吉林化工学院《过程设备设计》课程设计
换热器设计-U型管式
专业：过程装备与控制工程
姓名：黄少华
学号：05420338
指导教师：张志文
2008年12月15～25日
摘要
本文扼要介绍了U型管换热器的特点及在工业中的应用和发展前景，详细的阐述了U型管式换热器的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。
参照GB151-1999及换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。
设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。
关键词：换热器、U型管式、结构设计、强度设计
目录
摘要 ................................................................. - 0 -第一章绪论. (1)
第二章 U型管换热器的特点 (1)
第三章结构设计 (1)
3.1 管箱设计 (1)
3.3 封头设计 (3)
3.4 管板设计 (3)
3.5 拉杆和定距管的确定 (4)
3.7 旁路挡板设计 (5)
3.8 容器法兰的设计 (5)
3.9 选取支座 (6)
第四章强度校核 (6)
4.1 管箱筒体计算 (6)
4.1.1计算条件： (6)
4.1.2厚度及重量计算 (6)
4.1.3压力试验时应力校核 (7)
4.1.4压力及应力计算 (7)
4.2 壳程圆筒计算 (7)
4.2.1计算条件 (7)
4.2.2厚度及重量计算 (7)
4.2.3压力实验时应力校核 (8)
4.2.4压力及应力计算 (8)
4.3 开孔补强计算 (8)
4.3.1计算条件 (8)
4.3.2开孔补强计算 (9)
4.3.3设计条件 (9)
4.3.4开孔补强计算 (10)
4.4管板和法兰的强度计算 (10)
4.5仅有壳程压力
P作用下的危险组合工况 (12)
s
4.6仅有管程压力
P作用下的危险组合工况()0=s P (13)
t
第五章换热器的制造、检验、安装与维修 (14)
5.1 换热器的制造、检验与验收 (14)
5.1.1筒体 (14)
5.1.2 换热管 (15)
5.1.3管板 (15)
5.1.4 折流板、支持板 (15)
5.1.5 管束的组装 (15)
5.1.6换热器的组装 (15)
5.1.7 压力试验 (15)
5.2 换热器的安装与维护 (15)
5.2.1安装 (16)
5.2.3 维护 (16)
结束语 .................................................. 错误！未定义书签。参考文献. (16)
第一章绪论
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。
化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显着地提高设备的热效率。
本次课程设计的内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以结构设计最为重要,U型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其它特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力和温度。换热器管程与壳程的温度差，换热器的热负荷，检修清洗的要求等因素决定采用哪一类的列管式换热器。
由于我们水平和能力有限，设计时间仓促，存在不妥之处在所难免，恳请老师给予批评指正。
第二章 U型管换热器的特点
U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器的优点是：管束可以自由伸缩，不会因为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，且结构简单，造价便宜。
缺点：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，在管板中心部分部管不紧凑，所以管字数不能太多，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，直管部分必须用壁较厚的管子。这就影响了其适用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的场合。
第三章结构设计
3.1 管箱设计
3.1.1管箱短节
a 材料：由于管程走循环水，对管箱来说，要求不高，腐蚀性极低，所以选其材料为20R
板材。
b 加工：采用20R 钢板卷制，使用氩弧打底的单向焊焊接。
c 尺寸：根据GB151-1999表8中低合金钢圆筒的最小厚度规定公称直径DN=1000～1500mm 时，U 型管换热器筒体最小厚度为12mm ，即n δ=12mm 根据GB151-89规定，短节长度L ≥300mm ，取L=500mm 所以短节尺寸DN=1300，n δ=12mm L=500mm 。
3.1.2分程隔板
a 材料 ：选用Q235-A 板材，许用应力[]
Mpa C
11360=?σ。
b 尺寸：根据GB151-1999表6中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定：当DN=600～1200mm 时，mm 12min ≥δ最小厚度为4.5mm ,取n δ=12mm 。分程隔板长度L '同管箱深度。
c 为了使换热器在停车时将水排净，要在分程隔板上开设一个6φ的排净孔或三角口。
d 隔板应连续焊在管箱壁上。
3.1.3管箱深度
a 根据图2—1得管箱深度L=866mm 。
b 根据钢制U 型管换热器结构手册P165得换热器的管箱最小长度
mm S h E N d L p cp i g 365123251300
75
25414.34212min =++??=++??≥π 其中
i d ——换热管内径。
cp N ——各相邻的管程间分程处物料流通的最小宽度。
根据钢制U 型管换热器结构手册P167表4-37选取E=1300mm 。 h i ——封头内曲面高度mm 。 S p ——封头厚度。 c 管箱最大长度
根据钢制U 型管换热器结构手册P169中图4—38管箱最大长度
mm L g 465max =≤m in g L ≤m ax g L g L ，根据钢制U 型管换热器结构手册P168：在设计中如果管
箱长度不能满足≤m in g L ≤g L m ax g L ，对最小长度m in g L 和m ax g L 的要求，则应满足最小长度
m in g L =365mm 的要求来确定管箱长度，为此，取L=700mm 。
3.2 圆筒的设计
a 材料：由于工作介质为丙烯，苯为易燃，中度危害的介质，以及容器的使用条件，总和经济性等选材为16MnR.
b 加工与尺寸： 设计温度 T=265，设计压力 Pc=1.88Mpa,双面焊对接接头 0.85. 公称直径 DN=800mm,钢板负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=3mm. 由设计公式[]mm P D P c
t
i
c 19.688
.185.01442800
88.12=-???=
-=
φσδ
取厚度为12mm 。 筒体长度l=5975mm.
由于筒体的公称直径DN=800mm>400mm,所以采用板材卷制而成，查换热器设计手册表1-6-5得 筒体的总重量为 240x5975x0.001=1434kg.
3.3 封头设计
3.2.1 受内压封头计算：
选取标准椭圆形封头，DN=800mm 材料：16MnR []Mpa C
17060=?σ
负偏差c 1=0.00mm 腐蚀余量c 2=3.00mm 取mm n 12=δ 封头的总重 71.5kg.
3.2.2受外压封头计算：
选取标准椭圆形封头，DN=800mm 材料16MnR []Mpa C
17060=?σ
假设名义厚度mm n 12=δ 负偏差c 1=0.00mm 腐蚀余量c 2=3mm
有效厚度e δ=12-0-3=9mm
当量球壳外半径 mm D K R i o 7208009.01=?==
809720
==
e
i
R δ 则0010.080125.0125.0===
e
i
R A δ 查GB150-1998图6—3 E=2.0×10Mpa 5
[P]=Mpa P Mpa R E c e 88.161.2801020833.00833.02
5
20=>=??=?
??
?
