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U形管换热器E-304机械设计摘 要换热器作为工艺过程必不 可少的单元设备，广泛的应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。本设计是关于U形管换热器的设计。U形管式换热器的优点是结构简单，价格廉价承压能力强等特点，并适用于高温、高压、腐蚀性大的场合。在设计的整个过程中，严格按照GB1501998?钢制压力容器?和GB1511999?管壳式换热器?等标准进行设计和计算以及对换热器的强度、刚度和稳定性的校核。本设计包括：说明局部、计算局部、绘图局部、翻译局部。说明局部主要阐述了U形管式换热器开展现状和国内外换热器的最新开展趋势及其在炼油化工生产中的地位，同时介绍了压力容器常用材料及换热器的结构设计。计算局部主要对筒体、封头和法兰进行了详细的计算，并对其进行了水压试验的校核。绘图局部完成了一张总装配图三张零件图，翻译局部对一篇2万字符的外文进行了翻译。关键词：U形管换热器；筒体；压力试验；校核U Exchanger E-304 Mechanical DesignAbstractProcess heat exchanger as an indispensable element equipment, widely used in petroleum, chemical, power, 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 applies to hightemperature, 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 stability 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 materials 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 characters.Keywords：U-tube heat exchanger；Shell；Pressure test；Check 目 录1绪论1换热器的概述11.2 换热器的分类11. 3 换热器的开展现状71.4 换热设备的应用82 U形管换热器各局部的设计说明 102.1 U形管换热器的介绍102.2 结构的选择与论证112.3 设备材料选择163计算局部183.1 U型管筒体和封头厚度计算校核18设计条件18筒体和封头厚度计算校核193.2 管板的计算213.3 法兰和螺栓的计算243.4 筒体的开孔补强的计算31结 论33参考文献34谢 辞351绪论换热器的概述在炼油厂和石油化工厂,几乎所有的工艺过程都有加热、冷却或冷凝过程。这些过程流体称为换热过程，所以设备除加热炉称为换热设备。因此，在炼油厂和化工厂中换热设备是重要的工艺设备。同时可将它看成重要的节能设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂中，约占总投资的35%40%。在炼油厂，石化厂的工艺过程中，绝大数化学反响或传质传热过程都伴有热量的变化。为了确保这些过程能够连续进行，就必须排除多余的热量或补足或所需的缺乏热量；为了最大限度地利用和节约能量，工艺过程中的肺热或余热也要回收利用；为了便于储存和运输，反响过程中得到的产品也必须进行和冷却或冷凝。总之，这些热量的传递和交换都必须通过一些换热设备进行。从而，废热和余热的回收提高了热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高了工业生产经济效益。 换热器的分类经过长期的开展和成产实践，换热器的种类越来越多。因此换热器的分类也是多种多样的。可以按换热器所使用的材料种类、传热方式、功能和结构等来进行分类。1按材料类别分类按材料种类可把换热器分为金属材料换热器和非金属材料换热器。石油化工行业中90%以上的换热器为金属材料换热器。这类换热器细分的话，还可以分为碳素钢换热器、低合金钢换热器、不锈钢换热器和有色金属换热器如铜、钛等。非金属材料如石墨、聚四氟乙烯、玻璃钢、陶瓷等换热器多用于一些特殊场合，如强腐蚀介质等。2按传热方式分类混合式换热器。有时也称作直接接触式换热器。它是将冷热两种流体通过直接接触进行热量交换而实现传热的。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时别离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜外表或飞沫及水滴外表，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时别离。蓄热式换热器。蓄热式换热器，一般设有由耐火砖构成的蓄热室。在传热过程中，冷热两种流体交替通过蓄热室。当热立体通过时，蓄热体吸收了热流体的热量而升温，热流体放出热量而降温；然后再让冷流体通过蓄热体，蓄热体把热量释放给冷流体而降温，冷流体吸收热量而升温。如此反复进行，以到达换热的目的。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气别离装置中。