典型化工设备设计_温差应力.

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）。

换热器产生温差应力的原因一、前言换热器是工业生产中常用的设备之一，其主要功能是将热量从一种介质传递到另一种介质中。

在使用过程中，换热器会产生温差应力，这对于设备的安全性和使用寿命都有着重要的影响。

本文将从物理原理、材料性能以及设计因素等方面分析换热器产生温差应力的原因。

二、物理原理当介质在换热器内部流动时，由于不同介质的热传导系数不同，会形成温度梯度。

而材料的线膨胀系数也会随着温度变化而变化。

当材料受到高温区域和低温区域的影响时，就会发生线膨胀不均匀的现象，导致产生应力。

三、材料性能在选择换热器材料时，需要考虑其线膨胀系数和强度等性能。

如果材料的线膨胀系数过大或强度过低，则容易发生应力集中现象，导致设备损坏或事故发生。

四、设计因素除了物理原理和材料性能外，换热器的设计也是产生温差应力的重要因素。

设计时需要考虑介质流动的速度、方向以及管道连接方式等因素，以减少温度梯度和应力集中的发生。

五、温差应力的影响换热器产生的温差应力会对设备的安全性和使用寿命造成影响。

长期受到应力作用可能导致设备损坏或事故发生，严重时甚至会危及人身安全。

六、缓解温差应力的方法为了缓解换热器产生的温差应力，可以采取以下措施：1.选择合适的材料，使其具有较小的线膨胀系数和较高的强度。

2.设计合理的结构，减少温度梯度和应力集中现象。

3.采用隔热材料或散热装置，降低设备表面温度。

4.加强设备维护和检测，及时发现并处理问题。

七、总结换热器产生温差应力是由于物理原理、材料性能以及设计因素等多种因素共同作用所致。

为了保证设备安全性和使用寿命，需要在材料选择、设计和维护等方面加以重视。

通过采取合适的缓解措施，可以有效降低温差应力的影响，提高设备的可靠性和安全性。

《化工设备机械基础》习题解答第三篇: 典型化工设备的机械设计第七章管壳式换热器的机械设计一、思考题1．衡量换热器好坏的标准大致有哪些？答：传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造、安装、检修方便。

2．列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？3．列管式换热器机械设计包括哪些内容？答：①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；②换热器封头选择，压力容器法兰选择；③管板尺寸确定；④管子拉脱力的计算；⑤折流板的选择与计算；⑥温差应力计算。

此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。

4．我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些？通常规定换热管的长度有哪些？答：我国管壳式换热器常用无缝钢管规格（外径×壁厚），如下表2所示。

换热管长度规定为：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。

换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4~25之间，常用的为6~10。

立式换热器，其比值多为4~6。

表 2 换热管规格（mm）5．换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。

胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4.0MPa，设计温度在350℃以下，且无特殊要求的场合。

焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。

胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接的“间隙腐蚀”和“应力腐蚀”的情况下。

6．换热管胀接于管板上时应注意什么？胀接长度如何确定？答：采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量。

这样可避免在胀接时管板产生塑性变形，影响胀接的紧密性。

如达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再进行胀接。

化工原理课程设计——换热器设计本课题研究的目的要紧是针对给定的固定管板式换热器设计要求，通过查阅资料、分析设计条件，以及换热器的传热运算、壁厚设计和强度校核等设计，差不多确定固定管板式换热器的结构。

通过分析固定管板式换热器的设计条件，确定设计步骤。

对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚运算和强度校核。

对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。

绘制符合设计要求的固定管板式换热器的图纸，给出相关的技术要求；在固定管板换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB-150、GB151……，使设计能够符合相关标准。

同时要是设计的结构满足生产的需要，达到安全生产的要求。

通过设计过程达到熟悉了解换热器各部分结构特点及工作原理的目的。

关键词：换热器；固定管板；设计；强度名目摘要 ....................................................... 错误!未定义书签。

1绪论 (1)1.2固定管板换热器介绍 (2)1.3本课题的研究目的和意义 (3)1.4换热器的进展历史 (4)2产品冷却器结构设计的总体运算 (6)2.1 产品冷却器设计条件 (6)2.2前端管箱运算 (8)2.2.1前端管箱筒体运算 (8)2.2.2前端管箱封头运算 (10)2.3后端管箱运算 (11)2.3.1后端管箱筒体运算 (11)2.3.2后端管箱封头运算 (12)2.4壳程圆筒运算 (13)3各部分强度校核 (15)3.1开孔补强运算 (15)3.2壳程圆筒校核 (18)3.3管箱圆筒校核 (19)4换热管及法兰的设计 (20)4.1换热管设计 (20)4.2管板设计 (21)4.3管箱法兰设计 (22)4.4壳体法兰设计 (25)4.5各项系数运算 (27)5 产品冷却器制造过程简介 (34)5.1 总则 (34)5.2零部件的制造 (34)结论 (43)参考文献: (44)致谢 (44)1绪论1.1换热器的作用及分类在工业生产中，换热设备的要紧作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。