?δ 故n δ=12mm 合适。 椭圆封头简图：
（1）椭圆封头
3.4 管板设计
材料：选用16MnR,其许用应力[]
Mpa C
17070=?σ
（1）管板和换热器的连接型式：要求管板和换热器的连接接头严密不漏，管壳程介质不能接触，且有很高的腐蚀危险，同时由于胀接是不连续的，管子和管孔间的间隙会成为腐蚀的起点，则管板和换热器采用焊接形式。
（2）管板最小厚度 a 布管：
管子的材料：选用材料16MnR 作为换热器。
本设计选取464根换热管，由GB151-1999中知管子的排列形式分为四种：三角形、转角三角形、正方形、转角正方形排列。设计的U 型管换热器的换热管外径为25mm ，壳程需用机械清洗时不采用三角形排列，所以选择正方形旋转形排列形式。
由换热器手册表1-6-16得外径为25mm 的换热管，当用转置正方形排列时，其换热管分程板槽两侧相邻的管中心距应为32mmx32mm 正方形的对角线长，即Sn=45.255mm.
b 管孔：由GB151-1999表17得换热管和管孔直径允许偏差为：换热管：25φ管孔 2
.00
40.25+?。 c 换热器中心距及分程隔板槽两侧相邻管中心距
①由于分程隔板厚度为14，为此我们取管板上的分程隔板槽深为4，宽为12mm 。 管板分程隔板槽示意图：
（2）管板分程隔板槽
d 布管限定圆
根据表1-6-17布管限定圆32b D D i l -=有d b 25.03=且不小于10mm 得
1025.62525.03<=?=b 所以取mm b 103=
即mm D l 780102800=?-= 其中：d ——管板的计算厚度mm
3b ——U 型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离
Di ——换热器筒体内直径。
布管限定圆示意图：
（3）布管限定圆示意图
e.管板计算
①管板的计算厚度：[]
t
d
G
p D σμδ454.0=
其中：d ——管板的计算厚度mm
G D ——垫片压紧力作用中心圆直径mm
d p ——管板设计压力 根据《锅炉压力容器法规》取两值中较大值 μ——管板强度消弱系数 4.0=μ
[]t
σ——设计温度下管板材料的许用应力a Mp
即 mm 44.55170
4.06
.01300454.0=??
?=δ
②据（7-556）：管板厚度应小于下列三者之和 1）管板的计算厚度
2）壳程腐蚀余量或结构开槽深度取大者 3）管程腐蚀余量或分程隔板开槽深度取大者 由前面知：
1）管板的计算厚度mm 44.55=δ
2）壳程腐蚀余量mm C 22=，开槽深度mm h 41= mm h 62=，所以管板厚度：
mm b 44.656444.55=++≥ 取 mm b 70=
3.5 拉杆和定距管的确定
a 拉杆
①拉杆的结构形式：拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm 的管束。 下图为拉杆定距管结构：
（4）拉杆定距管结构
②拉杆的直径和数量
由GB151-1999表43选取拉杆直径d=16mm ，筒体内径为800时，拉杆数目n=6。 尺寸如下图：
（5）拉杆尺寸图
③拉杆的布置
拉杆应尽量均匀的布置在管束的边缘外侧，这样可减少轻流体冲击带来的振动，防止管束损坏。 b 定距管
定距管采用换热器切向间距和折流板间距相同的管段套在拉杆上，一端固定在管板上，另一端用螺母拧紧国定，用来固定折流板，防止移动。
尺寸：同换热器尺寸相同，长度如组件图ZB0604-2 材料选用20。
3.6 折流板设计
折流板的结构设计主要根据工艺过程和要求来确定，其设置的主要目的是为了增加管间流速，提高传热效果。
折流板主要形式：弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计采用圆缺形单缺边折流板。 材料：为保持物料清洁，选用Q235-A 板材制作折流板，许用应力：[]Mpa C
17060=?σ。
折流板尺寸：
折流板缺边位置尺寸：切去部分的高度一般取 折流板的间距：
①最小板间距：取壳体内径的5
1或50mm 中的较大值。本设计取50mm 。
②最大板间距：折流板最大间距应保持换热管的无支承长度。用作折流时，其值应大于壳体内径。本设计取1900mm 。
折流板的厚度：折流板厚度与壳体直径换热管无支承长度有关。本设计取16mm 。
3.7 旁路挡板设计
a 旁路挡板的数目：由[7]—P600知：当公称直径DN=700～1000mm 时，采用两对挡板。
b 材料：选用Q235-A 板材
c 尺寸及安装形式：
查文献[7]—P600知：旁路挡板的厚度一般取与折流板相同的厚度，mm 16=δ旁路挡板嵌入折流板槽，并与折流板焊死。
3.8 容器法兰的设计
a 法兰的形式：根据本设计使用的介质、设计压力、设计温度、公称直径确定。法兰的结构形式为对焊法兰，法兰的密封面形式为凹凸面，材料选取16MnR 。许用压力
[]Mpa C
17070=?σ。
b 法兰的选取：
管法兰：HG5001～5028-58 设备法兰：JB1157～1164-82 拉管法兰：HG5001～5028-58
管箱上的设备法兰：本设计选取JB1158-82甲型平焊法兰
3.9 选取支座
卧式换热器采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，鞍式支座是固定卧式容器中的支座形式，按照19924712-T
JB 鞍式支座标准。我们选取BI1300-S 和BI1300-F 的支座，材料
为Q235-A.F,垫板材料为16MnR 板材，各部分尺寸如下所示： 图为B 型鞍式支座：
（6）鞍式支座
第四章 强度校核
4.1 管箱筒体计算
4.1.1计算条件：
计算压力：a c Mp p 60.0= 设计温度：t=265.00℃ 内径：mm D i 00.800= 材料：16MnR 板材
试验温度许用应力[]a Mp 00.170=σ 设计温度许用应力[]a t
Mp 00.144=σ
试验温度下屈服点a s Mp 00.345=σ 钢板负偏差mm C 00.01= 腐蚀裕量mm C 00.32= 焊接接头系数85.0=?
4.1.2厚度及重量计算
计算厚度：[]mm P D P c
t
i
c 70.160
.085.01702800
60.02=-???=
-=
φσδ
有效厚度：mm c c n e 10201221=--=--=δδ 名义厚度：mm n 00.12=δ 重量为194.13kg
4.1.3压力试验时应力校核
压力试验类型：液压试验 试验压力值：[][]a t
T Mp p
P 8800.0144
170
6.025.125.1=?
