高纯EO冷却器机械设计及三维建模

摘 要该设计综述了固定管板式换热器的设计过程。它是一台管壳式换热器，管程介质为冷却水，壳程介质为高纯EO。根据给出的设计任务及参数，对换热器进行了初步的选材和结构型式设计，并参照相关标准对其进行了详细的计算和校核，从而确定了各部分结构（筒体、封头、法兰、支座）等型号与尺寸。EO冷却后，增大了EO在管道中输送及贮存的安全性，降低了对管道及贮罐材料的强度指标要求，从而减少了设备投资。同时有效利用热能，减少能量浪费。关键词：换热器；冷却水；EO;IAbstractThis paper summarizes the design process of the fixed tube sheet exchanger. It is a shell-and-tube heat exchanger, the medium of monitor is the cooling water, and the shell side is the high pure EO. According to the design program and parameter which are provided, preliminary select suitable material and the design of structural style for heat-exchange, and with the reference of correlative standard, we has also conducted the detailed computation and the examination to it, thus the model and size of each part of structures (shell, head, flange, support saddles, and so on) have been determined. After the EO is cool, its security of transportation and storing in the pipeline has increased, reducing the intensity target demand of the pipeline and the accumulator tank material, thus saving the equipment investment. Simultaneously, it effectively utilizes the heat energy and reduces the energy wasted. key words: heat exchanger; cooling water; EOI第一章43目 录摘 要IAbstractI目 录1第一章 绪论1第二章 设计方案简介32.1 设计目的32.2 设计的基本要求32.2.1工艺条件32.2.2 结构上安全可靠32.2.3 设计必须做到技术经济合理。3第三章 设计基本条件53.1 设计基本数据53.2 选择设计方案53.2.1 选择换热器的类型53.3 主要设计参数63.3.1 设计温度63.3.2 设计压力73.3.3 焊缝系数73.3.4许用应力73.4 换热器的选材73.4.1 选材原则73.4.2 材料介绍83.4.3 材料选择8第四章 设备部件结构设计94.1换热管设计94.1.1 管壁厚计算94.1.2 换热管长度104.1.3总根数n及壳体的内径104.1.4换热管的排列法104.2筒体设计124.2.1筒体壁厚计算124.3封头设计134.3.1封头的计算134.4折流板、拉杆和鞍座设计144.4.1折流板144.4.2 拉杆144.4.3 鞍式支座设计164.5 法兰设计174.5.1 壳体法兰的选取：19第五章 设备机械设计205.1确定初始数据205.2管板、换热管及壳体的强度校核245.3法兰校核315.3.1法兰计算315.3.2 垫片计算345.3.3 螺栓计算355.4 压力试验375.4.1 压力试验的目的375.4.2 试验压力的确定375.4.3试验的过程37第六章 三维建模39总结44致谢45参考文献：46第一章 绪论第一章 绪论换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他的一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独做为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占重要的地位。通常在化工厂的建设中的换热器投资比例为11%，在炼油厂中高达40%。随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重视,从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃,一些新型高效换热器相继问世。换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来,各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投人大、人力资源配备足的情况下,一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。