F240填料函式換熱器設計含開題及9張CAD圖,F240,填料函,換熱器,設計,開題,CAD F240填料函式換熱器設計 摘 要 在現(xiàn)在的社會中，換熱器的使用方面越來越大，從工業(yè)生產到家庭應用，隨處都有他的身影。換熱器的主要工作原理就是根據(jù)管程和殼程中內部液體溫度差來做到換熱的目的，我們可以銅鍋控制溫度做到精確換熱。 本次設計的課題是F240填料函式換熱器設計。填料函式換熱器是由管箱、殼體、換熱管、浮頭、壓蓋、密封圈等零部件組成。結合給定參數(shù)進行接下來的設計。填料函式換熱器的管束可以抽出進行機械清洗，同時可以滿足結垢比較嚴重、管程受到侵蝕比較嚴重的情況。相較浮頭式換熱器，其金屬的耗費程度要大大降低。本次設計，我將會結合給定參數(shù)，開始設計換熱管，殼體等部件，同時進行強度校核，最后利用AutoCAD軟件進行繪圖工作。 通過本次畢業(yè)設計的學習，很好的應用了我大學學習的機械知識，從生產到制造，從制造到安裝維護，讓我學會了工作的串聯(lián)，為我畢業(yè)之后的機械工作打下了穩(wěn)固的技術。 關鍵詞 ：工業(yè)生產;換熱器;殼體；管束；強度校核 ABSTRACT In today's society, the use of heat exchangers is increasing proportion, from industrial production to home applications, everywhere he figure. The main working principle of the heat exchanger is to achieve the purpose of heat transfer according to the temperature difference between the inner liquid in the tube side and the shell side. Design of this project is F240 filler function heat exchanger design. Filler heat exchanger is composed of tube box, shell, heat transfer pipe, floating head, gland, sealing ring and other parts. combined with the given parameters for the following design. The tube bundle of the packed heat exchanger can be pulled out for mechanical cleaning, and it can satisfy the serious scaling at the same time The erosion of the tube is serious. Compared with floating head heat exchanger, the consumption of metal is greatly reduced. For this design, I will combine the given parameters, start to design heat transfer tube, shell and other components, at the same time strength check, and finally use AutoCAD software for drawing work. Through this graduation design study, very good application of my university study of mechanical knowledge, from production to manufacturing, from manufacturing to installation and maintenance, let me learn to work cohesion, for my future mechanical work laid a solid technology. Key words ：industrial production；heat exchanger; shell; tube bundle; strength check 目 錄 1 概述 1 1.1設計背景 1 1.2換熱器的分類 1 1.2.1按傳熱原理分類 2 1.2.2按傳熱種類分類 2 1.2.3按材料分類 2 1.3管殼式換熱器 2 1.3.1固定管板式換熱器 2 1.3.2浮頭式換熱器 3 1.3.3填料函式換熱器 3 1.3.4 U形管式換熱器 3 2 F240填料函式換熱器工藝設計 5 2.1換熱器設計參數(shù) 5 2.2材料的選擇 5 2.3換熱面積的確定 5 2.4換熱管的設計 6 2.4.1換熱管材料、管徑的選擇 6 2.4.2換熱管管長的選擇 6 2.4.3換熱管數(shù)量的確定 6 2.4.4換熱管的排列和管心距 6 2.4.5折流板設計 8 2.5拉桿選擇 9 3 換熱器結構設計 10 3.1殼體設計 10 