第一章概述
第一节绪言
一、本课程的任务
了解压力容器的基础知识；掌握压力容器的一般设计方法，重点掌握设计的基本原理与思路。 （说明： 由于工业生产中约10%~40%的设备为换热设备，而换热设备中最为常见、普遍的是管壳式换热器，故在本课程中我们将以管壳式换热器为例，学习压力容器的具体设计方法，包括选择材料、结构设计，受压元件的强度计算，以及设计、制造、检验中的相关要求等。）
二、本课程的要求
通过这门课程的学习，要求同学们掌握如下的内容：
1、掌握压力容器的类型与总体结构；
2、了解管壳式换热器的形式与总体结构；
3、掌握管壳式换热器的结构设计的相关知识；
4、了解管壳式换热器各元件的强度设计（掌握筒体及封头的设计）；
5、了解管壳式换热器中的振动与防振；
6、了解管壳式换热器的设计以、制造、检验中的相关要求。
第二节化工容器概述
一、压力容器的概念
1．化工设备——工艺过程中静止设备的总称。
2．容器——化工设备外壳的总称。
3．压力容器——承受压力载荷作用的容器。
（由于化工容器几乎都承受压力载荷，通常直接称其为压力容器。化工容器的特点：为高温、高压，介质易燃易爆、有毒。）
二、化工容器的结构组成
化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件）、接管、法兰（对外连接件）、人孔、手孔、液面计（附件）以及一些内构件等零部件组成。
1．筒体、封头：就如同房子四周的墙，它是构成容器空间的主要部件（属主要受压元件）。壳体按形状的不同，可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。而封头有椭圆形封头、半球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。
2．接管：是介质进出容器的通道。
3．法兰：是容器及接管的可拆连接装置，分为设备法兰和管法兰（属主要受压元件）。
4．支座：是用于支承容器的部件。
5．人孔、手孔：是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件（属主要受压元件）。
6．液面计：用于观察或监控液位的部件（属安全附件，此外还有安全阀、压力表等）。
三、化工容器的分类
容器的分类方法很多，可以按生产过程中的作用原理分，也可以按容器形状、承压性质、结构材料、设计压力高低及安全监察要求分。
按材料分类：金属容器、非金属容器、复合材料容器等.
按容器形状分类：矩形容器、球形容器、圆筒形容器等。
按承压性质分类：内压容器和外压容器两种。
（1）外压容器是指容器外部压力大于内部压力的情况，特别地，当外压为常压时的外压容器，又称为
真空容器。
（2）内压容器是指容器内部的压力大于外部压力的容器。
按设计压力高低分类：
内压容器按其设计压力高低，可分为：低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器 容器分类 设计压力(Mpa)
低压容器 中压容器 高压容器 超高压容器 0.1≤P＜1.6
1.6≤P＜10 10≤P＜100
P≥100
按照在生产过程中的作用原理分类：反应容器、换热容器、分离容器和储存容器四种
（1）反应容器：完成介质的物理、化学反应。如：合成塔、反应釜、聚合釜、反应器、发生器等。（2）换热容器：完成介质的热量交换。如：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、废热锅炉等。
（3）分离容器：完成介质的压力平衡和气体净化等。如：分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔等。
（4）储存容器：盛装生产生活用的原料气体、液体、液化气体等。如：各种贮槽、贮罐、高位槽、槽车等。
按安全监察要求分类：
根据容器承受的压力、介质危害程度、P*V乘积及生产过程中的重要性，可以分为：一、二、三类容器。（展开讲述）
四、化工容器机械设计的基本要求
容器的设计，包括零部件的机械设计，应该满足下面八个方面的基本要求：
1、强度——元件能抵抗外力破坏的能力；
2、刚度——构件抵抗外力使其不发生变形的能力；
3、稳定性——容器在外力作用下维持其原有形状的能力；
4、耐久性——满足容器的使用年限的要求；
5、密封性——保证安全和维持正常的操作条件；
6、节省材料和便于加工制造；
7、方便操作和便于运输；
8、技术经济指标合理。
五、容器零部件的标准化
所谓标准化，就是为了提高产品的设计制造质量及效率、增加互换性、便于维修、降低成本而人为规定将零部件按参数等级而系列化的行为。
容器标准化的基本参数是：公称压力PN、公称直径DN。
1、容器的公称直径
对于钢板卷制的筒体和及其封头——内径
对于无缝钢管制作的筒体及其封头——外径
2、法兰的公称直径——是指与它相配的筒体或管子的公称直径。
法兰的公称压力——为法兰的标准化而人为等级化了的压力系列。（简述标准法兰选取:类型、密封面、PN与DN、允许最高无冲击工作压力。）
3、管子的公称直径——是指与管子外径相对应的值.
第三节管壳式换热器的形式和总体结构
一、换热器的分类
换热器是用于将高温流体的热量向低温流体传输的传热设备的总称，它广泛用于石油、化工、电力、
食品等工业部门，并且占有相当重要的地位。换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。
（1）按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等；
（2）按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。
（在着重介绍管壳式换热器后，简要介绍其他类型换热器：混合式；蓄热式；板式；管翅式；套管式；螺旋管式等）
二、管壳式换热器的总体结构
1、管壳式换热器的主要元件：壳体、前后管箱、管板、管束、折流板或支持板、接 管、法兰、（包括管法兰与容器法兰）支座及附件等组成。
2、管壳式换热器的总体结构 一般由前端管箱、壳体和后端结构三部分组成。
（1）前端管箱——是指有管程入口的那一则的管箱。
（2）后端结构——是指与前端管箱相应的另一则的管箱结构。
（3）壳体——是指处于前端管箱和后端结构之间、由钢管或金属板焊接而构成的筒体。换热管置于由壳体围成的空间中，两端与管板相连，管板与壳体及管箱相连，把换热器分为两大部分空间，即壳程和管程。
3、管程与壳程
分程的目的：提高流速以提高传热系数，但程数不宜太多。
管程——换热器中的换热管内及与换热管相通的空间，称为管程。
壳程——换热器中的换热管外及与其相通的空间，称为壳程。
4、管程数与壳程数
管程数——指介质在换热管内沿换热管长度方向往返的次数。一般为偶数，主要有1、2、4、6、8、10、12等。
壳程数——指介质在壳程内沿壳体轴向往返的次数。一般为单壳程，最多双壳程。（说明多折流板不表示多壳程，强调轴向往返次数）
几点说明：1、不是所有管壳式换热器都有后端管箱，如U形管式换热器则没有后端 管箱。2、多管程换热器在后管箱上无物料进出口。3、管壳式换热器支座——卧式时为鞍式支座，而立式时为耳座（也可为其他类型，但一般不用）。4、管箱详细结构第四章介绍。
三、管壳式换热器的形式
（讲述时针对教材中例图重点讲明各种换热器的特点及其原因）
管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等。
1、固定管板式换热器
组成：管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。
结构特点：管板与壳体之间采用焊接连接。两端管板均固定，可以是单管程或多管箱，
管束不可拆，管板可延长兼作法兰。
优点：结构简单，制造方便，在相同管束情况下其壳体内径最小，管程分程较方便。
缺点：壳程无法进行机械清洗，壳程检查困难，壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应力，即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。
2、浮头式换热器
组成：管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管、钩圈、浮头盖等。
结构特点：一端管板与壳体固定，另一端管板（浮动管板）与壳体之间没有约束，可在壳体内自由浮动。只能为多管程，布管区域小于固定管板式换热器，管板不能兼作法兰，一般有管束滑道。
优点：不会产生温差应力，浮头可拆分，管束易于抽出或插入，便于检修和清洗。 缺点：结构较复杂，操作时浮头盖的密封情况检查困难。 3、U 形管式换热器
组成：管箱、管板、U 形换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。
结构特点：只有一个管板和一个管箱，壳体与换热管之间不相连，管束能从壳体中抽出或插入。只能为多管程，管板不能兼作法兰，一般有管束滑道。总重轻于固定管板式换热器。 优点：结构简单，造价较低，不会产生温差应力，外层管清洗方便。
缺点：管内清洗因管子成U 形而较困难，管束内围换热管的更换较困难，管束的固有频率较低易激起振动。
4、填料函式换热器
组成：管箱、管板、管束、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管、填料函等。
结构特点：一侧管箱可以滑动，壳体与滑动管箱之间采用填料密封。管束可抽出，管板不兼作法兰。 优点：填料函结构较浮头简单，检修清洗方便；无温差应力，（具备浮头式换热器的优点，消除了固定管板式换热器的缺点）。
缺点：密封性能较差，不适用于易挥发、易燃、易爆和有毒介质。
（简单介绍滑动管板式换热器，它是填料函式换热器的变形。它把填料函式换热器中的滑动管箱改进为滑动管板，而管箱部分固定。另外简单介绍双管板结构。） 5、釜式重沸器
它是固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器壳体的变形，主要是将壳程空间加倍增大，结构上留有一定的蒸发空间。类似于现在的容积式换热器。（容积式换热器壳程介质一般为水，用于供暖。）
四、管壳式换热器的型号表示方法 1、管壳式换热器型号的组成：C Ns
Nt B d LN A Ps Pt DN XYZ ????