随着研究的深人，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。其中应用最为广泛的是管壳式换热器。由于现代化工厂的生产规模日益扩大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消耗。换热器的分类：1.按传热原理分类a）直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。b）蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。 c）板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。2.按结构分类分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。3.按强化传热元件分类分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热螺旋绕管式换热器、T形翅片管换热器、新结构器、内插物换热器、锯齿管换热器。换热器的种类繁多，每种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。 在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。由于现代化工厂的生产规模日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消耗。管壳式结构的换热器也能满足这一要求。管壳式换热器是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，其两端管板，采用螺栓连接方式与壳体连接固定，管程可分成多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。它适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。在热膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。本设计综述了固定管板式换热器的设计过程。它是一台管壳式换热器，管程介质为冷却水，壳程介质为高纯EO。根据给出的设计任务及参数，对换热器进行了初步的选材和结构型式设计，并参照相关标准对其进行了详细的计算和校核，从而确定了各部分结构（筒体、封头、法兰、支座）等型号与尺寸。EO冷却后，增大了EO在管道中输送及贮存的安全性，降低了对管道及贮罐材料的强度指标要求，从而减少了设备投资。同时有效利用热能，减少能量浪费。换热介质：环氧乙烷，别名：恶烷，氧化乙烯，EO 分子式：C2H40，用途：是广谱、高效的气体杀菌消毒剂。对消毒物品的穿透力强，可达到物品深部，可以杀灭数病原微生物，包括细菌繁殖体、芽孢、病毒和真菌。气体和液体均有较强杀微生物作用，以气体作用强，故多用其气体。在医学消毒和工业灭菌上用途广泛。常用于食料、纺织物及其他方法不能消毒的对热不稳定的药品和外科器材等进行气体熏蒸消毒，如皮革、棉制品、化纤织物、精密仪器、生物制品、纸张、书籍、文件、某些药物、橡皮制品等。其设计步骤如下：(1) 根据生产任务及有关要求确定换热器的设计方案(2) 换热器类型的选择(3) 化工计算(4) 换热器尺寸的确定及有关构件的选择(5) 绘制工艺图和三维建模(6) 编写说明书第二章 设计方案简介第二章 设计方案简介2.1 设计目的毕业设计是课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实质的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试，通过这次毕业设计，我们能够学会阅读参考文献，收集、运用原始资料的方法以及如何使用规范、手册、产品目录，选用标准图的技能，以及软件的应用如Pro/e、CAD等软件，进而强化对专业基础知识和提高设计计算能力、绘图能力及应用能力的提高，了解科学研究与生产实际应用的相互关系，掌握课题研究的基本操作方法和步骤，培养应用所学的科学知识解决生产实际问题的能力，为今后从事技术工作打下初步基础。并且在综合运用本专业所学的基础知识，进行融会贯通的独立思考，在规定时间内完成指定的设计任务，培养我们分析和解决工程实际问题的能力，同时，还可以培养我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。2.2 设计的基本要求2.2.1工艺条件换热器的设计首先应满足生产上的需要,其主要结构尺寸由工艺要求来决定,设备设计按照国家标准所选取。2.2.2 结构上安全可靠一般来讲,换热器的失事,不仅仅使容器和设备本身遭到破坏,而往往会破坏周围的其他设备及建筑,甚至造成人身伤亡事故,而由于内部介质向外扩散带来的化学爆炸、着火燃烧或恶性中毒等连锁反应更会造成不可估量的灾难性破坏。因此，根据压力容器可能的失效形式，设计上应满足强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性等基本要求。2.2.3 设计必须做到技术经济合理。换热器设计既要保证安全可靠,又要尽量做到技术经济合理。