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年产 蔗糖 蒸发 装置 设计 cad 毕业论文 翻译

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摘要:此次设计的生产装置为一种常见的、结构简单、于生产上应用广泛的中间循环式蒸发器。、其属于固定管板式换热器。本次设计包含三效蒸发原理，蒸发器的设计。而蒸发器的设计又包含蒸发器类型的选取、热力的计算、部件的选取和计算、开孔和开孔补强、法兰、接管的选取、除沫器及支座等等的设计、计算和校核。

   此次设计的重点为蒸发器的设计。因为介质是食品类，所以对蒸发器壳体材料的选择、焊接及部件间的连接等等有较高的要求。因为蒸发器内压力与温度都不是太高，所以作为一类压力容器来设计。而其中焊接，无损检测的要求较严格。设计难点是热力计算、蒸发器各部件的尺寸计算及材料选择等。

关键词：蒸发器  ； 三效蒸发 ；  热力计算

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毕业设计 (论文 ) 题 目 年产 置设计 学院名称 机械工程学院 机械工程学院毕业设计 i 摘要 :此次设计的生产装置为一种常见的、结构简单、于生产上应用广泛的中间循环式蒸发器。、其属于固定管板式换热器。本次设计包含三效蒸发原理，蒸发器的设计。而蒸发器的设计又包含蒸发器类型的选取、热力的计算、部件的选取和计算、开孔和开孔补强、法兰、接管的选取、除沫器及支座等等的设计、计算和校核。 此次设计的重点为蒸发器的设计。因为介质是食品类，所以对蒸发器壳体材料的选择、焊接及部件间的连接等等有较高的要求。因为蒸发器内压力与温度都不是太高，所以作为一类压力容器来设计。而其中焊接，无损检测的要求较严格。设计难点 是热力计算、蒸发器各部件的尺寸计算及材料选择等。 关键词 ： 蒸发器 ； 三效蒸发 ； 热力计算 of is a in 械工程学院毕业设计 ii , to an is so is so on of in is so as is of 机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 52 页 1 概述 1 1 蒸发及蒸发流程 蒸发是采用加热的方法，使得含有不挥发性的杂质（如盐）的溶液沸腾，去除其中被汽化单位的部分杂质，使溶液浓缩的单元操作过程。 蒸发操作广泛使用于浓缩各种不挥发性的物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较常见的单元操作。化工生产中的蒸发主要用于如下几种目的： 1、获得浓缩的溶液产品； 2、将溶液蒸发增浓之后，冷却结晶而获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品； 3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或者半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备就叫做蒸发器。 蒸发器内部要有足够的加热面积，使 溶液受热而沸腾。溶液在蒸发器内因为各处密度的差异而形成循环流动，被浓缩到规定的浓度后排出蒸发器外部。蒸发器内备要有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器用以除去液沫，排出的蒸汽若不再利用，应将其在冷凝器中冷凝。 蒸发过程中经常使用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把用作热源的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液中蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。 1 2 蒸发操作的分类 蒸发操作按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上的大多数蒸发过程是连续稳定操作的过程。 按二次蒸汽利用的情况可分为单效蒸发和多 效蒸发，若产生的二次蒸汽不利用，直接在冷凝器冷凝后排出，这种操作称之为单效蒸发。如把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合来使用，这种操作称之为多效蒸发。在多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。 