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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)論文
題 目： U形管式冷卻器的設(shè)計（流量為255t/h）
專 業(yè)： 過程裝備與控制工程
班 級： 1201
學(xué)生姓名： 李 琦
指導(dǎo)教師： 湯方麗
論文提交日期： 2016年 6 月 1 日
論文答辯日期： 2016年 6 月 6 日
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
專業(yè)：過程裝備與控制工程
過控1201 班
學(xué)生：李琦
畢業(yè)設(shè)計題目：流量為255t/h U形管式冷卻器
畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計說明書一份；
繪制施工圖折合 A1#圖紙5張。
畢業(yè)設(shè)計專題部分： U型管式冷卻器
起止時間：2016年3月16日—2016年5月27日
指導(dǎo)教師： 簽字 年 月 日
摘要
本文介紹了U型管冷卻器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。U型管冷卻器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程采用雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。U型管式冷卻器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導(dǎo)流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。
換熱器的設(shè)計工作主要有換熱器綜述，換熱器的工藝計算以及結(jié)構(gòu)強度計算。其中換熱器工藝計算中需要根據(jù)初始數(shù)據(jù)計算其處理量以及工藝參數(shù)，換熱器的結(jié)構(gòu)強度計算主要集中在折流板，筒體以及開口上。
換熱器是化學(xué)工藝生產(chǎn)中重要的設(shè)備之一，它是一種冷熱流體間的傳遞熱量的設(shè)備，他們的使用條件和要求差別很大，如容量，溫度，壓力和工作介質(zhì)的性質(zhì)等，涉及的種類很多，因此換熱器的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。U形管換熱器僅有一個管板，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，而且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。U形管換熱器主要結(jié)構(gòu)包括筒體，封頭，換熱管，接管，折流板，防沖板，導(dǎo)流筒，防短路結(jié)構(gòu)，支座和管殼層的其他設(shè)備等。
本次設(shè)計為二類壓力容器，設(shè)計溫度和設(shè)計壓力都較高，因而設(shè)計要求高。冷卻器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設(shè)計中主要進行了冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，強度設(shè)計以及零部件的選型和工藝設(shè)計。
關(guān)鍵詞： U型管冷卻器； 結(jié)構(gòu)； 強度； 設(shè)計計算
Abstract
This paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories.
This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design.
The design for the second category pressure vessel, design temperature and design pressure are high, so the design requirements is high. Double tube heat exchange, heat transfer tubes of stainless steel manufacturing. Design mainly for the design, selection and process design and strength design of heat exchange components.
Key words: U-tube heat exchanger; Frame; Intensity; Design and
calculation
目 錄
第一章 緒論 1
第二章 換熱器傳熱工藝計算 3
2.1起始數(shù)據(jù) 3
2.2定性溫度及確定其物性參數(shù) 3
2.3熱量守恒與油流量的計算 3
2.4有效平均溫度的公式計算 4
2.5管程換熱系數(shù)的計算 4
2.6 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計 5
2.7殼程換熱系數(shù)計算 5
2.8 傳熱系數(shù)計算 6
2.9 管壁溫度計算 7
2.10 殼程壓力降計算 7
2.11 管程壓力降計算 8
第三章 管殼式冷卻器的類型、結(jié)構(gòu)與型號 9
3.1 主要設(shè)計參數(shù) 9
3.2 冷卻器的零部件名稱 9
3.3 冷卻器的主要組合部件 10
第四章 冷卻器材料選擇 11
4.1 選材原則 11
第五章 冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
5.1 壁厚的確定 12
5.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計 13
5.3 殼體圓筒設(shè)計 14
5.4 封頭設(shè)計[1～3] 15
5.4.1 后封頭計算 16
5.4.2 管箱封頭計算 17
5.5 換熱管設(shè)計 18
5.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 18
5.5.2 U形管的尺寸 19
5.5.3 管子的幾種排列方式 19
5.5.4 布管限定圓 20
5.6 管板設(shè)計 21
5.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計 22
5.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度 22
5.7.2 分程隔板 22
第六章 冷卻器其他各部件結(jié)構(gòu) 24
6.1 進出口接管設(shè)計 24
6.1.1 接管法蘭設(shè)計 24
6.1.2 接管外伸長度 26
6.1.3 接管開孔補強的設(shè)計計算 26
6.1.4 接管最小位置 30
6.1.5 殼程接管位置的最小尺寸 30
6.1.6 管箱接管位置的最小尺寸 30
6.2 管板法蘭設(shè)計 31
6.2.1 墊片的設(shè)計 31
6.2.2 螺栓設(shè) 32
6.2.3 法蘭設(shè)計 34
6.3 折流板 37
6.3.1 折流板尺寸 37
6.3.2 折流板的布置 38
6.4 拉桿與定距管 39
