換熱器實體建模畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　換熱器是進行熱交換操作的常用的工藝設備，它被廣泛應用于各個換熱的工業(yè)部門。特別是在石油和化學工業(yè)生產(chǎn)中占有很大的作用，換熱器常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。</p><p>　　隨著信息時代及全球經(jīng)濟一體化進程的到來，虛擬制造先進的制造模式和技術正在

2、成為制造工程界研究和應用的重點領域，本文就針對虛擬制造技術的一個重要環(huán)節(jié)———虛擬裝配技術進行了研究。</p><p>　　本文的主要研究內容：</p><p>　　此次設計主要利用Solidworks軟件對換熱器進行實體建模。</p><p>　?。?）對BIU1200甲烷換熱器的國內外發(fā)展現(xiàn)狀進行了概述；</p><p>　　（2）對BI

3、U1200甲烷換熱器的研究意義及內容做了簡單介紹；</p><p>　?。?）對BIU1200甲烷換熱器的進行結構設計與強度計算。</p><p>　?。?）本次設計的重點，BIU1200甲烷換熱器3D零件庫的建立及虛擬裝配。</p><p>　　通過這次BIU1200甲烷換熱器實體的建模使我進一步了解了換熱器的結構組成，在裝配的過程中，更加直觀抽象的掌握了換熱器各

4、元件之間的裝配關系以及相互之間的聯(lián)系。</p><p>　　運用Solidworks將二維圖形生成實體，通過零件之間的關系組裝成裝配體，然后利用Solidworks工程圖的功能，將裝配后的實體圖轉化成二維平面圖。保存為.dxf格式，在AutoCAD里編輯成圖。</p><p>　　關鍵詞：換熱器；結構設計；實體建模；虛擬裝配</p><p><b>　　A

5、bstract</b></p><p>　　The heat exchanger is the general process equipment for exchanging heat, and is used in many kinds of the industrial department. Especially, in petroleum and chemical industry prod

6、uction, we usually need The heat exchanger to heat the hypothermia fluid or cool the hypothermia fluid, and carburet the fluid to fume or condense the fume to fluid. </p><p>　　With the coming of Information

7、Times and economy intergrative,advanced pattern of manufacture and technology for Virtual Assembly is becoming important area in manufacture engineering.</p><p>　　This design uses software of Solidworks to b

8、uild model for boiler</p><p>　?。?）Summarize of domestic and overseas developing situation for BIU1200 marsh gas heat exchanger;</p><p>　?。?）Simply introduce research significant and content for

9、BIU1200 marsh gas heat exchanger;</p><p>　?。?）Simply do structural design and strength calculation for BIU1200 marsh gas heat exchanger;</p><p>　?。?）The main point of this design, 3D Design and

10、Virtual Assembly for BIU1200 marsh gas heat exchanger;</p><p>　　Through this substantive process make me know more about structure component of boiler ,in the process of assembly，I learn relationship and con

11、nection between every component of boiler more intuitional and abstract.</p><p>　　Use Solidworks change two-dimension to substantive, assemble component, then , make use of function about schedule drawing in

12、 Solidworks change substantive to two-dimension and save to .dxf pattern,and edit in AutoCAD.</p><p>　　Key Words: the heat exchanger; structural design; solid model building; virtual assembly</p><

13、;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 引 言1</p><p>　　1.1換熱器國內外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2

14、BIU1200甲烷換熱器的三維設計及虛擬裝配研究主要研究內容3</p><p>　　1.3 BIU1200甲烷換熱器的三維設計及虛擬裝配研究意義4</p><p>　　第2章 BIU1200甲烷換熱器總體設計5</p><p>　　2.1 計算介質定性溫度及確定其物性數(shù)據(jù)5</p><p>　　2.2平均有效溫差計算6</p&

15、gt;<p>　　2.2.1 平均有效溫差6</p><p>　　2.2.2 按流程分配形式修正平均有效溫差6</p><p>　　2.3 熱量衡算7</p><p>　　2.4 物料衡算7</p><p>　　2.5 傳熱計算8</p><p>　　2.5.1 初選總傳熱系數(shù)，估算換熱面積8

16、</p><p>　　2.5.2 確定換熱管的規(guī)格和排布形式8</p><p>　　2.5.3 估算換熱管根數(shù)8</p><p>　　2.5.4 按介質的特性決定流體走向及管程數(shù)9</p><p>　　2.5.5 換熱器排管并確定參數(shù)9</p><p>　　2.5.6 計算換熱器管程流速、管內傳熱系數(shù)10&l

17、t;/p><p>　　2.5.7 計算殼程流速、管外傳熱系數(shù)12</p><p>　　2.5.8 計算總傳熱膜系數(shù)15</p><p>　　2.5.9 壁溫計算15</p><p>　　2.5.10 校核實際粘度比16</p><p>　　2.5.11 校核傳熱面積16</p><p>　

18、　2.6 壓力降計算17</p><p>　　2.6.1 管程壓力降17</p><p>　　2.6.2 殼程壓力降18</p><p>　　第3章 BIU1200甲烷換熱器的強度計算24</p><p>　　3.1 換熱器強度計算條件的確定24</p><p>　　3.1.1 設計壓力的確定24<

