毕业设计--U形管式换热器设计

摘要本文介绍了U形管换热器的整体结构设计计算。U形管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。U形管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。关键词：U形管换热器；结构；强度；设计计算AbstractThis paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories.This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design.KEYWOEDS: U-tube heat exchanger；frame；intensity；, design and calculation目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1管壳式换热器。11.1 概述11.2 管程式换热器结构31.2.1 分类及特点41.3 流道选择71.4 材料选择71.5 管壳式换热器的传热强化技术81.6 主要控制参数81.7 选用要点91.8 施工、安装要点91.9 管壳式换热器腐蚀分析101.10 管壳式换热器的防腐保护111.11 新型换热器简介11第2章 U形管式换热器结构设计152.1 U形管式换热器结构介绍152.2 筒体设计162.3 封头设计162.4 管箱设计192.5 布管222.5.1 换热管的排列方式222.5.2 换热管中心距232.5.3 换热管与管板的连接242.6 管板设计252.6.1 管板的加工262.7 折流板262.7.1 折流板的形式272.8 拉杆282.8.1 拉杆的直径、数量及布置292.9 定距管302.10 裙座的设计302.10.1 裙座的结构312.10.2 裙座的材料312.11 起吊附件31第3章U形管式换热器的强度计算与校核323.1 换压力热器的计算323.2 筒体计算333.2.1 筒体厚度计算333.2.2 压力试验时应力校核343.2.3 压力及应力计算343.3 前端管箱筒体计算353.3.1 管箱筒体的厚度计算36（1）筒体的计算厚度363.3.2 压力试验时应力校核363.3.3 压力及应力计算373.4 前端管箱封头厚度计算.383.5 开孔补强393.5.1 开孔补强计算393.5.2 开孔补强计算413.5.3 开孔补强计算423.6 筒体法兰计算443.6.1 筒体法兰计算443.6.2 力矩计算453.6.3 螺栓间距校核463.6.4 形状常数确定473.6.5 剪应力校核483.7 前端管箱法兰计算493.7.1 螺栓受力计算493.7.2 力矩计算503.7.3 螺栓间距校核523.7.4 形状常数确定523.7.5 剪应力校核533.8 U形管换热器管板计算543.8.1 管板计算553.8.2 换热管563.8.3 参数计算573.8.4 管板厚度及管板应力计算573.8.5 管板应力校核583.8.6 换热管轴向应力计算及校核583.8.7 换热管与管板连接拉脱力校核59第4章 结论60参 考 文 献61致 谢62第1章 绪论管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。1.1 概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器1。换热器的应用广泛，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。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%45%。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。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。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。随着制造工艺的发展，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。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器；按结构可分为固定管板、U形管、浮头式三种形式，而固定管板式换热器最为常见。国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。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，因此陆续发展为多种形式。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。5060年代的照搬发展到70年代消化和吸收，进入80年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次开发浪潮。到90年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。国内80年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器 、高效冷凝器、双壳程换热器、管壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展，模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系。 一般来说，管壳式换热器制造容易、生产成本低、选材范围广、清洗方便、适应性强、处理量大、工作可靠、且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面无法与板翅式换热器相比，但它由于前述的一些优点，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。在换热器向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效传热管不断出现，使得管壳式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新的生命力。国外换热器市场管壳式换热器占64。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。