6.4.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式 39
6.4.2 拉桿的直徑和數(shù)量 39
6.4.3 拉桿的尺寸 39
6.4.4 拉桿的布置 40
6.5 防沖與導(dǎo)流 40
6.5.1 防沖板的形式 40
6.5.2 防沖板的位置和尺寸 41
6.5.3 導(dǎo)流筒 41
6.6 雙殼程結(jié)構(gòu) 41
6.7 防短路結(jié)構(gòu) 42
6.7.1 旁路擋板的結(jié)構(gòu)尺寸 42
6.7.2 擋管 42
6.7.3 中間擋板 42
6.8 鞍座 43
結(jié)論 44
參考文獻 45
致謝 46
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論
第一章 緒論
能源是當前人類面臨的重要問題之一，隨著時間的推移，人類對能源的需求越來越急，為此它卻成為我們生活中的重要部分，這個過程中冷卻器是能源轉(zhuǎn)換的重要組成，其應(yīng)用面涵蓋整個工業(yè)領(lǐng)域，它應(yīng)用尤為廣泛。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)利用，各種類型的冷卻器越來越受到工業(yè)界的重視，而冷卻器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備，因此，無論是從工業(yè)的發(fā)展，還是從能源的有效利用，冷卻器的合理設(shè)計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。
伴隨著節(jié)能技術(shù)的研究深入，其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷的擴大，冷卻器的應(yīng)用在進行高溫和低溫熱能回收方面帶來了很高的經(jīng)濟效益。冷卻器的分類也是多種多樣按照其工作的原理大致可以分為三種：一是儲能式冷卻器、二是直接接觸式冷卻器、三是間壁式冷卻器。其中間壁式冷卻器又可以分為列管式冷卻器和板殼式冷卻器兩種，列管式冷卻器由于其可靠性較高且應(yīng)用較廣泛等因素，在長期的設(shè)計過程中工程人員積累了豐富的經(jīng)驗，設(shè)計資料相對較為齊全，伴隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，一些不同形式的冷卻器也不斷的涌現(xiàn)。
在最近幾年的發(fā)展過程中，雖然列管式冷卻器收到了新型冷卻器的挑戰(zhàn)，但是在裝備中它仍然占據(jù)不可替代的位置，因為列管式冷卻器具有結(jié)構(gòu)簡單合理且牢固，其操作的彈性較大，應(yīng)用的材料較為廣泛等優(yōu)點。在石油、化工還有石化行業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛。
列管式冷卻器主要應(yīng)用在化工、石油、醫(yī)藥、食品、輕工、冶金、焦化等行業(yè)的液和液,汽和汽,汽和液的對流傳熱,蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱等換熱冷凝流程。其主體由殼體和殼體內(nèi)部的管束所組成。管子的兩端分別固定在管板上，并且把殼程的流體分開，用以引導(dǎo)流體的流動并且起到支承管子的作用。用定距管和拉桿將折流板與管子組裝在一起。列管式冷卻器共有三種結(jié)構(gòu)型式:固定管板式、浮頭式。固定管板式冷卻器的結(jié)構(gòu)簡單且結(jié)構(gòu)緊湊合理具有造價低廉等優(yōu)點，冷卻器的每一根換熱管都可以單獨的更換和清洗，在同一結(jié)構(gòu)尺寸下冷卻器和浮頭式冷卻器其換熱面積較大。由于固定管板式冷卻器的殼程清洗較為困難，所以它適應(yīng)于殼程壓力不高和換熱介質(zhì)溫度差不是很大的場合。浮頭式冷卻器應(yīng)為其管束的熱膨脹不會受到殼體的約束，并且可拆卸抽出管束，檢修清理較為方便，所以，浮頭式冷卻器的應(yīng)用最為廣泛，在油田儲運系統(tǒng)中，百分之六十到七十的冷卻器都為浮頭式冷卻器。Ｕ形管式冷卻器類型是管殼式冷卻器的一種,其組成由管板、殼體、管束等組成。在相同的直徑情況下,Ｕ形管冷卻器的換熱面積是最大的；其自身具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、密封性能高, 檢修、清洗方便、在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價最低等優(yōu)點。
47
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章?lián)Q熱器傳熱工藝計算
第二章 換熱器傳熱工藝計算
2.1起始數(shù)據(jù)
殼程油的進口溫度：=140℃
殼程油的出口溫度：=75℃
殼程油的工作壓力：P1=1. 4MPa
殼程油的流量：G1=255
管程水的進口溫度：=25℃
管程水的出口溫度：=65℃
管程水的工作壓力：P2 =2MPa
2.2定性溫度及確定其物性參數(shù)
①殼程（煤油）
殼程油的定性溫度：t1=107.5℃
查表得殼程煤油的密度：ρ1=800Kg/m3
查表得殼程油的比熱：Cp1=2.1Kg/(Kg·℃)
查表得殼程油的導(dǎo)熱系數(shù)：λ1=0.15w/(m·℃)
殼程油的粘度：μ1=493.7×10-6Pa·s
查表得殼程油的普朗特系數(shù)：Pr1=42
②管程（水）
管程水的定性溫度：t2=45℃
查表得管程水的密度：ρ2=998Kg/m3
查表得管程水的比熱：CP2=4.174Kg/(Kg·℃)
查表得管程水導(dǎo)熱系數(shù)：λ2=64.78w/(m·℃)
查表得管程水的粘度：μ2=549.4×10-6Pa·s
查表得管程水的普朗特系數(shù)：Pr2=3.54
2.3熱量守恒與油流量的計算
假定取熱交換效率為η=0.98
其設(shè)計傳熱量：
Q0=G1×Cp1×(－)×η×1000/3600
=255000×2.1×(140－75)×0.98×1000/3600
=9475375W
則管程水流量為：
G2===56752t/h
2.4有效平均溫度的公式計算
△tn===50℃
其中有關(guān)參數(shù)的計算
參數(shù)：P===0.55
參數(shù)：R===0.62
冷卻器按照單殼程雙管程設(shè)計差《管程式換熱器原理與設(shè)計》得溫差校正系數(shù)?=0.85
有效平均溫差：△tm=?△tn=0.85×50=42.5℃
2.5管程換熱系數(shù)的計算
采用試算的方式計算換熱系數(shù)
初選換熱系數(shù)為K0=560w/m·k
則可得出下列數(shù)據(jù)：
初選傳熱面積;F0===340m2
選用?25×2.5的無縫鋼管做換熱管
管子外徑為：d0=25mm
管子內(nèi)徑為：di=20mm
管子長度為：L=6000mm
則需要換熱管數(shù)為:===720根
可取換熱管根數(shù)為720根
管程流通面積: ==0.11㎡
管程流速: ===0.16
管程雷諾: ==998×0.16×0.02/549.4×10-6=5811
管程傳熱系數(shù):α2==0.023××58110.8×3.540.4=126806
2.6 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計
查GB151-1999《管殼式換熱器》可知，管間距按照1.25選?。?
