U型管換熱器畢業(yè)設(shè)計說明書.doc

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1、 學(xué)號： 畢業(yè)設(shè)計說明書 U型管換熱器設(shè)計 U tube heat exchanger design 學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè) 化工設(shè)備與機(jī)械 班級 學(xué)生 指導(dǎo)教師（職稱） 完成時間 年 月日至 年 月 日 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計誠信承諾保證書 本人鄭重承諾：《U型管換熱器設(shè)計》畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容真實、可靠，是本人在

2、 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)設(shè)計中引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處，如果存在弄虛作假、抄襲、剽竊的情況，本人愿承擔(dān)全部責(zé)任。 學(xué)生簽名： 年 月 日 II

3、 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 院（系）： 專業(yè) 班 級： 學(xué)生： 學(xué)號： 一、畢業(yè)論文課題 U形管換熱器設(shè)計 二、畢業(yè)論文工作自 年 月 日起至 年 月 日止 三、畢業(yè)論文進(jìn)行地點 本校、實習(xí)地 四、畢業(yè)論文的內(nèi)容要求 1.畢業(yè)設(shè)計說明書 2

4、.零號圖紙1.5張 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 序號 項目名稱 殼程 管程 單位 1 設(shè)計壓力 18 17 MPa 2 工作壓力 17.1 15.6 MPa 3 設(shè)計溫度 400 454 ℃ 4 工作溫度 373 415 ℃ 5 操作介質(zhì) 混氫油 反應(yīng)產(chǎn)物 — 6 焊接街頭系數(shù) 1 1 — 7 腐蝕裕量 3 3 mm 8 水壓試驗壓力 24.64 24.31 MPa 9 入口溫度 134 370 ℃ 10 出口溫度

5、316 210 ℃ 主要內(nèi)容： 1.結(jié)構(gòu)設(shè)計 參照相關(guān)手冊、標(biāo)準(zhǔn)等確定換熱器的結(jié)構(gòu)。包括總體 結(jié)構(gòu)尺寸的確定、折流板、接管、法蘭、支座及拉桿的選擇。 2.強(qiáng)度計算 通過此部分計算，確定換熱器的強(qiáng)度尺寸。包括筒體、封頭、管板的強(qiáng)度計算。

6、 II 要求： 1.畢業(yè)設(shè)計說明書 2.零號圖紙1.5張 設(shè)計進(jìn)度

7、計劃： 第1~5周——查閱資料、現(xiàn)場調(diào)研、確定設(shè)計方案、工藝計算、確定工藝尺寸； 第6~13周——結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度計算、繪圖； 第14~15周——撰寫論文、打印論文、準(zhǔn)備答辯。

8、 主要參考資料： [1]毛希讕. 換熱器設(shè)計[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1998 [2]姚玉英. 化工原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999

9、 [3]夏青德. 化工設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000 [4]GB150-1998，鋼制壓力容器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版.2000 [5]GB151-1999，管殼式換熱器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1998.

10、 指導(dǎo)教師 接受論文任務(wù)開始執(zhí)行日期 2014 年 3 月17 日 學(xué)生簽名 摘要 摘要 換熱器是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的工藝設(shè)備。設(shè)計中考慮操作條件及介質(zhì)的特性，本設(shè)計采用U型管式換熱器結(jié)構(gòu)。該設(shè)備適用于溫差不大，殼程流體清潔，不易結(jié)垢拆卸、清洗的場合。在設(shè)計過程中，依照GB151-1999《鋼制U型管式換熱器》對換熱器依次進(jìn)

11、行工藝計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計（材料選型）、強(qiáng)度計算，最后完成專題討論。其中在強(qiáng)度計算中，根據(jù)溫差具體的數(shù)值，對膨脹節(jié)的需要進(jìn)行計算。本設(shè)計每層管子排列方式采用正三角形排列，這種方法在相同的管板面積上可排較多的管子，且管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。但由于是雙管程結(jié)構(gòu)，所以在分程隔板兩邊采用矩形排列。最后經(jīng)檢測該臺換熱器是否滿足介質(zhì)換熱的需要。 關(guān)鍵詞：換熱器；U型管式；工藝設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強(qiáng)度計算 ABSTRACT The heat exchanger is the techniques equipment widely used

12、in many industrial departments. In the design it uses the fixed tube plate type of the heat interchanger structure,because of the operating condition and the medium characteristic. This equipment is suitable when the temperature difference is not big,the shell regulation fluid is clean,or the fraze,

13、disassembling or cleaning for the heat exchanger is not easy. In the process of the design,the technological design,the structural design(material shaping) and the strength calculation must according to the GB151-1999"Steel SystemShell Type Heat interchanger",finally it completes the seminar. In th

14、e strength calculation,it must be computed for the require of the part of inflates according to the difference concrete value ot the temperature.In the design the way of each pipe arrangement uses the equilateral triangle arrangement,this method may arrange many pipes in the same tube plate area,als

15、o the tube outside surface heat transfer coefficient is big. But because the structure is two barrel regulation, it uses the rectangular arrangement at the both sides of the partition board. Finally it be difined that the heat interchanger whether satisfies the need of the medium heat transfer.

