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1、 浙江大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：釜式換熱器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 系 別： 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學(xué) 號(hào)： 目 錄 1概述…………………………………………………………………………3 2設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………5 2.1主要技術(shù)參數(shù)的確定……………………………………………………………5 2.2釜式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………

2、……………5 2.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………5 2.2.2換熱器管程設(shè)計(jì)……………………………………………………………7 2.2.3 換熱器殼程設(shè)計(jì)……………………………………………………………8 2.3 元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì) ………………………………………………………………9 2.3.1 筒體 ………………………………………………………………………9 2.3.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………………………………11 3標(biāo)準(zhǔn)零部件的選用及主要零部件的設(shè)計(jì) ………………………………15 3.1 法蘭的選用…………………………………

3、……………………………………15 3.1.1容器法蘭的選用.……………………………………………………………15 3.1.2管法蘭的選取 ………………………………………………………………16 3.2 封頭………………………………………………………………………………17 3.3 管板………………………………………………………………………………18 3.4 堰板………………………………………………………………………………19 4鞍座的設(shè)計(jì)………………………………………………………………19 4.1 鞍座的選取……………………………………………………………………19 4.2鞍座位

4、置的設(shè)置…………………………………………………………………19 4.2.1鞍座位置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求………………………………………………19 4.2.2設(shè)備總長的確定……………………………………………………………20 4.2.3 A值的確定…………………………………………………………………20 4.3力的計(jì)算…………………………………………………………………………20 4.3.1重量產(chǎn)生的反力……………………………………………………………20 4.3.2地震產(chǎn)生的力………………………………………………………………21 4.3.3風(fēng)載產(chǎn)生的力………………………………………………………

5、………24 4.3.4熱膨脹產(chǎn)生的力……………………………………………………………26 4.4總合力計(jì)算………………………………………………………………………27 4.5應(yīng)力校核…………………………………………………………………………29 4.5.1軸向應(yīng)力……………………………………………………………………30 4.5.2切向應(yīng)力……………………………………………………………………31 4.5.3周向應(yīng)力……………………………………………………………………31 4.6結(jié)論………………………………………………………………………………32 5三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)……………………………

6、……………………………………32 5.1 軟件介紹…………………………………………………………………………32 5.2 主要零部件的造型設(shè)計(jì)…………………………………………………………32 5.2.1 管箱封頭的設(shè)計(jì)……………………………………………………………32 5.2.2 鞍座的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………34 5.2.3 螺母的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………35 5.3 裝配體的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………35 5.4 工程圖的生成……………………………………………………………………38 設(shè)計(jì)

7、總結(jié)……………………………………………………………………41 注釋…………………………………………………………………………43 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………44 謝辭…………………………………………………………………………45 附件…………………………………………………………………………46 1 概 述 換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備,是在化工、石油、石油化工、冶金等領(lǐng)域普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備，在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%～45%。近年來

8、隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。目前在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。在近年來國內(nèi)在節(jié)能、增效等方面改進(jìn)換熱器性能，在提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備體積和金屬材料的耗量等方面不如其他新型換熱設(shè)備，但他又結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作彈性大、可靠程度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各種工程中得到普遍使用。而本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目就是有相變傳熱的釜式換熱器，它也是管殼式換熱器的一種，廣泛應(yīng)用于石油及化工領(lǐng)域

9、，又稱釜式再沸器。 換熱器作為節(jié)能設(shè)備之一，在國名經(jīng)濟(jì)中起到非常重要的作用。換熱器的結(jié)構(gòu)決定了換熱器的性能，一種性能能否發(fā)揮其作用取決用設(shè)計(jì)著如何選擇合理的結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)場合都有適應(yīng)于這個(gè)特點(diǎn)的換熱結(jié)構(gòu)。要是傳熱效率提高、能耗下降、就必須了解換熱器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，在這次設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也就作為重點(diǎn)之一。 設(shè)計(jì)題目在畢業(yè)實(shí)習(xí)之前就已確定，任務(wù)涵蓋了兩部分內(nèi)容，一是設(shè)備設(shè)計(jì)部分；二是在設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維實(shí)體輔助造型設(shè)計(jì)。設(shè)備設(shè)計(jì)包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各個(gè)組成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)，主要零部件的設(shè)計(jì)和選型以及校核。三維實(shí)體輔助造型設(shè)計(jì)是利用軟件SolidWorks來完成的，包括各個(gè)零部件的造型設(shè)計(jì)、

10、裝配體的設(shè)計(jì)和工程圖的生成。工作任務(wù)是比較繁重的，在實(shí)習(xí)過程中，見到最多的是固定管板式換熱器，卻未見到釜式設(shè)備，對于釜式換熱器的局部結(jié)構(gòu)始終無法想象，關(guān)于釜式換熱器的介紹資料在圖書館的資料庫里，找到的不多。在經(jīng)過多次考慮和導(dǎo)師的探討，才對它的總體結(jié)構(gòu)確定了下來，然而解決后新的問題又?jǐn)[在面前，在過去的學(xué)習(xí)中，并未對SolidWorks做深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，當(dāng)要系統(tǒng)的完成一個(gè)完全有自己設(shè)計(jì)的設(shè)備建模時(shí)遇到了太多的問題，每個(gè)功能的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)過程有時(shí)需要摸索很多次，而且往往會(huì)在建模時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的合理性出問題，對前面的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行反復(fù)的修改，直到最后完成工程圖的生成，才完成了設(shè)備的全部設(shè)計(jì)，可以說，每一步

