固定管板式换热器

1、辽宁工业大学课程设计目 录前 言3化工设备简介3换热器概述3管壳式换热器的分类3管壳式换热器的结构5换热器相关技术研究内容及发展动向5第一章 工艺计算部分61.1设计任务及条件61.2确定设计方案61.2.1选择换热器的类型61.2.2 参数计算81.3工艺结构尺寸91.3.1换热管参数计算91.3.2壳程参数计算101.3.3接管参数计算101.4换热器核算111.4.1管程传热膜系数111.4.2壳程传热膜系数111.4.3传热面积的校核131.5换热器内压降的核算141.5.1管程阻力计算141.5.2壳程阻力计算141.6工艺计算结果汇总15第二章 强度计算部分162.1换热器壁厚设计

2、计算162.1.1壳程壁厚设计计算162.1.2管箱短节、封头厚度的计算172.1.3换热管壁厚校核182.2管板设计及校核182.2.1管板的选材以及连接方式182.2.2管板计算的有关参数确定192.2.3管板与管子的应力的计算202.3开孔补强212.3.1补强的判别222.3.2开孔补强面积232.3.3补强圈的设计242.4密封装置选型及设计242.4.1垫片选型与设计242.4.2螺栓设计与计算252.4.3法兰选型与设计262.5支座的设计计算及校核292.5.1支座安装位置确定292.5.2鞍座宽度b的确定302.5.3鞍座的选择302.5.4鞍式支座的计算及校核302.5.5

3、鞍座内力的分析322.6其他附件的设计与选择322.6.1折流板的设计322.6.2拉杆结构形式332.6.3焊接接头设计342.6.4膨胀节的设计35体会心得36参考文献37前 言压力容器在生产技术领域中的应用十分广泛，如化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备。一些高新技术，如航空航天技术、先进能源技术、先进防御技术等都与压力容器密不可分。由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器通常为压力容器，是由板和壳组合而成的焊接结构，一般由筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组成。 换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热

4、量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。管壳式换热器的分类根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式、双管式等。1）固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵塞或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。这种换热器适用于壳测介质清洁且不

5、易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳测压力不高的场合。图1 固定管板式换热器结构图2）浮头式换热器浮头式换热器的典型结构如下图所示。两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头换热器的特点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗大，且浮头端小盖在操作中无法检验，制造时对密封要求较高。适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。图2 浮头式换热器结构图3）U形管换热器U形

6、管式换热器的典型结构如下图所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一根管板上管子可自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。 图3 U形管换热器结构图由于弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而且坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U形管结构比较简单、价格便宜、承压能力强、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、

7、高压、腐蚀性大的物料。4）填料函式换热器填料函式换热器的典型结构如下图所示。这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可自由伸缩，壳壁与管壁不会产生热变形差，从而避免可热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出你，管内，管间都能清洗，维修方便。图4 填料函式换热器结构图管壳式换热器结构管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。管壳式换热器的结构应该保证冷、

8、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力的能力。(1)管板：管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。(2)管子与管板的连接：管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。既要满足其密封性能，又要有足够的抗拉强度。其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等。(3)管箱：其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器。(4)折流板和支承板：壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果

9、，以达到一定的传热强度。常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形。(5)拉杆和定距管：折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固在一起。拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或螺纹固定。一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根。管板与壳体的连接：其连接型式可分为不可拆式和可拆式。换热器相关技术研究内容及发展动向随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展。 目前各国为提高这类换热

10、器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用

11、传热面积等。换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展。本课题的研究内容及意义本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算。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

12、能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。第一章 工艺计算部分1.1设计任务及条

13、件（1）处理量：100000 （2）苯入口温度为80，出口温度55（3）冷却介质：地下水，入口温度：35，出口温度45（4）操作压强：壳程1.4，管程0.5允许压强降：不大于301.2确定设计方案1.2.1选择换热器的类型 （1）管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为固定管板式换热器和浮头式换热器。其中固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有补偿圈的固定管

