《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、目 錄1 概論11.1 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的目的和內(nèi)容11.2 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的步驟22 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)32.1 概述32.2 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用42.3 管殼式換熱器的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算102.4 管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)及基本參數(shù)122.5 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)舉例13參考資料151 概論1.1 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的目的和內(nèi)容過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是具體應(yīng)用鞏固本課程及有關(guān)先修課的理論知識(shí)和生產(chǎn)知識(shí)，熟悉和了解過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)一般方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力、分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。在課程設(shè)計(jì)中要求學(xué)生注意培養(yǎng)積極思考、深入鉆研的學(xué)習(xí)精神，認(rèn)真負(fù)責(zé)、

2、踏實(shí)細(xì)致的工作作風(fēng)和保質(zhì)保量按時(shí)完成任務(wù)的習(xí)慣。(1)綜合運(yùn)用裝控專業(yè)基礎(chǔ)課及先修課程所學(xué)到的知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)而得到鞏固、加深和發(fā)展，提高分析實(shí)際問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。(2)培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力，通過(guò)全面考慮設(shè)計(jì)內(nèi)容及過(guò)程參與，使學(xué)生初步掌握過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)的一般方法和步驟，為今后的工作實(shí)踐打下基礎(chǔ)。(3)使學(xué)生能夠熟悉和運(yùn)用設(shè)計(jì)資料，如有關(guān)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、圖冊(cè)、規(guī)范等，完成作為工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)技能方面的基本訓(xùn)練和獨(dú)立工作能力培養(yǎng)。過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)包括工藝設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩部分。工藝設(shè)計(jì)是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)提供的工藝條件（包括工作壓力、溫度、產(chǎn)量、物料性能等），確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、接管方位以

3、及設(shè)備的主要尺寸等。機(jī)械設(shè)計(jì)是在工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)或校核計(jì)算，對(duì)設(shè)備的內(nèi)容、外附件進(jìn)行選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，最后繪制設(shè)備的裝配圖和零部件施工圖。本課程設(shè)計(jì)，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)每人完成一種典型設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)，完成設(shè)備總裝配圖一張（1號(hào)圖紙）、零部件圖一張（由教師根據(jù)情況安排指定）、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書一份。1.2 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的步驟(1)準(zhǔn)備階段在準(zhǔn)備階段應(yīng)認(rèn)真結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和內(nèi)容，熟悉了解有關(guān)典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)參觀或讀懂幾張典型設(shè)備圖；準(zhǔn)備好設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)和繪圖用具。(2)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)階段包括選材、零部件設(shè)計(jì)計(jì)算和選用、繪制圖樣及編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書等，具體可按下面

4、步驟進(jìn)行：1）通常先按壓力因素來(lái)選材 當(dāng)溫度高于200或低于40時(shí)，溫度就是選材的重要因素；當(dāng)物料具有腐蝕或?qū)ξ廴居刑囟ㄒ髸r(shí)，還需考慮腐蝕因素。2）載荷計(jì)算 強(qiáng)度，有時(shí)還要考慮剛度、穩(wěn)定性計(jì)算或校核，以確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸。 3）設(shè)計(jì)及繪制裝配圖 裝配圖是表達(dá)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)關(guān)系的圖樣，也是制造、裝配設(shè)備及拆繪零部件圖的依據(jù)。應(yīng)注意綜合考慮，以滿足使用壽命、經(jīng)濟(jì)合理等要求，并作適當(dāng)調(diào)整后，使零件配置合理，以期得到工作性能好、便于制造、成本低廉的設(shè)備。為此，必須先作裝配草圖設(shè)計(jì)，包括計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布圖、制圖等，計(jì)算與制圖常需交叉進(jìn)行。 4）提出技術(shù)要求 對(duì)設(shè)備制造、裝配、檢驗(yàn)和試車等工序提出合理的