X——前端管箱形式代号（如表1-1所示）
Y——壳体形式代号（如表1-1所示） Z——后端结构形式代号（如表1-1所示） DN——换热器的公称直径（mm），对卷制圆筒为其内直径，对钢制圆筒为钢管的外径，对釜式重沸器，用分数表示，分子为管箱内径、分母为壳体内径。 Ps、Pt——分别表示管程、壳程设计压力（MPa），当管程壳程压力相等时只写Pt。
A——公称换热面积（m 2
），是经圆整后的计算换热面积，即以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积。对于U形管，一般不包括弯管段的面积。 LN——换热器的公称长度（m），当换热管为直管时，取直管长度为其公称长度；为U形管时，取U形管直管段长度为换热器的公称长度。 d——换热管的外直径（mm）。（强调d不是换热管公称直径）
B——当换热管为Al、Cu、Ti 管时分别记为Al、Cu、Ti；当换热管为钢制管时，不标记。 N T 、N S ——分别为管程数和壳程数，单壳程时公标记N T 即可。 C——对于钢制换热管，I级管束时为I，II级管束时为II。I级管束是指采用较高级的高级冷拨管的管束；II级管束是指采用普通冷拨管的管束。
2、管壳式换热器标记示例：按教材P 8简介。 （重点介绍DN、A、LN、C 的意义）
第四节 管壳式换热器的选型
一、选型时要考虑的因素
换热器的选型，就是根据换热器的结构特点、使用条件、投资与运行费用等综合因素来选择一种相对合理的换热器形式。在选型前，必须熟悉各种换热器的结构特点、工作特性，根据具体条件做出方案，比较各方案做出最优的选择。
1．选型时要考虑的因素有：材料、介质、压力、温度、温差、压降、结垢情况、检修清理方法等各种因素。
2．安全因素——是换热器选型时最主要因素。包括强度、刚度足够，结构可靠，满足密封要求，材料与介质相容。（例温差应力的考虑、密封性的考虑等）
3．能完成工艺要求——有足够的传热面积、介质有良好的有利于传热的流动状态，经济上较合理。（例能否用U形管，管、壳程的清洗，是否分程，介质的黏度对流动的影响，是否须可拆结构等）
4．利于制造、安装和维修——制造较简单、运行性能良好、运行费用低等。
二、选型的一般原则
温差不大、壳程介质结垢不严重、壳程能采用化学清洗时，选用固定管板式换热器。
温差较大时，可选用浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器和滑动管板式换热器。
要对壳程进行机械清洗时，可选用管束可可抽出的结构。
高温高压时，可选用U形管式换热器。
壳程介质为易燃、易爆、有毒或易挥发，以及使用压力、温度较高时，不宜采用填料函式换热器。
管程介质和壳程介质不允许相混时，可采用双管板结构的换热器。
（讲述过程中举例具体说明）
第五节管壳式换热器的设计内容
管壳式换热器的设计包括下面五个方面的内容，这五方面相互交叉，不断调整。
一、结构设计：根据设计任务选择换热器的形式，初定出结构尺寸。（如管子外径、长度、筒体外径等）
二、热力计算：计算所需的传热面积， 调整尺寸使结构设计的传热面积大致等于计算的传热面积。
三、流体阻力计算：计算阻力降，保证阻力降在允许范围内。（压力将一般根据整个工艺流程确定）
四、强度、刚度和稳定性设计：
壳体直径的确定和壳体壁厚的计算。
换热器封头的选择及厚度计算。
管板强度计算及尺寸的确定。（含温差应力计算）
管子拉脱力的计算。
支座的计算。（包括卧式与立式支座计算）
开孔补强计算等。
五、绘图：根据计算结果具体确定各种零部件的结构及一些标准件的选取，（如容器法兰、折流板与支持板、拉杆与定距管等）然后绘制结构设计图和施工图。
（简单介绍设计图中主要内容：技术要求、技术特性表、管口表、明细栏、标题栏、结构图、节点图、图纸目录等）
第一章 概述 练习题
一、选择题
1、中压容器的设计压力范围P为：（ ）
（a）P≥10 MPa (b) 1.6≤P＜10 MPa (c) 10≤P＜100 MPa (d) 根据容器的型式而定
2、容器标准化的基本参数有：（ ）
(a) 公称压力PN (b) 公称直径DN (c) 内径 (d) 外径
3、对于用钢板卷制的圆柱形筒体，其公称直径是指：（ ）
（a）内径 (b) 外径 (c)中径 (d) 介于内径和外径中间的某一值 4、下列哪一种换热器在温差较大时可能需要设置温差补偿装置？（ ）
(a)填料函式换热器 (b)U 形管式换热器 (c)浮头式换热器 （d）固定管板式换热器 5、管壳式换热器属于下列哪种类型的换热器？（ ）
（a）混合式换热器 (b)间壁式换热器 (c)蓄热式换热器 (d)板面式换热器 6、U 形管换热器的公称长度是指：（ ）
(a) U 形管的抻开长度 (b)U 形管的直管段长度 (c)壳体的长度 (d)换热器的总长度
7、请根据给定条件，选择一种形式的换热器。高温高压介质且温差较大，壳程介质为有毒的易挥发性物质，对壳程需要进行清洗。（ ）
(a) 固定管板式换热器 (b) 填料函式换热器 (c)U 形管式换热器 (d)浮头式换热器
8、有某型号为：I 425
9
2006.15.21000BEM ????
的换热器，其中的1000为（ ） （a）公称换热面积 (b)换热器的公称长度 (c)换热器公称直径 (d) 管程压力为1000Kg/m 2
二、填空题 1、管壳式换热器的主要元件有： 、 、 、 、 等。 2、按压力容器在生产工艺过程中的作用原理,可以将压力容器分为： 、 、 、 。 3、压力容器按监察要求可分为： 、 和 。 三、是非题
1、管程数是指换热管的根数，一般为奇数。（ ）
2、法兰的公称直径是指法兰的外径。（ ）
3、换热器选型时首先要考虑的因素是安全性。（ ） 四、问答题
1．管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为哪几类换热器？ 2、换热器的强度、刚度和稳定性计算包括哪些内容？
答案：
一、选择题：1B ；2A、B ；3A ；4D ；5B ；6B ；7D ；8C 。 二、填空题：
1、壳体、管箱、管板、管束、折流板与支持板、接口管、支座等
2、反应压力容器、换热压力容、分离压力容、储存压力容器
3、I、II、III 类压力容器
三、是非题：1错 ；2错 ；3对。 四、问答题：
1、固定管板式换热器，浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等。
2、(1）壳体直径的确定和壳体壁厚的计算 (2）换热器封头、容器法兰的选择 (3）管板尺寸的确定 (4）管子拉脱力的计算 (5)折流板的选择与计算 (5)温差应力的计算
(7)接管、接管法兰及开孔补强的计算等。
第四章管壳式换热器结构设计
第一节管板
一、管板的作用及重要性
作用：1．排布换热管
2. 与管箱隔板配合分隔管程空间
3. 与壳程隔板配合分隔壳程空间
4. 避免冷热流体混合
重要性：其重量在整台换热器重量中占有较大比例，也是换热器最重要的部件之一。
因此，管板的强度计算及结构设计相当重要，其准确性与否及是否合理直接
影响整台换热器的安全、成本及产品质量。
二、管板的形式
管板有四种常见的结构形式，即平管板、薄管板、椭圆形管板及双管板。
1、 平管板
平管板是最常见的一种管板形式，有兼作法兰和不兼作法兰两种。一般由普通碳钢板、不锈钢板制造，当介质具有腐蚀性时可用复合钢板制造。（以较薄的复合层抵抗腐蚀，一般为不锈钢、Ni、Ti等；以较厚的普通钢板承受介质压力）
复合钢板制造方法：轧制复合钢板法、堆焊法、塞焊法、焊管复合法等。（均简要讲解）
2、薄管板
由于机械应力与温差应力相互矛盾，因此希望在满足强度条件下管板越薄越好（温差应力小）。德国AD规范按固定支撑假设认为换热管为纲性支撑，计算得到的板厚较薄，一般小于15mm. 其主要载荷由管壁和壳壁温差决定。
3、椭圆形管板
结构：类似于椭圆形封头，即半个椭球壳，而不是椭圆形平板。是在薄管板基础上研发的新型管板。单各换热管长短不一，设计、制造上要复杂于平管板。一般用于高
温差情况。
优点：受力比平板好许多，因此可做得很薄，利于降低温差应力。
4、双管板
应用于工艺条件要求绝对不允许冷热流体互相接触，普通管板难以满足这一条件的场合。（即便管子与壳程连接处泄漏，壳程介质不会污染管程介质）
双管板保持合适间距的原因：双管板孔错位及双管板温差均会在管束上引起弯曲应力和剪切应力，通过设置一定的间距，可使弯曲应力和剪切应力限定在许可范围之内。（要求理解间距公式各符号含义）总结：现设计中一般采用平管板，椭圆形管板（包括蝶形管板）双管板应用于有特殊要求的场合，而薄管板我国一般不采用。（按GB151-98设计）
三、管板的结构
管板的结构包括：管板上开孔的位置、分程隔板槽的位置、密封面的设计等。
1、开孔位置
开孔种类：换热管孔、拉杆孔、螺栓孔（兼作法兰）
Ⅰ 换热管孔布置：
常见的四种排列方式：三角形排列、转角三角形排列、正方形排列、转角正方形排列。
中心距要求：为保证胀管时管板的刚度且便于管子与管板的焊接，同时便于清洁管程空间，要求两管中心距应大于等于1.25倍的换热管外径。（说明：表4-1为推荐中心距，实际设计可取S大于表中推荐值。而管孔直径按表4-4～4-9查取。其偏差级别不允许超过表中规定）
布管范围：应排布在布管限定园内，即最外层换热管表面至管板中心距不得超过布管限定园半径。（按图4-10介绍式4-3、4-4的意义，强调换热管外表面在Di范围内）
Ⅱ 拉杆孔的布置：拉杆孔位置根据拉杆位置确定，一般应均匀布置于管束的外边缘。 拉杆与管板焊接时，拉杆孔深等于孔直径；螺纹连接时，螺纹深度为螺纹孔直径的1.5倍。
Ⅲ 螺栓孔的布置：管板上开螺栓孔的位置、数量、直径应与相连接的法兰上开的螺栓孔一致。
2、分程隔板槽的布置
管程：分程数量为偶数，分程时应注意使各管程的换热管数大致相等，隔板槽形状简单、 密封面长度较短，程数不宜过多。分程隔板槽根据分程布置图设置，隔板槽密封面应与管板外边缘密封面处在同一水平高度上，槽宽一般比与其相联接的隔板厚度大2mm。（按图4-13简单介绍4-6管程流体走向）壳程：壳程分程不常见，多用折流板起分程隔板作用。
3．密封面的设计：管板密封面的形式应与之相配合的法兰密封面相配，其常设计为带有凸肩的结构，以减少密封面的加工面积，节省工时。
四、管板与壳体、管箱的连接（按图4-16、4-17介绍各种结构）
1．焊接结构：兼作法兰和不兼作法兰两种
2．不兼作法兰：安图4-16介绍各种连接结构，注意焊接开坡口。
3．兼作法兰：筒体与管板的端面（凹槽或凸台）进行焊接。如图4-17所示。注意焊接开坡口和边缘应力）
4．法兰连接结构：固定管板式换热器中，兼作法兰的管板与管箱的连接基本采用法兰连接。如图4-18所示。而U形管式、浮头式、填料函式换热器的管束通常为可拆结构，故管板与壳体、管箱一般采用法兰连接。如图4-19所示。
第二节管束
一、管子的排列
换热管常用的四种排列方式前面已提到。对于U形管存在最小弯曲半径问题，一般R min不小于2d0，一般采用对称于分程隔板布置，但有时为了增加布管数U形管与分程隔板成一定的倾斜角度，如图4-20所示布置。换热管层数过多会影响直管段的长度。（根据图4-20具体讲述）
管子的长度
长度越长，单位传热面积材料消耗量越低，制造成本也就越低，同时因流通截面减少而提高流速，K值增大。但其长度受到管程清洗、运输、拆装、管程压降及支座等因素的影响。
一般长度限制在6m一下，以2.5m~4m最为常见。（针对各条讲述管长过大的弊端，尤其是对可拆结构需有足够大的空间）
二、管束安装转角
当壳程为气体冷凝时，为减少液膜在列管上的包角及液膜厚度，管束装配时应偏转一定角度，因液膜包盖换热管，降低传热效果。注意管板上排液、排气孔的位置。
三、管子与管板的连接（重点）
换热管与管板的连接必须考虑强度和密封性两方面的要求。常用的连接方法有三种：胀接、焊接、胀焊并用。
1．胀接
ⅰ 适用范围（各国要求不同，我国以GB151为准）
GB151-1999中规定强度胀接的应用范围为：设计压力小于等于4MPa；设计温度小于等于300℃；操作中无剧烈振动，无过大温度变化及明显的应力腐蚀。
ⅱ 胀接方法
常用方法为机械滚胀法，此外还有爆破胀接发、液压胀管法、液袋胀管法等。（讲解机械滚胀法。
强调管子发生塑性变形而管板发生弹性变形，故不能用于高温，其他方法一带而过，用制造方法回应适用范围）
机械滚胀法优点：耐反复热循环、抗热冲击及轴向力、更换修补容易、无缝有缝均适用、操作简单成本低。
