形管換熱器E304機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、U形管換熱器E-304機(jī)械設(shè)計(jì)摘 要換熱器作為工藝過程必不 可少的單元設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于石油、化工、動力、輕工、機(jī)械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域中。本設(shè)計(jì)是關(guān)于U形管換熱器的設(shè)計(jì)。U形管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜承壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并適用于高溫、高壓、腐蝕性大的場合。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，嚴(yán)格按照GB1501998鋼制壓力容器和GB1511999管殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算以及對換熱器的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的校核。本設(shè)計(jì)包括：說明部分、計(jì)算部分、繪圖部分、翻譯部分。說明部分主要闡述了U形管式換熱器發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)外換熱器的最新發(fā)展趨勢及其在煉油化工生產(chǎn)中的地位，同時(shí)介紹了壓力容器常用材料及

2、換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算部分主要對筒體、封頭和法蘭進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并對其進(jìn)行了水壓試驗(yàn)的校核。繪圖部分完成了一張總裝配圖三張零件圖，翻譯部分對一篇2萬字符的外文進(jìn)行了翻譯。關(guān)鍵詞：U形管換熱器；筒體；壓力試驗(yàn)；校核U Ex E-304 Mechanical DesignAbstractProcess heat exchanger as an indispensable element equipment, widely used in petroleum, chemical, power, light industry, machinery, metallurgy, transport, ph

3、armaceutical and other projects in the area.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, high pressure, corrosive occasions. part intro

4、duce U-tube heat exchange introduce structureU-tube heat exchanger目 錄1緒論11.1換熱器的概述11.2 換熱器的分類11. 3 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀71.4 換熱設(shè)備的應(yīng)用82 U形管換熱器各部分的設(shè)計(jì)說明 102.1 U形管換熱器的介紹102.2 結(jié)構(gòu)的選擇與論證112.3 設(shè)備材料選擇163計(jì)算部分183.1 U型管筒體和封頭厚度計(jì)算校核18設(shè)計(jì)條件18筒體和封頭厚度計(jì)算校核193.2 管板的計(jì)算213.3 法蘭和螺栓的計(jì)算243.4 筒體的開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算31結(jié) 論33參考文獻(xiàn)34謝 辭351緒論1.1換熱器的概述在煉油廠和

5、石油化工廠,幾乎所有的工藝過程都有加熱、冷卻或冷凝過程。這些過程流體稱為換熱過程，所以設(shè)備除加熱爐稱為換熱設(shè)備。因此，在煉油廠和化工廠中換熱設(shè)備是重要的工藝設(shè)備。同時(shí)可將它看成重要的節(jié)能設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%；在煉油廠中，約占總投資的35%40%。在煉油廠，石化廠的工藝過程中，絕大數(shù)化學(xué)反應(yīng)或傳質(zhì)傳熱過程都伴有熱量的變化。為了確保這些過程能夠連續(xù)進(jìn)行，就必須排除多余的熱量或補(bǔ)足或所需的不足熱量；為了最大限度地利用和節(jié)約能量，工藝過程中的肺熱或余熱也要回收利用；為了便于儲存和運(yùn)輸，反應(yīng)過程中得到的產(chǎn)品也必須進(jìn)行和冷卻或冷凝?？傊?，這些熱量的傳遞和交換都必須通過一

6、些換熱設(shè)備進(jìn)行。從而，廢熱和余熱的回收提高了熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高了工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。1.2 換熱器的分類經(jīng)過長期的發(fā)展和成產(chǎn)實(shí)踐，換熱器的種類越來越多。因此換熱器的分類也是多種多樣的。可以按換熱器所使用的材料種類、傳熱方式、功能和結(jié)構(gòu)等來進(jìn)行分類。（1）按材料類別分類按材料種類可把換熱器分為金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器。石油化工行業(yè)中90%以上的換熱器為金屬材料換熱器。這類換熱器細(xì)分的話，還可以分為碳素鋼換熱器、低合金鋼換熱器、不銹鋼換熱器和有色金屬換熱器（如銅、鈦等）。非金屬材料（如石墨、聚四氟乙烯、玻璃鋼、陶瓷等）換熱器多用于一些特殊場合，如強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等。（2）按傳

7、熱方式分類混合式換熱器。有時(shí)也稱作直接接觸式換熱器。它是將冷熱兩種流體通過直接接觸進(jìn)行熱量交換而實(shí)現(xiàn)傳熱的?；旌鲜綋Q熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時(shí)分離。蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器，一般設(shè)有由耐火磚構(gòu)成的蓄熱室。在傳熱過程中，冷熱兩種流體交替通過蓄熱室。當(dāng)熱立體通過時(shí)，蓄熱體吸收

8、了熱流體的熱量而升溫，熱流體放出熱量而降溫；然后再讓冷流體通過蓄熱體，蓄熱體把熱量釋放給冷流體而降溫，冷流體吸收熱量而升溫。如此反復(fù)進(jìn)行，以達(dá)到換熱的目的。如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間接式換熱器。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱

9、器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減?。蝗魝鳠崦娣e不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采