蒸发操作按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有很多优点： （ 1）、在低压操作下，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差值，减机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 52 页 小蒸发器传热面积； （ 2）、可以利用低压蒸气当作加热剂； （ 3）、有利于热敏性物料的蒸发； （ 4）、操作温度较低 ，热损失较小。 在加压蒸发中得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气来利用。因此，单效蒸发多是真空蒸发；多效蒸发的前效是加压或常压操作，而后效则在真空下操作 。 1 3 蒸发操作的特点 从上面对蒸发过程的简要介绍可知，常见的蒸发壁两侧边分别为蒸气冷凝及液体沸腾的传热过程，蒸发器也即一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作有如下特点 : (1) 沸点升高 蒸发的溶液中含不挥发性溶质，在压力下溶液的蒸气压较同温下纯溶剂蒸气压要低，使溶液沸点高于纯溶液沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定情况下，蒸发 溶液的时候的传热温差必然小于加热溶剂的纯热温差，且溶液的浓度越高，这种影响就越显著。 (2) 物料工艺特性 蒸发溶液本身具有一些特性，如有些物料在浓缩的时候可能析出晶体，或者易于结垢；有些则有较大的黏度或者较强的腐蚀性等。怎样根据物料的特性和工艺的要求，选择适当的蒸发流程和设备是蒸发操作必须考虑的问题。 (3) 节约能源 蒸发时汽化的溶剂量大，需要消耗大量的加热蒸气。怎样充分利用热量，提高加热蒸气利用率是蒸发操作要考虑在内的另一个关键点。 1 4 蒸发设备 蒸发设备的作用是使得进入蒸发器的原料液体被加热，部分会气化， 得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所带的液滴和雾沫分离。 蒸发主体设备为蒸发器，它由加热室和蒸发室等组成。蒸发的辅助设备还包括：使液沫进一步分离的除沫器、使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需要真空装置。分述如下： 机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 52 页 由于生产要求不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类： （ 1）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，蒸发器内溶液浓度大体相同， 接近完成液浓度 。操作稳定。这类蒸发器主要有 a、 b、 c、 d 四种为自然循环蒸发器 。 （ 2）单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。 优点：溶液停留时间短，所以尤其适用于热敏性物料的蒸发； 温度差损失较小 ，表面传热系数较大。 缺点：设计或操作不当的时候不易成膜，热流量将会明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。 这类蒸发器主要有 本次设计采用的是 中央循环管式蒸发器 ： 结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间有 根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾的时候，中央循环管内的气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。 这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用广泛，有“标准蒸发器”之称。为了使得溶液有良好的循环，中央循环管的截面积一般为其余加热管总截面积的 40% 100%；加热管的高度一般在 1 2m；加热管径在机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 52 页 25 75实际上，因为结构上 的限制，其循环速度一般在 发器内的溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不太方便。 机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 52 页 2 蒸发工艺设计计算 2 1 设计参数 0x= 3x= 0t=27； 1P =510 3P =510 F=22700 kg/h ； C= ) 注：（ C 此处表示为比热容） ； 1k =3120 w/， 2k =1990 w/3k =1140 w/各效传热面积相等。 =x 。 年生产要达到 吨（按每年 280 工作日算）， 则蔗糖的质量流量 71 . 6 1 0 0 . 6 6 /2 8 0 2 4 6 0 6 0mq k g s 体积流量 40 . 6 6 6 . 6 1 01000sv s。 2 2 部分设计参数符号 剩余符号正文有标明 机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 52 页 )./(/)./(22总传热系数，二次蒸汽的焓，高度，重力加速度，校正系数，无因次原料液流量，加热蒸汽消耗量，直径，加热管的内径，比热容，管壁厚度，英文字母饱和的秒污垢的压力流速，温度，管心距，溶液的温度（沸点），传热面积，污垢热阻，气话潜热，雷诺系数，无因次总传热速率，热通量，普兰特准数，无因次绝对压力，蒸发系统总效数，管数，溶液质量，子周边上的单位时间内通过单位管长度，).(/)./(222误差，无因次温度损失，对流川热系数，希腊字母质量，单位体积冷却水的蒸汽次溶质的质量分率，无因质量流量，蒸发量，分离室的体积，流体得体积流量，蒸发体积强度，(/)./(233333壁面的水的体积的蒸汽的外侧的最小的最大的平均的液体的冷凝器的内侧的沸腾的平均的下标水流收缩系数，无因次因次管材质的校正系数，无密度，表面张力，粘度，导热系数，热利用系数，无因次.)./(3机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 52 页 2 3 蒸浓液浓度计算 多效蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算和传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）消耗量、各效溶剂蒸发量及各效传热面积。已知计算参数有：料液流量、温度、浓度，最终完成液浓度、加热蒸气压强和冷凝器中压强等。 蒸发器的设计计算步骤：多效蒸发的计算一般使用试算法。 （ 1） 根据工艺要求和溶液性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器压强），蒸发器的形式、流程和效数。 （ 2） 根据生产经验的数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液浓度。 （ 3） 根据经验假设蒸气通过各效压 强降相等，估算个效溶液沸点和有效的总温差。 （ 4） 根据蒸发器的焓衡算，求得各效的蒸发量和传热量。 （ 5） 根据传热速率方程计算各效传热面积。若求得各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（ 3)到（ 5），直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止 。 图 流多效蒸发淡糖浓缩工艺流程图 所以由 0x = 3x = F=22700 kg/h 可得总蒸发量 W=F(1- 0x / 3x )=18160 kg/h 0x = 3x = F=22700 kg/h 可得总蒸发量 W=F(1- 0x / 3x )=18160 kg/h 机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 52 页 并流加料蒸发中没有额外蒸汽的引出 ,可设 3=1:1w= W 1/（ 1+=kg/h 2w = W 1+=kg/h 3w = W 1+=kg/h 综合上述数据由 F 0x /(w - 3w - - 则可得 1x =F 0x /(x = F 0x /(w - 2w )=x= F 0x /( 4 有效温度差的 确定 将上得 1x =2x =3x =进 =x ； 则可得 1 = 2 = 3 = 由 1t =（ 1/ / , 又 1p 为 510 T = 3P 为 510 T = 注：由化工原理附录 3， 已知 1k =3120 w/， 2k =1990 w/ 3k =1140 w/ 则有 t =（ 1T - 3T ） - = 1t = t （ 1/1k ） /（ 1/1k +1/ 2k +1/ 3k ） = 2t = t (1/ 2k )/（ 1/1k +1/ 2k +1/ 3k ） = 3t = t （ 1/ 3k ） /（ 1/1k +1/ 2k +1/ 3k ） = 综上所得计算结果可得： 1T =,1t = 1T - 1t = 1T =1t - 1 = 2T = 1T =,2t = 2T - 2t =, 2T = 2t - 2 = 机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 52 页 32 8 7 . 