论文总字数：15330字

摘 要

废热锅炉是现代化工行业的常用设备，如何提高废热锅炉的传热性能一直是该行业追求的目标。本课题完成了废热锅炉的设计,本次设计的废热锅炉选用了U型管式热交换器的形式。通过对废热锅炉的传热性能、压力降及经济性对比进行的详细的分析基础上，完成了废热锅炉的传热工艺计算与结构设计，并对其主要受压元件进行了强度校核。在完成废热锅炉传热计算与强度校核计算的基础上，针对废热锅炉结构设计、制造、选材等进行了系统的总结，并对其进行了经济性分析。如何降低废热锅炉传热过程的介质流动阻力以及改善其传热传质特性、提高技术经济指标将成为未来新型废热锅炉的开发、设计过程中研究热点。

关键词：废热锅炉 结构设计 强度校核 经济性分析

ABSTRACT

The Waste heat boiler is a common equipment in modern chemical industry. Enhancing the heat exchange performance of waste heat boiler has always been the goal of the industry. In this paper, the design of waste heat boiler is completed, and the U-tube heat exchanger is selected as the waste heat boiler. Comparing the heat transfer performance, pressure drop and economy of the waste heat boiler, detailed analysis is achieved. Consequently, the heat transfer process calculation and structural design of the waste heat boiler were accomplished, and the strength check of the main pressure parts were performed. Then, after completing the heat transfer calculations and strength check calculations of waste heat boilers, a systematic summary of the waste heat boiler structure design, manufacturing, material selection, and other was carried out and an economic analysis was conducted. How to reduce the medium flow resistance in the heat transfer process of waste heat boiler, improve its heat and mass transfer characteristics, and improve the technical and economic indicators will become a research hotspot in the development and design of new waste heat boiler in the future.

KEYWOEDS: Waste heat boiler / Structural design / Strength check / Economic analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT 2

第一章 前言 1

1.1余热概述 1

1.2废热锅炉设计 1

1.2.1废热锅炉的设计标准 1

1.2.2废热锅炉的分类 1

1.2.3废热锅炉的结构 1

1.2.4废热锅炉的工艺作用 2

1.2.5废热锅炉的设计计算与强度校核 2

1.2.6废热锅炉的选材 2

1.2.7废热锅炉的制造 3

1.3对废热锅炉发展的展望 3

第二章 材料选择和结构计算 5

2.1 材料选择 5

2.1.1 筒体和封头材料选择 5

2.1.2 鞍座材料选择 5

2.1.3 接管材料选择 5

2.2工艺结构计算 5

2.2.1确定理论总管数 5

2.2.2壳体内径 6

2.2.3布管限定圆 6

2.2.4换热面积核算 6

第三章 换热器零部件结构设计 7

3.1 管箱 7

3.1.1 管箱选型 7

3.1.2 管箱封头 7

3.2 法兰 7

3.2.1管法兰 7

3.2.2设备法兰 8

3.3 换热管 9

3.3.1 换热管尺寸 9

3.3.2换热管排列 9

3.4 管板 10

3.5 拉杆与定距管 10

3.5.1 拉杆 10

3.5.2 管板拉杆孔 11

3.5.3 定距管 11

3.6 支持板与防冲板 11

3.7 垫片与支座 12

3.7.1 垫片 12

3.7.2 支座 12

3.8 换热器零件与部件的连接 13

3.8.1焊缝 13

3.8.2 换热管与管板的连接 14

3.8.3 管箱与管板连接 15

第四章 热交换器材料使用与强度校核 17

4.1工艺条件 17

4.2 容器类别与焊接系数选择 17

4.3壳程筒体壁厚计算 18

4.4 管箱短节与封头厚度计算 19

4.5 壳程封头厚度计算 20

4.6 接管开孔补强校核 20

4.7容器法兰计算 23

4.7.1管箱法兰计算参数 23

4.7.2管箱法兰垫片设计 24

4.7.3管箱法兰螺栓设计 25

4.7.4管箱法兰设计 26

第五章 制造、检验、与经济性分析 29

5.1 制造 29

5.1.1 焊接 29

5.1.2 法兰与其他事项 29

5.2 焊缝无损检测 29

5.3 检验与验收包装 29

5.4 经济核算 30

5.4.1 设备价格估算 30

5.4.2 总投资估算 30

参考文献 31

致 谢 33

第一章 前言

能源是社会发展的物质基础，我国作为能源消费大国，能源消费占世界总量的23.2% ^[1]。在能源的使用过程中不可避免地会产生废热，将这部分余热回收利用，能极大提高能源的使用效率^[2-3]。而废热锅炉（余热锅炉）就是一种在化工生产中将废热加以利用，生产高温高压蒸汽的压力容器。广泛运用于化工行业，例如合成氨、尿素等的生产过程中^[4]。本次毕业设计就是设计固定管板式余热锅炉.