11、都緊密聯(lián)系在一起，相互制約著。但同時(shí)也讓我體會(huì)到設(shè)計(jì)者和制造者之間的矛盾和聯(lián)系，設(shè)計(jì)者有時(shí)是無法注意到制造問題的，而SolidWorks可以讓設(shè)計(jì)者先對自己的設(shè)計(jì)做一個(gè)檢驗(yàn)。 通過本次設(shè)計(jì)使我對所學(xué)的專業(yè)知識(shí)有了更深刻地認(rèn)識(shí)，并從中學(xué)到了很多課本上無法得到的東西，通過自身的努力和學(xué)習(xí)，通過導(dǎo)師的細(xì)心指導(dǎo)，使我不僅在知識(shí)水平上和解決實(shí)際問題的能力上有了很大的提高，而且深刻體會(huì)到要把所學(xué)的知識(shí)理論變成可實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備時(shí)，所面對的種種難題，認(rèn)識(shí)到提高運(yùn)用知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力的重要性，由于時(shí)間倉促和經(jīng)驗(yàn)不足，難免存在很多問題，敬請各位老師指導(dǎo)！

12、 2 設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1主要工藝參數(shù)的確定 殼 程 管 程 介 質(zhì) 水、水蒸氣 再生氣 設(shè)計(jì)壓力 0.4 3.2 設(shè)計(jì)溫度℃ 210 340 換熱面積 260 接管規(guī)格： 再生氣進(jìn)口DN300； 再生氣出口 DN300 水 進(jìn) 口 DN300；

13、 水出口 DN300 蒸汽出口 DN400 2.2釜式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 選擇了比較帶蒸發(fā)空間的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，由管箱、小端殼體，斜錐殼體，大端殼體、管板、法蘭、換熱管等零部件組成。如圖2—1所示 圖2—1 2.2.2換熱器管程設(shè)計(jì) 1) 換熱管 a) 換熱管的形式 換熱管形式有光管、各種翅片管、螺紋管、異形管等。光管是作為管殼式換熱器的傳統(tǒng)形式，當(dāng)前應(yīng)用非常普遍，廉價(jià)，易于制造、安裝、檢修、清洗方便。隨著節(jié)約材料，節(jié)約能源的強(qiáng)化傳熱技

14、術(shù)研究的發(fā)展，光管不斷受到?jīng)_擊，但是依據(jù)本設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)和考慮制造成本，依然選用光管。 b) 管徑 采用標(biāo)準(zhǔn)管徑的換熱管。小管徑可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。將同直徑換熱器的換熱管有改為使換熱面積可增加40%左右，節(jié)約金屬20%以上，但小管徑流體阻力大，不便清洗，易結(jié)垢，堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，而再生氣成分未定，選用㎜×2.5㎜的無縫鋼管。 c) 管長 管子過長清洗安裝均不方便。一般取6以下，對于臥式設(shè)備，管長與殼徑之比應(yīng)在6-10范圍內(nèi)，本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)管長6。 d) 管材 選用20號(hào)鋼。 e) 管束確定 估算單根換熱管面

15、積A A — 單根換熱管的面積㎡ d — 無縫鋼管直徑㎜ — 無縫鋼管壁厚㎜ 所需的換熱管數(shù)n= F — 要求工藝換熱面積㎡，F(xiàn)=260㎡ ㎜×2.5㎜的換熱管的拉桿至少需要6根，故所需換熱管管數(shù)至多608根。 2) 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管、將管程與殼程的流體分開，避免冷熱流體混合，并同時(shí)受管程壓力、殼程壓力和溫度的作用。 a) 管板材料 在選擇管板材料時(shí)除考慮力學(xué)性能外還應(yīng)考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響，由于此設(shè)計(jì)中的再生氣主要成分為二氧化碳，選用一般壓力容器用鋼16MnR。

16、b) 列管形式排布 考慮到管外是水易清洗，采用正六邊形排列。換熱管中心距要保證管子與管板連接時(shí)，相鄰兩管間的凈空距離有足夠的強(qiáng)度和寬度，一般不小于1.2倍的換熱管外徑，因此換熱管的中心距選標(biāo)準(zhǔn)S=32㎜。管板上排列管子的根數(shù)六角形14層，實(shí)際可排721根，對角線上的管數(shù)N=29，不計(jì)弓形部分可排管子總數(shù)為631根。 c) 管板與殼體和管箱的連接 管板與殼體的連接形式分為兩類：一種是可拆式，一種是不可拆式。對于釜式換熱器特殊的結(jié)構(gòu)形式，考慮維修方便，以及再生氣的腐蝕性并不大，氣密性要求不高，管板不做法蘭設(shè)計(jì)中采用如圖3—1所示的連接形式：

