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1、西南科技大学本科生毕业设计 本科毕业设计（论文）U型管换热器结构设计与建模学院名称制造科学与工程学院专业名称过程装备与控制工程学生姓名XX学号XX 指导教师XX 讲师二一五年六月 目录绪论第一章1.1换热器的发展及研究现状1.2 换热器的生产需求第二章2.1 设计任务2.1.1 设计题目 2.1.2 设计参数2.2 方案确定2.3 确定介质物性参数2.4 计算总传热系数2.4.1 热流量2.4.2 平均传热温差2.4.3 水蒸气用量2.4.4 总传热系数K2.5 传热面积计算2.6 工艺结构尺寸2.6.1管束数量确定2.6.2平均传热温差校正2.6.3 传热管排列和分程方式2.6.4 壳体内径
2、Di2.6.5 折流挡板2.6.7 接管尺寸第三章3.1 构件材料选择3.1.1 一般选材原则3.1.2 压力容器常用钢3.1.3 构件材料终定第四章4.1 筒体计算4.1.1 厚度计算 4.1.2 校核筒壁压力4.2 封头尺寸计算4.2.1 封头厚度计算4.2.2 校核封头应力4.3管箱短节计算4.3.1 管箱短节圆筒厚度的计算4.3.2 压力及应力计算4.3.3 管箱短节长度计算4.4 管板设计及校核4.4.1 布管面积4.4.2 管板布管区的当量直径4.4.3管板计算厚度4.4.4 管板名义厚度 4.4.5 换热管轴向应力计算及校核4.5 开孔补强计算4.5.1等面积法适用范围4.5.2
3、 壳程接管开孔补强4.5.3 管程开孔补强第五章5.1 设备外部结构5.1.1 壳体结构5.1.2 封头结构5.1.3 管箱结构5.1.4 接管设计5.1.5 法兰选用5.1.6 支座结构5.2 设备内部件结构5.2.1 折流板设计5.2.2 拉杆和定距管设计5.2.3 分程隔板设计5.2.4 防冲挡板5.2.5 管板设计5.2.6 U型换热管5.3 各构件连接形式5.3.1 压力容器连接形式分类5.3.2 椭圆封头和壳体的连接5.3.3 壳程接管和壳体的连接5.3.4 管程接管与壳体的连接5.3.5 管束和管板的连接第一章 绪论1.1换热器的发展及研究现状 是将热流体的部分热量传递给冷流体的
4、设备，又称热交换器。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。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，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发展，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发展和广泛应用。自60
5、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发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。目前对换热器的研究现状，工程上已经大量使用商业的软件进行换热器的计算。最著名的专业换热器计算软件主要有以下几个：第一是成立于1962年的美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.,即HTRI）开发的Xchange Suit软件；第二是成立于1976年的英国传热及流体服务中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service,即HTFS）开发的HTFS系列软件和B-JAC软。因
6、此，换热器计算软件发展到今天已经可以向很多制造厂商提供设备条件。目前工业上用得较多的管壳式换热器主要有浮头式、固定管板式和U型管式，其中以浮头式换多。本次选择设计的是U型管式换热器，它的管板比固定管板式换热器少，其泄露量也相应减少，并且U型管式换热器具有壳程水压试验后烘干更容易，适用场合广、换热面积大、管内介质流速大效率高、检修简便、操作弹性较大、结构简单、价格便宜承受能力强的特点。由于U型换热管的两端都同时固定在上同一块管板上，管子可以自由伸缩，因此，当壳体与U形换热管有温差时不会产生热应力。但是，U型管换热器的主要缺点就是U型管具有一定的弯曲半径，故管板的利用率较差，管内不容易清洗，一旦内
7、层有管束堵塞更换困难，只有将堵塞的换热管两端封住，影响传热。所以，U型管式换热器适用于管与壳壁温差较大或管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的介质的情形；有时候也用在换热器壳程容易结垢，需要清洗，但又不适宜用浮头式或固定管板式的场合。U 型管换热器是一种典型的管壳式换热器， 其管子弯成 U形,管子的两端固定在同一管板上， 因此每根管子可以自由伸缩，而与其他管子及壳体无关。U 型管换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其他换热器便宜。U 形管束可以从壳体内抽出，所以管子便于清洗。但管内清洗困难，所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管呈 U形，管子的更换除外侧一层外，
