毕业设计（论文）-空压机二段空冷器设计.doc

i 摘 要 空压机二段空冷器设计属于常规压力容器设计。空冷器由筒体、封头、管箱、 折流板、传热管、拉杆、法兰等结构组成。 本论文主要包括了换热器以及空冷器的概述，工艺计算，结构计算以及零件 设计四部分。概述部分主要包括了换热器的概念及分类，空冷器的概念及优点以 及空压机二段空冷器的作用；工艺计算部分主要包括了传热量的计算以及换热管、 折流板等基本机构的参数的选择和换热管的排列方式的选择；结构计算部分主要 包括了筒体和封头壁厚计算，水压试验校核以及开孔补强计算；零件设计部分中 主要包括了是否设置膨胀节，法兰、垫片的选取，拉杆、弓形折流板的参数确定 以及鞍式支座的选择和校核。 设计计算说明书所得数据是为了绘制图纸提供尺寸依据，随着计算机技术的 不断发展，计算机绘图已经取代手工绘图，所以在下一步的计算机绘图中可选用 说明书中的相关数据。 关键词：空冷器，结构计算，鞍座，校核 ii abstract air cooler design belongs to the conventional design of heat exchanger. heat exchanger consists of cylinder, head, control boxes, baffles, heat transfer tube, rod, flanges and so on. the paper includes four parts, they are the overview of the heat exchanger, process calculations, structure calculations, and parts design. the overview includes the major concepts and classification of heat exchangers, the concept and benefits of air cooler, and the function of the second stage air cooler of the air compressor; process calculation includes the calculation of heat transfer, and the parameter selection of tubes, baffles and other basic structures; structure calculation includes the thickness calculation of cylinder and head, pressure test and opening reinforcement calculation; parts design includes the choice and verification of the expansion joint, flanges, levers, baffles and saddle supports. the data of design calculations is available in drawing. with the continuous development of computer technology, computer graphics has replaced hand drawing, so the data in this paper can be used in computer graphics. key words: air cooler, structure calculation, saddle support，checking iii 目 录 1 概述 1 1.1 换热器概述1 1.2 空冷器概述 .4 1.3 空压机二段空冷器 .7 2 工艺计算 9 2.1 原始数据9 2.2 工艺设计计算 .9 2.2.1 有效平均温差9 2.2.2 计算换热量 .9 2.2.3 该换热器的基本机构参数选择 10 3 结构计算 .11 3.1 筒体壁厚计算.11 3.2 封头壁厚计算.12 3.3 开孔补强计算 14 iv 4 零件设计 .22 4.1 膨胀节.22 4.2 垫片的选取 24 4.3 法兰的选择 24 4.4 折流板 26 4.5 拉杆 28 4.6 鞍座设计 29 4.6.1 鞍座结构.29 4.6.2 鞍座选择.30 4.6.3 确定鞍座位置.30 4.6.4 载荷和强度校核.31 结 论 34 谢 辞 35 参考文献 36 1 1 概述 1.1 换热器概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽 器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力 和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度， 同时也是提高能源利用率的主要设备之一1。 