3.1.1殼體材料的選擇 11 3.1.2殼體內徑的設定 11 3.1.3壁厚的確定 11 3.2封頭設計 12 3.3管箱設計 12 3.4管板設計 13 3.5支座的選擇 13 3.6法蘭連接 14 3.6.1殼體法蘭設計 15 3.6.2管箱法蘭設計 16 4 強度校核 17 4.1殼體厚度計算 17 4.2管子與管板連接拉脫應力的校核 18 4.2.1換熱管軸向應力 18 4.2.2換熱管與管板連接拉脫力 18 4.3壓力試驗 18 4.3.1管程圓筒 18 4.3.2殼程圓筒 19 4.4開孔補強計算 19 5 換熱器的制造工藝 21 5.1加工工藝 21 5.2管板的加工工藝 21 5.3換熱管的加工工藝 22 5.4折流板的加工工藝 22 5.5組裝工藝要求 22 6 換熱器安裝與檢修 23 6.1安裝與檢修 23 6.2換熱器安裝 23 6.2.1安裝前的準備 23 6.2.2換熱器的安裝 24 6.2.3壓力試驗 24 6.2.4附件的安裝 25 6.3換熱器的檢修 25 6.3.1管壁積垢的清除 25 6.3.2泄露的修理 25 6.4換熱器腐蝕預防 26 7 總結 28 參考文獻 29 致謝 30 III 1. 概述 1.1設計背景 換熱器在化工生產中是一種經常使用的設備，不僅僅是在化工生產領域，在我們平時的生產生活中也是經常遇到的，是我們不可或缺的設備。由于換熱器涉及的領域非常廣泛，所以世界上有很多設計研究者圍繞其展開多種研究，在隨著當今社會能源的短缺，各個國家都在著手尋找可以替代的全新能源。在經過資金以及人力的共同努力下，產生了一批又一批性能良好的換熱元件。隨著時間的推移，會研究更加強大的換熱器種類。到了那個時候，或許我們的能源問題在某種程度上就會得到一定的緩解。 換熱器的研究不僅僅在海外受到高度的關注，我們國家的高校與研究所的研究人員也在著力研究這方面的課題。從上世紀中期開始，我們國家用了差不多二十年的時間，完成了對換熱器知識的學習與生產制造。進入到八十年代，隨著改革開放的浪潮，涌現(xiàn)出一批又一批人才開始自主研發(fā)換熱器，換熱器在市場中出現(xiàn)了，一時間出現(xiàn)大量人追隨他們的腳步，進行換熱器的研發(fā)工作。到了九十年代，國家技術發(fā)展突飛猛進，換熱器研發(fā)用途從民間家庭使用轉變?yōu)榛た萍忌a領域，為國家制造的大量經濟效益，并大大提高生產效率。 1.2換熱器的分類 圖1 換熱器分類 換熱器作為換熱設備在工業(yè)生產中經常見到，隨著換熱器數(shù)十年的發(fā)展，目前已經有多種的換熱器，本次設計只會挑選其中部分常見的換熱器進行介紹。 1.2.1按傳熱原理分類 （1）直接接觸式換熱器：這類換熱器的主要工作原理是兩種介質經接觸而相互傳遞熱量，實現(xiàn)傳熱、接觸面積直接影響到傳熱量。 （2）蓄能式換熱器（蓄能器）：這類換熱器的原理是通過一種固體物質，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到傳遞熱量的目的。 （3）板、管式換熱器：這類換熱器原理是熱介質通過金屬或非金屬將熱量傳遞給冷介質的傳熱設備，這類換熱器我們通常稱為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。 1.2.2按傳熱種類分類 （1）無相變傳熱：一般分為加熱器和冷卻器。 （2）有相變傳熱：一般分為冷凝器和重沸器。 1.2.3按材料分類 材料我們主要分為金屬材料或者非金屬材料這兩個方面。金屬材料根據(jù)其溫度強度等性能再進行具體劃分。 1.3管殼式換熱器 1.3.1固定管板式換熱器 圖2 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的結構采用兩側管板與殼體固定銜接形式。殼體內所陳列的管束比較多，剛性結構連接，且緊湊簡單、管板薄、造價低。這種換熱器的不足之處是管束或管間清洗困難，在設計這類換熱器時要保證其管程與殼程存在溫度差，這樣才能完成傳熱工作，因此也會產生應力。所以，固定管板換熱器適用于殼程難以出現(xiàn)污垢，管程需要定期進行沖洗，管程與殼程的溫度差不是很大或者盡管溫度差比較大但殼程的壓力較低的情況下。 1.3.2浮頭式換熱器 圖3 浮頭式換熱器 換熱器的的兩端管板分別殼體連接，另一側管板在殼體內部活動。浮頭式換熱器的內部結構較復雜，其內部材料損耗大，浮頭端如出現(xiàn)內泄漏不易檢查，由于管束與殼體間隙較大，影響傳熱效果，因此該換熱器適用于管、殼程溫度相差比較大，兩種介質流體容易積累污垢，介質腐蝕性較弱的工作狀態(tài)。 1.3.3填料函式換熱器 填料函式換熱器的制造型式是浮頭與殼體間被填料函完全包裹的同時，允許管束自由延長。這種結構特別適用于介質損耗較嚴重、溫度波動較大且要經常更新管束的冷卻器。因為它有浮頭式的優(yōu)點，又克服了固定式的不足，結構要比浮頭式簡單，制作比浮頭式方便，洗刷檢驗相對于浮頭式要更容易，密封出現(xiàn)故障時能盡快發(fā)現(xiàn)。Error! Reference source not found. 1.3.4 U形管式換熱器 這種換熱器的內部管束被彎成U形，每個管子的一邊都固定在一個管板上。由于管程與殼程只有一端固定對接，所以不需要考慮管程與殼程因為膨脹而產生的應力。又因為該結構僅有一塊管板，沒有浮頭，故結構不是很復雜，需要的成本不是很高。