现就几种新型换热器的特点简介如下：一、气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属，还能喷涂合金和陶瓷（金属陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。 通常在实践中翅片底面接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。 为了评估翅片底面接触阻力对翅片效率的影响，特对气动喷涂翅片管换热器元件进行了试验研究。试验证明，气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。 因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。二、螺旋折流板换热器 在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（Z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。 为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。 螺旋折流板的设计原理很简单：将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。 螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。三、新型麻花管换热器 瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。 美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。1.2 管程式换热器结构 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板2。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程，为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。1.2.1 分类及特点 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力3。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： （1）固定管板式换热器是将两端管板直接与壳体焊接在一起4。主要由外壳、管板、管束、封头等主要部件组成。壳体中设置有管束,管束两端采用焊接、胀接或胀焊并有的方法将管子固定在管板上,管板外周围和封头法兰用螺栓紧固。固定管板式换热器的结构简单、造价低廉、制造容易、管程清洗检修方便,但壳程清洗困难,管束制造后有温差应力存在。当换热管与壳体有较大温差时,壳体上还应设有膨胀节。图1-1 固定管板式换热器 （2）浮头式换热器一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以在壳体内自由移动,也就是壳体和管束热膨胀可自由。故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头可拆卸,管束可以自由地抽出和装入。浮头式换热器的这种结构可以用在管束和壳体有较大温差的工况。管束和壳体的清洗和检修较为方便,但它的结构相对比较复杂,对密封的要求也比较高。图1-2 浮头式换热器 （3）U形管式换热器是将换热管炜成U形,两端固定在同一管板上。由于壳体和换热管分开,换热管束可以自由伸缩,不会由于介质的温差而产生温差应力。U形管换热器只有一块管板,没有浮头,结构比较简单。管束可以自由的抽出和装入,方便清洗,具有浮头式换热器的优点,但由于换热管做成半径不等的U形弯,最外层换热管损坏后可以更换外,其它管子损坏只能堵管。同时,它与固定管板式换热器相比,由于换热管受弯曲半径的限制它的管束中心部分存在空隙,流体很容易走短路,影响了传热效果图1-3 U形管式换热器 （4) 釜式重沸器 壳程体积大，除保持液体淹没管束外，在壳体液面上还留有作为汽液分离用的一定空间。液面的高度由所设的挡板(溢流堰)维持。管束有浮头式和U形管式。此种重沸器热源定管程，被加热介质走壳程。图1-4 釜式重沸器 （5）填料函式换热器将密封软填料(或称盘根)填入填料函而实现壳体与浮头或滑动管板密封的管壳式换热器，也称外浮头式换热器5。一般不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质的换热。 对于化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。这类换热器的换热性能较差，只用于压力低、振动小、温度较低的场合。图1-5 填料函式换热器1.3 流道选择进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：(1)不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；(2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；(3)压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；(4)饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；(5)若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。 管壳式换热器选型时，需要考虑的因素有很多，主要是流体的性质;压力、温度以及允许压力降的范围、对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等6。1.4 材料选择材料选择 选择压力容器用材的时候必须考虑设备的操作条件（如设计压力、设计温度、介质的特性）、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构等。 钢材的使用温度上限为本章各许用应力表中各钢号所对应的上限温度。碳素钢和碳锰钢在高于温度425下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。奥氏体钢的使用温度高于525时，钢中含碳量应不小于0.04%。钢材的使用温度下限，除奥氏体钢及本章有关条文另行规定者外，均为高于-20。