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沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)設計
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
學生姓名： 崔明磊
指導教師： 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)設計（論文）任務書
過程裝備與控制工程專業(yè)
1201班
學生：崔明磊
畢業(yè)設計（論文）題目：流量為300t/h立式蒸汽冷凝器
畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容：
有關換熱器綜述一篇；
計算書說明書一份；
繪制工程圖折合A2號圖7張以上；
畢業(yè)設計（論文）專題部分：固定管板式換熱器
起止時間： 2016年 3月 1日— 2016年 5月23日
指導教師： 簽字 年 月 日
摘要
本次畢業(yè)設計使我認真的認識到了自己在本專業(yè)應學習的主要內(nèi)容以及短板，換熱器的設計工作主要有換熱器綜述，換熱器的工藝計算以及結構強度計算。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)，換熱器的結構強度計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備，屬于換熱器的一種。本設計任務主要是根據(jù)已知條件選擇采用固定管板式換熱器的設計。首先根據(jù)給出的設計溫度和設計壓力來確定設備的結構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)外壓的計算來確定殼體和封頭的厚度并進行強度校核。然后是對換熱器各部件的零部件的強度設計，有法蘭的選擇和設計計算與校核，鉤圈及浮頭法蘭的設計計算與校核和管子拉脫力的計算[2]。還包括管板的結構設計、防沖擋板、滑道結構的設計以及支座設計。結構設計中的標準件可以參照國家標準根據(jù)設計條件直接選??；非標準件，設計完結構后必須進行相應的應力校核。
關鍵詞：換熱器； 強度設計； 結構設計
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)工藝計算 2
2.1 工藝計算 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算 3
2.3 有效平均溫差計算 4
2.4管程換熱系數(shù)計算 5
2.5 管程結構初步設計 6
2.6殼程換熱系數(shù)計算 6
2.7總傳熱系數(shù)計算 8
2.8管壁溫度計算 8
2.9管程壓力降計算 9
2.10殼程壓力降計算 10
第三章 強度計算 12
3.1結構設計說明書 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度計算 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開孔補強計算： 34
3.2筒體管箱耐壓試驗的應力校核計算 36
3.2.1筒體核算 36
3.2.2 支座的選擇及應力校核 36
3.2.3 耳座的應力校核 37
第四章 結 論 40
參考文獻 41
致 謝 42
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言
第一章 引言
本論文的設計目的是達到設備設計人員訓練的基本要求。冷凝器是一種用于冷卻流體的換熱設備。把壓縮機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構，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，導致?lián)Q熱器行業(yè)呈現(xiàn)供不應求的市場狀態(tài)，巨大的供給缺口需要進口來彌補。目前我國在換熱器設計過程中還不能實現(xiàn)虛擬制造、仿真制造，缺乏自主知識產(chǎn)權的大型專業(yè)計算軟件。根據(jù)中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要，“十一五”期間我國經(jīng)濟增長將保持年均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，預計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)濟發(fā)展帶來的良好機遇，以及進口產(chǎn)品巨大的可轉(zhuǎn)化性共同預示著我國換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景。
1
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 傳統(tǒng)工藝計算
第二章 傳統(tǒng)工藝計算
2.1工藝計算
2.1.1介質(zhì)原始數(shù)據(jù)
管程水的進口溫度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
管程水普朗特數(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 : 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
殼程水蒸汽普朗特數(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算
取定換熱效率 ? =0.98
則設計傳熱量：
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″)]·? 導出水蒸氣流量G2，r為t2′時的汽化潛熱，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管程設計則查圖 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管程設計則查圖 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 管程結構初步設計
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
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管壁溫度計算
設定冷凝段的長度: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管程壓力降計算
管程水的流速:
u1==300000/（3600985.750.207868）=0.394m/s （2-45）
管程雷諾準數(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殼程壓力降計算
殼程當量直徑: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）
導流板壓降: △Pb= 0, （無導流板）
查表取殼程壓降結垢系數(shù):
冷卻段φd0=1.21 冷凝段φd0′=1.11
取殼程進口接管內(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.