17、 圖2—1加緊式連接 d) 換熱管與管板的連接形式 換熱管與換熱管的連接在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的結(jié)構(gòu)部分，它不僅給加工工作量大，而且必須使每個(gè)連接處在設(shè)備運(yùn)行中，保證無泄漏及能承受介質(zhì)壓力。從制造工況以及經(jīng)濟(jì)等方面考慮，我選用了強(qiáng)度焊。 3） 管箱 管箱的作用是把從管道輸送來的流體均勻地分布到各換熱管內(nèi)，和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器，在多管程換熱器中，管箱還起到改變介質(zhì)的流向的作用，由于我采用的釜式換熱器的特殊結(jié)構(gòu)形式，我選用封頭管箱，并用兩程，隔板尺及結(jié)構(gòu)見圖3—3。但是由于采用了2程分程，隔板槽兩

18、側(cè)管心距至少取44㎜。 圖2—3 分程隔板 2.2.3 換熱器殼程設(shè)計(jì) 課程內(nèi)主要由殼體、折流板、支撐板、拉桿、定距管、滑板等結(jié)構(gòu)組成。 1） 殼體結(jié)構(gòu)見設(shè)計(jì)圖紙。 2） 折流板 折流板的作用是為了提高殼程流體流速，迫使流體按規(guī)定的路徑多次橫向流過管束，增加湍動(dòng)程度，以提高管間對流傳熱效率。而對于釜式換熱器，折流板即起著流作用又起支撐作用。由于弓形折流板中，流體只經(jīng)過圓缺部分而垂直流過管束，流動(dòng)中死區(qū)較少，所以較為優(yōu)越，結(jié)

19、構(gòu)也簡單。弓形折流板的圓缺率為25%左右。折流板的缺口應(yīng)盡量靠近管排，此采用上下方向排列，可造成流體劇烈擾動(dòng)，以增大傳熱系數(shù)。 弓形折流板的間距一般不應(yīng)小于殼體內(nèi)徑的20%,且不小50㎜，并相鄰兩塊折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑。由于換熱管總長為6000㎜，去折流板間距為750㎜，可以計(jì)算需要7塊折流板。折流板的安裝固定時(shí)通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的，每一根拉桿的最后一塊折流板是與拉桿焊接的。其缺口的弦高取0.3倍的圓筒內(nèi)徑，h=300㎜。對于臥式換熱器，為在停車時(shí)排進(jìn)課程內(nèi)殘留也和在換熱過程中伴隨有氣相的產(chǎn)生，則在折流板頂和底部需設(shè)置缺口，其角度為，高度為15～20㎜，共排除換熱器內(nèi)殘留也和氣體用

20、。折流板的厚度是根據(jù)換熱器直徑和換熱管無支撐跨距來實(shí)現(xiàn)的，表3—5查得折流板的最小厚度為10㎜。它的名義外徑為DN－6=㎜。 3） 拉桿 拉桿常用形式有兩種：一種為拉桿和折流板焊接形式，一般用于換熱管外徑小于或等于14㎜的管束;另一種為拉桿定居管結(jié)構(gòu)形式，用于換熱管外徑大于或等于18㎜的管束。拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，對于大直徑的換熱器，再不管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，拉桿直徑選用。 4） 滑板 用來支撐折流板，并在安裝時(shí)起到導(dǎo)軌和滑軌的作用，便于安裝和拆卸，并在設(shè)備工作時(shí)防止由于介質(zhì)的沖擊引起的震動(dòng)和浮動(dòng)，它的長度定為5000㎜，有兩根組成。材料選用。

21、 2.3 元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 換熱器是由客體、管箱、封頭、官板、法蘭、換熱管等受力元件組成，各元件都需要進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，以確保在運(yùn)行時(shí)安全可靠。 由于官板受力情況復(fù)雜，影響管板強(qiáng)度的因素很多，有管內(nèi)外壓力，溫度生產(chǎn)的應(yīng)力，法蘭力矩和換熱管的支撐力等的影響，故正確地進(jìn)行管板分析計(jì)算是比較復(fù)雜的，在此由于時(shí)間的關(guān)系，不予校核設(shè)計(jì)。 2.3.1 殼體 1) 小端殼體直徑的計(jì)算 給予管板相連接的殼體，因此其厚度應(yīng)根據(jù)殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或大于管板布管最大圓的直徑，所以從管板直徑的計(jì)算可以確定殼體的內(nèi)徑。 D — 殼體計(jì)算內(nèi)徑，㎜；

22、 S — 管心距，㎜； b — 最外層的六角形對角線上的管數(shù)，b=29； e — 六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離，一般取。 但根據(jù)圓筒的內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)系列，只能取。 2) 大端殼體直徑的確定 釜式換熱器是需要在殼體的上部設(shè)置適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)空間，同時(shí)兼有蒸汽室的作用。頁面的最低位置應(yīng)比價(jià)熱管的最上部表面高約50㎜，且大端直徑和小段直徑之比為1.5～2倍，錐形過渡段為。因此去大端直徑為2倍于小端直徑，即為=2000㎜。則由此可以得到斜錐的長度為。 3) 殼體的壁厚

