【正文】 要想設(shè)計(jì)一臺(tái)既 滿足要求又經(jīng)濟(jì)合理的換熱器，不僅僅是必須嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和制造條件進(jìn)行簡單的常規(guī)設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須要綜合考慮生產(chǎn)條件、安全要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的合理等因素，這樣才能選擇一個(gè)最佳設(shè)計(jì)。 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 8 設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性廣、易于制造、處理能力大、生產(chǎn)成本較低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便；設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量少；機(jī)械加工和制造安裝合理方便；檢修容易；設(shè)備的使用壽命長；有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；操作費(fèi)用低。 第二章 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 9 第二章 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確 定 設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)壓力是容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于正常工作情況下容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。除此之外，還需要考慮液柱靜壓、重量、風(fēng)載荷、地震、溫差及附件重量等載荷。 根據(jù)設(shè) 計(jì)任務(wù)書可知，該設(shè)計(jì) 是浮頭式換熱器，用于 軟化水 和 汽油 之間的換熱，其中管程和殼程的設(shè)計(jì)壓力 分別 為 和 MPa。 設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)溫度指容器在正常工作情況下，設(shè)定元件可能達(dá)到的最高或最低溫度 ，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。 當(dāng)元件金屬溫度不低于 0oC 時(shí)，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；當(dāng)元件金屬溫度低于 0oC 時(shí)，其值不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，管程的設(shè)計(jì)溫度為 50oC ，殼程的設(shè)計(jì)溫度為 150oC 。 焊 接接頭 系數(shù) 通過焊接制成的容器，其焊縫中由于可能存在夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使用材強(qiáng)度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強(qiáng)度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補(bǔ)焊縫對(duì)容器整體強(qiáng)度的 削弱，在強(qiáng)度計(jì)算中需引入焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù) ? 應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭形式及無損檢測(cè)長度比例來確定，其取值可按如下 表 21 選 規(guī)定選?。? 表 21 鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù) Ф 值 焊接接頭形式 無損檢測(cè)比例 Ф 值 焊接接頭形式 無損檢測(cè)比例 Ф 值 雙面焊對(duì)接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對(duì)接接頭 100% 單面焊 對(duì)接接頭 100% 局部 局部 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 10 本設(shè)計(jì)換熱器的焊接接頭形式為相當(dāng)于雙面焊的全熔透對(duì)接接頭，局部無損檢測(cè)，故 Ф 值為 。 厚度附加量 C 容器厚度附加量主要考慮介質(zhì)的腐蝕裕量 C2 和鋼板的厚度負(fù)偏差 C1。即： C=C1+C2。 （ 1）腐蝕裕度 腐蝕裕度主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。對(duì)于碳素鋼和低合金鋼， C2 不小于 1mm，由設(shè)計(jì)任務(wù)取腐蝕裕量 C2=3mm。 （ 2）鋼板厚度負(fù)偏差 由于 GB6654《壓力容器用鋼板》和 GB3531《低溫 壓力容器用低合金鋼鋼板》規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 ，因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過 5mm時(shí)（如 20R、 16MnR 和 16MnDR 等），可取 C1=0。由于本設(shè)計(jì)材料為 16MnR 且厚度大于5mm。故鋼板厚度負(fù)偏差取 C1=0。 綜上厚度附加量 C= C1+ C2=0+3=3mm。 第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 11 第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 壓力容器材料費(fèi)用占總成本的比例很大，一般超過 30%材料性能對(duì)壓力容器運(yùn)行的安全性有顯著的影響。