钢材的使用温度低于或等于-20时，应按标准的规定进行选择。奥氏体钢的使用温度高于或等于-196时，可免做冲击试验。当对钢材有特殊要求时如要求特殊冶炼方法较高的冲击功指标附加保证高温屈服强度提高无损检测要求增加力学性能检验率等设计单位应在图样或相应技术文件中注明。 选择压力容器用材时必须满足上述条件，考虑经济合理性。一般情况下，下列规定是经济合理的。 （1）所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳素钢钢板（多层容器用材除外）； （2）在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235A、Q235B、20R（20g）、16MnR等钢板； （3）所需不锈钢厚度大于12mm时，应尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式； （4）不锈钢应尽量不用作设计温度小于等于500的耐热用钢； （5）珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于等于350的耐热用钢。在必须使用珠光体耐热钢作耐热或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种、规格。 换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目均按GB150-1998第4章及其附录A的规定。设计温度低于或等于-20时，应按本标准附录A（标准的附录）选择低温用1.5 管壳式换热器的传热强化技术当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间的换热），应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小，可采用外螺纹管（低翅片管），以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。1.6 主要控制参数 管壳式换热器的主要控制参数为(1)加热面积；(2)热水流量；(3)换热量；(4)热媒参数。 1.7 选用要点 （1）根据已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容决定所需的换热面积。初步估计换热面积，一般先假定传热系数，确定换热器构造，再校核传热系数K值。 （2）选用换热器时应注意压力等级，使用温度，接口的连接条件。在压力降，安装条件允许的前提下，管壳式换热器以选用直径小的加长型，有利于提高换热量。 （3）换热器的压力降不宜过大，一般控制在0.010.05MPa之间； （4）流速大小应考虑流体黏度，黏度大的流速应小于0.51.0m/s；一般流体管内的流速宜取0.41.0m/s；易结垢的流体宜取0.81.2m/s。 （5）高温水进入换热器前宜设过滤器。 （6）热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站的总供热负荷及调节的要求。在满足用户热负荷调节要求的前提下，同一个供热系数中的换热器台数不宜少于2台，不宜多于5台。1.8 施工、安装要点 （1）热交换器应以最大工作压力的1.5倍做水压试验，蒸汽部分应不低于蒸汽供汽压力加0.3MPa；热水部分应不低于0.4MPa。在试验压力下，保持10min压力不降。 （2）管壳式换热器前端应留有抽卸管束的空间，即其封头于墙壁或屋顶的距离不得小于换热器的长度，设备运行操作通道净宽不宜小于0.8m。 （3）各类阀门和仪表的安装高度应便于操作和观察。 （4）加热器上部附件（一般指安全阀）的最高点至建筑结构最低点的垂直净距应满足安装检测的要求，并不得小于0.2m。 目前运用于强化传热的最新技术有以下几方法：运用计算机技术建立流体的流动翻热传递模型，并进行计算机模拟和仿真，从而对流体的流动区域和热传递的分布进行更详细预测的计算流体力学(CFD)；致力于管壳式换热器设计程选型，以辅助设计者对流体流径、壳体及浮头类型、换热器结构尺寸、折流板类型和换热器熬体布置等问题进行决策的专家系统；这些需要整体装置设计的数据库技术。 1.9 管壳式换热器腐蚀分析管壳式换热器的材料一般以碳钢、不锈钢和铜为主，其中碳钢材质的管板在作为冷却器使用时，其管板与列管的焊缝经常出现腐蚀泄漏，泄漏物进入冷却水系统污染环境又造成物料浪费。 管壳式换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊，焊缝形状存在不同程度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不均匀。使用时管板部分一般与工业冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀，这就是我们常说的电化学腐蚀。研究表明，工业水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和溶解的氧气，其中氯离子和氧的浓度变化，对金属的腐蚀形状起重要作用。另外，金属结构的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此，管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外观看，管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物，分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时，还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀，换热器管板接触各种各样的化学介质，就会受到化学介质的腐蚀。另外，换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。 综上所述，影响管壳式换热器腐蚀的主要因素有： （1）介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到60%以上时，腐蚀反而急剧下降； （2）杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情况下会引起严重腐蚀 （3）温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升 10，腐蚀速度约增加13倍，但也有例外； （4）PH值：一般PH值越小，金属的腐蚀越大； （5）流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大。 