化工设备的计算
一般化工和设备的设计及其计算
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二00四年＋月＋八日
目录
1、目录-----------------------------------------------2
2、筒体和封头设计的参数选择---------------------------3
（一）、设计压力 P---------------------------------3 （二）、设计温度 T---------------------------------3 （三）、许用应力[σ]和安全系数 n-------------------4 （四）、焊接接头系数 ----------------------------6 （五）、壁厚附加量 C ------------------------------7 （六）、直径系列与钢板厚度-------------------------7 （七）、最小壁厚-----------------------------------8 3、筒体与封头的设计及计算-----------------------------9
（一）、受内压薄壁园筒的计算公式-------------------9 （二）、半球形封头的计算公式（凹面受压）----------11 （三）、椭圆形封头的壁厚计算----------------------11 （四）、锥形封头的壁厚计算------------------------13 （五）、平板封头的壁厚计算------------------------13 4、化工计算公式及举例--------------------------------16
（一）、热位移和热--------------------------------16 （二）、热应力产生的轴向推力----------------------16 （三）、流体管径的计算----------------------------17 （四）、流体管子壁厚计算--------------------------18 （五）、泵的功率和效率计算------------------------19 5、传热学的有关公式及举例----------------------------21
（一）、热量衡算----------------------------------21 （二）、传热方程式--------------------------------26 （三）、传热温度差--------------------------------27 （四）、导热方程式和导热系数----------------------30 （五）、给热方程式和给热系数----------------------34 （六）、传热系数----------------------------------40 （七）、污垢热阻----------------------------------48 （八）、管路与设备的热损失和热绝缘----------------50 （九）、加热、冷却和冷凝--------------------------54 （＋）、蒸发--------------------------------------64 6、有关参数------------------------------------------75
一般化工设备计算公式及举例
筒体和封头设计的参数选择
一、设计压力 P
设计压力是容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。在相应设计温度下，确定容器壳壁计算厚度及其它元件尺寸时，还需要考虑液柱的静压、重量、风载荷、地震、温差及附件重量等等载荷，因此必须结合具体情况进行分析。用于强度计算的压力称计算压力。设计压力的取值如下：
P-----设计压力 Pw-----工作压力
1、装有安全泄放装置：P＝1.05～1.10Pw
2、外压容器：P＝可取略大于可能产生的内外压力差
3、真空容器：P＝（1）无安全控制装置取0.1MPa
（2）装备安全控制装置取1.25倍的最大内外压力
差或0.1MPa两者中的较小值
4、装有液化气体容器：
P＝根据容器可能达到的最高温度来确定（设置在地面的容器可按不低于40℃时的气体压力来考虑）
4、装有爆炸性介质并装有爆破片的容器：
P =取爆破片计算爆破压力加上爆破片制造范围的上限
二、设计温度 T
设计温度系指容器在工作过程中在相应的工作压力下壳壁元件
金属可能达到的最高或最低温度。容器的壁温可以由实验或由化工传热过程计算确定，若无法预计壁温，可参照下列设计决定温度：
1、不被加热或冷却的器壁，壁外无保温：
T＝取介质的最高或最低温度
2、用蒸汽、热水或其它液体介质加热或冷却的器壁：
T＝取加热介质的最高温度或冷却介质的最低温度。
3、用可燃气体加热或用电加热的器壁：
T＝器壁裸露在大气中取t介＋20℃，直接受影响器壁取介质温度t 介＋50℃，载热体温度超过600℃取≥t介＋100℃。设计温度不
低于250℃。
三、许用应力 [σ]和安全系数 n
材料的许用应力是以材料的极限应力为依据，并选择合理的安全系数后而得，即：
[σ]＝极限应力/安全系数
对于低碳钢一类的塑性材料制的容器，采用屈服强度σs作为计算许用压力的极限应力，但在实际应用中还常常用强度极限σh作为极限应力来计算。
当碳素钢或低合金钢的温度超过420℃，低合金铬钼钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃的情况下，必须同时考虑蠕变极限来确定许用应力。
对于化工容器常以在一定温度下经过10万小时产生1％变形时的应力定为材料在该温度下的蠕变极限，σn t表示。这时的蠕变速度为1％/105＝10-7mm/（mm.h）。对于同一材料在同一温度下，蠕变速度不同，则蠕变极限也不同。
目前确定许用应力的极限应力值比较多的是采用持久极限来代替蠕变极限。这是因为对于蠕变只规定了蠕变速度，设计的容器在使用过程中会不断伸长，材料在高温下的延伸率较常温时小得多，往往在小变形情况下就发生断裂。所以只有当无持久极限数据时，才按蠕变极限来计算。持久极限是在某一温度条件下，达到额定时间（一般为10万小时）材料产生断裂时的应力，以σD t
表示。
综上所述，对于钢制压力容器，许用应力取下列中的最小值：
[σ]＝σb/n b
[σ]＝σs（σ0.2）/n s
[σ]＝σt s（σt0.2）/n s
[σ]＝σt D/n D或[σ]＝σt n/n n
式中：n b，n s，n D，n n为相应的安全系数。
目前，GB150对中低压容器所取的安全系数如下：
⑴对常温下的最低抗拉强度σb取安全系数n b≥3
⑵对常温或设计温度下的最低屈服点σs或σt s，
（σ0.2）或σt s（σt0.2）取安全系数
①对碳素钢，低合金钢n s≥1.6
②对高合金钢n s≥1.5
⑶对设计温度下的持久强度（经过10万小时断裂）
σt D平均值取安全系数n D≥1.5
⑷对设计温度下的蠕变极限σt n（在10万小时下蠕变率为1％）取安全系数n n≥1.5
以上安全系数对碳素钢，低合金钢，高合金钢均适用。
[σ]-----许用应力，对于普通钢材以强度极限为计算基础的安全系数n b＝4，屈强比在70％以上的钢材，以屈服极限为计算基础的安全系数n s＝2.5。
目前常用钢材的最低许用应力举例如下：
⑴、Q235
[σ]=σb/ n b＝375/3＝125.0 MPa
⑵、16Mn
[σ]=σb/ n b＝510/3＝170.0 MPa
⑶、0Cr19Ni9 （304）
[σ]=σb/ n b＝520/3＝173.4 MPa
⑷、1Cr18Ni9Ti （321）
[σ]=σb/ n b＝540/3＝180.0 MPa
⑸、0Cr17Ni12Mo2 （316）
[σ]=σb/ n b＝520/3＝173.4 MPa
⑹、00Cr17Ni14Mo2 （316L）
[σ]=σb/ n b＝520/3＝173.4 MPa
[σ]-----许用应力在工程计算中取安全系数 n b＝4 上列各式计算如下：
⑴、Q235