换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一 工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且 传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形 成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较 好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换 热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首次 制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅 式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热 器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型 材料制成的换热器开始注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧 凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进 2 一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热 器也得到了进一步的发展。70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基 础上又创制出热管式换热器。 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类2。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器， 又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、 液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷 淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷 空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密 度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从 而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用 于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于 空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换 热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式 换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热 器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅 3 式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要 求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的 温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面 两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流 体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。 在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面 积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者 可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放 出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这 时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有 错流和折流等流向。 在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的 问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换 热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加 流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协 调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低 4 压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、 低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下； 非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器， 如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等4。 1.2 空冷器概述 空冷器是独立的一套设备，占地面积小，可以按用户要求放置室内或室外， 与设备连接可以用软管也可以用钢管。水压可通过调节阀调整，由分水包上压力 表显示，使用前将进高频设备的所有截门关闭，通过自身循环后，由分水包下排 污阀将水排尽，确保设备使用中无杂物，从而不会造成堵塞。 空气冷却器是以环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外，使管内高温工艺流 体得到冷却或冷凝的设备，简称“空冷器”，也称“空气冷却式换热器”。空冷 器也叫做翅片风机，常用它代替水冷式壳管式换热器冷却介质。当前使用的空 冷器系统主要有 3 种，即直接空冷（直冷） 、表面式凝汽器间接空冷（间冷）和 复合式凝汽器间冷系统5。 我国从 1963 年开始空气冷却器的开发和研究工作，经过哈尔滨空调机厂、 兰州石油机械研究所、北京石油设计院的共同努力，仅用了一年的时间，就攻克 了缠绕翅片管的技术难关，试制成功我国第一台空气冷却器，装于锦西石油五厂， 运行效果良好。从发展趋势看，由于水源的日益缺乏，环境保护的严格要求，空 气冷却技术必将得到越来越广泛的应用，前景是光明的。 随着感应加热设备使用的不断增多，因用户自身条件各不相同，对于设备的 水冷系统往往却不够重视，许多用户未按规定使用蒸馏水，则使用普通井水或自 5 来水，而在实际工作中水质对设备的水冷系统及元器件响很大，如使用空冷有以 下诸多优点： 一、提高电子管使用寿命（高频设备）。普通水易结垢，需定期清洗，一旦 结垢就已经影响到电子管的发射功率及寿命，严重时电子管阳极易被烧穿。 二、节省电能。（以 100kw 高频电子管设备为例）在直流高压作用下阳极水 路对地耗电量为：普通水在 8kw 左右，蒸馏水则在 70w 左右。 三、降低电解腐蚀。阳极高压通过水阻对地形成直流电流。造成电子管水套 进出口电解腐蚀，普通水的电解腐蚀速度是蒸馏水的一百倍以上。 空冷器的储水箱根据设备功率不同约为 0.42.0m3，每吨纯水价格 250 元至 300 元之间。因为使用了闭合循环，所以蒸馏水消耗量极低，为使用蒸馏水创造 了条件，同时如按一定比例加入我公司专门研制的防冻产品可彻底解决高频水路 的冬季冻结难题。使用蒸馏水不仅提高了设备及元件寿命，而且减少维修费用， 从而达到提高生产率，节电的目的。 四、空冷器通过空气和软化水间壁换热，把电炉感应器、可控硅、电子管等 电气元件发出的热量排放于空气中。高导热性能的传热管，组合后形成很高的热 流密度，所以该装置冷却效率很高。使用空气连续换热，将热量传到空气中，清 除了积热，满足了感应加热系统温度的要求。 该冷却系统使用蒸馏水在空冷器和感应加热设备内闭路循环，水质干净，使 被冷却的电气系统长期不结水垢，不被异物堵塞。冬季可在冷却水中加入防冻剂， 杜绝了水路被冻坏的故障，减少了感应加热设备的故障发生，该冷却系统不需要 水池和冷却塔。 6 五、空冷器解决了常规水冷系统存在的许多问题： 1、无需水池、冷却塔，占地面积小。 2、纯净水循环，水质干净，不结水垢。 3、闭路循环，无杂物进入，不长青苔，管路不会堵塞。 4、体积小，整体性好，安装方便。 5、使用闭合循环，耗水量极少。 6、能避免夏季设备出现冷凝水造成的故障。 7、储水箱体积小，冬季可使用高频水路防冻液，避免高频系统结冰造成的 水路故障。 8、本设备在突然停电、停水情况下仍然能够继续冷却。 9、耗电量低。 六、空冷器常为密封式，闭合循环。设备出水经观察水箱后进入储水箱，由 管道泵将软化水打入传热管组，强制风冷，冷却后进入分水包，分水包上设有与 设备相对应的水管，再通过软管或硬管分别接到设备所需的进水口6。 