5、要求，以文字形式標(biāo)注在裝配圖上。 5）編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 計(jì)算說(shuō)明書主要在于說(shuō)明計(jì)算的正確性，因此只須寫出計(jì)算公式，代入有關(guān)數(shù)據(jù)，直接寫出最后結(jié)果和結(jié)論(不必寫出全部運(yùn)算和修改過(guò)程)；并列出參考資料及文獻(xiàn)，重要數(shù)據(jù)均應(yīng)注明出處，對(duì)關(guān)鍵零部件的選用依據(jù)作必要的說(shuō)明(注明參考資料的統(tǒng)一編排代號(hào)及頁(yè)數(shù)、圖號(hào)、公式等)，有時(shí)還需附有與計(jì)算有關(guān)的必要簡(jiǎn)圖，(如受力分析、彎矩、扭矩及結(jié)構(gòu)圖)。 本課程設(shè)計(jì)要求編寫20頁(yè)左右的計(jì)算說(shuō)明書一份，其內(nèi)容一般可由如下組成：目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書、方案擬定說(shuō)明、設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算、零部件設(shè)計(jì)計(jì)算、零部件選用說(shuō)明，此外作為課程設(shè)計(jì)，還可附設(shè)計(jì)小結(jié)(簡(jiǎn)要說(shuō)明作課程設(shè)計(jì)的體會(huì)、設(shè)計(jì)中

6、的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn)等)。 (3)考核或答辯階段課程設(shè)計(jì)的圖樣及說(shuō)明書全部完成后須經(jīng)指導(dǎo)教師審閱，得到認(rèn)可后，方能參加考核或答辯。課程設(shè)計(jì)的成績(jī)要根據(jù)圖樣、說(shuō)明書和考核答辯所反映出的設(shè)計(jì)質(zhì)量和能力，以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的學(xué)習(xí)態(tài)度綜合評(píng)定。2 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)2.1 概述 換熱器是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門。由于使用條件不同，它們可以有各種各樣的型式和結(jié)構(gòu)，但設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足的基本要求是相同的，即傳熱效率高，流體阻力小，強(qiáng)度剛度足夠，結(jié)構(gòu)性能可靠，材料及制造費(fèi)用低，安裝和檢修方便等。 在諸多形式的換熱器中，工業(yè)中最常用的是管殼式換熱器。管殼式換熱器雖然在傳熱效率、緊湊

7、性及金屬消耗量等方面不及其他新型高效換熱器，但它具有處理量大，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，易于制造，結(jié)構(gòu)可靠，材料范圍廣，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，特別是它能在高溫高壓條件下應(yīng)用。 2.1.1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)管殼式熱換器（又稱列管式換熱器）可臥置也可立置，按管板和殼體及其配合部分的形式主要有以下幾種形式。 固定管板式換熱器，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，緊湊，排管最多，造價(jià)較低；每根管都能單獨(dú)清洗和更換；管程可以分成任何程數(shù)；兩管板由管子互相支撐，因而在各種管殼式換熱器中其管板最薄。其缺點(diǎn)是管外清洗困難，管殼間有溫差應(yīng)力存在；當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時(shí)，必須設(shè)置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢

8、，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不高的場(chǎng)合。 浮頭式換熱器，其一端管板是固定的，另一端管板可在殼體內(nèi)移動(dòng)，因而管與殼間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以抽出，便于清洗。但這類換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬消耗量較大，造價(jià)高；浮頭處如發(fā)生內(nèi)漏時(shí)不便檢查；管束與殼體間隙較大，影響傳熱。浮頭式換熱器適用于管與殼間溫差較大，以及介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。 釜式重沸器：其特點(diǎn)是作為廢熱鍋爐是最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)；管束能夠做成固定管板型，U型管型和浮頭型。釜式重沸器對(duì)于不潔凈的介質(zhì)和壓力高的情況均能適用。 U型管式換熱器，它只有一個(gè)管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管內(nèi)不便清洗，管板上布管少，