16、 Key words: heat exchanger；fixed tube plate；technological design; structural design； strength calculation III 目錄 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 前 言 1 第一章 緒論 2 1．1 換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展 2 1．2 換熱器的分類及其特點 5 1．3 U型管式換熱器的設(shè)計 7 第二章 換熱器的工藝計算 8 2．1 設(shè)計條件 8 2．2 確定物性數(shù)據(jù) 8 2．3 符號說明 8 2．4

17、 流體走向的確定 9 2．5估算傳熱面積，初選換熱器的規(guī)格 9 2．6換熱管的排列和管心距 10 2．7 折流板 11 2. 8接管 11 2．9 壓強(qiáng)降的核算 12 2．10 總傳熱系數(shù)的核算 13 第三章 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 3. 1筒體 16 3. 2管箱材料 16 3. 3 管箱法蘭 17 3. 4接管材料 18 3. 5 接管法蘭 19 3. 7 管板 20 3. 8材料 21 3. 9 換熱管 21 3. 10 拉桿 22 3.11 折流板的選取及布置 23 3. 12 封頭 23 第四章 換熱器的強(qiáng)度計算 25 4．1 筒體壁厚計算 2

18、5 4．2管箱短節(jié)、封頭厚度計算 26 4．3 膨脹節(jié)的設(shè)計 26 4．4換熱器受壓元件強(qiáng)度計算及校核 28 4.5 換熱器強(qiáng)度計算與校核 28 4．6鞍座校核 30 4．7筒體校核 30 第五章 本設(shè)計采用的制造方法及工藝 33 參 考 文 獻(xiàn) 35 前言 前 言 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，實現(xiàn)熱量傳遞的設(shè)備，又稱熱交換器。 換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子

19、能等工業(yè)部門。換熱器是很多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種常見設(shè)備，通過這種設(shè)備進(jìn)行熱量的傳遞，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。 換熱器在化工行業(yè)中的應(yīng)用是十分廣泛的，各種化工生產(chǎn)工藝就都要用到它。在制冷工業(yè)中，以食品冷藏業(yè)常用的以氨為制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置為例，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后的氣態(tài)氨在冷凝器中被冷凝為液體；液化后的高壓液態(tài)氨在膨脹機(jī)或節(jié)流閥中絕熱膨脹，使溫度下降到遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境的溫度；這種低溫氨流體在流經(jīng)蒸發(fā)器時吸熱蒸發(fā)而回復(fù)到原先進(jìn)入壓縮機(jī)時的氨氣狀態(tài)。然后，再重復(fù)新的循環(huán)。在其他各種制冷裝置中，都存在冷凝器和蒸發(fā)器

20、等換熱器。 在火力發(fā)電廠中，裝有空氣預(yù)熱器、燃油加熱器、給反應(yīng)產(chǎn)物加熱器、整齊冷凝器等一系列的換熱器。其實，蒸汽鍋爐本身也可以看作是一個大型復(fù)雜的換熱器。燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生的熱量，通過爐膛受熱面、對流蒸發(fā)受熱面、過熱器及省煤器加熱工質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過熱蒸汽。 33 第一章 緒論 1．1 換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展 1.1.1 換熱器的應(yīng)用 1．換熱器在近代工業(yè)中的應(yīng)用 在化工生產(chǎn)中，換熱器是主要的工藝設(shè)備之一。例如，在氮肥生產(chǎn)中，氮氣與氫氣的混合氣體要在500℃左右的高溫才能在催化劑的作用下合成氨，而氨與

21、未反映的氮、氫氣體的分離，則需要通過冷卻與冷凝的辦法以液體的形式分離出來。這一生產(chǎn)過程中的加熱、冷卻與冷凝就是通過換熱器實現(xiàn)的。在酒精生產(chǎn)中，酒精精餾塔在操作時，原料液需預(yù)熱，釜底液體需在再沸器中加熱，塔頂產(chǎn)生的蒸汽需冷凝。這一生產(chǎn)過程中的預(yù)熱、加熱和冷凝也都是通過換熱器實現(xiàn)的。換熱器在化工行業(yè)中的應(yīng)用是十分廣泛的，各種化工生產(chǎn)工藝就都要用到它。 在制冷工業(yè)中，以食品冷藏業(yè)常用的以氨為制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置為例，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后的氣態(tài)氨在冷凝器中被冷凝為液體；液化后的高壓液態(tài)氨在膨脹機(jī)或節(jié)流閥中絕熱膨脹，使溫度下降到遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境的溫度；這種低溫氨流體在流經(jīng)蒸發(fā)器時吸熱蒸發(fā)而回復(fù)到原先進(jìn)入

22、壓縮機(jī)時的氨氣狀態(tài)。然后，再重復(fù)新的循環(huán)。在其他各種制冷裝置中，都存在冷凝器和蒸發(fā)器等換熱器。 在火力發(fā)電廠中，裝有空氣預(yù)熱器、燃油加熱器、給反應(yīng)產(chǎn)物加熱器、整齊冷凝器等一系列的換熱器。其實，蒸汽鍋爐本身也可以看作是一個大型復(fù)雜的換熱器。燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生的熱量，通過爐膛受熱面、對流蒸發(fā)受熱面、過熱器及省煤器加熱工質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過熱蒸汽。 在核電長中，蒸汽發(fā)生器是一項很重要的工藝設(shè)備。核燃料裂變所產(chǎn)生的大量的熱量首先傳給冷卻劑，冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中再將熱量傳給反應(yīng)產(chǎn)物、使反應(yīng)產(chǎn)物汽化成蒸汽，由蒸汽來轉(zhuǎn)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。此外，在核電廠系統(tǒng)中還裝有各種加熱