另外該種換熱器的管束可從殼體內抽出，便于清洗管子外側。U形管式換熱器適用于溫度較高，壓強較大的局面，但在高壓情況下彎管段的管壁需要加厚以起到補強作用。 圖4 U形管式換熱器 2. F240填料函式換熱器工藝設計 2.1換熱器設計參數(shù) 表1 換熱器設計參數(shù) 項目 設計要求 1 管程介質 煤油 2 殼程介質 水 3 管程設計壓力 1.35MPa 4 殼程設計壓力 1.25MPa 5 管程設計溫度 270℃ 6 殼程設計溫度 100℃ 7 換熱面積 240㎡ 8 腐蝕余量 自定 2.2材料的選擇 換熱器的可用材料型號比較多，選用換熱器的材料一般考慮的因素主要從結構、加工工藝過程、強度、壓力、介質、腐臭、可利用性等方面來考慮。材料選擇不妥會造成可利用性降低或失效，其工作時長大大減削。換熱器的材料一般分為金屬材料和非金屬材料。結合上表的管程、殼程材料、壓力、溫度等因素可以選擇合適的材料。Error! Reference source not found. 2.3換熱面積的確定 通常的換熱器設計會給定兩種介質進口和出口的溫度，計算出有平均溫度差。通過流體的物性，知道傳熱系數(shù)K，再進一步計算交換熱量Q，就可以推導出換熱面積。我們本次的設計已經將換熱面積給定，故不用進一步計算，換熱面積為240㎡ 2.4換熱管的設計 2.4.1換熱管材料、管徑的選擇 換熱管的材料本次選擇低碳鋼，碳含量不是很高的鋼，其強度雖然較低，但是其塑性好，較容易進行焊接，適宜作為換熱管材料。選擇較小的管徑可以節(jié)約成本，但是也會造成阻力增大，不易清洗等問題。結合《換熱器設計手冊》填料函式換熱器基礎參數(shù)的選取。因為管程介質煤油的流動性較好，不容易結垢，所以選擇較大的外徑值。初選用外徑為d=φ25mm,管壁厚δ=2.5mm的換熱管。 表2 換熱管規(guī)格及排列型式 換熱管外徑*壁厚（d×δt） 排列型式 管間距 碳素鋼、低碳鋼 不銹耐酸鋼 25×2.5 25×2 正三角形 32 19×2 19×2 25 2.4.2換熱管管長的選擇 沒有相變換熱時，換熱管的長度較長則會導致傳熱K值的增加。在傳遞熱量的面積相同的情況下，采用長度長的管則流動面積小，流動速率大，管程數(shù)較少，從而可減少流液在換熱器中的回彎次數(shù)，因而壓力降也較小；而且采用比較長的管子時，單位面積的傳熱性能會變好。但是，管子太長給制造帶來困難。因此，一般選擇管長4-6m，本次設計我選擇管長6m。 2.4.3換熱管數(shù)量的確定 A=πd（L-2δ-0.006）n （1） 可得n≈518 上式中 A——計算換熱面積，㎡； d——換熱管外徑，m； L——換熱管長度，m； δ——管板厚度，m； n——換熱管根數(shù)。 2.4.4換熱管的排列和管心距 圖5 換熱管的主要排列方式 換熱管確定數(shù)量和長度后，我們就要確定他們相互之間的組合方式，還要考慮到內部流動液體的性質和選擇適宜的結構以及制造等方面的問題。管子在管板上排列的方式，用的比例較高的是正三角形和正方形組合法。 當殼程流體是不污性介質時，采用正三角形排列法。當殼程流體需要用機械洗滌時，采用正方形排列法。因為設計的填料函式換熱器要進行機械沖洗，所以選擇正方形排列法。 管板上兩管子中心的距離成為管心距，管心距的決定要考慮管板的強度和清洗管子外側時所需的縫隙。當管子采用點焊途徑來固定時，相互緊鄰兩根管的焊接縫隙太近，就會受到一定的影響，這很難保證它們符合工作要求。而采用脹接法固定時，過小的管心距會造成管板在脹接時由于在相互擠壓的作用下發(fā)生變形，失去了管子與管板之前的連接性。本次設計選用脹接法固定。中心距范圍一般選用（1.25-1.5）d，換熱管兩管子之間的中心距t=32mm，間隔板中心到其最近一組中心長度S=22mm，因為設計雙管程換熱器，各程相鄰管的管心距為44mm，相互相連的兩管間凈空距離不應該小于6mm。 圖6 脹接圖示 2.4.5折流板設計 圖7 折流板類型 在對流傳熱的換熱器中，為了加強殼程內部流液的流動速度和湍流程度，以更好地用來傳熱，在殼程內裝置折流板，折流板還起到支撐換熱管的作用。折流板可分為橫向折流板和縱向折流板兩種。前者使流體橫向流動；后者使管間的流體平行流過管束。常見的橫向折流板有圓缺和圓環(huán)兩種。圓缺形折流板在實際工作中較為常見，這種折流板可確保流體經圓缺部分后垂直流過管束，確保其盡可能多的流動到每個地方，所以較為良好，結構也簡單。 2.5拉桿選擇 圖8 拉桿 拉桿常用的組成樣式有兩種。一種是拉桿定距管結構，這個適用于換熱管外部直徑d≥19mm的管束，而且要求l2＞La。另外一種是拉桿與折流板連貫模型，這個結構適用于換熱管外徑d≤14的管束，而且要求l1≥d。當管板比較薄的時候，也可以使用其他類型的連接組合。根據(jù)上述設計可知，d≥19mm。選擇拉桿定距管結構。根據(jù)《換熱器設計手冊》表1-6-36，1-6-37,1-6-38可知拉桿的具體參數(shù)。Error! Reference source not found. 表3 拉桿參數(shù) 拉桿直徑d 拉桿螺紋公稱直徑dn Ｌa Ｌb b 拉桿的數(shù)量 16 16 20 60 2 6 3. 換熱器結構設計 圖9 換熱器結構圖樣 3.1殼體設計 圖10 殼體 3.1.1殼體材料的選擇 16MnR是普通低合金鋼,在壓力容器中使用得較為普遍，在我們生活中也有很多的應用。