流量為300t-h立式蒸汽冷凝器設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔全套】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目： 流量為300t/h 立式蒸汽冷凝器 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 過控1201 學(xué)生姓名： 崔明磊 指導(dǎo)教師： 湯方麗 論文提交日期： 2016 年 5 月 23 日 論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 過程裝備與控制工程專業(yè) 1201班 學(xué)生：崔明磊 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：流量為300t/h立式蒸汽冷凝器 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容： 有關(guān)換熱器綜述一篇； 計(jì)算書說明書一份； 繪制工程圖折合A2號圖7張以上； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分：固定管板式換熱器 起止時(shí)間： 2016年 3月 1日— 2016年 5月23日 指導(dǎo)教師： 簽字 年 月 日 摘要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我認(rèn)真的認(rèn)識到了自己在本專業(yè)應(yīng)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容以及短板，換熱器的設(shè)計(jì)工作主要有換熱器綜述，換熱器的工藝計(jì)算以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。其中換熱器工藝計(jì)算中需要根據(jù)初始數(shù)據(jù)計(jì)算其處理量以及工藝參數(shù)，換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算主要集中在折流板，筒體以及開口上[1]。 冷凝器是使用范圍很廣的一種化工設(shè)備，屬于換熱器的一種。本設(shè)計(jì)任務(wù)主要是根據(jù)已知條件選擇采用固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)給出的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力來確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式以及殼程和管程的材料，然后根據(jù)物料性質(zhì)和傳熱面積來確定換熱管的材料，尺寸，根數(shù)。根據(jù)換熱管的根數(shù)確定換熱管的排列，并根據(jù)換熱管的排列和長度來確定筒體直徑以及折流板的選擇。通過對容器的內(nèi)徑和內(nèi)外壓的計(jì)算來確定殼體和封頭的厚度并進(jìn)行強(qiáng)度校核。然后是對換熱器各部件的零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，有法蘭的選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，鉤圈及浮頭法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核和管子拉脫力的計(jì)算[2]。還包括管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防沖擋板、滑道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及支座設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)件可以參照國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)計(jì)條件直接選取；非標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)完結(jié)構(gòu)后必須進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力校核。 關(guān)鍵詞：換熱器； 強(qiáng)度設(shè)計(jì)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract Condenser is a kind of chemical equipment which has wide range of application and it is also a kind of heat exchanger.The main task of this thesis is to design a floating heat exchanger based on some known information. It is important to determine the type of construction of the equipment and the material of its shell pass and tube pass first. Then, the material, size and number of the exchange tube are decided by material property and its heat transfer area. The exchange tubes need to be arranged on the basis of its number. What’s more, the diameter and the choice of baffle board are influenced by the arrangement and length of exchange tubes. Furthermore, the thickness of the shell and shell cover is determined by the inner diameter