?==σσ 压力试验允许通过的应力水平[]T σ：[]a s T Mp 50.31034590.090.0=?=≤σσ 试验压力下圆筒的应力：()()
a e e i T T Mp D P 66.3985
.092980075.02=??+?=+=
φδδσ
因为[]T T σσ≤ 所以校核结果合格
4.1.4压力及应力计算
最大允许工作压力：[][]()()
a e i t
e w Mp D P 7231.2980085
.0144922=+???=+=δφσδ
设计温度下计算应力：()()
a e e i c t Mp D P 96.269
2980060.02=?+=+=
δδσ
因为[]t t
σφσ≥ 所以结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00mm 合格。
4.2 壳程圆筒计算
4.2.1计算条件
计算压力a c Mp P 80.0= 设计温度t=265.00℃ 内径：mm D i 00.800= 材料：16MnR 板材
试验温度许用应力：[]a Mp 00.170=σ 设计温度许用应力：[]a t
Mp 00.144=σ
试验温度下屈服点：a s Mp 00.345=σ 钢板负偏差：mm C 00.01= 腐蚀裕量：mm C 00.32= 焊接接头系数：85.0=φ
4.2.2厚度及重量计算
计算厚度：[]mm P D P c
t
i
c 61.28
.085.01442800
8.02=-???=
-=
φσδ
有效厚度：mm C C n e 00.9301221=--=--=δδ
名义厚度：mm n 00.12=δ 重量：1434kg
4.2.3压力实验时应力校核
压力试验类型：液压试验 试验压力值：[][]a t
T Mp P
P 1800.1144
170
8
.025.125.1=?==σσ 压力试验允许通过的应力水平[]T σ：[]a s T Mp 50.31034590.090.0=?=≤σσ 试验压力下圆筒的应力：()()
a e e i T T Mp D P 87.5285
.092980012=??+=+=
φδδσ
因为[]T T σσ≤ 所以校核结果合格。
4.2.4压力及应力计算
最大允许工作压力：[][]()()
a e i t
e w Mp D P 72611.2980085
.0144922=+???=+=δφσδ
设计温度下计算应力：()()
a e e i c t Mp D P 95.359
298008.02=?+=+=
δδσ
因为[]t t
σφσ≥ 所以结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00mm 合格。
4.3 开孔补强计算
接管：A 8159?φ
4.3.1计算条件
计算压力：a c Mp P 8.0= 设计温度：t=70℃ 壳体形式：圆形筒体
壳体材料名称及类型：16MnR 板材 壳体开孔处焊接接头系数：1=φ 壳体内直径：mm D i 800= 壳体开孔处名义厚度：mm n 12=δ 壳体厚度负偏差：mm C 01= 壳体腐蚀裕量：mm C 22= 壳体材料许用应力：[]a t
Mp 170=σ
接管实际外伸长度：200mm
接管实际内伸长度：0mm 接管焊接接头系数：1 接管腐蚀裕量：2mm
接管厚度负偏差：mm C t 125.11= 接管材料许用应力：[]a t
Mp 130=σ
4.3.2开孔补强计算
壳体计算厚度：[]mm P D P c
t
i
c 62.28
.011442800
8.02=-???=
-=
φσδ
接管计算厚度：[]mm P D P c
t
i
c e 62.08.011302200
8.02=-???=
-=
φσδ
接管材料强度削弱系数：[][]mm f r
t r 905.0144
130
==
=σσ 开孔直径：mm d 2.207=
补强区有效宽度：mm d B 5.4142.20722=?== 接管有效外伸长度：mm d h nt 19.4392.2071=?==δ 接管有效内伸长度：mm h 02= 开孔削弱所需的补强面积：
()()29.54409051875.5622.22622.22.20712mm f d A r et =-???+?=-+=δδδ
壳体多余金属面积：()()()()
()()()()2
11248905.01622.29875.52622.292.2075.41412mm f d B A r e et e =---?---=------=δδδδδ
接管多余金属面积：
()()()222121.410905.062.0875.519.43222mm f C h f h A r et r e et =?-?=-+-=δδδ
补强区内的焊缝面积：2364882
1
2mm A =???=
因为23211722mm A A A =++，大于A ，所以不需要另加补强。结论：补强满足要求，不需要另加补强。
接管：B 8219?φ
4.3.3设计条件
计算压力：a c Mp P 6.0= 计算温度：60℃
接管实际外伸长度：200mm 接管实际内伸长度：0mm 接管焊接接头系数：1
接管腐蚀裕量：2mm
接管厚度负偏差：mm C t 125.11= 接管材料许用应力：[]a t
Mp 130=σ
4.3.4开孔补强计算
壳体计算厚度：[]mm P D P c
t
i
c 965.16.085.01442800
6.02=-???=
-=
φσδ
接管计算厚度：[]mm P D P c
t
i
c e 465.06.011302200
6.02-???=
-=
φσδ
接管材料强度削弱系数：[][]905.0144
130
==
=r
t r f σσ 开孔直径：mm d 2.203=
补强区有效宽度：mm d B 4.4062.20322=?== 接管有效外伸长度：mm d h nt 16.4292.2031=?==δ 接管有效内伸长度：02=h 开孔削弱所需的补强面积：
()()25.401905.01875.5965.12965.12.20312mm f d A r et =-???+?=-+=δδδ
壳体多余金属面积：()()()()
()()()()2
11407905.01965.19875.52965.192.2034.40412mm f d B A r e et e =-?-?---=-----=δδδδδ
接管多余金属面积：
()()()222128.421905.0465.0875.516.42222mm f C h f h A r et r e et =?-?=-+-=δδδ
补强区内的焊缝面积：2364882
1
2mm A =???=
因为23211892mm A A A =++大于A ，所以不需另加补强。结论：补强满足要求，不需另加补强。
4.4管板和法兰的强度计算
1.管板：
材料名称：16MnR 设计温度：℃265=p t
设计温度下许用应力：[]a t
r Mp 150=σ
设计温度下弹性模量：a p Mp E 510041.2?= 管板腐蚀裕量：mm C 42= 管板输入厚度：mm n 50=δ 管板计算厚度：mm 43=δ
隔板槽面积：2410232.3mm A d ?= 管板强度削弱系数：4.0=η 管板刚度削弱系数：4.0=μ
管子加强系数：52
.970600010041.27.176********.143
800
1.318
318
.15
52=??????==k L E na
E D k n
p t i
即δδ
管板和管子连接型式：焊接 管板和管子焊接高度：mm l 35= 焊接许用拉脱应力：[]a Mp q 65= 2.壳体法兰：
材料名称：16Mn
壳体法兰厚度：mm f 37'=δ 法兰外径：mm D f 850=
法兰宽度：()()mm D D b i f f 252
8008502=-=-=
比值：0125.0800
10
==i
s
D δ
比值：
04646.0800
37
'==i
f
D δ
系数'
C ：00.025*******;,'
'
得图查按
-GB D D i
f i h δδ 系数‘
ω：0001463.0261999151;,'
得图查按-GB D D i
f i h δδ 旋转刚度： 3
''''
22112f f
f f s i f
i
E b k E D b D δω?????
?=+ ? ?+??????