23、器、蒸汽冷凝器等換熱器。 在動力、化工、制冷等工業(yè)中，換熱器不僅是不可缺少的工藝設(shè)備，而且在金屬消耗和投資方面也占有較大的比例。在火力發(fā)電廠中，如果將鍋爐也作為換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占電廠總投資的70%左右。在一般石油 第一章 緒論 化工企業(yè)中，換熱器的投資約占總投資的30% ～40%。 2．換熱器在節(jié)能降耗中的應(yīng)用 換熱器在節(jié)能技術(shù)改造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，提高這些換熱器的效率，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，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。 工業(yè)預(yù)熱數(shù)量大，分布廣，各國均已把余熱回收列為節(jié)能工作的一

24、個重要方面。研究表明，換熱器是最有效的余熱回收設(shè)備。以鍛造加熱爐為例，普通加熱爐每公斤鍛件的能耗為0.7公斤標(biāo)準(zhǔn)燃料，而裝有換熱器的加熱爐每公斤鍛件的能耗只有0.15公斤左右標(biāo)準(zhǔn)燃料。燒燃料的工業(yè)爐，約有60%～70%的熱量由煙氣帶走，被浪費掉了。有段時期國內(nèi)偏重于用余熱鍋爐來回收煙氣余熱，而較少采用換熱器。余熱鍋爐的熱回收率雖較高，但它無助于工業(yè)爐本身熱效率的提高，因而無助于爐用高質(zhì)燃料的節(jié)省。裝設(shè)換熱器利用煙氣余熱來預(yù)熱工業(yè)爐的進(jìn)風(fēng)，可使工業(yè)爐本身的熱效率得到提高，因而可以節(jié)省爐用高質(zhì)燃料。用普通換熱器將空氣預(yù)熱至300～400℃，一般可節(jié)約燃料15%～25%，用高溫?fù)Q熱器時可以取得更好的

25、效果，節(jié)約燃料可達(dá)40%以上。燒低熱值染了的加熱爐，將空氣和煤氣預(yù)熱至300℃，可使升溫速度提高1～2倍，可使產(chǎn)量提高20%～30%。對于燒油的爐子，預(yù)熱工期有助于染有霧化質(zhì)量的改善，使燃料得到充分的燃燒。換熱氣的后面再裝預(yù)熱鍋爐，可使燃料熱量的利用率達(dá)到80%～90%。由此可見，工業(yè)爐煙氣的余熱回收，應(yīng)首先滿足爐內(nèi)需要以節(jié)省爐用高質(zhì)燃料；然后早考慮外部需要，爭取得到更大的經(jīng)濟(jì)效益。對于其他余熱的回收，也應(yīng)遵守以節(jié)約燃料為中心進(jìn)行綜合利用的原則。由于工業(yè)余熱分布廣、形式各種各樣，故節(jié)能方案也各不相同，但在各種節(jié)能方案中，換熱器幾乎是不可缺少的。 1.1.2換熱器的發(fā)展 1.換熱設(shè)備的發(fā)展概

26、況 換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用，至少已有200余年的歷史。200余年的換熱器發(fā)展史，可大致劃分為三個時期：20世紀(jì)以前為原始時期；20時間的前50年為初步發(fā)展時期；近30余年為迅速發(fā)展時期。 （1）原始時期 這個時期的換熱器大都是由鑄鐵管組裝而成的管式換熱器，主要用于動力、化工、鋼鐵等工業(yè)部門。19實際50年代，考貝爾和西門子分別發(fā)明了煉鐵爐和煉鋼爐用的蓄熱室。由于用蓄熱室預(yù)熱空氣比用當(dāng)時的金屬換熱器所能達(dá)到的溫度高，因而逐漸取代了原始的鑄鐵管換熱器，成為19世紀(jì)后50年中工業(yè)爐的主要換熱設(shè)備。 （2）初步發(fā)展時期 20世紀(jì)初，換熱器開始進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期─在科學(xué)理論指導(dǎo)下的初步發(fā)展時

27、期。在20世紀(jì)的前50年中，換熱器的發(fā)展發(fā)生了如下變化： ①管式換熱器發(fā)展迅速 50年代初，U型管式、套管式、繞管式、蛇管式等各種管式換熱器，其結(jié)構(gòu)已近于比較完善的程度，許多國家都制訂了系列標(biāo)準(zhǔn)。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，鋼、合金鋼、鋁、鋼等均已成為管式換熱器廣泛采用的材料。為了提高換熱器的效率，30年代已出現(xiàn)了肋片管式換熱器。這一時期，管式換熱器在所有的換熱設(shè)備中占據(jù)著絕對優(yōu)勢。 ②出現(xiàn)了多種板式結(jié)構(gòu)換熱器 由于“板式”傳熱表面的傳熱性能比“管式”優(yōu)越，相繼出現(xiàn)了板式、螺旋板式、板肋式、板殼式等以板片為基本構(gòu)件的換熱器。與管式換熱器相比，這些板式結(jié)構(gòu)換熱器的突出優(yōu)點是傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、

