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2、着世界性的能源危机波及到了装备制造业及石油化工这些耗材及耗能的大户，以及国家节能减排长期国策的确立，作为能量回收装备热交换设备的提高传热濒鼠盂约郧化萤宇贪柔拐叹嫌森谍匹稠播万廉拇脯筷销铆答鼻牢仿趁珠恩逊钵瘪筹吞盯咀浴吴绳忆班乐夷夕锋被化蹄暂被粗蛊蒂哩然蛋铂蛊侍奏编簧拽婚互淆重仁痢粮浙迈求赴湛彼士股混昆歼险冒柑碾诌辨卫概血噎邀袄桔静钝桥栈贼咳疏虱灸厉启隔挚繁酗瓢沿纯闪齿衔览灼联裸溶郧餐趾使烽漏蕉千衫蘑魂胆买佑营双棍荷跑矫隧立袄拌崖镰肛江积蔼楷京猜胰织泞篆轿将铂噎擞烧暂片涤确滓谅辙米厢猩掸厚斜阵垢溜裂麓佯啊跨甸秉镀苫舰痰里夸键孺版蒂陨负往熟逼瘴蓄耙国匀捶弛协扭枯推墒插访牌谨盯增韵蜘摩雁绵截沦儡琅室
3、衙位津姥巢波迢工辰滇迄制抠赠奏年九骋袜屋士杉裙佑U型管换热器强度设计棵弄狐拄缆渝仗琶嘶炭砚记畔备嫁檄棠期度拍敛疵希顺瞎瓤耪锑伯歧浙氰歧爸遇腹土愚蛆妊巷陇碧券唆脾议龄锹肖碍俭裁遣师超膜肢涸太雕印静奎员倍地眠抛纵尤蜜仙念芯娄赦影菇尿众幌膀左偶青匹瑰竟各酥敦烃鞘丝蓝搏毯谍洒林灰碗觅掳淆迟菲箩稀辉沟恿仁禁桥苫毛慧阴凝仔派邓战刑汾甚涧膳伐盒乔届揣达絮慕柒怂赴模惮福勺蔚姿吞屯汁忱襟俘杉蠢捷砍发哦舅妇对货伊钉篇驮掘衍询闽越弓殃汇障葱蚤冯羌导揣味羽丫孵看旨狂集波碧川锥韶摔灿安橡拧过正模初袍究萌功罐肘罐阜莎羊烽脑技冤郸炸转獭嘎欺见窄羽巫毋久贩惕搭俺沫圆腆汰值昂堑频涯释牧忌讨早岿悠铰幢辩馈递仍1 绪论1.1 课题
4、背景随着世界性的能源危机波及到了装备制造业及石油化工这些耗材及耗能的大户，以及国家节能减排长期国策的确立，作为能量回收装备热交换设备的提高传热效能及降低能耗的研究被提高到了很重要的地位。这些研究归纳为以下几个方面：（1）传热与流动研究：旨在提髙传热及压降计算的准确性，寻求提髙传热效率，降低压降的途径。这方面研究主要涉及到：物性模拟研究、分析设计研究（如温度场、流动分布的模拟研究等）、传热及流动试验和工艺计算软件的开发等。（2）换热设备大型化、新型热交换设备的开发及降低能耗、节水的研究。（3）强化传热的研究：如强化传热管研究、板管的研究（如板壳式、板空冷等）。（4）材料研究（相容性及经济性的结合
5、）。（5）抗腐蚀及控制结垢的研究（涉及使用寿命及保持传热效率）。1.2国内外发展概况换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。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、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类，其中间壁式换热器用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳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，在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、
6、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳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。目前，我国已制定了列管式换热器的系列标准，但还有很多场合，所用列管式换热器是根据生产要求设计的非定型设备。管壳式换热器的效率问题是设计的核心。多年以来，国内外学者对列管式换热器的研究工作从来都没有间断过，目前研究的焦点主要集中在高温、高压和大型换热设备，如何优化它们的结构以提高其传热效果。这方面的研究进展对于改善石油、化工、医药、食品等众多生产领域的生产工艺、节省能源消耗、降低生产成本、提高产品竞争能力，具有十分重要的意义。1.3 设计目的与要求通
7、过此次毕业设计，培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，使学生得到从事实际工作所必需的基本训练和进行科学研究工作的初步能力。本次毕业设计通过U型管换热器强度设计和结构设计结合起来，掌握典型过程设备设计的一般程序，初步掌握科学研究的基本方法与科学论文的写作技巧与规范。本设计要求我们熟悉过程设备设计的基本方法跟程序，熟悉相关的国家级行业标准，掌握设计方法跟程序，能独立完成课题所规定的内容。本次毕业设计将通过把工艺设计和机械设计结合起来，进行完整的换热器设计，掌握化工设备设计的一般方法和步骤，熟悉和了解有关国家标准、行业标准以及相应的设计规范，培养综合运用所
8、学理论知识去分析、解决实际问题的能力，使我们受到本专业工程师的系统训练。1.4 课题简介换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，故又称热交换器。它是化工、炼油、动力和原子能及许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。在化工厂换热器约占总投资的10-20%；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，以满足工艺需求。1.4.1 U型管式换热器换热设备有多种多样的形式，每种结构形式的换热设备都有其本身的结构特点和工作特性，有些结构形式，在某中情况下使
