U形管換熱器E-304機械設計 機械設計制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設計 畢業(yè)

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1、遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 U形管換熱器E-304機械設計 摘 要 換熱器作為工藝過程必不 可少的單元設備，廣泛的應用于石油、化工、動力、輕工、機械、冶金、交通、制藥等工程領域中。本設計是關于U形管換熱器的設計。U形管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜承壓能力強等特點，并適用于高溫、高壓、腐蝕性大的場合。 在設計的整個過程中，嚴格按照GB150—1998《鋼制壓力容器》和GB151—1999《管殼式換熱器》等標準進行設計和計算以及對換熱器的強度、剛度和穩(wěn)定性的校核。 本設計包括：說明部分、計算部分、繪圖部分、翻譯部分。說明部分主要闡述了U形管式換熱器發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)外換熱器

2、的最新發(fā)展趨勢及其在煉油化工生產(chǎn)中的地位，同時介紹了壓力容器常用材料及換熱器的結構設計。計算部分主要對筒體、封頭和法蘭進行了詳細的計算，并對其進行了水壓試驗的校核。繪圖部分完成了一張總裝配圖三張零件圖，翻譯部分對一篇2萬字符的外文進行了翻譯。 關鍵詞：U形管換熱器；筒體；壓力試驗；校核 U Exchanger E-304 Mechanical Design Abstract Process heat exchanger as an indispensable element equipment, widely used in petroleum, chemical, power,

3、light industry, machinery, metallurgy, transport, pharmaceutical and other projects in the area. The design is about U--tube heat exchanger which is one structure of shell and U--tube heat exchanger. U-tube heat exchanger has the advantage of simple structure, low cost and pressurized ability and it

4、 applies to high—temperature, high –pressure, corrosive occasions. In the whole design process, strictly in accordance with the GB150-1998 "Steel Pressure Vessels" and GB151-1999 "shell and-tube heat exchanger system,” it design and calculate with the standard then strength, stiffness and stabilit

5、y of the heat exchanger are checked. The design includes: The narrative; Calculation; Mapping and translation. The narrative part introduce U--tube heat exchange development of internal and external heat exchanger and the latest development trends and chemical production, meanwhile introduce mater

6、ials pressure vessels commonly used and the heat exchanger structure design. Calculation is head and the flange of the detailed calculation, and its hydrostatic test of the check. Completed a total assembly drawings and four parts maps,And compleed the foreign language translation of 20000 character

7、s. Keywords：U--tube heat exchanger；Shell；Pressure test；Check 35 目 錄 1緒論 1 1.1換熱器的概述 1 1.2 換熱器的分類 1 1. 3 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀 7 1.4 換熱設備的應用 8 2 U形管換熱器各部分的設計說明 10 2.1 U形管換熱器的介紹 10 2.2 結構的選擇與論證 11 2.3 設備材料選擇 16 3計算部分 18 3.1 U型管筒體和封頭厚度計算校核 18 3.1.1設計條件 18 3.1.2筒體和封頭厚度計算校核 19 3

8、.2 管板的計算 21 3.3 法蘭和螺栓的計算 24 3.4 筒體的開孔補強的計算 31 結 論 33 參考文獻 34 謝 辭 35 1緒論 1.1換熱器的概述 在煉油廠和石油化工廠,幾乎所有的工藝過程都有加熱、冷卻或冷凝過程。這些過程流體稱為換熱過程，所以設備除加熱爐稱為換熱設備。因此，在煉油廠和化工廠中換熱設備是重要的工藝設備。同時可將它看成重要的節(jié)能設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠中，約占總投資的35%～40%。 在煉油廠，石化廠的工藝過程中，絕大數(shù)化學反應或傳質(zhì)傳熱過程都伴有熱量的變化。為了確保這些過程能夠連

9、續(xù)進行，就必須排除多余的熱量或補足或所需的不足熱量；為了最大限度地利用和節(jié)約能量，工藝過程中的肺熱或余熱也要回收利用；為了便于儲存和運輸，反應過程中得到的產(chǎn)品也必須進行和冷卻或冷凝。總之，這些熱量的傳遞和交換都必須通過一些換熱設備進行。從而，廢熱和余熱的回收提高了熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高了工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。 1.2 換熱器的分類 經(jīng)過長期的發(fā)展和成產(chǎn)實踐，換熱器的種類越來越多。因此換熱器的分類也是多種多樣的。可以按換熱器所使用的材料種類、傳熱方式、功能和結構等來進行分類。 （1）按材料類別分類 按材料種類可把換熱器分為金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器。石油化工行業(yè)中9