3.系数计算：
法兰外径与内径之比：0623.1800
850
===
i
f
D D k
壳体法兰应力系数Y ：按k 查GB150-1998表9-5得16.73 旋转刚度无量纲参数：0004139.016
.15865
.2414.34~
==
=
t
f
f k k k π
管板第一弯矩系数：按1434.027*******,1=-m GB k k f 得图查
系数：06.460004139
.0123.11434
.0~
1=?=
=
f
k k m φ
系数：按f t k k ,查GB151-1998图29得074.52=G
换热管束与不带膨胀节壳刚度之比：939.410115.410051.27
.176********.1455=??????==s s t A E na E Q
管板第二弯矩系数：按K ，Q 查GB151-1999图28（a ）得744.22=m 系数：()()
000952.0074.5939.4123.121434
.02211=+?=+=
G Q k m M
系数：按K ，Q 查图30得002164.03=G 法兰力矩折减系数：1605.0002164
.00004139.00004139
.03~~
=+=
??
? ??+=
G k k f f
ξ
管板边缘力矩变化系数：861.24
.22910
918.1214.325
=??=t
s t
t E σπ
法兰力矩变化系数：()
5406.016
.15865
.2744.21434.0"~
'~
=+=?=
?f
f
f
k
Mk M
4.5仅有壳程压力s P 作用下的危险组合工况
1.基本法兰力矩系数：
不计温差应力：012488.055
.580014.35451.010909.3443
7
3~
=?????==a i m m
P D M M λπ 计温差应力：()
1095.08396.080014.35451.010909.3443
7
3~
-=-?????==a i m
m
P D M M λπ 2.壳体法兰力矩系数：
不计温差应力：0006874
.0000952.05406.010909.31605.071
~~
=?-??=??
?
???-=M M M M f m ws ξ
计温差应力：008461
.0000952.05406.010909.31605.071
~~
-=?-??=??
?
???-=M M M M f m ws ξ
3.壳体法兰应力：
不计温差应力：
计算值 a f i a ws
f Mp D P M Y 74.12378005451.055.50006874.073.16414.34
2
2
'
~
'=???
???????=???
? ??=
δλπ
σ
许用值 []a t
r Mp 2251505.15.1=?=σ
计温差应力：
计算值 ()()a f i a ws
f Mp D P M Y 82.20378005451.08396.0008461.073.16414.34
2
2
'
~
'=???
????-?-??=???
? ??=
δλπσ
许用值 []a t
r Mp 45015033=?=σ
4.换热管与管板连接拉脱应力：
不计温差应力： 计算值 ()a t Mp dl a q 55.114
.36000257
.176412.2=???-==
πσ 许用值 []a Mp q 65=
计温差应力： 计算值 a t Mp dl a q 532.414
.36000257
.176049.7=???==
πσ 许用值 []a Mp q 1956533=?=焊接
4.6仅有管程压力t P 作用下的危险组合工况()0=s
P
1.壳体法兰力矩系数：
不计温差应力：()002071.0000952.0006973.01605.01~
~
-=--?=-=M M M p ws ξ 计温差应力：()001513.0000952.0003492.01605.01~
~
-=--?=-=M M M p ws ξ 2.壳体法兰应力：
不计温差应力：
计算值 ()()a f i a ws
f Mp D P M Y 4.47378005451.0409.6002071.073.16414.34
2
2
'
~
'=???
????-?-??=???
? ??=
δλπ
σ
许用值 []a t
r Mp 2251505.15.1=?=σ
计温差应力：2
~'
'
4i f ws a f
D Y M P πσλδ??
= ? ???
计算值 ()()2
3.1480016.730.00151312.80.54514376
4.72a
Mp ??=??-?-?? ???= 许用值 []a t
r Mp 45015033=?=σ
3.换热管与管板连接拉脱应力：
不计温差应力： 计算值 a t Mp dl a q 453.714
.36000257
.17659.11=???==
πσ 许用值 []a Mp q 65=
计温差应力： 计算值 a t Mp dl a q 38.1414
.36000257
.17637.22=???==
πσ 许用值 3[]a Mp q 195653=?=焊接
计算结果：管板名义厚度mm n 70=δ 管板校核通过。
第五章 换热器的制造、检验、安装与维修
5.1 换热器的制造、检验与验收
换热器的制造、检验与验收，应遵守GB151-1999和GB150-1998的有关规定。
5.1.1筒体
a 圆筒内直径允许偏差：用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许上偏差为10mm ，下偏差为0。
b 圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e ≤0.5%DN ，DN=0.5%×1100=5.5mm
c 圆筒直线度偏差为L/1000，且当L ≤6000mm 时，其值不大于4.5mm 。L=6000mm 所以直线度允许偏差4.5mm 。进行检查时，应通过中心线和垂直面即沿圆周0°、90°、180°、270°四个部位测量。
d 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平。
e 插入式接管不应伸出管箱、壳体和头盖的内表面。
5.1.2 换热管
a 换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。
b 管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。
5.1.3管板
a 管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。
b 拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于Ⅲ级，或超声检测中的Ⅰ级为合格。
c 换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。
d 管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值≤25μm。
5.1.4 折流板、支持板
，但a 折流板、支持板的管孔直径及允许误差按GB151-1999中5.9.3的规定为：19.630.0
允许超差0.1mm的管孔数不得超过4%。
b 折流板、支持板外圆表面粗糙度Ra值不得大于25μm，外圆面两侧的尖角应倒钝。还应取出折流板、支持板上的任何毛刺。
5.1.5 管束的组装
a 拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。
b 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。
c 除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。
d 管箱应在补焊后作消除应力的热处理，设备法兰应在热处理后加工。
e 换热器的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等二损坏密封面。
5.1.6换热器的组装
a 换热器零、部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其他杂物等。
b 吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管。
c 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开120°角。
5.1.7 压力试验
压力试验的方法及要求应符合GB150-1998《钢制压力容器》第十章10.9的规定。
U型管换热气的压力试验的顺序：先用试验压环进行壳程试验，同时检查接头，水压试验压力1Mpa（表压）在进行壳程试验，合格后，再以0.105（表压）进行气密性试验。
5.2 换热器的安装与维护
5.2.1安装
1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。
2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。
3.地脚螺栓和垫铁
（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1～3mm的间隙。
（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。
（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。
5.2.3 维护
换热器不得在超过铭牌规定的条件下进行。要经常对管壳程介质的温度和压降进行监督，分析换热器的泄漏和结构情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应经常监视管束的振动情况。
结束语
这次设计是在大学完成四年全部课程的基础上，通过实习对102、104厂的实地考察，参观了一系列的换热设备，查阅了相关资料的基础上进行的。是一次理论与实践相结合的综合性训练。两个多星期以来，我们在指导教师的热心指导下，经过个人的努力，顺利完成了本次设计任务。