喷淋装置是为夏季最炎热的天气时准备的，它由喷淋泵、托水盘、喷淋管等 组成独立的循环系统。在风机和传热管之间增设喷头，少量的水喷射至传热管的 翅片表面上，使表面温度降至大气温度以下，从而满足换热温差的要求，喷射到 传热管表面的水经过汽化可带走大量的热量，起到对散热能力的补充作用。 风机选用大风量、低噪音、小功率的轴流风机，循环泵选用管道泵，因此， 在同等扬程和流量的情况下，常规水冷系统使用的离心泵的电机功率与空冷器使 7 用的风机和循环泵功率之和基本相当。本空冷器设置了配电箱，可控制循环泵、 风机、喷淋泵及数字温度显示仪，还能和设备互锁。 使用翅片管的原因：管内侧水的换热很强，对流换热系数大约 5800 w/(m2)， 而如果不加翅片，管外空气侧换热系数仅仅 120 w/(m2)，总传热系数 k 就很低 （一定低于 120：这是传热学中一个最基本的原理），加了翅片以后，k 就可以 一下子提高几倍，达到 700（钢管），1100（复合管），这是增强换热最有效、 最经济的途径。 冷风机主要用于食品行业中的肉食、家禽、水产品、果蔬、蛋奶、冷饮制品 的冷却加工和冷冻储藏，啤酒、白酒等各种酒类和各种饮料的冷却冷藏，另外还 刻满足化工、制药行业、机械、电子、水电等行业工艺性冷却加工原料和场所的 冷却需要。 1.3 空压机二段空冷器 空压机二段空冷器一般是管壳式结构。管内通水，管间通空气，通过管内外 流体的热交换起到冷却的作用。它可以消除前段压缩时所产生的热量，减低次段 的进气温度，从而提高压缩效率。影响空压机二段空冷器冷却效果的原因有： 1)冷却水量不足。空气的热量不足以被冷却水带走，造成下一级吸气温度升 高，气体密度减小，最终造成排气量减少； 2)冷却水温度太高。水温高使水、气之间温差缩小，传热冷却效果降低。即 便冷却水量不减少，也会使气体冷却后温度仍然很高； 3)冷却水管内水垢多或被泥沙、有机质堵塞，以及空冷器气侧冷却后有水分 析出，未能及时排放，这都会影响传热面积或传热工况，影响冷却效果。冷却效 8 果不好，使进入下一级的气温升高，影响下一级的性能曲线，使其出口压力和流 量都降低。此外，当下级吸气量减少时，造成前一级压出的气量无法全部“吃进” ，很容易使前一级的工作进入喘振区，在该级发生喘振。 处理方法有：检查上水温度及水压，并进行调整；如上水温度及压力正常， 就停车解体检查，用物理、化学方法清洗空冷器或更换空冷器7。 9 2 工艺计算 2.1 原始数据 1、操作条件 管程：设计压力 0.5，入口温度：31，出口温度：42mpa 壳程：设计压力 0.9 ，入口温度：270，出口温度：42mpa 2、操作介质：管程：冷却水 壳程：空气 3、保温材料： 岩棉 4、保温厚度： 100mm 5、结构尺寸及开孔方位见图 2.2 工艺设计计算 2.2.1 有效平均温差 t平均 t管 = 42-31=11 t壳 =270-42=228 t平均 = 1/2（t管 + t壳） = 1/2（11 + 228） = 119.5 2.2.2 计算换热量 q 已知传热系数 k=400w/（） ，换热面积 f=520，则可求得： 换热量 q = fkt平均 =520400119.5 =24856000 w 10 2.2.3 该换热器的基本机构参数选择 壳体内径：d=1200mm 总管数：n=878 根 管子规格尺寸：252.56000mm，钢管 管子排列方式：正三角形排列 管心距：t=32mm 换热面积：f=520 管程数: m=4 壳程数: ms=1 每管程的流通面积：ft=8783.140.0381/2 = 0.0524m2 折流板形式：切除百分数为 25%的弓形折流板 折流板切除高度：h=25%d=300mm 折流板数：n=18 块 折流板间距：h=300mm 折流板的直径:db =1195mm 折流板的厚度：=15mm 折流板上的管孔直径：d=26mm 折流板上的管孔数：nb=790 个 圆缺区内的管数：nt，w =88 根 11 3 结构计算 3.1 筒体壁厚计算 筒体、封头材料均选择 16mnr8。 由于设计压力小于 5 mpa，所以可忽略不计。 c p 计算厚度：mm dp t ic 2 . 4 85. 02 .1512 12009 . 0 2 式中：270时 16mnr 的许用应力利用插值法求得 151.2mpa t 焊缝系数=0.85 名义厚度：，圆整 6mm。mmcc n 8 . 516 . 02 . 4 21 有效厚度：，圆整 5mm。mmcc ne 4 . 416 . 06 21 根据 gb151,直径 1200mm 的筒体最小壁厚为 12mm，所以有效厚度取 12mm。 名义厚度：，圆整 14mm。mmcc n 6 . 1316 . 012 21e 最小厚度校核：，mmcmm d n i 13)(4 . 2 1000 12002 1000 2 21min 满足要求。 