選材不當(dāng)，不僅會(huì)增加總成本，而且有可能造成壓力容器破壞 的事故。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的， 但 對(duì)于材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 換熱器的主要構(gòu)件 有 殼 體、管箱、封頭、法蘭、換熱管 、管板 、接管、支持板、拉桿、定距管、鞍座等。 材料選用的一般原則 材料的使用性能原則 材料的使用性能是指材料在化工設(shè)備及其構(gòu)件（零件）工作過程中所應(yīng)具備的性能，包括材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能是不同的，有的要求高強(qiáng)度，有的要求耐腐蝕，有的要求耐高溫或耐低溫，有的要求高硬度耐磨損，有的要求高彈性等。即使同一構(gòu)件，不同的零件要求的性能也不同，有時(shí)同一個(gè)部件的不同部位所要求的性能也不同。因此在選材時(shí)，首先必須準(zhǔn)確地判斷構(gòu)件所要求的使用性能，然后再確定所 選材料的主要性能指標(biāo)以及具體數(shù)值并進(jìn)行選材。有如下具體方法： （ 1）分析構(gòu)件的工作條件，確定構(gòu)件應(yīng)具有的使用性能。 （ 2）通過失效分析，確定構(gòu)件的主要使用性能。 （ 3）從構(gòu)件使用性能要求提出對(duì)材料使用性能的要求。 材料的加工工藝性能原則 材料的加工工藝性能是指保證構(gòu)件質(zhì)量的前提下，對(duì)材料加工的難易程度。選材時(shí)也必須考慮材料的加工工藝性能的好壞，好的加工工藝性能不僅要求工藝簡單，容易加工，能源消耗少，材料利用率高、加工質(zhì)量好、（變形小、尺寸精度高、表面光潔、組織均勻致密等） ，而且包括加工后的構(gòu)件在使用時(shí)有好的使用性能。 材料的經(jīng)濟(jì)性原則 在滿足構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前提下，經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的主要因素。選材的經(jīng)濟(jì)性不只是選用材料的價(jià)格，還要考慮構(gòu)件生產(chǎn)的總成本，把材料費(fèi)用同構(gòu)件加工制造、安裝、操作、檢驗(yàn)、維修、更換以及裝備壽命結(jié)合起來綜合考慮，進(jìn)行茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 12 總費(fèi)用的成本核算，提高性能價(jià)比。 另外，選材時(shí)還應(yīng)同時(shí)考慮材料來源容易和符合國家的資源政策，這也是很重要的。 殼 體、管箱、封頭 殼 體、管箱、封頭 的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。常見的材料有碳鋼、低合金鋼。 碳鋼有一定的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和加工工藝性，特別是焊接性能良好，但強(qiáng)度較低，不如低合金鋼。 低合金鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量的一種或多種合金元素，以提高鋼的屈服強(qiáng)度和改善綜合性能。用低合金高強(qiáng)度鋼代替普通碳素鋼，能減輕設(shè)備自重，節(jié)省鋼材，且用低合金鋼比用不銹鋼經(jīng)濟(jì)。 其中低合金鋼中的 16MnR，具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，磷、硫含量略低于 16Mn 鋼，除抗拉強(qiáng)度和延伸率要求比普通 16Mn 鋼有所提高外，還保證有強(qiáng)的沖擊韌性，再加上切削加工冷沖壓性能良好，加工溫度較寬，使 其成為我國目前用途最廣，用量最大的壓力容器專用鋼板。 故 殼 體、封頭和管箱的材料選 16MnR。 法蘭 法蘭材料的選取通常與換熱器 殼 體材料一致。通常所用的鋼材有 Q23 Q235F、16MnII 、 15MnV、 20 等。 因法蘭是主要的受力元件之一，故需有較高的強(qiáng)度，故選擇低合金鋼 16MnII 鍛件 ，它有如下特點(diǎn)：高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，高韌度，良好的焊接性能和冷、熱加工性能，一定的抗腐蝕能力。 換熱管 換熱管屬于壓力管道，壓力管道對(duì)材料性能有以下要求： ① 足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。 ② 良好的冷熱加工成形性能。 ③ 與環(huán)境條件協(xié)調(diào)，有適應(yīng)的耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性等。 一般對(duì)于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用 10 號(hào)鋼或 20 號(hào)鋼無縫鋼管；對(duì)于有腐蝕性的流體可采用不銹鋼、鋼、鋁等無縫鋼管 。 其中， 10 號(hào)鋼的強(qiáng)度和硬度較低，有良好的塑性和韌性，易模壓或擠壓成形，而20 號(hào)鋼的強(qiáng)度較 10 號(hào)鋼高，其塑性、韌性和焊接等工藝性能都很好，在 化工設(shè)備和壓第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 13 力容器中應(yīng)用很廣泛。 由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知，管層走 軟化 水，屬于無腐蝕性介質(zhì)，可從 10 號(hào)和 20 號(hào)鋼中選取， 而 設(shè)計(jì)壓力是 ，考慮到 20 號(hào)鋼的強(qiáng)度和硬度都比 10 號(hào)鋼高，故換熱管選取 20 號(hào)鋼管。 管板 管板鍛件的常用材料是 25 號(hào)鋼、 16MnII 等。 