它的強度較高、塑性韌性良好。常見加工情況為熱軋或正火。屬低合金高強度鋼，含Mn量較低。性能與20G（412-540）相比較十分接近，抗拉強度為（450-655）稍強，伸長率為19-21%，比20G的大于24%差。 3.1.2殼體內徑的設定 根據(jù)公式D=1.05t*(Nt/η)^（1/2），設計雙殼程換熱器，其管板的利用率為0.55-0.7，取η=0.6，Nt為518，管心距t為32mm，D為987，圓整為1000。 3.1.3壁厚的確定 由上述設計可知，殼程設計溫度為100℃，殼程設計壓力為1.25MPa。根據(jù)GB6654-1996知，選用16MnR為殼體材料，[σ]t=170MPa，采用焊接接頭。其中Φ=0.85，Di=1000mm，C2=3mm，C1=0.5mm。Error! Reference source not found. 利用鋼制壓力容器計算壁厚： （2） 取整為5mm，其中Pc為殼程設計壓力，Di為公稱直徑 設計厚度： δd=δ+C2=5+3=8mm （3） 名義厚度： δn=δ+C1=5+0.5=5.5mm，取整δn為6mm （4） 有效厚度： δe=δn-C1-C2=6-3-0.5=2.5mm （5） 厚度關系如下圖 圖11 厚度關系 3.2封頭設計 封頭有多種類型，我們需要按照實際情況選擇合適的種類。封頭與殼程管箱和隔板相互連接，封頭的材料選擇16MnR。根據(jù)設計要求，我們選擇橢圓形封頭，類型代號EHA。根據(jù)《換熱器設計手冊》表1-6-4，按照公稱直徑，設計材料壓力的限定，可以得知，封頭厚度為10mm。曲面深度就是封頭高度和直邊高度的差值（Hi=H-h），而且，Di/2（H-h）=2，所以曲面高度為250mm，其中直邊高度h選擇40mm，封頭高度H為290mm。Error! Reference source not found. 圖12 封頭 3.3管箱設計 圖13 管箱 管箱的作用是把管程流體平均分布到各傳熱管和把管內流體收集在一起送出的換熱器，在多管程的換熱器中，管箱還起改變流體方向的作用。管箱的材料初步選用16MnR，由《換熱器》表8-2可知，設計的公稱直徑為1000，則隔板最小厚度為10mm。管箱直徑越大，要求隔板厚度越大，以保持其剛性和密封面必要的寬度。應注意當脈動流體或隔板兩側壓力差值很大時，隔板的厚度應適當增加厚度或改變隔板的結構。 3.4管板設計 圖14 管板 管板一般采用低合金鋼鑄造，或者采用低合金鋼板加工，材料選擇16Mn，該材料使用一般不需要預熱，只有在溫度低或者大剛性，結構繁雜焊接時，為防止出現(xiàn)低溫裂紋，需采取預先加熱的措施。在確定管板后，我們需要確定換熱管與管板的連接方式。換熱管與管板連接種類可分為以下幾種：1.強度脹接：適用于設計壓力小于等于4MPa，設計溫度小于等于300℃，操作時無強烈變化、無明顯變化的溫度及無突出的應力腐朽的條件。2.強度焊接：適用于設計壓力小于等于35MPa，不會出現(xiàn)損毀的環(huán)境。3.脹焊齊用：適用于設計壓力小于等于35MPa，封鎖要求較高，承擔動蕩或疲勞載荷，有間隙腐壞，采用復合板的時刻。一般焊接后都要進行輕微的脹接，這種脹接被稱為貼脹，其脹接變形要遠小于強度脹。其作用是減小管板和管熱管的間隙，防止工作中換熱管的震動而使焊口產生疲勞破壞。根據(jù)以上的描述，我們選擇脹接的方法連接。根據(jù)管板換熱器表可知，管板尺寸為DN1000 D1130 D1 1090 D2 998 a 40 b 23。Error! Reference source not found. 3.5支座的選擇 臥式容器的支座有三種：鞍座，圈座和支腿。其中鞍座是應用最廣泛的一種臥式容器支座，常見的臥式容器和大型臥式貯槽，熱交換器等多采用這種支座。鞍座是由橫向筋板，許多軸向筋板和底板焊接而成。在與設備相連處，有含加強墊板和不帶加強墊板兩種結構。其材質選擇16MnR。 圖15 鞍式支座 3.6法蘭連接 法蘭連接就是把兩個管道、管件，先各自固定在一個法蘭盤上，然后在兩個法蘭盤之間加上法蘭墊，最后用螺栓將兩個法蘭盤栓緊使其成為結合在一起的一種可卸載的接頭?？梢詫崿F(xiàn)靜態(tài)的管道到旋轉或往復運動的設備之間的連接。法蘭連結一般可以分為五種：即平焊、對焊、承插焊、松套、螺紋。1.平焊：僅僅焊接表面，不需焊接里面;一般常用于中、低壓管道中，管道的公稱壓力要低于4MPa。平焊法蘭的密封面有三種，分別是光滑式、凹凸式以及榫槽式，其中以光滑式應用最為廣泛，并且價格合適，是工業(yè)利用中受喜愛的一種。2.對焊：法蘭的內部與外部都要焊接，一般多用于中、高壓管道中。對焊法蘭連接方式的密封面是凹凸式的，安裝比較復雜，所以各種花錢、拼湊過程以及輔材費都比較高。3.承插焊：一般多用于公稱壓力小于等于10.0MPa，公稱直徑小于等于40mm的管道中。4.松套：一般多用于壓力不高但其中介質比較有腐蝕性的管道中，所以這類法蘭抗腐蝕性強，其主要是由不銹鋼組成的。這種連接主要用于鑄鐵管、襯膠管、非鐵金屬管和法蘭閥門等的連接，零部件設備與法蘭之間也都采用法蘭連接。 圖16 平焊法蘭 3.6.1殼體法蘭設計 對于殼體法蘭的設計，可以選擇平焊或者對焊法蘭。根據(jù)給定參數(shù)的考慮，我們發(fā)現(xiàn)殼體的設計壓力不是很高，所以可以選擇平焊法蘭。