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1、优质资料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
2、器，结构，强度，设计计算推进学校内涵建设深化年各项工作和“三乐两校”主题教育活动的开展，进一步繁荣校园文化，搭建具有时代特征大学生特点的文化艺术活动平台，促进学院间师生的友谊49大学毕业论文目录中文摘要I英文摘要II绪论11管壳式换热器的类型、结构与型号21.1 换热器的零部件名称21.2 换热器的主要组合部件32换热器材料选择42.1 选材原则43换热器结构设计53.1 壁厚的确定63.2 管箱圆筒短节设计63.3 壳体圆筒设计73.4 封头设计83.4.1 后封头计算93.4.2 管箱封头计算103.5 换热管设计113.5.1 换热管的规格和尺寸偏差113.5.2 U形管的尺寸123.5
3、.3 管子的排列型式123.5.4 换热管中心距133.5.5 布管限定圆133.5.6 换热管的排列原则153.6 管板设计153.6.1 管板连接设计173.6.2 管板设计计算193.7 管箱结构设计213.7.1 管箱的最小内侧深度223.7.2 分程隔板224 换热器其他各部件结构234.1 进出口接管设计234.1.1 接管法兰设计234.1.2 接管外伸长度254.1.3 接管与筒体、管箱壳体的连接254.1.4 接管开孔补强的设计计算254.1.5 接管最小位置294.1.6 壳程接管位置的最小尺寸304.1.7 管箱接管位置的最小尺寸304.2 管板法兰设计304.2.1 垫
4、片的设计334.2.2 螺栓设计344.2.3 法兰设计384.3 折流板384.3.1 折流板尺寸394.3.2折流板的布置394.3.3折流板的固定364.4 拉杆与定距管384.4.1 拉杆的结构型式394.4.2 拉杆的直径和数量394.4.3 拉杆的尺寸404.4.4 拉杆的布置424.4.5 定距管尺寸424.5 防冲与导流424.5.1 防冲板的形式424.5.2 防冲板的位置和尺寸424.5.3 导流筒434.6 双壳程结构434.7 防短路结构444.7.1 旁路挡板的结构尺寸444.7.2 挡管444.7.3 中间挡板444.8 鞍座45结论46参考文献47致谢48附录 英
5、文文摘及翻译49绪论能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换
6、热器和间壁式换热器三大类,间壁式换热器又可分为列管式和板壳式换热器两类,其中列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全, 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于它具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,列管式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液,汽和汽,汽和液的对流传热,蒸汽冷凝和液体蒸发传
7、热等换热冷凝流程。列管式换热器是由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。管子两端固定在管板上，并将壳程和管程的流体分开。壳体内设有折流板，以引导流体的流动并支承管子。用拉杆和定距管将折流板与管子组装在一起。列管式换热器共有三种结构型式:固定管板式、浮头式和U形管式。固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构尺寸相同的条件下，与浮头式和U形管式换热器相比，换热面积最大。固定管板式换热器的壳程清洗困难，适应热膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁，壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束，而且可拆卸抽出管束，检修更
8、换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头式换热器应用最广泛，在油田储运集输系统中，60%70%的换热器为浮头式换热器。形管式换热器是管壳式换热器的一种,它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直径情况下,形管换热器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高, 检修、清洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低;形管换热器只有一块管板,热补偿性能好、承压能力较强,适用于高温、高压工况下操作。1管壳式换热器的类型、结构与型号1.1 换热器的零部件名称表1.1序号名称序号名称序号名称1接管法兰11活动鞍座（部件）21纵向隔板2管箱法兰12U形换热管22接管3壳体法兰13挡管23内导流筒4防冲
9、板14固定鞍座（部件）24圆筒5补强圈15滑到25管箱侧垫片6壳体（部件）16管箱垫片26凸形封头7折流板17管箱圆筒（短节）27双头螺柱或螺栓8拉杆18封头管箱（部件）28放气口9定距管19分层隔板29螺母10支持板20中间挡板图1.1U型管式换热器1.2 换热器的主要组合部件换热器的主要组合部件有前段管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。详细分类见图1.2。图1.22 主要部件的分类及代号2换热器材料选择在进行换热器设计时，对换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的
10、操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系。2.1 选材原则换热器用钢的标准、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第四章及其附录A的规定。换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。换热器主要部件材料选择见表2.1表2.1材料零部件材料设计压力设计温
11、度许用应力 st标准管箱封头15CrMoR8.0323128.24GB6654后封头15CrMoR8.5273136.4GB6654筒体15CrMoR8.5273136.4GB6654管箱圆筒短节15CrMoR8.0323128.24GB6654管板0Cr18Ni10Ti4.5323112.62GB4728换热管0Cr18Ni10Ti8.0323100.4GB/T13296-2007壳程接管15CrMoPN16273105.86GB6479管程接管0Cr18Ni10TiPN16273筒体法兰15CrMoPN6.4273GB470O-4703- 2000管程接管法兰0Cr18Ni10TiPN16
12、HG20592-97壳程接管法兰15CrMoPN16323HG20592-97管箱法兰15CrMoPN6.4273GB470O-4703- 20003换热器结构设计管壳式换热器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。对同一种型式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不
13、易结垢的物料。U形管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。U型管式换热器，使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）以增加壳侧介质流速。符号： - 钢材厚度负偏差mm，应按相应钢材标准的规定选取； - 钢材的腐蚀裕量，mm； - 厚度附加量（按1第三章取），mm；对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值，对热套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的C值； - 圆筒或球壳的内直径，mm； - 圆
14、筒或球壳的外直径（) ,mm； - 计算压力（按1第3章）,MPa； - 设计压力，Mpa； - 管程设计压力，Mpa； - 壳程设计压力，Mpa； - 圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa； - 圆筒或球壳的计算厚度，mm； - 圆筒或球壳的有效厚度，mm； - 圆筒或球壳的名义厚度，mm； - 设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa； - 设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按1第4章）,MPa； - 试验温度下材料的许用应力（按1第4章）,MPa； - 焊接接头系数（按1第3章）；对热套圆筒取 = 1 .0；3.1 壁厚的确定壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常由管材或板材卷制而成。压力容器的公称直径按GB9019-88规定，当直径400时，通常采用管材做壳体和管箱壳体。当直径400时，采用板材卷