23、 根據(jù)工藝條件可知，本設(shè)計(jì)的釜式換熱器屬于中低壓容器，選用壓力容器常用鋼16MnR，殼體的計(jì)算厚度 — 計(jì)算厚度，㎜； — 計(jì)算壓力，取設(shè)計(jì)壓力0.4； — 圓筒內(nèi)徑，㎜； — 需用應(yīng)力，，由于200℃ 時(shí)=170，250℃時(shí)=156，用試差法計(jì)算在210℃是=176.4； — 焊縫系數(shù)，=0.85。 ==2.8㎜ 16MnR的負(fù)偏差為=0，取腐蝕余量=2㎜，因此鋼板的名義厚度可取

24、。但作為大端直徑為2000㎜的圓筒的最小厚度為=14㎜，小端直徑為1000㎜的圓筒的最小厚度為=10㎜。為制造方便和考慮經(jīng)濟(jì)成本小端和大端直徑以及斜錐殼都取=14㎜。 進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)校核：即 0≤0.9 F — 要求工藝換熱面積㎡ D — 殼體計(jì)算內(nèi)徑，㎜； S — 管心距，㎜； b — 最外層的六角形對角線上的管數(shù)，b=29； e — 六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離，一般取 — 計(jì)算厚度，㎜； — 計(jì)

25、算壓力，取設(shè)計(jì)壓力0.4； — 圓筒內(nèi)徑，㎜； — 需用應(yīng)力，，由 — 有效厚度，㎜； — 屈服應(yīng)力，=340； =1×9.81×2000=0.01962 ==0.51962 =50.22 0.9=0.9×0.85×340=260.1 < 0.9，由此可知筒體厚度取14㎜完全符合要求。 4) 管箱厚度計(jì)算 由于管箱受到的壓力與殼體受到的壓力不同，但選用了封頭管箱，并且封頭選用了標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，由此其計(jì)算

26、厚度按封頭的計(jì)算厚度，即 — 計(jì)算壓力，取設(shè)計(jì)壓力，=3.2 — 需用應(yīng)力，340時(shí)=136.4； — 焊縫系數(shù)，=1。 =11.79㎜ 取腐蝕余量為2㎜，16MnR的負(fù)偏差為0，因此可取其名義厚度為14㎜。 2.3.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減少到某一允許數(shù)值。采用基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積布強(qiáng)圈，主要用于補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的布強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算。規(guī)定不需要另行補(bǔ)強(qiáng)的

27、接管外徑要小于或等于89㎜，故5個(gè)孔都需補(bǔ)強(qiáng)。 1) 再生氣進(jìn)出口（DN300） a) 開孔所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積A 對于受內(nèi)壓的圓筒，所需的補(bǔ)強(qiáng)面積 A — 開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積，； — 開孔直徑，圓形孔等于接管內(nèi)徑加2倍，厚度附加量，=325+0=325㎜； — 殼體開孔處的計(jì)算厚度，㎜； — 接管的有效厚度，=- C =14-2 =12㎜； — 強(qiáng)度削弱系數(shù)，，即設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料需用應(yīng)力之比，當(dāng)>1.0時(shí)，就

28、取=1.0。=136.4，=92，故取=1.0。 A=325×11.79 +2×11.79×12（1－1）=3831.75㎜ b) 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 i. 有效寬度B 取二者中最大值B=2d B=d+2 式中 B—補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，㎜； —?dú)んw開孔處名義厚度，㎜； —接管名義厚度，㎜； B=2×325=650㎜ B=325+2×14+2×14=381㎜ 故 B=650㎜。 ii. 有效厚度 外側(cè)有效高度去式中較小值

29、 接管實(shí)際外伸高度=300㎜ 故 =67㎜。 內(nèi)側(cè)有效高度取式中較小值 =接管實(shí)際內(nèi)伸高度=0 故 =0。 iii. 有效補(bǔ)強(qiáng)面積 殼體多余金屬面積 =（650-325）（12-11.79）-0 =68.25 接管多余面積 接管計(jì)算厚度 =2×67.45（12-5.38）10+0 =89

30、3.0 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)焊縫面積焊腳取6.0㎜ =2××6.0×6.0=36 則 iv. 所需另行補(bǔ)強(qiáng)的面積 故需另行補(bǔ)強(qiáng)，采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。 c) 補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì) 補(bǔ)強(qiáng)圈外徑D應(yīng)不大于有效寬度B=650㎜。取外徑D=550㎜，公稱直徑DN300，內(nèi)徑d=329的補(bǔ)強(qiáng)圈。 補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度 = =2834.5÷（550-329） =12.8㎜ 考慮鋼板的厚度麩皮偏差并經(jīng)圓整，實(shí)取補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度為14㎜，其質(zhì)量為16.8㎏。 2) 水