10、0%以上的換熱器為金屬材料換熱器。這類換熱器細分的話，還可以分為碳素鋼換熱器、低合金鋼換熱器、不銹鋼換熱器和有色金屬換熱器（如銅、鈦等）。 非金屬材料（如石墨、聚四氟乙烯、玻璃鋼、陶瓷等）換熱器多用于一些特殊場合，如強腐蝕介質(zhì)等。 （2）按傳熱方式分類 ①混合式換熱器。 有時也稱作直接接觸式換熱器。它是將冷熱兩種流體通過直接接觸進行熱量交換而實現(xiàn)傳熱的。混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在

11、填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。 ②蓄熱式換熱器。 蓄熱式換熱器，一般設有由耐火磚構成的蓄熱室。在傳熱過程中，冷熱兩種流體交替通過蓄熱室。當熱立體通過時，蓄熱體吸收了熱流體的熱量而升溫，熱流體放出熱量而降溫；然后再讓冷流體通過蓄熱體，蓄熱體把熱量釋放給冷流體而降溫，冷流體吸收熱量而升溫。如此反復進行，以達到換熱的目的。如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。 ③間接式換熱器。 間壁式換熱器的冷、熱流

12、體被固體間壁隔開，并通過間壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用最廣。 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設計的換熱器，如刮面式換熱器、轉盤式換熱器和空氣冷卻器等。 換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在

13、冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。 在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設備費，后者可節(jié)省操作費，故在設計或生產(chǎn)使用中應盡量采用逆流換熱。 當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。 在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的

14、問題。熱阻主要來源于間壁兩側粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。 增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫換熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料

15、的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。 （3）按功能分類 石油化工裝置換熱設備按用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和重沸器。主要用于加熱物料的叫加熱器；用水等冷卻劑來冷卻物料的則叫冷卻器，像分餾塔的餾出線冷卻器等；熱的流體是氣態(tài)，經(jīng)過換熱后被冷凝成為液態(tài)的稱為冷凝器，如分餾塔塔頂汽油冷卻器等；一種液體被加熱而蒸發(fā)成為氣態(tài)的叫重沸器或汽化器。 （4）根據(jù)所采用的補償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： ①固定管板換熱器 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨

16、脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。 固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用

17、。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應力。 固定管板式換熱器的特點是：1、旁路滲流較??；2、造價低；3、無內(nèi)漏；4、這種換熱器的缺點是：殼程清洗困難，有溫差應力存在。當冷熱兩種流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料膨脹系數(shù)相差較大，熱應力超過材料的許用應力時，在殼體上需設膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)強度的限制，殼程壓力不能太高。這種換熱器適用于兩種介質(zhì)溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高，及殼程介質(zhì)清潔，不易結垢的場合。 ②浮頭管板換熱器 1. 殼蓋；2.浮頭蓋； 3.浮頭管板；4.殼體； 5.傳熱管；6.支持板 7.折流板 圖1.浮頭管板換熱器 浮頭式

18、換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 新型浮頭式換熱器浮頭端結構，它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側法蘭內(nèi)側面設凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，設浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通

19、并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對應匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結構必要時可適當加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內(nèi)徑，同時相應變更加大相關零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其圈體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設法蘭與外頭蓋側法蘭內(nèi)側面凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設法蘭或其他結構與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。 浮頭換熱器的特點：它的突出特點是當換熱器殼體與換熱管之間存在溫差而熱膨脹量不同時，管

20、束可以在殼體內(nèi)沿殼體軸線自由伸縮移動。其次，由于不需要在殼體上設置膨脹節(jié)，故它所承受的壓力可以比帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器高。同時，由于管束可以抽出殼體之外，故便于機械清洗。其缺點是結構復雜，造價高（比固定管板高20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢的條件。浮頭管板換熱器，有時也被稱為浮頭式換熱器。它的突出特點是當換熱器殼體與換熱管之間存在溫差而熱膨脹量不同時，管束可以在殼體內(nèi)沿殼體軸線自由伸縮移動。其次，由于不需要在殼體上設置膨脹節(jié)，故它所承受的壓力可以比帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器高。同時，由于管束可以抽出殼體之外，故便于機械清洗。