机械滚胀法缺点：不易控制胀度；各管胀度不均匀；管板易变形；可胀性差的管子易产生胀接裂纹；内壁面产生加工硬化。
2．焊接
ⅰ 适用范围（按GB151要求）
范围：不适用于有较大震动及有间隙腐蚀的场合；管间距小无法胀接；热循环剧烈温度高；有特殊要求和腐蚀危险的地方；维修受限制的地方；要求接头严密不漏的地方；管板过薄无法胀接时。
优点：不需开槽加工简便；焊接结构强度高、抗拉能力强；管子管板材料性能要求不高。
ⅱ 焊接方法
焊接节点形式如图4-27、4-28所示。（我国标准推荐4-27）
简单介绍其他焊接方法
3．胀焊并用
ⅰ 适用范围
密封性要求高的场合；承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；采用复合管板的场合
ⅱ 连接方法
强度胀+密封焊；贴胀+强度焊；对密封要求较高时可用强度胀+贴胀+密封焊；强度焊+强度胀+贴胀 ⅲ 连接次序
一般先焊后胀（说明原因，先胀后焊将影响焊接质量。要求学生了解原因来记住次序）
第三节 折流板与支持板
一、折流板
在壳程设置折流板目的：为了延长壳程介质的流道长度，增加管间流速，增加湍流程度，达到提高换热器的传热效果的目的。
1．折流板形式
常见的为弓形和圆盘-圆环形两种，以弓形最为常用，此外还有矩形、螺旋形等。
（1）弓形：分为单弓和多弓，如图4-33所示。多弓用于壳体直径较大，须减少流体阻力，避免形成死区的情形。缺口高度为0.2-0.45倍的圆筒内直径，保证流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。（强调折流板结构设计时应开缺口，以保证气体放空、液体放净）
（2）圆盘-圆环形及矩形：用于大直径筒体，减少流体阻力，避免形成死区。如图4-35所示。
（3）螺旋形：用于壳程流体含有固体颗粒的场合，如图4-37所示。壳程流体在折流板间螺旋形流动，固体颗粒不易沉淀，利于传热。
2．折流板尺寸
（1）厚度：其值取决于它所支撑的重量，即与壳体直径和板间距相关。最小厚度由筒体公称直径和换热管无支撑跨距按表4-13选取。一般不做强度计算，折流板过厚造成总重增加，材料浪费。
（2）管孔：其大小对传热性能、机械性能和加工制造都有影响。管孔大则因间隙大而降低传热效果，换热管易震动。
（3）间隙：指折流板外径与壳体内径之间的间隙。间隙小则装配困难，间隙大又影响传热，折流板自身强度降低，但加工方便，穿管方便。故管孔应综合考虑，GB151给出具体尺寸。
缺口高度：0.2-0.45倍的圆筒内直径
（4）间距：折流板间距应根据壳程介质的流量、粘度确定。一般折流板应在换热管的有效长度上
等间距布置。间距过大或过小均不好，一般最小不得小于D i/5，最大不得大于D i
二、支持板
目的：是支撑（换热管）、防止其产生过大的振动和挠度。
支持板的厚度、管孔、外径等尺寸等要求与折流板一致。但对最大无支撑跨距有要求。支持板与折流板外形一样，支持板也起折流板作用，折流板也起支持板作用只是设置的原始目的不同而已。
三、折流杆
一种新型结构，尚在研发中。与折流板相比阻力降小，无传热死区，换热管不易振动，固定效果好，加工不易。无成型结构。（按图4-40简单介绍）
第四节冷凝器结构
冷凝器是换热器的一种，但因在传热过程中发生相变，故传热效果与结构有较大的关系，因此单独介绍一些应注意的地方。
一、冷凝器介质流程的选择（被冷凝介质一般指水蒸汽、也可为其他可冷凝的气体如冷凝液
氨等）
一般要求冷凝蒸汽走壳程，冷凝介质走管程。这样可提高传热系数。（一般壳程传热系数小与管程传热系数，让壳程发生相变可大大提高壳程传热系数）在下列特殊情况下可以让蒸汽走管程：
冷凝蒸汽压力高或腐蚀性很强。
因为管子的承压能力强；腐蚀性介质走管程可避免壳程筒体采用耐腐蚀材料，降低冷凝器的成本。
冷凝介质粘度大或流量小
此时让冷凝介质走壳程可提高滞动程度，增大雷诺数以提高传热系数。
要求冷凝介质压降小
因对相同介质，通常壳程流阻小于管程流阻，故对冷凝介质压降有特殊要求时可让冷凝介质走壳程。
冷凝器形式的确定
立式和卧式放置对一般换热器影响不大，但对冷凝器来讲却不一样。因为如果冷凝液膜在换热管表面积累变厚，将对传热效果有较大的影响，为防止此种情况故一般采用卧式结构。在下列特殊情况可考虑采用立式冷凝器。
1、冷凝液需过冷
对被冷凝成液体的介质需进一步降低温度可采用立式。也保证换热器内存在一定的液位
高度，可达到目的。
2、普朗特准数P r高的介质
即冷凝负荷大时，在厚液膜上形成滞流，有较高的传热系数。
3、冷凝蒸汽走管程
为使冷凝液膜能快速流走而不堆积需采用立式结构。
二、冷凝器设计中的其他问题
1、保证蒸汽流速
即防止随蒸汽冷凝，蒸汽量的减少而导致流速降低。目的是为了保证较高的雷诺数且
能排除不凝性气体。
2、排除不凝性气体
不凝性气体的存在对传热效果影响很大，故应在上部死角处设置排气口以排除不凝性
气体。
3、减薄冷凝液液膜厚度
减薄冷凝液液膜厚度可改进传热效果。对卧式冷凝器，如前所述可将管束偏转安装。
对立式冷凝器可如图4-41所示设置泄液管罩或当液板。
4、冷凝液的排出
一般冷凝液的堆积会降低传热效率并可能会形成腐蚀，应尽快排出，在排除过程中要
注意防止带走蒸汽（图4-42 a、b结构）和排净（图4-42 c结构）
第五节管箱及其它结构
一、管箱
管箱按其结构可分为固定端管箱、滑动管箱、浮头管箱。
1．固定端管箱
主要用于固定管板式换热器及U形管式换热器。（填料函式、浮头式换热器物料进口也为固定端管箱）组成：容器法兰、圆筒短节、封头、及进出口的接管与法兰组成．有时还设有放空口、放净口、仪表接口、分程隔板等。
安图4-43讲述几种常见固定管箱结构
2．滑动管箱
主要指用于填料函式换热器滑动端的管箱。分为外填料函浮头式、单填料函滑动管板式和 双填料函滑动管板式三种。
（1）外填料函浮头式：如图4-44所示。填料函在管板外，填料箱在壳体法兰内。用于压力小于2.5MPa 的换热器。（整个管箱滑动）
（2）单填料函滑动管板式：如图4-45所示。在管板上焊一短节，将填料函设在壳体法兰内，填料填在短节和填料函之间，用管箱法兰兼作填料压盖。（仅管板滑动）
（3）双填料函滑动管板式：如图4-46所示。该结构具有双重填料，内圈填料主要用密封管、壳程的压差密封，外圈填料主要起保险作用，一旦内圈填料有泄漏，外圈填料则能阻止漏出的介质扩散到空间，并能由接管收集漏出的介质，一般用于介质为易燃、易爆、有毒性介质等场合。（仅管板滑动）
3．浮头管箱
浮头管箱指浮头式换热器浮头端管箱。按图4-47所示介绍管箱结构，如何拆装。
4．高压管箱
对高压换热器，一般高压介质均走管程，高压管箱既要承受高压，又要防止泄露，选择合理的管箱结构对降低制造成本，便于拆装及安全性等均有重大意义。
注意事项：尽量减小管箱内径；尽量用锻件；尽量少用法兰结构；尽量采用简单结构；选择合理的物流流向。（与图4-48对应介绍）
5．分程隔板
设计要求：承受脉动流体或隔板两侧压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，或改变隔板结构；大直径换热器隔板设计成双层结构；分程隔板上可设排净孔；厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边至10mm。（强调：分程隔板端面属于密封面，在与管箱整体焊后进行精加工）
二、其它结构
1. 拉杆与定距管
安装拉杆与定距管的目的是为了固定折流板或支持板，使两板保持一固定的距离。
（1）拉杆形式：
螺纹连接：拉杆与管板采用螺纹连接，折流板靠定距管固定间距，适用于外经大于等于19 mm的管束。
焊接连接：拉杆与管板、折流板均采用焊接，适用于外经小于等于14 mm的管束。
（2）拉杆的直径和数量：（由筒体公称直径和换热管直径确定）
由表4-24、4-25选取。拉杆公称直径不得小于10 mm，数量不得少于4根。
（3）拉杆的布置与尺寸：
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，以便于较好地固定折流板。对于大直径的换热器，在布管区
内或靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆，任何折流板应不少于三个支撑点。 2．防冲板和导流筒
（1）设置防冲板的条件：
管程轴向接管或管内流速大于3m/s 时，管程设置防冲板；壳程进口管流体的ρν2超过一定值时，在壳程进口管处设置防冲板或导流筒；对有腐蚀或磨蚀的气体、蒸汽及气液混合物应设置防冲板。 （2）防冲板的设置：
防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的1/4； 防冲板的直径或边长，应大于接管外径50 mm； 防冲板的最小厚度：碳钢4.5 mm，不锈钢3 mm；
防冲板可采用三种固定形式：焊在定距管或拉杆上；焊在圆筒上；螺栓固定。以焊在筒体较为常见，简介其常见形状。 （3）导流筒的设置：
当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减少流体停滞区，增加换热管的有效长度。分为内外导流筒两种形式。 3．滑道
滑道的结构有滑板、滚轮、滑条等形式。以滑板最为常见，对于可拆管束结构，必须设计滑道以便管束拆装。简介其结构
4．壳体内径的确定（仅为估算公式，且没考虑分程的影响）
首先根据换热管总数Nt 确定换热管束中心管排的管数Nc： 对于正方形排列：
Nc=1.19Nt
0.5
对于正三角形排列：
Nc=1.10Nt 0.5
壳体内径Di:
Di=s(Nc-1)+d 0+e Di 也可以按下式估算： Di= s(Nc-1)+4d 0式中：
s-换热管中心距，m d 0-外径，m
e-壳体内径与管束外径之差，一般在0.025-0.076m。
（简单介绍公式的意义）
第五章 管壳式换热器的强度设计
第一节 压力容器强度设计的基本概念
一、压力P ——除注明外，压力均指表压力，单位用Mpa 表示。
工作压力P w ——指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
设计压力P d ——指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。一般在装有安全阀时，，当无安全阀时，w d P p )1.1~05.1(=w d P p )05.1~0.1(=
计算压力P c ——在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱的静压力。当元件所承受
的液柱静压力小于5%设计压力时，可以忽略液柱静压力。
试验压力P T ——进行压力试验时容器顶部的压力。 二、温度
金属温度——沿元件金属截面的温度平均值。
设计温度——容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度。 试验温度——进行压力试验时，壳体的金属温度。 （标志在设备铭牌上的设计温度应是壳体设计温度） 三、厚度（单位为mm ）
1．计算厚度c δ——按公式计算得到的厚度。
2．设计厚度d δ——计算厚度c δ+腐蚀裕量C 2，即：2C c d +=δδ。
3．名义厚度n δ——设计厚度d δ+钢材厚度负偏差C 1+向上圆整至钢材标准规格厚度的差,即： Δ
Δ+++=Δ++=211C C C c d n δδδ。名义厚度为标注在图样上的厚度。
4．有效厚度e δ——Δ+=?=??=c n n e C C C δδδδ21
5．厚度附加量C ——钢材厚度负偏差C 1+腐蚀裕量C 2，即：21C C C +=
6．最小厚度min δ——为了满足制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求，根据工程实践经验所规定的不包括腐蚀裕量C 2的最小元件厚度值。 对于不锈钢容器，取mm 2min =δ
对于碳素钢和低合金钢容器????
?>=≤件确定
根据运输和制造安装条时内径且不小于时内径,38003,10002,3800min mm D mm mm D mm D i i
i δ 对于换热设备，其最小厚度min δ的规定更为严格，具体规定见P118表5-4、5-5。
四、耐压试验及气密性试验
耐压试验目的——检验容器在超设计压力情况下的宏观强度以及焊缝和其它连接部位的致密性。一般为液压试验，以水、油等为试验介质，特殊情况下作气压试验，以N 2、惰性气体为试验介质。 耐压试验试验压力 1．液压试验：t