这就要求对设备的操作条件和载荷进行正确的估计，对换热器的总体应力、局部应力和温差应力，以及可能产生的失效形式等进行全面的分析和评价，采取不同的设计方法。同时，根据换热器的操作条件和作用，选择适当的材料和合理的结构。因此，设计人员不仅仅是依照有关标准和制造条件进行简单的设计，还必须要综合考虑生产条件、安全要求和技术经济上的合理等因素，选择一个最佳方案第三章 设计基本条件第三章 设计基本条件3.1 设计基本数据表3-1 原始数据表原始数据：壳程管程介质EO水设计压力 (MPa)0.680.55设计温度 ()8560换热面积 (m2)1.72腐蚀余量 (mm)303.2 选择设计方案3.2.1 选择换热器的类型换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，以下列举其中的三种分类a）按传热原理分类1）直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。2）蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。 3）板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。b)按结构分类分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。c)按强化传热元件分类分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热螺旋绕管式换热器、T形翅片管换热器、新结构器、内插物换热器、锯齿管换热器。换热器的种类繁多，每种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器的特点是：1、旁路渗流较小；2、造价低；3、无内漏；固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。根据设计条件，故初步确定为四管程的固定管板式换热器。2.2.2 确定管程壳程流体由于冷却水较易结垢，且固定管板式换热器的壳程不易清洗，为方便清洁水垢，应使冷却水走管程，EO走壳程。 3.3 主要设计参数3.3.1 设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定元件可能达到的最高或最低温度。换热器的设计温度应按管、壳程的具体工况分别确定，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度。根据设计任务书，管程的设计温度为60，壳程的设计温度为85。取换热器的设计温度为100。3.3.2 设计压力设计压力是指在相应的设计温度下，用以确定换热器圆筒及其它受压元件厚度的压力，该压力值不得低于最大工作压力。换热器中，同受管，壳程压力作用的元件，仅在能保证管、壳程同时升，降时，才可按压力差设计，用压力差设计时，还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压力差，否则应分别按管、壳程最大工作压力确定设计压力，并应考虑最苛刻的管、壳程压力组合。由毕业设计任务书可知，该设计为的再沸器固定管板式换热器的设计，其中管程的设计压力为P10.68MPa，壳程的设计压力为P20.55MPa。3.3.3 焊缝系数根据参考文献4规定,焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头形式及无损检测长度比例来确定. 根据设计条件初步选择双面焊对接接头，管程取=0.85、壳程取=1。3.3.4许用应力设计温度下该材料的许用应力,查参考文献4表可获得。3.4 换热器的选材3.4.1 选材原则 在进行换热器设计时，合理选择和正确使用过程设备材料十分重要。需要考虑其使用条件、耐腐蚀性能、力学性能、价格等等因素。对换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。3.4.2 材料介绍1) 16MnR 16MnR是普通低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，热轧或正火。属低合金钢，含Mn量较低。它具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于普16Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力窗口专用钢板。2) 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢不仅有高的耐蚀性，还有高的塑性、低温韧性、加工硬化能力与良好的焊接性能，常用于管壳式换热器。目前新型传热元件的热管，它所使用的管子，一般也以不锈钢作为它的材质。3) Q235价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，对酸很容易被腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的.按除氧的程度又可分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢等。