管間距: s = 1.25d0 = 1.25×0.025 = 0.032
管束中心排管數(shù):=1.1=1.1×=29根，取30根
則殼體內(nèi)徑為:===1.028
圓整為: =1000㎜
則長徑比:== 6，在4-6之間，合理。
折流板選擇弓形折流板:
折流板弓高:=
折流板間距:=
折流板數(shù)量:=塊 取16塊
2.7殼程換熱系數(shù)計算
殼程流通面積:
殼程流速:
殼程質(zhì)量流速:=1.3466×800=1077.25
殼程當量直徑:
殼程雷諾數(shù):
根據(jù)，切去弓形面積所占的比例，可查得為0.145
根據(jù)《管殼式換熱器原理與設(shè)計》圖2-12查得殼程傳熱因子：
管外壁溫度假定值為100℃，壁溫下油粘度：=0.0004937
粘度修正系數(shù):
殼程換熱系數(shù):
2.8 傳熱系數(shù)計算
查GB151-1999《管殼式換熱器》第138頁可知
水側(cè)污垢熱阻:=
油側(cè)污垢熱阻為:=
由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻γ可以忽略不計，可得總傳熱系數(shù)為：
732
傳熱面積比為: = （合理）
2.9 管壁溫度計算
管外壁熱流密度計算:
=
管外壁溫度:
= ℃
誤差校核:℃，誤差不大，合理。
2.10 殼程壓力降計算
參考《換熱去設(shè)計手冊》1-3-75：
由=79209，查圖1—3—24得殼程壓強摩擦因子=0.04
其中：
殼體內(nèi)徑=1.0m；
管子長度L=6m；
折流板間距=0.33m；
流體密度=800；
流體粘度=493.7；
管外流體壁溫107.5℃下粘度=0.0005494；
則殼程壓強
＜0.05，符合壓強計算。
2.11 管程壓力降計算
參考《換熱器設(shè)計手冊》公式1-3-47：
管程壓強：
其中 ：—直管壓降；
—回彎壓降；
—管箱進出口壓降；
—結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，=1.4；
—串聯(lián)的殼程數(shù)，=1；
—管程數(shù)，=2；
其中
則
即
＜0.05，符合壓強條件。
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章管殼式冷卻器的類型、結(jié)構(gòu)與型號
第三章 管殼式冷卻器的類型、結(jié)構(gòu)與型號
3.1 主要設(shè)計參數(shù)
管程:管程介質(zhì)為水，溫度由250C加熱到650C，工作壓力2.0MPa，程數(shù)2
殼程：殼程介質(zhì)為高溫油，程數(shù)1，由1400C被冷卻到750C、壓力為1.4Mpa，流量為255t/h。
3.2 冷卻器的零部件名稱
表3.1
序號
名稱
序號
名稱
序號
名稱
1
接管法蘭
11
活動鞍座（部件）
21
縱向隔板
2
管箱法蘭
12
U形換熱管
22
接管
3
殼體法蘭
13
擋管
23
內(nèi)導(dǎo)流筒
4
防沖板
14
固定鞍座（部件）
24
圓筒
5
補強圈
15
滑到
25
管箱側(cè)墊片
6
殼體（部件）
16
管箱墊片
26
凸形封頭
7
折流板
17
管箱圓筒（短節(jié)）
27
雙頭螺柱或螺栓
8
拉桿
18
封頭管箱（部件）
28
放氣口
9
定距管
19
分層隔板
29
螺母
10
支持板
20
中間擋板
圖3.1 U型管式冷卻器
3.3 冷卻器的主要組合部件
冷卻器的主要組合部件有前段管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。詳細分類見圖3.2。
圖3.2[2] 主要零部件分類和代號
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章冷卻器材料選擇
第四章 冷卻器材料選擇
4.1 選材原則
冷卻器用鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、無損檢測標準及檢測項目均按GB150-1998第四章及其附錄A的規(guī)定。
冷卻器它的主要用途是為了把熱量散出去，在我們的生活中它時常經(jīng)常容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。為此，避免金屬受到為了保護金屬部受腐蝕，最根本的方法是選擇耐腐蝕的金屬或非金屬材料。冷卻器主要部件材料選擇見表4.1
表4.1 材料
零部件
材料
設(shè)計壓力
設(shè)計溫度
許用應(yīng)力 [s]t
標準
管箱封頭
15CrMoR
8
323
128.24
GB6654
后封頭
15CrMoR
8.5
273
136.4
GB6654
筒體
15CrMoR
8.5
273
136.4
GB6654
管箱圓筒短節(jié)
15CrMoR
8
323
128.24
GB6654
管板
0Cr18Ni10Ti
4.5
323
112.62
GB4728
換熱管
0Cr18Ni10Ti
8
323
100.4
GB/T13296-2007
殼程接管
15CrMo
PN16
273
105.86
GB6479
管程接管
0Cr18Ni10Ti
PN16
273
筒體法蘭
15CrMo
PN6.4
273
GB470O-4703- 2000
管程接管法蘭
0Cr18Ni10Ti
PN16
HG20592-97
殼程接管法蘭
15CrMo
PN16
323
HG20592-97
管箱法蘭
15CrMo
PN6.4
273
GB470O-4703- 2000
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第五章冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計
第五章 冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計