19、/p><p>　　3.1.2 換熱器的計算壓力24</p><p>　　3.1.3 設計溫度的確定24</p><p>　　3.1.4 主體材料的選擇24</p><p>　　3.2 容器筒體的強度計算24</p><p>　　3.2.1 筒體計算參數(shù)及材料力學性能24</p><p>　

20、　3.2.2 筒體的焊接接頭系數(shù)25</p><p>　　3.2.3 容器筒體的厚度計算25</p><p>　　3.2.4 壓力試驗時應力校核26</p><p>　　3.2.5 壓力及應力計算27</p><p>　　3.3 換熱器封頭強度計算28</p><p>　　3.3.1 管箱封頭計算參數(shù)及材料力

21、學性能28</p><p>　　3.3.2 殼體封頭計算參數(shù)及材料力學性能30</p><p>　　3.4 容器開孔補強計算32</p><p>　　3.4.1 接管計算參數(shù)及材料力學性能32</p><p>　　3.4.2 容器開孔數(shù)據(jù)32</p><p>　　3.4.3 管箱接管口的補強計算33<

22、/p><p>　　3.4.4 筒體接管口的補強計算37</p><p>　　3.5 容器法蘭計算39</p><p>　　3.5.1 管箱法蘭的計算參數(shù)39</p><p>　　3.5.2 管箱法蘭墊片設計39</p><p>　　3.5.3 管箱法蘭螺栓設計41</p><p>　　3.

23、5.4 管箱法蘭設計43</p><p>　　3.6 BIU1200甲烷換熱器管板強度計算47</p><p>　　3.6.1 設計參數(shù)的選擇47</p><p>　　3.6.2 管板與換熱管的結構尺寸48</p><p>　　3.6.3 材料及設計數(shù)據(jù)49</p><p>　　3.6.4管板名義厚度51

24、</p><p>　　3.6.5換熱管軸向應力51</p><p>　　3.6.6換熱管與管板連接拉脫力52</p><p>　　3.7 BIU1200甲烷換熱器支座選擇53</p><p>　　第4章 3D零件庫建立及虛擬裝配研究54</p><p>　　4.1 軟件介紹54</p>&l

25、t;p>　　4.2 零件庫的建立56</p><p>　　4.2.1 零件的生成56</p><p>　　4.2.2 生成零件56</p><p>　　4.3 虛擬裝配58</p><p>　　4.3.1 裝配體文件的建立58</p><p>　　4.3.2 插入零件58</p><

26、;p>　　4.3.4 本章小結62</p><p><b>　　參考文獻64</b></p><p><b>　　致 謝65</b></p><p><b>　　第1章 引 言</b></p><p>　　換熱器是廣泛應用于化工、石油化工、動力、醫(yī)藥、冶金、制冷

27、、輕工等行業(yè)的一種通用設備。換熱器的種類繁多，若按其傳熱面的 形狀和結構進行分類可分為管型，板型和其他型式換熱器。而管型換熱器又可分為蛇管型換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器。板型換熱器可分為螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翹換熱器、板殼式換熱器。其他型式的換熱器是為了滿足一種特殊要求而出現(xiàn)的換熱器，如回轉式換熱器，熱管式換熱器等。在 眾多類型的換熱器結構中，管殼式換熱器是用得最廣泛得一種換熱設備類型。</p><p&

28、gt;　　BIU1200甲烷換熱器是典型的管殼式換熱器的一種U形管換熱器設備。U 形管換熱器的結構是只有一塊管板，管束由多跟 U 形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，換熱管可以自由伸縮。它的優(yōu)點：以 U 形管尾部的自由浮動解決了溫差應力的問題。結構簡單，價格便宜，承壓能力強。缺點：由于受管彎曲半徑的限制，布管較少。殼程流體易形成短路。壞一根U形管相當于壞兩根管，報廢率較高。 適用范圍：是換熱器中唯一可用于高溫，高壓，高溫差的換熱器。適

29、用于管殼壁溫差較大或殼程介質結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板的場合。</p><p>　　1.1換熱器國內外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　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 。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，2001～20

30、09年，我國平均每年從國外進口換熱器32.49萬臺，總金額達到34.02億美元。其中，僅2004年一年就進口了34.11萬臺，共計4.9億美元。雖然，我國的換熱器出口數(shù)量也不少，但其規(guī)模遠遠小于進口規(guī)模。2001年，我國換熱器的進口數(shù)量、金額和均價分別比出口數(shù)量、金額和均價多44640臺、8021.6萬美元、245.72美元/臺；但到了2005年，進出口間的差距已擴大到75667臺、34517萬美元和1347.57美元/臺。這說明，我國

31、換熱器市場增長的速度遠遠超過了供給增長的速度。通過對U形管換熱器產(chǎn)品近幾年市場價格的跟蹤與檢測，U形管換熱器在我國的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，U形管換熱器發(fā)展項目的宏觀的發(fā)展環(huán)境，U形管換熱器市場競爭狀況激烈，U形管式換熱器在國內外的企業(yè)優(yōu)勢，U形管式換熱器項目產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景與其趨勢，以及中國本土對U形管換熱器的項目產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題，都是我們要在未來所要解決的問題［1］。</p><p>　　本設計所需的一些軟件，如SOLI