1.1余热概述

余热属于二次能源，是一种工业生产中能源使用完成后未能被利用的能量。一般分为七大类，如高温烟气余热 、高温蒸汽余热等^[5-6]。而常使用的的余热利用方式有发电，供暖^[7]等方式。

1.2废热锅炉设计

1.2.1废热锅炉的设计标准

本毕业设计的余热锅炉属于压力容器，设计遵守GB150.1-4－2011《压力容器》^[8]及GB/T151－2014《热交换器》^[9],同时接受TSG21－2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的监察^[10]。

1.2.2废热锅炉的分类

考虑到锅炉结构，工作条件的差异性，废热锅炉的分类情况及其特点总结如表1.1^[11]所示。

1.2.3废热锅炉的结构

目前常用的管壳式废热锅炉结构通常由前后烟箱、管程、壳程、拉撑件、支持板(折流板)、鞍座组成^[12]，结构较为紧凑。而采用火管式还是水管式锅炉则要取决于具体生产中的工艺条件如温度、压力等来选取。

表1.1 废热锅炉常见分类

1.2.4废热锅炉的工艺作用

废热锅炉是一种固定管板式换热器，一开始只是作为辅助性的设备，生产低压蒸汽，回收热量极有限^[13]。随着进一步发展，废热锅炉开始生产高压蒸汽，热回收效率逐渐提高，并且在减少污染方面以及在生产中满足某些工艺的要求方面都有不可取代的作用^[14]。

1.2.5废热锅炉的设计计算与强度校核

针对余热锅炉的工艺尺寸和零部件的结构，进行了相关的设计计算。对受压元件根据相关标准采用SW6进行强度计算与校核。在设计计算时，要满足工艺条件做出合理的设计，在满足安全可靠的前提下最大程度上提高设备的热交换效率。同时还要考虑到设备的安装以及日后的运行与维护，设备要方便人员进行的检测与维修。经济性也是设计中不可或缺的一部分，在满足了安全合理的条件后，尽量节省材料的使用，尤其是昂贵的不锈钢或防腐蚀合金。废热锅炉的计算首先是进行材料的选择以及设备壁厚（筒体厚度、封头厚度、接管厚度等）的计算。之后进行受压元件与开孔补强的计算，在设计中，必须避免零件因为局部应力而出现失效的情况。完成以上计算后，要对设备进行压力试验与应力校核，对换热面积进行校核。 ^[15-18]。

1.2.6废热锅炉的选材

压力容器在设计中选择钢材要充分考虑到设备的操作条件，如设计温度及压力，介质特性等，同时还要考虑到结构设计的需要以及材料的焊接性能，要充分考虑材料的热强度以及耐腐蚀等方面的因素^[19]。废热锅炉的不同部位根据其不同的生产条件,选择不同的材料,结构与材料的不同,应依次装配，并在焊接后对各个材质不同的零部件进行热处理^[20]。废热锅炉的管程介质为合成气，其中含有氢气，有发生氢腐蚀的风险^[21]。在高温的条件下接触合成气，接触面钢材腐蚀减薄的速度就会比较快^[22]，应该根据所在位置结构的不同，采用防腐蚀的材料例如镍合金等，或者在普通合金表面喷涂耐腐蚀成分的涂层，来达到耐合成气腐蚀的目的，不过喷涂耐腐蚀涂层在现今还是一项不太成熟的技术^[23]。

1.2.7废热锅炉的制造

废热锅炉的制造涉及多种材料，加工过程比较复杂，加工难度较高。镍合金因为具有良好的耐腐蚀性，而被广泛适用于废热锅炉中。镍合金的导热系数要比碳钢和低合金钢低很多。在焊接过程中，容易出现焊接热裂纹，为了防止出现这些裂纹，以及避免焊接处被污染，要对焊接处进行认真清洗，保持洁净，并选择热裂纹敏感性较低的焊接材料，尽量降低线能量^[24]。在实际生产中，要根据焊接点所处位置结构材料的不同，以及设计温度设计压力的不同来选择每个焊接点的焊接方式以及焊接材料。根据《固定式压力容器安全技术监督规程》，根据不同的容器以及受压原件，对焊接接头进行符合规定的无损检测，以保证焊缝的安全可靠^[25]，这一部分在GB150.4-2011《压力容器》中有详细的规定。

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