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1、辽宁石油化工大学继续教育学院论文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，价格便宜承压能力强等特点，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：说明部分、计算部分、绘图部分、翻译部分。说明部分主要阐述了U形管式换热器发展现状和国内外换热器的最新发展趋势及其在炼油化工生产中的地
2、位，同时介绍了压力容器常用材料及换热器的结构设计。计算部分主要对筒体、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。绘图部分完成了一张总装配图三张零件图，翻译部分对一篇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, me
3、tallurgy, 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, hi
4、gh 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.Th
5、e 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 th
6、e 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；Pre
7、ssure test；Check 37目 录1绪论11.1换热器的概述11.2 换热器的分类11. 3 换热器的发展现状71.4 换热设备的应用82 U形管换热器各部分的设计说明 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计算部分183.1 U型管筒体和封头厚度计算校核183.1.1设计条件183.1.2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1.1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
8、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，绝大数化学反应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不足热量；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，反应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
9、电耗，提高了工业生产经济效益。1.2 换热器的分类经过长期的发展和成产实践，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
10、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分离，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，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，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分离。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
11、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，以达到换热的目的。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，多用于空气分离装置中。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，因此又称表面式换热器，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。管式换热器以管子表面作为传热面，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
12、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，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面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；若传热面积不变，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
13、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
14、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；镍合金则用于高温条件下；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则叫冷却器，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
15、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若干块折流板。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，制造成本低，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