9、結(jié)構(gòu)不緊湊，管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果，內(nèi)層管子損壞后不易更換。U型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大的場(chǎng)合，尤其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)合。 填料函式換熱器，其管束一端可以自由膨脹，造價(jià)也比浮頭式低，檢修、清洗容易，填料函處泄漏能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。但殼程介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不易處理易揮發(fā)、易燃、易爆，有毒的介質(zhì)。 2.1.2 管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)是在工藝計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過(guò)化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長(zhǎng)、決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)，然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。 管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)犬體按以下

10、內(nèi)容和步驟進(jìn)行。 (1)根據(jù)使用、制造、安裝和維修的要求，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)型式和各部分零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用。 (2)根據(jù)制造和使用的要求，經(jīng)濟(jì)合理地選用零部件的材料。 (3)根據(jù)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，計(jì)算確定各零部件的尺寸。換熱器強(qiáng)度計(jì)算除按受壓容器對(duì)殼體、封頭、法蘭等進(jìn)行計(jì)算選擇外，尚有其特有的強(qiáng)度計(jì)算，包括管板強(qiáng)度計(jì)算，簡(jiǎn)體軸向應(yīng)力校核，溫差應(yīng)力計(jì)算和管子拉脫力校核等，當(dāng)采用膨脹節(jié)時(shí)，還需進(jìn)行膨脹節(jié)的強(qiáng)度計(jì)算。 (4)繪出總裝配圖與零部件圖。標(biāo)準(zhǔn)零部件有標(biāo)準(zhǔn)圖紙的要查出標(biāo)準(zhǔn)施工圖號(hào)，不必另繪。 (5)提出制造、裝配、檢驗(yàn)等方面的要求。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件的可標(biāo)注文件號(hào)。(6)提供設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書

11、。 2.2 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用2.2.1 管子選用及其與管板的連接 (1)換熱管 首先應(yīng)根據(jù)流體的腐蝕性、操作溫度和壓力選擇合適的材料。常用的材料有10號(hào)鋼無(wú)縫管、188不銹鋼、鋁、銅及非金屬管等。 換熱管的長(zhǎng)度推薦采用：1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.5, 6.0, 7.5, 9.0, 12.0m。換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱直徑之比，常用的范圍是310，立式換熱器，其比值多為46。換熱管的規(guī)格和尺寸偏差按GB816387輸送流體用無(wú)縫鋼管和GB227080不銹鋼無(wú)縫鋼管的規(guī)定，常用規(guī)格見(jiàn)表2-1。 表2-1 常用換熱器的規(guī)格和尺寸偏差材料鋼管標(biāo)準(zhǔn)外徑×

12、;厚度（mm）I級(jí)換熱器級(jí)換熱器外徑偏差(mm)壁厚偏差外徑偏差(mm)壁厚偏差碳鋼GB8163-8710×1.5±0.15+12%-10%±0.20+15%-10%14×219×225×225×2.5±0.20±0.4032×338×345×3±0.30±0.4557×3.5±0.8%±10%±1%+12%，-10%不銹鋼GB22708010×1.5±0.15+12%-10%±0.20

13、±15%14×219×225×2±0.20±0.4032×238×2.545×2.5±0.30±0.4557×2.5±0.8%±1% (2)管子的排列 常用的排列有三角形、正方形、組合排列法等。其中以等邊三角形排列法用得最普遍，在相同的管板面積上可以排列的管數(shù)最多，且劃線、鉆孔方便，但管外清洗較困難。而正方形排列的優(yōu)點(diǎn)是管外機(jī)械清洗方便。在多程換熱器各程內(nèi)采用三角形排列，而在各層間采用正方形排列，這就是所謂的組合排列。管間距過(guò)小，將給制造帶來(lái)麻煩。對(duì)應(yīng)于不

14、同管徑的最小管間距可由表2-2查得。表2-2 管板孔、折流板孔及最小管間距（mm）管子外徑do141925323857管板孔14.4+0.1519.4+0.225.4+0.232.5+0.338.5+0.357.7+0.4折流板孔14.6+0.419.6+0.425.8+0.432.8+0.4538.80.4558+0.5最小管間距192532404870對(duì)于多程管殼式換熱器，管程分程隔板兩側(cè)第一排管子中心距可根據(jù)表2-3查取。 表2-3 分程隔板槽兩側(cè)管子之間的距離（mm）管子外徑do141925323857管子間距c323844526080無(wú)論何種排列，最外圈管子的管外壁與殼體內(nèi)壁的間距不