间接式换热器。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称外表式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子外表作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热外表逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热外表两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；假设传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金那么用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。 3按功能分类石油化工装置换热设备按用途可分为加热器、冷却器、冷凝器和重沸器。主要用于加热物料的叫加热器；用水等冷却剂来冷却物料的那么叫冷却器，像分馏塔的馏出线冷却器等；热的流体是气态，经过换热后被冷凝成为液态的称为冷凝器，如分馏塔塔顶汽油冷却器等；一种液体被加热而蒸发成为气态的叫重沸器或汽化器。4根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：固定管板换热器固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，或膨胀节。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了假设干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造本钱低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的特点是：1、旁路渗流较小；2、造价低；3、无内漏；4、这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。浮头管板换热器1. 壳盖；2.浮头盖； 3.浮头管板；4.壳体；图1.浮头管板换热器浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。浮头换热器的特点：它的突出特点是当换热器壳体与换热管之间存在温差而热膨胀量不同时，管束可以在壳体内沿壳体轴线自由伸缩移动。其次，由于不需要在壳体上设置膨胀节，故它所承受的压力可以比带膨胀节的固定管板换热器高。同时，由于管束可以抽出壳体之外，故便于机械清洗。其缺点是结构复杂，造价高比固定管板高20%，在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。浮头管板换热器，有时也被称为浮头式换热器。它的突出特点是当换热器壳体与换热管之间存在温差而热膨胀量不同时，管束可以在壳体内沿壳体轴线自由伸缩移动。其次，由于不需要在壳体上设置膨胀节，故它所承受的压力可以比带膨胀节的固定管板换热器高。同时，由于管束可以抽出壳体之外，故便于机械清洗。填料函式换热器填料函式换热器一般为单壳程，但为强化壳程的传热性能有时也采用双壳程。管束可以在壳体内自由伸缩。管束一端与壳体之间用填料密封。管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。双管板换热器管子两端分别连接在两块管板上两块管板之间留有一定的空间，并装设开孔接管。当管子与一侧管板的连接处发生泄漏时，漏入的流体在此空间内收集起来，通过接管引出，因此可保证壳程流体和管程流体不致相互串漏和污染。双管板换热器主要用于严格要求参与换热的两流体不互相串漏的场合，但造价比固定管板式换热器高。U形管式换热器U形管式换热器的换热管呈“U形。U形管式换热器一束管子被弯制成不同曲率半径的U形管，其两端固定在同一块管板上，组成管束管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。管束的U形端不加固定，可自由伸缩，故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单，只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，也适用于高压流体的换热。釜式重沸器釜式重沸器与其他形式管壳式换热器的主要区别在于它的壳体上部设有蒸发空间。因其结构简单，在余热锅炉中适用广泛。管束可以式固定管板式、U形管式或浮头式。对较脏的、压力较高的介质均能使用。管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构稳固,且能选用多种材料制造,故适应性极强。管壳式换热器广泛应用于各个行业,在水泥生产企业常用作设备稀油站的油冷却器,用作车辆发动机油冷却器等。长期以来,钢制管壳式换热器以其结构稳固、可靠性高、适应性强和选材广等优点在换热器的生产和使用数量上一直占主导地位。随着强化传热等技术的开展,管壳式换热器在制造技术和传热性能上也不断提高。然而,由于结构的复杂性和使用工况的多样性,也常常出现换热器的局部失效甚至整体报废。