31、蒸氣出口（DN400） 允許不另補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為，故本開孔需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。 a) 開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面A A= ==0.82 A=402×2.8+2×2.8×12×（1-0.82） =1125.6+22.176 =1147.776 b) 有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍 有效寬度B取二者較大值 B=2d=2×402=804㎜ B= 外側(cè)有效高度取二者較小值 接管實(shí)際外伸高度＝150㎜ 故 =75㎜1。 內(nèi)側(cè)有效高度=0。 c) 有效補(bǔ)強(qiáng)面積 殼側(cè)多余金屬面積

32、 =（804-402）（12-2.8）-2（14-2）（12-2.8）（1-0.67） =3625.5 接管多于金屬面積 接管計(jì)算厚度 = =2×75×（12-0.69）×0.67+0 =1136.66 由于 ，故計(jì)算至此，已經(jīng)可以得出蒸汽出口開空不再需要另行補(bǔ)強(qiáng)。 3) 水進(jìn)出口開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)（DN300）

33、由前面水蒸汽開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的計(jì)算得出，由于水進(jìn)出口的公稱直徑小于水蒸汽出口的公稱直徑，由此，也不需要另行補(bǔ)強(qiáng)。 3 標(biāo)準(zhǔn)零部件的選用及主要零部件的設(shè)計(jì) 3.1 法蘭的選用 法蘭標(biāo)準(zhǔn)分為壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)和管法蘭標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸和密封面的形式的確定是由法蘭的公稱直徑和公稱壓力來確定的。 3.1.1 容器法蘭的選用 由于長頸對焊凸凹密封面法蘭，安裝時(shí)易于對中，還能有效的防治墊片擠出壓緊面，并且利于密封，適用于的壓力容器。小段的管箱與管板及筒體的連接選用如圖3—1所示的法蘭連接。材料選用16。 圖3—1 容器法蘭 DN =1000㎜,

34、D =1215㎜,=1110㎜, =1097㎜, =100㎜, H =175㎜, h =42㎜, =28㎜, =32㎜, R =15㎜, d =33㎜, 對接筒體的最小厚度=14㎜， 螺栓選用48個(gè)30×250，法蘭質(zhì)量為=334.2㎏ 對于浮動(dòng)端的管板與封頭的連接選用了帶法蘭的球冠型封頭，因此其尺寸暫不與設(shè)計(jì)，它屬于非標(biāo)準(zhǔn)件。 3.1.2 管法蘭的選取 管法蘭的設(shè)計(jì)采用1997年由原化學(xué)工業(yè)部頒發(fā)的《鋼質(zhì)管法蘭、墊片、緊固件》標(biāo)準(zhǔn)來選取的。根據(jù)壓力不同，選用了不同的法蘭形式，具體數(shù)據(jù)見表3—1。如圖3—2和圖3—3所示，材料選用20號(hào)鋼。

35、 表3—1 標(biāo)準(zhǔn) 形式 公稱直 徑 鋼管外徑 法蘭外徑 法蘭厚度 螺孔直徑 頸的直邊高度 帶頸對焊 300 325 515 28 450 18 板式平焊 300 325 440 24 395 0 板式平焊 400 426 540 28 495 0 圖3—2管法蘭 圖3—3 管法蘭 3.2 封頭 對于封頭在前面計(jì)算時(shí)我已對此作了較粗略的說明，根據(jù)在小端和大端都選用了標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。在這里給出具數(shù)據(jù)，以供下面

36、的設(shè)計(jì)計(jì)算作參考。見表3—2。材料選用16MnR。 表3—2 公稱直徑 直邊高度 曲面高度 容積/㎡ 壁厚 質(zhì)量/㎏ 1000 40 250 0.162 14 136 2000 40 500 1.173 14 511 對于浮動(dòng)端得封頭選用了帶法蘭的球冠封頭，這樣既可以節(jié)約材料，也可以減少能量的耗損，它的體積小，法蘭的厚度又薄，在我翻閱大量的資料當(dāng)中可以看到，選用帶法蘭的球冠封頭是比較成熟的，但計(jì)算過程比較復(fù)雜，這里不再闡述，如圖3—4所示，材料選用45號(hào)鋼。

37、 圖3—4 帶法蘭球冠封頭 其中 =997㎜， = 950㎜， =910㎜， 螺孔直徑為 26㎜，共用32個(gè)的螺栓來連接。 3.3 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一。用來排布換熱管、將管程與殼程的流體分開，避免冷熱流體混合，并同時(shí)受管程壓力、殼程壓力和溫度的作用。管板的設(shè)計(jì)是否合理對確保換熱器的安全運(yùn)行、節(jié)約材料，降低制造成本是至關(guān)重要的。但是由于計(jì)算復(fù)雜，直接選用了和借鑒了有關(guān)資料中給出的標(biāo)準(zhǔn)中給出的尺寸。 考慮到制造和維修的方便，對固定端的管板與浮動(dòng)端的管板分別作

38、了如下的設(shè)計(jì)尺寸，見3—5和3—6。 圖3—5 固定管板 圖3—6 浮動(dòng)端管板 3.4 堰板 堰板設(shè)置在液體出口前，為保證加熱管完全浸泡在沸騰的水中，因此取其直徑為2000㎜，弦高為1000㎜，厚度為10㎜，材料用。 4 鞍座的設(shè)計(jì) 4.1 鞍座的選取 鞍式支座分為輕型（代號(hào)A）和重型（代號(hào)B）兩種，同樣公稱直徑輕型鞍座比重型鞍座承載能力小，自身重量輕，根據(jù)GB/T4712—92,選取了