32、DWORKS軟件，它自1996年問世之后，就進入了中國的CAD/CAM市場，數(shù)年來SOLIDWORKS軟件在草圖圖元類型，編輯和復制草圖功能，以及編輯與復制特征功能上，都有長足的進步，更增添了許多有關曲線以及曲面的構圖功能，可以讓設計師更方便地建立腦海中想要的造型。Solidworks一貫倡導三維機械設計軟件的“功能強大”、“易用性”和“高效性”。使用Solidworks進行產(chǎn)品設計，設計人員不僅能體會到Solidworks強大的建模能

33、力、裝配能力以及靈活的工程圖操作，而且可以感受到Solidworks設計時所帶來的輕松和效率[2]。</p><p>　　在國內，最流行的CAD軟件莫過于AutoCAD。但在整個CAD工程應用領域，AutoCAD等二維CAD軟件只能被稱為低端應用，而面向汽車和飛機等復雜產(chǎn)品設計應用的CATIA、UG和Pro\ENGINEER等稱為高端CAD軟件。近年來發(fā)展迅猛的Solidworks、Solidworks等被稱為C

34、AD中端軟件。為了適應新的形勢，國家勞動和社會保障部啟動了全國現(xiàn)代制造技術應用軟件遠程培訓工程，以解決數(shù)控技工緊缺等突出問題，為現(xiàn)代制造技術的應用和推廣打下良好的人才基礎。同時我國也加緊了在國產(chǎn)CAD/CAM/CAE軟件的研發(fā)工作，國產(chǎn)CAXA系列CAD/CAM軟件就是其中之一，CAXA系列CAD/CAM軟件具有技術領先、全中文界面、易學、實用等特點，是一套Windows原創(chuàng)風格、功能強大的三維造型、曲面實體完美結合的CAD/CAM一體

35、化軟件。CAXA制造工程師為數(shù)控加工行業(yè)提供了造型設計、生成加工代碼、檢驗一體化的的全面解決方案，目前已廣泛應用于航空、航天、船舶、汽車、機械加工、電子、電力、家電、輕工、設備制造等行業(yè)。</p><p>　　在這些CAD/CAM/CAE軟件中中端軟件Solidworks在設計效率、操作的便易程度等方面，都是當之無愧的佼佼者。中端CAD軟件在功能方面稍遜于高端CAD軟件，但已經(jīng)完全可以滿足產(chǎn)品設計的所有要求，命令

36、執(zhí)行過程更為簡單直觀，擁有較高的建模效率因而特別適合中小企業(yè)。它對于現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程的支持體現(xiàn)在下下面幾個方面：1、采用三維方式表達產(chǎn)品模型。2、參數(shù)化。3、一致性。4、對于高級設計技術的支持：自頂向下設計。5、豐富的工程應用支持。6、豐富的檢測手段，保持設計數(shù)據(jù)的一致性，降低設計失誤。7、產(chǎn)品展示。8網(wǎng)絡互動與協(xié)作[3]~[4]。</p><p>　　Solidworks公司剛發(fā)布的最新版本SolidWorks

37、2008,除了有超過200項新增功能外，還推出了創(chuàng)新的Solidworks智能特性技術――SWIFT。該技術首次將3D CAD最具挑戰(zhàn)性設計操作中的專家級技術交付到每位用戶手中。SWIFT技術平臺，包括特征專家、草圖專家、配合專家、尺寸專家。它將影響CAD技術的發(fā)展并引領三維設計進入新的潮流[5]。</p><p>　　1.2 BIU1200甲烷換熱器的三維設計及虛擬裝配研究主要研究內容</p>&

38、lt;p>　　課題的主要工作內容如下:</p><p>　　1. 全面搜集大量相關技術文獻，進行文獻綜述。</p><p>　　2. 利用Solidworks所提供的各項造型命令和功能，進行BIU1200甲烷換熱器進出料（U形管式）換熱器設計。</p><p>　　3. 基于Solidworks環(huán)境，利用參數(shù)化設計、工程制圖等關鍵技術研究BIU1200甲烷換熱

39、器進出料（U形管式）換熱器的三維建模。</p><p>　　4. 采用級聯(lián)層次單元模型建立產(chǎn)品模型的方法，對BIU1200甲烷換熱器進出料（U形管式）換熱器進行虛擬建模、虛擬裝配，然后對BIU1200甲烷換熱器進出料（U形管式）換熱器虛擬模型進行干涉分析，為檢查BIU1200甲烷換熱器進出料（U形管式）換熱器結構設計中的動靜態(tài)干涉問題，為裝配過程提供正確、有效的裝配序列和驗證路徑規(guī)劃的合理性提供可靠的依據(jù)[6]。

40、</p><p>　　5. 結合Solidworks強大的二維工程圖編輯功能， 提出三維(3D)向二維(2D)自動轉換建立工程圖的方法，生成BIU1200甲烷換熱器進出料（U形管式）換熱器零部件模型的二維工程圖。</p><p>　　1.3 BIU1200甲烷換熱器的三維設計及虛擬裝配研究意義</p><p>　　BIU1200甲烷換熱器是一種通用的標準換熱設備。它