本次设计大致分四个步骤，首先进行的是工艺部分的计算，确定出换热面积、换热管数、管长、管程及壳程流体的流速、换热器筒体的内径等：然后就开始换热器的结构设计，通过已知条件及工艺计算部分的结果选定U型管换热器，其中涉及到了一系列零部件的设计和选择，这步工作需要参照GB151，GB150等国家标准进行设计；接着进行各零部件的强度校核，用以保证各零部件的强度和刚度，这也是设计的难点和重点。这三步工作完成以后，最后就是绘图和论文的编排与打印。
设计是一个从无到有的过程，其中有很多因素都必须考虑到，因此需要一定的耐心和细心才能够完得成。
在这次的课程设计过程中，使我学到了很多知识，把以前的理论知识联系到实际当中，但是，由于时间和自己掌握的知识有限，在设计的过程中难免有错误，衷心希望老师指正。
参考文献
[1] 化工设备设计手册.上海：科学技术出版社；1982
[2] 管壳式换热器:GB151-1999. 中国标准出版社出版
[3] 钢制压力容器:GB150-1998. 中国标准出版社出版
[4] 中华人民共和国行业标准JB/T4700～4707-2000.压力容器法兰，2000
河南理工大学课程设计管壳式换热器设计 学院：机械与动力工程学院 专业：热能与动力工程专业 班级：11-02班 学号： 姓名： 指导老师： 小组成员：
目录 第一章设计任务书 (2) 第二章管壳式换热器简介 (3) 第三章设计方法及设计步骤 (5) 第四章工艺计算 (6) 4.1 物性参数的确定 (6) 4.2核算换热器传热面积 (7) 4.2.1传热量及平均温差 (7) 4.2.2估算传热面积 (9) 第五章管壳式换热器结构计算 (11) 5.1换热管计算及排布方式 (11) 5.2壳体内径的估算 (13) 5.3进出口连接管直径的计算 (14) 5.4折流板 (14) 第六章换热系数的计算 (20) 6.1管程换热系数 (20) 6.2 壳程换热系数 (20) 第七章需用传热面积 (23) 第八章流动阻力计算 (25) 8.1 管程阻力计算 (25) 8.2 壳程阻力计算 (26) 总结 (28)
第一章设计任务书 煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140℃冷却冷却到40℃的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。 设计任务及操作条件 1、设备形式：管壳式换热器 2、操作条件 （1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃ （2）冷却水介质：入口温度26℃，出口温度40℃
第二章管壳式换热器简介 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。 在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。 管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。 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。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，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，
化工原理课程设计管壳式换热器汇总 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
设计一台换热器 目录 化工原理课程设计任务书 设计概述 试算并初选换热器规格 1. 流体流动途径的确定 2. 物性参数及其选型 3. 计算热负荷及冷却水流量 4. 计算两流体的平均温度差 5. 初选换热器的规格 工艺计算 1. 核算总传热系数 2. 核算压强降 经验公式 设备及工艺流程图 设计结果一览表 设计评述 参考文献 化工原理课程设计任务书 一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件： 1、苯：入口温度80℃，出口温度40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度35℃。
3、允许压强降：不大于50kPa。 4、每年按300天计，每天24小时连续运行。 三、设备型式： 管壳式换热器 四、处理能力： 99000吨/年苯 五、设计要求： 1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。 4、设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸） 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。 1.设计概述 热量传递的概念与意义 1.热量传递的概念 热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。 2. 化学工业与热传递的关系 化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为
摘要 换热器是化工生产过程中的重要设备，它能够实现介质之间热量交换。广泛应用于石油、化工、制药、食品、轻工、机械等领域。U型管式换热器是换热器的一种，它只有一个管板，结构简单，密封面少，且U形换热管可自由伸缩，不会产生温差应力，因此可用于高温高压的场合。一般高压、高温、有腐蚀介质走管程，这样可以减少高压空间，并能减少热量损失，节约材料，降低成本。 甲烷化换热器，是合成氨生产中的重要设备之一, 它能将27℃的H2N2混合气升温至274℃，同时将339℃的H2N2精制气降温至90℃。甲烷化换热器一般选用U型管换热器，它由一台Ⅰ型甲烷化换热器与一台Ⅱ型甲烷化换热器连接组成。其中Ⅰ型甲烷化换热器将27℃的H2N2混合气升温至150℃，同时将215℃的H2N2精制气降温至90℃；Ⅱ型甲烷化换热器能将150℃的H2N2混合气升温至274℃，同时将339℃的H2N2精制气降温至215℃。 本次设计主要根据GB150《钢制压力容器》及GB151《管壳式换热器》对设备的主要受压元件进行了设计及强度计算，又结合HG/T20615《钢制管法兰》、JB/T 4712《容器支座》等其它压力容器相关标准，对其它各部件进行设计，最终完成了Ⅱ型甲烷化换热器的设计。 关键词：换热器；甲烷化换热器
Abstract Heat exchanger is important in the process of chemical production equipment, which can be achieved between the heat exchange media. Widely used in petroleum, chemical, pharmaceutical, food, light industry, machinery and other fields. U-tube heat exchanger is a heat exchanger, it has only one tube plate, simple structure, less sealing surface, and the U-shaped tubes are free to stretch, no thermal stress, it can be used for high temperature and pressure of the occasion . General high-pressure, high temperature, corrosive media, take control process, thus reducing the pressure of space, and can reduce heat loss and saving materials and reduce costs. Methanation heat exchanger, ammonia production is one of the important equipment, it will be 27 ℃of H2N2 mixture heated to 274 ℃, 339 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 90 ℃. Methanation heat exchanger is generally used in U-tube heat exchanger, which consists of Type Ⅰand type Ⅱmethanation methanation Heat exchanger connected to form a methanation type. Heat exchanger type Ⅰmethanation of H2N2 to 27 ℃heating the mixture to 150 ℃, 215 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 90 ℃; Ⅱ-type heat exchanger can methanation 150 ℃, heating the mixture to the H2N2 274 ℃, 339 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 215 ℃. This design mainly based on GB150 "steel pressure vessels"and GB151 "shell and tube heat exchangers, " the main pressure parts of the equipment was designed and strength calculation, but also with HG/T20615 "steel pipe flange", JB / T 4712 "containers bearing" pressure vessels and other relevant standards, the design of other components, he finally completed the methanation Ⅱtype heat exchanger design. Keywords: Heat exchanger;Methanation heat exchanger