9 3 5 , 3 3 3 5 3 . 8 3 5t T t ， 3 3 3 由此可得由热量衡算求加热蒸汽量和各效水分蒸发量，由附录差的有关五行数据： 1 , 1 2 1 8 6 . 8 /r k J k g . 表 效数 X t/ / kg)i（ /T /( / )I kJ /( / )r kJ 0 7 113 1 54 64 25 2 5 蒸发器的传热面积的估算 由化工原理附录 3可得 : 1 , 1 2 1 8 6 . 8 /r k J k g ； 13 kJ/54 kJ/64 kJ/25 kJ/ I 1=kJ/ I 2=kJ/ I 3=kJ/ r 1=kJ/ r 2=kJ/ 由 1 1 1 1 0 1( ) ( )w I i D r F i i 1 1 2 1 2 2 2 1 2( ) ( ) ( )w i i r w I i F i i 1 2 3 2 2 3 2 3 3 3 2 3( ) ( ) ( ) ( )w i i w i i r w I i F i i 解得 1w h, 2w =h, 3w = h, 1D =h. 综上可得： 11111=144 2m , 21122289 , 22233399 由于算出 3个蒸发器传热面积相差甚大，所以上步中计算分配的有效温度差存在较大偏差需要重新分配和计算。 机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 52 页 2 6 温差的重新分配与传热面积的重新分配 重新分配各效的有效温度差 由粗算中所得的数据可得： 21 1 2 2 3 3 105A t A t A ， 解得 111 =, 222 =, 333 = 综上重算数据可得各效各效温度，二次蒸汽温度，加热蒸汽温度： 1T =, 1 1 1t T t = 1 1 1 = 21 =, 2 2 2t T t = 2 2 2 = 32 =, 3 3 3t T t = 3 3 3 = 重新查附录得： 13 kJ/35 kJ/64 kJ/27 kJ/ I 1=2683 kJ/ I 2=2655 kJ/ I 3=2596 kJ/ r 1=2249 kJ/ r 2=2291 kJ/ 表 量衡算表 效数 X t/ i/(kJ/T / /( / ） r /(kJ/） 0 7 113 1 35 683 2249 2 64 655 2291 3 27 596 计算各效传热面积 将上述所得数据代入 1 1 1 1 1 0 1( ) ( )w I i D r F i i ， 1 1 2 1 2 2 2 1 2( ) ( ) ( )w i i r w I i F i i ， 1 2 3 2 2 3 2 3 3 3 2 3( ) ( ) ( ) ( )w i i w i i r w I i F i i 。 机械工程学院毕业设计 第 11 页 共 52 页 解得： 1w 5623kg/h, 2w =6094kg/h, 3w =6488kg/h, 1D =9122kg/h=s. 从而得出： 0110 . 1 3 2W ; 02120 . 2 0 5 W W . 由于算出的 12, 12,度差损失仍按原值，各效有 效温度差不变，可进行下一步运算。 11111=104 2m ， 211222106 ， 222333105 。 得知各效传热面积基本相同，取传热面积为： A= 21 2 3 1053A A A m 。 机械工程学院毕业设计 第 12 页 共 52 页 3 蒸发器工艺尺寸计算 蒸发器的主要结构尺寸（以下均以第一效为计算对象） 选取中央循环管式蒸发 器的计算方法如下。 3 1 加热管的选择和管数的初步估计 加热管是中央循环式蒸发器加热室的换热部件，也称为 换热管 。换热管 是管壳式换热器的传热元件 ,采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接 最 有效的方法。 国内已使用的换热管有以下几种 ： (1)螺纹管 螺纹管也称低翅片管 ,用光管轧制而成 ,适用于管外热阻为管内热阻 油等粘度大 、 腐蚀易结垢 的 物料的换热。 (2)用于管外沸腾时 ,可有效降低物料 的 泡核点 ,沸腾给热系数提高 是蒸发器、重沸器的理想用管。 (3)表面多 孔管 为光管表面形成 1层多孔性 的 金属敷层 ,该敷层上密布小孔能形成很多汽化中心 ,强化沸腾 和 传热。 (4)螺旋槽纹管 可强化管内物流间的传热 ,物料在管内靠近管壁部分 的 流体顺槽旋流 ,另一部分流体 则 呈轴向涡流 ,前 者 流动有利于减薄边界层 ,后 者 流动分离边界层并 会 增强流体扰动 ,传热系数提高 但 是 阻力降 会 (5)波纹管 即通过 挤压成形的不锈钢薄壁波纹管 ,管内、外都有强化传热的作用 ,但波纹管换热器承压能力 较为不 高 ,管心距大 而 排管少 ,壳程短路 也 不易控制。 (6)直 管 结构简单，传热性较好， 但由于其内部没有形状突变，对流体的阻力会较小，比较适用于容易结垢的介质。 综上，本设计换热管选择直管形式；蔗糖走管程，蒸汽走壳程。 根据国标 1510蒸发器的加热管通常选用 32 无缝钢管， 加热管的长度一般为 2m，有时也选用 2子长度的选择应根据溶液结垢后的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液就选用短管。根据我的设计任务和溶液性质，我选用以下的机械工程学院毕业设计 第 13 页 共 52 页 管子。 可根据经验选取： L=2M， 32 加热管固定在管板上， 而 管板选择考虑到管板 厚度 所占有的传热面积，以及因焊接所需要每端留出的剩余长度，则计算理论管子数 n 时的管长实际可按以下公式 来 计算： L=（ m=.9 m 则可得每根加热管截面积： S= 2d(2 ）=周长 :H= d =根加热管管的换热面积为： 1S =H L=m 若全部为加热管束，则估算单程管子数为： ）（ 619 式中 V 蒸发器的传热面积，由之前的工艺计算决定； 加热管外径， m； 加热管长度， m。 因为是采用的中央循环管式换热器，而若采用 540根则换热面积 : 2S =540 08 2m 3 2 循环管的选择 中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的 40%加热管的总截面积可按 环管内径以 于加热面积较小的蒸发器，应该去较大的百分数，取加热管的面积 70%，则 4（ 40% 100%） ( 540*%70 *32=802以选取管子直径 800 10环管管长与加热管管长相同为 2m。 按上式计算出 应从管规格表中选取管径相近的标准管，只需 n 和 n机械工程学院毕业设计 第 14 页 共 52 页 相差不大。循环管的规格一次确 定。循环管的管长与加热管相等，循环管的表面积不计入传热面积之中。 根据国标 151录 C，换热器用奥氏体不锈钢焊接接管，细管钢管外径允许偏差按表 1C ，有 表 2C 为 央循环管外径允许偏差为 1 因为此处中央有一根直径较大的中央循环管，加热管在管板上的排列方式可选用同心圆布管，如图 图 同心圆布管 根据国标 1512知 32号管中心距为 40换热管中心距一般不小于 的换热管外径，所以可取中心距 50为循环管直径是 802最里面的那圈换热管可取中心距 1000 0得到最广泛应用的不锈钢、耐热钢。用于食品生产设备、昔通化工设备、核能等 。故都 采用 0加热管为 注： (加热管须采用整根钢管，不允许拼接的无缝钢管。加热管应每一批中做一根钢管的扩口试验。加热管的金相组织应具有铁素体 。 综上： 管形式。 1） 1 根 d=802 10径允许偏差 度偏差 1料用0 （ 2） n=540根，用 32 无缝钢管。且要注意钢管应该采用不机械工程学院毕业设计 第 15 页 共 52 页 加填充金属的自动电弧焊或电阻焊的焊接方法来制造，交货状态为固溶处理和酸洗。若经光亮和固溶处理，则可以不经过酸洗。于钢管还需进行洛氏硬度试验，洛氏硬度 向弯曲试验， 进行涡流检测。钢管的外径允许偏差按表 1C 度允许偏 差 按表 2C 为 心圆布管。 3 3 接管尺寸的确定 流体进出口接管内径按下式计算： 14式中 V 流体的体积流量， /s；前面已求得 104 s； u 流体的适宜流速， m/s。 流体的适宜流速列于下查于相关标准，如下表 计是可作为参考 表 流体的适宜流速 强制流动的液体 自然流动的流体 饱和蒸汽 空气及其他气体 m/s m/s 20m/s 15m/s 蒸发器有如下主要接管。 （ 1）蔗糖的进出口 对于并流加料的三效蒸发， I 效溶液的流量最大，如各效设备采用统一尺寸，应根据 量来确定接管。而溶液的适当流速按强制流动考虑。为了方便起见，进出口可取统一管径。所以可设接管内流速u=12m/s，那么接管14=相关标准可选用接管内径 150 机械工程学院毕业设计 第 16 页 共 52 页 （ 2）加热蒸汽进口与二次蒸气出口 如果各效结构尺寸一致，则二次蒸汽体积流量应该取各效中的较大者。一般情况下，末效体积流量最大。设 u=20m/s，接管14=查相关标准可选用接管内径 150 （ 3）冷凝水 出口 冷凝水的进出一般是属于自然流动 (有泵抽出的情况除外 )，接管直径应由各效加热蒸汽消耗量较大者来确定。设 u=s，则接管14=用内径为 50 3 4 设计条件 表 艺参数 壳程 管程 容器类别 一类 设计压力 工作压力 计温度 150 90 工作温度 料名称 水蒸气 蔗糖溶液 主要受压元件材质 壳程圆筒 椭圆形封头316L(00换热管 管板 1焊 壳程圆筒 1缝系数 1 1 液压试验压力 热面积 2m 105 机械工程学院毕业设计 第 17 页 共 52 页 3 5 蒸发器结构设计参数的确定 因为三效蒸发器里的三个蒸发器的结构基本是一样的，所以只要设计一个蒸发器。