相較于平焊法蘭，對焊法蘭可以適應中高壓力的環(huán)境，同時其設計安裝復雜，成本高昂，所以不會選擇這種法蘭。平焊法蘭適用的直徑范圍廣泛，在300-2000mm的公稱直徑范圍內均可以。上述也有所提及法蘭的密封面，由于設計參數(shù)無過多限制，考慮成本等其它因素，選擇光滑式密封面最佳，材料為16Mn，公稱直徑1000，設計壓力為1.6MPa。墊片選用石棉膠板，螺柱與螺母材料選擇Q325A尺寸為DN1000 1255 1170 1110 5 56 48 28-M42。 圖17 殼體法蘭 3.6.2管箱法蘭設計 根據(jù)管箱設計參數(shù)可知，設計壓力是1.35MPa，管箱介質是煤油，設計溫度為270℃，選擇光滑式平焊法蘭，材料為16Mn，公稱直徑1000，公稱壓力1.6MPa。墊片選用石棉膠板，螺柱與螺母材料選擇Q325A，尺寸為DN1000 1255 1170 1110 5 56 48 28-M42。 圖18 管箱法蘭 4.強度校核 4.1殼體厚度計算 圖19 內壓力圓筒 由上述設計可知，殼程設計溫度為100℃，殼程設計壓力為1.25MPa。根據(jù)GB6654-1996知，選用16MnR為殼體材料，[σ]t=170MPa，常溫屈服點σs=345MPa，采用焊接接頭。其中Φ=0.85，Di=1000mm，C2=3mm，C1=0.5mm。Error! Reference source not found. 利用鋼制壓力容器計算壁厚： 取整為5mm，其中Pc為殼程設計壓力，Di為公稱直徑 設計厚度：δd=δ+C2=5+3=8mm 名義厚度：δn=δ+C1=5+0.5=5.5mm，取整δn為6mm 有效厚度：δe=δn-C1-C2=6-3-0.5=2.5mm 試驗壓力值 （6） 壓力試驗允許通過的應力水平[σ]T≤0.90σs=310.50 試驗壓力下圓筒的應力 （7） σT≤[σ]T，該部分校驗合格。 4.2管子與管板連接拉脫應力的校核 根據(jù)公式a=πδt（d-δt）=3.14×2.5×（25-2.5）=176.71mm2 （8） 其中a————一根換熱管金屬的橫截面積 d————換熱管外徑 δt————壁厚 4.2.1換熱管軸向應力 根據(jù)GB6654-1996知，在該設計溫度下?lián)Q熱管的許用應力[σ]t=170MPa。 殼程的設計壓力Ps=1.25MPa，管程的設計壓力Pt=1.35MPa。 （9） σt＜[σ]t，符合要求 4.2.2換熱管與管板連接拉脫力 首先計算管板材料許用拉脫力[q]，[q]=0.5[σ]t=0.5×170=85MPa，換熱器與管板焊腳高度l=2mm （10） 管子與管板連接拉脫應力符合要求 4.3壓力試驗 4.3.1管程圓筒 設計壓力P=1.35MPa，設計溫度270℃，試驗壓力 （11） 其中[σ]/[σ]t的比值為1 應力校核： （12） 查《化工設備設計》，σs=380MPa，所以符合設計要求 4.3.2殼程圓筒 設計壓力P=1.25MPa，設計溫度100℃，試驗壓力 （13） 應力校核 （14） σt＜0.9Φσs=0.9×1×380=342MPa，所以滿足設計要求。 4.4開孔補強計算 圖20 開孔補強 接管選用φ219×16，計算用GB150-1998等面積補強單孔法。 計算情況如下，計算壓力Pc為1.25MPa，設計溫度為100℃，殼體形式是圓形筒體。殼體選擇的材料是16MnR。殼體開孔處焊接接頭系數(shù)φ為0.85，殼體內直徑 Di為1000mm，殼體開孔處名義厚度δn為6mm，殼體厚度負偏差 C1為0.5mm，殼體腐蝕裕量 C2為3mm，殼體材料許用應力[σ]t=170MPa。 接管實際外伸長度是100mm，接管實際內伸長度為0mm，接管焊接接頭系數(shù)為1，接管腐蝕裕量為0。接管厚度負偏差 C1t為2mm。接管材料許用應力[σ]t=170MPa，補強圈許用應力[σ]t=170MPa。 確定以上參數(shù)后進行開孔補強計算。殼體計算厚度δ=4.3mm，接管計算厚度δt=2.63mm。補強圈強度削弱系數(shù) frr=0，接管材料強度變弱系數(shù) fr=0。開孔直徑 d=191mm，補強區(qū)有效寬度 B=328mm。接管有效外伸長度 h1=55.28mm。接管有效內伸長度 h2=0mm。開孔減弱所需的補強面積A=1584mm2，殼體余除金屬面積 A1=555.2mm2，接管多余金屬面積 A2=1257mm2，補強區(qū)內的焊縫面積 A3=64mm2，A1+A2+A3=1876mm2，大于A，不需另加補強。Error! Reference source not found. 結論: 補強滿足要求,不需另加補強。 5.換熱器的制造工藝 圖21 換熱器主要零件 5.1加工工藝 在上面的設計過程中，我們已經完成了主要零件的設計和校核工作，接下來我們要介紹幾個主要部件的加工工藝。 5.2管板的加工工藝 管板的加工工藝與所選擇的毛坯材料有關系，我們需要考慮到它的壓力和厚度等性質進行加工。在工作中，管板因為是和換熱管連接在一起的，所以我們要著重討論管板中孔的加工形式。 管板中部孔的加工，在通常情況下我們會選擇搖臂鉆進行單孔的加工。但是由于我們在管板上需要鉆多個孔與換熱管相接，隨著現(xiàn)在技術的發(fā)展，我們可以使用多頭鉆或者數(shù)控設備，這樣的可以大大節(jié)省各項成本。 5.3換熱管的加工工藝 在上面我們已經談論了管板問題，接下來就要討論與其緊密相連的換熱管。