì)溫度 Q：換熱量 t2：殼程設(shè)計(jì)溫度 S：換熱面積 計(jì)算換熱管根數(shù) N 初選換熱管材料為不銹鋼，規(guī)格為 Φ25mm6000mm，由換熱面積可求得換熱管根數(shù)： dlSN ?? 代入數(shù)據(jù)得 161 00 000 0 ????N 根 （ 23） 選取 350 根。今后的儀器設(shè)計(jì)歸納成一個(gè)簡單的公式：儀器 =AD/DA+CPU+軟件， AD 芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過軟件處理變換后用 DA 輸出。 并且，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 近年來，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā)方面與國外差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。上個(gè)世紀(jì) 70 年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。 (6)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，使給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減少熱應(yīng)力 。 (2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕 。 (5)可用于管程易腐蝕場合。 (2)殼體與管壁不受溫差限制 。另一方面，隨著精細(xì)化工的迅速崛起，換熱設(shè)備也有向小而精方向發(fā)展的趨勢，管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器能滿足這樣的要求。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，加工、制造、檢修、清洗比較方便，但填料密封處易產(chǎn)生泄漏。其主要缺點(diǎn)是 U 形管具有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差，管內(nèi)不易清洗， U形管更換困難。它適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆聯(lián)接，管束可從殼體內(nèi)抽出。這種換熱器適用于殼程側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢的場合 。固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)是管束連接在管板上，管板與殼體焊接。 3 (3)預(yù)熱器 預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 換熱器的分類 換熱器作為傳熱設(shè)備被廣泛用于耗能用量大的領(lǐng)域。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。 1 目 錄 1 概述 ................................................................................................................................. 1 換熱器的作用和意義 ..................................................................................................... 1 換熱器的分類 ................................................................................................................ 1 U 形管式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn) ............................................................................................... 4