[σ]=σb/ n b＝375/4＝93.75 MPa
⑵、16Mn
[σ]=σb/ n b＝510/4＝127.5MPa
⑶、0Cr19Ni9 （304）
[σ]=σb/ n b＝520/4＝130.0 MPa
⑷、1Cr18Ni9Ti （321）
[σ]=σb/ n b＝540/4＝135.0MPa
⑸、0Cr17Ni12Mo2 （316）
[σ]=σb/ n b＝520/4＝130.0 MPa
⑹、00Cr17Ni14Mo2 （316L）
[σ]=σb/ n b＝520/4＝130.0 MPa
四、焊接接头系数
焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构钢性约束造成焊接内应力过大。
焊接区强度主要决定于熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。因此在设计时应考虑母材的可焊性与焊接件的结构，选择适当的焊条和焊接工艺，而后按焊接接头型式和焊缝的无损探伤检验要求，选取焊接接头系数。
推荐的焊接接头系数如下：
⑴、双面焊的对接焊缝：①100％无损探伤＝1.0
②局部无损探伤＝0.85
⑵、单面焊的对接焊缝：①100％无损探伤＝0.9
②局部无损探伤＝0.8
⑶、双面焊的对接焊缝：无无损探伤＝0.8
⑷、单面焊的对接焊缝：无无损探伤＝0.6
五、壁厚附加量 C
容器壁厚附加量主要考虑介质的腐蚀裕度 C2和钢板的负偏
差 C1 即：
C＝C1＋C2
⑴、腐蚀裕度
腐蚀裕度由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。 C2＝KsB
Ks为腐蚀速率（mm/a），查材料腐蚀手册或由实验确定。B为容器的设计寿命，通常为 10～15年。
当材料的腐蚀速度为 0.05～0.1mm/a时，考虑单面腐蚀取
C2＝1～2mm；双面腐蚀取 C2＝2～4mm。
当材料的 Ks＜0.05mm/a，考虑单面腐蚀取 C2＝1mm；双面腐蚀取 C2＝2mm。
对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时取 C2＝0。
⑵、钢板负偏差
钢板厚度的负偏差如下：
钢板厚度：2.5 2.8～3 3.2～3.5 4.5～5.5 6～7 8～25
负偏差：0.2 0.22 0.25 0.3 0.5 0.6
设计一般可取 C1＝0.5～1.0mm
六、直径系列与钢板厚度
压力容器的直径由生产需要确定，当必须考虑标准化的系列
尺寸。常用内径系列如下：
300400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400
1600 1800 2000 2200 2400 2800 3000 3200
3400 3600 3800 4000
括号内的尺寸一般不考虑：（350 450 550 650 1100
15001700 1900 2100 2300）
1501
钢板厚度应符合冶金产品的标准。热轧钢板的厚度尺寸：
4～6mm，每档间隔0.5mm；6～30mm，每档间隔1.0mm；
30～60mm，每档间隔2.0mm。
七、最小壁厚
容器壁厚除了满足强度条件外，还必须满足容器的钢性要求，容器不包括腐蚀裕量的最小壁厚规定如下：
⑴、对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 3mm。
⑵、对于不锈钢容器，最小厚度不小于 2mm。
在实际设计中，直径≥1000mm时，根据经验取：
⑴、对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 4mm。
⑵、对于不锈钢容器，最小厚度不小于 3mm。
真空容器在实际设计中，直径≥1000mm时，根据经验取：
⑶、对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 6mm。
⑷、对于不锈钢容器，最小厚度不小于 4mm。
八、味精厂设备容器及管道焊接材料（用于电弧焊）
（1）、碳钢之间，J422（J－结）；
（2）、不锈钢之间，A132（A－奥），（用于304、321、316等）（3）、碳钢与不锈钢之间，A302。
九、设备按压力高低，划分为四个压力等级：
（1）、低压------0.1MPa≤P≤1.6 MPa；（味精厂一般为低压容器）（2）、中压------1.6～10.0 MPa；（液氨储槽，高中压锅炉）（3）、高压------10.0～100.0 MPa；（化肥厂，化工厂，等）（4）、超高压----≥100.0 MPa。
＋、容器分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，味精厂一般为Ⅰ、Ⅱ类容器。有关标准为： JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》；JB4731-98《钢制卧式容器》；
GB150-89，GB150-1998《钢制压力容器》等标准。
筒体与封头的设计及计算
一、受内压薄壁园筒的壁厚计算公式
一般由化工工艺条件确定的园筒设备设计壁厚公式如下：
Sｃ＝PDｉ/(2[σ]t-P)＋C2
式中：Sｃ——计算壁厚，ｍｍ
P——设计压力，MPａ
Dｉ——园筒的内径，ｍｍ
[σ]t——设计温度下园筒材料的许用应力，MPａ
——焊接接头系数或许用应力折减系数，＜1
C2——腐蚀裕量，ｍｍ
为使上式严格用于薄壁园筒，GB150将它限于P≤0.4[σ] t，
即相当于将园筒径比K值限在一定范围内，以符合薄壁的假设前提。
例1：某化工塔φ4000ｍｍ、H＝10000、P=0.6MPａ、材料Q235B、腐蚀速率0.05～0.1ｍｍ、双面腐蚀、双面焊接的局部无损探伤、操作温度160℃。求该设备的壁厚？
解：已知P=0.6MPａ，D ｉ＝4000ｍｍ，[σ]t＝94MPａ，＝0.85 C2＝4ｍｍ
Sｃ＝PDｉ/(2[σ]t-P)＋C2
＝0.6×4000/（2×94×0.85-0.6）＋4
＝15.08＋4＝19.08≈20ｍｍ
例2：某化工塔φ4000ｍｍ、H＝10000、P=0.6MPａ、材料1Cr18Ni9Ti、腐蚀速率0.05ｍｍ、双面腐蚀、双面焊接的局部无损探伤、操作温度160℃。求该设备的壁厚？
解：已知P=0.6MPａ，D ｉ＝4000ｍｍ，[σ]t＝135MPａ，＝0.85 C2＝2ｍｍ
Sｃ＝PDｉ/(2[σ]t-P)＋C2
＝0.6×4000/（2×135×0.85-0.6）＋2
＝10.5＋2＝12.5≈13ｍｍ
例3：硫酸储槽φ6000×7200，浓度98％，比重 1.3，碳素钢Q235B，双面腐蚀，双面焊接的局部无损探伤，腐蚀速率0.05 ～
0.1ｍｍ。求该设备壁厚？
解：已知P=0.1MPａ（静压7.2×1.3＝9.36M≈10M水柱)，Dｉ＝6000ｍｍ，[σ]t＝94MPａ，＝0.85
C1＝1，C2＝4ｍｍ
Sｃ＝PDｉ/(2[σ]t-P)＋C1＋C2
＝0.1×6000/（2×94×0.85-0.1）＋1＋4
＝3.75＋1＋4＝4＋1＋4＝9ｍｍ
注：根据经验确定，对碳素钢和低合金钢的钢性要求，在φ≥1000mm 取最小壁厚≥4ｍｍ，故计算壁厚3.75ｍｍ取4ｍｍ。
例4：热水储槽φ6000×7200，不锈钢304，双面腐蚀，双面焊接的局部无损探伤，腐蚀速率0.05ｍｍ。求该设备的壁厚？
解：已知P=0.1MPａ（静压7.2×1.0＝7.2M≈10M水柱)，Dｉ＝6000ｍｍ，[σ]t＝130MPａ，＝0.85
C1＝1，C2＝2ｍｍ
Sｃ＝PDｉ/(2[σ]t-P)＋C1＋C2
＝0.1×6000/（2×130×0.85-0.1）＋1＋2
＝2.72＋1＋2＝3＋1＋2＝6mm
注：根据经验确定，对不锈钢（304）的钢性要求，在φ≥1000mm 取最小壁厚≥3ｍｍ，故计算壁厚2.75ｍｍ取3ｍｍ。
二、半球形封头的壁厚计算（凹面受压）
PD i
Sc=——————＋C2
4[σ]t-P
为使式严格用于薄壁球壳，GB150将它限于P≤0.6[σ]t,即相当于将球壳径比K值限在一定范围内，以符合薄壁的假设前提。