管殼式冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、比溫差、結(jié)垢情況、流體的性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇一些適合的結(jié)構(gòu)型式。
通常相同形式的冷卻器，由于各種條件的制約，其設(shè)計時所選用的結(jié)構(gòu)會有所不同。在實際工程設(shè)計的過程中，除了滿足盡量選取標準系列產(chǎn)品外，往往也會按照其特定的要求進行設(shè)計，來滿足工藝性的要求。
它在外界給它施加較大的壓力的情況下，由于管壁有點薄，故此要加厚它的管壁。
5.1 壁厚的確定
管式冷卻器的外殼由殼體和封頭還有管箱殼體所組成，其殼體一般采用管材或者板材劵制成型。壓力容器的公稱直徑選取參考GB9019-88規(guī)定，當直徑大于等于400毫米的情況，選取板材來劵制殼體和管箱殼體；當直徑小于400毫米的時候，一般會選用成型管。管式冷卻器的直徑系列應(yīng)該與封頭和連接法蘭的系列相互匹配，以方便進行封頭和法蘭的選型。通常當直徑小于1000毫米時，相差100毫米作為一個系列，在有必要的時候也可以選用50毫米作為一個系列；當直徑大于1000毫米時，直徑相差200毫米為一個系列。
表5.1.1[2] mm
公稱直徑
400～≤700
＞700～≤1000
＞1000～≤1500
＞1500～≤2000
＞2000～≤2600
浮頭式，U形管式
8
10
12
14
16
固定式管板式
6
8
10
12
14
表5.1.2[2] mm
公稱直徑
400～≤500
＞500～≤700
＞700～≤1000
＞1000～≤1500
＞1500～≤2000
＞2000～≤2600
最小厚度
3.5
4.5
6
8
10
12
5.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計
管箱圓筒（短節(jié)）計算按GB150-1998第五章的有關(guān)規(guī)定；其開孔補強計算按GB150-1998第八章有關(guān)規(guī)定。圓筒的最小厚度按表5.1.2的規(guī)定。設(shè)計條件見表5.1.3。
表5.1.3
部件
材料
設(shè)計溫度℃
設(shè)計壓力MPA
MPA
MPA
標準
MM
MM
管箱圓筒短節(jié)
15CRMOR
323
8.0
128.24
1.0
GB6654
0
0
圓筒計算：
在保證設(shè)計溫度的前提下圓筒的計算厚度按式（5-2-1）計算，公式的適用范圍為。
（5-2-1）
其中；； ；=1.0帶入上式得：
厚度計算：δ= 25.76mm
設(shè)計厚度：
名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm
有效厚度：
圓筒應(yīng)力計算按照式（5-2-2）計算：
（5-2-2）
得：
<
滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。
設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（5-2-3）計算：
（5-2-3）
在滿足壓力要求下，所以厚度= 26mm合適。
5.3 殼體圓筒設(shè)計
設(shè)計條件見表5-4：
表5-4
部件
材料
設(shè)計溫度℃
設(shè)計壓力MPA
MPA
MPA
標準
MM
MM
殼體圓筒
15CRMOR
273
8.5
136.4
1.0
GB6654
0
0
圓筒計算：
設(shè)計溫度下圓筒的計算厚度按式（5-2-1）計算，
其中；； ；=1.0帶入（5-2-1）得：
計算厚度：δ= 25.73mm
設(shè)計厚度：
名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm
有效厚度：
設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力按式（5-2）計算：
得：
<
滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。
設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（5-2-3）計算：
滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。
5.4 封頭設(shè)計[1～3]
壓力容器封頭的種類主要分為凸型封頭、變徑段、錐殼、平蓋還有緊縮口等類型，在這其中凸型封頭包括有球冠行封頭、橢圓形封頭、半球形封頭、碟形封頭。根據(jù)工藝條件的要求和制造難易程度等情況來考慮采用什么樣的工藝條件。
此次設(shè)計采用標準橢圓形封頭，它由半個橢球面和短圓筒組成，它的組成由短圓筒和半個球面，如圖5.4所示。設(shè)計條件見表5.4-1，表5.4-2。
圖5.4
表5.4-1
部件
材料
設(shè)計溫度℃
設(shè)計壓力MPA
MPA
MPA
標準
MM
MM
管箱封頭
15CRMO
323
8.0
128.24
1.0
GB6654
0
0
表5.4-2
部件
材料
設(shè)計溫度℃
設(shè)計壓力MPA
MPA
MPA
標準
MM
MM
后封頭
15CRMO
273
8.5
136.4
1.0
GB6654
0
0
符號規(guī)定：
---- 封頭內(nèi)直徑，mm；
---- 封頭外直徑（),mm；
---- 封頭曲面深度，mm；
---- 封頭質(zhì)變高度，mm；
A ---- 封頭內(nèi)表面積，㎡；
V ---- 封頭容積，；
m ---- 封頭質(zhì)量，㎏；
---- 計算壓力（按[1]第3章）,MPa；
---- 最大允許工作壓力，MPa；
---- 封頭計算厚度，mm；
---- 封頭有效厚度，mm；
---- 封頭名義厚度，mm；