21、 ③填料函式換熱器 填料函式換熱器一般為單殼程，但為強化殼程的傳熱性能有時也采用雙殼程。管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮。 管束一端與殼體之間用填料密封。管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點。由于減少了殼體大蓋，它的結構較浮頭式換熱器簡單，造價也較低；但填料處容易滲漏，工作壓力和溫度受一定限制，直徑也不宜過大。雙管板換熱器管子兩端分別連接在兩塊管板上兩塊管板之間留有一定的空間，并裝設開孔接管。當管子與一側管板的連接處發(fā)生泄漏時，漏入的流體在此空間內(nèi)收

22、集起來，通過接管引出，因此可保證殼程流體和管程流體不致相互串漏和污染。雙管板換熱器主要用于嚴格要求參與換熱的兩流體不互相串漏的場合，但造價比固定管板式換熱器高。 ④U形管式換熱器 U形管式換熱器的換熱管呈“U”形。U形管式換熱器一束管子被彎制成不同曲率半徑的U形管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束管板夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱即可直接將管束抽出，便于清洗管間。管束的U形端不加固定，可自由伸縮，故它適用于兩流體溫差較大的場合；又因其構造較浮頭式換熱器簡單，只有一塊管板，單位傳熱面積的金屬消耗量少，造價較低，也適用于高壓流體的換熱。 ⑤釜式重沸器 釜式重沸器與其他

23、形式管殼式換熱器的主要區(qū)別在于它的殼體上部設有蒸發(fā)空間。因其結構簡單，在余熱鍋爐中適用廣泛。管束可以式固定管板式、U形管式或浮頭式。對較臟的、壓力較高的介質(zhì)均能使用。 管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的、應用最廣泛的熱交換設備。由于它結構堅固,且能選用多種材料制造,故適應性極強。管殼式換熱器廣泛應用于各個行業(yè),在水泥生產(chǎn)企業(yè)常用作設備稀油站的油冷卻器,用作車輛發(fā)動機油冷卻器等。長期以來,鋼制管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強和選材廣等優(yōu)點在換熱器的生產(chǎn)和使用數(shù)量上一直占主導地位。隨著強化傳熱等技術的發(fā)展,管殼式換熱器在制造技術和傳熱性能上也不斷提高。然而,由于結構的復雜性和使用工況的多樣性,

24、也常常出現(xiàn)換熱器的局部失效甚至整體報廢。 間壁式換熱器的另一種板面式換熱器，按結構分類為：板式換熱器，螺旋板換熱器，板翅式換熱器，板殼式換熱器及傘板式換熱器。 1. 3 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀 雖然樣式繁多的換熱器很大程度上拓寬了人們的選擇范圍。但管殼式這一傳統(tǒng)的換熱設備在化工生產(chǎn)中仍占據(jù)著主要地位，在高溫高壓或有腐蝕性介質(zhì)的作業(yè)中更能顯示其優(yōu)勢。管殼式換熱器由一些直徑較小的圓管加上管板組成管束。外套一個外殼而構成。其特點是結構簡單，易于加工、清洗，選材及應用范圍廣，處理量大。以上優(yōu)點使其成為傳統(tǒng)換熱器的標準設備。但在追求高效傳熱的今天。傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高

25、，難以滿足生產(chǎn)要求，因而。換熱器強化傳熱技術的研究越來越得到重視。所謂換熱器強化傳熱技術就是使換熱器在單位時間、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能多。長期以來。 國內(nèi)外對此進行了大量研究。 目前在我國石油化工行業(yè)中，換熱設備投資占設備投資的30％以上，在換熱設備中，使用量最大的是管殼式換熱器，其中80％ 以上的管殼式換熱器仍采用弓形折流板光管結構，這種結構決定了換熱器傳熱效果差，殼程壓降大，與我國正在推行的節(jié)能減排政策不相適應。因此提高換熱器的效能對化工行業(yè)節(jié)能減排、提高效益非常重要。換熱設備傳熱過程的強化就是力求使換熱設備在單位時間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。應用強化傳熱技術的目的是為