28、質(zhì)量小、，因此受到各工業(yè)部門的重視。 （3）迅速發(fā)展時期 進(jìn)入50年代以后，科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)有了飛速發(fā)展，使換熱器也進(jìn)入了一個飛速發(fā)展時期。 ①管式換熱器的發(fā)展 隨著強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，各種型式的強(qiáng)化傳熱管相繼出現(xiàn)。在U型管式換熱器中，強(qiáng)化傳熱管已被廣泛采用，在提高傳熱效率、提高緊湊性和降低材料消耗等方面均取得了顯著效果。 通過選用新型材料和對關(guān)鍵受力部件的改進(jìn)，操作溫度和壓力都有了明顯的提高，目前U型管式換熱器的最高操作溫度可達(dá)1500℃（壓力為8MPa）。 ②板式結(jié)構(gòu)換熱器得到廣泛應(yīng)用 隨著工藝和傳熱學(xué)的發(fā)展，板式結(jié)構(gòu)換熱器在設(shè)計和生產(chǎn)上遇到的問題逐步得到解決，近20年來發(fā)

29、展很快，已在許多工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。在壓力較低、溫度不高、流量不很大的若干場合，各種板式結(jié)構(gòu)換熱器已逐步取代管式換熱器。其中的螺旋板式換熱器作為一種高效換熱設(shè)備，發(fā)展尤為迅速。 2．換熱器的發(fā)展趨勢 當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢將是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。 U型管式換熱器：由于它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大和使用材料范圍廣等獨特的優(yōu)點，今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫、高壓和大型化的場合下，更有其廣闊的發(fā)展前途。但為了加強(qiáng)其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式的翅片管的結(jié)構(gòu)將

30、會得到重視和發(fā)展。制造工藝上進(jìn)一步機(jī)械化和自動以及起采用各種新技術(shù)，在發(fā)展U型管式換熱器方面仍將占有重要的地位。 板式換熱器：該種形式的換熱器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，將是提高操作溫度和操作壓力，設(shè)計大型板片以增大它的處理量，擴(kuò)大它的使用范圍，并采用新的結(jié)構(gòu)材料和新的制造工藝。其中尤以研制新的墊片材料，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)板片的剛度，以便提高操作溫度和操作壓力，擴(kuò)大使用范圍等，將是今后發(fā)展的重點。 螺旋板換熱器的近期發(fā)展，將對其各種結(jié)構(gòu)形式的換熱器擴(kuò)大其應(yīng)用場合，同時，如何進(jìn)一步提高其承壓能力，增大處理量，并改進(jìn)焊接工藝，以適應(yīng)石油及化學(xué)工業(yè)的要求。 1．2 換熱器的分類及其特點 換熱器的類型

31、隨工業(yè)發(fā)展而增多,早期的換熱設(shè)備由于制造工藝和科學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物平的限制,多有結(jié)構(gòu)簡單、換熱面積小和體積較大等特征。 在化工生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和熱載體的特性等的不同，對換熱器提出了不同的要求，所以出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。為了便于區(qū)分和分析研究，可將換熱器按下列方式進(jìn)行分類。 1.2.1 換熱器的分類 1．按作用原理或傳熱方式分類 （1）混合式換熱器 它是利用兩種換熱流體的直接接觸與混合的作用來進(jìn)行熱量交換的?；旌鲜綋Q熱器操作的一個主要因素，就是要使兩種流體的接觸面積盡可能大，以促進(jìn)它們之間的熱量交換。為了獲得更大的接觸面積，可在設(shè)備中防止隔柵填料，有時也可把液體噴成

32、細(xì)滴。此類設(shè)備通常做成塔狀。 （2）蓄熱式換熱器 它是讓兩種溫度不同的流體先后通過同一種固體填料的表面，首先讓熱流體通過，把熱量蓄積在填料中，然后，當(dāng)冷流體再通過時，將熱量帶走，這樣在填料被加熱和被冷卻的過程中，進(jìn)行著熱流體和冷流體之間的熱量傳遞。在使用這種換熱器時，不可避免地會使兩種流體有少量混合，且必然是成對的使用，即當(dāng)一個通入熱流體時，另一個則通入冷流體，并靠自動閥進(jìn)行交替切換，使生產(chǎn)得以連續(xù)進(jìn)行。 （3）間壁式換熱器 它是利用一種固體壁面將進(jìn)行熱交換的兩種流體隔開，使它們通過壁面進(jìn)行傳熱。這種形式的換熱器使用最廣泛。 2．按生產(chǎn)中使用目的分類 即分為冷卻器、加熱器、

33、冷凝器、汽化器（或再沸器）和換熱器等。 3．按換熱器所用材料分類 一般可把換熱器分成金屬材料和非金屬材料兩類。 4．按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類 它用于區(qū)分各種形式的間壁式換熱器。其分類有： （1）通過管壁傳熱的換熱器（即“管式”） ①蛇管式換熱器 ②套管式換熱器 ③U型管式換熱器：這類換熱器又可分為U型管式、U形管式和浮頭式。 （2）通過板面?zhèn)鳠岬膿Q熱器（即“板面式”） ①螺旋板式換熱器 ②板式換熱器 ③傘板式換熱器 ④板翅式換熱器 ⑤板殼式換熱器 （3）其它形式的換熱器 這類換熱器一般都是為了滿足某些特殊要求而出現(xiàn)的，有些還處于發(fā)展階段，其中比較成