39、輕型（A型）DN（1000～2000），包角帶墊板的鞍式支座。材料選用（鞍座專用鋼材），墊板材料與筒體的材料相同。對于同一型號(hào)的鞍式支座又有固定鞍座（F型）和滑動(dòng)鞍座（S型）兩種。但一般都是成對選用，即選一個(gè)F型和一個(gè)S型，以適應(yīng)溫度變化引起的伸縮，以減少溫差應(yīng)力。 4.2 鞍座位置的設(shè)置 4.2.1 鞍座位置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求 對于雙支座上受均布載荷的簡支梁，若梁的全長為L，則當(dāng)外伸端長度A=0.207L時(shí)，雙支座跨距中間截面的最大彎矩和制作截面處的彎矩和支座截面處的彎矩絕對值相等，從而使上述兩截面上保持等強(qiáng)度，考慮到支座處圓筒的截面處除彎矩以外的其他載荷，而且支座截面處應(yīng)力比較

40、復(fù)雜，故常取支座處圓筒的彎矩略小于跨中間圓筒的彎矩，通常取尺寸A不超過0.2L值，為此中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JB《鋼制臥式容器》規(guī)定去A≤0.2L，A值最大不超過0.25L。否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應(yīng)力過大。其中A為封頭切線至支座中心線之距離，L為封頭切線之距離，此外，由于封頭的抗彎剛度具有局部加強(qiáng)的作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強(qiáng)作用。因此JB4731還規(guī)定了當(dāng)滿足A≤0.5（為圓筒的平均半徑，，為圓筒的名義厚度，為了分析方便，設(shè)計(jì)中用圓筒的內(nèi)半徑代替）. 4.2.2 設(shè)備總長的確定 首先考慮換熱管的長為=60000㎜，而大端封頭的長度為=540㎜，

41、水出口的直徑為325㎜，并考慮到設(shè)置堰板的適當(dāng)距離，取從浮動(dòng)端管板到封頭的距離=650㎜，管箱封頭的總長考慮到再生器進(jìn)出口開孔的布強(qiáng)圈的直徑，以及容器法蘭的厚度取=740㎜，與此取設(shè)備總長+△=6000+540+650+740+△=8720. 4.2.3 A值的確定 釜式換熱器的手里主要集中在管板與換熱管一側(cè)，封頭管箱內(nèi)只有氣體，其對殼體的作用力在計(jì)算時(shí)為方便暫時(shí)可以不計(jì)，故可以近似認(rèn)為鞍座是受均布載荷作用的，依據(jù)4.2.1的說明，取A=1200㎜。 4.3 力的計(jì)算 4.3.1 重量產(chǎn)生的反力 1) 設(shè)備本身的質(zhì)量

42、 =3767.08㎏ 其它附件的質(zhì)量就取為的5%，即設(shè)備的總質(zhì)量為 =（1+0.05）×13767.08㎏ =14455㎏ 2) 物料的質(zhì)量 由于物料本身占到了設(shè)備截面弦高1000 ㎜處，其余空間均被氣體充滿，故只要估算水的質(zhì)量就可以了。 =11027㎏ 3) 設(shè)備重量 設(shè)備操作時(shí)總質(zhì)量 m

43、 =14455+11027 =25482㎏ =25482×9.81 =249978.42N 4) 支座的支反力 F= = =124989.21N 4.3.2 地震產(chǎn)生的力 1) 地震引起固定端鞍座橫向推力

44、 G — 換熱器總質(zhì)量㎏， — 地震系數(shù)，。 =124989.21N 2) 地震引起滑動(dòng)鞍座橫向推力 3) 地震引起固定鞍座反力 H —鞍座地班子換熱管中心線的距離，㎜，， — 兩鞍座間的距離，。

45、 =36761.5 4) 地震引起滑動(dòng)鞍座的反力 =36761.5N 5) 地震引起固定鞍座測向推力 — 重量引起固定鞍座反力，N； =62494.6N 6) 地震引起滑動(dòng)鞍座測向推力 — 重量引起滑動(dòng)鞍座反力，N；

46、 =62494.6N 7) 地震引起固定鞍座處的彎矩 — 重量引起固定鞍座處殼體軸向彎矩，N·㎜ ㎜ = =N·㎜ 8) 地震引起滑動(dòng)鞍座處的彎矩

47、 — 質(zhì)量引起滑動(dòng)鞍座處殼體軸向彎矩，N·㎜， 9) 地震引起兩鞍座間的彎矩 — 重量引起在兩支座中間最大軸向彎矩，N·㎜ = =N·㎜ 10) 地震引起固定鞍座處測向彎矩

48、 = =N·㎜ 11) 地震引起滑動(dòng)鞍座處測向彎矩 = =N·㎜ 4.3.3風(fēng)載產(chǎn)生的力 1) 橫向有效風(fēng)載荷 — 筒體有效寬度，=2028㎜； — 筒體有效高度，=2250㎜； — 當(dāng)