例1：半球形封头φ2000，材料Q235B，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，求半球形封头的壁厚？
解：Sc＝0.6×2000/（4×125×0.85-0.6）＋4＝6.83≈7ｍｍ
三、椭圆形封头的壁厚计算
（一）、凹面受压的计算公式
KPD i
Sc=————————＋C2
2[σ]t-0.5P
其中：K=1/6[2＋（D i/2h i)2], h i为封头不包括直边段在内的曲面深度。
显然，对于a/b=D i/2h i=2的标准椭圆形封头，K＝1.0。随着a/b值的增大，系数K值相应增大。从而使封头上的应力分布极不合理，故包括我国容器标准在内的有关规范都限定用于a/b=D i/2h i≤2.6。
例1：标准封头φ2000，材料Q235B，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，P＝0.6MPa。求椭圆形封头的壁厚？
解：Sc＝0.6×2000/（2×94×0.85-0.5×0.6）＋4＝7.53＋4 ＝11.53≈12ｍｍ
例2：某台真空设备φ1400，材料316，双面焊接的局部无损探伤，双面腐蚀，P＝0.1MPa。求椭圆形封头的壁厚？
解：Sc＝0.1×1400/（2×130×0.85-0.5×0.1）＋2＝0.63＋2 ＝4＋2＝6ｍｍ
注：真空容器在实际设计中，直径≥1000mm时，根据经验取：
⑴对碳素钢和低合金钢制容器，最小厚度不小于 6mm。
⑵对于不锈钢容器，最小厚度不小于 4mm。
（二）、凸面受压的计算公式
K 1.4P Di
Sc＝＋C2
2[σ]t-0.5×1.4P
例1、某夹套蒸汽换热器φ内1600mm/φ外1800mm，蒸汽压力P＝0.6MPa，设备内操作压力0.2MPa，材料Q235B,双面腐蚀，标准封头。求内外封头壁厚？
解：（1）∴夹套蒸汽压力P＝0.6MPa，在工艺原始开车中内封头实际受外压力等于夹套蒸汽压力0.6MPa，不取内外压力差值P来计算。
∵本设备夹套内封头壁厚按凸面受压的计算公式为：
K 1.4P Di 1×1.4×0.6×1600
Sc＝＋C2＝＋4 2[σ]t-0.5×1.4P 2×94－0.5×1.4×0.6
＝7.16＋4＝11.16≈12mm
（2）本设备夹套外封头壁厚按凹面受压的计算公式为：
1×0.6×1800
Sc＝＋4＝5.76＋4＝9.76≈10mm
2×94－0.5×0.6
四、锥形封头的壁厚计算
PD i 1
Sc=——————×——＋C2
2[σ]t-P cosα
式中：α为半锥顶角，以度为单位。D i为锥壳大端内直径。
无折边锥形封头适用于α≤30°。
例1：已知：D i＝2000mm，α≤30°，材料Q235B,P=0.6MPa，C2＝4
解：Sc＝0.6×2000/（2×94×0.85-0.6）×1/cos30＋4
＝1200/159.2×1/0.866＋4
＝6.15×1.16＋4
＝7.134＋4
＝11.134≈12mm
五、平板封头的厚度计算
t=Dc×{KP/[σ]t?｝1/2＋C2
式中：Dｃ封头的计算直径ｍｍ，K结构特性系数，t计算厚度。园形平盖取K＝0.44（与园筒角焊或其它焊接）。
例1：已知φ＝325×8 即Dc＝309ｍｍ，K＝0.44，C2＝2，双面焊接的局部无损探伤，单面腐蚀，P＝0.6MPa，材料Q235B。求平板封头的壁厚？
解：t=309×｛0.44×0.6/94×0.85｝1/2＋2＝15.4＋2＝17.76
≈18ｍｍ
例2：已知一台真空设备Dc=1400ｍｍ若采用平板盖，其它条件同上。计算厚度为：
t=1400×｛0.44×0.1/94×0.85｝1/2＋2＝32.8＋2＝34.5≈35ｍｍ。
根据以上计算此设备不能采用平板封头，可采用标准椭圆形封头。C1＝1，C2＝2，K＝1。
Sc＝1×0.1×1400/（2×94-0.5×0.6）＋2＋1＝0.88＋2＋1 ＝4＋2＋1＝7ｍｍ
注：根据GB150规定，对碳素钢和低合金钢的钢性要求取最小壁厚≥3ｍｍ，故计算壁厚0.88ｍｍ取4ｍｍ。
化工计算公式及举例
一、热位移和热补偿
直管段热伸长计算公式：
ΔL＝α1×L×Δt
式中：ΔL-----直管段热伸长M
α1-----管材在工作温度下ｔ时的线膨胀系数，碳钢一
般取12.5×10-6 M
L------直管段长度 M
Δt----供热介质温度t1与管道安装温度t2之差℃，管道
安装温度t2一般取20℃
例1：某一蒸汽管长60M,过热蒸汽温度260℃。求该管伸长多小？
解：ΔL＝12.5×10-6×60×（260-20）＝0.18M=180ｍｍ
在工程计算中，为了选择补偿器，我们可以用简易的方法计算伸长量。如上例计算为：
ΔL＝0.0125×60×260＝195ｍｍ
选用轴向补偿量210ｍｍ～240ｍｍ均可。
二、热应力产生的轴向推力
P＝σF＝EΔtF
其中：P——Pa
E——材料的弹性模数，钢为2.1×1011Pa
——管材在工作温度下ｔ时的线膨胀系数，碳钢一
般取12.5×10-6 M
Δt----供热介质温度t1与管道安装温度t2之差℃，管道
安装温度t2一般取20℃
F——管子的截面积M2
例1：某一过热蒸汽管?530×10，温度260℃。求轴向推力？
解：P＝2.1×1011×12.5×10-6×（260-20）×3.14×（0.53÷2）2＝26.25×105×258×0.22＝1490.1×105Pa＝1490.1Kg
注：管道两端固定，管道受到的拉伸或压缩时，由温度变化而引起的轴向热应力。由以上公式可知，热应力与管道长度无关。特别注意此点。
三、流体管径计算
Dn＝18.8×（Q/W）1/2
Dn＝594.5×（Gu/W）1/2
其中：Dn——管道内径ｍｍ
Q——-介质容积流量ｍ3/h
W——-介质流速ｍ/ｓ
G——-介质重量流量t/h
u——-介质比容ｍ3/ｋg（与温度有关，在管段中应取平
均值）
例1：某厂一眼深井出水量80ｍ3/h，问出水管径是多少？
解：Dn＝18.8×（Q/W）1/2＝18.8×（80/1.5）1/2＝18.8×7.3 ＝137.3ｍｍ≈φ159×6ｍｍ
例2：菱花集团热电厂向菱花集团西分厂送蒸汽80t/h,压力0.5Mpa, 流速W=40ｍ/s。问需要多大的蒸汽管？
解Dn＝594.5×（Gu/W）1/2＝594.5×（80×0.3816/40）1/2
＝519.4ｍｍ≈φ530×8ｍｍ
注：过热蒸汽 W＝40～60 m/s，一般取 40 m/s。
例3、某厂二次循环水1000M3,问总管直径是多小？
解：Dn＝18.8√1000÷1.5 ＝18.8×25.82＝485.5≈530×8mm
注：水或与水相似的流体 W＝1.5～2.5 m/s，一般取1.5 m/s。
例4、某厂空压机吸入压力P1＝0.1MPa（绝对压力，后同），排出压力P2＝0.3MPa；吸入温度T1＝30＋273＝303°，排出温度T2＝160＋
273＝433°；吸入体积V1＝100000M3/h。求空压机排出总管为多小？
解：P1V1/T1=P2V2/T2 V2＝P1V1T2/P2T1＝0.1×100000×433/0.3×303
＝47634.8M3
Dn＝18.8√47634.8/15 ＝18.8×56.35＝1059.5≈1100mm
注：压缩空气 W=10～20 m/s，一般取15 m/s。
例5、某厂自然外排污水 1000M3/h，W＝0.5m/s。求下水管道直径？
Dn＝18.8√1000/0.5 ＝18.8×44.72＝840.76≈1000mm
注：水或与水相似的流体，自然流速 W＝0.5～1.0 m/s，一般取0.5 m/s。
四、流体管子壁厚计算
计算公式：＝PD/（2[σ]t＋P）＋C
式中：——管壁厚mm
P——工作压力MPa，若压力较低时，取分母P＝0，以便简化计算。
D——管子外径 mm
——焊缝系数，无缝钢管＝1，直缝钢管＝0.8，螺旋钢管＝0.6。
[σ]t——管材在各种温度下的许用应力MPa
C——壁厚附加量mm
C＝C1+C2+C3 ，一般取2～4 mm
C1＝C×15％（12.5％）
C2＝腐蚀裕度，一般取2mm
C3＝管螺纹深度量
例1：某蒸汽管φ530mm，P＝0.6MPa，螺旋钢管，工作温度250℃，C＝4mm 求钢管壁厚？
解：δ＝0.6×530/（2×94×0.6＋0.6）＋4