34、熟的，如回轉(zhuǎn)式換熱器和熱管等。 1．3 U型管式換熱器的設(shè)計 U型管式換熱器的設(shè)計資料較完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國U型管式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗、驗收按“鋼制U型管式換熱器”（GB151）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 U型管式換熱器的設(shè)計和分析包括熱力設(shè)計、流動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強(qiáng)度設(shè)計。其中以熱力設(shè)計最為重要。不僅在設(shè)計一臺新的換熱器時需要進(jìn)行熱力設(shè)計，而且對于已生產(chǎn)出來的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗它是否滿足使用要求時，均需進(jìn)行這方面的工作。 熱力設(shè)計指的是根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數(shù)，并根據(jù)傳熱學(xué)的知識進(jìn)行傳熱計算。 流動設(shè)計主要是計算壓降，其目的就是為換熱器的輔助

35、設(shè)備—例如泵的選擇做準(zhǔn)備。當(dāng)然，熱力設(shè)計和流動設(shè)計兩者是密切關(guān)聯(lián)的，特別是進(jìn)行熱力計算時常需從流動設(shè)計中獲取某些參數(shù)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計指的是根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數(shù)、殼體的直徑、折流板的長度和數(shù)目、隔板的數(shù)目及布置以及連接管的尺寸等等。 在某些情況下還需對換熱器的主要零部件—特別是受壓不均做應(yīng)力計算，并校核其強(qiáng)度。對于在高溫高壓下工作的換熱器，更不能忽視這方面的工作。這是保證安全生產(chǎn)的前提。在做強(qiáng)度計算時，應(yīng)盡量采用國產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)材料和部件，根據(jù)我國壓力容器安全技術(shù)規(guī)定進(jìn)行計算或校核。 第2章 換熱器的工藝計算 U型

36、管式換熱器的工藝設(shè)計只要包括以下內(nèi)容： 1． 根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計方案； 2． 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； 3． 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力； 4． 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。 2．1 設(shè)計條件 表2-1 設(shè)計條件 殼程 管程 流體名稱 混氫油 反應(yīng)產(chǎn)物 總流量（t/h） 25 ----- 工作溫度 /進(jìn)/出 (℃) 134/316 370/210 壓力/(MPa) 17.1 15.6 2．2 確定物性數(shù)據(jù) 在以上條件下，查得其基本物性數(shù)據(jù)為： 表2-2 物性數(shù)據(jù)

37、介 質(zhì) 密度（kg/m3） 比熱容（KJ/kg℃） 黏度（Pas） 導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m℃)） 反應(yīng)產(chǎn)物 994 4．174 0．73510-3 0．626 混氫油 789 2.39 0.011510-3 0.058 2．3 符號說明 0——熱流體的密度，kg/m3； 0——熱流體的黏度，Pas； 第二章 換熱器的工藝計算 0——熱聯(lián)體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)； ——熱流體的比熱容，KJ/kg℃； ——冷流體的比熱容，KJ/kg℃； i——冷流體的密度，kg/m3 i——冷流體的黏度， i——冷流體的導(dǎo)熱系數(shù)， ——換熱管數(shù)目。 2．4

38、 流體走向的確定 兩流體為均不發(fā)生相變的傳熱過程，因反應(yīng)產(chǎn)物的對流傳熱系數(shù)一般較大，且易結(jié)垢，故選擇冷卻反應(yīng)產(chǎn)物走換熱器的管程，混氫油走殼程。 2．5估算傳熱面積，初選換熱器的規(guī)格 2.5.1 計算熱負(fù)荷和冷卻反應(yīng)產(chǎn)物的用量 = （2-1） = （2-2） 式中 ——熱流體的質(zhì)量流量kg/s； ——冷流體的質(zhì)量流量kg/s； ——熱流體的比熱容，KJ/kg℃； ——冷流體的比熱容，KJ/kg℃； ——熱流體始末的溫度，℃； ，——冷流體的始末溫度，℃。 2.5.2 計算兩流體的平均溫度差 =230C

39、 （2-3） 而 （2-4） 查得： 。所以 （2-5） 2.5.3 初選換熱器的規(guī)格 根據(jù)兩流體的情況，假設(shè)，故 （2-6） 式中 ——估算傳熱面積，； ——實際傳熱面積，。 初步選用U型管式式換熱器。據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)初選換熱器為下表所示： 表2-3 初選換熱器參數(shù) 殼徑/mm 600 管子尺寸/mm 20 25 中心排管數(shù) 16 管長/m 4.5 管程流通面積/

40、m2 0.0364 管子總數(shù) 241 管程數(shù) 2 管子排列方法 正三角形 實際傳熱面積 （2-7） 若選擇該型號的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為290w。 2．6換熱管的排列和管心距 —般說來，正三角形排列在相同的管板面積上可排較多的管子，而且管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，但正三角形排列時管外機(jī)械清洗較為困難，而認(rèn)管外流體的流動阻力也較大。在本設(shè)計中殼程中介質(zhì)混氫油是非腐蝕性介質(zhì)利于清洗，但由于是多管程結(jié)構(gòu)，采用組合排列方法。每一程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用矩形排列方法。所以本設(shè)計采用常規(guī)的正三角形排列。