41、有結構簡單、堅固耐用、造價低廉、用材廣泛、清洗方便、適應性強等優(yōu)點，在化、石油、冶金、制藥等行業(yè)中得到廣泛應用。</p><p>　　在換熱器制造中，專業(yè)化生產(chǎn)的趨勢仍將繼續(xù)。加工中向“多軸化”和“數(shù)字控制化”發(fā)展。采用新技術、新工藝、新材料，提高自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率，降低制造成本仍將是基本發(fā)展目標。</p><p>　　隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界

42、性的問題。為了緩和能源的緊張狀況，世界各國要競相采取各種節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術，已成為當前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中的一個重要課題，換熱器在節(jié)能技術改革中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著的提高設備的熱效率。</p><p>　　第2章 BIU1200甲烷換熱器總體設計</p>

43、<p>　　計算介質定性溫度及確定其物性數(shù)據(jù)</p><p>　　表2-1 介質的溫度及流量</p><p>　　流體的平均溫度Tm和tm: </p><p>　　Tm =（215+90）/2 =152.5℃</p><p>　　tm = （150+27）/2=88.5℃</p><p>　　按介質的定

44、性溫度，查有關設計手冊確定介質的物性數(shù)據(jù)[4][5]。介質的定性溫度及物性數(shù)據(jù)見表2-2：</p><p>　　表2-2 介質的定性溫度及物性數(shù)據(jù)</p><p>　　2.2平均有效溫差計算</p><p><b>　　平均有效溫差</b></p><p>　　平均有效溫差按式（2-1）計算</p>&l

45、t;p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中: ——殼程出口溫度，=150℃</p><p>　　——殼程進口溫度，=215℃</p><p>　　——管程出口溫度，=90℃</p><p>　　——管程進口溫度，=27℃</p><p><b>　　℃<

46、;/b></p><p>　　按流程分配形式修正平均有效溫差</p><p><b>　　計算參數(shù)和為：</b></p><p>　　按和查有關圖表[4]得到溫差修正系數(shù)：</p><p>　　修正后平均有效溫差，按式（2-2）計算</p><p><b>　?。?-2）</

47、b></p><p>　　式中：——平均有效溫差，℃</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　熱量衡算</b></p><p>　　熱流量按式（2-3）計算</p><p><b>　　（2-3）</b></p&g

48、t;<p>　　式中：——75%H2?，N2混合氣流量，</p><p>　　——75%H2?，N2混合氣的比熱，</p><p><b>　　物料衡算</b></p><p>　　75%H2、N2精制氣流量按式（2-4）計算</p><p><b>　　（2-4）</b></p

49、><p>　　式中： ——熱流量，</p><p>　　——75%H2、N2精制氣的比熱，</p><p><b>　　傳熱計算</b></p><p>　　初選總傳熱系數(shù)，估算換熱面積</p><p>　　由文獻[6]初選總傳熱系數(shù)值，，單位：</p><p>　　計算換熱面

50、積，按式（2-5）計算</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：——修正后的平均有效溫差，℃</p><p>　　確定換熱管的規(guī)格和排布形式</p><p><b>　　換熱管外徑：</b></p><p><b>　　換熱管內徑：

51、</b></p><p><b>　　換熱管壁厚：</b></p><p><b>　　換熱管長度：</b></p><p><b>　　換熱管間距： </b></p><p>　　所以可以看出換熱管排布形式為：正方形排布，旋轉</p><p&g

52、t;<b>　　估算換熱管根數(shù)</b></p><p>　　換熱管根數(shù)按式（2-6）計算：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中：——估算的換熱面積， </p><p><b>　　——換熱管外徑，</b></p><p&

53、gt;<b>　　——換熱管長度，</b></p><p>　　按介質的特性決定流體走向及管程數(shù)</p><p>　　為便于清潔，75%H2、N2精制氣決定走管程，75%H2、N2混合氣走殼程；管程數(shù)。</p><p>　　換熱器排管并確定參數(shù)</p><p>　　根據(jù)估算的換熱管根數(shù)，按轉正方形排列，換熱管的排列見圖2

54、-1。相關的結構數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　圖2-1 換熱管排列</p><p><b>　　殼體內徑：</b></p><p>　　中心排管邊緣最大直徑：</p><p><b>　　換熱管的根數(shù)：</b></p><p>　　接近中心線管排上的管子數(shù)：16</

55、p><p>　　折流板切口率（或缺口尺寸）：</p><p><b>　　圓缺區(qū)內的管子數(shù)：</b></p><p><b>　　折流板上的管口數(shù)：</b></p><p><b>　　拉桿數(shù)量：12</b></p><p>　　折流板上的拉桿孔數(shù)：6 &l

56、t;/p><p><b>　　旁路擋板數(shù)</b></p><p><b>　　折流板間距</b></p><p><b>　　折流板數(shù)量</b></p><p>　　計算換熱器管程流速、管內傳熱系數(shù)</p><p>　　管內的實際75%H2、N2精制氣速度：

57、</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中：——換熱管內徑，</p><p>　　——管內75%H2、N2精制氣流量，</p><p><b>　　——換熱管數(shù)量，</b></p><p><b>　　——管程數(shù)，</b>

58、</p><p>　　——管內75%H2、N2精制氣的密度，</p><p><b>　　雷諾準數(shù)：</b></p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　式中：——75%H2、N2精制氣的粘度，</p><p><b>　　——換熱管內徑，&