15、得小于10mm。當(dāng)管子總數(shù)超過(guò)127根（相當(dāng)于層數(shù)大于6）時(shí)，等邊三角形排列的最外層管子和殼體之間的弓形部分應(yīng)配置附加換熱管，從而增大傳熱面積，消除管外空間這部分不利于傳熱的地方。表2-4 按正三角形排列六角形的層數(shù)對(duì)角線上的管數(shù)b不計(jì)弓形部分時(shí)管子的根數(shù)弓形部分管數(shù)換熱器內(nèi)管子的總根數(shù)在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第二排在弓形部分內(nèi)總管數(shù)137725191937373749616151191916131271277151693181878172174242419192715303011021331636367112339774243912254698485171327547926561

16、31429631105907211531721116102823163381712711493117359191381261045183710271491381165193911411512162130320411261161341981459214313871714722816152245151918158246176523471657191692641921(3)管子與管板的連接 換熱管與管板的連接方法有三種：脹接，焊接，脹焊結(jié)合。連接處必須保證充分的密封性能和足夠的緊固強(qiáng)度。各種連接方法的結(jié)構(gòu)和使用范圍見(jiàn)GB1511999。(4)管板與殼體的連接管殼式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)與其形式有

17、關(guān)，可分為可拆式和不可拆式兩大類，固定管板式的管板和殼體間采用不可拆的焊接連接，而浮頭式、U形管式和填函式換熱器的管板與殼體間需采用可拆連接。(5)法蘭管殼式換熱器的容器法蘭密封面型式有平面、凹凸面、榫槽面。管法蘭的密封面形式則根據(jù)工藝要求來(lái)確定。2.2.2 管殼式換熱器其它零部件的結(jié)構(gòu)以常用的固定管板式換熱器為例，除筒體、封頭、支座、管板、管束以外，還有管箱、殼程接管、折流板、旁路擋板、隔板等零部件，現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下：(1)管箱分程隔板與殼程接管管箱位于管殼式換熱器的兩端，它的作用是把從管道送來(lái)的流體均勻分布到各傳熱管或把管內(nèi)流體匯集一起送出去。其結(jié)構(gòu)主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程

18、等因素來(lái)決定。當(dāng)換熱器所需的換熱面較大，而管子又不能做得太長(zhǎng)，又希望保證管內(nèi)流體有一定的流速，以提高傳熱效果時(shí)，可以將管束分程，在管箱內(nèi)布置分程隔板就可以達(dá)到這個(gè)目的。分程隔板的布置方法常用的有平行布置法和T字形布置法，各程的管數(shù)應(yīng)基本相同。平行布置法可避免具有最大溫差的兩程管子緊鄰，改善管板的受力情況，同時(shí)便于排盡殘液，T字布置法則可在管板上排列較多的管子，提供較大的傳熱面。 表2-5 分程隔板最小厚度（mm）殼體直徑隔板最小厚度碳素鋼及低合金高合金鋼60086>6001200108>12001410 殼程接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響換熱器的傳熱效率與使用壽命。當(dāng)蒸汽或高速流體進(jìn)入殼程

19、時(shí)，入口處的管子將受到很大的沖擊。為了保護(hù)管束，常在入口處設(shè)立擋板，通常采用方形擋板和圓形擋板或采用導(dǎo)流筒。導(dǎo)流筒除起防沖刷作用外，還可使流體從靠近管板處進(jìn)入接觸管束以充分利用傳熱面積。 (2)折流板、支承板、旁路擋板的作用與結(jié)構(gòu) 折流板的作用是增大殼程流體的流速以提高傳熱效率，還起到支承管束的作用。折流板主要有弓形和環(huán)盤形兩種形式，常用的是弓形折流板。 臥式換熱器中，弓形折流板可以將缺口按上下排列，也可以將缺口按左右排列。若缺口按上下排列，能使殼體流體劇烈攪動(dòng)，改善傳熱，殼程為氣相或液相均能采用；若缺口按左右排列，多半用于冷凝器、再沸器及氣、液相混合的場(chǎng)合。為了使殼程流體在停工檢修時(shí)便于排盡