41、 管心距 （mm） （2-9） 按常用管心距表中查得管外徑為25mm的管心距為t=32mm。 2．7 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 取折流板間距B=0.3D=180mm。則 （塊） （2-10） 折流板圓缺面反應(yīng)產(chǎn)物平裝配。 2. 8接管 根據(jù)流體的操作情況及結(jié)構(gòu)尺寸要求，取管程接管內(nèi)流體流速為1.5m/s，則管程接管內(nèi)徑為

42、 （2-11） 式中 ——管程接管內(nèi)徑，mm； ——冷卻反應(yīng)產(chǎn)物的體積流量，m3/s； ——冷卻反應(yīng)產(chǎn)物的流速，m/s。 取殼程接管內(nèi)流體流速為0.5m/s，則殼程接管內(nèi)徑為 （2-12） 式中 ——殼程接管內(nèi)徑，mm； ——混氫油的體積流量，m3/s； ——混氫油的流速，m/s。 綜合考慮無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)尺寸、接管直徑與筒體內(nèi)徑關(guān)系以及補(bǔ)強(qiáng)需要，取管程接管為，殼程接管為。考慮經(jīng)濟(jì)性及焊接要求，接管材料選用20號鋼。 2．9 壓強(qiáng)降的核算 2.9.1 管程壓強(qiáng)降

43、 （2-13） 式中 ——單程直管阻力，Pa； ——局部阻力,Pa； ——殼程數(shù)： ——管程數(shù)； ——管程總阻力； ——管程結(jié)構(gòu)校正因數(shù)，量綱為1，對內(nèi)徑20mm外徑25mm的管子，取1.4。 其中，=1，=2，=1.4。 管程流通面積 （2-14） （2-15） （2-16） 蛇管壁粗糙度，由關(guān)系圖查得：，所以 （2-17） （2-18）

44、 則 所以管程流體阻力在允許的范圍內(nèi)。 2.9.2 殼程壓強(qiáng)降 （2-19） 式中 ——流體橫國管束的壓強(qiáng)降，Pa； ——流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降，Pa； ——殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15。 = （2-20） （2-21） 式中 ——管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，對正三角形排

45、列=0.5； ——殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re0＞ 500時， ； ——橫過管束中心線的管子數(shù)； ——折流擋板數(shù)； h——折流擋板間距； ——按殼程流通面積S0計算的流速，m/s。 其中=1.15, =1，16。。 殼程流通面積 （2-22） （2-23） （2-24） （2-25） 所以 =

46、 所以殼程流體阻力也在允許的范圍內(nèi)。 2．10 總傳熱系數(shù)的核算 2.10.1 管程對流傳熱系數(shù) （2-26） （2-27） =0.023 =2211.9 2.10.2 殼程對流傳熱系數(shù) （2-28） 取換熱器列管之中心距t=32mm。則流體通過管間最大截面積為 （2-29） 三角形排列時 （2-30）

47、 （2-31） （2-32） 殼程中混氫油被冷卻，取。所以 = = 2.10.3總傳熱系數(shù) （2-33） = = = = 由前面的計算可知，選用該型號換熱器時要求過程的總傳熱系數(shù)為，在規(guī)定的流動條件下，計算出的為，安全系數(shù)為 %=20.3%

48、 此安全系數(shù)在15%～25%之內(nèi)，所以符合要求。 第三章 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 管程設(shè)計壓力為17MPa，殼程設(shè)計壓力為18MPa，取管程設(shè)計溫度為454，殼程設(shè)計溫度為400。 3. 1筒體 3.1.1 材料的選取 選取筒體材料為，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為，熱軋鋼板，=510，=345，在設(shè)計溫度下，，，。 3.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸 由工藝計算并經(jīng)圓整的內(nèi)徑為，所求出的面積裕量為20.3%，符合工藝要求，所以取是合適的。工藝計算得到的相關(guān)參數(shù)不必更改。 筒體壁厚按GB151-1999，圓筒的最小厚

49、度不得低于6mm。 3.1.3 結(jié)構(gòu)形式 按標(biāo)準(zhǔn)GB151-1999,選擇殼體型式可以選擇代號為“E”的單殼程殼體，其結(jié)構(gòu)型式如（圖3-1）： 圖 3-1 殼體型式 3. 2管箱材料 3.2.1 材料的選取 選取選管箱材料與筒體材料相同為，選用鋼板標(biāo)準(zhǔn)為，熱軋鋼板，=510MPa，=345MPa，在設(shè)計溫度下，。 3.2.2結(jié)構(gòu)尺寸 由于該換熱器為單殼程、雙管程，故選用B型封頭管箱型。管箱所要確 第三章 換熱器的機(jī)械設(shè)計 定的尺寸主要是管箱長度。管箱直徑是由殼程直徑?jīng)Q定。管箱長度尺寸的確定是以保證流體分布均勻、流體合理以及強(qiáng)度因素來確定最小長度，而以制造安裝方便來限制最