26、了進一步提高換熱設備的效率，減少能量傳遞過程中的損失，更合理更有效地利用能源。提高傳熱系數(shù)、擴大單位傳熱面積、增大傳熱溫差是強化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱系數(shù)是當今強化傳熱的重點。 20世紀到80年代以來，換熱器技術飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發(fā)與應用帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益，市場經(jīng)濟的發(fā)展、私有化比例加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標。因此節(jié)能設備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張、全球環(huán)境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器帶來了日益廣闊的應用前景。 1.4 換熱設備的應用 換熱器是將熱流體的部分熱量傳

27、遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。尤其在化工生產(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用甚為廣泛。日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。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備之一。 由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單

28、位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發(fā)展，換熱器

29、制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 2 U形管換熱器各部分的設計說明 2.1 U形管換熱器的介紹 圖2.1 .U形管式換熱器 U形管式換熱器的換熱管呈“U”形。U形管式換熱器一束管子被彎制成不同曲率半徑的U形管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束管板夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱即可直接將管束抽出，便于清洗管間。管束的U形端不加固定，可自由

30、伸縮，故它適用于兩流體溫差較大的場合；又因其構造較浮頭式換熱器簡單，只有一塊管板，單位傳熱面積的金屬消耗量少，造價較低，也適用于高壓流體的換熱。相同直徑的殼體內(nèi)，U形管的排列數(shù)目較直管少，相應的傳熱面積也較校雙重管式換熱器將一組管子插入另一組相應的管子中而構成的換熱器。管程流體從管箱進口管流入，通過內(nèi)插管到達外套管的底部，然后返向，通過內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。當殼體與U形管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應力。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱。但管程流體的阻力較大，設備造價較高。 由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管

31、束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄露損壞時，只有管束外圍處的U形管便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根管相當于壞兩根，報廢率較高。 U形管換熱器結構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 因為U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡單，造價也比其他換熱器便宜承壓能力強。管束可以從殼體中抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)的介質(zhì)必須是清潔且不易結垢的物料。由于換熱管的結構形式關系，

32、管子的更換除外側一層外，內(nèi)部管子大部分不能更換管束中心部分存在空隙，所以流體易走短路，影響傳熱效果。而且管板上排列的管子較少，結構不緊湊，U形管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。但也正因為U形管換熱器的結構特點，管束的兩端固定在同一塊管板上，管束可自由伸縮與殼體之間不存在溫差應力。因此，U形管換熱器常在高溫高壓的場合大量使用。 2.2 結構的選擇與論證 由于各種工藝和結構要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管，開孔后，除減小器壁的強度外，還會在殼體和接管的連接處，因結構的連續(xù)性被破壞，產(chǎn)生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患。因此，壓力容器的設

33、計必須充分考慮開孔的補強設計。 開孔應力集中的程度與孔的形狀有關，圓孔應力集中程度最低。為了降低峰值應力需要在開孔邊緣補強，即用在開孔邊緣附近增加截面的方法，來提高抗應力程度。 等面積補強法規(guī)定，在有效補強范圍內(nèi)，補強的金屬截面積等于大于開孔的所削弱的殼體面積。它是以補強后殼體的平均抗應力程度不至于變小為出發(fā)點的。這種方法沿用已久，對于塑性比較好的材料也比較安全可靠。為減小計算長度L，而大大提高容器的臨界壓力，用增設加強圈往往比用大容器壁厚的方法增大剛度更為經(jīng)濟。扁鋼截面慣性距較大，力學性能較好。因此，選用扁鋼加強圈。由于補強圈的焊接結構會引起較大局部應力，同時高強度鋼容易產(chǎn)生焊接裂紋，故