筒体水压试验校核： 校验公式为： e eit t 2 dp 式中 =1.250.91 =1.125mpa； t t p25 . 1 p pt是内压容器实验压力取 1.125mpa； p 是设计压力 0.9mpa； 12 是实验温度下的材料的许用压力 163mpa 有效厚度mm12 e 则 at mp84.66 85 . 0 122 121200125 . 1 材料的屈服应力 =325mpa，规定液压试验中此应力的值不得超过该试验温度下 s 材料屈服强度的 90%，由上述数据可知： 0.9=0.9325=292.5mpa， at mp84.66 s 所以筒体水压试验强度足够。 3.2 封头壁厚计算 封头采用长短轴比值为 2 的标准椭圆形封头。 图 3.1 椭圆形封头 由于设计压力小于 5 mpa，所以可忽略不计。 c p 计算厚度：mm dp t ic 33 . 2 85 . 0 2 . 1512 12005 . 0 2 式中：270时 16mnr 的许用应力利用插值法求得 151.2mpa； t 焊缝系数=0.85； 13 名义厚度：，圆整4mm。mmcc n 93 . 3 16 . 033 . 2 21 有效厚度：，圆整 3mm。mmcc ne 4 . 216 . 04 21 根据 gb151,直径 1200mm 的封头的最小厚度为 12mm，所以有效厚度取 12mm。 名义厚度：，圆整 14mm。mmcc n 6 . 1316 . 012 21e 最小厚度校核：，mmdmmc in 8 . 11200%15 . 0 %15 . 0 4 . 12 2min 满足要求。 封头水压试验校核： 校验公式为： e eit t 2 dp 式中 =1.250.51 =0.625mpa； t t p25 . 1 p pt是内压容器实验压力取 0.625mpa； p 是设计压力 0.5mpa； 是实验温度下的材料的许用压力 163mpa； 有效厚度；mm12 e 则： at mp13.37 85 . 0 122 121200625 . 0 材料的屈服应力 =325mpa，规定液压试验中此应力的值不得超过该试验温度下 s 材料屈服强度的 90%，由上述数据可知： 0.9=0.9325=292.5mpa， at mp13.37 s 14 所以封头水压试验强度足够。 综上所述，取筒体和封头的壁厚为 14mm。 3.3 开孔补强计算 3.3.1 型号为 51012mm , l=180mm 的接管 (1) 补强及补强方法判别 a：补强判别 根据过程设备设计表 414，允许不另行步强的最大接管外径为 89mm，本开孔外径为 510mm，故需另行考虑其补强9。 开孔补强的形式：外加强平齐接管 结构简单,制造与检验方便 开孔补强的结构：补强板搭焊结构 b：补强计算方法判别 开孔直径：mmcdd i 6 . 4898 . 124862 本筒体开孔直径 d=489.6mmdi=600mm,且 d520mm，满足等面积法开孔补 2 1 强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。 (2) 开孔所需补强面积 a：筒体计算厚度 由于筒体有效厚度取值为 12mm，所以计算厚度为： mm 6 . 114 . 012 e 圆整值 b：开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数 fr： 15 6323 . 0 2 . 151 6 . 95 r t n r f 接管有效厚度为mmc ntt 2 . 108 . 112 e 开孔所需补强面积按过程设备设计式（476）确定 2 et 57676323 . 0 1 2 . 10 6 . 112 6 . 11 6 . 48912mmfda r (3) 有效补强范围 a：有效宽度 b，按过程设备设计式（479）确定 取大值 mmdb mmdb ntn 6 . 541122142 6 . 48922 2 . 979 6 . 48922 故 b=979.2mm b：有效高度 外侧有效高度 h1，按过程设备设计式（480）确定 取小值 实际外伸高度 mmh mmdh nt 215 65.7612 6 . 489 1 1 故=76.55mm 1 h 内侧有效高度 h2，按过程设备设计式（481）确定 取小值 实际内伸高度 0 65.7612 6 . 489 2 2 h mmdh nt 故=0 2 h (4) 有效补强面积 a：筒体多余金属面积 16 筒体有效厚度 mm12 e 筒体多余金属面积 a1，按过程设备设计式（482）确定 2 ee1 7 . 192 6323. 01 6 . 1112 2 . 102 6 . 1112 6 . 4892 .979 12 mm fdba ret b：接管多余金属面积 接管计算厚度 mm dp t n ic t 68 . 2 85 . 0 6 . 952 6 . 4899 . 