14、板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70且壳方流体压强不高于600KPa的情况。而浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。 （2）选型相关数据计算苯定性温度循环水的定性温度两流体的温差，初选固定管板式换热器管程安排：考虑到冷却水若走壳程由于流速较低易结垢，确定冷却水走管程，苯走壳程，增大传热强度。图5 具有补偿圈的固定管板式换热器1- 折流挡板；2-补偿圈；3-放气阀确定物性数据

15、：苯在67.5,2.2MPa条件下的有关物性数据如下：（查化工原理附录）表1-1 两流体在定性温度下的物性数据物性流体温度密度粘度mPa·s比热容kJ/(kg·)导热系数W/(m·)苯67.58790.352.00.15循环水409950.724.20.631.2.2 参数计算热流量冷却水用量平均传热温差，按逆流算初算传热面积 表1-2 列管式换热器中K值大致范围热流体冷流体传热系数 K/(W·m²·K-1)水轻油重油气体水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝低沸点烃类蒸汽冷凝高沸点烃类蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水水水水水气体水水水沸腾轻油

16、沸腾重油沸腾850170034091060280172801420425030300455114060170200042504551020140425由于在高压力下操作，假设则估算的传热面积为1.3工艺结构尺寸1.3.1换热管参数计算换热管内流速 选用较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速为。管程数和传热管数 单程传热管数为 取89所需传热管总长度为 取传热管长，则管程数 ,取四管程传热管总根数 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数如下： 按单壳程四管程结构查图得 图6 校正系数图平均传热温差因为，故采用单壳程。传热管排列和分程方法每程内传热管按正三角形排列，隔板两侧分程采用正方形排列

17、。取管心距 隔板中心到离其最近的一排传热管中心距离 各程相邻管心距为43。图7 三角形排列1.3.2壳程参数计算壳体直径计算采用四管程结构，取管板利用率，则壳体直径按卷制壳体的进级档取。折流板选择采用弓形折流板，切去圆缺高度为内径25% 折流板间距 圆整取 。折流板数目 管板布管区直径布管面积 布管圆直径 1.3.3接管参数计算壳程流体进出口接管 取接管内气体流速，则接管内径 圆整取。管程流体进出口接管 取接管内液体流速，则接管内径 圆整取初步选定卧式固定管板式换热器的规格如下：表1-3 换热器的规格项目公称直径D管程数管数n管长L管子直径管子排列方式数据456正三角形1.4换热器核算1.4.

18、1管程传热膜系数 管程流体流通截面积 管程流体流速和雷诺数 普朗特数 传热膜系数1.4.2壳程传热膜系数 传热管按正三角形排列时传热当量直径壳程流通截面积 壳程流体流速和雷诺数 普朗特数 黏度校正取传热膜系数污垢热阻和管壁热导率 污垢热阻往往对换热器的操作有很大影响，需要采取措施防止或减少污垢的积累或定期清洗。由表1-4查得管内侧污垢热阻，管外侧热阻。管壁厚度，碳钢在该条件下的热导率。表1-4污垢热阻Rd的大致范围流体污垢热阻Rd/(m²··kw-1）流体污垢热阻Rd/(m²··kw-1）水（u<1m/s,t<47)蒸馏水

19、海水清洁的水未处理的凉水塔用水已处理的凉水塔用水已处理的锅炉用水硬水、井水水蒸汽优质不含油劣质不含油0.090.090.210.580.260.260.580.0520.09水蒸汽优质不含油劣质不含油往复机排出液体处理过的盐水有机物燃料油焦油气体空气溶剂蒸汽0.0520.090.1760.2640.1761.0561.760.260.530.14总传热系数1.4.3传热面积校核 换热器的实际传热面积 换热器的面积裕度 1.5换热器内压降的核算1.5.1管程阻力计算 换热管阻力 其中，。直管阻力 由，传热管相对粗糙度0.01查得摩擦系数。1.5.2壳程阻力 筒体内阻力 其中，。流体流经管束的阻力

20、 其中。 流体流过折流板缺口的阻力 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格大换热器。按一般经验，对于液体常控制在104105Pa范围内，对于气体则以103104Pa为宜。此外，也可依据操作压力不同而有所差别，参考下表。表1-5 换热器操作允许压降P换热器操作压力P(Pa)允许压降P<105 (绝压)0105 (表压)>105 (表压)0.1P0.5P>5×104 Pa1.6工艺计算结果汇总表1-6 换热器主要结构尺寸和计算结果参