59、lt;/b></p><p><b>　　普蘭德準數(shù)：</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中：——75%H2、N2精制氣的導熱系數(shù)，</p><p>　　換熱器管程傳熱系數(shù)：</p><p><b>　?。?-10）

60、</b></p><p>　　——75%H2、N2精制氣的導熱系數(shù)，</p><p><b>　　——換熱管內徑，</b></p><p>　　計算殼程流速、管外傳熱系數(shù)</p><p><b>　　殼程當量直徑：</b></p><p><b>　?。?/p>

61、2-11）</b></p><p>　　式中：——殼體內徑，</p><p><b>　　——換熱管外徑，</b></p><p><b>　　——換熱管數(shù)量，</b></p><p>　　流體橫過管束時的流通面積： </p><p><b>　　(2

62、-12)</b></p><p>　　式中： ——折流板間距，</p><p>　　——換熱管間距 ， t=0.05m </p><p>　　折流板的切除高度： </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中：——折流板切口率（或缺口尺寸），</p

63、><p><b>　　—弓形區(qū)扇角，</b></p><p>　　折流板的弦長： </p><p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　弓形面積：</b></p><p><b>　?。?-15）</b&g

64、t;</p><p>　　式中：——折流板的切除高度，H=0.3m </p><p>　　管子截面積與殼體截面積之比：</p><p>　　正方形排列： (2-16)</p><p>　　圓缺區(qū)內的流通面積：</p><p><b>　　(2-17

65、)</b></p><p>　　幾何平均流通面積： (2-18)</p><p>　　單位面積的質量流量： </p><p><b>　　(2-19) </b></p><p>　　式中：——殼程氣體流量，</p><p>　　雷

66、諾準數(shù)： （2-20）</p><p>　　式中：——75%H2、N2混合氣的粘度，</p><p>　　普蘭德準： （2-21）</p><p>　　根據(jù)文獻[4]假設粘度比： </p><p>　　殼程給熱系數(shù)： (2-22)</p>

67、;<p>　　式中：——75%H2、N2混合氣的導熱系數(shù)，</p><p><b>　　計算總傳熱膜系數(shù)</b></p><p>　　查閱有關設計手冊[8]，得到以下參數(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　殼側污垢熱阻： </p><p>　　管側污垢熱阻： </p><p>

68、;　　管壁導熱系數(shù)： </p><p>　　根據(jù)以上參數(shù)和數(shù)據(jù)，可由公式（2-23）計算總傳熱膜系數(shù)：</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　式中：——換熱管壁厚，</p><p><b>　　所以： </b></p><p><

69、;b>　　壁溫計算</b></p><p>　　殼側壁溫 按式（2-24）計算得出：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：℃</b></p><p>　　管側壁溫按式（2-25）計算得出：</p><p>

70、;<b>　　（2-25）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： ℃</b></p><p><b>　　平均壁溫：℃</b></p><p><b>　　校核實際粘度比</b></p><p>　　由文獻[6]查得熱流體在壁溫下的粘度<

71、;/p><p>　　殼側實際粘度比 </p><p><b>　　校核傳熱面積</b></p><p><b>　　計算傳熱面積：</b></p><p><b>　　實際傳熱面積：</b></p><p><b>　　面積裕度：</

72、b></p><p><b>　　，滿足換熱要求。</b></p><p><b>　　壓力降計算</b></p><p><b>　　管程壓力降</b></p><p><b>　?。?）直管壓力降</b></p><p>

73、　　根據(jù)查圖[7]得到管內摩擦系數(shù)</p><p>　　直管壓力降按公式（2-26）計算得出：</p><p>　?。?-26） </p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　（2）管程回彎壓力降</p><p><b>　?。?-27）</b&

74、gt;</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得: </b></p><p>　?。?）管箱進出口壓力降</p><p>　　由文獻[5]假定管箱進出口速度：</p><p>　　管箱進出口壓力降按公式（2-28）計算得出：</p><p><b>　?。?-28）</b>

75、</p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： </p><p><b>　?。?）管程總壓力降</b></p><p><b>　　（2-29）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　管程總壓力降，滿足壓力降要求。&l

76、t;/p><p><b>　　殼程壓力降</b></p><p>　　管束垂直流動的壓力降</p><p>　　接近中心管排處的最小錯流截面積FB按公式（2-30）計算得出：</p><p><b>　?。?-30）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： &

77、lt;/b></p><p>　　接近中心排管處垂直流動的最大質量速度GB按公式（2-31）計算得出：</p><p><b>　?。?-31）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　　接近中心排管處的雷諾數(shù)：</p><p>

78、;　　由文獻[4]查得摩擦系數(shù) </p><p>　　管束外緣與殼體內壁之間的流通截面積Fc按公式（2-32）計算得出：</p><p><b>　　（2-32） </b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　旁流修正系數(shù)按公式（2-33）計算得出：</p

79、><p><b>　　（2-33）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　　壓力降按公式（2-34）計算得出：</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：&l

80、t;/b></p><p>　?。?）通過折流板缺口處流動的壓力降</p><p>　　由文獻[5]查得計算系數(shù)：</p><p><b>　　切邊率25%，</b></p><p>　　折流板缺口處的流通面積按公式（2-35）計算得出：</p><p><b>　?。?-35）&