＝318/113.4＋4
＝2.8＋4＝4＋4＝8 mm
注：蒸汽管一般取最小壁厚为4mm，故计算壁厚2.8mm取4mm。
例2：某压缩空气管φ820mm，P＝0.8MPa，螺旋钢管，工作温度140℃， C＝4mm。求钢管壁厚？
解：δ＝0.8×820/（2×94×0.6＋0.8）＋4
＝656/113.6＋4
＝5.78＋4＝9.78≈10mm
例3：某自来水管φ426mm，P＝0.4MPa，螺旋钢管，常温，C＝3。
求钢管壁厚？
解：δ＝0.4×426/（2×94×0.6＋0.4）＋3
＝170.4/113.2＋3
＝1.5＋3＝3＋3＋6 mm
注：自来水管一般取最小壁厚为3mm，故计算壁厚1.5mm取3mm。
五、泵的功率和效率
泵的理论功率：
N＝GsH＝QrH ㎏.M/s
泵的轴功率：
N轴＝N/η＝QrH/η㎏.M/s
式中：N-----理论功率公斤.米/秒、千瓦或马力等
G-----体积流量米3/秒、
r-----液体重度公斤/米3
H-----压头米液柱
η-----泵的总效率，等于理论功率与轴功率之比，η＝N/N轴
如果把功率的单位换算成千瓦或马力，则因为：
1千瓦＝102公斤.米/秒
1马力＝75公斤.米/秒
所以：N轴＝N/η＝QrH/102η千瓦
N轴＝N/η＝QrH/75η马力
如果输液能力采用米3/小时、米3/分或升/分等单位，则必须换成
米3/秒后，才可以代入上述各式中。
如泵与电机直接联接，则电动机的功率等于轴功率。如泵与电动机之间有传动装置，则需另除以传动效率η传。如考虑电动机有超出负荷的可能，应将上述功率乘以一安全系数。对于功率为2～5马力的电动机，安全系数为1.2；对于功率为5～50马力的安全系数为1.15；对于功率为50马力以上的电动机为1.1。
例1、某往复泵的输液能力为20升/秒。被输送液体的重度为850公斤/M3。
压出管路中压强计的读数5公斤/厘米2，吸入管路中真空计的读数为 200毫米汞柱。压强计与真空计之间的垂直距离为1米。设吸入管路与压出管路的直径相等，泵的总效率为0.7，传动效率0.95。试求轴功率和电动机的功率为若干千瓦？
解：（1）根据从柏努利方程式求压头的公式
H＝h0＋（P出-P进）/γ＋（ω22-ω12）/2g 米液柱
式中：h0---------装有真空计和压强计的两点之间的垂直距离，M；
P进、P出—液体在装有真空和压力计处的绝对压，公斤/M2；
ω1、ω2--液体在装有真空和压力计处的流速，M/秒。
H＝h0＋（P出-P进）/γ（因ω1＝ω2）
＝1＋5×104-0.2×13600/850＝63 米液柱
（2）N轴＝N/η＝QrH/η㎏.M/s
＝0.02×850×63/102×0.7
＝15 Kw （千瓦）
（3）电动机的功率
N电＝N轴/η传＝15/0.95＝15.8 Kw （千瓦）
例2、某离心泵的输液能力4M3/分时的压头为 31米水柱。在此情况下，轴功率40.5马力。问此时泵的总效率如何？
解：泵的理论功率
N＝GsH＝QrH ㎏.M/s
＝4×1000×31/60×75
＝27.5马力
泵的总效率
η＝N/N轴＝27.5/40.5＝0.68＝68％
例3、某水泵的输液能力12米3/分。接在该泵的压出管道上的压强计的读数为3.8公斤/厘米2，接在吸入管道上的真空计上的读数为210毫米汞柱。压强计与真空计联接处的垂直距离为410毫米。吸入管路与压出管路内径分别为350与300毫米。试求该泵的压头是多小？解：已知，h0＝0.41米，水的重度 r＝1000公斤/M3。
（1）吸入管路中的流速：
12
ω1＝＝2.08 米/秒
60×π/4×（0.35）2
压出管路中的流速：
ω2＝2.08×（0.35÷0.3）2＝2.83 米/秒
（2）吸入管路中接真空计处的压强：
P进＝10000－0.21×136000＝7150 公斤/米2绝对压；
压出管路中接压强计处的压强：
P出＝（3.8＋1）×10000＝48000 公斤/米2绝对压；
（3）泵的压头：
48000－7150 （2.23）2-（2.08）2
H＝0.41＋＋
10002×9.81
＝41.5 米水注
由于P出＝B＋P表，P进＝B－P真，可用（P表＋P真）代替（P出-P进）。
《化工设备机械基础》习题解答 3
《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。另外，对于管板及换热器材料的线膨胀系数和操作温度与室 温的温差△t，必须符合表3的规定。 1212 △α=∣α1-α2∣，1/℃。 △t等于操作温度减去室温（20℃）。 7．换热管与管板的焊接连接法有何优缺点？焊接接头的形式有哪些？ 答：焊接连接比胀接连接有更大的优越性：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性；管板孔加工要求低，可节省孔的加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力 不太高时可使用较薄的管板。 焊接连接的缺点是：由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂；同时 管子与管板间存在间隙，这些间隙内的流体不流动，很容易造成“间隙腐蚀”。 焊接接头的形式有：①管板孔上不开坡口； ②管板孔端开60o坡口； ③管子头部不突出管板； ④孔四周开沟槽。 8．换热管采用胀焊结合方法固定于管板上有何优点？主要方法有哪些？ 答：胀焊结合方法的优点：由于焊接连接产生应力腐蚀及间隙腐蚀，尤其在高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用下，工作环境极其苛刻， 容易发生破坏，无论采用胀接或焊接均难以满足要求。而胀焊结合法能提高连接处的 抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。 主要方法有：先强度焊后贴胀、先强度焊后强度胀、先强度胀后密封焊等多种。 9．管子在管板上排列的标准形式有哪些？各适用于什么场合？ 答：排列的标准形式有：①正三角形和转角正三角形排列，适用于壳程介质污垢少，且不 需要进行机械清洗的场合。 ②正方形和转角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管间的 场合。 10．《钢制管壳式换热器设计规定》中换热器管板设计方法的基本思想是什么？ 答：其基本思想是：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较
伺服电机的选型和计算
电机的选择： （1）电机扭矩的计算 负载扭矩是由于驱动系统的摩擦力和切削力所引起的可用下式表达： FL M =π2 式中 M-----电动机轴转距； F------使机械部件沿直线方向移动所需的力； L------电动机转一圈（2πrad ）时，机械移动的距离 2πM 是电动机以扭矩M 转一圈时电动机所作的功，而FL 是以F 力机械移动L 距离时所需的机械功。 实际机床上，由于存在传动效率和摩擦系数因素，滚珠丝杠克服外部载荷P 做等速运动所需力矩，应按下式计算： z z M h h F M B sp SP ao P K 2 11122? ??? ??++=ηππ M 1-----等速运动时的驱动力矩(N.mm) π 2h F sp ao K ---双螺母滚珠丝杠的预紧力矩(N.mm) F ao ------预紧力(N),通常预紧力取最大轴向工作载荷 F m ax 的1/3，即 F ao = 3 1 F m ax 当F m ax 难于计算时，可采用F ao =(0.1~0.12))(N C a ； C a -----滚珠丝杠副的额定载荷，产品样本中可查： h sp -----丝杠导程(mm)； K--------滚珠丝杠预紧力矩系数，取0.1~0.2； P---------加在丝杠轴向的外部载荷(N),W F P μ+=； F---------作用于丝杠轴向的切削力(N)； W--------法向载荷(N),P W W 11+=； W 1-----移动部件重力(N),包括最大承载重力； P 1 -------有夹板夹持时（如主轴箱）的夹板夹持力； μ --------导轨摩擦系数，粘贴聚四氟乙烯板的滑动导轨副09.0=μ，有润滑条件时，05.0~03.0=μ，直线滚动导轨004.0~003.0=μ； η 1 -------滚珠丝杠的效率，取0.90~0.95； M B ----支撑轴承的摩擦力矩，即叫启动力矩(N.m),可以从滚珠丝杠专用轴 承样本中得到，见表2-6（这里注意，双支撑轴承有M B 之和的问题） z 1--------齿轮1的齿数 z 2 --------齿轮2的齿数 最后按满足下式的条件选择伺服电机 M M s ≤1 M s -----伺服电机的额定转距