and the calculation of inner and outer pressure of the container. Meanwhile, its intensity also needed to be checked[3]. Next, it is also vital to design the intensity of components of heat exchanger, including the choice, calculation and checking of flange, floating flange and backing device, also the calculation of pulling-out force of the tubes. In addition, there are other things to be designed carefully, including tube plate, impingement baffle, slide and support. During the design of structure, standard components can be referred to national standards according to the design conditions of the direct selection; as to the non standard components, corresponding stress checking is needed after the design of the construction[4]. Keywords: heat exchanger； strength design； structure design 目 錄 第一章 引言 1 第二章 傳統(tǒng)工藝計(jì)算 2 2.1 工藝計(jì)算 2 2.1.1 介質(zhì)原始數(shù)據(jù) 2 2.1.2 介質(zhì)定性溫度及物性參數(shù) 2 2.2 傳熱量與水蒸汽流量計(jì)算 3 2.3 有效平均溫差計(jì)算 4 2.4管程換熱系數(shù)計(jì)算 5 2.5 管程結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 6 2.6殼程換熱系數(shù)計(jì)算 6 2.7總傳熱系數(shù)計(jì)算 8 2.8管壁溫度計(jì)算 8 2.9管程壓力降計(jì)算 9 2.10殼程壓力降計(jì)算 10 第三章 強(qiáng)度計(jì)算 12 3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書 12 3.1.1換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 12 3.1.2布管方式的選擇 12 3.1.3筒體內(nèi)徑的確定 12 3.1.4筒體壁厚的確定 13 3.1.5封頭形式的確定 13 3.1.6管箱短節(jié)壁厚計(jì)算 14 3.1.7容器法蘭的選擇 14 3.1.8管板尺寸的確定及強(qiáng)度計(jì)算 15 3.1.9是否安裝膨脹節(jié)的判定： 27 3.1.10各管孔接管及其法蘭的選擇： 28 3.1.11設(shè)備法蘭的選擇 31 3.1.12拉桿和定距管的確定 33 3.1.13開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算： 34 3.2筒體管箱耐壓試驗(yàn)的應(yīng)力校核計(jì)算 36 3.2.1筒體核算 36 3.2.2 支座的選擇及應(yīng)力校核 36 3.2.3 耳座的應(yīng)力校核 37 第四章 結(jié) 論 40 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 42 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 引言 第一章 引言 本論文的設(shè)計(jì)目的是達(dá)到設(shè)備設(shè)計(jì)人員訓(xùn)練的基本要求。冷凝器是一種用于冷卻流體的換熱設(shè)備。把壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸汽，通過散熱冷凝為液體制冷劑，制冷劑從蒸發(fā)器中吸收的熱量，被冷凝器周圍的介質(zhì)所吸收。有蒸汽冷凝器，鍋爐用冷凝器等。冷凝器常被用于空調(diào)系統(tǒng)，工業(yè)化工程序，發(fā)電廠及其他熱交換系統(tǒng)中。 早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大且笨重，如蛇管式換熱器等。近年來，隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，但國內(nèi)企業(yè)的供給能力有限，導(dǎo)致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進(jìn)口來彌補(bǔ)。目前我國在換熱器設(shè)計(jì)過程中還不能實(shí)現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的大型專業(yè)計(jì)算軟件。根據(jù)中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要，“十一五”期間我國經(jīng)濟(jì)增長將保持年均7.5％的速度。而石化及鋼鐵作為支柱型產(chǎn)業(yè)，將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭，預(yù)計(jì)2010年鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值將超過5000億元，化工行業(yè)總產(chǎn)值將突破4000億元[5]。這些行業(yè)的發(fā)展都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的良好機(jī)遇，以及進(jìn)口產(chǎn)品巨大的可轉(zhuǎn)化性共同預(yù)示著我國換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景。 