间壁式换热器的另一种板面式换热器，按结构分类为：板式换热器，螺旋板换热器，板翅式换热器，板壳式换热器及伞板式换热器。1. 3 换热器的开展现状虽然样式繁多的换热器很大程度上拓宽了人们的选择范围。但管壳式这一传统的换热设备在化工生产中仍占据着主要地位，在高温高压或有腐蚀性介质的作业中更能显示其优势。管壳式换热器由一些直径较小的圆管加上管板组成管束。外套一个外壳而构成。其特点是结构简单，易于加工、清洗，选材及应用范围广，处理量大。以上优点使其成为传统换热器的标准设备。但在追求高效传热的今天。传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低，传热系数不高，难以满足生产要求，因而。换热器强化传热技术的研究越来越得到重视。所谓换热器强化传热技术就是使换热器在单位时间、单位传热面积传递的热量尽可能多。长期以来。 国内外对此进行了大量研究。目前在我国石油化工行业中，换热设备投资占设备投资的30以上，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器，其中80 以上的管壳式换热器仍采用弓形折流板光管结构，这种结构决定了换热器传热效果差，壳程压降大，与我国正在推行的节能减排政策不相适应。因此提高换热器的效能对化工行业节能减排、提高效益非常重要。换热设备传热过程的强化就是力求使换热设备在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。应用强化传热技术的目的是为了进一步提高换热设备的效率，减少能量传递过程中的损失，更合理更有效地利用能源。提高传热系数、扩大单位传热面积、增大传热温差是强化传热的三种途径，其中提高传热系数是当今强化传热的重点。20世纪到80年代以来，换热器技术飞速开展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的开展、私有化比例加大，降低本钱已成为企业追求的最终目标。因此节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。1.4 换热设备的应用换热器是将热流体的局部热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。尤其在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的开展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续开展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速开展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的开展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃开展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的开展。70年代中期，为了强化传热，在研究和开展热管的根底上又创制出热管式换热器。2 U形管换热器各局部的设计说明2.1 U形管换热器的介绍图2.1 .U形管式换热器U形管式换热器的换热管呈“U形。U形管式换热器一束管子被弯制成不同曲率半径的U形管，其两端固定在同一块管板上，组成管束管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。管束的U形端不加固定，可自由伸缩，故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单，只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，也适用于高压流体的换热。相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少，相应的传热面积也较校双重管式换热器将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器。管程流体从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返向，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。当壳体与U形管有温差时，不会产生热应力。因此，它适用于温差很大的两流体换热。但管程流体的阻力较大，设备造价较高。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围处的U形管便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根管相当于坏两根，报废率较高。U形管换热器结构比较简单、价格廉价，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。因为U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价也比其他换热器廉价承压能力强。