21、 数管 程壳 程流率kg/h119055100000温度（进/出)/35/4580/55物性参数定性温度/4067.5密度/(kg/m3)995879比热容/kJ/kg/）4.22.0黏度/mPa·s0.720.35热导率/W/(m·)0.630.15普朗特数4.84.67设备结构参数型式固定管板式台数1壳体内径/mm800壳程数1管子规格25mm×2.5mm管心距/mm31.25管长/mm6000管子排列正三角形管子数目/根356折流板数/块19传热面积/m2167.7折流板距/mm300管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.24传热膜系数/W

22、/·)3920133污垢热阻/(m2·/W)0.00040.0006热负荷/KW397.7传热温差/24.6传热系数/W/(m2·)50裕 度/%471第二章 强度计算部分设计参数如下表:表2-1 强度设计参数表管程壳程工作压力设计压力腐蚀余量材质0.50.551.0Q235-B1.41.541.0Q235-B2.1换热器壁厚设计计算2.1.1壳程壁厚设计计算由工艺设计给定的设计温度67.5，设计压力=2.42，选碳钢钢板Q235-B卷制.材料67.5时的许用应力=113，取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=1.则计算厚度 对于Q235-B，钢板负偏差名义厚度 因

23、而圆整取名义厚度有效厚度 壳程水压试验压力 所选材料的屈服应力 水压试验应力校核 水压强度满足要求.2.1.2管箱短节、封头厚度的计算管箱短节厚度的计算由工艺设计给定设计参数为:设计温度40,设计压力=0.88,选用Q235-B钢板,取焊缝系数计算厚度 名义厚度 圆整取名义厚度 综合考虑结构,补强,焊接的需要,取有效厚度 封头的选择以及厚度计算封头是石油化工、原子能到食品制药诸多行业压力容器设备中不可缺少的重要部件,是压力容器上的端盖，是压力容器的一个主要承压部件。同时，和封头的作用差不多的的产品有盲板和管帽，不过这两种产品是可以拆卸的，而封头焊好了之后是不可以再拆卸的，封头的品质直接关系到压

24、力容器的长期安全可靠运行。封头根据几何形状的不同，可分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中球形 、椭圆形、碟形、球冠型封头又统称为凸形封头。在焊接上分为对焊封头，承插焊封头。用于各种容器设备，如储罐，换热器，塔，反应釜和分离设备等。材质有碳钢（A3、20#、Q235、Q345B、16Mn等）、不锈钢（304、321、304L、316、316L等）、合金钢（15Mo3 15CrMoV 35CrMoV 45CrMo ）、铝、钛、铜、镍及镍合金等。本次设计我们选用最常见的椭圆形封头，如图9，材质选择Q235-B，并对其所需厚度进行计算和校核。图8 椭圆形封头计算厚度 名义厚度 为了便

25、于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同.有效厚度 压力试验应力校核水压试验压力 水压强度满足要求2.1.3换热管壁厚校核本次设计选用的是25×2.5的碳钢管,材质为Q235-B，在以下三种情况下进行校核：i正常工作情况下，承受外压，换热管看做长圆筒，取ii壳程内无介质，承受内压iii管程内无介质，承受外压2.2管板设计及校核2.2.1管板的选材以及连接方式管板主要用于化工容器，诸如列管式换热器、压力容器、锅炉、冷凝器、中央空调、蒸发器、海水淡化中，起支撑固定列管的作用，金属的材质使其不仅具有很强的刚性，而且具有很大的热传导性能。根据需要使用环境的不同，使用不同的材质，一般使用Q345R的

26、容器板，诸如一二级压力容器，无腐蚀介质流通，使用碳钢复合板即可。遇到强酸，高压高温，核能等环境就需要不锈钢，16MnR，钛合金等耐腐蚀的材质。换热管与管板的链接应保证密封性能和足够的紧固强度，常采用胀接，焊接或胀焊并用的方法。胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况，特别适用于材料可焊性差（如碳钢换热管）及制造厂的工作量过大的情况。由于胀接管端处在焊接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的升高，残余应力逐渐消失，这样使管端处降低密封和结合力的作用，所以胀接结构受到压力和温度的限制，一般适用于设计压力4Mpa，设计温度300度，并且在操作中无剧烈地震动，无过大的温度变化及无明显的应力腐