81、lt;/b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　　折流板缺口處的流速按公式（2-36）計算得出：</p><p><b>　?。?-36）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p&

82、gt;　　最小錯流截面上的流速按公式（2-37）計算得出：</p><p><b>　?。?-37）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　　幾何平均流速按公式（2-38）計算得出：</p><p><b>　　（2-38）</b><

83、;/p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　　壓力降按公式（2-39）計算得出：</p><p><b>　?。?-39）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　?。?）殼體中的壓力降<

84、;/p><p>　　折流板的管孔和傳熱管外徑之間的間隙的流通截面積按公式（2-40）計算得出：</p><p><b>　?。?-40）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　折流板的管孔和殼體內壁之間的間隙的流通截面積按公式（2-41）計算得出：</p&g

85、t;<p><b>　　（2-41） </b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　按，查圖[6]得到壓力降修正系數(shù)：</p><p>　　修正系數(shù)按公式（2-42）計算得出：</p><p><b>　?。?-42）</b>&l

86、t;/p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　殼體壓力降按公式（2-43）計算得出：</p><p><b>　?。?-43）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　（4）殼程進出管中的壓力降

87、</p><p>　　根據(jù)文獻[9]假定殼程進出口速度：</p><p>　　殼程進出管中的壓力降按公式（2-44）計算得出：</p><p><b>　?。?-44）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　（5）殼程

88、總壓力降</b></p><p>　　殼程總壓力降按公式（2-45）計算：</p><p><b>　　（2-45）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　殼程總壓力降：，滿足壓力降要求。</p><p>　　第3章 BI

89、U1200甲烷換熱器的強度計算</p><p>　　換熱器強度計算條件的確定</p><p><b>　　設計壓力的確定</b></p><p>　　由于換熱器沒有安全閥，故換熱器的設計壓力按換熱器的最高工作壓力確定。即：</p><p>　　根據(jù)換熱器整個系統(tǒng)的受壓情況，取設計壓力P=3.36Mpa。</p>

90、;<p><b>　　換熱器的計算壓力</b></p><p>　　鋼制壓力容器的計算壓力等于其設計壓力加上液柱靜壓力。因換熱器的液柱靜壓力遠小于5%的設計壓力可忽略不計，故換熱器的計算壓力等于其設計壓力，即：</p><p>　　Pc=P=3.36Mpa</p><p><b>　　設計溫度的確定</b>&

91、lt;/p><p>　　容器的設計溫度取低于金屬壁溫可能達到的最低溫度和高于金屬壁溫可能達到的最高溫度。本設計考慮換熱器的一般工作情況，設計溫度的取值為230℃。</p><p><b>　　主體材料的選擇</b></p><p>　　換熱器的主體材料按文獻[2]確定。筒體和封頭采用鋼板制造，按GB6654-1996《壓力容器用鋼板》選用，材料均為

92、16MnR；接管按GB/T8163-1987《輸送流體用無縫鋼管》選用，材料為16MnR,10；法蘭按JB4726-2000《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》選用，材料均為16Mn，II級鍛件。</p><p>　　容器支座選用較為經(jīng)濟的材料Q235-A.F制造。</p><p><b>　　容器筒體的強度計算</b></p><p>　　筒體

93、計算參數(shù)及材料力學性能</p><p>　　筒體計算參數(shù)及材料力學性能見表3-1[9]：</p><p>　　表3-1 筒體計算參數(shù)及材料力學性能</p><p><b>　　筒體的焊接接頭系數(shù)</b></p><p>　　筒體的焊接接頭采用單面焊接，局部探傷，故焊接接頭系數(shù)Φ=1。</p><p&

94、gt;<b>　　容器筒體的厚度計算</b></p><p>　?。?）筒體的計算厚度</p><p>　　因Pc≦0.4Φ=0.4x150x1=60Mpa,故筒體的厚度按式(3-1)計算：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中：——計算壓力， Pc=3.36Mp

95、a</p><p>　　——筒體內直徑，Di=1200mm </p><p>　　——設計溫度下筒體材料的許用應力，</p><p>　　——焊縫系數(shù)，Φ=1 </p><p>　　〥=3.36x1200/(2x150x1-3.36)=13.6mm</p><p>　?。?）筒體的設計厚度</p><

96、;p>　　筒體的設計厚度等于筒體的計算厚度與腐蝕裕量之和，即：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中：——腐蝕裕量， C2=3mm</p><p>　　〥d=13.6+3=16.6mm</p><p>　?。?）筒體的名義厚度</p><p>　　筒體的名

97、義厚度等于筒體的設計厚度加上鋼板負偏差后向上圓整至鋼板規(guī)格厚度。鋼板負偏差C1=0，考慮到容器支座和開孔的影響，取筒體的名義厚度為〥n=18mm.</p><p>　　（4）筒體的有效厚度</p><p>　　筒體的有效厚度按式(3-3)計算：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　〥e=1

98、8-0-3=15mm</p><p><b>　　壓力試驗時應力校核</b></p><p><b>　?。?）水壓試驗壓力</b></p><p>　　筒體的水壓試驗壓力按式(3-4)計算：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p&g