49、地有效風(fēng)壓，=500。 =2265.75N 2) 側(cè)向有效風(fēng)載荷 — 設(shè)備有效長度，=8500 ㎜ =7481.25N 3) 風(fēng)載引起固定鞍座出反力 — 固定鞍座處橫向風(fēng)載力，=

50、 =559.76N 4) 風(fēng)載引起滑動(dòng)鞍座處反力 — 滑動(dòng)鞍座處橫向風(fēng)載力，= =599.76N 5) 風(fēng)載引起固定鞍座處側(cè)向推力 6) 風(fēng)載引起滑動(dòng)鞍座處側(cè)向推力 B — 滑

51、動(dòng)d鞍座至有效長度間距 ，近似取B=A 7) 風(fēng)載引起固定鞍座處側(cè)向彎矩 8) 風(fēng)載引起的滑動(dòng)鞍座處側(cè)向彎矩 4.3.4 熱膨脹產(chǎn)生的力 1) 熱膨脹引起固定鞍座處橫向推力

52、 — 基礎(chǔ)和活動(dòng)鞍座底板之間的摩擦系數(shù)，對鋼取=0.8，對潤滑板=0.1。 = 99991N 2) 熱膨脹引起活動(dòng)鞍座處橫向推力 =12498.9N 3) 熱膨脹引起固定鞍座處彎矩 =99991×1250

53、 = 4) 熱膨脹引起活動(dòng)鞍座處彎矩 =124989.9×1250 = 5) 熱膨脹引起兩鞍座間彎矩 =124989.9×1250 = 4.3.5 總合力計(jì)算 1) 固定鞍座處最大反力 ==

54、 = 取其中最大值，即=139742.2N。 2) 滑動(dòng)鞍座處最大反力 取其中最大值，即=139742.2N。 3) 固定鞍座出有效殼體最大彎矩

55、 取兩者中最大值 即。 4) 滑動(dòng)鞍座處有效殼體最大彎矩 取其中最大值 即= 5) 兩鞍座處有效殼體最大彎矩 取其中最大值 即。 4.4 應(yīng)力校核 4.4.1 軸向應(yīng)力 1) 兩鞍座間軸向應(yīng)力 最高點(diǎn)

56、 最低點(diǎn) P — 設(shè)計(jì)壓力，Mpa； — 有效厚度，=12㎜； — 內(nèi)半徑，近似取=1000㎜。 210℃時(shí)，，滿足要求。 2) 鞍座截面處圓筒的軸向應(yīng)力 頂部 底部

57、 “扁塌”現(xiàn)象引起的抗彎模量減少系數(shù)，而其中為鞍座的有效包角，，則=0.107，=0.192。 =25.35Mpa =7.99 Mpa 4.4.2 切向應(yīng)力 對于臥式容器來說，切向應(yīng)力總是在支座的截面處最大，所以只需要討論支座截面處圓筒和封頭上的切向應(yīng)力。封頭與圓筒的材料相同，其有效厚度往往小于圓筒的有效厚度，故封頭中的切向應(yīng)力不會(huì)超過圓筒，不必要對封頭中的切向應(yīng)力另行校核。 鞍座處殼體上剪切力

58、 — 系數(shù)，=1.171； — 弧度，； —角度，； =13.64Mpa =0.8×167.4=133.92Mpa. 故切向應(yīng)力也滿足要求，不需要再加強(qiáng)。 4.4.3 周向應(yīng)力 在這里周向彎取應(yīng)力與周向壓縮應(yīng)力疊加后，一起校核。 鞍座截面處圓筒最低點(diǎn)的周向應(yīng)力 　　　　　　　　　　ｂ—　鞍座寬度，

59、ｂ＝㎜ 　　　　　　　　　　—周向壓縮力系數(shù)， 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　?。剑? 　　　　即　，因此計(jì)算滿足要求。 　　　　鞍座截面上鞍座包角處的周向應(yīng)力 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　—　周向彎矩系數(shù)，＝0.0528 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　?。? 　　　即　　，計(jì)算滿足要求。 4.5 結(jié)論 綜上所述，所選鞍座完全符合承載要求。 5　三維實(shí)體造型設(shè)計(jì) 5.1 軟件介紹 SolidWorks是由美國SolidWorks公司開發(fā)的三維機(jī)械CAD軟件，它以其強(qiáng)大的功能，易用性和創(chuàng)新性，極大的提高了

60、機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率。他提供的強(qiáng)大的基于特征的實(shí)體建模功能，用戶可以通過拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、薄壁特征、抽殼、陣列、鏡像以及打孔等操作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，方便地添加和更改特征，以及將特征重新排序，對草圖和特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，還提供了動(dòng)畫設(shè)計(jì)功能，以及爆炸試圖設(shè)計(jì)的功能。而且在生成三維實(shí)體零件后可以構(gòu)建三維裝配體，同時(shí)還可以生成工程圖。在設(shè)計(jì)中，更讓我體會(huì)到它優(yōu)秀的一點(diǎn)是，可以檢查和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。因此我的設(shè)計(jì)選用了SolidWorks來完成三維實(shí)體造型，但由于時(shí)間倉促，和對軟件應(yīng)用不熟練，雖然反復(fù)對前面的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由于在裝配過程中進(jìn)行了多次修改，但可能依然會(huì)存在很多不足的地方。當(dāng)然，軟件本身也從在局限