化工机械设备基础
第一章 刚体的受力分析及平衡规律 一、基本概念 1、刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。 约束：限制非自由体运动的物体。（三种约束） 二、力的基本性质 三、二力平衡定律 三力平衡定理 三力平衡定理：如果一物体受三个力作用而处于平衡时，若其中两个力的作用线相交于一点，则第三个力的作用线必交于同一点。 四、平面汇交力系、平面一般体系 五、力的平移定理 力的平移定理: 作用在刚体上的力可以平移到刚体内任意指定点，要使原力对刚体的作用效果不变，必须同时附加一个力偶，此附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点的力矩，转向取决于原力绕新作用点的旋转方向。 第二章 金属的力学性质 一 基本概念 弹性模量：材料抵抗弹性变形的能力 ???? ???===∑∑∑0 00o m Y X
拉伸试件的横向线应变与纵 向线应变之比的绝对值。 线应变：反应杆的变形程度，杆的相对伸长值。 蠕变：金属试件在高温下承受某已固定的应力时，试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性形变。 应力松弛：总变形量保持不变，初始的弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象 二 拉伸曲线 (重要，看书！！！) 第四章 直 梁 的 弯 曲 中性层：梁内纵向长度既没有伸长也没有缩短的纤维层。 中性轴：中性层与横截面的交线 。 剪力与弯矩的计算 剪力：抵抗该截面一侧所有外力对该截面的剪切作用，大小应该等于该截面一侧所有横向外力之和。 弯矩：抵抗该截面一侧所有外力使该截面绕其中性轴转动，大小应等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取距之和。 剪力的符号约定 ε εμ'= με ε-='泊松比 横向线应变
伺服电机选型计算
电机： 电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机在电路中是用字母M表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。 伺服电机： 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 工作原理： 1、伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就
会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。
伺服电机的选定与选择计算
伺服电机的选定 伺服电机的选定软件 可用电脑进行伺服电机选定的 「选定的电机 (Motor Selection Programmer)选定程序 for Windows 版」 「伺服电机的选定中，由于计算复杂而比较困难」，您是否一直苦恼于此？ 手工计算的方法，虽然在1314～1320页有「计算公式」，在1321～1322页有「计算举例」，但如果使用本软件，任何人都可以简单地进行电机的选定。 工作模式的设定画面 电机选择?判定画面 驱动器选择画面
伺服电机的选定 ?使用电机的机械系统的结构要按照标准进行准备。 标准机械组合举例：滚珠丝杆、齿条及齿轮、台车等或者，还有将机械要素分别逐个组合的方法。 机械要素举例：减速机、齿轮、传送带、辊轴、直接作用负荷、偏心圆板负荷、外力等?可以容易地完成动作模式的设定。 此外，在选择电机后，可以用图形显示旋转数及转矩。?因为伺服电机/驱动器的机型数据是作为数据库编入的、 因此不是仅输出每个机型的数据，而是可以自动地选定出最适合的电机。?可自动地显示出可与选定的电机组合的驱动器一览、并可自动地进行驱动器的再生能力的判定。 ?OS ：Microsoft Windows 98/2000/XP 日语版?处理器：486DX/66MHz 以上（推荐Pentium 处理器）?内存：16MB 以上（推荐32MB 以上） ?硬盘：安装时，需要有10MB 以上的未使用空间 ?显示器：可使用分辨率为640×480以上的设备（推荐800×600以上）?碟片装置 ：CD-ROM 驱动器（仅安装时需要） ?备有方便电机选定的「电机选定程序」。请务必使用。请从欧姆龙的Industrial Web 访问。http://www.fa.omron.co.jp/ ※ 进入I-Web 成员目录。请登录后再使用。 特 长 运行环境 获得方法
化工设备的计算
一般化工和设备的设计及其计算 编辑： 二00四年＋月＋八日
目录 1、目录-----------------------------------------------2 2、筒体和封头设计的参数选择---------------------------3 （一）、设计压力 P---------------------------------3 （二）、设计温度 T---------------------------------3 （三）、许用应力[σ]和安全系数 n-------------------4 （四）、焊接接头系数 ----------------------------6 （五）、壁厚附加量 C ------------------------------7 （六）、直径系列与钢板厚度-------------------------7 （七）、最小壁厚-----------------------------------8 3、筒体与封头的设计及计算-----------------------------9 （一）、受内压薄壁园筒的计算公式-------------------9 （二）、半球形封头的计算公式（凹面受压）----------11 （三）、椭圆形封头的壁厚计算----------------------11 （四）、锥形封头的壁厚计算------------------------13 （五）、平板封头的壁厚计算------------------------13 4、化工计算公式及举例--------------------------------16 （一）、热位移和热--------------------------------16 （二）、热应力产生的轴向推力----------------------16 （三）、流体管径的计算----------------------------17 （四）、流体管子壁厚计算--------------------------18 （五）、泵的功率和效率计算------------------------19 5、传热学的有关公式及举例----------------------------21 （一）、热量衡算----------------------------------21 （二）、传热方程式--------------------------------26 （三）、传热温度差--------------------------------27 （四）、导热方程式和导热系数----------------------30 （五）、给热方程式和给热系数----------------------34 （六）、传热系数----------------------------------40 （七）、污垢热阻----------------------------------48 （八）、管路与设备的热损失和热绝缘----------------50 （九）、加热、冷却和冷凝--------------------------54 （＋）、蒸发--------------------------------------64 6、有关参数------------------------------------------75