27、蚀。焊接连接具有生产简单、效率高、连接可靠的优点。通过焊接，使管子对管板有较好的增将作用；并且还有可降低管孔加工要求，节约加工工时，检修方便等优点，故应优先采用。此外，当介质毒性很大，介质和大气混合易发生爆炸介质有放射性或管内外物料混合会产生不良影响时，为确保接头密封，也常采用焊接法。焊接法虽然优点甚多，因为他并不能完全避免“缝隙腐蚀”和焊接节点的应力腐蚀，而且薄管壁和厚管板之间也很难得到可靠的焊缝。焊接法虽然较胀接可以乃更高的温度，但是在高温循环应力的作用下，焊口极易发生疲劳裂纹，列管与管孔存在间隙，当受到腐蚀介质的侵蚀时，以会加速接头的损坏。因此，就产生了焊接和胀接同时使用的方法。这样不但

28、能提高接头的抗疲劳性能，同时可以降低缝隙腐蚀倾向，因而其使用寿命比单用焊接时长的多。在什么场合下适宜施行焊、胀接并用的方法，目前尚无统一标准。通常在温度不太高而压力很高或介质极易渗漏时，采用强度胀加密封焊（密封焊是指单纯防止渗漏而施行的焊接，并不保证强度）。当在压力和温度都很高的情况下，则采用强度焊加贴胀，（强度焊是即使焊缝有严密性，又能保证接头具有较大的拉脱力，通常是指焊缝强度等于管子轴向负荷下的强度时的焊接）。贴胀的作用主要是消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。本次设计为保证焊接性能，选用Q235-B，因为是固定管板式换热器，所以管板与壳体设计为不可拆式，管板与换热管采用胀焊并用的连接方式

29、。2.2.2管板计算的有关参数的确定壳程圆筒内直径横截面积 一根换热管管壁金属的横截面积 总面积管壁金属横截面积 两管板间换热管有效长度(估计管板厚度为) 管板开孔后面积 系数为 开口强度削弱系数（四程） 系数为 当量压差 假设管板厚度b=40mm,计算K值 按管板简支考虑，依据K值，查得 2.2.3管板与管子的应力的计算 管板最大应力 管子最大应力 管板设计厚度满足要求2.2.4管子与管板连接拉力的校核 换热管轴向应力 一根管壁的金属横截面积 换热管在设计温度下的需用应力为（1）以壳程设计压力 计算 （2）以管程设计压力 计算 （3）以壳程压力，管程压力同时作用时计算 所以换热管轴向应力符合

30、要求换热管与管板连接拉脱力 根据GB151-1991规定,换热管与管板拉脱力许用值为 换热管与管板焊接长度 (1) 以壳程设计压力 计算 （2）以管程设计压力 计算 (3）以壳程压力，管程压力同时作用时计算 综上,换热管与管板连接的拉脱力符合要求。2.3开孔补强开孔补强是压力容器为弥补开孔周围区域强度下降而采取的加强措施，其方式如图10，壳体开孔后因承载面积减小及应力集中使开孔边缘应力增大且强度受到削弱，为使孔边应力下降至允许范围以内，可采用增加大面积壳体厚度的整体式补强或在开孔附近区域内增加补强元件金属的局部补强。由于开孔削弱的局部性，局部补强的效果显著，常用的补强元件有补强圈、接管和整锻件

31、。在中低压容器中应用最为广泛的是补强圈补强，也称“贴板补强”。整体式补强的结构简单，制造方便，但补强效率不高，材料浪费，仅在为保证刚度需增加壳体厚度或因开孔多而局部补强不便时采用。补强计算准则主要有等面积补强和极限分析补强两种。补强元件与壳体金属熔焊成一体的可作为整体受力结构，其抗疲劳性能好，如接管补强、整锻件补强和加厚壳体补强。补强圈补强属非整体受力结构，其抗疲劳性能较差。制造时如必须在主要焊缝上开孔，则应对开孔边缘的焊缝作100无损探伤。图9开孔补强（a）补强圈补强 （b）接管补强 （c）整锻件补强2.3.1补强判别在本次设计的固定管板式换热器的所有开孔管中，以冷却水进口的接管处的开孔直径