U型管换热器课程设计 说明书 设计题目 U型管换热器设计 专业班级建环1001 学生姓名xxxxx 学号xxxxxx 指导教师xxxxx 日期2013.5.4
一、化工原理课程设计任务书 （换热器的设计） （一）设计题目：煤油冷却器的设计 （二）设计任务及操作条件： 1.处理能力：15万吨/年煤油 2.设备型式：列管式换热器 3.操作条件： （1）煤油入口温度125℃，出口温度40℃； （2）冷却介质循环水，入口温度25℃，出口温度45℃； （3）允许压强降不大于105Pa; （4）煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为： 7.15×10-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ℃）；导热系数为： 0.14W/（m. ℃） （5）每年按330天计，每天24小时连续运行。 （三）设计项目 1传热计算 2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算 3管板厚度计算 4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外） 5管壳式换热器零部件结构 （四）绘制换热器装配图（A2图纸）
二、换热器的选用 换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。 ①根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。 ②按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)Δtm 及查出温差校正系数ψ。若ψ< 0 . 8 , 应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。 ③依所处理流体介质的性质, 凭经验初选一总传热系数K0 ( , 并由总传 估) 热速率方程计算传热面积S'0 : S'0 =Q/K0 估Δtm ———凭经验选取的总传热系数,W /(m2·K) ; 式中Q———热负荷,W; K0 ( 估) Δtm ———平均温度差, ℃。 ④根根据计算出的S’0 值, 查有关换热器系列标准, 确定型号规格并列出各结构主要基本参数。 ⑤利用总传热系数关联式计算K0 ( 计) , 再由总传热速率方程式求出S0 ( 计) 。考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素, 应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%～25% , 即[ ( S0 - S0 ( 计) ) /S0 ( 计) ] = ( 10% ～25% )。否则需重新估计一个K0 ( 估) , 重复以上计算。也可依所选用换热器具有的传热面积S0 , 通过总传热速率方程式求出K0 ( 选) , 然后比较K0 ( 选) /K0 ( 计) 之值是否在1 . 15～1 . 25 范围。 ⑥计算出管、壳程压力降, 验算是否满足要求。
U型管式换热器设计 摘要 本文介绍了U型管换热器的整体结构设计计算。U型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型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型管换热器，结构，强度，设计计算 U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN ABSTRACT This 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
化工原理 课 程 设 计 设计任务：换热器 班级：13级化学工程与工艺（3）班 姓名：魏苗苗 学号：1320103090 目录 化工原理课程设计任务书 (2) 设计概述 (3) 试算并初选换热器规格 (6) 1. 流体流动途径的确定 (6)
2. 物性参数及其选型 (6) 3. 计算热负荷及冷却水流量 (7) 4. 计算两流体的平均温度差 (7) 5. 初选换热器的规格 (7) 工艺计算 (10) 1. 核算总传热系数 (10) 2. 核算压强降 (13) 设计结果一览表 (16) 经验公式 (16) 设备及工艺流程图 (17) 设计评述 (17)
参考文献 (18) 化工原理课程设计任务书 一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件：1、苯：入口温度80℃，出口温度40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度32.5℃。 3、允许压强降：不大于50kPa。 4、每年按300天计，每天24小时连续运行。 三、设备型式：管壳式换热器 四、处理能力：109000吨/年苯 五、设计要求： 1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。
4、设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸） 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。 六、附表： 1.设计概述 1.1热量传递的概念与意义 1.1.1热量传递的概念 热量传Array递是指由于 温度差引起 的能量转移， 简称传热。由 热力学第二 定律可知，在 自然界中凡 是有温差存 在时，热就必 然从高温处 传递到低温 处，因此传热
管壳式换热器的工作原理及结构 随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。 一、管壳式换热器的工作原理 管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。 工作原理和结构图 1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A 流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/（m（℃）〕；用水冷却气体时，为10～280W/（m（℃）；用水冷凝水蒸汽时，为570～4000W/（m （℃）。 二、管壳式换热器的形式与结构 管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固
U型管换热器课程设计 说明书2 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
U型管换热器课程设计 说明书 设计题目 U型管换热器设计 专业班级建环1001 学生姓名 xxxxx 学号 xxxxxx 指导教师 xxxxx 日期
一、化工原理课程设计任务书 （换热器的设计） （一）设计题目：煤油冷却器的设计 （二）设计任务及操作条件： 1.处理能力：15万吨/年煤油 2.设备型式：列管式换热器 3.操作条件： （1）煤油入口温度125℃，出口温度40℃； （2）冷却介质循环水，入口温度25℃，出口温度45℃； （3）允许压强降不大于105Pa; （4）煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为：×;比热容为：（kg. ℃）；导热系数为： （m. ℃） （5）每年按330天计，每天24小时连续运行。 （三）设计项目 1传热计算 2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算 3管板厚度计算 4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外） 5管壳式换热器零部件结构 （四）绘制换热器装配图（A2图纸）
二、换热器的选用 换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。 ①根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。 ②按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)Δtm 及查出温差校正系数ψ?。若?ψ< 0 . 8 , 应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。 ③依所处理流体介质的性质, 凭经验初选一总传热系数K0 ( , 并由总传热 估) 速率方程计算传热面积S'0 : S'0 =Q/K0 估Δtm ———凭经验选取的总传热系数,W /(m2·K) ;式中Q———热负荷,W; K0 ( 估) Δtm ———平均温度差, ℃。 ④根根据计算出的S’0 值, 查有关换热器系列标准, 确定型号规格并列出各结构主要基本参数。 ⑤利用总传热系数关联式计算K0 ( 计) , 再由总传热速率方程式求出S0 ( 计) 。考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素, 应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%～25% , 即[ ( S0 - S0 ( 计) ) /S0 ( 计) ] = ( 10% ～25% )。否则需重新估计一个K0 ( 估) , 重复以上计算。也可依所选用换热器具有的传热面积S0 , 通过总传热速率方程式求出K0 ( 选) , 然后比较K0 ( 选) /K0 ( 计) 之值是否在1 . 15～1 . 25 范围。 ⑥计算出管、壳程压力降, 验算是否满足要求。