1 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 傳統(tǒng)工藝計(jì)算 第二章 傳統(tǒng)工藝計(jì)算 2.1工藝計(jì)算 2.1.1介質(zhì)原始數(shù)據(jù) 管程水的進(jìn)口溫度t1′=25℃ 管程水的出口溫度t1″=85℃ 管程水的工作壓力P1=1.5Mpa 管程水的流量G1=300t/h=300000kg/h 殼程水蒸氣的入口溫度t2′=170.7℃ 殼程水蒸氣的出口溫度t2″=95℃ 殼程水蒸氣的入口壓力P2=0.6MPa 2.1.2介質(zhì)定性溫度及物性參數(shù) ①管程： 管程水定性溫度 　　　　t1=（t1′+ t1″）/2=（25+85）/2=55℃　　　　　　　 ?。?-1） 管程水密度查物性表得ρ1=985.75 ㎏/m3 管程水比熱查物性表得Cp1=4.176KJ/（Kg﹒K） 管程水導(dǎo)熱系數(shù)查物性表得λ1=0.648W/（m﹒℃） 管程水粘度μ1=5.064×10-4 Pa·s 管程水普朗特?cái)?shù)查物性表得 Pr1=3.24 ②殼程： 殼程水蒸汽定性溫度： 殼程水蒸汽冷凝點(diǎn) : ti = t2′=170.7℃ 冷卻段：t2 =（ti + t2″）/2=（170.7+95）/2=132.85℃　　　　　　　 （2-2） 冷凝段：2= （t2′+ ti）=（170.7+170.7）/2=170.7℃　　　　　　 （2-3） 殼程水蒸汽密度查物性表得： 冷卻段：ρ2=937.8㎏/m3 冷凝段: 2=4.194㎏/ m3 殼程水蒸汽比熱查物性表得: 冷卻段：Cp2=4.319 KJ/（Kg﹒K） 冷凝段：p2=2.589 KJ/（Kg﹒K）r 殼程水蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)查物性表得： 冷卻段：λ2 =0.6878 W/（m﹒K） 冷凝段：λ2′= 0.03218 W/（m﹒K） 殼程水蒸汽粘度： 冷卻段：μ2 =217.191×10-6 Pa·s 冷凝段：2=14.619×10-6 Pa·s 殼程水蒸汽普朗特?cái)?shù)查物性表得： 冷卻段：Pr2 =1.344 冷凝段：r2=1.134 2.2 傳熱量與水蒸汽流量計(jì)算 取定換熱效率 ? =0.98 則設(shè)計(jì)傳熱量： Q0= G1×Cp1×(t1″- t1′)×1000/3600=300000×4.176×(85-25)×1000/3600=20.88×106W　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-4） 由Q0=G2[r+ Cp2(t2′- t2″)]·? 導(dǎo)出水蒸氣流量G2，r為t2′時(shí)的汽化潛熱，r=2047.1KJ/Kg　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-5） 水蒸汽流量： G2= Q0/ ? /[r+ Cp2(ti - t2″)]= 23.55×106/0.98/[2047.1×1000+4.319×1000×(170.7-95)]=6.703Kg/s　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 （2-6） 冷卻段傳熱量： Q2=G2·Cp2·(ti- t2″)=6.703×4.319×103×(170.7-95)=2481037W　 （2-7） 冷凝段傳熱量: 2= G2·r=6.703×2047.1×1000=13721711.3W　　　　　　　　　　 （2-8） 設(shè)冷凝段和冷卻段分界處的溫度為t3 根據(jù)熱量衡算：2·?= G1·Cp1·（t3- t1′）　　　　　　　　　　 （2-9） t3=2·?/ G1/ Cp1+ t1′=13721711.3×0.98×3600/300000/4176+20=59.775℃ 2.3 有效平均溫差計(jì)算 逆流冷卻段平均溫差: △tn==85.843℃　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-10） 逆流冷凝段平均溫差: △ tn′==94.923℃　　　　　　　　　　 （2-11） 冷卻段: 參數(shù):P===0.271　　　　　　　　　　　　　　 （2-12） 參數(shù):R===2.854　　　　　　　　　　　　　　 （2-13） 換熱器按單殼程 2管程設(shè)計(jì)則查圖 2-6(a)，得: 溫差校正系數(shù)? =1.0f - 有效平均溫差: △tm= ? ·△tn=1.0×85.843=85.843℃　　　　　　 （2-14） - - - 冷凝段： 參數(shù):P===0.265　　　　　　　　　　　　　　 （2-15） 參數(shù):R===0　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-16） 換熱器按單殼程 2管程設(shè)計(jì)則查圖 2-6(a)，得: 溫差校正系數(shù)? =1.0 有效平均溫差: △tm′= ? ·△tn′=1.0×94.923=94.923℃　　　　 （2-17） 2.4管程換熱系數(shù)計(jì)算 初選冷卻段傳熱系數(shù):K0′= 820 w/(m·k) 初選冷凝段傳熱系數(shù): K0″= 1300 w/(m·k) 則初選冷卻段傳熱面積為:F0=Q2·?/( K0′·△tm)= 2481037×0.98/(820×85.843)=46.7688m2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 初選冷凝段傳熱面積為: F0′=2·?