第二章 化工设备强度计算基础
第二章 化工设备强度计算基础 第一节 典型回转薄壳应力分析 一、回转薄壳的形成及几何特性。 1、形成：任一平面曲线绕同平面内的一直成旋转而成的曲面称之为回转曲面。 其中：直成称为回转曲面的轴；侥轴旋转而成平面曲线称为母线。 对于回转壳体： 壳体外径i o D D —内径≤1.2时，称回转薄壁壳体（只讨论薄壳的 应力分析）。 二、第一曲半径、第二曲率半径。 R1为第一半径。R2为第二曲毕半径。 同一点的第一曲毕半径与第二曲毕半径都在该点的法线上。 通过图a 可得r=R2sin4 i 当所示半径为R 的圆筒形壳体，经线条体直其上任一点M 处的第一曲毕半径R1=20，与径线垂直的平面切割中间面形成曲线也是一个平行圆，故第二曲毕半径与平行圆半径相等。 所以R2= r =R R1=∞,与径线垂直的平面切割中间而形成曲线也是一个平行圆，故第二曲毕半径与平行圆半径相等。 所以R2= r =R R1=∞ 圆筒形 ii 当所示贺锥形壳体，径线为与旋转轴相交的直线，其第一曲毕半径R1=∞，R2的曲毕径如图求得：R2=x r cos =Ltacnx
iii 当图示半径R 的圆球形壳体，其半径成为半圆曲线，与径线垂直的平面就是半径所在平面，所以：R1=R2=R 三、承受气压回转薄壳的受力分析 1、先根跟工程力学的基本方法对圆筒形壳体和球形壳体进行应力分析，再研究圆锥形壳体和隋圆形壳体。 假设壳体材料连续、均匀、名向同性；受力后的变形是强性小变形。 以圆筒形壳体为例分析受力对于薄壁圆筒形壳体是由圆筒和封头组成，有内压使用时其直径必增大，长度也会增加在远离圆筒封头的壳体中取一数圆弧进行分析，发现受压前后圆周方向的变形等弧疫和AB 弧疫和B A ''弧疫是不相等的，如下图，说明左圆周的切线方向有拉应力存在。即环向应力2同时，由于内压作用于两端封头，使圆筒体交长沿轴向必存在拉应力；即轴向（径向）应力1表除了上述的应力之外，壳体沿壁厚方向还有径向应力r 和弯曲应力，组在薄壁壳体中忽略不计。∴主伙圆筒壳体上任一点仍是二向应力状态。 1）分析轴向应力1 依垂直于圆筒轴线横面，留下圆筒左半部分，设内压力个，中间面直径D ，壁厚为δ，内压作用下产生轴向合力24D P π （压强*投影面积），方向指左方，∴圆筒器壁的横截面上必然产生轴向向右的轴向拉应力与其平衡，合力δπD 1（应力*面积）14 2δππ D p D =?∴ δ41D P ?=∴
化工设备设计计算
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。
化工设备设计基础课程设计计算说明书
化工设备设计基础课程设计计算说明 书 1
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<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: 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) 1
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
2.2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, . [2] 全国化工设备技术中心站.<化工设备图样技术要求> [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, . [5] JB/T4710- .钢制塔式容器[S]． 4、文献查阅要求 设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。 3
关于伺服电机与步进电机性能比较及选型的计算方法
关于伺服电机与步进电机性能比较及选型的计算方法 内容来源于 https://www.sodocs.net/doc/496506317.html,/%C5%C9%BF%CB%D6%B1%C1%F7%B5%F7%CB%D9%C6%F7/blog/i tem/61656f385baf28de7c1e7129.html 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 １、伺服电机和步进电机的性能比较 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司（S A N Y O D E N K I）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072 =0.0027466°，是步距角为 1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
常用化工设备标准规范
常用化工设备标准 第一部分： 1 《压力容器安全技术监察规程》 2 《压力管道安全管理与监察规定》 3 钢制压力容器（GB150-1998） 4 钢制管壳式换热器（GB151-1999） 5 钢制化工容器设计基础规定（HG20580-1998） 6 钢制化工容器材料选用规定（HG20581-1998） 7 钢制化工容器强度计算规定（HG20582-1998） 8 钢制化工容器结构设计规定（HG20583-1998） 9 钢制化工容器制造技术要求（HG20584-1998） 10 钢制低温压力容器技术规定（HG20585-1998） 11 塔器设计技术规定（HG20652-1998） 12 钢制压力容器焊接工艺评定（JB4708-2000） 13 钢制压力容器焊接规程（JBT4709-2000） 14 钢制塔式容器（JB/T4710-2005） 15压力容器涂敷与运输包装（JB4711-2003） 16 压力容器无损检测（JB4730-2005） 17 钢制卧式容器（JB/T4731-2005）
18 钢制焊接常压容器（JBT4735-1997） 第二部分 1 机械搅拌设备（HG/T20569-94） 2 塔盘制造安装技术条件（JB/T1025-2001） 3 钢制管法兰及垫片选用规定（HG20593-98） 4 不锈钢－硫酸铜腐蚀试验方法（GB4334.5-1990） 第三部分 1 化工管道设计规范（HG20695-1986） 2 化工装置管道布置设计规定（HG/T20549-1998） 3 化工设备、管道外防腐设计规定（HG/T20679-1990） 4 管架标准图（HG/T21629-1999） 5 石油化工企业设备和管道隔热设计规范（SH3010-2000） 6 化工装置设备布置设计规定（HG20546-92） 7 石油化工管道布置设计通则（SH3012-2000） 8 石油化工企业蒸汽伴管及夹套管设计规范（SHJ40-91）
伺服电机计算选择应用实例
伺服电机计算选择应用实例 1． 选择电机时的计算条件 本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。 例：工作台和工件的 W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf ）=1000 kgf 机械规格 μ ：滑动表面的摩擦系数=0.05 π ：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg ：镶条锁紧力（kgf ）=50 kgf Fc ：由切削力引起的反推力（kgf ）=100 kgf Fcf ：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf ） =30kgf Z1/Z2： 变速比=1/1 例：进给丝杠的（滚珠 Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格 Lb ：轴长=1000 mm P ：节距=8 mm 例：电机轴的运行规格 Ta ：加速力矩（kgf.cm ） Vm :快速移动时的电机速度(mm -1)=3000 mm -1 ta :加速时间(s)=0.10 s Jm :电机的惯量(kgf.cm.sec 2 ) Jl :负载惯量(kgf.cm.sec 2) ks :伺服的位置回路增益(sec -1)=30 sec -1 1.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出: Tm = + Tf Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=P ×(Z1/Z2)=8 mm Tf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm F ×L 2πη