目录 任务书 (2) 摘要 (4) 说明书正文 (5) 一、设计题目及原始数据 (5) 1.原始数据 (5) 2.设计题目 (5) 二、结构计算 (5) 三、传热计算 (7) 四、阻力计算 (8) 五、强度计算 (9) 1.冷却水水管 (9) 2.制冷剂进出口管径 (9) 3.管板 (10) 4支座 (10) 5.密封垫片 (10) 6.螺钉 (10) 6.1螺钉载荷 (10) 6.2螺钉面积 (10) 6.3螺钉的设计载荷 (10) 7.端盖 (11) 六、实习心得 (11) 七、参考文献 (12) 八、附图
广东工业大学课程设计任务书 题目名称 35KW 壳管冷凝器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 热能与动力工程制冷xx 班 姓 名 xx 学 号 xxxx 一、课程设计的内容 设计一台如题目名称所示的换热器。给定原始参数： 1. 换热器的换热量Q= 35 kw; 2. 给定制冷剂 R22 ; 3. 制冷剂温度 t k =40℃ 4. 冷却水的进出口温度 '0132t C =" 0136t C = 二、课程设计的要求与数据 1）学生独立完成设计。 2）换热器设计要结构合理，设计计算正确。(换热器的传热计算, 换热面积计 算, 换热器的结构布置, 流体流动阻力的计算)。 3）图纸要求：图面整洁、布局合理，线条粗细分明，符号国家标准，尺寸标注规范，使用计算机绘图。 4）说明书要求： 文字要求：文字通顺，语言流畅，书写工整，层次分明，用计算机打印。 格式要求： （1）课程设计封面；（2）任务书；（3）摘要；（4）目录；（5）正文，包括设计的主要参数、热力计算、传热计算、换热器结构尺寸计算布置及阻力计算等设计过程；对所设计的换热器总体结构的讨论分析；正文数据和公式要有文献来源编号、心得体会等；（6）参考文献。 三、课程设计应完成的工作 1）按照设计计算结果，编写详细设计说明书1份； 2）绘制换热器的装配图1张，拆画关键部件零件图1～2张。
U型管式换热器设计 本文介绍了U管式换热器的整体结构设计计算。U型管式换热器仅有一个管板，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，结构比较简单、价格便宜，适用于管、壳壁温差较大或者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，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。U型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比较高，因而设计要求较高。换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中要进行了换热器的结构设计，强度计以及零部件的选型和工艺设计。 关键词：U型管式换热器，结构，设计计算 This paper introduces the U tube exchanger of the whole structure design calculation.U type heat exchanger with a tube plate, both ends of which are fixed on the same tube plates, tubes can be freely telescopic, thermal stress, thermal compensation performance is good; tube with double tube pass, longer process, the flow velocity is higher, the heat transfer performance is good, strong bearing ability, simple structure, cheap price, applied to the tube, the larger temperature difference between the shell wall or shell pass medium easy scaling needs cleaning and not suitable for floating head type and fixed tube plate occasions, especially suitable for the tube away clean and not easy to scale the high temperature, high pressure, strong corrosive materials. U type heat exchanger main structure consists of a tube box, cylinder, head, tube, pipe, baffle plate, front panel and draft tube, short circuit protection structure, support and other accessories such as pipe shell. The design for the two types of pressure vessels, design temperature and pressure are very high, so high design requirements. The heat exchanger adopts a pipe shell, stainless steel tube manufacturing. In the design of the structure design of the heat exchanger, intensity and components selection and process design. Key words: U type heat exchanger, structure, design and calculation
TEMA规格的管壳式换热器设计原则 ——摘引自《PERRY’S CHEMICAL ENGINEER’S HANDBOOK 1999》 设计中的一般考虑 流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。壳程则会是高粘度流体或某种气体。当管/壳程流体中的
某一种要用到合金结构时，“碳钢壳体+合金管侧部件”比之“接触壳程流体部件全用合金+碳钢管箱”的方案要较为节省费用。 清洗管子的内部较之清洗其外部要更为容易。 假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300 Psig)的,较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。 对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。 换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。 建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范Section VIII , Division 1》, 用作换热器的建造规则时提供了最低标准。一般此标准的最新版每3年出版发行一次。期间的修改以附录形式每半年出一次。在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME 规则上的要求是强制性的。最初这一系列规范并不是准备用于换热器制造的。但现在已包含了固定管板式换热器中管板与壳体间焊接接头的有关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。目前ASME 正在开发用于换热器的其他规则。 列管式换热器制造商协会标准, 第6版., 1978 (通常引称为TEMA 标准*), 用在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中，对ASME规则的补充和说明。TEMA “R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。按本标准制造的设备，设计目的在于在此类应用时严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。”TEMA “C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途” *译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版 3种建造标准的机械设计要求都是一样的。各TEMA级别之间的差异很小，并已由Rubin 在Hydrocarbon Process., 59, 92 (June 1980) 上做了归列。 TEMA标准所讨论的主题是：命名原则、制造公差、检验、保证、管子、壳体、折流板和支撑板，浮头、垫片、管板、管箱、管嘴、法兰连接端及紧固件、材料规范以及抗结垢问题。 API Standard 660, 4th ed., 1982*，一般炼油用途的管壳式换热器是由美国炼油协会出版的，以补充TEMA标准和ASME规范。很多从事化学和石油加工的公司都有其自己的标准以对以上各种要求作出补充。关于规范、标准和个客户的规定之间的关系已由F. L. Rubin编辑结集，由ASME 在1979年出版了(参见佩里化学工程师手册第6章关于压力容器规则的讨论)。 *译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到2001年第6版 换热器的设计压力和设计温度通常在确定时都在预计的工作条件上又给了一个安全裕量。一般设计压力比操作中的预计最高压力或关泵时的最高压力要高大约172KPa(25 Psi)；而设计温度则通常较最高工作温度高14°C (25°F)。 管束振动随着折流板换热器被设计用于流量和压降越来越高的场合，由管子振动带来的损 标准分享网 https://www.doczj.com/doc/9d18846050.html, 免费下载