下面对第一效蒸发器进行计算。 热流体进口温度（水蒸汽） =出口温度（水） =所以壳程混合气体的定性温度为 T=121。 冷 流体进口温度（蔗糖溶液） =27，出口温度 =所以管程流体的定性温度为 t= 27 =65。 查化工原理附录 2可得：壳程 T=121时，操作压力 = 管程 T=，操作压力 =3 6 管板的选择尺寸及设计要求 图 管板 (1)由换热管的排列分布可知管板 800据 规定换热机械工程学院毕业设计 第 18 页 共 52 页 器设计手册表 1A）选取整体管板： D=19601D =1915876m，3D =17974D =18535D =1800C =2d =27 螺栓规格 2 个， 70b=80孔按 6级管束换热管外径 32孔直径 许偏差 。 (2) 管板的设计要求： 管板所用 1按 严格要求； 管板加工后全表面及焊接破口，经磁粉检测，符合 级 进行 300下的高温拉伸试验且高温屈服强度要符合 要求。 3 7 筒体设计 换热器壳体采用圆柱形筒体结构的形式，因工作压力不高，所以采取单层式圆筒结构。 内压圆筒的壁厚 （查过程设备设计得）： 2式中： 为焊接接头系数； C 为壁厚附加量， 考虑到介质具有腐蚀性，所以选择 1知条件有： 800， t =170 =过程设备设计得），设计压力 P=1 壳体计算压力加上液体静压力，因为 液柱静压力： p= 000* 5%*1所以这里的液柱静压力可忽略不计。 所以计算压力=计算壁厚： 机械工程学院毕业设计 第 19 页 共 52 页 2 p 1702 18001=设计壁厚： n= +0= 1板负偏差 0，所以名义厚度 n=因而可取名义厚度为 6 。而对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀余量的最小厚度应不小于 3，名义厚度至少要取 5钢材标准规格取名义厚度为 6 圆筒的厚度应按 1998 第 5 章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒额最小厚度应不小于表 规 定。 表 体 公称直径 400 700 7001000 10001500 15002000 2000 2600 浮头式， 8 10 12 14 16 固定管板式 6 8 10 12 14 综上所述可得，圆筒的厚度应该为 12 即加热室和分离室壳体的壁厚均为 12 3 8 连接 3 8 1 管子与管板的连接 管子与管板的连接方式有：胀接、焊接和胀焊并用三种方法。其中胀接又可分为 机械胀管 、 液压胀管 和爆炸胀管三种 方法。 胀接结构简单，便于更换和修补管子，但是不适合在高温下工作。而 机械 滚 胀法 操作简便，但容 易使 得 胀接不匀，一旦管子 用胀管来修复就 比较 困难 ； 液压胀管 操作方便，且 换热管不 会 产生 “过胀 ”，也不会产生 “窜动 ”，所以连接区内应力分布很 均匀 ， 连接的可靠性较机械胀接要好 些，但 液压胀接对加工精度要求 较 严格 ，对于密布的接头，要保证 百分之百 胀接成功，也 是 有一定的困难，如果失效，再胀接修复也较为因难 ；爆炸胀管操作较为复杂，且难以控制，所以一般不采用。 机械工程学院毕业设计 第 20 页 共 52 页 焊接连接是 保证管子和管板连接处有 可靠的 紧密性与抗拉脱能力 的 工艺方法。焊接时焊缝不易出现裂纹、气孔及夹渣等缺陷，接头有足够的强度、塑性和良好的密封性、耐蚀性，通常出现失效 的 几率很小 。但管子和管板缝隙处则容易形成滞留液体，造成腐蚀破坏，且小直径的管子易被熔融了的金属堵塞住管口。 综合上面的分析及本设计的实际情况，采用管子与管板的连接应采用液压胀接方式如图 图 液压胀接 3 8 2 管板与壳体的连接 在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接都是采用的焊接方法。因为管板有兼作法兰和不兼作法兰的区别，所以其各自的结构形式也有所不同。 在本设计中采用固定管板、管板兼作法兰的结构，管板与壳体的焊接形式。管板与管箱采用螺栓连接，密封形式采取垫圈密封，其结构如下图。下图使用在壳体壁厚小于等于 12程设计压力不大于 1壳程介质为非易燃、非易爆 、非挥发性及有毒。此处壳程走饱和蒸汽，均符合要求， 机械工程学院毕业设计 第 21 页 共 52 页 图 板与壳体的连接 3 9 封头的选择、强度和厚度计算 封头形式 主要 有： 球冠 封头 、 椭圆形封头、碟形封头 、 半球形封头等， 第一种的优点是制造方便，后 面 三种的优点是受力好。 