管束可以从壳体中抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内的介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管的结构形式关系，管子的更换除外侧一层外，内部管子大局部不能更换管束中心局部存在空隙，所以流体易走短路，影响传热效果。而且管板上排列的管子较少，结构不紧凑，U形管的弯管局部曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。但也正因为U形管换热器的结构特点，管束的两端固定在同一块管板上，管束可自由伸缩与壳体之间不存在温差应力。因此，U形管换热器常在高温高压的场合大量使用。 结构的选择与论证由于各种工艺和结构要求，不可防止地要在容器上开孔并安装接管，开孔后，除减小器壁的强度外，还会在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，产生很高的局部应力，给容器的平安操作带来隐患。因此，压力容器的设计必须充分考虑开孔的补强设计。开孔应力集中的程度与孔的形状有关，圆孔应力集中程度最低。为了降低峰值应力需要在开孔边缘补强，即用在开孔边缘附近增加截面的方法，来提高抗应力程度。等面积补强法规定，在有效补强范围内，补强的金属截面积等于大于开孔的所削弱的壳体面积。它是以补强后壳体的平均抗应力程度不至于变小为出发点的。这种方法沿用已久，对于塑性比较好的材料也比较平安可靠。为减小计算长度L，而大大提高容器的临界压力，用增设加强圈往往比用大容器壁厚的方法增大刚度更为经济。扁钢截面惯性距较大，力学性能较好。因此，选用扁钢加强圈。由于补强圈的焊接结构会引起较大局部应力，同时高强度钢容易产生焊接裂纹，故超越标准范围时采用补强管结构，即在开孔处焊一厚壁短管，在采用全焊透结构 筒体的设计筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，器内直径和容积往往需由工艺计算确定。筒体直径较小一般小于500mm时，圆筒可用无缝钢管制作，此时筒体上没有纵焊缝；直径较大时，可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒，再用焊缝将两者连接在一起，形成整圆筒。换热器的筒体可以用钢板卷制，也可以用无缝钢管制作，通常以400mm为界。筒体直径小于等于400mm，常用钢管作为筒体，公称直径以内径为基准。碳钢和低合金钢作为筒体必须是无缝钢管，奥氏体不锈钢管作为筒体可以使用无缝钢管，也可以是符合要求的有缝钢管。表2.1公称直径mm4007007001000100015001500200020002600浮头式810121416U形管式固定管板式68101214注：表中数据包括厚度附加量C2按3mm考虑因此：选材：按GB150-1998选定圆筒的材料为。长度：由换热管长度而定。中规定碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于上表的规定。2. 封头的设计1) 为了防止应力集中，封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距离至少应为钢板名义厚度的3倍，且不小于100mm。封头有成形的瓣片和顶圆板拼接制成时，焊缝方向只允许是径向和环向的，径向焊缝接头之间的最小距离也应小于100mm。2) 先拼板成形后的封头拼接焊缝，在成形前应打磨至母材齐平，100%压制成形后进行射线检测。3) 冲压成形后的封头，其最小厚度不应小于钢板名义厚度减去钢板的负偏差。4) 封头直边局部的纵向皱褶深度应小于。由GB150选取封头材料为参照?压力容器相关标准汇编?选取标准椭圆封头。图 封头结构示意图2. 封头管箱的设计本设计中封头管箱为组合件，选取一个椭圆封头、短节、中间隔板以及接管法兰组成。由GB150-1998第五章选择：椭圆封头材料：;短节材料：。2. 接管的设计接管的一般要求：1) 接管宜与壳体内外表平齐；2) 接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；3) 设计温度高于或等于300，应采用对焊法兰；4) 必要时应设置温度计接口，压力表接口及液面计接口；5) 对于不能利用接管进行放气、排液的换热器应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm；6) 立式换热器可设置溢流口。图 U形管简图2. U形管的结构设计对换热管的尺寸精度要求与一般的液体输送管线用管不同，因为在组装管束时，换热管必须穿过管板及折流板，所以对其外径有一定尺寸精度要求，否那么会给装备工作带来困难。GB151规定，对于碳钢和低合金钢的换热管，按其尺寸要求精度要求分成级管束和级管束。级管束采用较高级或高级精度冷拔钢，级管束采用普通级冷拔钢。在换热管材料订货时，应注意精度等级问题。奥氏体不锈钢材质的换热器均采用高精度管，管束均为级。2.1 U形管弯管管段的弯曲半径U形管弯管管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径Rmin可按GB151中表11选取。 