99、t;　　式中：——設計壓力， p=3.36Mpa</p><p>　　——試驗溫度下的材料許用應力， </p><p>　　PT=3.36X1.25X1=4.2Mpa</p><p>　?。?）壓力試驗允許通過的應力水平</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中：—

100、—試驗溫度下的材料屈服極限，</p><p>　　=0.9x305x1=274.5Mpa</p><p>　?。?）試驗壓力下圓筒的應力</p><p>　　試驗壓力下圓筒的應力按式(3-6)計算：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　=4.2X(1200+15)/

101、2X15X1=170.1Mpa</p><p><b>　?。?）校核結論</b></p><p>　　，水壓試驗較核合格，圓筒厚度滿足水壓試驗要求。</p><p><b>　　壓力及應力計算</b></p><p>　?。?）最大允許工作壓力</p><p>　　殼體的最

102、大允許工作壓力按式(3-7)計算：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　=2x150x1x15/(1200+15)=3.704Mpa</p><p>　?。?）設計溫度下計算應力</p><p>　　設計溫度下殼體的計算應力按式(3-8)計算：</p><p>&l

103、t;b>　　(3-8)</b></p><p>　　=3.36X(1200+15)/2X15=136Mpa</p><p><b>　　換熱器封頭強度計算</b></p><p>　　管箱封頭計算參數(shù)及材料力學性能</p><p>　　封頭計算參數(shù)及材料力學性能與筒體相同[7]</p>&

104、lt;p>　　表3-2 封頭計算參數(shù)及材料力學性能</p><p>　　（1）封頭的焊接接頭系數(shù)與筒體相同，Φ=1。</p><p>　　（2）封頭的計算厚度</p><p>　　選擇標準橢圓形封頭，其計算厚度按式(3-9)計算：</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p&

105、gt;　　式中：——標準橢圓形封頭</p><p>　　=1x3.36x1200/(2x154x1-0.5x3.36)=13.2mm</p><p>　?。?）封頭的設計厚度</p><p>　　封頭的設計厚度等于封頭的計算厚度與腐蝕裕量之和，即：</p><p>　　式中：——腐蝕裕量，=3mm</p><p>　　

106、=13.2+3=16.2mm</p><p>　?。?）封頭的最小厚度</p><p>　　對于標準橢圓形封頭，其最小厚度為：</p><p>　　〥min=0.0015x1200=1.8mm</p><p>　?。?）封頭的名義厚度</p><p>　　考慮到對容器筒體的加強，取封頭的名義厚度為〥n=20mm<

107、/p><p>　?。?）封頭的有效厚度</p><p>　　=20-3-0=17mm</p><p>　?。?）最大允許工作壓力</p><p>　　封頭的最大允許工作壓力按式(3-10)計算：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　=2x154

108、x1x15/(1200+0.5x15)=3.83Mpa</p><p>　　殼體封頭計算參數(shù)及材料力學性能</p><p>　　封頭計算參數(shù)及材料力學性能與筒體相同，見表3-3</p><p>　　表3-3 封頭計算參數(shù)及材料力學性能</p><p>　?。?）殼體封頭的焊接接頭系數(shù)</p><p>　　封頭的焊接接

109、頭系數(shù)與筒體相同，Φ=1。</p><p>　?。?）封頭的計算厚度</p><p>　　選擇標準橢圓形封頭，其計算厚度按式(3-9)計算：</p><p>　　式中：——標準橢圓形封頭，， </p><p><b>　　=13.2mm</b></p><p>　　（3）封頭的設計厚度</p

110、><p>　　封頭的設計厚度等于封頭的計算厚度與腐蝕裕量之和，即：</p><p>　　式中：——腐蝕裕量，=3mm</p><p>　　=13.2+3=16.2mm</p><p>　?。?）封頭的最小厚度</p><p>　　對于標準橢圓形封頭，其最小厚度為：</p><p>　　〥min=0.

111、0015x1200=1.8mm</p><p>　　（5）封頭的名義厚度</p><p>　　考慮到對容器筒體的加強，取封頭的名義厚度為〥n=18mm</p><p>　　（6）封頭的有效厚度</p><p>　　=18-3-0=15mm</p><p>　?。?）最大允許工作壓力</p><p&g

112、t;　　封頭的最大允許工作壓力按式(3-10)計算：</p><p>　　=2x154x1x15/(1200+0.5x15)=3.83Mpa</p><p><b>　　容器開孔補強計算</b></p><p>　　接管計算參數(shù)及材料力學性能</p><p>　　接管計算參數(shù)及材料力學性能與筒體相同，見表3-1。<

113、/p><p><b>　　容器開孔數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　循環(huán)水進出口直徑：</b></p><p>　　式中：——75%H2、N2混合氣在進出口接管的最大流速</p><p>　　75%H2、N2精制氣的進出口直徑：</p><p>　　式中：——環(huán)戊烷在進出

114、口接管的最大流速</p><p>　　容器開孔數(shù)據(jù)見表3-4：</p><p>　　表3-4 容器開孔數(shù)據(jù)表</p><p>　　管箱接管口的補強計算</p><p><b>　?。?）開孔直徑</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p>