球冠封头是部分球面，它不经过过 渡而与圆筒直接连接，因此球冠封头存在很大的不连续应力，但是其制造也更加方便。碟形封头是带折边的球面封头 ,由半径为 径为 于曲率存在突变，因此受力情况不佳，但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工。 其中受内压（凹面受压）的椭圆形封头，因为封头的椭球部分经线曲率变化较为平滑连续，故应力比较均匀，且椭圆形封头的深度较半球形小的多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。且根据 1998球形封头厚度计算公式，球形封头厚度可以减小到筒体的一 半；且考虑本设备尺寸大，从经济性出发，选用椭圆型封头。 (1)设计温度下椭圆型封头的计算厚度 此处我们使用标准椭圆封头，由ii ，可得 50时 K=1 焊接接头系数 =度计算式为： 1 1 8 0 0 6 . 2 42 1 7 0 0 . 8 5 0 . 5 12 0 . 5p 封头选择 00不锈钢材料，故 , 封头的设计厚度： 2d C =械工程学院毕业设计 第 22 页 共 52 页 此处厚度负偏差 1C 因不大于 6%= 故取 1C =0. 封头的名义厚度： 1= 考虑开孔补强因素及冲压减薄；向上圆整至钢材标准规格的厚度 12 综上，椭圆形封头的有效厚度： 12()C =12 3 10 法兰的确定 图 兰 由于材料为奥氏体不锈钢 1 采用板式平焊法兰，如左图所示。进出气口 接管法兰选用 159 兰 : 数量 5个 50 A=159 D=285 K=240 L=221B =161 b=6 C=24 螺栓 :n=8 法兰质量 （ 2）冷凝水出口 接管法兰选用 57 兰 : 数量 1个 0 A=57 D=165 K=125L=18 1B =59 b=5 c=18螺栓 :n=4 机械工程学院毕业设计 第 23 页 共 52 页 法兰质量 3 11 除沫器的选择、尺寸的确定 图 装式丝网除沫器 根据设计要求，除沫器采用丝网除沫器作为气液分离装置 ,用上装式（根据 因为公称直径为 1800，按 800， H=150,选取材料为 0号321 (如表 表 除沫器的尺寸 机械工程学院毕业设计 第 24 页 共 52 页 3 12 人孔 由 称直径 50用回转盖板 式平焊法兰人孔 尺寸如下图： 图 孔 人孔同样选用不锈钢 13 13 支座 (1)支座简介及选择 支座定义： 用以支承 容器 或 设备 的重量，并使其固定于一定位 置的支承部件 ,并需 要承受操作时的 振动 与地震载荷。其结构型式主要由容器自身的型式和支座的形状来决定，通常分为立式支座、卧式支座和球形容器支座三类 : 承式支座、支承式支脚，支承式支腿、裙式支座等； 座和 支腿式支座等； 式、半埋式和 V 形支承等 。 由于本次设计的结构需要采用悬挂式的耳式支座； 根据 型耳式支座如图 (2)设计要求（引自 焊接采用电焊、炸条牌号应根据支座各部件的材料参照有关标准选用，焊接接头的型式和尺寸按 的规定。 机械工程学院毕业设计 第 25 页 共 52 页 耳式支座本体的焊接，采用双面连续填角焊。支座与容器壳体的焊接采用连续焊，焊缝腰高约等于 的较薄扳厚度，且不小于 4 、后焊缝金属表面不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。焊接区不应有飞溅物。 、垫板应与容器壁贴合。局部最大间隙应不超过 1 、支座螺栓孔的力工极限偏差与其它部分的 制造公差分别按 804的第 与 精度。石文座所有组焊件周边粗糙度为 、若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热处理前 图 型耳式支座 3 14 开孔补强设计 各种工艺和结构上的要求，容器上不可避免会开孔并安装接管。开孔的同时削弱了器壁强度外，而且破坏了容器的连续性，会造成局部应力过高，而是容器遭到破坏，设计时须要充分考虑开孔补强的问题。但是并不所有容器开孔后都需要补强，有的容器及接管实际 壁厚 有裕量。所以开孔在某一范围时，可以不补强。 在圆筒体、球壳、锥壳上， 以及凸形封头中心 80%的内直径内开孔时，满足下述全部要求事可允许不另行补强： （ 6） 设计压力小于或等于 机械工程学院毕业设计 第 26 页 共 52 页 （ 7） 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍； （ 8） 接管公称外径小于或等于 89 （ 9） 接管最小壁厚满足下表的要求。 如表 表 接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有： a. 补强圈补强； b. 厚壁接管补强； c. 整锻件补强。 