---- 設(shè)計溫度下封頭材料的計算應(yīng)力，MPa；
---- 設(shè)計溫度下封頭材料的許用應(yīng)力（按[1]第5章）,MPa；
---- 焊接接頭系數(shù)（按[1]第3章）。
5.4.1 后封頭計算
標準橢圓形封頭的計算厚度按式（4-4-1）計算：
（5-4-1）
其中；； ；=1.0帶入式（5-4-1）
得：計算厚度：δ= 25.32mm
設(shè)計厚度：
名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm
有效厚度：
標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15％，但當確定封頭厚度已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。
故該標準橢圓形封頭的名義厚度= 26mm合適。
橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（4-4-2）計算：
（5-4-2）
該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。
設(shè)計溫度下封頭的計算應(yīng)力按式（4-4-3）計算：
（5-4-3）
滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。
5.4.2 管箱封頭計算
標準橢圓形封頭的計算厚度按式（4-4-1）計算：
其中；； ；=1.0帶入（5-4-1）得：計算厚度：δ= 25.35mm
設(shè)計厚度：
名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 26mm
有效厚度：
標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15％，但當確定封頭厚度時已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。
故該標準橢圓形封頭的名義厚度= 26mm合適。
橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（4-4-2）計算：
該封頭滿足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。
設(shè)計溫度下封頭的計算應(yīng)力按式（4-4-3）計算：
滿足強度要求，故取名義厚度= 26mm合適。
由續(xù)表1[3]查取封頭的數(shù)據(jù)見表5.4.2：
表5.4.2
封頭
公稱直徑DN MM
曲面高度 MM
直邊高度
MM
內(nèi)邊面積A
容積V
質(zhì)量M
管箱封頭
800
200
50
0.8194
0.0992
174.67
后封頭
800
200
50
0.8194
0.0992
174.67
5.5 換熱管設(shè)計[4]
5.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差
換熱管的長度有設(shè)計條件給定取為6m，直徑Ф19mm，厚度δ=2mm；由GB13296查得換熱管的規(guī)格和尺寸偏差見表5.5.1：
表5.5.1
材料
換熱管標準
管子規(guī)格，MM
高精度，較高精度，MM
管控規(guī)格，MM
外徑D
厚度Δ
外徑偏差
厚度偏差
管孔直徑
允許偏差
不銹鋼0CR18NI10TI
GBA13296-2007
19
2
0.20
19.25
5.5.2 U形管的尺寸
（1）U型管彎曲階段的曲率半徑
U型管彎曲階段的曲率半徑R（見圖5.5.2）應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑可按GB151-1999表11選取，取=40mm。
圖5.5.2
(2)U型管的彎管段在彎曲前的壁厚最小取值按式（4-5-1）計算：
（5-5-1）
其中，d = 19mm，R = = 40mm， = 2mm，帶入上式得：
，圓整取為2.5mm
5.5.3 管子的幾種排列方式
換熱管的排列主要由一下及幾種：
圖5.5.3[2]
通常采用正方形排列方式來對殼程進行清洗，管間通道應(yīng)該保證連續(xù)且沿整個管束，保證清洗通道為6毫米。
折流板間距相同的情況下，在圖4.5.3中所示a和b這兩種排列形式的流通截面要比b與c這兩種方式小，更有利于提高流體的速度，所以相對比較合理一些。
本文所設(shè)計內(nèi)容采用三角形排列方式。
5.5.4 布管限定圓
圖5.5.5.1
圖5.5.5.2
表5.5.5.1[2]
B
<1000
>3
1000～2600
>4
= 800mm,取b = 28mm。
表5.5.5.2[2]
≤700
≥10
3
>700
≥13
5
取= 30mm，= 5mm，則有。
布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，布管限定圓按表4.5.5.3確定。
表5.5.5.3[2]
冷卻器型式
固定管板式、U形管式
浮頭式
布管限定圓直徑
得：。
5.6 管板設(shè)計
管板作為管式冷卻器的一個非常重要的組成元件，不僅與殼體和管子連接，它還是冷卻器中的一個重要的承受壓力的元件，管板在設(shè)計的過程中不僅要考慮其自身的強度要滿足還要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性。管板得合理設(shè)計對于正確選用和節(jié)約材料、減少加工制造的困難、降低成本、確保使用安全都具有重要意義。
U型管冷卻器只有一塊管板，采用可以拆卸式連接，管板通過墊片與管法蘭和殼體法蘭連接。其連接形式見圖5.6。
圖5.6