0 2 接管多余金属面积 a2，按过程设备设计式（483）确定 2 2212 3 .748 6323. 068 . 2 4 . 1065.762 22 mm fchfha retrtet c：接管区焊缝面积（焊脚取 6.0mm） 由于补强圈与接管及壳体的焊接是搭接焊,采用角焊缝(见下图)焊缝截 面积(打网格部分)近似于三角形面积,计算时只考虑补强圈内缘与组合焊缝 中填角焊缝的填角高度,如图按等腰直角三角形计算得 2 3 0 . 360 . 60 . 6 2 1 2mma d：有效补强面积 2 321 97736 3 . 748 7 . 192mmaaaae (5) 所需另行补强面积 2 4 47909775767mmaaa e 17 图 3.2 补强圈与接管及筒体焊接结构 (6) 补强圈设计 根据接管公称直径 dn500 选补强圈，查化工设备机械基础表 131 取补 强圈外径 d=840mm，内径 d=534mm。因 b=979.2mm d,补强圈在有效补强范围内 补强圈厚度为： mm dd a 65.15 534840 4790 4 考虑钢板负偏差，并经圆整，取补强圈名义厚度为 16mm,如果不考虑多余金 属面积，全部削去的承受应力必须截面 a 均由补强圈补偿，则 mm dd a 85.18 534840 5767 3.3.2 型号为 32512mm ,l=130mm 的接管 (1) 补强及补强方法判别 a：补强判别 根据过程设备设计表 414，允许不另行步强的最大接管外径为 89mm，本开孔外径为 325mm，故需另行考虑其补强。 18 开孔补强的形式：外加强平齐接管 结构简单,制造与检验方便 开孔补强的结构：补强板搭焊结构 b：补强计算方法判别 开孔直径：mmcdd i 6 . 3088 . 123052 本筒体开孔直径 d=308.6mmdi=600mm,且 d520mm，满足等面积法开孔补 2 1 强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。 (2) 开孔所需补强面积 a：筒体计算厚度 mm 6 . 11 b ： 开孔所需补强面积 同上，强度削弱系数 fr=0.6323 接管有效厚度为mmc ntt 2 . 108 . 112 e 开孔所需补强面积按过程设备设计式（476）确定 2 e 76.36666323 . 0 1 2 . 10 6 . 112 6 . 11 6 . 30812mmfda rt (3) 有效补强范围 a：有效宽度 b，按过程设备设计式（479）确定 取大值 mmdb mmdb ntn 6 . 360122142 6 . 30822 2 . 617 6 . 30822 故 b=617.2mm 19 b：有效高度 外侧有效高度 h1，按过程设备设计式（480）确定 取小值 实际外伸高度 )(198 85.6012 6 . 308 1 1 mmh mmdh nt 故=60.85mm 1 h 内侧有效高度 h2，按过程设备设计式（481）确定 取小值 实际内伸高度 )(0 85.6012 6 . 308 2 2 h mmdh nt 故=0 2 h (4) 有效补强面积 a：筒体多余金属面积 筒体有效厚度 mm12 e 筒体多余金属面积 a1，按过程设备设计式（482）确定 2 eee1 44.120 6323. 01 6 . 1112 2 . 1026 .1112 6 . 308 2 . 617 12 mm fdba rt b：接管多余金属面积 接管计算厚度 mm dp t n ic t 69 . 1 85. 0 6 . 952 3059 . 0 2 接管多余金属面积 a2，按过程设备设计式（483）确定： 20 2 2e2e12 84.654 06323 . 0 69 . 1 2 . 1085.602 22 mm fchfha rtrtt c：接管区焊缝面积（焊脚取 6.0mm） 由于补强圈与接管及壳体的焊接是搭接焊,采用角焊缝(见下图)焊缝截 面积(打网格部分)近似于三角形面积,计算时只考虑补强圈内缘与组合焊缝 中填角焊缝的填角高度,如图按等腰直角三角形计算得 2 3 0 . 360 . 60 . 6 2 1 2mma 图 3.3 补强圈与接管及筒体焊接结构 d：有效补强面积 2 321 28.8113684.65444.120mmaaaae (5) 所需另行补强面积 2 4 48.285528.81176.3666mmaaa e (6) 补强圈设计 根据接管公称直径 dn300 选补强圈，查化工设备机械基础表 131 取补 强圈外径 d=540mm，内径 d=329mm。