应力分析在化工设备设计上的应用摘要：化工厂的设备必须严格按照设计标准进行设计。

请考虑从材料、变更、容器类型等多个因素中选择相关设计标准，以选择适合设备运行具体条件的设计标准讨论和信息，并在保质保量的情况下节约设备产品成本。

由于在应力分析和设计的具体情况下，对信息实体模型、设计工期、材料应用和设备生产制造的要求相对较高，因此设备的厚度可以适度减薄，因此设备的具体制造过程可以节省材料成本和工程投资。

关键词：应力分析；化工设备设计；应用11应力分析技术应该是模拟事物的响应。

应力分析可以采用解析法或有限元原理。

对于简单的圆柱截面和其他结构，采用分析方法更为方便，但对于复杂的结构，如穿孔接头、焊接内应力的危害、空位断裂力学分析等，采用分析方法越来越复杂；对于复杂工况的计算，如地震灾害荷载的反应谱分析和车辆碰撞试验的模拟，更容易依靠有限元软件的分析来建立特定结构的模型，进行有限元分析拓扑优化，设置初始条件，增加适当的荷载，并让分析系统进行计算。

与静态分析相比，振动分析的计算，如瞬态响应分析，依赖于手机软件设置响应的计算参数，并让手机软件进行数值模拟，而不是简单地使用分析方法。

应力分析技术在各个领域都有充分的发展趋势。

为了减少厚度和降低原材料成本，从最初的基本设计到当前的分析设计，许多设计人员都采用了应力分析技术。

根据初步分析计算，由于产品配置和系统节点数量的限制，应力分析只能在小范围内使用。

随着技术的不断营销和推广以及设计和生产的快速发展，应力分析技术越来越受到人们的认可。

智能计算软件系统使设计者不再陷入手机软件的预处理。

由于系统的不断更新和升级，它变得越来越个性化，这使得设计人员能够投入更多的时间和精力进行后期研究。

应力分析技术在化工机械设备中的应用越来越完善、越来越方便，并克服了许多实际问题，使设计不仅绿色可靠，而且具有更广泛的应用范围。

随着ASMEviii-2中应力分析技术的逐步改进和计算方法的改进，发现的问题不断改进，困难立即得到解决。

大型石化立式设备的支撑方式大致分为裙座支撑、耳式支座支撑、支承性支座和腿式支座几类。

由于耳式支座具有结构简单，成本较低，安装方便等优势[1]。

目前，对于需要安装在钢结构上的大型设备，例如环氧乙烷反应器和PTA 反应器，大都采用耳式支座支撑的方式。

通常在设计普通立式容器支座的时候采用的是NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》中的计算方法，采用此种方法时不需要校核支座本身的结构和参数，只需对支座和筒体相连接处应力和弯矩进行校核即可。

但是针对一些大型设备或者薄壁容器等特殊结构的容器，标准支座可能无法满足强度校核等要求，因此需要选择一些非标准的耳式支座来满足容器支撑的要求。

又由于石化设备的材料存在一定的特殊性，由此对耳式支座结构的选择也会产生一定的影响。

此外，由于石化设备大都是一些反应温度高、压力高、介质条件苛刻的大型反应器，而且在设计的过程中采用传统的解析计算方法对耳式支座进行设计校核往往会忽略温差应力对设备的影响，所以对反应温度较高的容器应采用应力分析方法对设备的耳式支座进行设计校核。

本文以某PTA 反应器为例，分别对反应器耳式支座的工况1（压力+重力）和工况2（温差应力+压力+重力）进行应力分析，进而设计校核反应器的耳式支座结构。

1耳式支座的模拟计算该PTA 容器的耳式支座是一种带有顶板的结构（见图1）[2]。

该支座的底板、两边支撑的肋板、顶板与壳体都采用全焊透的焊接形式。

因此，可以把耳式支座与壳体看成一个整体。

此种结构不仅对耳式支座的轴向刚性有一定的辅助作用，而且可以减小由于附件焊接在壳体上对壳体产生的局部应力。

目前大型石化装备的耳式支座设计中大都采用此种结构。

该耳式支座采用三块间距相同的肋板结构，这样也有助于力的均分。

由于很多石化设备都是高温容器，采用解析法计算无法考虑温差应力对设备的影响，所以为了准确考虑耳式支座的受力1.一重集团大连工程技术有限公司工程师，辽宁大连1166002.克诺尔制动系统（大连）有限公司工程师，辽宁大连1166003.海洋石油工程股份有限公司设计院高级工程师，辽宁大连116600温差应力对大型石化立式设备耳式支座的影响车媛媛1，刘庆源2，于国杰3摘要：以某PTA 反应器为例，设计分析该反应器在工况1（压力+重力）和工况2（温差应力+压力+重力）耳式支座的受力情况。