20、，臥式換熱器折流板的最下端應(yīng)考慮三角形缺口。立式換熱器就不需要開(kāi)缺口了。 折流板的間距應(yīng)從減少殼程阻力和提高傳熱效率的角度來(lái)確定，除靠近管板的第一塊折流板應(yīng)盡量靠近殼程接管外，其余一般是按管子的有效長(zhǎng)度作等距離布置，盡量使弓形缺口的有效流通斷面與相鄰兩折流板間流通斷面相近，折流板間距最小不應(yīng)小于0.2Di(Di為殼體內(nèi)徑)，且不小于50mm，最大不超過(guò)內(nèi)徑Di。我國(guó)管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的板間距有100、150、200、300、450、600、800、1000mm等幾種。 折流板外徑與殼體之間的間隙越小，殼程流體介質(zhì)由此泄漏的情況就越少，即減少流體短路，使傳熱效率提高。但間隙又不能太小，太

21、小給制造帶來(lái)一定的困難，故間隙要適當(dāng)。折流板一般由定距管（不銹鋼管點(diǎn)焊）固定在換熱器拉桿上，其拉桿又固定在管板上。對(duì)于不同直徑的殼體，拉桿的直徑及數(shù)量選擇根據(jù)表2-6，在保證拉桿總截面積的前提下，拉桿的直徑和數(shù)量可以變動(dòng)，但不能少于4根。拉桿一般應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，但對(duì)大直徑的折流板，在靠近缺邊處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。表2-6 不同直徑的殼體，其拉桿直徑大小及數(shù)量殼體直徑，（mm）拉桿直徑，（mm）拉桿數(shù)量159325400600104670080090012001300150016001700180012810121418 在工藝上不要求設(shè)折流板(如冷凝)的情況下，若管束較長(zhǎng)也需

22、要設(shè)置一定數(shù)量的支承板。支承板的結(jié)構(gòu)與折流板大體相同，只是支承板只起支承作用，可放寬制造要求，使安裝方便。 對(duì)于浮頭式換熱器，殼體與管束之間存在著較大的環(huán)隙，為了避免流體短路，迫使大部分殼程流體通過(guò)管束進(jìn)行熱交換，可在管束上增設(shè)旁路擋板以阻止流體短路。擋板可用6mm厚的鋼板或扁鋼制成，材質(zhì)與折流板相同。擋板加工成規(guī)則的長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。旁路擋板成對(duì)對(duì)稱布置，推薦用兩對(duì)（不得多于四對(duì)）。 2.2.3 換熱器零部件材料的選用 由于換熱器各零部件所處的工作條件及加工方法不同，選用材料要有所不同。 殼體和封頭的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可

23、焊性。小直徑的換熱器殼體，可選用無(wú)縫鋼管，dO=159，273，325（dO無(wú)縫鋼管外徑)，這樣可避免因直徑小而造成卷板困難。 管板常用熱軋厚鋼板，材料有Q235-A、16MnR、15MnVR等。當(dāng)管板必須采用鍛件時(shí)(厚度超過(guò)鋼板最大厚度時(shí))可選擇20、25以及16Mn、15MnV等鋼材，這些鍛件的使用范圍與容器鋼板基本一樣。從焊接角度看，管板材料必須可焊性好，當(dāng)管子采用脹接時(shí)，要求管板的硬度比管子高一些；另一方面又要保證管板和殼體的焊縫質(zhì)量。如選用20號(hào)鋼管，則可選用25號(hào)鋼板作管板，但對(duì)低合金鋼或不銹鋼，不一定非如此不可。 法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材料一致，有時(shí)法蘭對(duì)強(qiáng)度的要求比較高