40
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 強度計算
第三章 強度計算
3.1結構設計說明書
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
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源及計算公式
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
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)計算
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
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
1
計算壓力
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
設計溫度下筒體材料的許用應力
[σ]t
MPa
GB150-98
105
5
焊接接頭系數(shù)
Φ
0.85
6
筒體設計厚度
δ
mm
δ=PcDi/（2[σ]tΦ-Pc）
6.31
7
腐蝕裕量
C2
mm
1
8
負偏差
C1
mm
0
9
設計厚度
δd
mm
δd=δ+ C2
7.31
10
名義厚度
δn
mm
GB151-1999項目5.3.2
10
3.1.5封頭形式的確定
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
1
封頭內(nèi)徑
Di
mm
1200
2
計算壓力
Pc
MPa
Pc=1.1P
0.935
3
焊接接頭系數(shù)
Φ
0.85
4
設計溫度下許用壓力
[σ]t
MPa
GB151-1999項目5.3.2
105
5
標準橢圓封頭計算厚度
δ
mm
δ=PcDi/（2[σ]tΦ-0.5Pc）
5.35
6
腐蝕裕量
C2
mm
1
7
負偏差
C1
mm
0
8
設計厚度
δd
mm
δd=δ+C2
6.35
9
名義厚度
δn
mm
GB151-1999項目5.3.2
10
10
直邊高度
h
mm
JB/T4737-95
25
3.1.6管箱短節(jié)壁厚計算
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
1
計算壓力
Pc
MPa
Pc=1.1P
2.31
2
管箱內(nèi)徑
di
mm
1200
3
管箱材料
16MnR
4
設計溫度下許用應力
[σ]t
MPa
GB150-98
170
5
管箱計算厚度
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
負偏差
C1
mm
0
9
設計厚度
δd
mm
δd=δ+ C2
10.7
10
名義厚度
δn
GB151項目5.3.2
10
3.1.7容器法蘭的選擇
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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度計算
本設計為管板延長部分兼作法蘭的形式，即GB151-1999項目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、換熱管等元件結構尺寸及管板的布管方式；以上項目的確定見項目一至七。
B、計算A、As、na、Kt、[σ]cr、Ac、Dt、λ、Q、εs、β、εt、Pt；
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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)當量長度
Lcr
mm
GB151-1999圖32
258
26
設計溫度下管子受屈服強度
δst
MPa
GB150-1998表F2
168
C、對于延長部分兼作法蘭的管板，計算Mn和Mp
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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力
[σ]b
MPa
GB150-1998表F4
258
10
預緊狀態(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、假定管板的計算厚度為δ，然后按結構要求確定殼體法蘭厚度δf′，計算K，k、和Kf。
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
1
布管區(qū)當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
設計溫度下管板材料許用應力
[σ]rt
MPa
GB150-1998（P15）
170
5
管板剛度削弱系數(shù)
η
GB151-1999
0.4
6
殼程設計壓力
Ps
MPa
0.935
7
管程設計壓力
Pt
MPa
2.31
8
管板設計壓力
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，并計算Φ值，由圖29按照K和Kf~查G2值
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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、計算M1，由GB151-1999圖30按照K和Q查G3，計算§，△M′、△Mf′。
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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、按課程設計壓力Ps，而管程設計壓力Pt=0，膨脹變形差r，法蘭力矩的的危險組合（GB151-1999項目5.7.3.2分別討論）
a、只有殼程設計壓力Ps，而管程設計壓力Pt=0，不計膨脹節(jié)變形差（即r=0）。
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
備注
1
當量壓力組合
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
管板徑向應力系數(shù)
=
0.0175
15
管板的徑向應力
MPa
34.4
≤1.5[σ]tr
16
管板布管區(qū)周邊外徑向的應力系數(shù)
0.0158
17
管板布管區(qū)周邊外徑向的應力
MPa
45.55
≤1.5[σ]tr
18
管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)
=（1+v）/4（Q+G2）
0.0657
19
管板布管區(qū)周邊的剪切應力
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
殼體法蘭應力
MPa
=π/4×Y××Pa×λ×（Di/δf）2
443.9
≤1.5[σ]tr
23
換熱管的軸向應力
σt
MPa
σt=[Pc-×Pa]
-91.9
≤[σ]cr
24
殼程圓筒的軸向應力
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力
q
MPa
Q=σt×a/πdl
-0.069
≤[σ]tr
b、只有殼程設計壓力，而管程設計壓力Pt=0，并且計入膨脹變形差。
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
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
管板徑向應力系數(shù)
=（1+v）G1/4（Q+G2）
0.0175
19
管板的徑向應力
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)周邊的剪切應力
тp
MPa
тp=тp′×Pa×（λ/μ）×（Dt/δ）
11.97
≤1.5[σ]tr
24
換熱管的軸向應力
σt
MPa
σt=[Pc-×Pa]
-91.93
≤3[σ]tr
25
換熱管與管板連接的拉托應力
Q
MPa
Q=σt×a/πdl
-0.0689
≤0.5[σ]tr
c、只有管程設計壓力Pt，而殼程設計壓力Ps=0，不計膨脹節(jié)變形差時：
序號
項目
符號
單位
數(shù)據(jù)來源和計算公式
數(shù)值
備注
1
當量壓力組合
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
管板的徑向應力
σr
M