/( K0″·△tm′)= 13721711.3×0.98/(1300×94.923)=108.973 m2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 選用?25×2.5的無縫鋼管做換熱管則: 管子外徑d0=25 mm 管子內(nèi)徑di=20 mm 管子長度 L=3000 mm 則需要換熱管根數(shù):Nt=( F0+ F0′)/( πd0L)=(46.7688+108.973)/(3.14×0.025×3)=661.3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-18） 可取換熱管根數(shù)為 662根 管程流通面積:a1=·π2= ×π×=0.207868　　　　　 （2-19） 管程流速: W1 == 300000/( 3600×985.75×0.207868 )= 0.094m/s 管程雷諾數(shù):Re1=ρ1w1di/μ1=985.75×0.393×0.02/(5.064×10-4)= 15300.148 則管程冷卻段的定性溫度:t11=(t3+ t1″)/2=(59.97+90)/2=74.987℃　 （2-20） 管程冷卻段傳熱系數(shù):a1′=3605×(1+0.015 t11) W10.8/(100di)^0.2=8077.656 管程冷凝段的定性溫度: t12=(t3+t1′)/2=(59.974+20)/2=39.987℃ （2-21） 管程冷凝段傳熱系數(shù): a1″=3605×(1+0.015 t12) W10.8/(100di)^0.2= 4101.375 2.5 管程結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 查 GB151—1999知管間距按1.25d0，管間距為：s= 0.032m 管束中心排管數(shù)為：Nc=1.1=28.3，取30根 則殼體內(nèi)徑：Di=s（Nc-1）+4 d0=1.028　　　　　　　　　　　　　 （2-22） 圓整為：Di=1200 則長徑比:==2.5 合理　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-23） 折流板選擇弓形折流板: 弓形折流板的弓高:h=0.2 Di=0.2×1.2=0.24　　　　　　　　　　　 （2-24） 折流板間距：B===400㎜取B=400㎜　　　　　　　　　　 （2-25）　　　　 折流板數(shù)量：Nb=-1=-1=6.5 取7塊　　　　　　　　　　　　 （2-26） 2.6殼程換熱系數(shù)計(jì)算 殼程流通面積:f2=BDi（1-）=0.4×1.2×（1-0.025/0.032）= 殼程流速: 冷卻段:w2==6.703/（937.58×0.105）=0.068m/s　　　　　　　 （2-27） 冷凝段:2==6.703/（4.194×0.105）=15.22m/s　　　　　　　 （2-28） 殼程當(dāng)量直徑:de=（Di2-Ntd02）/（Ntd0）=（-711×）/（711×0.025）=0.056m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-29） ① 冷凝段管外壁溫度假定值: w=109.6℃ 膜溫:tm=（w+ t2′）/2=（109.6+170.7）/2=140.15℃　　　　　　 （2-30）膜溫下液膜的粘度:μm=195×10-6Pa·s 膜溫下液膜的密度:ρm=926.4Kg/m3 膜溫下液膜的導(dǎo)熱系數(shù)為:λm=0.6842/（m﹒℃） 正三角形排列ns=2.080 Nt 0.495=2.080×662 0.495=51.807　　　　　 （2-31） 冷凝負(fù)荷：Γ==6.703/（3×51.807）=0.0431　　　　　　　　　 （2-32） 殼程冷凝段雷諾數(shù):=4Γ/um=4×0.0431/195×10-6=884.1　　　　 （2-33） 殼程冷凝段傳熱系數(shù): a2″=1.51·（λm3ρmg/μm2）（）=9635.7　　　　　　　　 （2-34） ② 冷卻段管外壁溫假定值:tw2=95℃ 冷卻段雷諾數(shù)：Re==937.8×0.068×0.056/217.191×10-6=16442.405　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 壁溫下水粘度:μw2=298.6×10-6 Pa·s 粘度修正系數(shù):?1=（）0.14=0.956　　　　　　　　　　　　　 （2-35） 殼程傳熱因子查圖 2-12 得: js=100 冷卻段殼程換熱系數(shù):a2′=（λ2/de）·Pr2 ·?1 ·js=（0.6878/0.056）×1.344×0.956×100=1875.29　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-36） 2.7總傳熱系數(shù)計(jì)算 查 GB-1999 第 138 頁可知 水蒸汽的側(cè)污垢熱阻:r2=8.8×10-5（m2·℃/w） 管程水選用地下水，污垢熱阻為: r1=35.2×10-5（m2·℃/w） 由于管壁比較薄，所以管壁的熱阻可以忽略不計(jì) 冷卻段總傳熱系數(shù): Kj′=1/[1/a2′+r2+r1×d0/di+d0/（a1′×di）]= 731.176　　　　　　 （2-37） 傳熱面積比為: Kj′/ K0′=1.08(合理) 冷凝段總傳熱系數(shù): Kj〞=1/[1/ a2″+r2+r1×d0/di+d0/（a1″×di）]=1385.0607　　　　　 （2-38） 傳熱面積比為: Kj〞/ K0〞==1.06（合理）　　　　　　　 （2-39） 2.8管壁溫度計(jì)算 設(shè)定冷凝段的長度:L″=2.0424m 冷卻段的長度:L′=0.9576m 冷卻段管外壁熱流密度計(jì)算: q2′=Q2?/(Ntπd0 L′)=48859.33w/（m2·℃）　　　　　　　　 （2-40） 冷卻段管外壁溫度: tw′=t2-q2′(1/a2′+r2)=97.496℃　　　　　　　　　　　　　 （2-41） 誤差校核:e′=tw2- tw′=95-97.496=-2.496℃ 誤差不大　　　　 （2-42） 冷凝段管外壁熱流密度計(jì)算: q2″=2?