24、，可以選用與殼體不一樣的鋼材。通常所用的鋼材有Q235-A、16Mn、15MnV、2O、0Crl8Ni9Ti等。 換熱管除要求具有足夠的強(qiáng)度外，如果采用脹管法固定，還要求管子有良好的塑性，避免因脹接而產(chǎn)生裂縫；焊接固定時(shí)，要求管子可焊性好。一般對(duì)于無(wú)腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用10號(hào)鋼或20號(hào)鋼無(wú)縫鋼管；對(duì)于有腐蝕性的流體可采用不銹鋼、銅、鋁等無(wú)縫鋼管；對(duì)強(qiáng)腐蝕性流體，可用石墨管、聚四氟乙烯管等。 對(duì)多程換熱器，其隔板材料和封頭材料相同換熱器各零部件的材料可參考表2-7選取。表2-7 換熱器構(gòu)件材料選用表構(gòu)件名稱碳鋼、低合金鋼不銹鋼殼體、封頭、管箱殼體Q235-A、20g、16MnR0G18

25、N19Ti、0Cr17Ni13Mo2Ti、0Cr17Ni1Mo3Ti設(shè)備法蘭Q235-A、16MnR、15MnVR、16Mn（鍛件）0Cr18Ni9Ti、 0Cr17Ni13Mo2Ti、0Cr17Ni13Mo3Ti16Mn+1Cr18Ni9Ti(襯層)16Mn+0Cr17Ni13Mo2Ti（襯層）16Mn+0Cr17Ni13Mo3Ti（襯層）折流板、防沖板、分程隔板Q235-A、Q235-AF0Cr18Ni9Ti, 0Cr17Ni13Mo2Ti,0Cr17Ni13Mo3Ti管板Q235-A、25、16MnR、15MnVR、 16Mn(鍛件)20MnMo(鍛件)0Cr18Ni9Ti, 0Cr17

26、Ni13Mo2Ti,0CrMn+1Cr18Ni9Ti(堆焊)16Mn+0Cr17Ni13Mo2Ti(堆焊)16Mn+0Cr17Ni13MoTi(堆焊)管箱蓋Q235-A、20、16MnR、16Mn(鍛件)、20MnMo(鍛件)基體+襯層膨脹節(jié)Q235-A、16MnR、200Cr18Ni9Ti、 0Cr17Ni13Mo2Ti,0Cr17Ni13Mo3Ti換熱管、定距管10、200Cr18Ni9Ti、 Cr18Ni13Mo2Ti、Cr18Ni13Mo3Ti拉桿、螺母、頂絲Q235-A、Q235-AF0Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti螺柱（栓）Q235-A、35、40MnB、40MnV

27、B螺母（設(shè)備法蘭用）Q235-A、25、40Mn熱 片橡膠石棉板、耐油橡膠石棉板、08號(hào)黑鐵皮包石棉板、1Cr18Ni9包石棉板支 座按相應(yīng)支座標(biāo)準(zhǔn)選用吊 耳Q235-A、Q235-AF注：（1）管板、管箱蓋材料應(yīng)采用板材。但當(dāng)其厚度大于或等于60mm時(shí)，可采用鍛件。管板用板材應(yīng)保證無(wú)分層。 （2）表中的“16Mn+0Cr18Ni9Ti（襯層）”一類的材料，“+”號(hào)前面的16Mn是基本材料，“+”號(hào)后面的是襯層或堆焊層材料。2.3 管殼式換熱器的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算換熱器的受力情況與容器有所不同，如固定管板式換熱器，殼體和管壁除受殼程和管程的流體壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力外，還受到管、殼壁溫造