32、最大，这里先以此为例，进行补强计算。当设计压力小于或等于 2.5MPa 的壳体开孔，两相邻开孔中心的间距大于孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于 89mm 时，只要接管最小厚度满足下表，就可不另行补强。由于本次开孔内径为200,，故需另行考虑其补强。表2-2 不另行补强的接管最小厚度接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0由于设计压力在低压范围内、工作温度不高、介质腐蚀性弱、材质为 Q235-B、其标准抗拉强度低于 540、壳体名义厚度不大于 38，以上均满足补强圈补强的条件，又因为补强圈补强，结构简单、使用经验丰富，所以采用补强圈。因为等面积补强

33、有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等给与一定的配套限制，在一般压力容 器使用条件下能够保证安全。开孔补强计算方法判别开孔补强的设计方法主要有等面积补强法和极限分析补强，又因为等面积补强有长期的实践经验，简单易行，在一般压力容器使用范围下能够保证安全，所以采用等面积补强法进行补强计算内径为 Di =800 的圆柱形容器。本次设计封头开孔直径d=200<Di/2=400,满足面积法补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。2.3.2开孔所需补强面积a.封头计算厚度 K1取0.9b.开孔所需补强面积计算强度削弱系数 fr 查得 接管有效厚度为：et=nt

34、C=6-1.8=4.2开孔所需补强面积按公式计算：A=d+2et (1f r)= 212×3.3+2×3.3×4.2(10.818) =705有效补强范围有效宽度 B，即：B=2d=2×212=424B=d+2n+2n t=212+2×6+2×6=236取较大值： B =424外侧有效高度 （实际外伸高度） 取最小值h1=35.7内侧有效高度 （实际内伸高度） 取最小值h2=0有效补强面积封头有效厚度： 封头多余面积： A1= (Bd)(e) 2et (e)(1f r)= (424212)× (4.23.3) 2×

35、4.2× (4.23.3)× (1 0.818)= 189.4接管计算厚度： 接管多于金属面积 A2：接管区焊接面积（焊脚取 6.0）有效补强面积Ae=A1+A2+A3=189.4+191+36=437.4因为Ae<A，所以所需另行补强面积 2.3.3补强圈设计根据接管公称直径DN200选补强圈，参照JB/T 4732取补强圈外径，内径。因为 ，补强圈在有效补强范围内。 补强厚度为 为了方便制造时准备材料，补强圈名义厚度可取封头的厚度，即 2.4密封装置选型及设计2.4.1垫片选型与设计垫片是两个物体之间的机械密封，通常用以防止两个物体之间受到压力、腐蚀、和管路自然地

36、热胀冷缩泄漏。由于机械加工表面不可能完美，使用垫片即可填补不规则性。垫片通常由片状材料制成，如垫纸，橡胶，硅橡胶，金属，软木，毛毡，氯丁橡胶，玻璃纤维或塑料聚合物（如聚四氟乙烯 ），特定应用的垫片可能含有石棉。查参考文献得垫片的尺寸如下表表2-3 垫片参数表(mm)公称直径 DN垫片内径垫片外径垫片厚度8008448043图10 垫片垫片宽度计算 垫片的实际宽度N =( Dd) /2 所以N=(844-804)/2=20垫片密封基本宽度 b = b0查表得b=8垫片压紧力 预紧时需要的压紧力查参考文献4按公式计算得Fa=Dgby 式中: Fa预紧状态下需要的最小垫片压紧力，Nb垫片有效密封宽度

37、，DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径，当 b0 6.4 时， DG 等于垫片接触的平均直径当 b06.4 时， DG 等于垫片接触的外径y垫片的比压力，由参考文献4查得，垫片厚度为3时，y=11所以Fa=3.14×844×8×11=233214N由参考文献4查得Fp=2DGbmpc 式中： Fp操作状态下，需要的最小垫片压紧力，m垫片系数,查表,取2pc 计算压力，所以 Fp=2×3.14×844×8×2×0.88=746282.4.2螺栓设计与计算螺栓载荷计算 预紧状态下，需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封所