115、<p>　　式中：——接管的內徑， di=20mm</p><p>　　——接管的腐蝕余量，=3mm </p><p>　　——接管的壁厚負偏差，=0</p><p>　　=20+2x(3+0)=26mm</p><p>　　（2）開孔所需補強面積</p><p><b>　　(3-12)<

116、/b></p><p>　　式中：——封頭開孔處的計算厚度，=17mm</p><p>　　——接管名義厚度，=2.5mm</p><p>　　——強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與封頭材料許用應力之比值： </p><p>　　=26x17+2x17x2.5x(1-0.97)=453.05mm2</p><p&

117、gt;<b>　?。?）開孔補強范圍</b></p><p>　　① 有效寬度： (3-13)</p><p>　　式中：——管箱短節(jié)名義厚度，=20</p><p>　　=(2x26,26+2x20+2x2.5)=71mm</p><p>　　② 接管外側有效高度：

118、(3-14)</p><p>　　式中：接管實際外伸高度為8.1mm</p><p><b>　　=8.1mm</b></p><p>　　③ 接管內側有效高度： (3-15)</p><p>　　式中：接管實際內伸高度為</p><p><b>　?。?）補強面積</

119、b></p><p>　?、?封頭上多余金屬面積：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　式中：——接管的有效厚度，=17mm</p><p>　　=(88-25)(18-15)-2x17(18-15)(1-0.97)=185.94mm2</p><p>　　

120、②接管上多與金屬面積：</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中：——接管的計算厚度， (3-18)</p><p>　　=3.36x20/（2X154-3.36）=0.22mm</p><p>　　A2=147.3 mm2</p><

121、;p><b>　?、?焊縫金屬面積：</b></p><p>　　④ 補強面積： (3-19)</p><p>　　=185.94+147.3+36=369.24 mm2</p><p>　?。?）補強判定因該接管需補強。</p><p>　　A4=45

122、3.1-369.24=83.86 mm2</p><p>　?。?）需補強金屬面積</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　式中：——補強圈外直徑，</p><p><b>　　——補強圈內直徑，</b></p><p><b>　　—

123、—補強圈厚度，</b></p><p><b>　　因補強滿足要求。</b></p><p>　　筒體接管口的補強計算</p><p><b>　?。?）開孔直徑</b></p><p>　　式中：——接管的內徑，=20mm</p><p>　　——接管的壁厚負偏

124、差，=0mm</p><p>　　——接管的腐蝕余量，=2.5mm</p><p>　　d=20+2x(2.5+0)=25mm</p><p>　?。?）開孔所需補強面積</p><p>　　式中：——殼體開孔處的計算厚度，</p><p>　　——接管名義厚度，=2.5mm</p><p>　

125、　——強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值：</p><p>　　=25x2.9212+2x2.9212x2.5x(1-0.97)=73.47 mm2</p><p><b>　?。?）開孔補強范圍</b></p><p>　?、?有效寬度： </p><p>

126、　　式中：——殼體名義厚度，=18mm</p><p>　?、?接管外側有效高度： </p><p>　　式中：接管實際外伸高度為</p><p><b>　　=8.1mm</b></p><p>　?、?接管內側有效高度： </p><p>　　式中：接管實際內伸高度為<

127、;/p><p><b>　?。?）補強面積</b></p><p>　?、?封頭上多余金屬面積： </p><p>　　式中：——接管的有效厚度，=3.75mm</p><p>　?、?接管上多與金屬面積： </p><p>　　式中：——接管的計算厚度，

128、 </p><p><b>　　③ 焊縫金屬面積：</b></p><p><b>　?、?補強面積：</b></p><p><b>　?。?）補強判定</b></p><p>　　因該接管不需要補強。</p><p><b>　　容器法蘭

129、計算</b></p><p><b>　　管箱法蘭的計算參數(shù)</b></p><p>　?。?）計算壓力[9]</p><p>　　計算壓力取3.2Mpa</p><p><b>　?。?）法蘭設計溫度</b></p><p>　　法蘭設計溫度取230℃</

130、p><p><b>　?。?）螺栓設計溫度</b></p><p>　　螺栓設計溫度取230℃</p><p><b>　　管箱法蘭墊片設計</b></p><p>　　（1）墊片材料、密封面型式</p><p>　　根據(jù)設計條件，采用金屬板墊片，密封面型式采用凸凹密封面。<

131、;/p><p><b>　?。?）墊片參數(shù)</b></p><p>　　參照GB150表9-2?。?，。</p><p><b>　?。?）墊片尺寸</b></p><p>　　參照JB4705-92金屬包墊片，取墊片內徑d=564.2mm，外徑D=605mm，墊片寬度。</p><p

132、>　　（4）墊片密封有效寬度</p><p>　　查GB150表9-1中1a，得墊片基本密封寬度。因，所以墊片密封有效寬度為：。</p><p>　?。?）墊片壓緊力作用中心圓直徑</p><p>　　DG=墊片接觸面外徑-2b=605-2x8=584.2mm</p><p><b>　?。?）墊片壓緊力</b>&

133、lt;/p><p>　?、?預緊狀態(tài)需要的最小墊片壓緊力按GB150式9-1計算：</p><p><b>　　（3-21）</b></p><p>　?、?操作狀態(tài)需要的最小墊片壓緊力按GB150式9-2計算：</p><p><b>　　（3-22）</b></p><p>