28、成的軸向溫差應(yīng)力。因此，盡管換熱器的殼體、管子、封頭、法蘭、開(kāi)孔等按一般受壓容器計(jì)算的強(qiáng)度得到滿足，但在操作時(shí)仍然可能遇到一些特有的破壞情況，如管板產(chǎn)生過(guò)大的翹曲變形，使結(jié)構(gòu)及管、殼程之間的密封失效；殼壁和管壁中產(chǎn)生過(guò)大的軸向應(yīng)力，使殼體或管子遭到破壞；管子受到過(guò)大的軸向力，在管板的脹接處被拉脫等。由此，換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)包括兩部分內(nèi)容，第一部分是作為受壓容器，計(jì)算筒體、封頭、開(kāi)孔、支座等，這與一般容器設(shè)計(jì)相同；第二部分是換熱器特有的強(qiáng)度計(jì)算，包括管板厚度計(jì)算，筒體、換熱管軸向應(yīng)力校核，溫差應(yīng)力計(jì)算和管子拉脫力校核等，如果采用膨脹節(jié)，還需進(jìn)行膨脹節(jié)的計(jì)算。2.3.1 換熱器的殼體和管箱 換熱器的

29、外殼就是教材中作為重點(diǎn)討論過(guò)的容器，這里需要補(bǔ)充提及的是： 殼體的壁厚仍可按教材所介紹的內(nèi)壓或外壓圓筒的計(jì)算方法確定，但是要驗(yàn)算筒體的軸向總應(yīng)力，殼體和管箱最小壁厚應(yīng)滿足表2-8或表2-9的厚度。 表2-8碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度（mm）公稱直徑400700>7001000>10001500>1500200浮頭式、U型管式8101214固定管板式681012 注：表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量（c2按1mm考慮）。表2-9 高合金鋼圓筒的最小厚度（mm）公稱直徑400700>7001000>10001500>1500200最小厚度4.568102.3.2 管板

30、的強(qiáng)度計(jì)算 管板可以看作是圓平板，其受力情況很復(fù)雜，影響管板強(qiáng)度的因素很多，其中有以下幾個(gè)主要因素： (1)管束對(duì)管板的彈性支承作用。 (2)管孔對(duì)管板的削弱作用。 (3)管板周邊的支承形式對(duì)強(qiáng)度有直接的影響。當(dāng)周邊為固支時(shí)，管板上的應(yīng)力和撓度較??；周邊為簡(jiǎn)支時(shí)，管板上的應(yīng)力和撓度較大；周邊半固支時(shí)，介于兩者之間。 (4)由溫度差而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，不僅使管子和殼體的應(yīng)力增加許多；同時(shí)也使管板應(yīng)力增加許多，其數(shù)值可能遠(yuǎn)大于由壓力引起的應(yīng)力。 (5)當(dāng)管板兼作法蘭時(shí)，管板對(duì)法蘭有加強(qiáng)作用，法蘭力矩反過(guò)來(lái)對(duì)管板應(yīng)力也有影響，從而影響管板尺寸的確定。 這樣，要精確計(jì)算管板厚度是很困難的。現(xiàn)在使用的各種

31、管板強(qiáng)度計(jì)算公式，大多是為了簡(jiǎn)化計(jì)算而在某種假定條件下推導(dǎo)出來(lái)的近似公式。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)依據(jù)，管板厚度的設(shè)計(jì)方法主要有以下幾類： (1)將管板當(dāng)作受均布載荷的實(shí)心圓板，以按彈性理論得到的圓平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù)；加入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來(lái)考慮管板開(kāi)孔削弱和管束的實(shí)際支承作用。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)管板作了很大簡(jiǎn)化，因而是一種半經(jīng)驗(yàn)公式。但由于公式計(jì)算簡(jiǎn)便，同時(shí)又有長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果比較安全，因而不少國(guó)家的管板厚度設(shè)計(jì)公式仍以此作為基礎(chǔ) 。 (2)將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這一彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支撐情況來(lái)確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它比較全面地考慮了管束的支承和