因 b=617.2mm d,补强圈在有效补强范围内 补强圈厚度为： 21 mm dd a 53.13 329540 48.2855 4 考虑钢板负偏差，并经圆整，取补强圈名义厚度为 14mm,如果不考虑多余金 属面积，全部削去的承受应力必须截面 a 均由补强圈补偿，则 mm dd a 38.17 329540 76.3666 22 4 零件设计 4.1 膨胀节 在固定管板换热器中，由于壳程内流体与管程内流体之间具有温差，而管 子和壳体均与管板固定连接，这样在使用状态时，壳体与管子之间有膨胀差存 在，壳体和管子受到横向载荷，为了避免壳体破坏、管子失稳、管子从管板上 拉脱，在壳体中间必须设置一个良好的变形补偿元件膨胀节，以降低壳 体与管子上的轴向载荷 10。 判断是否需要 设置膨胀节： 管壳壁温所产生的轴向力 f1 n aeae tttt f sstt sstt 5 66 66 00 1 1074 . 5 16.155241021. 0 1 875.627011021 . 0 1 22810 8 . 111110 8 . 11 11 )()( 式中:管子的热膨胀系数， 依表得 11.810-6 t 壳体的热膨胀系数，依表得 11.810-6 s et管子的弹性模量，依表得 0.21106mpa es管子的弹性模量，依表得 0.21106mpa 压力作用于壳体上的轴向力 f2 2 ss sstt qa e f a ea e 23 所以 n mmp ptdnpnd a ttsn 5 2 2 22 2 00 1026.10 026 . 1 20025 . 0 2025 . 0 7302025 . 0 8787 . 0 4 14 . 3 2d 4 q n f 5 66 65 2 109 . 1 1021 . 0 875.627011021 . 0 16.15524 1021 . 0 16.155241026.10 压力作用于管子上的轴向力 f3 n eaea eqa f tsst tt 5 66 65 3 108 . 7 1021 . 0 16.15241021 . 0 875.62701 1021 . 0 875.627011026.10 拉应力为： s mpa a ff s s 7 . 24 1016.15524 109 . 11074 . 5 6 55 21 拉应力为： t a 6 55 t 31 t mp 2 . 87 1016.15524 108 . 71074 . 5 a ff 24 根据钢制管壳式换热器设计规定有 -24.7mpa s mpa t s 2572 87.2mpa t mpa t t 4 . 302 2 因此由上述条件决定该换热器不用设置膨胀节。 4.2 垫片的选取 垫片是密封结构中的重要元件，根据工作温度 t=270，及长颈对焊法兰上 的使用要求，依表得，可选用耐油橡胶石棉垫圈，材料为耐油橡胶石棉板。 查表可确定垫片的尺寸如表 4.1 所示，垫片的外径为 1255mm,内径为 1205mm，厚度 t=3mm。 图 4.1 为所选凹凸面型钢制法兰用石棉橡胶垫片（gb-9126.3-88）示意图。 表 4.1 垫片参数表 公称直径 dn mm 垫片内径 di mm 垫片外径 do mm 垫片厚度 t mm 1200120512553 图 4.1 垫片 4.3 法兰的选择 先选密封装置，压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹 25 连接、承插式连接和螺栓法兰连接等，其中拆装比较方便的螺栓法兰连接用得最 普通。 螺栓法兰连接结构是一种可拆的密封结构，由法兰、螺栓及垫片组成如图。 图 4.2 螺栓法兰连接结构 它依靠螺栓预紧力把两部分设备连在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密 封。螺栓法兰连接是“螺栓垫片法兰密封系统”的总称，它具有较好的强度 和密封性，结构简单，成本低廉，且可多次重复拆卸，因而在容器上应用较广泛。 不管采用何种密封技术，密封装置的失效形式主要表现为泄露，泄漏是不可 避免的，然而为保证容器能长期安全的运行，应将其泄露控制在工艺和环境允许 的范围内。 上下封头与筒体之间采用法兰连接，其目的是为了拆装的方便。为达到较好 的焊接效果，采用 fm 型凹面的长颈对焊法兰。采用对接形式可以很好的减小局 26 部应力集中，并方便焊接。查表得公称压力 pn=1.38mpa 的法兰。所选法兰的尺 寸参数如表 4.2 所示。 接管 325 处法兰选择凸面 m 型法兰（根据 hg20594,20595,20598 和 gb/t9116.1,9115.1,9114 综合）/mm。 表 4.2 法兰尺寸 公称 直径 dn 筒体 外 径 a1 法兰 外 径 d 螺栓孔 中心圆 直径 k 螺孔直 径 l 螺孔数 量 n 螺 纹 th 法兰厚 度 c 法兰 高度 h 1200122813381280228m204055 4.4 折流板 折流板主要是为了增加管间流速，提高传热效果。本设计采用切除百分数为 25%的弓形折流板，折流板的切口应靠近管排。弓形折流板在管壳内的放置形式 如下图所示。 因为空冷器的壳程中全是气相清洁物料，所以采用上、下缺边折流板。 