對于換熱管的制造，如果進行批量生產，我們可以按照管束確定尺寸進行加工。通常情況下，長度較長的管子需要使用砂輪切割機或者其他類型的切割材料進行切割廢料。 5.4折流板的加工工藝 在之前的設計過程中，我們已經選擇合適的折流板材料和類型。在加工過程中，我們要考慮到切削加工余量，一般預留4-6mm。同時，一定要確保加工坯料圓潤平整。折流板也需要考慮孔制造，孔加工的時候要保證孔徑和孔間距相對精準，我們還需要用螺栓對孔完成夾持工作。最后，折流板要按照要求剪切成弓形，用來減小誤差。 5.5組裝工藝要求 筒體需要裝焊法蘭，我們需要考慮筒體縱縫符合我們設計容器的規(guī)格，還需要按照基準平面選定原則保證垂直度和法蘭的螺孔方位，我們還需要考慮法蘭之間的形位公差，使其符合固定要求。 在加工法蘭的過程中，我們需要防止其密封面發(fā)生變形，我們的焊接順序應該先焊接背面，后焊接端口。當筒體的厚度比較大的時候，我們的焊接順序可以進行調整。如果法蘭較厚而且筒體較薄，我們可以選擇薄法蘭焊接手段。對于厚法蘭，我們需要進行預熱，然后進行加工，否則可能出現(xiàn)焊縫裂紋。 當以上材料制造完畢后，我們需要將管箱筒節(jié)兩側分別與封頭和法蘭焊接在一起。我們在焊接之前需要將、確定他們校驗合格。Error! Reference source not found. 6.換熱器安裝與檢修 6.1安裝與檢修 換熱器是化工生產中用來調節(jié)溫度的一種化工設備。兩種不同溫度，不同種類的介質經過換熱器的洗禮，會對其出口溫度造成影響。 制作換熱器的材料非常多，可以采用金屬材料設計換熱器。同時，我們也可以使用非金屬材料制造換熱器。經過了很多次的技術革新，換熱器是十分常見的一種設備，當然其種類也是多種多樣的，具體的樣式在上文中已經有了詳盡的解釋，接下來我們將要圍繞換熱器的安裝以及檢修進行深入討論，最后將圍繞腐蝕問題單獨進行介紹。Error! Reference source not found. 6.2換熱器安裝 6.2.1安裝前的準備 首先在設計工作完成之后，我們需要進行安裝工作，在安裝工作之前也需要完成前期的準備工作： （1）安全教育：無論從事什么崗位，首先要確保工作者的生命安全。分批開展安全課程的培訓。要求操行者按照要求戴上安全帽，穿工作服飾，不能夠穿短褲。女性工作人員不得在工作崗位盤頭，不得穿裙子等衣物。牢記工作的規(guī)章制度。在施工地內部行走，不得接打手機，時刻保持警惕。 （2）施工的現(xiàn)場準備：根據(jù)施工的現(xiàn)場設計布局圖樣，對現(xiàn)場的各個方面進行詳盡的檢查，確定出設計材料的運輸路線，其環(huán)境是否符合安裝的條件，確?？臻g的足夠寬敞。同時也要保證運輸過程中的道路暢通，盡可能少的發(fā)生顛簸，讓換熱設備平穩(wěn)有序地到達安裝。 (3)換熱設備的驗收：換熱器安全抵達目的地后，要按照圖紙和說明書對部件進行逐一的檢查。當部件出現(xiàn)質量問題或者尺寸不達標時應該責令生產部門重新進行生產制造。切忌出現(xiàn)麻痹大意，使之造成安全事故和財產損失。要做好驗收記錄，查閱生產合格證數(shù)以及質量的相關核驗材料。 （4）基礎的驗收：在上一步設計驗收的情況下，進行更加嚴謹?shù)尿炇?，確保有測量記錄以及施工技術層面的資料，絕對不能夠麻痹大意，草草了事。 （5）吊裝的準備：吊配部門應該準備好全部工具，應該實地進行多次考察，選擇合適的東西。要對這些設備進行前期的檢查工作。吊裝的換熱器直徑有大有小。當換熱器的直徑比較大的時候我們要格外注意，因為其質量比較大，要選擇合適的方法進行吊裝。吊裝時捆綁的位置也要格外注意，否則，有可能會在吊裝過程中發(fā)生變形。 （6）編寫施工方案：首先，要確定施工人員，考察他們的專業(yè)水準。接下來按照他們的專業(yè)領域，合理進行分工安排。做好施工的準備環(huán)節(jié)，對施工人員做好安全輔導工作。對施工的進度做出合理的評估。同時，要做好施工的說明，確保工作人員簡而易懂地完成工作。 6.2.2換熱器的安裝 （1）換熱器的組裝順序，安裝一般按下列順序和要求進行。 1）檢查換熱器各部位尺寸的偏差務必要滿足國家標準，具體的偏差值可以按照國家標準查驗，也可以通過查詢相關換熱器的設計說明書圖表進行確認。這一部分的工作主要由質檢人員監(jiān)督。 2）基礎上活動支座一側應預先留出滑板，地腳螺栓雙方都有墊鐵。設備找平后，斜墊鐵可以和設備底座板焊接在一起，但不應該和底部的平墊鐵或滑板相接在一起，且墊鐵必須保證平滑，以確?；顒又ё梢宰杂傻纳炜s。 3）活動支座的地腳螺栓需要安裝兩個螺母，螺母與底板間應保留足夠的距離，使底板能自由的滑動。 4）換熱器安裝后允許法人偏差應該滿足下列的條件： a.標高≤3mm b垂直度(立式)≤1/1000且不大于5mm，水平度（臥式）≤1/1000且不大于5mm c中心位移≤5mm。 5）與換熱器相連接的管線，為避免受到力量大的損傷，應在不受力的情況下進行安裝，并且不能夠阻礙換熱器的熱膨脹。 6.2.3壓力試驗 換熱器的壓力測試（以填料函式換熱器為例），由于換熱器的種類繁多，根據(jù)種類的不同，換熱器壓力試驗的方法也會有所差異。 首先我們需要拆下來換熱器的封頭，對殼程進行液壓(一般采用水)試驗。確保達到壓力的試驗值之后，再檢查完換熱器的殼體之后，我們應該首要檢查換熱管與管板之間的連接接頭。