d
T p p ][]
[25.1σσ= 2．气压试验：t
d
T p p ][]
[15.1σσ= 注意：以公式计算的试验压力是指试验压力的下限值（最低值）。
T p 对于外压或真空容器，压力试验时也用内压进行试验，其试验压力为： 液压试验：
p p T 25.1=
气压试验：
p p T 15.1=3．气密性试验：主要用于介质的毒性程度为极度或高度危害的介质的容器，以检验其密封性能，必须在压力试验合格后进行。气密性试验的压力可取为，介质一般为NH d p 3等渗透力强的气体。 4．压力试验前的应力校核 （1）液压试验时：s e e i T T D p σφδδσ9.02)
(≤+=
（2）气压试验时：
s e e i T T D p σφ
δδσ8.02)
(≤+=
符号：T σ——压力试验时的应力，Mpa
s σ——材料在试验温度下的屈服点，MPa
五、焊接接头系数φ——指材料在焊接时，焊缝区的强度由于各种因素的影响而有所降低，为了保证安全，在材料的许用应力前乘以一个系数φ，这个系数就称为焊接接头系数。
焊接接头系数φ的选择，一般规则为：
（1）双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头系数：100%无损检测时取0.1=φ；局部无损检测时取φ=0.85。
（2）单面焊对接接头系数：100%无损检测时取9.0=φ；局部无损检测时取φ=0.8。 六、内压圆筒的薄膜应力理论
薄膜应力理论又称为无力矩理论。即在应力分析中只考虑两向薄膜应力?θσσ,而不考虑弯曲应力和剪切应力得到的理论。在仅考虑介质压力情况下对圆筒的应力，其结论简化为：
环向应力：δδ
σθpR
pD ==
2 轴向应力：δ
δσ?24pR
pD =
= 从上面的计算公式可以看出：内压圆筒壳体的应力只与几何尺寸有关，而与所用材料无关。
筒 体
第二节 筒体
换热器的筒体（包括管箱上的短节）做强度计算时应按GB150中的有关规定进行。 一、 内压圆筒 其计算公式为：
计算厚度：
)
][2(P D P t
i
???=φσδ mm (5-15) *（要求掌握）
名义厚度：
Δ++=c n δδmm (5-16)
式中：
P ──设计压力，计算短节厚度时P=P t ； 计算筒体厚度时P=Ps ；
t ][σ──材料在设计温度下许用应用，MPa ；
二、 外压圆筒 其计算步骤为： 1．当20/≥e o D δ时
（1）设n δ，令c n e ?=δδ，定出L /和o D e o D δ/（L 为圆筒计算长度）； （2）由L /及o D e o D δ/的值在几何图上查得系数A ；
（3）用A 在厚度算图上查得系数B ；
若A 值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数B ，并按式（5-17）计算许用外压力[P ]：
e
o D B P δ
=
][ (5-17)
若所得A 值落在设计温度下材料线的左方，则用式（5-18）计算许用外压力[P ]：
)
(32][e o D AE P δ=
(5-18)
（4）[P ]应大于或等于P t ，否则须再假设名义厚度，重复上述计算，直到[P ]大于且接近于P t 为止。 2．当20/ （1）用与第1条相同的步骤得到系数B 值；但当0.4/ 2 ) (1.1e o D δ= A (5-19) 系数A >0.1时，取A =0.1。 （2）按式（5-20）计算许用外压力： ]}1 1[2,]0625.025.2min{[][e o e o o e o D D B D P δδσδ??= （5-20） 式中：o σ──应力，取以下两值中的较小值： t o ][2σσ= t s o σσ9.0=或 t o 2.09.0σσ=（3） 应大于或等于，否则须再假设名义厚度][P c P n δ，重复上述计算，直到大于且接近为止。 ][P c P ※ 换热器的筒体壁厚按上述步骤得出名义厚度后，其最小厚度不得低于表5-4、表5-5的规定。 例题讲解 [例1]内压容器壁厚的确定 某化工厂欲设计一台固定管板式换热器。工艺参数为：换热器内径mm D i 600=，壳程工作压力为，工作温度为，壳程介质为水。试选择换热器壳程材料并确定其壁厚。 MPa p w 0.2=C C t °°=95~60【解】 （1）选材：由于水对钢材的腐蚀不大，温度在，压力为中压，故选用材料为16MnR 。 C °95~60（2）确定参数： °=====×=9858.0;170][; 600;2.20.21.1t MPa mm D MPa p t i d φσ取腐蚀裕量 mm c 12=（3）计算壁厚： () )(6.42 .285.01702600 2.2] [2mm P D P d t i d c =?×××= ???=φσδ 根据计算壁厚4.6mm ，加上C 2后为5.6mm ，查钢板厚度负偏差表得mm C 6.01=，故： )(2.66.016.421mm C C C d c =++=++=+δδ 向上圆整后取名义厚度为：mm n 7=δ （4）校核水压试验强度： 水压试验压力：MPa p p t T 75.212.225.1] [] [25.1=××==σσ 应力校核：s e e i T T D p σφ δδσ9.02) (≤+= 上式中：MPa mm C s n e 345;4.56.17==?=?=σδδ（GB150） 则：)(5.3103459.09.0)(7.1928 .04.52) 4.5600(7 5.2MPa MPa s T =×=<=××+×= σσ 所以水压试验强度满足要求。 [例2]内压容器强度校核 有一台搁置的旧换热器，其材料为Q235-B ，实测外径为D o =800mm ，最小壁厚为mm n 5.7=δ。已知：壳体设计温度为常温，mm C C MPa 1,0, 85.0, 113][21====φσ。现想使用这台换热器， 其壳程工状为：使用温度为常温，工作压力为 4.0Mpa ，介质为水，问这台旧换热器的壳体是否满足强度要求？如强度不够，该壳体的最大工作压力是多少？ 【解】 （1）确定参数 85.0, 113][, 5.7,800, 4=====φσδMPa mm mm D MPa p n o mm C mm C C C n e 5.615.7, 11021=?=?==+=+=δδ （2）强度校核： MPa D p e e o 2.28785 .05.62) 5.6800(42)(=××?×=?= φδδσ 因为 113][2.287=>=σσ，所以 该壳体不满足强度要求，须降低使用压力。 （3）确定最高允许工作压力： MPa D p e o e t 57.15 .68005 .685.01132][2][=?×××=?=δφδσ 故该壳体的最大安全使用压力为1.57Mpa 。 [例3]外压容器校核 有一外压容器，已知：设计外压力，内径Mpa p 2.0=mm D i 1800=，圆筒的计算长度，设计温度，壁厚附加量，材料为16MnR,其弹性模数。问其厚度为mm L 3450=C t °=250mm C 2=MPa E t 3104.186×=mm n 14=δ时是否满足要求？ 【解】 （1）确定参数： )(182814218002mm D D n i o =×+=+=δ 152 12 1828 , 9.11828 3450 ) (12214=====?=?=e o o n e D D L mm C δδδ （2）在图5-4上查得A=0.00035； （3）在图5-7的下方找到系数A=0.0035（此点落在材料温度线的右方），将此点垂直上移，与250℃的材料温度线交于一点，再将此点水平右移，在图的右方得到B=42.5； （4）按式（5-17）计算许用外压力[P] MPa D B p e o 28.0152 5 .42) (][== = δ （5）比较p 与[P]，显然而且比较接近，故取][p p 第三节 平盖及曲面封头 平盖和封头作为换热器的受压元件，其内压强度与外压稳定计算均与普通的压力容器相同，可以按常规压力容器进行设计。对螺栓连接的平盖封头和平盖法兰还需进行刚度计算，以校核其密封性能。 一、强度计算 1．平盖封头 当平盖封头与筒体焊接时，按圆平板承受均布载荷考虑，用系数K 保证周边支撑对强度的影响，其厚度计算式为： p δ=D c ·φ σ??t Pt K ][ (5-1) （要求知道：与t P ()2 D δ成正比） 式中： p δ──平盖的计算厚度，mm ； t P ──管程设计压力，MPa ； t ][σ──设计温度下材料的许用应力，Mpa ； φ──焊缝系数； K ──结构特征系数，见表5-1； c D ──封头的有效直径，见表5-1。 当平盖封头与筒体用螺栓连接时：（相对于1式，要考虑法兰力矩的作用，用系数K 进行调节） ① 对管道内无隔板的平盖厚度按式（5-2）计算： p δ= D G ·φ σ??t Pt K ][ mm (5-2) 式中： K 1──结构特征系数，取下列两式中的较大值: 操作时: 3 178.13.0G t G D P S W K ??+= 预紧时： 3 178.1G t G D P S W K ??= W ──预紧状态或操作状态时的螺栓设计载荷，N ； S G ──垫片压紧的力臂，等于螺栓中心圆直径与D G 之差的一半,mm 。 ② 对管箱内有隔板的平盖厚度取式（5-2）和式（5-3）计算值中的较大者 3 13 )]/(684)/(056.0[n G b G G t p d E D A S E D P ????+?=δ （5-3） 式中： E ──材料设计温度下的弹性模量，MPa ； A b ──实际使用的螺栓总截面积，mm 2 ； d n ──螺栓公称直径，mm 。 当垫片系数m ≤3时，求得的p δ值可减少20%。 2．球形封头 厚度按式（5-4）计算： ) ][4()t t i t P D P ??=φσδ mm (5-4) 3．椭圆形封头 厚度按式（5-5）计算： ) 5.0][2(t t i t P D P K ???=φσδ mm (5-5) （* 要求掌握） 式中： K ──形状系数：])2/(2[6 1 2i i h D K += ； i h ──封头曲面深度，mm 。 对标准椭圆形封头，4 i i D h =，故得K=1。 4．碟形封头 厚度按式（5-6）计算： t t i t P D P M 5.0][2???=φσδ mm (5-6) 式中：──碟形封头球面内半径，mm ； i R ──碟形封头过渡区半径，mm ； i r M ──应力增强系数：M= 4 1（3+i i r R ）。 5．无折边锥形封头 厚度按式（5-7）计算： p δ=t t i t P D P ???φσ][2 · α cos 1 mm (5-7) 式中：α──锥壳半顶角，（°）。 对锥形封头大端还需按图5-1判断是否需要加强，如需加强，则加强段厚度按式（5-8）计算，且加强段长度应不小于α δcos 5.02i D 。 ) ][2(t t i t P D P ????=φσδQ mm （5-8） 式中：Q ──应力增强系数，按图5-2选取。 对折边锥形封头锥体大端过渡区壁厚按式（5-9）计算： t t i t c P D P K 5.0][2????=φσδ mm (5-9) 与过渡区相连接处的锥体壁厚按式（5-10）计算： δ=t t i t P D P f 5.0][2?????σ mm （5-10） 式中：──系数，按表5-2查取； c K ──系数，f α αcos 2)cos 1(21?? = i D r f ； r ──折边锥壳大端过渡段转角半径，mm 。 * 比较各种封头的受力情况，以球形封头最好，而平板封头受力最差。 换热器的实际应用中，封头承受外压情况较为少见。当封头承受外压时，封头上的主要应力为压应力，故封头与筒体一样也存在稳定性问题，而且封头形状、材料等初始缺陷对其稳定性的影响更加显著，故对成型封头失稳研究在理论上、实验上都比圆筒复杂得多。目前外压封头的稳定性计算建立在球形壳体承受均布外压的弹性失稳分析基础上，并结合实验数据给出半经验的临界压力计算公式，但将它们直接用于设计还欠成熟，因此，设计中仍采用类同外压图算法的一些近似方法。以半球形封头为例，其计算步骤为：（侧重于外压圆筒） （1） 先假设壁厚为n δ，则c n e ?