折流板缺边位置：切除百分数为 25%的弓形折流板 折流板切除高度：h=25%d=300mm 折流板间距：h=300mm 折流板数：n=18 块 折流板上的管孔数：nb=790 个 圆缺区内的管数：nt，w =88 根 27 图 4.3 弓形折流板在管壳内的放置形式 折流板尺寸： (1)折流板的厚度：=15mm (2)折流板的外圆直径和下偏差: db =1195mm，下偏差：-1.2 (3)折流板的管孔： a管孔直径和允差 管孔直径 d=26mm；允差：+0.45 b管孔中心距和允差 管孔中心距为 32mm；隔板处管孔中心距：45mm 允差：相邻管孔0.30； 任意两管孔1.00 c管孔排列 折流板上的管孔排列与换热管排列形式相同，采用正三角形排列。其优点是正三 角形排列比较紧凑，在同一管板面积上可排列较多的传热管，管外传热系数较高， 28 传热效果好，流阻相对也较大，缺点是管外清洗较为困难。 d管孔加工 折流板上管孔的两端必须倒角 0.545。 4.5 拉杆 拉杆的作用是固定折流板。折流板与拉杆的固定方式一般采用拉杆的一端用 螺纹拧入管板,两块折流板之间用定距管固定,每一拉杆的最后一块折流板与拉杆 焊接或者用双螺母拧紧。本设计中拉杆结构形式采用拉杆定距管结构。 图 4.4 拉杆 图 4.5 拉杆与折流板的固定形式 29 根据换热器设计手册表 4-15 和表 4-16 选取： 拉杆直径：12mm 拉杆数量：10 个 拉杆尺寸：d=12mm， la=14.5mm； lb=60mm， m=12mm； lc按需要确定，ld=18mm 4.6 鞍座设计 4.6.1 鞍座结构 换热器设备一般都是两端具有成型封头的卧式圆筒形容器。卧式容器由支座 来承担它的重量及固定在某一位置上。常用卧式容器支座形式主要有鞍式支座、 圈座和支腿三种。对于较重的大设备，通常采用鞍式支座。鞍座的结构与尺寸， 除特殊情况需另外设计外，一般可根据设备的公称直径直接选用标准形式，目前 常用的鞍式支座标准为 jb/t4712鞍式支座 。因为对于卧式容器，除了考虑操 作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器重量在壳体上引起的弯曲，所以即使选 用标准鞍座后，还要对容器进行强度和稳定性校核。鞍座一般情况下采用双支座。 30 图 4.6 鞍式支座 4.6.2 鞍座选择 卧式换热器，采用固定型和滑动型鞍式支座各一个。 在 jb/t4712鞍式支座中，根据公称直径为 1200mm，选择两个鞍座型号 分别为：jb/t4712-1992，鞍座 bi1200-f 和 jb/t4712-1992，鞍座 bi1200-s。鞍座 材料为 q235-af，包角为 120，焊制，四筋，带垫板。 两鞍座的尺寸参数如下： 允许载荷 q=562kn 鞍座高度 h=200mm 底板：mm12mm170bmm880l 111 ， 腹板：mm10 2 筋板：mm10mm180bmm140bmm200l 3323 ， 垫板：弧长：1410，mm40emm8mm270b 44 ， 螺栓间距：mm720l2 鞍座质量：80kg 4.6.3 确定鞍座位置 按如下原则来确定鞍座位置： (1)双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支梁，按材料 力学计算方法可知，当外伸长度 a=0.207l 时，跨度中央的弯矩与支座截面处的 弯矩绝对值相等，所以一般近似取 a0.2l，其中 l 取圆筒体长度，a 为鞍座中心 线到封头切线的距离。 31 (2)当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强作用。为了充分利用这 一加强效应，在满足 a0.2l 下应尽量使 a0.5（为筒体内半径） 。 i r i r 依据以上原则，取 a=0.2l=0.2 6000=1200mm，即鞍座中心线到封头切线的 距离为 1200mm11。 4.6.4 载荷和强度校核 4.6.4.1 载荷校核 椭圆形封头折算成直径等于容器直径，长度为 h 的圆筒（h 为封头的曲面深 度 600mm） 。所以该容器总重作用的总长度为： mm6800600 3 4 6000 3 4 hll 该容器总重沿长度方向均匀分布，则作用在总长度上的单位长度的均布载荷： hl f q 3 4 2 筒体内空气的密度为：，壳体和封头材质的密度为： 3 /815 . 0 mkg ，则均布载荷可求得： 33 /1085 . 7 mkg 钢 m/n 6 . 4114 8 . 97850 4 2 . 114 . 3 4 228 . 1 14 . 3 8 . 9815 . 0 6 . 014 . 3 44 22 2 222 gddgrq ioi钢 所以： kn94.13n64.13939 8 . 6 6 . 4114 2 1 3 4 2 1 hlqf 32 （a）受力分析 （b）两支点外伸粱 （c）剪力 图 （d）弯矩图 图4.7 双鞍