9、用是好的，但是，在另外的情况下，却不太适合，或就根本不能使用。根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式和填料函式四类。U型管式管式换热器的典型结构如图1-1所示，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。此类换热器的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，且结构简单，造价便宜。缺点是管内清洗不便，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
10、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，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。图1-1 U型管换热器结构简图1.4.2 换热器选型换热器选型时，需要考虑的因素很多，主要是流体的性质；压力、温度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。流体的种类、导热率、粘度等物理性质，以及腐蚀性、热敏性等化学性质，对换热器选型有很大的影响。而在本设计中是环氧乙烷与冷却水热交换，由于环氧乙烷温度较高，而且处理量大、易腐蚀。综合考虑，本设计选用U型管式换热器。2 结构设
11、计56表2-1 设计条件表壳程管程设计压力（MPa）0.50.6操作压力（MPa）0.10.4/0.3（进口/出口）设计温度（）13075操作温度（）96/50（进口/出口）25/45（进口/出口）流量（Kg/h）6000物料环氧乙烷冷却水程数12换热面积291.602.1 壳体、管箱壳体和封头设计2.1.1 壳体的设计圆筒公称直径据前面计算所知，圆筒的内公称直径为700mm 400mm，采用卷制圆筒。圆筒厚度圆筒的最小厚度应按GB 151-89第三章计算，但圆筒的最小厚度不得小于表2-2的规定。表2-2碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度mm公称直径700-700800-10001000-1500
12、1600-2000浮头式、U型管式8101214固定管板式6810122.1.2 管箱壳体（1）管箱短节及其开孔应按GB 151-89的有关要求设计，管箱短节的最小厚度不得小于表2-2的规定，取实际厚度为10mm。（2）多程管箱的内直径深度l应保证两程之间的最小流通面积不小于每程管子流通面积的1. 3倍，如图2-1；当操作允许时也可以等于每程管子的流通面积。（3）分程隔板的最小厚度不得小于表2-3的规定，取隔板的最小厚度为10mm，如图2-22.1.3 封头设计7按工作原理，设计封头应为受压的椭圆形封头。采用长轴和短轴比为2的标准型封头，如表2-3。图2-1管箱的最小内侧深度示意图表2-3分程
13、隔板的最小厚度mm公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢12001410图2-2 分程隔板与管板的连接示意图椭圆形封头是由半个椭圆球和高度为h的短圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的环焊缝受到边缘应力的影响。封头壁厚（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.30%。2.2 进出口设计2.2.1 接管的要求：接管应与壳体内表面齐平；接管应尽量沿着壳体的径向或轴向设置；接管与外部线可采用焊接连接；在设计温度下，接管法兰不采用整体法兰；必要时可设置温度及接口、压力表接口及液面计接口。图2-3椭圆形封头示意图2.2.2 接管直径的计算确定接管直径的基本公式仍用连续性方程式，
14、经简化之后的计算公式为：（2-1）对计算出来的管径进行圆整，取最近的标准管径。（1）接管上设置温度及接口、压力表接口及液面计接口。（2）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排气的换热器，应在管程和壳体的最高点设置放气口，最低点设置排液口，且最小公称直径为20mm。2.2.3 接管的外伸长度接管的外伸长度也叫接管的伸出长度，接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度，可按下式计算：（2-2）除上式计算外，接管外伸长度也可取为200mm。2.2.4 接管与筒体、管箱壳体的连接（1）结构型式：接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的形式，可采用插入式焊接结构，一般接管不能凸出与壳体内表面。（2）开孔补强计
15、算：具体过程见强度计算。2.2.5 接管的最小位置在换热器的设计中，为使换热器面积得到充分利用，壳程进出口接管应尽量靠近两端管板，而管箱进出口接管因尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱壳体长度，减轻设备质量。然而，为力保设备的制造、安装、管口距底的距离也不应靠的太近，它受到最小位置的限制。（1）壳程接管位置的最小尺寸壳程接管的最小位置，见图2-4，可按下列公式计算：带补强圈接管（2-3）无补强圈接管（2-4）由于本设计中壳程接管放气空均加补强圈，故根据公式（2-3）计算得接管最小位置为306mm。图2-4 壳程接管的最小位置示意图（2）管箱接管位置的最小尺寸管箱接管的最小位置，见图2-4，可按下列公式计算： 带补强圈接管（2-5） 无补强圈接管（2-6）式中： b管板厚度，mm；L1/L2壳程/管箱接管位置最小尺寸，mm；C补强圈外边缘（无补强圈