34、超越標準范圍時采用補強管結構，即在開孔處焊一厚壁短管，在采用全焊透結構 2.2.1 筒體的設計 筒體的作用是提供工藝所需的承壓空間，是壓力容器最主要的受壓元件之一，器內(nèi)直徑和容積往往需由工藝計算確定。 筒體直徑較?。ㄒ话阈∮?00mm）時，圓筒可用無縫鋼管制作，此時筒體上沒有縱焊縫；直徑較大時，可用鋼板在卷板機上卷成圓筒或用鋼板在水壓機上壓制成兩個半圓筒，再用焊縫將兩者連接在一起，形成整圓筒。 換熱器的筒體可以用鋼板卷制，也可以用無縫鋼管制作，通常以400mm為界。筒體直徑小于等于400mm，常用鋼管作為筒體，公稱直徑以內(nèi)徑為基準。碳鋼和低合金鋼作為筒體必須是無縫鋼管，奧氏體不銹鋼管

35、作為筒體可以使用無縫鋼管，也可以是符合要求的有縫鋼管。 表2.1 公稱直徑（mm） 400~700 700~1000 1000~1500 1500~2000 2000~2600 浮頭式 8 10 12 14 16 U形管式 固定管板式 6 8 10 12 14 注：表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量C2（按3mm考慮） 因此：選材：按GB150-1998選定圓筒的材料為。 長度：由換熱管長度而定。 厚度：由GB151-1999.5.3.2中規(guī)定碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于上表的規(guī)定。 2.2.2 封頭的設計 1) 為了避免應力集中，封頭各種不

36、相交的拼接焊縫中心線間距離至少應為鋼板名義厚度的3倍，且不小于100mm。封頭有成形的瓣片和頂圓板拼接制成時，焊縫方向只允許是徑向和環(huán)向的，徑向焊縫接頭之間的最小距離也應小于100mm。 2) 先拼板成形后的封頭拼接焊縫，在成形前應打磨至母材齊平，100%壓制成形后進行射線檢測。 3) 沖壓成形后的封頭，其最小厚度不應小于鋼板名義厚度減去鋼板的負偏差。 4) 封頭直邊部分的縱向皺褶深度應小于1.5mm。 由GB150選取封頭材料為 參照《壓力容器相關標準匯編》選取標準橢圓 封頭。 圖2.2 封頭結構示意圖 2.2.3 封頭管箱的設計 本設計中封頭管箱為組合件，選取一個橢圓

37、封頭、短節(jié)、中間隔板以及接管法蘭組成。 由GB150-1998第五章選擇：橢圓封頭材料：;短節(jié)材料：。 2.2.4 接管的設計 接管的一般要求： 1) 接管宜與殼體內(nèi)表面平齊； 2) 接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置； 3) 設計溫度高于或等于300℃，應采用對焊法蘭； 4) 必要時應設置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口； 5) 對于不能利用接管進行放氣、排液的換熱器應在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm； 6) 立式換熱器可設置溢流口。 圖2.3 U形管簡圖 2.2.5 U形管的結構設計 對換熱管的尺寸精度要求與一般的

38、液體輸送管線用管不同，因為在組裝管束時，換熱管必須穿過管板及折流板，所以對其外徑有一定尺寸精度要求，否則會給裝備工作帶來困難。 GB151規(guī)定，對于碳鋼和低合金鋼的換熱管，按其尺寸要求精度要求分成Ⅰ級管束和Ⅱ級管束。Ⅰ級管束采用較高級或高級精度冷拔鋼，Ⅱ級管束采用普通級冷拔鋼。在換熱管材料訂貨時，應注意精度等級問題。奧氏體不銹鋼材質(zhì)的換熱器均采用高精度管，管束均為Ⅰ級。 2.2.5.1 U形管彎管管段的彎曲半徑 U形管彎管管段的彎曲半徑R應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按GB151中5.5.3表11選取。 表2.2 換熱管外徑 mm 10 12

39、14 16 19 20 22 25 32 35 45 50 55 Rmin mm 20 24 30 32 40 45 50 60 66 70 76 90 100 2.2.5.2 布管 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形。正三角形和轉角三角形、轉角正方形。正三角形排列形式可以再同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍，但管外不易清洗。為了便于管外清洗方便，本換熱器設計采用了轉角正方形排管的管束，其圖如下。 （a）正三角形 （b）轉角正三角形 （c）正方形 （d）轉角正方形 圖2.4 管束的排列 本設計中選

40、用換熱管的排布方式為按正三角形排列。 2.2.5.3 換熱管中心距 換熱管中心距可按GB151中第五章表12（本文中表2.5.3）確定 表2.3 單位mm 換熱管外徑d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 換熱管 中心距S 13 ~14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72