管當管板與換熱管采用脹接時，管板得最小厚度（不包括腐蝕裕度）應(yīng)滿足表若管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層最小厚度應(yīng)不小于10mm。并應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于8mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織符合復(fù)層材料的要求。
表5.6.1
換熱管外徑D，MM
≤25
>25～<50
≥50
最小厚度，MM
用于易燃易爆及有毒介質(zhì)等場合
≥D
用于無害介質(zhì)的一般場合
≥0.75D
≥0.70D
≥0.65D
5.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計
管箱主要起到把管道中存在流體匯集到一起送出冷卻器的作用。管箱還具有改變流體流向的作用。
5.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度
兩程之間的流通面積的最小值是指管箱被與地面平行的平面所剖開所形成的載面面積；每程換熱管流通面積是指同一管程內(nèi)的換熱管管內(nèi)截面所形成的面積之和。
根據(jù)設(shè)計要求選擇取管箱內(nèi)側(cè)深度為835mm。
5.7.2 分程隔板
隔板材料應(yīng)采用與管箱相同的材料制造。它的厚度應(yīng)該大于等于表6[2]的規(guī)定。按規(guī)定取隔板材料為15CrMo，隔板的最小厚度為10mm。
槽深按照5.6.6.2[2]規(guī)定：
（1）槽深大于等于4mm ；
（2）槽的寬度根據(jù)材質(zhì)分為：碳鋼12mm,不銹 鋼 11 mm ；
（3）槽拐角處的倒角通常為45°，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R，見圖5.7.2。
圖5.7.2[2]
取槽深為4mm，槽寬度為12mm，倒角為45°。
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第六章冷卻器其他各部件結(jié)構(gòu)
第六章 冷卻器其他各部件結(jié)構(gòu)
6.1 進出口接管設(shè)計
通常冷卻器的管箱上還有殼體上都會安裝有接口或接管還有進出口管。在大多數(shù)管箱底部和殼體都安裝有排液管，在上部都安裝有排氣管，殼體的側(cè)面也通常裝備有安全閥接口以及其他設(shè)備的接口，例如壓力表、溫度計、液位計等。立式管殼式冷卻器，有必要的時候還需要設(shè)置溢流口。由于箱殼體和殼體上開孔，這樣會對局部位置的強度造成影響。
6.1.1 接管法蘭設(shè)計
已知設(shè)計條件見表6.1.1
表6.1.1 管口規(guī)格
符號
用途或名稱
公稱尺寸
連接標準
法蘭類型及密封面形式
1-1，2
管程進出口
PN16 DN250
HG20592-97
WN/RJ
2-1，2
殼程進出口
PN16 DN200
HG20592-97
WH/RJ
根據(jù)HG20592-97選取接管法蘭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
公稱直徑
鋼管外徑
法蘭厚度
法蘭頸
法蘭高度
法蘭理論重量
DN
A1
C
N
S
H1
R
H
（kg）
200
219
66
278
16
16
8
140
65.6
250
273
76
340
20
18
10
155
106.4
公差
連接尺寸
DN
法蘭外徑
D
螺栓孔中心圓直徑
K
螺栓孔直徑
L
螺栓孔數(shù)量
n
螺紋
Th
200
430
360
36
12
M33×2
250
515
430
42
12
M39×3
密封面尺寸
DN
d
P
E
F
Rmax
250
388
330
11
17
0.8
200
322
275
11
17
0.8
公差
±0.5
±0.13
+0.4
±0.2
±0.5°
墊片尺寸
DN
A
P
H
C
200
15.5
275
22
10.5
250
15.5
330
22
10.5
公差
±0.2
±0.18
±0.4
±0.2
緊固件長度計算：
螺柱：
式中：
----緊固件長度，mm；
----法蘭厚度，mm
----法蘭厚度正公差（按HG 20592～20635-97表A.0.1-1規(guī)定）,mm；
----環(huán)連接面法蘭突臺高度（按HG 20592第8.0.2規(guī)定），mm；
----環(huán)連接面法蘭間近似距離（按HG 20592～20635-97表A.0.1-2規(guī)定）,mm；
----螺母最大厚度（按HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm；
----緊固件倒角端長度（按HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm；
----六角螺栓或螺柱安裝時的最小伸出長度（按一個螺距計算，見HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm；
----六角螺栓或螺柱的負公差（按HG 20592～20635-97表A.0.1-4規(guī)定）,mm；，
----墊片厚度，取。
查取數(shù)值，及計算結(jié)果見下表:
DN
計算結(jié)果l
200
66
+4.0
11
6.7
28．7
2
2
2.3
3
239.4
250
76
+4.0
11
6.7
33.4
2.5
3
2.6
3
272.1
6.1.2 接管外伸長度
它的長度也叫接管伸出長度，為此我們可以完成計算此長度。
可按式（5.1.1）計算：
（6.1.1）
代入數(shù)據(jù)計算接管外伸長度得：
殼程進出口接管外伸長度為：，取。
管程進出口接管外伸長度為：，取。
6.1.3 接管開孔補強的設(shè)計計算
本次設(shè)計采用整體補強設(shè)計。具體設(shè)計如下：
（1）確認方法的適用性
A圓筒計算厚度：