32、溫差的影響，因而計(jì)算比較精確。但計(jì)算公式較多，計(jì)算過(guò)程也較繁雜。在大力發(fā)展電腦計(jì)算技術(shù)的今天，是一種有效的設(shè)計(jì)方法。我國(guó)GB151-1999管殼式換熱器中采用上述第2種方法，計(jì)算時(shí)可參考。表2-10 許用拉脫力（MPa）換熱管與管板脹接結(jié)構(gòu)型式q管端不卷邊，管板孔不開(kāi)槽脹接2管端卷邊或管板孔開(kāi)槽脹接4有色金屬管、管孔開(kāi)槽3焊接（鋼管）0.52.4 管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)及基本參數(shù)對(duì)于管式換熱器，我國(guó)已制定了若干標(biāo)準(zhǔn)，如GB1511999管殼式換熱器，JB1145114680列管式固定板換熱器，浮頭式換熱器，立式虹吸式重沸器標(biāo)準(zhǔn)與基本參數(shù)，HG2150392鋼制固定式薄管板列管換熱器等。管殼式固定管板

33、換熱器的基本參數(shù)為公稱壓力、公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、公稱換熱面積、換熱管規(guī)格等。其中換熱面積計(jì)算值：F=do(L0.1)n式中 F計(jì)算換熱面積，m2； do換熱管外徑，m； L換熱管長(zhǎng)度，m； n換熱管數(shù)。公稱直徑 管殼式固定管板式換熱器殼體卷制的直徑：DN以100mm為進(jìn)級(jí)檔，必要時(shí)以50mm為進(jìn)級(jí)檔，為400，500，600，800，1000mm等。DN<400mm的殼體，采用無(wú)縫鋼管制造。公稱壓力 當(dāng)操作溫度不大于200oC時(shí)，公稱壓力分為0.6、1.0、1.6、2.5MPa，當(dāng)溫度升高時(shí)材料強(qiáng)度要降低，使用時(shí)按升高溫度降壓使用，可查標(biāo)準(zhǔn)按規(guī)定確定。換熱管外徑 若材料選用碳鋼

34、（10號(hào)鋼）為25×2.5，材料選用不銹鋼（0Cr18Ni9Ti）用25×2。管子的間距和排列 管子間距一般為管子外徑的1.25倍。管子外表面與殼體內(nèi)表面的距離應(yīng)不小于管子外徑的0.25倍。一般25的管子間距為32mm，38管間距為48mm。固定管板式換熱器按等邊三角形排列，對(duì)于浮頭式換熱器按正方形轉(zhuǎn)45º排列。2.5 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)舉例 欲設(shè)計(jì)一臺(tái)固定管板式換熱器，已知條件如下：工藝條件名 稱管 程殼 程物料名稱軟水變換氣工作壓力0.75MPa0.70MPa工作溫度8050換熱面積135m2推薦材質(zhì)2016MnR管 口符 號(hào)管 程殼 程ADN250變換氣

35、進(jìn)口BDN200軟水出口CDN250變換氣出口DDN200軟水進(jìn)口EDN50排凈口現(xiàn)作機(jī)械計(jì)算及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：2.5.1 管子數(shù)n的確定選25×2.5的20鋼無(wú)縫鋼管，管長(zhǎng)3m。由換熱面積 F=do(L0.1)n,可得 查表24，取n=613根，其中因安排拉桿需減少6根，實(shí)際管數(shù)607根。2.5.2 管子排列方式、管間距的確定采用正三角形排列，由表24查得層數(shù)為13層。查表23，取管間距t=32mm。2.5.3 換熱器筒體直徑的確定筒體內(nèi)徑可由下式計(jì)算： 式中 t換熱器管間距，由上知t=32mm； b正六角形對(duì)角線上的管子數(shù)，查表24，取b=27； l最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取l=2do； 取筒體內(nèi)徑Di=1000mm2.5.4 換熱器筒體及封頭壁厚計(jì)算取設(shè)計(jì)壓力P=0.95MPa，焊接系數(shù)=0.85，材料選用16MnR，=170MPa，取鋼板厚度負(fù)偏差c1=0.8mm，腐蝕裕量c2=2mm，c=c1+c2=2.8mm，設(shè)計(jì)壁厚d為：取名義壁厚d=8mm。由標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算公式 可知標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度與筒體厚度基本相同，現(xiàn)取二者等厚（最好是按公式計(jì)算一遍