38、需的压紧力，即=233214操作状态下，需要的的最小螺栓载荷 螺栓设计预紧状态下，按常温计算，螺栓所需要截面积Aa 所以 操作状态下，按设计温度计算，螺栓所需截面积Ap螺栓截面积 Am 取 Aa 和 Ap 中的较大者所以 Am取即可确定螺栓的直径，取个数为 n=20取查标准n=20时，选M18符合要求螺栓最大间距计算 法兰环上两螺栓孔中心距L 查得 Db =880所以L=3.14×880/20=138.2法兰环螺栓最大间距Lmax，暂取法兰有效厚度 即 L Lmax ，所以初选的连接螺栓M18，共20个，螺栓材料为Q235-A合格。2.4.3法兰的选型与设计法兰联接是作为容器的筒体与

39、封头、筒体与筒体、管道间、管道与阀门管件等的可拆性联接。它是由一对法兰、数个螺栓、螺母和一个垫片组成。由于强的密封性能和较好的强度，故应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。 常见的整体法兰形式有两种即平焊法兰和对焊法兰。平焊法兰结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适量减薄，但会在壳体上产生较大应力，适用于（PN4.0MPa） 的低压容器。甲型平焊法兰与乙型平焊法兰的区别在于乙型平焊法兰有一个壁厚不小于16mm 的圆筒形短节，因而乙型平焊法兰的刚性比甲型平焊法兰好，甲型法兰在（PN0.6MPa）时，适用的容器直径范围为（DN=3001200）。由于本次设计的换热器压力低，属于一类容器

40、DN=800mm，所以选用甲型平焊法兰。如下图图11 法兰法兰材料选用Q235-B，许用应力为:，。其中：常温下法兰的许用应力，；f设计温度下法兰的许用应力，。法兰压紧面的选择凹凸面安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于 pN6.4的容器法兰和管法兰。 综上所述，选用凹凸面压紧面。如图 图12 法兰的压紧面法兰力矩的计算由前面垫片计算可知: 操作时法兰力矩：MP=P1l1+P2l2+P3l3=442112×0.04+49969×0.029+74628×0.018=20477N·m预紧时法兰力矩：则法兰设计力矩： 取MP=20477 与Ma

41、=9690中最大值取M=Ma=20477N·法兰形状系数法兰外径 D=880则系数 根据 K 查得 Y=7.5法兰厚度 所选法兰标准法兰厚度=50，则 t<，所以法兰厚度合格。剪应力：式中At =剪切面积，2；At=Dil=3.14×800×2=5024取 l=2 。操作状态下：法兰校核操作时： =4.10.8f t=90.4综上所述，可知所选法兰合格。2.5支座的设计计算及校核2.5.1支座安装位置的确定放在鞍座上的圆筒形设备，其情况和梁相似。从受力分析来看，承受同样载荷且具有同样几何尺寸的梁采用多支座比采用两个支座梁内产生的应力小，但实际上应看情况而定，

42、对于大型容器，因制造误差所造成的支座标高不一致，或因地基沉降不均匀，所以造成的支承点水平高度不一致，都使支承反力不均匀，在设备内造成较大附加应力。同时为了避免温度应力，多支座的情况，也不便于采取措施。所以一般采取双支座。为了避免产生温差应力，有一个支座的地脚螺栓孔做成长圆形，安装时不拧死螺母，以便使其能有自由滑动的可能。最好的办法是一端采用移动式支座。图13 支座位置尺寸鞍座布置原则:a. 当L3000时，取Lb=(0.40.6)Lb. 当L3000时，取Lb=(0.50.7)Lc. 尽量使Lc和Ld相近取Lb=0.6L，即 2.5.2鞍座宽度b的确定支座b的大小一方面决定设备所给支座的载荷的