1.10 管壳式换热器的防腐保护针对冷却塔防腐问题，传统方法以补焊为主，但补焊易使管板内部产生内应力，难以消除，可能造成冷却塔管板焊缝再次渗漏。现西方国家多采用高分子复合材料的方法进行保护，其中应用最多的是美嘉华技术产品。其具有优异的粘着性能及抗温、抗化学腐蚀性能，在封闭的环境里可以安全使用而不会收缩，特别是良好的隔离双金属腐蚀和耐冲刷性能，从根本上杜绝了修复部位的腐蚀渗漏，为冷却塔提供一个长久的保护涂层。 1.11 新型换热器简介(1) 折流杆换热器折流杆换热器是以折流杆取代折流板，在管外改善流体的流动方式，减少折流板造成的流动死区和停滞区，并且使流体在折流杆后产生有效的“涡流”效应，从而达到强化传热的果，同时起到了降低流体阻力和消除换热管的震动造成的损伤、失效等作用。(2)波纹管换热器波纹管换热器是将换热管加工成内外均呈连续波纹曲线的波纹管，使管子的纵向截面成波形，由相切的大小圆弧构成，由于管内流体的流动截面不断变化，使流体的扰动增加而使传热强化。根据使用测试结果其管内放热系数可较光管提高34倍，同时壳程的换热系数也可得到一定程度的提高，使总放热系数提高12倍，目前该技术已在许多热网换热器中应用。同时在原油加热器及压缩机冷凝器中均取得了良好的效果。此外波纹管换热器在解决管内结垢问题上也起到了明显的作用。 (3)螺旋槽管换热器螺旋槽管换热器是将换热管表面加工成螺旋形的凹槽，在管内形成螺旋形凸肋的异型管。流体在管内流动时受螺旋槽的导引，靠近壁面的流体顺螺纹旋转，螺旋形的凸肋使流体产生周期性的扰动，这样可以使流体边界层减薄，并加剧流体的扰动，因而使传热强化。一般其管内放热系数为光管的1.52.5倍，总的放热系数可提高0.51倍。目前这项技术在工业锅炉和其它换热器设备中得到广泛应用。(4)螺旋翅片管和纵向翅片管换热器螺旋翅片管换热器是将换热管上螺旋缠绕高频焊接扁钢，纵向翅片管换热器是将换热管圆周上沿轴线方向、高频焊接形翅片。两种热交换器都是通过增加管外侧受热面、改变流体流动的方式来强化传热。实验证明，小管径翅片管束的传热性能优于大管径管束，适当增加翅片高度和翅片间距对传热有利，适当密排对传热有利。螺旋翅片管换热器主要用于流体横向冲刷的场合，纵向翅片管主要用于流体纵向冲刷的场合，同时起到大大缩小换热器体积的作用。我们在空气换热器、热管换热器及锅炉上，采用了这类换热器，取得了明显的强化换热效果。(5)螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器对传统折流板换热器进行了大胆的创新。采用与壳体轴线成某一角度状排列的螺旋板作为折流板，使介质在壳体内螺旋推进流动，实现了在较小泵功能消耗条件下较高的传热效果。其特点有：具有较高的传热系数；壳侧流阻较小，无滞流区；不易污垢沉积。延长维修周期，减少维修费用。适用于较粘稠介质。(6)涡流热膜换热器 涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。最高可达10000W/m2。同时这种结构实现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的流体通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕流，对流换热系数降低。(7)陶瓷换热器陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450时，烟道出口的温度应是1000-1300，陶瓷换热器回收余热可达到450-750，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节约能源25%45%，这样直接降低生产成本，增加经济效益。 陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。 目前，陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉，正在为世界的节能减排事业作出了巨大的贡献。 在生产中存在的热交换条件千变万化，所需要的换热器必须各式各样，为了符合使用要求，国内、外对换热器技术的开发从传热机理的研究、设备的结构的创新，设计计算的方法改进以及制造工艺水平的提高等方面都进行了长期而大量的工作。直至目前，换热器的基本状况是管壳式换热器，就其数据量或使用场所与管式结构竞争，从空间技术发展起来的热管技术受到极大重视，各式热管换热器已进入工业实用阶段。在换热器设计中采用了电子计算机，不仅可以缩短计算时间，减少人为的差错，而且有可能进行最佳设计。换热器制造工艺上获得了改进，新材料及复合材料已逐渐使用。随着工业的高速发展，换热器技术将迅速发展。就目前的情况分析，换热器的基本发展趋势是：提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温、高压、超低温及耐腐蚀能力。保证互换性及扩大容量的灵活性，通过减少堵塞和便于除垢以减少操作事故，从选用材料，结构设计以及运行操作等各方面增长使用寿命并在广泛的范围内向大型化发展。在换热器制造中，专业化生产的趋势仍将继续。加工中向“多轴化”及“数值控制化”发展。采用新技术、新工艺、新材料，提高机械化、自动化水平。提高劳动生产率，降低制造成本仍是基本发展目标。对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。目前，从世界石油、化工行业看，先进国家早以开发和采用了高效节能换热器。世界先进国家的油化工企业的换热设备正处在更新换代时期,朝着新型降耗高效换热器方向发展。在工业生产中，换热设备的回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。通过余热可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的主要辅助能源，从而能提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产的经济效益。如果能够得到效率的大幅度提高，所产生的经济效益将是十分的可观，为我国的“低碳生活”和“节能减排”事业做出巨大的贡献。第二章 U形管式换热器结构设计本次设计U形管式换热器的基本结构如下图所示：图2-1 本次设计设备简图2.1 U形管式换热器结构介绍U形管式换热器由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。