/( Ntπd0 L″)=（13721711.30.98）/155473.7 w/（6623.140.0252.0424）=126696.88（m2·℃）　　　　　　　　　 （2-43） 冷凝段管外壁溫度: tw″=tm- q2″(1/ a2″+r2)=115.62℃　　　　　　　　　　　　　　 （2-44） 誤差校核:= - tw″=-6.02℃ 誤差不大 2.9管程壓力降計(jì)算 管程水的流速: u1==300000/（3600985.750.207868）=0.394m/s　　　　 （2-45） 管程雷諾準(zhǔn)數(shù):Re1=ρ1w1di/μ1=985.750.3940.02/（5.064）=15301.148 程摩擦系數(shù):ξ=0.3164/(Re10.25)=0.02845　　　　　　　　　　　　 （2-46） 壓降結(jié)垢校正系數(shù):?di=1.4 沿程壓降:△P1=ξρ1μ12L ?di/(2di)=（0.02845985.75）/（2）=454.8Pa　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-47） 取管程出入口接管內(nèi)徑:d1′=250mm 管程出入口流速: u1′=4G/(3600πd1′2ρ1)=（4300000）/（3600）=1.67m/s 　　　　　　　　　　　　　　 （2-48） 局部壓降: △P3=ρ1 u1′2(1+0.5)/2=（985.751.5）/2=2061.99 Pa 管程總壓降: △P=△P1＋△P3=454.8＋ 2061.9=2516.7Pa　　　　　 （2-49） 管程允許壓降:[ △P]= 35000 Pa △P < [ △P] 即壓降符合要求。 2.10殼程壓力降計(jì)算 殼程當(dāng)量直徑:De=（Di2-Ntd02）/（Di+Ntd0）=(1.2-662)/(1.2＋)=0.0443m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2-50） 殼程流通面積:f2=Bdi（1-d0/s）=0.105m2 殼程流速: 冷卻段:w2=G2/（ρ2f2）=0.068m/s 冷凝段:2=2/（2f2）=15.22m/s 殼程雷諾數(shù): 殼程冷卻段雷諾數(shù):Re=ρ2w2de/μ2=16442.4　　　　　　　　　　　 （2-51） 殼程冷凝段雷諾數(shù): =4Γ/um=884.1 查表殼程摩擦系數(shù): 冷卻段:ξ1=0.35 冷凝段: ξ2=0.54 殼程粘度修正系數(shù):冷卻段φd1=1.0 冷凝段φd2=1.0 管束周邊壓降: 冷卻段管束周邊壓降: △Pa=(ρ2w22/2) ·[Di(nb+1)/De]·(ξ1/φd1)=164.45Pa　　　　　　　 （2-52） 冷凝段管束周邊壓降: △a=(·2/2)·[Di(nb+1)]/De·(ξ2/φd2)=56844.57Pa　　　　　 （2-53） 導(dǎo)流板壓降: △Pb= 0, （無導(dǎo)流板） 查表取殼程壓降結(jié)垢系數(shù): 冷卻段φd0=1.21 冷凝段φd0′=1.11 取殼程進(jìn)口接管內(nèi)徑:d2′=250mm 殼程出口接管內(nèi)徑:d2″=100mm 殼程出口流速:u2″=4G2/(ρ2πd2′2)=0.90m/s　　　　　　　　　　 （2-54） 殼程進(jìn)口流速:u2′=4G2/(πd2′2)=32.6m/s　　　　　　　　　　 （2-55） 局部壓降: 冷卻段 △Pc=[ρ2 u2″2(1+0.5)]/2=569.7Pa　　　　　　　　　　　　　　　 （2-56） 冷凝段△c=[u2′2(1+0.5)]/2=3342.9Pa　　　　　　　　　　　 （2-57） 殼程總壓降: 冷卻段殼程總壓降: △P=△Pa·φd0+△Pb+△Pc=768.7Pa 冷凝段殼程總壓降: △=△a·φd0′+△b+△c=66440.4Pa 殼程允許壓降:[ △P]=250000Pa △P < [△P] 即壓降符合要求; △ < [△P] 即壓降符合要求. 37 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 強(qiáng)度計(jì)算 第三章 強(qiáng)度計(jì)算 3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書 3.1.1換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定如表3-1。 表3-1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)的確定 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源及計(jì)算公式 數(shù)值 1 換熱管材料 16MnR 2 換熱管規(guī)格 Φ25×2.5×3000 3 傳熱面積 A m2 A=Q/Ktm 155.9 4 換熱管根數(shù) N 根 N=A/3.14dL 662 3.1.2布管方式的選擇 布管方式的選擇如表3-2。 表3-2 布管方式的選擇 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)計(jì)算 數(shù)值 1 轉(zhuǎn)角正三角形 GB151-1999圖11 2 換熱管中心距 S mm GB151-1999表12 32 3 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 Sn mm GB151-1999表12 44 3.1.3筒體內(nèi)徑的確定 筒體內(nèi)徑的確定如表3-3。 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 換熱管中心距 S mm GB151-1999表12 32 2 換熱管根數(shù) Nt 根 Nt=A/3.14dL 662 3 管束中心排管根數(shù) Nc 根 Nc=1.1 30 4 換熱管外徑 d0 mm 25 5 到殼體內(nèi)壁最短距離 b3 mm b3=0.25 d0 6.25 6 布管限定圓直徑 d1 mm dL=di-2B3 1187.5 7 筒體內(nèi)徑 di mm di=s（Nc-1）+4d 1028 8 實(shí)取筒體公稱直徑 D mm JB/T4737-95 1200 3.1.4筒體壁厚的確定 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 計(jì)算壓力 Pc MPa Pc=1.1P 0.935 2 筒體內(nèi)徑 di mm 見三-8 1200 3 筒體材料 Q235-B 4 設(shè)計(jì)溫度下筒體材料的許用應(yīng)力 [σ]t MPa GB150-98 105 5 焊接接頭系數(shù) Φ 0.85 6 筒體設(shè)計(jì)厚度 δ mm δ=PcDi/（2[σ]tΦ-Pc） 6.31 7 腐蝕裕量 C2 mm 1 8 負(fù)偏差 C1 mm 0 9 設(shè)計(jì)厚度 