=δδ； （2） 计算系数A 值：e i R δ125.0=A ； （3） 根据材料厚度计算图(图5-4～图5-8)由系数A 值查取B 值； （4） 计算许用外压力：= ][P e i R B δ； （5） 比较设计压力与，若<，则重新设定t P ][P ][P t P n δ，重复上述步骤直至≥。 ][P t P 对于碟形封头，可用球冠部分内径作进行上述计算，而对椭圆形封头，可取当量曲率半径 进行计算，系数K 由表5-3查取。 i R i i D K R ?=二、密封性能校核 对于用螺栓连接的平盖封头和平盖法兰，在实际计算中更重要的是校核平盖和法兰连接的密封性能，确定螺栓预紧力，确保其严密不漏。在某些场合还需要计算平盖的挠度。为此，须将平盖、法兰、螺栓及垫片作为一个超静定系统，象容器法兰系统一样，进行受力和变形分析，并导出整体分析计算方法。（具体计算不作要求） 例题讲解 [例4]内压容器封头壁厚的确定 试确定内压容器封头厚度。已知： MPa mm C C C t MnR MPa p mm mm D t n i 170][,85.0,2,20~3:,16, 2.2,7,600===°?°?====σφδ工作温度为材料为 【解】 （1）采用半球形封头时，厚度为： ) (5) (3.22 .285.01704600 2.2][4mm C mm p pD c n t i c =Δ++==?×××=?= δδφσδ （2）采用标准椭圆形封头时，厚度为： ) (7)(6.42.25.085.01702600 2.25.0][2mm C mm p pD c n t i c =Δ++==×?×××=?= δδφσδ 《化工设备设计基础》综合复习资料 一、填空题 1. 力的合成与分解法则有和两种。 2. 作用在梁上的载荷一般可分为集中力、和；根据梁的约束及支 承情况可以分为简支梁、和三种。 3. 钢材中含有杂质硫会造成钢材的性增加，含有杂质磷会造成性增加。 4. 两物体之间的机械作用称之为力。力的三要素是、和。 5. 材料破坏的主要形式有和。 6. 平面力偶系平衡的充要条件是。 7. 设计温度在压力容器的壁厚计算公式中尽管没有直接出现，但它是和确 定时不可缺少的参数。 8. 压力容器制造完成之后必须进行压力试验，按照压力试验的介质种类可以分为和 两种方法。 9. GB 150-1998《钢制压力容器》是我国压力容器标准体系中的标准。 10. 在压力容器的四个壁厚中，图纸上所标注的厚度是厚度，用来承担外载荷强度 的厚度是厚度。 11. 法兰联接结构，一般是由、和三部分组成。 12. 为使薄壁回转壳体应力分析过程简化除假定壳体是的之外，还作 了、和。 13. 塔设备的裙座与筒体搭接结构焊缝受应力作用；对接结构焊缝承受应力作用。 14. 内压操作的塔设备其最大组合轴向拉应力出现在工况时设备侧。 二、判断题 1. 轴力图可以确定最大轴力的值及横截面危险截面位置，为强度计算提供依据。 2. 有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差，其数值等于计算厚度。 3. 法兰联接中，预紧密封比压大，则工作时可有较大的工作密封比压，有利于保证密封， 所以预紧密封比压越大越好。 4. 使梁变成凹形的弯矩为负弯矩，使梁变成凸形的弯矩为正弯矩。 5. 外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。 华东理工大学 第一届化工设备计算机辅助概念设计 比赛说明书 设计者： 高一聪（过程0１2) 杜鼎（机设015） 孙英策（机设011) ２0０3年1１月6日 目录 一.设计要求???? (3) 二.设计思路概述?? (3) 三.设计尺寸??? (4) 四.设计建模过程???………………４ 塔体???? (4) 裙座??? (4) 接管??? (6) 法兰??? (6) 人孔??? (6) 吊柱????………………７ 操作平台??? (7) 梯子??? (8) 五.椭圆形封头钣金展开???………………９ 六.心得体会????? (13) 七.参考书目???………………１4 一.设计要求 1塔设备三维造型 2设计平台、扶梯、并与塔组装。 ａ除了图中已注尺寸,其余部分形状大小由设计而定。 b塔筒体内零件忽略不作,只作塔设备外形。 c接管、人孔、支座等方位由设计而定。 d平台与扶手形状、大小自行设计。 e支座数量为4个。 f 支座与法兰大小应由有关系列标准而定。 3画出塔设备椭圆封头的展开图。展开方法合理，所用材料最省。 二．设计思路概述 塔设备是化工,炼油生产中最重要的设备之一。它主要分为板式塔和填料塔两大类。我们设计的塔设备就是以板式塔为模板的。我们通过查看实物图片,查阅相关塔设备资料和设计标准手册研究除了一套较合理的方案。我们的设计主要分为以下几部分: １、塔体：塔设备的外壳。它由等直径、等厚度的圆筒和作为头盖和低盖的椭圆形封头组成。 2、塔体支座：塔体安放在基础上的连接部分。它用以确定塔体的位置。本题中塔 设备采用的是最常用的支座形式——裙座。 3、除沫器：用于捕集夹带在气流中的液滴。对于回收物料，减少污染非常重要。 4、接管：用以连接工艺管道,把塔设备与其他设备连成系统。安用途可分为进液 管、除液管、进气管、出气管等。 5、人孔：为安装、检修、检查的需要而设置的。 化工设备机械基础考试 试卷 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58- 《化工设备机械基础》试卷适用专业: 应用化工技术年级: 2010级考试方式：闭卷 班级：姓名：学号：考试时间： 120 分钟 一、选择题：将正确答案的顺序号填入题后的括号内。（共8分，每小题1分） 1.设计压力为 2.5MPa的容器属于。（） A．低压容器 B. 中压容器 C.高压容器 D. 超高压容器 2.钢材的强度随温度的升高而，韧性和塑性随温度的降低而。 （） A．下降，升高 B．下降，下降 C．升高，下降 D．升高，升高3.不锈钢材料0Cr18Ni9牌号中的“0”表示其含碳量低于。（） A．百分之一 B. 千分之一 C. 万分之一 D. 万分之三 4.对于低温容器，设计选材时应特别注意材料的。（） A．低温强度 B. 低温刚度 C. 低温硬度 D. 低温脆性 5.从受力角度考虑，椭圆形封头、碟形封头、半球形封头和折边球面封头四种 凸形封头中，的受力情况最好。（） A．椭圆形封头 B. 碟形封头 C. 半球形封头 D. 折边球面封头 6.低碳钢拉伸试验的整个过程，按顺序大致可分为如下四个阶段。（） A. 弹性阶段、强化阶段、屈服阶段和颈缩阶段 B. 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段 C. 弹性阶段、颈缩阶段、强化阶段和屈服阶段 D. 屈服阶段、弹性阶段、强化阶段和颈缩阶段 7.无缝钢管的公称直径指的是管子的。（） A．内径 B. 外径 C. 中径 D. 其他 8.设计中选用标准法兰的压力等级时，除考虑法兰的类型、材料、最高工作压 力外，还应考虑法兰的：（） A．公称直径 B. 密封面型式 C. 垫片种类 D. 工作温度二、填空题。（每空1分，共20分） 1．过载时带会在轮上，可防止其他零件的损坏，起到过载安全保护作用。 2．齿轮传动的失效形式 有、、、 、。 3．材料的化学性能有、抗氧化性。 4．碳钢是含碳量小于 %的铁碳合金。 5．工程上，伸长率δ≥5%的材料称为材料，δ<5%的材料称为 材料。 6．45钢，表示平均含碳量为 %的优质碳素结构钢。 7．对碳素结构钢、低合钢制容器，规定壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度为 mm。 徐州工程学院试卷 2013 —2014 学年第_2 ___ 学期 试卷类型_A _______ 考试形式闭卷 命题人2014 ______ 年4_月_9_日 教研室主任____________________ 年_月_日 姓名_____________ 班级___________________ 课程名称化工设备机械基础______________ 考试时间100 __________ 分钟 使用班级11 化艺__________________________ 教学院长年月〒' 学号—— 2.材料力学对变形固体做了如下假设：连续性假设、均匀性假设、各向同性假设、小变形假 设。 3. d =Es称为—虎克定律。 4.第一强度理论又称最大拉应力理论。 、选择题（每题2分，共计10分） 1.静力学研究的对象是（ d ） a.物体 b.流体 c.物质 d.刚体 2.图示结构，用积分法计算AB梁的位移时，梁的边界条件为（a ） a.y A=0 y B=0 b.y A工0 y B工0 c.y A=0 y B 工0 d.y A丰 0 y B=0 3.工作压力为1.8MPa，容积为1500m3，介丿 a.l类容器 b.n类容器 P !!g △Ef X L / J 质为液化石油气的球罐，属于 （ C.川类容器 4.下列不属于工程上常采用的开孔补强结构的是（ b ）。 a.补强圈补强 b ?多层包扎补强 c.厚壁管补强 d .整体锻件补强 5.为提高外压圆筒承载能力，通常较为合理的方法是（ c ）。 a.增加壁厚 b.改用强度较高的材料 c.设置加强圈 三、是非题（每题1分，共计10分） Yi b i n U n i v e r s i t y 设计说明书 题目用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计 系别化学与化工学院 专业应用化工技术 学生姓名雷静 学号110706028 年级2011级6班2013 年 6 月13 日 化工11级6班 雷静 110706028 - - - 1 - 化工设备设计基础课程设计 设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计 一、 设计任务及条件 (1) 使煤油从140℃冷却到40℃，压力1bar ； 处理量为21万吨/年 (2) 冷却剂为水，水压力为3bar 。 二、 设计内容 1. 主体设备和零部件材料选择； 2. 主体设备尺寸和零部件尺寸计算及选择规格； 3. 设备壁厚以及封头壁厚的计算和强度校核； 4. 各种接管以及零部件的设计选型； 5. 设备支座的设计选型； 6. 法兰的设计选型； 7. 设备开孔及开孔补强计算； 8. 设计图纸一张，包括设备总装配图，至少画三个重要构件的局部图；技术特性表，接管表和总图材料明细表。要求比例适当，字体规范，图纸整洁。 三、 设计成果 （1） 设计说明书一份； （2） A 1设计图纸包括：换热器的设备尺寸图及机械设计。 化工11级6班 雷静 110706028 - - - 2 - 目 录 设计任务........................................................................................................................................... 1 第1章 绪论 . (4) 1．1 概述 ................................................................................................................................. 4 1.2 换热器设计依据 .............................................................................................................. 4 1.3 几种管式换热器的介绍 . (4) 1.3.1 固定管板式换热器 ............................................................................................... 4 1.3.2 浮头式换热器 ........................................................................................................ 4 1.3.3 U 形管式换热器 ..................................................................................................... 