a) 沸腾钢：容易产生偏析，有焊接裂纹产生的可能性。如Q235=A.F。b) 镇静钢：由于加工工艺性能良好，焊接性能好，被广泛地用作为换热器的各种零部件的材料。4) 4545号钢为 优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工, 调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮、轴类及其他受力不大的轴类零件。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质表面淬火提高零件表面硬度。5) 40MnB这是一种取代40Cr钢比较成功的新钢种，它具有较高的强度、硬度、 耐磨性及良好的韧性，用于制造截面尺寸较小或载荷较小的零件，如连杆螺栓、机床主轴等。3.4.3 材料选择参考选材原则，筒体材料选16MnR，不仅安全可靠，而且减轻自重、节约钢材，封头选用0Cr18Ni9Ti, 由于管程走冷却水，设计压力为0.55MPa小于6.4MPa，使用温度与相应钢号的无缝管相同，满足奥氏体不锈钢焊接钢管可用作换热管，因而选用的不锈钢(0Cr18Ni9)作为管子的材料。考虑到选材尽可能相同或相近，以减小腐蚀的可能性原则，选用0Cr18Ni9Ti作为法兰材料。由于EO走壳程，且腐蚀性强，因而管板材料选用0Cr18Ni9Ti质量等级为的作为管板材料。第四章 设备部件结构设计第四章 设备部件结构设计4.1换热管设计4.1.1 管壁厚计算管程计温度为60,壳程设计温度为85,取设计温度：100,该设计温度下：114MPa管子壁厚： （4-1）根据参考文献1，管子厚度计算公式： （4-2） 式中：换热管内径，19-22=15mm；焊接接头系数，换热管采用无缝钢管，=1.0；换热管材料的许用应力，查得114；设计压力, 。管子的计算厚度：壁厚附加量： （4-3）式中：壁厚附加量,；钢板负偏差mm，；钢板腐蚀裕度，对于不锈钢换热管，；热加工减薄量， ；则：根据钢管标准规格取。即选用无缝钢管。4.1.2 换热管长度 根据钢制管壳式换热器GB151-1999规定，换热管的长度推荐采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。本设计中选取换热管长度为2m。4.1.3总根数n及壳体的内径换热管总根数计算公式： （4-4）式中： S换热面积,17.2； 管子的外径，0.019m ； l换热管长度m；n管子根数；换热管长度为2m， 管子总根数： 参考相关文献，管子数取150根，其中5根作为备用。由实际排管可定出壳体内径；4.1.4换热管的排列法传热管在管板上的排列有四种形式，如图4.1所示。图4.1 换热管的排列方式三角形排列最为普遍，其在同一直径管板面积上可排最多的换热管数。其用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。当需对换热管外清洗时，则需采用正方形排列，其最小清洗通道应不小于6毫米。正三角形排列和转角正方形排列时，流体在垂直流向折流板缺口时正对换热管，冲刷换热管外表面，提高换热效果。同时此二种排列方式较转角三角形排列和正方形排列的流体流道截面较小，有利于提高流速，有利提高换热效率。 图4.2 换热管排列方式根据参考文献3规定的中心距为25mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距 换热管长度采用2mm.因为壳程为不污性介质，所以换热管束采用三角形排列。4.2筒体设计4.2.1筒体壁厚计算设计温度100下：170MPa筒体壁厚： （4-5）根据参考文献1，圆筒厚度计算式： （4-6）式中：筒体内径，由工艺计算得400mm；焊接接头系数，筒体采用单面焊对接接头100无损检测，=1.0；筒体材料的许用应力，查得170；设计压力, 。壁厚附加量： （4-7） 式中：壁厚附加量,；钢板负偏差mm，；钢板腐蚀裕度，它不应小于1，取现；筒体热加工减薄量， ；则：所以名义厚度：。根据参考文献3得筒体最小厚度为6mm。由于腐蚀余量为3mm 则 筒体的名义厚度：=9+3=9mm所以 筒体名义厚度至少9mm，而由钢材标准规格，取圆筒名义厚度为10mm。4.3封头设计4.3.1封头的计算由工艺计算得筒体内径为400mm：图4.3 标准椭圆形封头设计压力取壳程设计压力0.68MPa设计温度取设计温度100。设计温度下其机械性能如下：由公式： （4-8）式中：封头内直径；计算压力，；封头计算厚度，；封头名义厚度；设计温度下材料的许用应力，；焊接接头系数；所以封头的计算厚度为1.14mm。则其名义厚度=1.43+0+3=4.43mm，圆整得：6mm根据封头内径400mm和厚度6mm，由GB151查得标准封头：H=125mm h=25mm 质量为9.7kg4.4折流板、拉杆和鞍座设计4.4.1折流板1) 弓形折流板缺口高度及折流板根数根据参考文献3，弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近，其圆缺率一般为1545%，而本设计切去的弓形高度为外壳内径约19% ，底部设有，高度为15mm的凹口，供停车时排除冷却器内残留液用。换热管外径为19mm时，最小间距应不小于圆筒内径的五分之一即80mm，则取100mm。折流板的最大跨距不应超过1500mm，L的取值为1300mm,与左边管板的距离为300mm与右边管板的距离为349mm。