由于管板和殼程物料接觸，同樣要考慮到物料本身介質(zhì)的腐蝕性，作為低合金鋼，16MnII 鍛件可耐一定的腐蝕，而且其具有良好的綜合機(jī)械性能、焊接性 能、工藝性能，故選用 16MnII 鍛件。 接管 20 號(hào)鋼的焊接性能好，強(qiáng)度高，選用 20 號(hào)鋼就可滿足要求。 支持板 支持板要求有足夠的力學(xué)性能和良好的焊接性能，又因殼程介質(zhì)腐蝕性不大，故選取 Q235A 滿足要求。 拉桿、定距管 拉桿要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，選擇 Q235A 可滿足要求。定距管要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，選擇 20 號(hào)鋼滿足要求。 鞍座 鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性能。故 選取低合金鋼 16MnR 或碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235B 都能滿足要求。 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 14 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 換熱器結(jié)構(gòu)型式的選擇 換熱器有多種多樣的形式，每種結(jié)構(gòu)形式都有其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性，有些結(jié)構(gòu)形式，在某種情況下使用是好的，但是，在另外的情況下，卻不太合適，或根本不能使用。在選型時(shí)只有仔細(xì)分析所有的要求和條件，并根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體情況，才能確定最佳的換熱器型式。 在換熱器選型時(shí)，考慮的因素是很多的，如材料、壓力、溫度差、壓力降、結(jié)垢的情況、流體的狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等。 由于本 設(shè)計(jì) 管層走 汽油 ，殼程走 軟化水 ， 溫差很大，而且 難免產(chǎn)生污垢，這就要求管程和殼程可以抽出來清洗，故選取浮頭式換熱器，而且其管束和殼體可以自由膨脹，適用于管、殼壁溫差較大的場(chǎng)合。 前端管箱、殼體和后端管箱結(jié)構(gòu)型式的確定 前端管箱 管箱結(jié)構(gòu)有 A 型和 B 型，結(jié)構(gòu)形式如圖 所示： （ 1） A 型（平蓋管箱）這種管箱如圖 前端管箱形式中 A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時(shí)只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路，缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大時(shí)得用鍛件，耗費(fèi)大量機(jī)加工工時(shí)，提高制 造成本，增加一道密封的泄漏可能。一般多用于 DN900mm 的浮頭式換熱器中。 （ 2） B 型封頭管箱型。見圖 中 B 的形式，用于單程或多程管箱，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，適于高壓，清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價(jià)高的盲板、法蘭和幾十對(duì)螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好得多，缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管程時(shí)必須拆下連接管道和管箱。但這種形式用的最多。 本設(shè)計(jì)在考慮了操作的方便，且考慮 B 型管箱的優(yōu)點(diǎn)后，選取 B 型封頭管箱型為前端管箱。 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 15 圖 管箱形式 殼體 一般換熱器 上使用單程殼體 ，因此可以選取單程殼體，代號(hào)為 E 。 后端管箱 由于所設(shè)計(jì) 是浮頭式換熱器 ，一般都會(huì)采用帶鉤圈的浮頭結(jié)構(gòu)，所以此處選用代號(hào)為 S 的鉤圈式浮頭管箱。 管束分程和分程隔板的布置 管束分程 在設(shè)計(jì)中，如采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板。分程時(shí)，應(yīng)使各程管子數(shù)目大致相等，隔板形式要簡單，密封長度要短。為使制造、維修和操作方便，一般采用偶數(shù)管程。但程數(shù)不宜太多，否則隔板本身將占去相當(dāng)大的布管用的面積，而且在殼程中形成許多旁 路，影響傳熱。隨著程數(shù)的增加，換熱器的傳熱效率下降且與錯(cuò)流傳熱接近。 其中管束分程方法常采用平行和 T 形方式。 分程隔板的布置 在換熱器中，不論是管外還是管內(nèi)的流體，要提高它們的傳熱系數(shù)，通常是采用設(shè)置隔板的方法來增加程數(shù)以提高流體流速實(shí)現(xiàn)其目的。 在設(shè)計(jì)時(shí)要求管箱隔板的密封面與管箱法蘭密封面，管板密封面與分程槽面必須處于同一基面，如圖 茂名學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 16 圖 管程隔板形式 本設(shè)計(jì)管程隔板形式采用 上圖 中最常用的結(jié)構(gòu)形式 （ a） 。 換熱管 換熱管的長度 根據(jù)《鋼制管殼 式換熱器》 ??2 GB1511999 規(guī)定， 換熱管的長度推薦采用： 、 、 、 、 、 、 、 、 。本設(shè)計(jì)中 選 取換熱管長度為 。 規(guī)格及尺寸偏差 本設(shè)計(jì)換熱管采用 20 號(hào)碳鋼，根據(jù)《鋼制管殼式換熱器》 ??2 GB1511999 規(guī)定，可選取其 規(guī)格為