无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量， 摩擦系数。若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。对于水平工 作台，F值可按下列公式计算： 不切削时： F = μ（W+fg） 例如： F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm) = 0.9(Nm) 切削时: F = Fc+μ(W+fg+Fcf) 例如: F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf) Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm) =2.1(Nm) 为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时 应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。考虑到加/减速， 可选择α2/3000（其静止时的额定转矩为2.0 Nm）。 ·注计算力矩时，要注意以下几点： 。考虑由镶条锁紧力（fg）引起的摩擦力矩 根据运动部件的重量和摩擦系数计算的力矩通常相当小。镶条 锁紧力和滑动表面的质量对力矩有很大影响。 。滚珠丝杠的轴承和螺母的预加负荷，丝杠的预应力及其它一些因 素有可能使得滚动接触的Fc相当大。小型和轻型机床其摩擦力矩 会大大影响电机的承受的力矩。 。考虑由切削力引起的滑动表面摩擦力（Fcf）的增加。切削力和驱 动力通常并不作用在一个公共点上如下图所示。当切削力很大时， 造成的力矩会增加滑动表面的负载。 当计算切削时的力矩时要考虑由负载引起的摩擦力矩。 。进给速度会使摩擦力矩变化很大。欲得到精确的摩擦力矩值，应 仔细研究速度变化，工作台支撑结构（滑动接触，滚动接触和静压 力等），滑动表面材料，润滑情况和其它因素对摩擦力的影响。 。机床的装配情况，环境温度，润滑状况对一台机床的摩擦力矩影 响也很大。大量搜集同一型号机床的数据可以较为精确的计算其负
化工设备设计计算书
化工设备设计计算书 编辑： 二00四年＋月＋八日
目录 1、目录-----------------------------------------------2 2、筒体和封头设计的参数选择---------------------------3 （一）、设计压力 P---------------------------------3 （二）、设计温度 T---------------------------------3 （三）、许用应力[σ]和安全系数 n-------------------4 （四）、焊接接头系数 ----------------------------6 （五）、壁厚附加量 C ------------------------------7 （六）、直径系列与钢板厚度-------------------------7 （七）、最小壁厚-----------------------------------8 3、筒体与封头的设计及计算-----------------------------9 （一）、受内压薄壁园筒的计算公式-------------------9 （二）、半球形封头的计算公式（凹面受压）----------11 （三）、椭圆形封头的壁厚计算----------------------11 （四）、锥形封头的壁厚计算------------------------13 （五）、平板封头的壁厚计算------------------------13 4、化工计算公式及举例--------------------------------16 （一）、热位移和热--------------------------------16 （二）、热应力产生的轴向推力----------------------16 （三）、流体管径的计算----------------------------17 （四）、流体管子壁厚计算--------------------------18 （五）、泵的功率和效率计算------------------------19 5、传热学的有关公式及举例----------------------------21 （一）、热量衡算----------------------------------21 （二）、传热方程式--------------------------------26 （三）、传热温度差--------------------------------27 （四）、导热方程式和导热系数----------------------30 （五）、给热方程式和给热系数----------------------34 （六）、传热系数----------------------------------40 （七）、污垢热阻----------------------------------48 （八）、管路与设备的热损失和热绝缘----------------50 （九）、加热、冷却和冷凝--------------------------54 （＋）、蒸发--------------------------------------64 6、有关参数------------------------------------------75
伺服电机的选型计算方法
伺服电机的选型计算方法
2012-4-17 10:51:00 来源：kingservo
１、
伺服电机和步进电机的性能比较
步进电机作为一种开环控制的系统， 和现代数字控制技术有着本质的联系。 在目前国 内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交 流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 运动控 制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方 式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二 者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般 为 0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司 （SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8°、 0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合 式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以京伺服（KINGSERVO) 全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采 用了四倍频技术，其脉冲当量为 360°/10000=0.036°。