殼程圓筒計算厚度：
管程圓筒計算厚度：
B接管計算厚度：
殼程開孔直徑：
管程開孔直徑：
殼程接管計算厚度：
名義厚度：，圓整取
有效厚度：
管程接管計算厚度：
名義厚度：，圓整取
有效厚度：
C 校核使用條件
殼程接管：
，
管程接管：
，
故本設(shè)計可用整鍛件補強設(shè)計。
（2）開孔所需補強面積
殼程：
管程：
（3）有效補強范圍
A設(shè)定補強元件結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1.4所示。過渡圓角半徑按GB150確定。
或取大者，式中：，
殼程圓角半徑：
取30mm
圖6.1.4
管程圓角半徑：
取35mm
或取大者
殼程圓角半徑：
取15mm
管程圓角半徑：
取15mm
B有效補強范圍半徑
有效補強范圍半徑按式（6.1.4.1）計算
（6.1.4.1）
殼程有效補強范圍半徑：
管程有效補強范圍半徑：
（4）有效補強面積
A 圓筒多余金屬面積：
殼程：
管程：
B 接管多余金屬面積：
殼程：
管程：
C 密集補強區(qū)金屬面積：
D 有效補強面積（略去，圓角處金屬面積）：
殼程：
管程：
（5）補強結(jié)果
殼程：
管程：
故補強滿足要求。
6.1.4 接管最小位置
為了保證設(shè)備的制造、安裝，管口距地的距離也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。本設(shè)計采用接管整體補強。
6.1.5 殼程接管位置的最小尺寸
它的位置的最小尺寸，可按下列公式計算：
無補強圈的接管
（6.1.6.1）
取C≥4S(S為殼體厚度，mm)且≥30mm。
計算殼程接管位置的最小尺寸如下：
C ≥ 4S = 4×26 = 104mm，取C = 105mm；
6.1.6 管箱接管位置的最小尺寸
管箱接管位置的最小尺寸，可按下列公式計算：
無補強圈的接管
（5.1.7.1）
取C≥4S(S為殼體厚度，mm)且≥30mm。
計算管箱程接管位置的最小尺寸如下：
C ≥ 4S = 4×26 = 104mm，取C = 105mm；
6.2 管板法蘭設(shè)計
管板法以結(jié)構(gòu)簡單、裝配比較方便的螺栓法蘭連接用得最普通。螺栓法蘭連接主要由法蘭、螺栓和墊片組成。本次設(shè)計管板與管箱和殼體的連接采用螺栓法蘭連接。
圖6-2
6.2.1 墊片的設(shè)計
墊片的作用是防止容器發(fā)生泄漏。墊片是一個重要的結(jié)構(gòu)，它的變形能力和回彈能力是形成密封的必要條件。
（1）墊片材料及密封面型式
根據(jù)設(shè)計條件，采用不銹鋼金屬環(huán)墊片，密封面型式按表9-1[1]選取密封面形式為6。
（2）墊片參數(shù)
查表9-2[1]，選取墊片的特性參數(shù)m = 6.5，y = 179.3MPa。
（3）墊片尺寸
取墊片內(nèi)徑為840mm，外徑為900mm，厚度為3mm，墊環(huán)寬度ω= （900-840）/ 2 = 30mm。
（4）墊片有效密封寬度
查表9-1[1]的6，
當時，。
（5）墊片壓緊力作用中心圓直徑
當時，= 墊片接觸面的平均直徑= （900+840）/ 2 = 870mm。
（6）墊片壓緊力
A預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力計算
（6.2.1）
B操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力計算
（6.2.2）
6.2.2 螺栓設(shè)
（1）螺栓材料及許用應(yīng)力
螺栓材料選用35CrMoA,M36,螺紋小徑截面積A為787.75㎡, ，。
（2）螺栓的布置
法蘭徑向尺寸、及螺栓間距的最小值按表9-3[1]選取,如表6.2.2。
表6.2.2
36
48
36
80
（3）螺栓載荷
a、預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷計算
（6.2.3）
b、操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷計算
（6.2.4）
(4)螺栓面積
A.預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積計算
（6.2.5）
B.操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積計算
（6.2.6）
C.需要的螺栓截面積，取、之大值，取。
（5）螺栓數(shù)量及總截面積
螺栓數(shù)量：
，以4的倍數(shù)圓整為44個。
螺栓總截面積：
> 。
（6）墊片寬度校核
，墊片選擇滿足條件。
（7）螺栓設(shè)計載荷
A.預(yù)緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷計算
（6.2.7）
B.操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷計算
（6.2.8）
6.2.3 法蘭設(shè)計
（1）法蘭力臂
取，法蘭頸部斜度為1：3，則有。
（2）法蘭載荷
（3）法蘭力矩
A.預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩計算
（6.2.9）
B.操作狀態(tài)下的法蘭力矩計算
（6.2.10）
（4）法蘭設(shè)計力矩
法蘭設(shè)計力矩取以下大者：
（5.2.11）
取
（5）法蘭形狀常數(shù)
查表9-5[1],確定下列系數(shù)：
T = 1.80 Z = 3.82 Y = 7.4 U = 8.13
查圖9-3[1]，得：
查圖9-4[1]，得：
查圖9-7[1]，得：
假設(shè)法蘭厚度為170mm，則有：
ψ
ψ / T = 2.0421 / 1.8 = 1.1345
（6）法蘭應(yīng)力
A.軸向應(yīng)力計算