41、分程隔板槽兩側鄰管 中心距Sn 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 2.2.6 折流板的選擇 折流板一般應該按等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進出口接管。 臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時，折流板缺口應水平上下布置，若氣體中含有少量液體時，則應在缺口朝上的折流板的最低處開通液口，如圖（a）若液體中含有少量氣體時，則應在缺口朝下的折流板最高處開通氣口，如圖（b） 臥式換熱器，冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液共存或液體中含

42、有固體物時，折流板缺口應垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，如圖（c）。 折流板間距一般不小于圓筒直徑的1/5，且不小于50mm。 圖2.5折流板開口說明圖 2.3 設備材料選擇 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫換熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。 2.3.1 常壓容器對材料的基本要求 為了確保壓力容器的使用特性和安全可

43、靠性，正確地選擇和合理加工材料式必要的基礎和前提。 壓力容器使用的材料，取決于它的工作條件，主要指容器的工作壓力、工作溫度及介質(zhì)特性等因素。由于壓力容器的工作條件千差萬別，決定了使用材料的廣泛性和多樣性，但使用量最多的還是各種鋼材，這是由于鋼材能在較大范圍內(nèi)適應壓力容器的各種工作條件，易于加工，而且價格較其它金屬材料便宜，因而鋼制壓力容器占絕大多數(shù)。只有在一些特定條件下，主要指介質(zhì)條件，才選用銅、鋁、鈦及其合金材料制作壓力容器，但這類壓力容器應用不多。 壓力容器用鋼都可以在常壓容器中使用，對于非鍋爐和壓力容器用鋼，按照鋼材本身的性質(zhì)，如沸騰鋼考慮硫、磷，可能存在分層等現(xiàn)象，對鋼板的使用溫度

44、和尺寸進行了限制。 考慮到常壓容器的特點，對材料一般只要求符合相關標準，沒有無損檢測，復驗符合要求；但同時考慮到常壓容器應用范圍的廣泛性，又盛裝毒性介質(zhì)的場合，這類容器雖然在常壓下工作，但仍存在一定程度危及人身安全的問題，因此，對材料有特殊要求時，應在圖樣或相關技術文件中注明。 應根據(jù)減壓容器的設計溫度，介質(zhì)特性和操作特點等使用條件及材料的焊接性能，容器的制造工藝以及經(jīng)濟合理性等選擇常壓容器用鋼。 使用的常壓容器用鋼，一般要求有平爐，電爐或氧化轉爐冶煉，并應附有鋼材生產(chǎn)單位的鋼材質(zhì)量說明書，容器制造單位應按質(zhì)量說明書對鋼材進行驗收。 常壓容器用鋼的使用溫度下限，除奧氏體高合金鋼，低溫低

45、壓力工況下的容器用鋼外，均高于-20℃。 焊接元件用鋼要求是焊接性能良好的鋼材。 2.3.2 常壓容器用鋼材 A．鋼板 鋼板是壓力容器最常用的材料，如圓筒一般由鋼板卷焊而成，鋼板通過沖壓或旋壓制成封頭等。常壓容器常用鋼板的標準，使用狀態(tài)及許用應力按JB/T4735的規(guī)定。除了GB150規(guī)定的所有材料都可以使用外，Q235-AF和Q235-A也可用于常壓容器。 B．鋼管 壓力容器的接管、換熱管等常用無縫鋼管制造。它們通過焊接與容器殼體、法蘭連接在一起。一般要求鋼管有較高的強度、塑性和良好的焊接性能。 常壓容器常用鋼管的標準及許用應力按JB/T4935的規(guī)定。另外，GB150規(guī)

46、定的所有材料都可以用于常壓容器。 C．鍛件 常壓容器常用鍛件的標準及許用應力按JB/T4735的規(guī)定。另外，GB150規(guī)定的所有材料都可以用于常壓容器。 D．螺柱和螺母 （1）常壓容器常用螺柱用鋼的標準，使用狀態(tài)及許用應力按JB/T4735的規(guī)定。另外GB150規(guī)定的所有材料都可用于常壓容器。 （2）與各螺柱用鋼組合使用的螺母用鋼的標準，使用狀態(tài)及許用應力可按JB/T4735選用，設計者也可選用有使用經(jīng)驗的其他螺母用鋼。 3計算部分 3.1 U型管筒體和封頭厚度計算校核 3.1.1設計條件 設計壓力：管程2.5 殼程2.5 設計溫度：管程 操作介質(zhì) 殼程：原