δd mm δd=δ+ C2 7.31 10 名義厚度 δn mm GB151-1999項(xiàng)目5.3.2 10 3.1.5封頭形式的確定 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 封頭內(nèi)徑 Di mm 1200 2 計(jì)算壓力 Pc MPa Pc=1.1P 0.935 3 焊接接頭系數(shù) Φ 0.85 4 設(shè)計(jì)溫度下許用壓力 [σ]t MPa GB151-1999項(xiàng)目5.3.2 105 5 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計(jì)算厚度 δ mm δ=PcDi/（2[σ]tΦ-0.5Pc） 5.35 6 腐蝕裕量 C2 mm 1 7 負(fù)偏差 C1 mm 0 8 設(shè)計(jì)厚度 δd mm δd=δ+C2 6.35 9 名義厚度 δn mm GB151-1999項(xiàng)目5.3.2 10 10 直邊高度 h mm JB/T4737-95 25 3.1.6管箱短節(jié)壁厚計(jì)算 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 計(jì)算壓力 Pc MPa Pc=1.1P 2.31 2 管箱內(nèi)徑 di mm 1200 3 管箱材料 16MnR 4 設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 [σ]t MPa GB150-98 170 5 管箱計(jì)算厚度 δ mm δ=Pcdi/（2[σ]tΦ-Pc） 9.7 6 焊接接頭系數(shù) Φ mm 0.85 7 腐蝕裕量 C2 mm 1 8 負(fù)偏差 C1 mm 0 9 設(shè)計(jì)厚度 δd mm δd=δ+ C2 10.7 10 名義厚度 δn GB151項(xiàng)目5.3.2 10 3.1.7容器法蘭的選擇 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 法蘭類型 長頸對焊法蘭JB/T4703-2000 PN=2.5MPa 2 法蘭外徑 d0 mm JB/T4703-2000 1395 3 螺栓中心圓直徑 d1 mm JB/T4703-2000 1340 4 法蘭公稱直徑 dn mm JB/T4703-2000 1200 5 法蘭材料 16MnR 6 墊片類型 JB/T4703-2000 非金屬軟墊片 7 墊片材料 GB/T3985-1995 8 墊片公稱直徑 dn mm JB/T4704-2000 1200 9 墊片外徑 D0 mm JB/T4704-2000 1277 10 墊片內(nèi)徑 D mm JB/T4704-2000 1227 11 法蘭厚度 δ mm JB/T4704-2000 84 12 墊片厚度 δ1 mm JB/T4704-2000 3 13 螺栓規(guī)格及數(shù)量 2×48×M27 3.1.8管板尺寸的確定及強(qiáng)度計(jì)算 本設(shè)計(jì)為管板延長部分兼作法蘭的形式，即GB151-1999項(xiàng)目5.7中，圖18所示e型連接方式的管板。 A、確定殼程圓筒、管箱圓筒、管箱法蘭、換熱管等元件結(jié)構(gòu)尺寸及管板的布管方式；以上項(xiàng)目的確定見項(xiàng)目一至七。 B、計(jì)算A、As、na、Kt、[σ]cr、Ac、Dt、λ、Q、εs、β、εt、Pt； 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 備注 1 筒體內(nèi)徑 di mm 1200 2 筒體內(nèi)徑橫截面積 A mm2 A=πDi2/4 1130400 3 筒體厚度 δs mm 14 4 圓筒內(nèi)殼壁金屬截面積 As mm2 As=πδs（Di+δs） 53367.44 5 管子金屬總截面積 na mm2 na=nπδt（d-δt） 11.69 6 換熱管根數(shù) n 662 7 換熱管外徑 d mm 25 8 換熱管壁厚 δt mm 2.5 9 換熱管材料的彈性模量 Et MPa GB150-1998表F5 196000 10 換熱管有效長度 L mm 2950 11 沿一側(cè)的排管數(shù) n ′ 28 12 布管區(qū)內(nèi)未能被管支撐的面積 Ad mm2 14594 13 管板布管區(qū)面積 At mm2 At=0.866nS2+Ad 601645 14 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 Dt mm Dt= 875.5 15 換熱管中心距 S mm GB151-1999 32 16 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 Sn mm GB151-1999 44 17 管板布管內(nèi)開孔后的面積 A1 mm2 A1= At -nπd2/4 805606 18 系數(shù) λ λ=A1/A 0.71 19 殼體不帶膨脹節(jié)時(shí)換熱管束與圓筒剛度比 Q Q=Et×na/EsAs 2.56 20 殼程圓筒材料的彈性模量 Es GB150-1998表F5 190000 21 系數(shù) β β=na/A1 0.1451 22 系數(shù) εs εs=0.4+0.6（1+Q）/λ 3.408 23 系數(shù) εt εt=0.4（1+β）+（0.6+Q）/λ 4.91 24 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑比 Pt Pt=Dt/Di 0.73 25 管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度 Lcr mm GB151-1999圖32 258 26 設(shè)計(jì)溫度下管子受屈服強(qiáng)度 δst MPa GB150-1998表F2 168 C、對于延長部分兼作法蘭的管板，計(jì)算Mn和Mp 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 墊片接觸寬度 N mm GB150-1998表9-1 25 2 墊片基本密度寬度 Bo mm Bo=N/2 12.5 3 墊片比壓力 y MPa