U形管式换热器的结构特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，U形管式换热器结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大或壳程介质易结垢的场合 。2.2 筒体设计选材：按GB151-1999管壳式换热器中4.2.2用作换热器圆筒的碳素钢低碳合金钢钢管应采用无缝钢管。按GB151-1999管壳式换热器中5.3.1中规定当圆筒的公称直径DN400mm时，可用无缝钢管做圆筒。厚度：由GB151-1999管壳式换热器中5.3.2表8之规定，即碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于下表2-1中的规定7。表2-1 圆筒最小厚度mm 公称直径 400700 7001000 10001500 15002000 20002600 U型管式 8 10 12 14 16 固定管板 6 8 10 12 14 注:表中数据包括厚度附加量C2（按1mm考虑）因此按GB151-1999管壳式换热器规定，本次设计选用2738L，20号钢无缝钢管。2.3 封头设计封头是容器的一个部件（如下图）根据几何形状的不同，可分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中球形 、椭圆形、碟形、球冠型封头又统称为凸形封头。在焊接上分为对焊封头，承插焊封头。用于各种容器设备，如储罐、换热器、塔、反应釜、锅炉和分离设备等。材质有碳钢（A3、20#、Q235、Q345B、16Mn等）、不锈钢（304、321、304L、316、316L等）、合金钢（15Mo3 15CrMoV 35CrMoV 45CrMo ）、铝、钛、铜、镍及镍合金等。 （1）球形封头是由半个球壳构成的。虽然球形封头壁厚可较相同直径与压力的圆筒壳减薄一半。但在实际工作中，为了焊接方便以及降低边界处的边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。 图2-2半圆型封头 图2-3球冠封头（2）椭圆封头又名为椭圆形封头、椭圆封头即为由旋转椭圆球面和圆筒形直段两部分组成的封头。旋转椭圆球面母线的长、短轴之比为2.0的椭圆形封头，习惯上称为标准椭圆形封头。椭圆封头的力学性能仅次于半球封头，但优于碟形封头。由于椭圆封头的深度介于半球形和碟形封头之间，对冲压设备及模具的要求、制造难度亦介于两者之间，即比半球封头容易，比碟形封头困难。近年来由于采用旋压制造工艺，为制造大直径椭圆形封头带来了方便。椭圆封头因综合性能较好，被广泛用于中低压容器。如图2-3.图2-3 椭圆形封头 （3）碟形封头，又称带折边球形封头，又名蝶形封头。由一个球面、一个某一高度的圆筒直边和连接以上两个部分的曲率半径大小小于球面半径的过渡部分组成。碟形封头为一个连续曲面，在三部分连接处，经线曲率半径有突变，由于曲率变化， 因而存在着弯曲应力。弯曲应力和拉伸应力叠加的结果，使这部分的应力突出于其他部分。与椭圆形封头相比，应力分布不如其均匀，但加工较之容易，因而在工程使用中并不理想。但当椭圆形封头的模具加工有困难时，则用碟形封头代替。如图2-4。 图2-4 碟形封头 （4）锥形封头广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的圆锥形壳体称为变径段。如图2-5。 图2-5 锥形封头对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸封头与圆筒厚度的比值大小有关。按GB151-1999管壳式换热器中4.2.1之规定选取封头材料为Q235-B8。参照压力容器相关标准汇编选取标准椭圆形封头。如图2-6所示。图2-6 标准椭圆形封头示意图 2.4 管箱设计管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无论哪种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求：使连接双程间流体流动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。下面介绍几种典型管箱结构形式及管箱尺寸确定的原则9。（一）管箱结构形式(1)A型（平盖管箱） 这种管箱如图3-1中前端管箱形式中A，装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大时得用锻件，耗费大量机加工工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN6001200 10 8 12002000 14 10 20002600 14 10 本设计分程隔板厚度为10mm。封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工10。2.5 布管2.5.1 换热管的排列方式换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。正三角形排列形式可以在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。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。换热管排列形式如图2-9。图29换热管的排列形式在此，换热管排列方式要用正三角形排列。2.5.2 换热管中心距换热管中心距可按GB151-1999管壳式换热器第五章规定，宜不小于1.25倍的换热管外径。表2-3 GB151-1999管壳式换热器换热管外径d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 换热管中心距离13-14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72 分程隔板槽两 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 本设计换热管的中心距是19mm。换热管简图如图2-10所示。图2-10 换热管简图直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直，管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；U形管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净11。