表换热管外径 mm10121416192022253235455055Rmin mm2024303240455060667076901002.2 布管换热管在管板上的排列形式主要有正三角形。正三角形和转角三角形、转角正方形。正三角形排列形式可以再同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为了便于管外清洗方便，本换热器设计采用了转角正方形排管的管束，其图如下。a正三角形 b转角正三角形 c正方形 d转角正方形图2.4 管束的排列本设计中选用换热管的排布方式为按正三角形排列。2.3 换热管中心距换热管中心距可按GB151中第五章表12本文中表确定 表 单位mm换热管外径d10121416192022253032353845505557换热管中心距S1314161922252628323840444857647072分程隔板槽两侧邻管中心距Sn283032353840424450525660687678802 折流板的选择折流板一般应该按等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管。卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置，假设气体中含有少量液体时，那么应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口，如图a假设液体中含有少量气体时，那么应在缺口朝下的折流板最高处开通气口，如图b卧式换热器，冷凝器和重沸器的壳程介质为气、液共存或液体中含有固体物时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如图c。折流板间距一般不小于圆筒直径的1/5，且不小于50mm。图2.5折流板开口说明图 设备材料选择一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金那么用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。2.3.1 常压容器对材料的根本要求为了确保压力容器的使用特性和平安可靠性，正确地选择和合理加工材料式必要的根底和前提。压力容器使用的材料，取决于它的工作条件，主要指容器的工作压力、工作温度及介质特性等因素。由于压力容器的工作条件千差万别，决定了使用材料的广泛性和多样性，但使用量最多的还是各种钢材，这是由于钢材能在较大范围内适应压力容器的各种工作条件，易于加工，而且价格较其它金属材料廉价，因而钢制压力容器占绝大多数。只有在一些特定条件下，主要指介质条件，才选用铜、铝、钛及其合金材料制作压力容器，但这类压力容器应用不多。压力容器用钢都可以在常压容器中使用，对于非锅炉和压力容器用钢，按照钢材本身的性质，如沸腾钢考虑硫、磷，可能存在分层等现象，对钢板的使用温度和尺寸进行了限制。考虑到常压容器的特点，对材料一般只要求符合相关标准，没有无损检测，复验符合要求；但同时考虑到常压容器应用范围的广泛性，又盛装毒性介质的场合，这类容器虽然在常压下工作，但仍存在一定程度危及人身平安的问题，因此，对材料有特殊要求时，应在图样或相关技术文件中注明。应根据减压容器的设计温度，介质特性和操作特点等使用条件及材料的焊接性能，容器的制造工艺以及经济合理性等选择常压容器用钢。使用的常压容器用钢，一般要求有平炉，电炉或氧化转炉冶炼，并应附有钢材生产单位的钢材质量说明书，容器制造单位应按质量说明书对钢材进行验收。常压容器用钢的使用温度下限，除奥氏体高合金钢，低温低压力工况下的容器用钢外，均高于-20。焊接元件用钢要求是焊接性能良好的钢材。2.3.2 常压容器用钢材A钢板 钢板是压力容器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，钢板通过冲压或旋压制成封头等。常压容器常用钢板的标准，使用状态及许用应力按JB/T4735的规定。除了GB150规定的所有材料都可以使用外，Q235-AF和Q235-A也可用于常压容器。B钢管压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。它们通过焊接与容器壳体、法兰连接在一起。一般要求钢管有较高的强度、塑性和良好的焊接性能。常压容器常用钢管的标准及许用应力按JB/T4935的规定。另外，GB150规定的所有材料都可以用于常压容器。C锻件常压容器常用锻件的标准及许用应力按JB/T4735的规定。另外，GB150规定的所有材料都可以用于常压容器。D螺柱和螺母1常压容器常用螺柱用钢的标准，使用状态及许用应力按JB/T4735的规定。另外GB150规定的所有材料都可用于常压容器。2与各螺柱用钢组合使用的螺母用钢的标准，使用状态及许用应力可按JB/T4735选用，设计者也可选用有使用经验的其他螺母用钢。