43、大小，另一方面要考虑支座处筒壁环向应力不超过许用值。钢制鞍座的宽度不应小于10S（S是筒体计算壁厚）所以本设计取b=120。2.5.3鞍座的选择一般可按标准（JB1167-81）进行。鞍座的公称直径即为设备的公称直径。按照公称直径的不同分为四个标准系列（Dg159500、Dg6001200、Dg13002000、Dg21004000）。同一公称直径的鞍座又分为 A 型（轻型）和 B型（重型）。每一种形式又分为固定式（型）和移动式（型）两种。A 型和 B 型的区别是轴向腹板的数量和尺寸及底板的宽度不同，而型和型的区别仅仅在于底板上地脚螺栓孔的形状不同，型为长圆孔，安装地脚螺栓时采用双螺母，第一个

44、螺母拧紧后倒退一圈，再用第二个螺母锁紧，使鞍座能在基础上自由滑动。、型的尺寸除螺栓孔不同，其余均 相同。在同一台卧式容器上，、型要配对使用。在标准系列中，鞍座的高度H有200、300、400、500 四种规格，但可根据要求改变。必要时，要对根据标准选好的鞍座进行支座宽度 b 和基础支承面进行强度校核，对支 座处筒体的局部应力也要校核。2.5.4鞍式支座的计算及校核卧式容器的载荷有：（1） 压力，可以是内压或外压（真空）（2） 容器的重量，包括圆筒、封头及其它附件等的重量（3） 物料的重量（4） 其它载荷假设容器的总重为2F，椭圆形封头折算成直径等于容器直径，长度的圆筒（H为封头的曲面深度）。所

45、以该容器总重作用的长度为： 式中：L该容器总作用下的长度，H为封头的曲面深度，所以 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均布载荷为： 式中： q作用在总长度上的单位长度均布载荷，F设备总重，容器内介质的密度为1049 kg/m3，壳体和封头材质的密度为7860 kg / m3 ： 式中： Ri 圆筒内径，所以 所以 工程上将双鞍式支座卧式容器化为长度为 L，受均布载荷q作用的外伸简支梁。 封头本身的重量和封头中物料的重量为：此重力作用下在封头（含物料）的重心上。对于椭圆形封头，它的重心位置 e0.375H=47mm。按力平衡原理，此重力可作用在梁端点的剪力Fp=0.667H

46、q=156N和力偶m1=0.25qH2=7.34.69N/m代替。此外，当封头中充满液体时，液体的静压力对封头作用一水平方向的外推力，因为液体的压力沿筒体高度按线性规律分布，顶部压力为零底部压力为P0=2gRi=2×1049×9.8×0.2=4112N，所以水平推力向下偏移，偏离容器的轴线。水平推力和偏心距离为：s = qRi 式中：s水平推力，N.m所以 s=2170×0.25=542式中： yc 偏心距离，当为椭圆形封头时m2=0.25qRi(1-H2/Ri)，为简化计算常略去一些差异，取m2=0.25qRi=117.25 ，所以梁端点的力偶M为：2

47、.5.5鞍座内力的分析 a.圆筒在支座中截面处的弯距 M 1查参考文献4得： 式中 故 M 1= 2256×(0.24×2238×10 30.445)=204.9M 1 为正值时，表示上半部分圆筒受压缩，下半部分圆筒受拉伸。b.圆筒在支座中截面处的弯距 M 2 式中 故 M 2 一般为负值，表示圆筒的上半部分受拉伸，下半部分受压缩。这里只讨论支座截面处 的剪力，因为对于承受均匀载荷的外伸简支梁，其跨距处截面的剪力等于零，所以不用讨 论。当支座距离封头切线距离 A 0.5 Ri 时，分重量的影响，在支座处截面上的剪力为： 式中：V支座处截面上的剪力，N所以 2.6其

48、他附件的设计与选择2.6.1折流板的设计折流板材质的选择 根据本设计的要求，综合考虑材料的性能及经济性要求选用的材料为 0Cr18Ni9。折流板的类型 折流板的类型有弓形、圆形、矩形、环形、圆盘-圆环形等等。大多数折流板都采用弓形折流板，对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下放置。若 气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口。综合考虑我选用弓形折流板中的单弓形折流板图14 弓形折流板折流板的尺寸规格 设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流 板还起到支承管束的作用。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。如单弓形折流板,缺口弦高宜取 0.200.45 倍的壳体内直径，最常用的0.25倍壳体内直径。折流板一般应