50、大長度的。 因為右邊管箱有接管，選取管箱總長為；選取左邊管箱總長為200mm。管箱壁厚按GB151-1999，管箱壁厚不得低于圓筒的最小厚度6mm。 3. 3 管箱法蘭 3.3.1材料的選取 考慮焊接問題及經(jīng)濟(jì)性問題，選取法蘭材料為Q345R，即用板材加工，選用標(biāo)準(zhǔn)為GB713-2008，=510MPa，=345MPa，在設(shè)計溫度下，。根據(jù)操作情況，又考慮螺栓材料的硬度一般要比螺母材料的硬度大一些以及經(jīng)濟(jì)性問題，螺栓材料選用CrMoA鋼，螺母材料選用30CrMoA鋼，選用標(biāo)準(zhǔn)均為，正火處理，工作適應(yīng)溫度為。 3.3.2 結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)換熱器的設(shè)計壓力僅為0.5MPa，工作介質(zhì)對密封

51、要求不高，選用甲型平焊法蘭，采用凸面密封，選用標(biāo)準(zhǔn)為。根據(jù)管箱公稱直徑選取管箱法蘭參數(shù)如表3-1： 表3-1 管箱法蘭參數(shù) DN/mm D /mm D1 /mm D2/ mm b/ mm d /mm 螺栓規(guī)格 螺栓數(shù)量 600 715 680 637 32 18 M16 24 3.3.3 結(jié)構(gòu)型式 如(圖3-2)所示： 圖3-2 管箱法蘭 3. 4接管材料 3.4.1 材料的選取 接管材料選用20號鋼的無縫鋼管，選用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T8163-1999，，。 3.4.2 結(jié)構(gòu)尺寸 殼程接管： 由殼體中走

52、混氫油，其密度為ρ=789 kg/m3，qm,s=25000kg/h，并由第二章求得的混氫油流速uo=0.14m/s。 考慮流阻影響接管直徑應(yīng)大于以上結(jié)果，再考慮原整?。ń庸芡鈴剑?，壁厚參考GB8163標(biāo)準(zhǔn)選擇為5mm。 管程接管： 同以上方法，由工藝計算取為。 接管高度參照HG20583，按設(shè)計壓力PN≤4.0MPa,查殼程接管伸出長度l=180mm；管程接管伸出長度l=180mm。 3.4.3 結(jié)構(gòu)型式 圖 3-3 接管 圖3-3 接管 3. 5 接管法蘭 3.5.1 材料的選

53、取 根據(jù)設(shè)計壓力，選用帶頸平焊鋼制法蘭（SO型），采用突面形式密封，材料選用20Ⅱ，選用標(biāo)準(zhǔn)為。 3.5.2 結(jié)構(gòu)尺寸 管箱接管公稱直徑為所選管箱接管法蘭參數(shù)如表3-2： 表3-2 管箱接管法蘭參數(shù) DN/ mm D/ mm K/ mm L/ mm Th/ mm n/ mm C/ mm B1/ mm 150 265 225 18 M16 8 20 161 筒體接管公稱直徑為，所選筒體接管法蘭參數(shù)如表3-3： 表3-3 筒體接管法蘭參數(shù) DN/ mm D/ mm K/ mm L/ mm Th/ mm

54、n/ mm C/ mm B1/ mm 150 265 225 18 M16 8 20 161 3. 6 墊片 因換熱器管程、殼程設(shè)計壓力均為17及法蘭密封形式，且兩側(cè)介質(zhì)均不屬于腐蝕性介質(zhì)，故選用非金屬軟墊片即可。綜合考慮選擇橡膠墊XB350，參數(shù)見表3-4： 表3-4 墊片參數(shù) 內(nèi)徑/mm 墊片寬度/mm 墊片系數(shù)/m 比壓力y 硬度 材料 墊片厚度/mm 600 14 1.00 1.4 >75 橡膠板 3

55、 3. 7 管板 3.7.1材料的選取 考慮法蘭和筒體材料以及實際工作情況，選取管板材料為Q345R。查相關(guān)參考資料得：,。 3.7.2結(jié)構(gòu)尺寸 選擇管板兼做法蘭的結(jié)構(gòu)，依據(jù)所選管箱法蘭尺寸，如下表3-5： 3-5管板參數(shù)（ mm） DN D D1 D2 D3 D4 D5 c d2 螺栓 bf b 600 715 680 650 597 637 600 12.5 18 M16 24 30 40 3.7.3結(jié)構(gòu)型式 圖 3-5 帶法蘭管板

56、3. 8材料 3.8.1 材料的選取 分程隔板應(yīng)采用與封頭、管箱同等材料，選用，選用鋼板標(biāo)準(zhǔn)為，熱軋鋼板，=510MPa，=345MPa，在設(shè)計溫度下，。 3.8.2 結(jié)構(gòu)尺寸 殼體的公稱直徑為600mm，根據(jù)GB151-1999選取隔板最小厚度不得小于8mm. 3. 9 換熱管 3.9.1 材料的選取 管子材料為無縫碳鋼管，選用標(biāo)準(zhǔn)為，，，。 3.9.2 結(jié)構(gòu)尺寸 由工藝計算選用無縫碳鋼管型號，外徑偏差為， 厚度偏差為2.5。 3.9.3 排列型式 換熱管按正三角形排列，間距t=32mm，排管總數(shù)為241，有兩個管程，每程116根。 分程隔板槽兩側(cè)相鄰的管中心距，