3计算局部 U型管筒体和封头厚度计算校核设计条件设计温度：管程操作介质 壳程：原油，管程；循环油程数管程：2，壳程1换热面积3500保温材料600mm计算条件=1000 mm 钢板负偏差腐蚀裕量=2 mm 设计温度下许用应力设计温度下屈服点 焊接系数 在GB6654 规定，压力容器专用钢板偏差不大于，因此使用标准厚底超过5mm是可取 3.1.2筒体和封头厚度计算校核1厚度计算根据操作介质设计压力，设计温度等因素，选取筒体及封头为筒体壁厚计算式中：设计压力 MC壁厚附加量 mm设备内径 mm焊缝系数，无量纲设计温度下材料的许用用力M常温下材料的许用应力M计算厚度：=设计厚度： 名义厚度： =0 =2有效厚度：封头厚度换热器封头选用标准椭圆形封头式中K=封头形状系数其他同上=1计算厚度=4mm名义厚度=10mm有效厚度=由压力容器相关标准汇编选取=2筒体，封头的周向水压试验校核内压容器进行液压试验：=1.625 M压力试验允许通过的应力水平 M筒体液压试验满足要求3封头的压力校核最大允许工作压力：= =2.73 M合格3.2 管板的计算1管子数n 选25 管长4500mm换热面积：= 由于实际的管板布置的情况，实际管子数为294根于是U型管为n=14采用正三角形排列由GB-151-1999中表12得S=32由于实际的需要取层数为16(2)管子的校核管轴向应力：=- - = 125-2.5 只有壳程设计压力=1.3 M，壳程设计压力=0=-1.3-0=-9 合格只有壳程设计压力=0= =3.6 M合格壳程和管程设计压力同时作用3隔板槽面积邻近隔板槽一侧的排管一根数n=2=216=32=3232)=1667147+16679=115279=710R=355(4)确定管板的设计压力=1.3 M(5)管板计算壁厚= =61mm=+=64上圆整取=64(6)换热器与管板连接的拉脱力计算及其校核 =0.06 M接GB151-1999中表26选取q合格(7)管板与壳体，观箱的连接方式对于a型连接方式 3.3 法兰和螺栓的计算垫片的选择垫片材料：橡胶石棉板压紧面形式：/a或/b尺寸：=766=733软垫片的特性参数： 按GB150-1998中9-2取厚度：6mm 垫片系数m： 2.75 比压力y：(1) 垫片的计算垫片的实际厚度 N=766-700=33mm按GB150表9-1确定垫片解除厚度N=66mm垫片的有效密封宽度：垫片的有效密封宽度： =15mm(2)螺栓的选择材料：Q235 数量：24尺寸：M24290常用许用应力： =97 M设计温度下的需用应力，由内插法得=82.6 M螺栓载荷操作条件下的螺栓载荷= 73315by73315螺栓的强度校核螺栓强度：预紧状态下需要的最小螺栓面积：=实际螺栓面积：=max=9076 螺栓的间距校核根据GB150理论的间距=224+=式中螺栓的工称直径mmT-法兰厚度mm实际间距=校核合格材料： 16直径： F=700(3)法兰的校核法兰力的计算预计状态时= 9741=24420式中=41mm操作状态时=50004541式中：=-内压作用在内径截面上的轴向力N=500045N式中=7999554法兰的应力计算与校核按活套法兰计算环向应力：式中：由GB150得由内插法得=40mm=轴向应力： 径向应力： 剪应力预紧时：式中：=剪切面积-剪切面计算直径；取圆筒外径-710mm；L剪切计算高度；L=12操作时： W=式中：如上 校核环向应力： 轴向应力： 径向应力： ：预紧时 操作时： 3.4 筒体的开孔补强的计算1开孔削弱截面积AA=0.625+20.1(1-1)式中：-壳体开孔的计算厚度mm；-接管名义厚度mm=C：接管壁厚附加量mmC=0-设计温度T接管材料与壳体材料需用应力之比=12有效不强范围有效厚度： B= = =补强区外侧高度：=补强区内侧高度：=03补强区补强金属面积壳体多余的金属面积=861焊缝金属截面积=225.595-0.625-0.11焊缝金属截面积+=1105 A不需要另外补强结 论在经历了毕业设计后，我很好的掌握了对化工设计的相关设计、计算及其校核的步骤方法。无论是在实际应用中，还是在研究理论方面，我都尽量使我的分析和设计符合科学性、实际操作性的原那么。但由于个人水平限制原因，我对这个课题的研究还是不够深入，设计还存在一些缺陷和不妥之处，恳请各位老师给我提出珍贵的意见，我将在以后的研究设计和工作中进一步的完善和深化。参考文献1 GB1501998?钢制压力容器?国家技术监督局2 GB1511999?管壳式换热器? 国家技术监督局3 王志魁主编 化工原理 北京：高等教育出版社， 20014 贺匡国主编 化工容器及设备简明设计手册 北京：化学工业出版社， 19915 赵正修石油化工压力容器设计 北京：石油工业出版社， 1985.7 6 杨可桢主编 机械设计根底 北京：高等教育出版社， 20037 史美中等 热交换器原理与设计 南京：东南大学出版社， 19898 郑津洋等 过程设备设计 北京：化学工业出版社， 200510 邹广华等 过程装备制造与检测 北京：化学工业出版社， 200411 John F.Harvey,P.E.Theory and Design of Pressure Vessels.Second Edition.New York: Van Nostrand Reinhold company,1991谢 辞在蔡永梅老师精心指导下我的毕业设计完成了，在此我深深感谢蔡永梅老师对我毕业设计的帮助与支持，为我提供关于设计方案及引用资料等方面的帮助，使我能够顺利地完成毕业设计，最后道一声您辛苦了！与此同时，还不得不感谢身边朝夕相处生活在一起的同学们，谢谢你们对我生活与学习方面的帮助！最后，请再允许我衷心的道一句：谢谢你们！
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