GB150-1998表9-2 11 4 墊片系數(shù) m 2.0 5 墊片有效密封寬度 b mm B=2.53 9 6 墊片壓緊力作用中心圓直徑 dG mm dG= d0-2b 1209 7 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 Wa N Wa=3.14dG×b×y 375829.74 8 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 Wp N Wp=0.78DG2×Pc+6.28DG×b×m×Pc 2949353 9 常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力 [σ]b MPa GB150-1998表F4 258 10 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 Aa mm2 Aa=Wa/[σ]b 1456.7 11 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 Ap mm2 Ap= Wp/[σ]b 11431.6 12 需要螺栓總截面積 Am mm2 Am=max{Aa，Ap} 11431.6 13 法蘭螺栓的中心圓直徑 db mm 1340 14 法蘭中心至Fc作用處的徑向距離 LG mm LG=（db-dG）/2 65.6 15 基本法蘭力矩 Mm N．mm Mm=Am×LG×[σ]b 1.9×108 16 筒體厚度 δ0 mm 14 17 法蘭頸部大端有效厚度 δ1 mm δ1=1.75δ0 24.5 18 螺栓中心至法蘭頸部與法蘭背面交的徑向距離 LA mm LA=（db-di）/2-δ1 45.5 19 螺栓中心處至FT作用位置處的徑向距離 LT mm LT= (LA+ LG+δ1)/2 67.75 20 螺栓中心距FD作用處的徑向距離 LD mm LD=（db-di）/2 70 21 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力 FD N FD=0.785di2×Pc 1056924 22 流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力差 FT N FT=F-FD F= 0.78dG2*PC=2719998.996 1593615.241 23 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓力 FG N FG=6.28DG×b×m×Pc 286997.256 24 法蘭操作力矩 Mp N．mm Mp=FD×LD+FT×LT+FG×LG 1.34×108 D、假定管板的計(jì)算厚度為δ，然后按結(jié)構(gòu)要求確定殼體法蘭厚度δf′，計(jì)算K，k、和Kf。 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比 ρt ρt=Dt/Di 0.73 2 系數(shù) Cc GB151-1999 (P31)表22 0.2614 3 管板材料 16MnR 4 設(shè)計(jì)溫度下管板材料許用應(yīng)力 [σ]rt MPa GB150-1998（P15） 170 5 管板剛度削弱系數(shù) η GB151-1999 0.4 6 殼程設(shè)計(jì)壓力 Ps MPa 0.935 7 管程設(shè)計(jì)壓力 Pt MPa 2.31 8 管板設(shè)計(jì)壓力 Pd MPa Max{︱Pt -Pt︱，︱Pt︱， ︱Ps︱} 2.31 9 管板厚度 δ δ=0.82Dg 192.6 10 換熱管加強(qiáng)系數(shù) K K=1.318Di//δ 7.8 11 管板周邊布管區(qū)的無量綱參數(shù) k k=K×（1-ρt） 2.106 12 換熱管材料彈性模量 Et MPa GB150-1998表F5 196×103 13 管束模數(shù) Kt MPa Kt=Et×na/（L×Di） 6364 14 殼體法蘭材料彈性模量 Ef′ MPa GB150-1998表F5 190×103 15 殼體圓筒材料彈性模量 Es GB150-1998表F5 190×103 16 殼體法蘭寬度 bf mm Bf=（Df-Di）/2 97.5 17 系數(shù) ω′ GB151-1999圖26 0.0006 18 殼體法蘭與圓筒的選裝剛度 Kf′ MPa =[] 9.5 19 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) Kf~ Kf~=πKf′/（4 Kt） 0.0012 E、 由GB151-1999 P51圖27按照K和Kf~查m1，并計(jì)算Φ值，由圖29按照K和Kf~查G2值 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 管板第一矩系數(shù) m1 GB151-1999圖27 0.3 2 系數(shù) Φ Φ=m1/（K×Kf~） 32.5 3 系數(shù) G2 GB151-1999圖29 4.6 F、計(jì)算M1，由GB151-1999圖30按照K和Q查G3，計(jì)算§，△M′、△Mf′。 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 1 管箱法蘭材料的彈性模量 Ef″ MPa GB150-1998表F5 196×103 2 管箱法蘭厚度 δf″ mm JB/T4702-2000 32 3 系數(shù) ω″ GB151-1999圖26 0.0006 4 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) Kf″ MPa = 10.2 5 系數(shù) G3 GB151-1999圖30 8.4×10-4 6 系數(shù) § §= Kf~/（Kf~+G3） 0.59 7 管板邊緣力矩的變化系數(shù) △M~ △M~=1/（Kf′/ Kf″+§） 0.657 8 法蘭力矩變化系數(shù) △M~f △Mf~=Kf~×△M~/ Kf″ 0.612 9 管板第二彎矩系數(shù) m2 GB151-1999圖28（a） 2.04 G、按課程設(shè)計(jì)壓力Ps，而管程設(shè)計(jì)壓力Pt=0，膨脹變形差r，法蘭力矩的的危險(xiǎn)組合（GB151-1999項(xiàng)目5.7.3.2分別討論） a、只有殼程設(shè)計(jì)壓力Ps，而管程設(shè)計(jì)壓力Pt=0，不計(jì)膨脹節(jié)變形差（即r=0）。 