檢查連接點之間是否緊密，不存在任何問題。如果有的接頭出現(xiàn)了漏液體，我們需要對有問題的部分作出標記，在卸壓之后再重新進行焊接工作，然后再次重復上述的壓力試驗工作，直到合格為止。 在確保管程測壓滿足工作需求之后，再裝上墊片安裝封頭，最后開展管程壓力的測驗。確保符合壓力要求后，再展開安裝工作。 6.2.4附件的安裝 換熱器經安裝之后，找平固定完成，可進行其他元件的組裝工作。其他附件的安裝方式可以遵循管路的安裝進行操作，在安裝過程中要確保安裝人員的安全，再嚴格按照安裝流程分步進行安裝工作。 6.3換熱器的檢修 換熱器安裝完成后，在使用過程中或多或少會出現(xiàn)各種問題，其中最容易發(fā)生故障的部件就是管子。由于換熱管會與介質進行接觸，有些介質存在腐蝕性等，會對換熱管造成不同程度的損壞。因此，我們需要在定期按時更換換熱管。在換熱器中，最為常見的故障有管壁積垢，管子出現(xiàn)走漏和振蕩等問題，以下我將根據(jù)這些問題，逐一進行解釋。 6.3.1管壁積垢的清除 在填料函式換熱器管子的內外壁上，因為介質與換熱管密切接觸，經過時間的長期積累，就會很容易形成一層積垢。 然而這些積垢的形成會直接影響換熱器的換熱效率，使其功效大大減小，因此我們應該定期及時的清理這些積垢。對于如何清理這些積垢，方法也比較廣泛，最常用的方法就是機械法或者化學法進行清理。 6.3.2泄露的修理 填料函式換熱器的管束是由眾多的管子排列組合在一起的，管子泄露的主要原因就是介質與管子密切接觸，對管子造成了嚴重的腐蝕。在對管子展開修理之前，我們需要首先檢查管子是否出現(xiàn)了泄露。 通常的檢驗管子走漏的方法是：在冷卻液的低壓出口處設置采樣管口，在一段時間內，收集冷卻水，對其內部成分進行分析。倘若在冷凝水內部存在介質中的成分，那么我們就可以確定管束出現(xiàn)了泄露。然后再采用試壓法進一步檢驗管束具體哪個部分發(fā)生了泄露。 在檢查的過程中，首先要給管束的一端加裝板子，并且要把管束沉浸在池塘中，然后使用適宜壓力的空氣進行考查，將空氣一個接一個放入管口進行試驗。如果在壓縮空氣進入到某個管口時，所連接的水塘出現(xiàn)了小泡，那么就可以證明這個管子出現(xiàn)了泄露問題，那么我們就可以對有問題的管子進行標記。利用這種方法重復進行測驗，直到檢驗出所有管子的泄露，集中進行修理與調換。 1對少量管子泄漏的修理方法 如果管束中的管子泄露根數(shù)比較小的情況下，由于其本身對換熱器的換熱效率影響不是特別大，因此我們可以選擇對泄露的部分進行添堵。采用金屬材料將管子兩側進行封堵，確保泄露的管子不會參與到工作中來，盡可能的減少的對換熱效率的影響。我們要按照規(guī)格尋找適宜的金屬材料進行封堵，要考慮到金屬材料的溫度以及直徑尺寸等方面。 2對較多管子泄露的修理方法 在上面我們已經討論了出現(xiàn)少量管子泄露應該怎么處理的辦法，接下來我們要討論如果出現(xiàn)很多管子泄露應該怎么處理。這時再對管子進行封堵是不可行的，因為這樣會大大影響傳熱效率。那么我們這個時候就要對受損的管子進行及時的清換，具體的操作步驟如下： （1）首先我們需要卸下漏的管子，就是將差的管子從管板中抽離出來。在卸除管子的過程中，對于薄壁的有色金屬管子可采用鉆孔或絞孔的方法，也可以把其一段段接下來，再做到整個的拆除。使用鉆孔或絞孔的方法拆除管子時，開孔的工具應該與管板上的內徑相參考。同時，我們也可以采用脹接的方法，讓管子收縮，脫離對管板的束縛，能夠較為輕松地取出泄露的管子。對于管壁厚度比較厚的管子，我們可以利用火焰切割法對泄露的管子進行逐步的切割，就是在管子脹接的部分進行切割，切出幾個口子來，然后敲擊管子讓其與管板接觸不牢，收縮之后就比較容易取出了，然后再利用牽引工具把已經收縮好的管子抽離出來。在拆除管子的過程中，切忌對管板內徑造成損壞，否則更換的管子將很難與管板進行更好地連接。我們也要記得對管子的兩端進行切割拆除工作。 （2）取下泄露的管子后，我們需要重新安裝新的管子，其中最常用的方法就是漲接法，其安裝的過程與之前管子的安裝并沒有任何差別。更換的新管子，要確保其各項參數(shù)與所替換下來的管子相同，否則就不能夠與管板更好地連接。穿入管子時，管子應該與管板的管口緊密連接，不能夠出現(xiàn)偏差，應正對應這管板的管口，之后我們就可以把管子與管板相連接了。 以上的換熱器故障以及維修方法只是列舉了在工作過程中經常遇到的幾種情況和使用比例較高的幾個解決方案。倘若出現(xiàn)新類型的問題沒有在本文體現(xiàn)，應該結合書籍，網絡等媒介進一步探討。 6.4換熱器腐蝕預防 我們需要除去應力，應力的來源是五花八門的，在選擇材料的過程中，盡可能使用含銅的材料，這樣的話對我們的換熱器有很大幫助。 其次要保證氣體的正常釋放，在工作的過程中確保工作環(huán)境內排凈空氣，不會出現(xiàn)雜質。同時要確保兩個液體物質的純凈。在制造完畢后，也要做好防腐的手段，要避免在運輸過程中出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象，我們可以通過充入氮氣等較為穩(wěn)定的氣體用來保證要求。 換熱器不能使用時，通常根據(jù)棄用時間的程度，分別選用合適的防治策略，我們可以通過調節(jié)PH值來保證其液體的酸堿性，最終可以讓換熱器工作時長增大。設備的使用壽命與防腐措施做得好壞有密切關系。