其中补强圈补强一般用静载，常温，中低压，材料的标准抗拉强度低 540强圈厚度小于或等于 名义厚度不大于 38设计中的搅拌罐属中低压容器，采用补强圈补强。 补强准则用等面积补强：即认为壳体因开孔被削弱承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内以等面积补偿。该方法是以双向受拉伸无限大平板开有小孔时孔边的应力集中作理论基础的，即仅考虑壳体中的拉伸应力，且 以补强壳体的一次应力强度作设计准则，故对小直径的开孔安全、可靠。 等面积补强计算 : (1)允许开孔的范围 圆筒上开孔的限制，当其内径 1500，开孔最大直径 d 1/2 且d 520其内径 1500孔最大直径 d 1/3 d 1000 凸形封头或球壳上开孔最大直径 d 1/2 锥壳或锥形封头上开孔最大直径 d 1/3 (2)所需最小补强面积 A 对受内压的圆筒或球壳， 所需要补强面积 A： 机械工程学院毕业设计 第 27 页 共 52 页 A=2 式中 A 开孔削弱所需补强面积， mm d 开孔直径， 壳体开孔处的计算厚度， 接管有效厚度， mm 强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，大于 1时，取 。 补强材料与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按照壳体材料与补强材料许用应力之比增加；若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不能减少。 本设计中的补强材料与壳体材料相同补强圈如图 图 补强圈 开孔的补强面积直径大小 由补强面积公式，可求得补强圈直径大小，整理原式后可得： 进出气孔 D= 22 150 =203人孔 D= 24502 =636冷凝水出口 D= 22 50 =71机械工程学院毕业设计 第 28 页 共 52 页 4 蒸发器的校核及设计要求 以下对蒸发器主要受力元件管板、筒体与封头是根据 别对其进行校核注：（必要参数都查自 章） 。 4 1 校核所用部分参数符号 以下未注明的在正文中有说明 A 壳程圆筒内直径横截面积 1A 管板开孔后的面积 圆筒壳壁金属横截面积 管板布管区面积 a 一根换热管管壁金属横截面积 管箱法兰的宽度，0 管箱法兰的外直径 壳体圆筒和管箱圆筒的内直径 管板布管区的当量直径 d 换热管外径 管箱圆筒材料弹性模量 管板材料弹性模量 壳程圆筒材料弹性模量 换热管材料弹性模量 K 换热管加强管系数； 壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数 壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数 机械工程学院毕业设计 第 29 页 共 52 页 旋转刚度参数 旋转刚度无量纲参数 管束模数 k 管板周边不布管区无量纲宽度 L 换热管有效长度（两管板内测间距） l 换热管与管板伸出高度 M 管板边缘力矩系数 边界效应压力组合系数 m 管板总弯矩系数 1m 管板第一弯矩系数 2m 管板第二弯矩系数 n 换热管根数 有 效压力组合 边界效应压力组合 当量压力组合 壳程设计压力 管城设计压力 Q 壳体不带波形膨胀节时，热管束与圆筒刚度比 q 换热管与管板连接的拉脱力 【 q】 焊接许用拉脱应力 S 换热管中 心距 0t 制造环境温度 沿长度平均的壳程圆筒金属温度 t 沿长度平均的换热管圆筒金属温度 V 管板边缘剪切系数 机械工程学院毕业设计 第 30 页 共 52 页 S 壳程圆筒材料线性膨胀系数 t 换热管材料线性膨胀系数 换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差 管板计算厚度 n 管板假设厚度 h 管箱圆筒厚度 s管程圆筒厚度 t 换热管壁厚 管板刚度消弱系数 系数 官办强度小若系数 t 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 壳程圆筒轴向应力 管程径向应力 管程布管区周边处的径向应力 管板径向应力系数 管板布管区周边处的径向应力系数 t 换热管轴向应力（位于管束周边出换热管轴向应力） 在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力 换热管受压换稳当量长度 i 换热管的回转半径 换热管稳定许用应力 设计温度时，换热管材料的屈服点 机械工程学院毕业设计 第 31 页 共 52 页 设计温度时， 管板材料的许用应力 设计温度时，换热管材料的许用应力 管板布管区周边剪切应力 管板布管区周边剪切应力系数 壳程圆筒的装配环向焊缝系数 4 2 筒体的校核