折流板数：根 （4-9）2) 折流板布置折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管。由于卧式的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置。4.4.2 拉杆根据参考文献31) 拉杆的结构形式由于本设计采用的是的换热管，根据参考文献3页，选用拉杆定距管结构。其结构示意图如下： 图4.4 拉杆定距管结构示意图2) 拉杆的直径和数量本来由DN400mm,由GB151可以选择拉杆数量为4，拉杆的直径为12mm,（一个管程一根）。3) 拉杆结构图4.5 拉杆查得数据：拉杆直径d=12 拉杆螺纹公称直径 4.4.3 鞍式支座设计化工压力容器是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座形式主要分三大类：立式容器支座、卧式容器支座和球形容器支座。由于本设计是卧式容器支座，而卧式容器支座又分为鞍式支座、圈式支座和支腿支座，根据设计相关条件，初步选用鞍式支座。不论何种支座，都应满足以下两点要求：(1) 承托容器的支座本身不失效，即强度是安全的，刚度是足够的；(2) 设备上固定支座的壳体不失效，即连接支座的壳体局部应力必须在许可的范围内。选取支座 a) 依据参考文献3页表5.20.1原则 ，当L3000mm时 ，取，现取。为了满足与尽量相近的要求，使得，b) 根据JB/T4712选用重型（B型）带垫片鞍式支座。结构如下：图4.6 鞍式支座由表查得：允许载荷 鞍座高度 底板 腹板 筋板 垫片：弧长=480mm 4.5 法兰设计根据参考文献5,在设计计算中用到的符号及其所代表的含义如下：预紧状态下，需要的最小螺栓总截面积，；实际使用的螺栓总截面积，以螺纹的小径计算，；需要的螺栓总截面积，取与之大者,；操作状态下，需要 的螺栓总截面积，；垫片基本密封宽度,； 垫片有效密封宽度,；螺栓中心圆直径,；垫片压紧力作用中心圆直径,；法兰内直径,；法兰外直径,；筒体端部密封面外径,；螺栓正称直径,；在设计温度下法兰材料的弹性模量,MPa；参数,；流体压力引起的总轴向力，,N；整体法兰颈部应力校正系数；预紧状态下，需要的最小垫片压紧力,N；作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力，,N；窄面法兰垫片压紧力，包括W（预紧）三种情况,N；整体法兰系数；操作状态下，需要的最小垫片压紧力,N；流体压力引力起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差，,N；法兰颈部高度，对筒体端部结构为端部圆柱段的高度；参数，,；相邻螺栓最小间距，,；法兰外径与内径的比值，；螺栓中心到法兰颈部与法兰背面交点的径向距离，；螺栓中心至作用位置的径向距离，；螺栓中心到法兰外径处的径向距离，；螺栓中心到作用位置处的径向距离，；螺栓中心到作用位置处的径向距离,；作用于筒体端部纵向截面的弯矩,； 垫片系数；法兰预紧力矩, ；法兰设计力矩, ；法兰操作力矩, ； 法兰接触宽度 ,； 螺栓数量；计算压力,MPa；系数；系数；整体法兰系数；螺栓设计载荷,N；系数；预紧状态下，需要的最小螺栓载荷，N；操作状态下，需要的最小螺栓载荷，N；系数；垫片比压力, MPa；系数；系数，；法兰有效厚度,；法兰颈部小端有效厚度，；系数 ；法兰颈部大端有郊厚度,mm；系数 ；法兰颈部轴向应力, MPa；法兰环的径向应力, MPa；法兰环的切向应力,MPa； 系数，；常温下螺栓材料的许用应力，MPa；设计温度下螺栓材料的许用应力MPa；常温下法兰材料的许用应力，MPa；设计温度下法兰材料的许用应力，MPa；常温下圆筒材料的许用应力，MPa；设计温度下圆筒材料的许用应力，MPa4.5.1 壳体法兰的选取：参考文献5，第四章长颈对焊法兰,初选长颈对焊法兰如图3.2：图4.7 长颈对焊法兰根据PN=1.0MPa，DN=400mm，由表1查得如下数据 螺栓规格为M20，数量为20个。因为是低压容器，所以要选凹凸面，这种结构便于对中，并且防止垫圈挤出。由于法兰的刚性较差，所以要选带有长颈对焊法兰。由于颈的存在提高了法兰的刚性，同时颈的根部厚度比容器壁厚，所以降低了这里的弯曲应力。另外，法兰与筒体的联接是对焊，比平焊法兰的填角焊缝强度高，所以对焊法兰适用于压力、温度较高的场合。考虑到选材尽可能相同或相近，以减小腐蚀的可能性原则，选用0Cr18Ni9作为法兰材料。其机械性能如下： 第五章 设备机械设计第五章 设备机械设计5.1确定初始数据 在以下的设计与计算中用到的符号及其所代表的含义如下：在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，；S 换热管中心距；分程隔板槽两侧相邻管中心距；沿隔板槽一侧的排管数；管板布管区内开孔后的面积，；管板布管区面积；A一根换热管管壁全壁的横截面积C系数，按 和查图23;固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，；管板布管区当量直径，；d换热管外径，；设计温度下，管板材料的弹性模量，MPa；设计温度下，换热管材料的弹性模量，MPa；系数。