4 1.3.4 外填料函式换热器 ............................................................................................... 5 1.3本文研究的主要内容 ....................................................................................................... 5 第2章 确定设计方案 . (5) 2.1 换热器类型的选择 .......................................................................................................... 5 2.2 管程安排 ........................................................................................................................... 5 2.3 流向的选择 ..................................................................................................................... 6 第3章 确定物性参数 ................................................................................... 错误！未定义书签。 第4章 工艺计算 (6) 4.1 估算传热面积 ................................................................................................................... 6 4.1.1 热流量 ..................................................................................................................... 6 4.1.2 平均传热温差 ........................................................................................................ 6 4.1.3 冷却水用量 ............................................................................................................ 7 4.1.4 总传热系数 ............................................................................................................ 7 4.2 主体构件的工艺结构尺寸 (7) 4.2.1 管径和管内流速 ................................................................................................... 7 4.2.2 管程数和传热管数 ............................................................................................... 8 4.2.3 传热管的排列和分程方法 .................................................................................. 8 4.2.4 壳体内径 ................................................................................................................ 8 4.2.5 折流板 ..................................................................................................................... 8 4.2.6 接管 ......................................................................................................................... 9 4.2.7 换热管的结构基本参数 ...................................................................................... 9 4.3 换热器主要传热参数核算 . (9) 4.3.1 热流量核算 ............................................................................................................ 9 4.3.2 壁温核算 .............................................................................................................. 11 4.3.3 换热器内流体的流动阻力（压强降） . (12) 第5章 结构设计 (14) 5.1 壳体直径、长度、厚度设计....................................................................................... 14 5.2 换热器封头尺寸 ............................................................................................................ 14 5.3 法兰及各连接材料的选择 . (15) 5.3.1 选定法兰结构 ...................................................................................................... 15 5.3.2 选定垫片结构 ...................................................................................................... 15 5.4 管箱 .................................................................................................................................. 16 5.5 开孔补强 . (16) 5.5.1 壳体接管的开孔补强 (16) 2006级《化工设备设计基础》课程试题（B卷）合分人： 一、力学部分计算题：（共50分） 1、图示三角形支架ABC，A、B、C三处为铰链链接。在两杆的连接处B悬挂有重物G=30kN。杆AB和BC材料相同，许用应力[σ]=120MPa。AB、BC两杆直径d分别为25mm、30 mm。试校核此支架是否安全。(已知A、B、C三处均为铰接)。(AB和BC两杆的重量不计)（本题15分） 2、图示简支梁受均布载荷q=2kN/m作用，若梁长l=2m，截面为圆截面D=40mm，[σ] = 120MPa。试写出剪力方程和弯矩方程，画出剪力图和弯矩图，并校核强度是否满足要求。 3、已知：P＝7.5kW, n=100r/min,最大切应力不得超过40MPa, 空心圆轴的内外直径之比 = 0.5。二轴长度相同。求: 实心轴的直径d1和空心轴的外直径D2；确定二轴的重量之比。 4、校核如图的矩形截面横梁AB的安全性。（已知α = 30°b= 60mm， h = 80mm，l1 = 1250mm，P = 15kN，[σ] = 160MPa） 二、是非题：在题后括号内，正确划 “√”，错误划“×”（共 10分，每小题1分） 1.《压力容器安全技术监察规程》把压力容器按其破坏时造成的危 害程度分为三类，其中三类容器破坏时造成的危害程度最大，因 而在设计、制造和使用方面对其要求最高。 （ ） 2. 容器法兰与管法兰的PN 、DN 相同时可以相互代用。 （ ） 3. 压力容器强度校核时公式中用到的厚度是有效厚度。 （ ） 4. 内压容器的有效厚度δe 一般都大于计算厚度δ，因此容器最高 允许工作压力[p w ]总是大于设计压力p 。 （ ） 5. 从稳定性考虑，外压容器设计选材时应选用弹性模量较大的材料。（ ） 6. 决定外压加强圈抗失稳能力的截面几何参数是截面面积。 （ ） 7. 圆筒形容器上开孔处的应力集中系数是φmax σσ=K 。（φσ为圆筒经 向薄膜应力） （ ） 8. 为减小鞍座处壳体截面的应力，卧式容器的鞍座距椭圆形封头直边切线的距离A 应该≤0.2L 和0.25D 0（式中L 为筒体长度，D 0 为筒体外径）。 （ ） 9. 圆筒形容器上开椭圆孔时，为降低开孔边缘的应力集中程度，应使椭圆的长轴方向垂直于圆筒的轴线。 （ ） 67 方方面面 Department 2004.3 介绍一本设计工具书—— 由朱有庭、曲文海、于浦义主编，化工出版社出版的“化工设备设计手册”将于２００４年下半年出版。这本书是一本化载作者实用的工具书。该书的编写宗旨是为从事化工、石油、轻工、医药等行业的化工设备和化工机械专业设计人员进行工程设计而用。本手册具有下列特点。 （１） 压力容器等化工设备的设计准则和强度计算方法、公式均以我国现行的国家和行业标准规范（ＧＢ、ＪＢ、ＨＧ）及国际通用的标准规范（ＡＳＭＥ、ＴＥＭＡ）为依据，并汇集了作者多年的工程设计经验，以满足压力容器等化工设备的工程设计、制造。 （２） 对泵、压缩机和通风机的类型、结构、技术性能和适用范围等作了简明扼要的介绍；对这些化工机械的选型和选用设计亦以我国现行的国家和行业标准规范（ＧＢ、ＪＢ）及通用的国际标准规范如ＡＰＩ等为依据，并汇集了大量的选型计算用工程数据、图表等资料，能满足泵、压缩机和通风机的选型、询价、采购和现场安装、调试等的需要。 全书共分１５章和一个附录（腐蚀与防腐蚀），各章的主要内容如下所述。 （１） 第１章“常用资料”的主要内容 ① 工程计量单位及不同计量单位制的单位换算。② 常用物料、材料的物理性质，包括密度、线膨胀系数、导热系数、弹性模量、泊桑系数、磨擦系数、不同黏度单位制的黏度单位换算表和公式及常用液体的黏度等。 ③ 平面几何图形的力学参数如面积、惯性矩、断面模数等计算公式。 ④ 立体几何图形的体积计算公式及诺谟图。⑤ 常用力学、材料力学公式。⑥ 常用流体力学准数。 （２） 第２章“化工设备用材料”的主要内容 ① 压力容器用钢材（钢板等）的品种、牌号、规格及物理、力学性能。 ② 化工设备常用结构材料（碳素钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢、耐蚀合金、有色金属、铸钢和铸铁的物理、力学性能。 ③ 常用结构钢（角钢、槽钢等）的品种、规格、材料和力学性能。 （３） 第３章“焊接”的主要内容① 常用焊接方法简介。 ② 焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）的品种、规格、力学性能、焊接特性和适用范围。 ③ 各种金属焊接用焊接材料的选用。④ 焊接结构设计（焊缝坡口型式、尺寸）。 ⑤ 各种金属材料的焊接如低碳钢、不锈钢、复合钢板、镍和镍合金、金属钛及异种金属材料的焊接方法、焊条（丝）选择等。 ⑥ 焊接缺陷和质量检验及评定。⑦ 焊接工艺评定。 （４） 第４章“紧固件”的主要内容① 专用紧固件 ? 管法兰用紧固件（螺、栓、螺母、垫片）规格系列、螺栓和螺母的材料匹配（ＨＧ标准）。 ? 设备法兰用紧固件（双头螺柱、螺母、垫片）规格系列（ＪＢ标准）。 ② 通用紧固件（ＧＢ标准）（５） 第５章“压力容器”的主要内容① 压力容器受力分析基础知识。 ② 内压容器（圆筒体、锥体、封头等）强度计算（ＧＢ １５０）。③ 外压容器（圆筒体、锥体、封头）稳定计算（ＧＢ １５０）。④ 压力容器开孔补强计算（ＧＢ １５０）。⑤ 法兰计算（ＧＢ １５０）。 ⑥ 设备法兰标准规格压力系列（ＪＢ ４７００～４７０７）。⑦ 设备法兰用紧固件（双头螺柱、螺母、垫片）双头螺柱和螺母的材料匹配力学性能和许用应力。 ⑧ 压力容器用钢板的力学性能和许用应力。⑨ 低温压力容器设计准则。 （６） 第６章“球形容器（球罐）设计”的主要内容① 球罐设计用标准规范。 ② 球罐用材料（碳素钢、不锈钢等）。 ③ 球罐结构设计（球壳瓣结构类型、瓣片下料尺寸计算、球罐容积系列及其各构件参数、支柱及拉杆、球罐附件等）。 ④ 球罐强度计算及局部应力计算。⑤ 球罐的制造、检验与验收。（７） 第７章“大型储罐设计”的主要内容 ① 大型储罐结构设计，包括容积系列（最大至１０万产方米），筒体、罐顶（拱顶、内外浮顶、网架顶结构）、罐底及防火、消防设施设计。 ② 大型储罐用材料。 ③ 大型储罐构件的强度和稳定计算。④ 大型储罐设计用标准规范。⑤ 大型储罐的制造、检验和验收。 《化工设备设计手册 》 新书推荐 2006 级《化工设备设计基础》课程试题（B 卷）答案 一、力学部分计算题：（共50分） 1、（10分） 2sin 30 2306030 51.99tg300.577BC AB G S G KN G S KN = ==?==== （5分） 安全 （5分） 2、（15分） 解：0y F ∑= （5分） 0M ∑= （5分） 最大弯矩发生在梁的中点，其值为2 max 8 ql M = （3分） （3分） max 159120MPa MPa σ=不满足要求 （2分） 1 ()02 ql qx Q x --=1()2 Q x ql qx =-1()()2 M x qx l x =-211 ()022 qx qlx M x -+=0x l ()0x l ≤≤232 max max 331112102881590.043232 Z ql M MPa W D σππ???====?3 12 13 22 251.9910105.9[]120254 601084.88[]120304 AB BC S MPa MPa A S MPa MPa A σσπσσπ?===<=??===<=? 3、（15分） 解： 首先由轴所传递的功率计算作用在轴上的扭矩 （3分） 实心轴 （5分） 空心轴 （5分） d 2＝=23 mm 确定实心轴与空心轴的重量之比 （2分） 4、（10分） 横梁承受拉弯组合荷载，危险面为梁中间。 （2分） （4分） （4分） （2分） 75 954995497162N m 100 x P M T n ==? =?=?..max13 11 1640MPa πx x P M M W d τ= ==3 16 167162 0045m=45mm π4010d ?= =??..() max234221640MPa π1x x P M M W D τα===-()3 246 167162 0046m=46mm π1-4010 D α?= =??..() 2231 132222245101 1.28461010.51A d A D α--???==? ??--?? ＝maxN cos N P A bh α σ= =126sin cos 148.7MPa []Pl P bh bh αασ= += 第一篇: 化工设备材料 第一章化工设备材料及其选择 2.名词解释 A组： 1.蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。或者金属在高温和应力的作 用下逐渐产生塑性变形的现象。 2.延伸率：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。 3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ=Eε,比例系数E为弹性模数。 4.硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。 5.冲击功与冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲击韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。 6.泊松比（μ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于钢材，μ=0.3 。 7.耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力。 8.抗氧化性：金属和合金抵抗被氧化的能力。 9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。它代表材料抵抗产生 塑性变形的能力。 10.抗拉强度：金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值。 B组： 1.镇静钢：镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 Si, Al等完全脱氧脱氧，是脱氧完全的钢。把FeO中 的氧还原出来，生成SiO2和Al2O3。钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中 心顺序地凝固。钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。 2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。其锭模上小下大，浇注后 钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO 气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有 缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构 疏松。 3.半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭内部结构下半部像沸腾钢， 上半部像镇静钢。 4.低碳钢：含碳量低于0.25%的碳素钢。 5.低合金钢：一般合金元素总含量小于5%的合金钢。 6.碳素钢：这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。 7.铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。 8.铁素体：碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体叫铁素体。 9.奥氏体：碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体叫奥氏体。 10.马氏体：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在α铁中过饱和的固溶体。C组： 1.热处理：钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理, 化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。 2.正火：将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却 下来，冷却速度比退火快，因而晶粒细化。 3.退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起冷却下来，得到 接近平衡状态组织的热处理方法。 4.淬火：将钢加热至淬火温度（临界点以30～50oC）并保温一定时间，然后再淬火剂中冷却以 得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。 《化工设备设计基础》 课程设计计算说明书 学生姓名：学号： 所在学院： 专业： 设计题目： 指导教师： 2011年月日 目录 一.设计任务书 (2) 二.设计参数与结构简图 (4) 三.设备的总体设计及结构设计 (5) 四.强度计算 (7) 五.设计小结 (13) 六.参考文献 (14) 一、设计任务书 1、设计题目 根据《化工原理》课程设计工艺计算内容进行填料塔（或板式塔）设计。 设计题目： 各个同学按照自己的工艺参数确定自己的设计题目：填料塔（板式塔）DNXXX设计。 例：精馏塔（DN1800）设计 2、设计任务书 2.1设备的总体设计与结构设计 （1）根据《化工原理》课程设计，确定塔设备的型式(填料塔、板式塔)； （2）根据化工工艺计算，确定塔板数目(或填料高度)； （3）根据介质的不同，拟定管口方位； （4）结构设计，确定材料。 2.2设备的机械强度设计计算 （1）确定塔体、封头的强度计算。 （2）各种开孔接管结构的设计，开孔补强的验算。 （3）设备法兰的型式及尺寸选用；管法兰的选型。 （4）裙式支座的设计验算。 （5）水压试验应力校核。 2.3完成塔设备装配图 （1）完成塔设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。 （2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。 3、原始资料 3.1《化工原理》课程设计塔工艺计算数据。 3.2参考资料： [1] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，2003. [2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]． [3] GB150-1998.钢制压力容器[S]． [4] 郑晓梅.化工工程制图化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002. [5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S]． 4、文献查阅要求 徐州工程学院试卷 2013 — 2014 学年第 2 学期 课程名称 化工设备机械基础 试卷类型 A 考试形式 闭卷 考试时间 100 分钟 命 题 人 2014 年 4 月 9 日 使用班级 11化艺 教研室主任 年 月 日 教学院长 年 月 日 姓 名 班 级 学 号 ？ 一、填空题（每空2分，共计10分） 1. 如图所示为一封闭的圆筒，其半径为R ，筒体壁厚为t 。筒体内盛放密度为ρ的液 体，筒体顶部气体的压力为P 0，离液面距离x 的点A 所受的环向应力大小为 0() ρ+p gx R t ，经向应力大小为 02p R t 。 2. 材料力学对变形固体做了如下假设： 连续性假设 、均匀性假设、各向同性假设、小变形假 设。 3. σ=Εε称为＿虎克定律 。 4. 第一强度理论又称 最大拉应力理论 。 二、选择题（每题2分，共计10分） 1. 静力学研究的对象是（ d ） a ．物体 b ．流体 c ．物质 d ．刚体 2. ！ 3. 图示结构，用积分法计算AB 梁的位移时，梁的边界条件为( a ) a ．y A =0 y B =0 b ．y A ≠0 y B ≠0 c ．y A =0 y B ≠0 d ．y A ≠0 y B =0 4. 工作压力为，容积为1500m 3 ，介质为液化石油气的球罐，属于（ c ）。 a ．Ⅰ类容器 b ．Ⅱ类容器 c ．Ⅲ类容器 5. 下列不属于工程上常采用的开孔补强结构的是（ b ）。 · a ．补强圈补强 b ．多层包扎补强 c ．厚壁管补强 d ．整体锻件补强 题号 一 （ 二 三 四 五 总分 总分 … 得分 ： 《化工设计概论》 一、填空 1．