57、即，取。 布管限定圓的直徑，而，最小取8mm。則。 具體排管如下： 圖3-6 排管圖 3. 10 拉桿 3.10.1 材料的選取 拉桿材料為20號鋼， ，。 3.10.2 結(jié)構(gòu)尺寸 由工藝計算得到尺寸如表3-6： 表3-6 拉桿尺寸參數(shù)（mm） 直 徑 數(shù) 量 拉桿螺紋DN La Lb 孔深 16 4 16 20 60 20 3.10.3 結(jié)構(gòu)型式 圖3-7 拉桿 3.11 折流板的選取及布置 3.11.1 材料的選取 由工藝計算得所需折流板24塊,選取折流板材料為。=37

58、5MPa，=235MPa，在設(shè)計溫度下。 折流板名義外徑為:,允許偏差-0.8，折流板采用拉桿、定距管方式固定,定距管選用的無縫鋼管，材料為20號鋼。取折流板厚度為5mm，折流板孔直徑為d+0.8=25.8mm，允許偏差 0+0.3。管孔中心距公差為相鄰兩孔0.3，加工后兩端必須倒角0.545。 采用反應(yīng)產(chǎn)物平接口，缺口上下布置，可以造成流體激烈擾動，增大傳熱系數(shù)。結(jié)構(gòu)圖如下圖： 圖3-8折流板 3. 12 封頭 由于該換熱器為單殼程、雙管程，故封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。結(jié)構(gòu)如下 圖3-9 封頭

59、 第四章 換熱器的強(qiáng)度計算 第四章 換熱器的強(qiáng)度計算 4．1 筒體壁厚計算 筒體縱向焊接采用相當(dāng)于雙面焊的全焊透方式進(jìn)行對接焊，進(jìn)行局部無損探傷，取，=170MPa，腐蝕裕量=1.00mm，厚度負(fù)偏差mm。 （4-1） 筒體計算厚度為 (mm) （4-2） 筒體設(shè)計厚度 (mm) （4-3） 筒體名義厚度

60、 （mm） （4-4） 對于mm的筒體，要求mm，綜合考慮取mm。有效壁厚為 (mm) （4-5） 取試驗溫度為30℃，則。 反應(yīng)產(chǎn)物壓試驗壓力 MPa > （4-6） 取0.66，所選材料的屈服應(yīng)力MPa， 反應(yīng)產(chǎn)物壓試驗應(yīng)力校核（MPa) （4-7） (MP

61、a) 反應(yīng)產(chǎn)物壓滿足強(qiáng)度要求。 4．2管箱短節(jié)、封頭厚度計算 根據(jù)設(shè)計壓力0.4，管程設(shè)計溫度60℃，選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料選擇與筒體材料一樣為，。取焊縫系數(shù)，腐蝕裕量mm，厚度負(fù)偏差mm。 封頭計算厚度為 (mm) （4-8） 封頭設(shè)計厚度 (mm) （4-9） 封頭名義厚度 +圓整+圓整+圓整(mm) （4-10） 對于的封頭，要求，綜合考慮取。封頭有效壁厚 (mm) （4-11） 壓力試驗在這

62、種情況下一定滿足強(qiáng)度要求。 同理，管箱短節(jié)選用與封頭一樣的材料，且取mm。 4．3 膨脹節(jié)的設(shè)計 取室溫為To=，則筒體和管子的膨脹量之差為： （4-12） =（m） 殼程與管程壓差產(chǎn)生的力： （4-13） =965 (N) 筒體橫截面積 (m2) （4-14） 管束橫截面積 （4-15） 由于筒體和管子之間溫差產(chǎn)生的力

63、 （4-16） 由于殼程和管程的壓力作用于筒體上的力 （4-17） 由于殼程和管程的壓力作用于管子上的力 （4-18） 筒體上產(chǎn)生的應(yīng)力 （4-19） 管子上產(chǎn)生的應(yīng)力 （4-20） 一根管子的橫截面積 (（4-21）由可得 (mm) 取，則管子拉脫力計算

64、 （4-22） 管子于管板采用強(qiáng)度焊+貼脹 (MPa) （4-23） 則。 綜上，因＜，，則不需設(shè)膨脹節(jié)。 4．4換熱器受壓元件強(qiáng)度計算及校核 管板 管板剛度削弱系數(shù)與相同，即。 假定管板厚度 。 管子加強(qiáng)系數(shù) =12.87

65、 （4-24） 則。 4.5 換熱器強(qiáng)度計算與校核 殼程壓力作用下的危險組合 =0.5MPa 由于設(shè)計溫差較大應(yīng)按計入膨脹差計算 變形差 （4-25） 有效壓力組合 （4-26） 管板邊緣力矩系數(shù) （4-27）

66、管板邊緣剪力系數(shù) （4-28） 管板徑向應(yīng)力系數(shù) （4-29） 殼體法蘭應(yīng)力 （4-30） = 殼程圓筒軸向應(yīng)力 （4-31） =433.5 經(jīng)校核，都符合強(qiáng)度要求。 4．6鞍座校核 因封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，則可將其折算為直徑等于圓筒直徑，長度為的圓筒，則換熱器總重作用長度為 （4-32） 則換熱器筒體及管箱封頭的近似質(zhì)量為 管子質(zhì)量近似為 （4-33） 根據(jù)具體情況可認(rèn)為換熱器自身質(zhì)量近似為殼體質(zhì)