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 備注 1 當(dāng)量壓力組合 Pc MPa Pc=Ps 2.31 2 系數(shù) ∑s ∑s=0.4+0.6（1+Q）/0.75 3.008 3 有效壓力組合 Pa MPa Pa=∑sPs+β×r×Et 28.53 4 基本法蘭力矩系數(shù) Mm~ Mm~=4Mm/(λ×π×Di3×Pa) 0.0069 5 管程壓力下的法蘭力矩系數(shù) Mp~ Mp~=4Mp/（λ×π×Di3×Pa） 0.0049 6 法蘭力矩折減系數(shù) M1 M1=m1/2K（Q+G3） 0.0085 7 管板邊緣力矩系數(shù) 0.0125 8 管板邊緣剪切系數(shù) v v= ×Φ 0.406 9 管板總彎矩系數(shù) m m=（m1+v×m2）/（1+v） 0.802 10 系數(shù) 0.341 11 系數(shù) 0.123 12 系數(shù) G1 G1=max{Gle，Gli} 13 殼體法蘭力矩系數(shù) -0.00113 14 管板徑向應(yīng)力系數(shù) = 0.0175 15 管板的徑向應(yīng)力 MPa 34.4 ≤1.5[σ]tr 16 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力系數(shù) 0.0158 17 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力 MPa 45.55 ≤1.5[σ]tr 18 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù) =（1+v）/4（Q+G2） 0.0657 19 管板布管區(qū)周邊的剪切應(yīng)力 MPa ×Pa×（λ/μ）×（Dt/δ） 15.12 ≤0.5[σ]tr 20 法蘭的外徑與內(nèi)徑之比 K K=D0/Di 1.16 21 系數(shù) Y GB150-1998表9-5 10.3 22 殼體法蘭應(yīng)力 MPa =π/4×Y××Pa×λ×（Di/δf）2 443.9 ≤1.5[σ]tr 23 換熱管的軸向應(yīng)力 σt MPa σt=[Pc-×Pa] -91.9 ≤[σ]cr 24 殼程圓筒的軸向應(yīng)力 σc MPa σc=A/As××Pa 87.93 25 一根換熱管管壁金屬的橫界面積 a mm2 A=na/n 176.6 26 換熱管與管板連接的拉托應(yīng)力 q MPa Q=σt×a/πdl -0.069 ≤[σ]tr b、只有殼程設(shè)計(jì)壓力，而管程設(shè)計(jì)壓力Pt=0，并且計(jì)入膨脹變形差。 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 備注 1 殼程圓筒材料線膨脹系數(shù) as 1/℃ GB150-1998 11.62×10-6 2 換熱管材料線膨脹系數(shù) at 1/℃ GB150-1998 10.88×10-6 3 換熱管與殼程圓筒的膨脹變形差 r r=at（tt-t0）-as（ts-t0） 927.4×10-6 4 沿長度平均的殼程圓筒金屬溫度 ts ℃ 工藝給定 90 5 沿長度平均的換熱管金屬溫度 tt ℃ 工藝給定 180 6 制造環(huán)境溫度 t0 20 7 當(dāng)量壓力組合 Pc MPa Pc=Ps-Pt(1+β) 0.935 8 有效壓力組合 Pa MPa Pa=εs×Ps-εt+βrEt 29.1 9 基本法蘭力矩系數(shù) =4Mm/（λ×π×Di3×Pa） 0.0068 10 管程壓力下的法蘭力矩系數(shù) =4Mp/（λ×π×Di3×Pa） 0.0048 11 管板邊緣力矩系數(shù) 0.0124 12 管板邊緣剪切系數(shù) v v= ×Φ 0.403 13 管程總彎矩系數(shù) m m=（m1+v×m2）/（1+v） 0.8 14 系數(shù) 15 系數(shù) 16 系數(shù) G1 G1=max{，GLe} 0.342 17 殼體法蘭力矩系數(shù) =ξ×-×M1 -0.00119 18 管板徑向應(yīng)力系數(shù) =（1+v）G1/4（Q+G2） 0.0175 19 管板的徑向應(yīng)力 MPa σr=（σr）×Pa×（λ/μ）×（Di/δ）2 35.09 ≤3[σ]tr 20 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力系數(shù) =3（1+v）m/4K（Q+G2） 0.0157 21 管板布管區(qū)周邊外徑向的應(yīng)力 MPa =×Pa×（λ/μ）×（Di/δ）2×[1-K/m+K2×（1.414-m）/2m] 459.5 ≤3[σ]tr 22 管板布管區(qū)周邊的剪切應(yīng)力系數(shù) тp′ тp′=（1+v）/4（Q+G2） 0.051 23 管板布管區(qū)周邊的剪切應(yīng)力 тp MPa тp=тp′×Pa×（λ/μ）×（Dt/δ） 11.97 ≤1.5[σ]tr 24 換熱管的軸向應(yīng)力 σt MPa σt=[Pc-×Pa] -91.93 ≤3[σ]tr 25 換熱管與管板連接的拉托應(yīng)力 Q MPa Q=σt×a/πdl -0.0689 ≤0.5[σ]tr c、只有管程設(shè)計(jì)壓力Pt，而殼程設(shè)計(jì)壓力Ps=0，不計(jì)膨脹節(jié)變形差時(shí)： 序號 項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式 數(shù)值 備注 1 當(dāng)量壓力組合 Pc MPa Pc=Ps 0 2 有效壓力組合 Pa MPa Pa=∑sPs+βrEt 26.37 3 管板邊緣力矩系數(shù) 0.0132 4 管板邊緣剪切系數(shù) v v=×Φ 0.429 5 管板總彎矩系數(shù) m m=（m1+v×m2）/（1+v） 0.822 6 系數(shù) 7 系數(shù) 8 系數(shù) G1 G1= max{，GLe} 0.245 9 管板的徑向應(yīng)力 σr M