化工设计是一个将系统（如一个工厂、一个车间或一套装置）全部用工程制图的方式，描绘成图纸、表格及必要的文字说明，也就是把工艺流程、技术装备转化成工程语言的过程。 2．化工设计的特点是政策性强、技术性强、经济性强、综合性强。 3．化工设计的发展与石油化学工业等技术的发展有直接的关系。 4．完成初步设计的同时还应当做出总概算。 5．施工图设计的任务是根据初步设计审批意见，解决初步设计阶段待定的各种问题，并以其作为施工单位编制施工组织、施工设计、施工预算和进行施工的依据。 6．施工图设计详细容包括图纸总目录、工艺图纸目录、带控制点工艺流程图、首页图、设备布置图、设备图、设备表、管路安装图、综合材料表、设备管口方位图、设备及管路的保温与防腐设计等。 7．现场施工中设计代表的任务是参加基建的现场施工和安装、调试工作，作技术指导，使装置达到设计所规定的各项指标要求。 8．车间工艺设计包括的容有生产方法的选择、工艺流程的设计、工艺计算、车间布置设计、化工管路设计、提供设计条件及编制概算书和设计文件等。 9．设计人员接受任务后，首先要解决的问题是选择合适的生产方法。 10．工艺设计的中心环节是工艺计算。 11．工艺计算的主要容包括物料衡算、热量衡算、设备计算与选型等，并在此基础上绘制物料流程图、主要设备总图和必要部件图，以及带控制点的工艺流程图。 12．车间布置设计的任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面和空间中的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构形式。 13．化工管路设计的任务是确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足生产工艺的要求。 14．提供设计条件的容包括总图、土建、运输、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、电加热、采暖通风、给排水等非工艺专业的设计条件。 15．设计中经常进行分析比较的技术经济指标有产品成本、基建投资、劳动生产率、投资回收率、消耗定额、劳动力需要量和工资总额等。 16．设计文件容包括设计说明书、附图（流程图、设备布置图、设备图等）和附表（设备一览表、材料汇总表等）。 17．选择生产方法就是选择工艺路线。 18．生产工艺流程图一般由物料流程、图例和设备一览表3个部分组成。 19．设备一览表只需列出序号、位号、设备名称和备注即可。 《化工设备机械基础》习题解答 第三章 内压薄壁容器的应力分析 一、名词解释 A 组： ⒈薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器。 ⒉回转壳体：壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360°而成的壳体。 ⒊经线：若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。 ⒋薄膜理论：薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两向应力状态，也称为无力矩理论。 ⒌第一曲率半径：中间面上任一点M 处经线的曲率半径。 ⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。 ⒎区域平衡方程式：计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。 ⒏边缘应力：内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。 ⒐边缘应力的自限性：当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，弹性约束开始缓解，原来不同的薄膜变形便趋于协调，边缘应力就自动限制。 二、判断题（对者画√，错着画╳） A 组： 1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁内应力？哪些不能？ （1） 横截面为正六角形的柱壳。（×） （2） 横截面为圆的轴对称柱壳。（√） （3） 横截面为椭圆的柱壳。 （×） （4） 横截面为圆的椭球壳。 （√） （5） 横截面为半圆的柱壳。 （×） （6） 横截面为圆的锥形壳。 （√） 2. 在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔，应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。（×） 3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径R R 21=，则该点的两向应力σσθ=m 。 （√） 4. 因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压力一定时，则壁厚大的容器，壁内的应力总是小于壁厚小的容器。（×） 5. 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。（√） B 组： 1. 卧式圆筒形容器，其内介质压力，只充满液体，因为圆筒内液体静载荷不是沿轴线对称分布的，所以不能用薄膜理论应力公式求解。（√） 2. 由于圆锥形容器锥顶部分应力最小，所以开空宜在锥顶部分。（√） 3. 凡薄壁壳体，只要其几何形状和所受载荷对称于旋转轴，则壳体上任何一点用薄膜理论应力公式求解的应力都是真实的。（×） 4. 椭球壳的长，短轴之比a/b 越小，其形状越接近球壳，其应力分布也就越趋于均匀。（√） 5. 因为从受力分析角度来说，半球形封头最好，所以不论在任何情况下，都必须首先考虑采用半球形封头。（×） 三、指出和计算下列回转壳体上诸点的第一和第二曲率半径 A 组： 中石油华东《化工设备设计基础》2016年秋学期在线作业（二） 一、判断题（共20 道试题，共100 分。） 1. 基本风压值是以一般空旷平坦地面、离地面10m高处，统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速为标准计算而得。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 2. 假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 3. 由于容器的公称直径和管子的公称直径所代表的具体尺寸不同，所以，同样公称直径的容器法兰和管法兰，他们的尺寸亦不相同，二者不能互相代用。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 4. 受外压作用的长圆筒其临界压力与圆筒的长度、直径、壁厚及材料种类有关。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 5. 外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 6. 假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生失稳。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 7. 内压薄壁圆筒形压力容器的壁厚公式是按照弹性失效设计准则利用第三强度理论推导出来的。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 8. 安全系数是一个不断发展变化的数据，按照科学技术发展总趋势，安全系数将逐渐变小。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 9. 不论是压力容器法兰还是管法兰，在我国现行的标准都是一个。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 10. 强度设计准则是保证构件不发生强度破坏并有一定安全余量的条件准则。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 11. 有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差，其数值等于计算厚度。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 12. 法兰联接中，预紧密封比压大，则工作时可有较大的工作密封比压，有利于保证密封，所以预紧密封比压越大越好。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 13. 当短圆筒的长度增加到某一值，封头对筒体能起到的支撑作用，开始完全消失，该短圆筒的临界压力将下降到与长圆筒的临界压力相等，这个长度值称为临界长度。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 14. A. 错误 B. 正确 正确答案： 15. 对内压容器，考虑其刚性需要，要规定其相应的最小厚度。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 16. 压力容器设计中规定最小厚度的原因主要是考虑低压薄壁容器在制造、运输及安装过程中的强度需要。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 17. 压力容器壁厚计算公式中的焊缝接头系数取决于主要取决于焊缝的接头形式和无损检测的比例，无损检测的比例越大，焊缝接头系数就越小。 A. 错误 B. 正确 正确答案： 18. 法兰联接密封的原理是：借助螺栓的压紧力，压紧法兰间的垫片并使之填满法兰密封 题号 -一一-二二-三四总分 总分10 20 10 60 100 得分 一、填空题（共4小题，每空1分，共计10分） 1.一阶梯杆如图所示， AB段横截面面积为：Ai=100mrH BC段横截面面积为 A=180mm贝U AB段杆横截面上的 正应力为 _80_Mpa , BC段杆横截面上的正应力为 _83.3_Mpa 。 2 ?当圆截面梁的直径增加一倍时，梁的强度是原梁的_8 _______ 倍。 3 ?低碳钢拉伸过程中可分为 _弹性阶段_、_屈服阶段_、—强化阶段_和局部变形阶段。 4 ?边缘应力的特性主要为 _局部性_、_自限性_。 5.如图所示回转薄壳，中心线为回转轴，A点的第一曲率半径是 _R _____________ ，第二曲率半径是 二、选择题（共10小题，每题2分，共计20分）题5图 1?直杆受扭转力偶作用，如图1所示，在截面1-1和2-2处的扭矩为（B ）。 A. T =25 kN m ; T2 =5kN m ; B. T1 =25 kN m ; T2 =- 5 kN m ; C. T1 =35kN m ; T2 =- 5kN m ； D. T1 =- 25 kN m ; T2 =5 kN m。 2 .简支梁受集中力偶Mo作用，如图2所示。以下结论错误的是（ C ）。 A. b =0时，弯矩图为三角形； B. a =0时，弯矩图为三角形； C.无论C在何处，最大弯矩必为Mo D .无论C在何处，最大弯矩总在 C处。 3 .截面上内力的大小：（C ）。 A.与截面的尺寸和形状有关； B.与截面的尺寸有关，但与截面的形状无关； C.与截面的尺寸和形状无关； D.与截面的尺寸无关，但与截面的形状有关。 4 .下列常用压力容器封头，根据受力情况，从好到差依次排列次序为（ B ）。 A.椭圆形、半球形、碟形、锥形、平盖； B .半球形、椭圆形、碟形、锥形、平盖； C.半球形、碟形、椭圆形、、锥形、平盖 D .碟形、半球形、椭圆形、、锥形、平盖 5.对于铁基合金，其屈服点随着温度的升高而（ C ）。 A.升高 B .不变 C .降低 D .未知数 6 .当焊接接头结构形式一定时，焊接接头系数随着检测比率的增加而（ A ）。 A.增大 B .减小 C .不变 D .不能确定 7 .工程上把3 /D i>( A ）的圆筒称为厚壁圆筒。 A. 0.1 B .0.2 C . 1.0 D .2 题2图化工设备基础总复习
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