（6.2.12）
B.徑向應(yīng)力計算
（6.2.13）
C.環(huán)向應(yīng)力計算
（6.2.14）
（7）法蘭應(yīng)力校核
A.軸向應(yīng)力計算
B.徑向應(yīng)力計算
C.環(huán)向應(yīng)力計算
D.組合應(yīng)力
綜上所述，法蘭應(yīng)力滿足要求。
（8）螺栓間距校核
螺栓最大間距不宜超過式（5.2.8）計算值
（6.2.15）
螺栓間距也滿足條件。
6.3 折流板
折流板它的結(jié)構(gòu)及其設(shè)備的安排，是由它的加工的工藝性決定的，它的目的就是來擴大折流板之間的流動的速度，同時也是為了增加把熱量傳出來的作用。它的結(jié)構(gòu)形式有很多種，我們生活中很常見的種類有弓形折流板、圓盤-圓環(huán)形折流板和矩形折流板。我們生活中經(jīng)常用的是弓形折流板。
6.3.1 折流板尺寸
（1）折流板缺口高度
它的高度必須要求是讓流體流過缺口時與橫過管束時的流速相近。缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圓筒內(nèi)直徑。取圓缺率為0.25，則h=0.25×800=200mm。
弓形折流板的缺口可按圖6.3.1切在管排中心線以下，或切于兩排管孔的小橋之間。
圖6.3.1[2]
（2）折流板的最小厚度
折流板最小厚度按表34[2]選取。
無支撐跨距了l為300mm，折流板厚度為6mm。
（3）折流板板孔
該冷卻器采用不銹鋼Ⅰ管束，按照表35[2]的規(guī)定，折流板管控直徑及允許偏差為：
管孔直徑 = d + 0.7 = 19.7mm；
允許偏差為：mm
（4）折流板和支持板外直徑及允許偏差應(yīng)符合表41[2]的規(guī)定
公稱直徑：800mm；
折流板名義外直徑：800-4.5=795.5mm；
折流板外直徑允許偏差：mm
6.3.2 折流板的布置
如圖5.3.2(a)；若液體中含有少量氣體時，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣口，如圖5.3.2(b), 臥式冷卻器、冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存或液體中含有固體物料時，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，如圖6.3.2(c),本次設(shè)計采用圖6.3.2(c)所示結(jié)構(gòu)。
圖6.3.2[2]
折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于50mm，特殊情況下也可取較小的間距。
換熱管在其材料允許使用溫度范圍內(nèi)的最大無支撐跨距，應(yīng)按表42[2]的規(guī)定。取換熱管的最大無支撐跨距為1500mm。
6.4 拉桿與定距管
6.4.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式
常用拉桿的形式有兩種，見圖6.4,
（1）拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束，>,(按表45[2]規(guī)定）；
（2）拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，>d；
（3）當管板較薄時，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。
本次設(shè)計采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。
圖6.4.1
6.4.2 拉桿的直徑和數(shù)量
拉桿的直徑和數(shù)量可以按表43[2]和表44[2]選取。
選取拉桿直徑為12mm。
選取拉桿數(shù)量為8根。
6.4.3 拉桿的尺寸
拉桿的長度按實際需要確定，拉桿的連接尺寸按圖6.4.3，表6.4.3確定。
圖6.4.3
表6.5.3[2]
拉桿直徑d
拉桿螺紋公稱直徑
b
10
10
13
≥40
1.5
12
12
15
≥50
2.0
16
16
20
≥60
2.0
選取拉桿螺紋公稱直徑為12mm，為15mm，為50mm，b為2.0mm。
6.4.4 拉桿的布置
拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。對于大直徑的冷卻器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于3個支承點。
6.5 防沖與導(dǎo)流
當管程采用軸向人口接管或換熱管內(nèi)流體流速超過3m /s時，應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體的不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。
對有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及氣液混合物，應(yīng)設(shè)置防沖板。
對液體物料，當殼程進口處流體的（為流體密度，；為流體流速，），為下列數(shù)值時，應(yīng)在殼程進口管處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍病?
6.5.1 防沖板的形式
（1）防沖板的兩側(cè)焊在定距管或拉桿上，也可同時焊在靠近管板的第一塊折流板上；
（2）防沖板焊在圓筒上；
6.5.2 防沖板的位置和尺寸
防沖板在殼體內(nèi)的位置，應(yīng)使防沖板周圍與殼體內(nèi)壁所形成的流通面積為殼程進口接管截面積的1～1.25倍。
防沖板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應(yīng)不小于接管外徑的1/4。取殼程防沖板到