47、油，管程；循環(huán)油 程數(shù) 管程：2，殼程1 換熱面積3500 保溫材料600mm 計算條件 =1000 mm 鋼板負偏差 腐蝕裕量=2 mm 設計溫度下許用應力 設計溫度下屈服點 焊接系數(shù) 在GB6654 規(guī)定， 壓力容器專用鋼板偏差不大于0.25mm，因此使用標準厚底超過5mm是可取=1.5材料名稱16 3.1.2筒體和封頭厚度計算校核 （1）厚度計算 根據(jù)操作介質(zhì)設計壓力，設計溫度等因素，選取筒體及封頭為 ①筒體壁厚計算 式中：——設計壓力 M C——壁厚附加量 mm ——設備內(nèi)徑 mm ——焊縫系數(shù)，無量綱 ——設計溫度下材料

48、的許用用力M ——常溫下材料的許用應力M 計算厚度：=4.77mm 設計厚度： 名義厚度： =0 =2 有效厚度： 封頭厚度 換熱器封頭選用標準橢圓形封頭 式中K=封頭形狀系數(shù) 其他同上 = =1 計算厚度=4mm 名義厚度=10mm 有效厚度=8.5mm 由壓力容器相關標準匯編選取=0.9mm （2）筒體，封頭的周向水壓試驗校核 內(nèi)壓容器進行液壓試驗： = =0.6M =1.251.3 =1.625 M 壓力試驗允許通過的應力水平 M ∴筒體液壓試驗滿足要求 （3）封頭的壓力校核 最大允許工作壓力： =

49、 =2.73 M ∴合格 3.2 管板的計算 （1）管子數(shù)n 選25 2.5的無縫鋼管材質(zhì)為 管長4500mm 換熱面積： = =318.8 由于實際的管板布置的情況，實際管子數(shù)為294根 于是U型管為n=14 采用正三角形排列 由GB-151-1999中5.6.3表12得S=32 由于實際的需要取層數(shù)為16 (2)管子的校核 管軸向應力： =-（- ）- = 1（25-2.5） =70.65 只有殼程設計壓力=1.3 M，殼程設計壓力=0 =-（1.3-0） =-9 ∴合格 只有殼程設計壓力=0.6殼程設計壓力=0

50、 = =3.6 M ∴合格 殼程和管程設計壓力同時作用 （3）隔板槽面積 鄰近隔板槽一側的排管一根數(shù) n’=2=216=32 =3232(44-0.86632) =1667 =1.0732147+16679 =115279 =710 R==355 (4)確定管板的設計壓力 = =1.3 M (5)管板計算壁厚 = =61mm =+=64 上圓整取=64 (6)換熱器與管板連接的拉脫力計算及其校核 = =0.06 M 接GB151-1999中5.7.5表26選取 q ∴合格 (7)管板與殼體，觀箱

51、的連接方式 對于a型連接方式 3.3 法蘭和螺栓的計算 墊片的選擇 墊片材料：橡膠石棉板 壓緊面形式：/a或/b 尺寸：=766 =733 軟墊片的特性參數(shù)： 按GB150-1998中9-2取 厚度：6mm 墊片系數(shù)m： 2.75 比壓力y： 25.5 (1) 墊片的計算 墊片的實際厚度 N= =766-700 =33mm 按GB150表9-1確定墊片解除厚度N=66mm 墊片的有效密封寬度： >66.4mm ∴墊片的有效密封寬度： = =15mm (2)螺栓的選擇 材料：Q235 數(shù)量：24 尺寸

52、：M24290 常用許用應力： =97 M 設計溫度下的需用應力，由內(nèi)插法得=82.6 M 螺栓載荷 操作條件下的螺栓載荷 = =0.785 1.3+6.287332.75151.3=247643.7 =3.14by =3.147331525.5 =880369.65 螺栓的強度校核 螺栓強度： 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積： = =2998.1 實際螺栓面積： =3205.21 =max =9076 螺栓的間距校核 根據(jù)GB150理論的間距 =224+ =121.8mm 式中螺栓的工稱直徑mm T