61、性，生成工程圖時(shí)，會(huì)有很多不盡人意的地方，但他提供的方便以及功能是我們機(jī)械設(shè)計(jì)人員求之不得的。 5.2 主要零部件的造型設(shè)計(jì) 由于三維設(shè)計(jì)過程中用到的命令大多大同小異，將不予以一一介紹，至就部分零部件的設(shè)計(jì)過程作以說明。其余將在答辯時(shí)用多媒體予以演示。 5.2.1 管箱封頭的設(shè)計(jì) 選擇繪制草圖的基準(zhǔn)面，單擊，在選擇所需的繪圖工具，并聯(lián)合添加/刪除幾何關(guān)系選項(xiàng)來繪制草圖5—1。然后選擇旋轉(zhuǎn)特征，來完成封頭繪制。 圖5—1 為設(shè)計(jì)方便，將管箱的建模合并在一起進(jìn)行，選擇繪制草圖的基準(zhǔn)面繪制直徑為1000㎜的圓，選擇拉

62、伸，在彈出的對話框中選擇。然后。如圖5—2所示。在基體上開孔，選擇了它的右視基準(zhǔn)面，繪制草圖，選擇。選擇方向1和方向2，并選擇完全貫穿。設(shè)置分程隔板時(shí)，選擇了拉伸后在對話框里又選擇了方向2拉伸到一面如圖5—4。然后 建立基準(zhǔn)面，繪制草圖，用薄壁拉伸，如圖5—5，接管的制作完成后，有選用 圖5—2 圖5—3 圖5—4 圖5—5 有選用了鏡

63、像特征，來完成另一接管的造型。 5.2.2 鞍座的設(shè)計(jì) 其余步驟不再介紹，這里我想提到一點(diǎn)，就是由于SolidWorks提供的頸特征 ，方便的完成了設(shè)計(jì)。如圖5—6所示。 圖5—6 5.2.3 螺母的設(shè)計(jì) 選擇“工具”里的草圖繪制實(shí)體中的多邊形設(shè)置邊數(shù)為6，修改尺寸，完成后，進(jìn)行拉伸，如圖5—7所示。完成后，重新選擇繪圖基準(zhǔn)面，拉伸切除。選擇 圖5—7 圖5—8 邊線并單擊右鍵，轉(zhuǎn)換實(shí)體應(yīng)用，應(yīng)

64、用，彈出對話框 確定。在編輯草圖，用旋轉(zhuǎn)切除特征來完成修改螺母。 其余零部件的設(shè)計(jì)過程不再作介紹，將在答辯時(shí)予以演示。 5.3 裝配體的設(shè)計(jì) 打開新建文件，彈出對話框，選擇，單擊“確定”。（ 裝配過程基本按組對過程進(jìn)行，依次選擇零部件的）。提示插入零部件，按照換熱器設(shè)備的組對過程來裝配，當(dāng)彈出選擇零部件對話框時(shí)，從“瀏覽”中選擇每一步所需要的零部件依次來裝配，先對封頭管箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裝配先組成一個(gè)子裝配體1，如圖5—8。換熱管與管板折流板的裝配依次順序是：浮動(dòng)端管板—拉桿—定距管—折流板—定距管—折流板——定距管—折流板—定距管—折流板—定距管—折流板—定距管—折流板—定

65、 圖5—8 距管—換熱管—固定端管板， 這里給出換熱管與折流板和管板的裝配的結(jié)果，如圖5—9所示。

66、 圖5—9 殼體封頭配合裝配連接—?dú)んw與容器法蘭配合裝配連接—?dú)んw與換熱管管板的配合裝配連接—在調(diào)入裝配體1進(jìn)行配合裝配，最后的裝配結(jié)果，如圖5—9和5—10。具體步驟不在這里予以敘述，將在答辯時(shí)予以講述和說明。但在裝配的基礎(chǔ)上 圖5—10 圖5—10 進(jìn)行了爆炸視圖的創(chuàng)建和生成，在“插入”中單擊生成爆炸視圖，彈出對話框，設(shè)置 動(dòng)畫準(zhǔn)備起始時(shí)間和動(dòng)畫時(shí)間，并設(shè)置幀的數(shù)目為8個(gè)，“完成”！如圖5—11所示。 圖5—11 5.4 工程圖的生成 由于SolidWorks提供的生成的工程圖功能，不如AutoCAD的功能，很多地方需要修改，而且有時(shí)無法修改，例如用實(shí)體鏡像特征做成的零部件，在打刨面線時(shí)鏡像得來的實(shí)體無法與所在實(shí)體區(qū)分。 保存完裝配實(shí)體以后選擇，彈出對話框，按提示根據(jù)需要完成工程圖的生成。選擇前視圖,生成視圖1,