U形管弯管段的圆度偏差，应不大于换热管名义外径的10%；但弯曲半径小于2.5倍换热管名义外径的U型管弯管段可按15%验收。为了保证顺利穿管，必须使折流板的管孔和管板的管孔中心保持在同一水平线上。 换热管组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm，两管板间长度误差为2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。2.5.3 换热管与管板的连接管子与管板的连接，在管壳式换热器换热的设计中，是一个比较重要的结构部分，它不仅加工工作量大，而且必须使每个连接处在设备的运行中，保证介质无泄漏且具有承受介质压力的能力12。换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。对于管子与管板的连接结构型式，主要有以下几种：（1） 胀接； （2）焊接； （3）胀焊结合。 这几种型式除本身结构固有的特点外，在加工中，与生产条件，操作技术都有一定的关系。但无论采用何种连接型式，都必须保证连接处能满足设计所需的密封性和具有足够的抗拉脱强度。强度胀接主要适用于设计压力4.0Mpa；设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。本设计采用强度焊加贴账的形式。 图2-11管板胀接形式2.6 管板设计管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的Q345R整体管板。管板与壳体的连接由于U形管式换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修，因而换热器固定端的管板采用可拆式连接方式，即把管板利用垫片夹持在壳体法兰与管箱法兰之间。本设备利用垫片夹持在壳体法兰与管箱法兰之间。2.6.1 管板的加工 管板：管板为碳钢锻件，应检查表面含碳量，使任意点的C0.19%，或在管板上加两层低碳堆焊层来避免偏析的影响13。管孔加工：管孔加工必须满足下列要求： （1）保证孔的位置及尺寸精度，如管孔不圆度、同心度及孔壁的光洁度。 （2）对大厚度的管板须保证孔与管板平面垂直。 （3）组装状态下管板和折流板的同一位置的管孔和拉杆用孔的中心应在同 一直线上。2.7 折流板折流板顾名思义是用来改变流体流向的板，常用于管壳式换热器设计壳程介质流道，根据介质性质和流量以及换热器大小确定折流板的多少。折流板被设置在壳程，它既可以提高传热效果，还起到支撑管束的作用。折流板有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。本次设计选用弓形折流板。折流板形式如图2-12所示。图2-12 折流板形式2.7.1 折流板的形式选用单弓形折流板，上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数。为方便选材，选择折流板的材料为Q235A，弓形缺口高度为49.1mm，折流板间距为56mm，查GB151-1999管壳式换热器可知折流板厚度为6mm。该台换热器折流板排列如下图2-13所示。 图2-13折流板排布简图由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力使管板中心变形，故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平，重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。为了保证顺利穿管，必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上，可以将管板当作钻模放在折流板上，压紧后进行引孔，即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上合适的钻头14。2.8 拉杆 拉杆的作用是与定距管配合将换热器的管束上的折流板连接固定起来，防止窜动。拉杆的一端靠螺扣旋入管板中固定，它从数块折流板中间的拉杆孔中穿过，另一端用螺母固定在支持板上。拉杆结构见图。为了使各块折流板间距符合设计要求，均匀受力，保证折流板与换热管垂直，就需要在一个管束中布置一定数量的拉杆。但拉杆又位于布管区内，一根拉杆就要占一跟换热管的位置。因此拉杆的布置既要合理，数量又不能太多。拉杆直径的选择与换热管外径有关，拉杆数量则视换热器的直径而定15。拉杆形式如图2-13。常用拉杆的形式有两种：(1)拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，（按GB151-1999表45规定）；(2)拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，；(3)当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。本次设计换热管的外径为14mm，拉杆与折流板点焊结构，材料为Q235A。 图2-14拉杆结构示意图2.8.1 拉杆的直径、数量及布置其具体尺寸如下图2-15所示。 图2-15拉杆结构尺寸 按GB151-1999管壳式换热器中规定拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。还应满足GB151-1999管壳式换热器中规定。拉杆参数见表2-4，表2-5所示。表2-4 拉杆参数换热管外径d 10d14 14d 25 25d57 拉杆直径dn 10 12 16 表2-5 拉杆参数公称直径DN，mm 400 400 700 900 1300 1500 1800 2000 2300拉杆直径dn，mm 700 900 1300 1500 1800 2000 2300 2600 10 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 14 16拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。2.9 定距管定距管的作用是将折流板之间的距离固定下来，定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图，材料确定为20号钢，规格为162 =50mm，162 =340mm。2.10 裙座的设计立式化工装备常采用裙座支承。裙座形式根据承受载荷情况不同，可分为圆筒形和圆锥形两类。本U形管换热器采用圆筒形，圆筒形裙座经济上合理，故应用广泛。