中南大学《化工原理》课程设计说明书 题目：煤油冷却器的设计 学院：化学化工学院 班级：化工0802 学号： 1505080802 姓名： ****** 指导教师：邱运仁 时间：2010年9月
目录 §一.任务书 (2) 1.1.题目 1.2.任务及操作条件 1.3.列管式换热器的选择与核算 §二.概述 (3) 2.1.换热器概述 2.2.固定管板式换热器 2.3.设计背景及设计要求 §三.热量设计 (5) 3.1.初选换热器的类型 3.2.管程安排（流动空间的选择）及流速确定 3.3.确定物性数据 3.4.计算总传热系数 3.5.计算传热面积 §四. 机械结构设计 (9) 4.1.管径和管内流速 4.2.管程数和传热管数 4.3.平均传热温差校正及壳程数 4.4.壳程内径及换热管选型汇总 4.4.折流板 4.6.接管 4.7.壁厚的确定、封头 4.8.管板 4.9.换热管 4.10.分程隔板 4.11拉杆 4.12.换热管与管板的连接 4.13.防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图(BI型) 4.14.膨胀节的设定讨论 §五.换热器核算 (21) 5.1.热量核算 5.2.压力降核算 §六.管束振动 (25) 6.1.换热器的振动 6.2.流体诱发换热器管束振动机理 6.3.换热器管束振动的计算 6.4.振动的防止与有效利用 §七. 设计结果表汇 (28) §八.参考文献 (29) §附：化工原理课程设计之心得体会 (30)
§一.化工原理课程设计任务书 1.1.题目 煤油冷却器的设计 1.2.任务及操作条件 1.2.1处理能力：40t/h 煤油 1.2.2.设备形式：列管式换热器 1.2.3.操作条件 (1).煤油：入口温度160℃，出口温度60℃ (2).冷却介质：循环水，入口温度17℃，出口温度30℃ (3).允许压强降：管程不大于0.1MPa,壳程不大于40KPa (4).煤油定性温度下的物性数据ρ=825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.2kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/(m.℃) 1.3.列管式换热器的选择与核算 1.3.1.传热计算 1.3. 2.管、壳程流体阻力计算 1.3.3.管板厚度计算 1.3.4.膨胀节计算 1.3.5.管束振动 1.3.6.管壳式换热器零部件结构 §二.概述 2.1.换热器概述 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。 换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。 表2-1 传热器的结构分类
管壳式换热器课程设计 一、管壳式换热器的介绍 管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，它的特点是结构坚固、可靠高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范 围广、换热面的清洗比较方便、高温和高压下亦能应用。但从传热效率、结构的紧凑性以及位换热面积所需金属的消耗量等方面均不如一些新型 高效率紧凑式换热器。管壳式换热器结构组成：管子、封头、壳体、接管、 管板、折流板；如图1－1所示。根据它的结构特点，可分为固定管板式、 浮头式、U形管式、填料函和釜式重沸器五类。 二、换热器的设计 2.1设计参数 参数名称壳程管程 设计压力（MPa） 2.6 1.7 操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口） 设计温度（℃） 250 75
操作温度（℃） 220/175(进口、出口) 25/45(进口/出口) 流量（Kg/h） 40000 选定 物料（-）石脑油冷却水 程数（个） 1 2 腐蚀余度（mm） 3 - 2.2设计任务 1. 根据传热参数进行换热器的选型和校核 2.对换热器主要受压原件进行结构设计和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座等。 3.设计装配图和重要的零件图。 2.3热工设计 2.3.1基本参数计算 2.3.1.1估算传热面积 -=220-45=175 -=175-25=150 因为,所以采用对数平均温度差 算术平均温度差：= P= R= 查温差修正系数表得 因此平均有效温差为0.82 放热量 考虑换热器对外界环境的散热损失,则热流体放出的热量将大于冷流体吸收的热量，即：
取热损失系数,则冷流体吸收的热量： 由可的水流量： ==31372.8 这里初估K=340W/(),由稳态传热基本方程得传热面积： =16.55 2.3.1.2由及换热器系列标准，初选型号及主要结构参数 选取管径卧式固定管板式换热器，其参数见上表。从而查《换热器设计手 册》表1-2-7，即下表 公称直径管程数管子根数中心排管管程流通换热面积换热管长 换热管排列规格及排列形式： 换热管外径壁厚：d=50mm 排列形式：正三角形 管间距： =32mm 折流板间距： 2.1.1.3实际换热面积计算 实际换热面积按下式计算 2.2计算总传热系数，校核传热面积 总传热系数的计算 式中：——管外流体传热膜系数，W/(m2·K)； ——管内流体传热膜系数，W/(m2·K)；
课程设计 设计题目 U型管换热器设计 教学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 起止日期 目录 第一章确定设计方案 (3) 第二章确定物性数据 (3) 第三章总传热系数 (4)
3.1 热流量 (4) 3.2 平均传热温差 (4) 3.3 冷却水用量 (4) 3.4 总传热系数 (4) 3.4.1管程传热系数 (4) 3.4.2壳程传热系数 (4) 第四章传热面积 (5) 第五章工艺结构尺寸 (5) 5.1 管径和管内流速 (5) 5.2管程数和传热管数 (5) 5. 3 平均传热温差校正及壳程数 (6) 5.4 传热管排列和分程方法 (6) 5.5 壳体内径 (6) 5.6 折流板 (7) 5.7 接管 (7) 第六章换热核算 (7) 6.1 热量核算 (7) 6.1.1壳程对流传热系数 (7) 6.1.2管程对流传热系数 (7) 6.1.3总传热系数 (8) 6.1.4传热面积 (8) 6.2 换热器内流体阻力 (9) 6.2.1 管程流动阻力 (9) 6.2.2 壳程流动阻力 (10) 第七章筒体 (11) 第八章封头 (11) 第九章换热管校核 (12) 第十章管板 (12) 10.1 管板的厚度 (12) 10.2 管板法兰尺寸 (14) 第十一章进出口接管 (16) 11.1 接管尺寸 (16) 11.2 螺栓和螺柱 (17) 11.3 接管外伸长度 (18) 11.4 接管的最小位置 (19) 第十二章防冲板设计 (20) 第十三章折流板设计 (20) 第十四章拉杆设计 (22) 第十五章参考资料 (23)
第一章 确定设计方案 题目已限定选用U 型管换热器 壳程——柴油，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果，清洗方便 管程——冷却水，压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。且走管程流速高不易结垢，即使结垢也便于清洗 自定冷却水入口温度20℃，出口温度40℃，采用逆流 选用25 2.5φ?的碳钢管，试取管内流速U 1m /s = 第二章 确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值 壳程柴油的定性温度为： 15040T 952+==℃ 管程水的定性温度为： ℃302 40 20t =+= 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油在95℃下的物性 : 密度 3m /kg 05.860=ρ 定压比热容 2.104/() po c kJ kg =?℃ 导热系数 0.12215/()o W m λ=?℃ 粘度 61075.50510o Pa s μ-=?? 水在35℃下的物性 : 密度 3=996 /i kg m ρ 定压比热容 4.183/()pi c kJ kg =?℃ 导热系数 0.6171/()i W m λ=?℃
流体流量进口温度出口温 度 压力 煤油 水 一．热力计算 1.换热量计算 2.冷却剂用量计算 由于水的压力较之煤油较大，黏度较之煤油也较大，所以选择水为壳程，煤油为管程。 3.换热面积估算 查图
得ε?t=0.85 传热面积估算： 取传热系数：K=450 取安全系数0.1： 4管径，管长，管数确定： 由流量确定管数： 煤油在管中的流速为0.8~1，取管程流体流速 常用换热管为与选用外径换热 管。 管程流体体积流量可由煤油的要求流量的出： A=38.13 n=20 N=4
取管数 由换热面积确定管程数和管长： 由于是U型管换热器，由GB151-1999管壳式换热器查得有 2，4两种管程可选。 初选管程为4 考虑到常用管为9m管，为生产加工方便，选用单程管长8m 又考虑到单程管长8m会使得换热器较长，在选取换热器壳 体内径时，尽量选取较大的，以保证安全，因此换热器内 部空间较大，故选用较为宽松的正方形排布。 换热管材料 由于管程压力大于0.6MPa,不允许使用焊接钢管，故选择无 缝冷拔钢管。 按照GB—151管壳式换热器1999选取常用管心距 ；分程隔板两侧管心距 按下图作正方形排列 L=8m 布管限定圆 圆筒工程直径 DN=400
选择布管限定圆直径 由布管限定圆从《GB151—1999》管壳式换热器中选定工程 直径的卷制圆筒，查得碳素钢，低合金钢圆 筒最小厚度不得小于8mm，高合金钢圆筒最小厚度不得小于 3.5mm 圆筒厚度计算： 选用壳体材料为现在工业生产中压力容器的常用材料 Q345R，为一种低合金钢。 按《GB150.1~.4-2011压力容器》中圆筒厚度计算公式： 计算压力 圆筒内径由选定的圆筒公称直径得 设计温度下的圆筒材料的许用应力由选定的材料Q345R从 GB150.2中查得 焊接接头系数 由于壳程流体为水，不会产生较严重的腐蚀，选取腐蚀yu 量 折流板间距 200mm