对于带 17 位编码器的电机而言， 驱动器每接收 131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360°/131072=0.0027466°， 是步距角为 1.8°的步进电机的脉冲当量的 1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关， 一 般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利。 当步进电机工作在低速时， 一般应采用阻尼技术来 克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳， 即使在低速时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有 共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检 测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降， 且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工 作转速一般在 300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以京伺服 （KINGSERVO)交流伺服系统为例， 它具有速度过载和转矩过载能力。 其最大转矩为额定转 矩的三倍， 可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 步进电机因为没有这种过载能力， 在选型时为了克服这种惯性力矩， 往往需要选取较大转矩的电机， 而机器在正常工作期间 又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同
《化工设备设计基础》期末试题及答案
2012级《化工设备设计基础》期末试题及答案 一、力学部分计算题：（共50分） 1、（10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） 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 ∑= 1 ()02 ql qx Q x --=1()2 Q x ql qx =-211 ()022 qx qlx M x -+=0x l 3 12 1 3 22 251.9910105.9[]120254 601084.88[]120304 AB BC S MPa MPa A S MPa MPa A σσπσσπ?===<=??= ==<= ?
（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） 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＝0.5D 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） 75 954995497162N m 100 x P M T n ==? =?=?..max13 111640MPa πx x P M M W d τ= = =10045m=45mm d = =.() max234221640MPa π1x x P M W D τα===- 20046m=46mm D = =.() 2231 132222245101 1.28461010.51A d A D α--???==? ??--?? ＝maxN cos N P A bh α σ= =1()() 2 M x qx l x = -() 0x l ≤≤232 max max 331112102881590.043232 Z ql M MPa W D σππ???= ===?
化工设备设计大赛说明书
化工设备设计大赛 说明书 1 2020年6月23日
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) 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) 3 2020年6月23日
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。 4 2020年6月23日
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。我们经过查看实物图片, 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见的支座形式—— 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, 把塔设备与其它设备连成系统。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。 6、平台: 为安装、检修、检查的需要而设置的。一般设在经常需要 检修、拆装的地方。 5 2020年6月23日
化工设备支座的选用
一．支座 设备支座用来支承设备重量和固定设备的位置。支座一般分为立式设备支座、卧式设备支座和球形容器支座。 立式设备支座分为悬挂式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座四种。 卧式设备支座分为鞍式支座、圈式支座和支腿三种。 球形容器支座分为柱式、裙式、半埋式、高架式支座四种。 1．悬挂式支座（JB/T4725-92） 悬挂式支座又称耳座，一般由两块筋板及一块底版焊接而成。耳座的优点是简单，轻便；缺点是对器壁易产生较大的局部应力。 ●耳座适用范围（JB/T4725-92）：适用于公称直径不大于4000mm的立式圆筒形容器。 ●耳座数量一般应采用四个均布，但容器直径小于等于700mm时，支座数量允许采用2个。 ●耳式支座标准中分为A、AN（不带垫板），B、BN（带垫板）四种; A、AN 型用于一般立式设备，B、BN型用于带保温的立式设备。 ●支座与筒体连接处是否加垫板，应根据容器材料与支座连接处的强度或刚度决定。对低温容器的支座，一般要加垫板。对于不锈钢制设备，当用碳钢制作支座时，为防止器壁与支座在焊接的过程中，不锈钢中合金元素的流失，也需在支座与筒连接处加垫板。 ●JB/T4725-92特点： 1.考虑支座弯矩对容器圆筒所产生的局部应力，避免筒体由于局部应力过大有可能引起失效。局部径向弯矩包括设备自重、水平载荷（风载荷或地震载荷）及偏心载荷所产生的弯矩。 2.提出了支座的制造要求，以保证支座的制造质量。 若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热处理前焊接在器壁上。 3.改进了垫板结构。为改善容器的受力情况，JB/T4725-92将垫板四角倒圆；并在垫板中心开一通气孔，以利于焊接或热处理时气体的排放。 ●耳式支座设计计算： 支座处容器圆筒内存在以下几种应力：（1）内压引起的一次总体薄膜应力Pm；（2）支座弯矩引起的一次局部薄膜应力Pl；（3）支座弯矩引起的一次弯曲应力Pb；根据应力分析的方法按照下列原则计算： Pm≤[σ] Pm+Pl≤1.5[σ] Pm+Pl+Pb≤1.5[σ] 至于组合应力，按照第三强度理论进行计算。 一般情况下，应校核支座处圆筒所受的支座弯矩ML，使ML≤[ML]；对衬里容器，ML≤[ML]/1.5，目的是为了防止过大的局部应力造成衬里层的破坏。 若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热处理前焊接在器壁上。 ●耳式支座选用方法： （1）计算一个支座的实际负荷Q KN 式中，m0-设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量），Kg; g-重力加速度;Ge-偏心载荷，K-不均匀系数，n=3时，K =1，n >3时，K=0.83 ; n –支座数量；P-水平力，P=MAX（Pe,Pw） 当容器高径比不大于5，且总高度H0不大于10m时，Pe、Pw可按下式计算，超出此范围的容器本标准不推荐使用耳座。