8、内部管子大部分不能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易发生短路而影响传热效果。U 形管的弯头部分曲率不同， 管子长度不一， 因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。1.2 换热器的生产需求 U型管换热器在当前市场的生产需求是比较大的，U型管换热器是在工业过程生产中实现两种介质间进行热量传递的一种设备，也可以用来保证工艺流程和条件的同时实现二次能源余热的回收。在化工厂换热器约占总投资10%-20%；在炼油厂换热器约占全部工艺设备投资的35%-40%。由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需要。近20年来，换热
9、设备在能量储备、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛运用。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程的需要。除此之外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。所谓低品位热能是指难以利用容易忽略的热能，例如工业排放的烟道气、高炉炉气等。第二章 换热器工艺计算2.1 设计任务2.1.1 设计题目 U型管换热器结构设计，处理量为12000Nm/h，使用寿命为15年。2.1.2 设计参数（1）由2管程和1壳程组成。（2）水蒸汽加热空气： 水蒸汽：入口温度100，出口温度100； 空 气：入口温
10、度30，出口温度40。 （3）设计压力为常压1.1013；允许的压降：不大于105Pa。2.2 方案确定 考虑到空气和水蒸气均不易结垢，且为了便于强化传热，应使传热系数较小的流体管程。因此，选择空气走壳程，水蒸气走管程。2.3 确定介质物性参数根据定性温度，分别从化学化工物性数据手册中查取壳程和管程流体的相关物性数据如下表2-1：表2-1 相关介质物性参数介质空气水蒸气温度/3035（差值法取值）40100密度kg/m31.1651.1471.1280.597定压比热容kJ/(kg.)1.0051.0051.0051.525导热系数W/(m.)0.026750.027160.027560.02
11、4黏度Pa.s0.0.0.0.2-12.4 计算总传热系数2.4.1 热流量： （2-1）2.4.2 平均传热温差： （2-2） 2.4.3 水蒸气用量： 常压下100的水蒸气汽化热为r=2258KJ/Kg，则 （2-3）2.4.4 总传热系数K 管程传热系数： （2-4） 壳程传热系数： 假设壳程传热系数；污垢热阻， ；管壁的导热系数；则传热系数K： （2-5）2.5 传热面积计算： （2-6） 考虑25%的面积裕度， （2-7）2.6 工艺结构尺寸2.6.1管束数量确定：本次U型管换热器设计采用单壳程双管程结构，若取传热管长L=3m，换热器程数为2，则 （2-7）每程管束为226/2=11
12、3根。管内流速： （2-8）2.6.2平均传热温差校正： 平均传热温差校正系数：， （2-9） （2-10） 按单壳程，双管程结构查温差校正系数表可得。平均传热温差：。2.6.3 传热管排列和分程方式： 每程均按正三角形排列，取管心距t=1.25d，则 横过管束中心线的管数：根。2.6.4 壳体内径Di： 采用双管程结构，取管板利用率，则壳体内径为： （2-11）圆整后可取目前常用管径。2.6.5 折流挡板 采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的30%，则切去的圆缺高度为：。 取折流挡板间距，则。（根据GB151相关规定，挡板间距最小间隔为1/5倍壳体内径，且不小于50mm） 折
13、流挡板数为：块 （2-12） 折流挡板圆缺面水平装配。2.6.7 接管尺寸： 壳程流体进出口接管：取接管内空气流速为u1=40m/s，则接管内径为 （2-13） 圆整后可取壳程接管内径为350mm。根据GB3087-82中标准钢管规格，选用的10号无缝钢管。 管程流体进出口接管：取接管内水蒸汽流速u2=2m/s,则接管内径为： （2-14）圆整后取接管内径为150mm。根据GB3087-82中标准钢管规格，选用的10号无缝钢管。第三章 材料选择3.1 构件材料选择3.1.1 一般选材原则： （1）所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢和低合金钢之间，应尽量采用碳素钢钢板。 （2）在刚度和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，根据压力、所需耐酸不锈钢温度