53、-法蘭厚度mm 實際間距 = =142.2 ∴校核合格 材料： 16 直徑： F=700 (3)法蘭的校核 法蘭力的計算 預計狀態(tài)時 = 9741 =24420 式中= = =41mm 操作狀態(tài)時 =50004557.5+595638.741 =53173773.5 式中：= = =57.5mm = =49.25 -內(nèi)壓作用在內(nèi)徑截面上的軸向力N =0.785 =0.785 =500045N 式中 =799955 （4）法蘭的應力計算與校核 按活套法蘭計算 環(huán)向應力： =59.33 式中：

54、 由GB150得 由內(nèi)插法得 =40mm = = =53.2 軸向應力： 徑向應力： 剪應力 預緊時： =1.09 式中：=剪切面積 -剪切面計算直徑；取圓筒外徑-710mm；L剪切計算高度；L=12 操作時： W= = =11.48 式中：如上 校核 環(huán)向應力： 軸向應力： 徑向應力： ：預緊時 操作時： 3.4 筒體的開孔補強的計算 （1）開孔削弱截面積A A= =130.90.625+20.6250.1(1-1) =81.89 式中：-殼體開孔的計算厚度mm

55、=0.625； -接管名義厚度mm =0.1mm C：接管壁厚附加量mm C=0 -設計溫度T接管材料與殼體材料需用應力之比 =1 （2）有效不強范圍 有效厚度： B= = =261.9mm 補強區(qū)外側高度： = = =25.59 補強區(qū)內(nèi)側高度： =0 （3）補強區(qū)補強金屬面積 殼體多余的金屬面積 =861 焊縫金屬截面積 =225.59（5-0.625-0.1）1 =218.8 焊縫金屬截面積 ++=1105 >A ∴不需要另外補強 結 論 在經(jīng)歷了畢業(yè)設計后，我很好的掌握了對化工設計的相關設

56、計、計算及其校核的步驟方法。 無論是在實際應用中，還是在研究理論方面，我都盡量使我的分析和設計符合科學性、實際操作性的原則。但由于個人水平限制原因，我對這個課題的研究還是不夠深入，設計還存在一些缺陷和不妥之處，懇請各位老師給我提出寶貴的意見，我將在以后的研究設計和工作中進一步的完善和深化。 參考文獻 [1] GB150—1998《鋼制壓力容器》［Ｍ］．國家技術監(jiān)督局． [2] GB151—1999《管殼式換熱器》［Ｍ］． 國家技術監(jiān)督局． [3] 王志魁主編． 化工原理［Ｍ］． 北京：高等教育出版社， 2001 [4] 賀匡國主編． 化工容器及設備簡明設計手冊［Ｍ］

57、． 北京：化學工業(yè)出版社， 1991 [5] 趙正修．石油化工壓力容器設計［Ｍ］． 北京：石油工業(yè)出版社， 1985.7 [6] 楊可楨主編． 機械設計基礎［Ｍ］ 北京：高等教育出版社， 2003 [7] 史美中等． 熱交換器原理與設計［Ｍ］． 南京：東南大學出版社， 1989 [8] 鄭津洋等． 過程設備設計［Ｍ］． 北京：化學工業(yè)出版社， 2005 [9] 朱張校．工程材料［Ｍ］．北京：清華大學出版社，2005.5 [10] 鄒廣華等． 過程裝備制造與檢測［Ｍ］． 北京：化學工業(yè)出版社， 2004 [11] John F.Harvey,P.E.Theory and Design of Pressure Vessels.Second Edition. New York: Van Nostrand Reinhold company,1991 謝 辭 在蔡永梅老師精心指導下我的畢業(yè)設計完成了，在此我深深感謝蔡永梅老師對我畢業(yè)設計的幫助與支持，為我提供關于設計方案及引用資料等方面的幫助，使我能夠順利地完成畢業(yè)設計，最后道一聲您辛苦了?。?！ 與此同時，還不得不感謝身邊朝夕相處生活在一起的同學們，謝謝你們對我生活與學習方面的幫助！ 最后，請再允許我衷心的道一句：謝謝你們！