按和查图24；管束模量，MPa, ；管束无量纲刚度 ；L换热管有效长度（两管板内侧间距）；L换热管和管板胀接长度或焊脚高度；N换热管根数；无量纲压力，；当量压力组合，MPa；壳程设计压力，MPa；管程设计压力，MPa；管板设计压力，MPa；Q换热管与管板连接拉胀力，N；许用拉脱力，MPa；S换热管中心距，；系数，；管板设计厚度，；换热管管壁厚度，；管板刚度削弱系数，一般可取值；管板强度削弱系数，一般可取；系数，；换热管轴向应力，MPa；换热管稳定许用应力，MPa；设计温度下，换热管材料的许用应力，MPa；基本数据计算：a) 壳程圆筒内径：厚度：，内径面积： （5-1）金属横截面积： （5-2）b) 管子换热管的外径为：d=19；换热管的管壁厚度为：；换热管的根数：n=50；管子金属总截面积：； （5-3）由参考文献6查得: ；换热管的有效的长度：假设管板的厚度为40,管板与管子的固定方式为：在此取管子的伸出管板的长度为1.5,由此得出换热管的有效长度为：管束的模数： （5-4）由前面得：则： =换热管稳定许用应力： 由已知可得系数： （5-5）管子回转半径： （5-6）由参考文献3图32得，当时，MPa （5-7）c) 系数计算管板布管区面积：管板布管区开孔后的面积： （5-8）管板布管区当量直径： （5-9）系数： 因为温差较小，所以不考虑设置膨胀节。因此当壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比： （5-10）系数： （5-11）=管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比： d) 管板假设管板的厚度为，由前面壳体法兰计算可得厚度管子加强系数： （5-12）K=3.29管板固定边不带管区无量纲参数： e) 法兰壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数 （5-13） =116.58MPa由于 （5-14）管板第一弯矩系数，按文献3查图27查得：0.27系数： （5-15）系数按文献3图29查得：=2.2对于兼作法兰时，系数：由参考文献3图30查得：0.0318 （5-16）= （5-17）由参考文献3图25(a)查得： f) 法兰力矩对于延长部分兼作法兰的固定管板： （5-18）由上计算可得： 196MPa由法兰计算知 5.2管板、换热管及壳体的强度校核按壳程设计压力，管程设计压力，膨胀变形差，法兰力矩的危险组合对每种组合工况进行校核，通常分为以下四种情况。a) 第一种情况校核：只有壳程设计压力，而管程设计压力=0，不计入膨胀变形差。壳程设计压力 （5-19） （5-20） （5-21）由文献3图31查得： 管板应力： （5-22）即管板强度符合要求壳体法兰应力： （5-23）即壳体法兰强度符合要求。管子应力： （5-24）因为且=28.9MPa即管子强度符合要求。壳体圆筒轴向应力：MPa即壳体圆筒强度符合要求。拉脱应力： （5-25）即管子与管板的连接强度符合要求。b) 第二种情况校核：只有壳程设计压力 ， 而管程设计压力 =0，同时计入膨胀变形差。 （5-26） （5-27）由文献3图31查得 所以：管板应力： （5-28）即管板强度符合要求壳体法兰应力：即壳体法兰强度符合要求。管子应力：因为且=342MPa即管子强度符合要求。壳体圆筒轴向应力：MPa （5-29）即壳体圆筒强度符合要求。拉脱应力： （5-30）即管子与管板的连接强度符合要求。c) 第三种情况校核只有管程设计压力，而壳程设计压力=0，不时计入膨胀变形差。壳程设计压力管程设计压力 （5-31） （5-32）由文献3图31得 管板应力：MPa即管板强度符合要求壳体法兰应力：即壳体法兰强度符合要求。管子应力：MPa因为且=342MPa即管子强度符合要求。壳体圆筒轴向应力：MPa即壳体圆筒强度符合要求。拉脱应力： （5-33）即管子与管板的连接强度符合要求。d) 第四种情况校核只有管程设计压力，而壳程设计压力=0，不时计入膨胀变形差。壳程设计压力管程设计压力由文献3图31得 管板应力： 即管板强度符合要求壳体法兰应力：即壳体法兰强度符合要求。管子应力：MPa因为且=342MPa即管子强度符合要求。壳体圆筒轴向应力：MPa即壳体圆筒强度符合要求。拉脱应力：即管子与管板的连接强度符合要求。5.3法兰校核5.3.1法兰计算根据参考文献4的9.5法兰的计算步骤a)法兰力矩计算:预紧状态的法兰力矩计算； （5-34） （5-35）式中： 螺栓中心至作用位置处的径向距离mm；螺栓中心圆直径，mm；操作状态的法兰力矩计算： （5-36）式中：mm法兰设计力矩取以下大值： （5-37）b) 法兰应力轴向应力计算： （5-38）形状常数：由前面已知, , 由参考文献4表9-5查得： 由参考文献4图9-3，9-4，9-7查得： 假设，则：则：轴向应力：径向应力：环向应力：c) 法兰应力校核：轴向应力：环向应力：径向应力：=26.56.4mm时,所以取=7.2mm垫片压紧力作用中心圆直径：改法兰属于整体法兰，故：当，等于垫片接触的平均直径；当6.4mm时，等于垫片接触的外径减去2b，由于6.4mm故，垫片压紧力:已知：b=7.2mm, y=11MPa预紧状态下需要的最小垫片压紧力：=3.14440.67.211操作状态下需要的最小垫片压紧力计算： （5-39）式中：垫片系数，设计压力，流体压力引起的总轴向力5.3.3 螺栓计算螺栓载荷：预紧状态下