因此，我們需要加強對這方面的重視。要做好制造完畢后，交付時的銜接工作。 7.總結 本次設計進入到這里就要快要結束了，時間過得非?？?。轉瞬就要到了畢業(yè)的時候，想到去年12月初選這個課題的時候，有萬般的不理解，因為大學所學專業(yè)是機械制造方面，畢業(yè)設計課題的換熱器是一種化工生產設備，我有和多方面從來沒有接觸過。同時，由于今年爆發(fā)新型冠狀肺炎病毒，導致今年的畢業(yè)與以往有所不同，我不能盡快抵達學校與導師進行課題的討論。好在導師利用網絡聊天平臺，為我悉心解答各個方面的問題，確保了我畢業(yè)設計平穩(wěn)有序地進展。也要感謝本組共同進行畢業(yè)設計的同學，在導師領導下，我們組開展了多次設計討論會，充分發(fā)揮了我們的思維，也讓大家根據(jù)自身的設計問題展開共同討論。 在進行畢業(yè)設計的過程中，我利用自己大學四年所學的知識進行實踐，很多知識在學校學習后因為長時間不使用，變的逐漸生疏了，例如本次使用CAD制圖軟件很好的幫助我回憶制圖的要領。同時，在設計過程中，我發(fā)現(xiàn)有很多設計參數(shù)在參考書中沒有體現(xiàn)，而我已經可以利用網絡的書籍文獻進行自我完善，做到了自主學習。很高興經歷了這段有意義的半年，讓我掌握了很多方面的知識。但是，我也深知，盡管自己已經完成了這個設計，即將步入社會工作，自己專業(yè)知識的掌握能力仍然有所欠缺，我還需要在日后的工作中不斷磨練，不斷摸索，不斷充實自己的知識領域。 30 參考文獻 [1] 秦叔經，葉文邦.化工設備設計全書-換熱器［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2003 [2] 工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊［Ｍ］.北京：中國標準出版社，2002 [3] 朱有庭.化工設備設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2005 [4] 錢頌文.換熱器設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2002 [5] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2011 [6] 華南理工大學化工原理教研組.化工過程及設備設計［Ｍ］.廣州：華南理工大學出版社，1986 [7] 趙惠清，蔡紀寧.化工制圖 ［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2015 [8] 譚蔚.化工設備設計基礎［Ｍ］.天津：天津大學出版社，2014 [9] 陳偕中.化工容器設計［Ｍ］.上海:上?？茖W技術出版社，1998 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International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013 致謝 終南幽幽，雁塔相伴，是我美麗的校園。轉眼間，我已經在美麗的湖南工學院度過了四個年頭。四年，這是我人生中非常重要的四年，我的專業(yè)是機械設計制造及其自動化，我有幸能夠接觸到這些不僅傳授我知識和學問，而且從更高層次指導我人生與價值追求的良師。他們使我堅定了人生的方向，獲得了追求的動力，留下了大學生活的美好回憶。在此，我真誠地向我尊重的老師們和母校表達我深深的謝意！ 這篇論文是在我導師鄒芝芳老師的多次指導下完成的。從論文的選題到結構的安排，從內容到文字潤飾，都凝聚了他大量的心血。這篇論文在寫作的過程中，老師不辭辛苦，多次與我就論文中許多核心問題作深入細致的探討，給我提出切實可行的指導性建議，并悉心全面的修改我的論文。老師這種一絲不茍的負責精神，使我感動。更重要的是老師在指導我論文的過程中，始終踐行著“授人以魚，不如授人以漁”的原則。他常教導我要志存高遠，嚴格遵守學術道德和學術規(guī)范，為以后的繼續(xù)深造打好堅實的基礎，在此，請允許我向我的導師鄒芝芳老師表示真摯的謝意。同時，因為設計的內容大同小異，我們設計小組經常會開展討論工作。盡管這次疫情讓畢業(yè)設計產生了諸多不便，但是我們還是在討論組中相互磋商設計中出現(xiàn)的問題。也正是因為參與到這個化工設備設計，讓我對機械化工生產產生了濃厚的興趣，我在畢業(yè)之際也簽約了類似行業(yè)的公司，我要感謝企業(yè)和老師對我的大力幫助。 在這里也要感謝在大學期間為我授課的老師，讓我領略到機械獨特的美。在我學習感到迷茫的時候，老師無數(shù)次幫助我重拾信心，為我悉心講解問題。同時，也要感謝身邊同學的幫助，因為自己的計算機辦公軟件掌握的不是特別熟練，多虧了同學們在這一段時間給我的幫助，讓我擺脫了新手階段，能夠獨立完成論文排版，格式選定的工作。認識大家，是我的福分，我會常懷感恩之心，永生銘記。當然。我也要感謝參加我畢業(yè)答辯的各位老師，老師們提出的問題都很重要，讓我深知以后工作需要面對各種各樣的機械類問題，我一定會像這次的設計一樣，端正自己的學習態(tài)度，時刻抱著學習的心態(tài)。 最后，要感謝我的父母的支持，在我出現(xiàn)困難的時候對我進行了幫助。正是他們的對我的鼓勵支持，讓我的大學生涯劃下了圓滿的句號。