10、用逆流換熱。當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩

11、污垢的形成，并定期清洗傳熱面。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。 （3）按功能分類石油化工裝置換熱設(shè)備按用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和重沸器。主要用于加熱物料的叫加熱器；用水等冷卻劑來冷卻物料的則叫冷卻器，像分餾塔的餾出線冷卻器等；熱的流體是氣態(tài)，經(jīng)過換熱后被冷凝成為液態(tài)的稱為冷凝器，如分餾塔塔頂汽油冷卻器

12、等；一種液體被加熱而蒸發(fā)成為氣態(tài)的叫重沸器或汽化器。固定管板換熱器固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以

13、用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：1、旁路滲流較?。?、造價(jià)低；3、無內(nèi)漏；4、這種換熱器的缺點(diǎn)是：殼程清洗困難，有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)冷熱兩種流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料膨脹系數(shù)相差較大，熱應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時(shí)，在殼體上需設(shè)膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)強(qiáng)度的限制，殼程壓力不能太高。這種換熱器適用于兩種介質(zhì)溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高

14、，及殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢的場合。浮頭管板換熱器1. 殼蓋；2.浮頭蓋； 3.浮頭管板；4.殼體；5.傳熱管；6.支持板 7.折流板圖1.浮頭管板換熱器浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個(gè)以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板

15、分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，設(shè)浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對應(yīng)匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結(jié)構(gòu)必要時(shí)可適當(dāng)加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內(nèi)徑，同時(shí)相應(yīng)變更加大相關(guān)零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其圈體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設(shè)法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面凹型或梯型密封面連接并

16、密封，另一端設(shè)法蘭或其他結(jié)構(gòu)與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。浮頭換熱器的特點(diǎn)：它的突出特點(diǎn)是當(dāng)換熱器殼體與換熱管之間存在溫差而熱膨脹量不同時(shí)，管束可以在殼體內(nèi)沿殼體軸線自由伸縮移動。其次，由于不需要在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，故它所承受的壓力可以比帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器高。同時(shí)，由于管束可以抽出殼體之外，故便于機(jī)械清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高（比固定管板高20%），在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。浮頭管板換熱器，有時(shí)也被稱為浮頭式換熱器。它的突出特點(diǎn)是當(dāng)換熱器殼體與換熱管之間存在溫差而熱膨脹量不同時(shí)，管束可以在殼體內(nèi)沿殼體軸線

17、自由伸縮移動。其次，由于不需要在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，故它所承受的壓力可以比帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器高。同時(shí)，由于管束可以抽出殼體之外，故便于機(jī)械清洗。填料函式換熱器填料函式換熱器一般為單殼程，但為強(qiáng)化殼程的傳熱性能有時(shí)也采用雙殼程。管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮。管束一端與殼體之間用填料密封。管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點(diǎn)。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，造價(jià)也較低；但填料處容易滲漏，工作壓力和溫度受一定限制，直徑也不宜過大。雙管板

18、換熱器管子兩端分別連接在兩塊管板上兩塊管板之間留有一定的空間，并裝設(shè)開孔接管。當(dāng)管子與一側(cè)管板的連接處發(fā)生泄漏時(shí)，漏入的流體在此空間內(nèi)收集起來，通過接管引出，因此可保證殼程流體和管程流體不致相互串漏和污染。雙管板換熱器主要用于嚴(yán)格要求參與換熱的兩流體不互相串漏的場合，但造價(jià)比固定管板式換熱器高。U形管式換熱器U形管式換熱器的換熱管呈“U”形。U形管式換熱器一束管子被彎制成不同曲率半徑的U形管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束管板夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱即可直接將管束抽出，便于清洗管間。管束的U形端不加固定，可自由伸縮，故它適用于兩流體溫差較大的場合；又因其構(gòu)造較浮頭

19、式換熱器簡單，只有一塊管板，單位傳熱面積的金屬消耗量少，造價(jià)較低，也適用于高壓流體的換熱。釜式重沸器釜式重沸器與其他形式管殼式換熱器的主要區(qū)別在于它的殼體上部設(shè)有蒸發(fā)空間。因其結(jié)構(gòu)簡單，在余熱鍋爐中適用廣泛。管束可以式固定管板式、U形管式或浮頭式。對較臟的、壓力較高的介質(zhì)均能使用。管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,且能選用多種材料制造,故適應(yīng)性極強(qiáng)。管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),在水泥生產(chǎn)企業(yè)常用作設(shè)備稀油站的油冷卻器,用作車輛發(fā)動機(jī)油冷卻器等。長期以來,鋼制管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)和選材廣等優(yōu)點(diǎn)在換熱器的生產(chǎn)和使用數(shù)量上一直占主導(dǎo)地位。隨

20、著強(qiáng)化傳熱等技術(shù)的發(fā)展,管殼式換熱器在制造技術(shù)和傳熱性能上也不斷提高。然而,由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用工況的多樣性,也常常出現(xiàn)換熱器的局部失效甚至整體報(bào)廢。間壁式換熱器的另一種板面式換熱器，按結(jié)構(gòu)分類為：板式換熱器，螺旋板換熱器，板翅式換熱器，板殼式換熱器及傘板式換熱器。1. 3 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀雖然樣式繁多的換熱器很大程度上拓寬了人們的選擇范圍。但管殼式這一傳統(tǒng)的換熱設(shè)備在化工生產(chǎn)中仍占據(jù)著主要地位，在高溫高壓或有腐蝕性介質(zhì)的作業(yè)中更能顯示其優(yōu)勢。管殼式換熱器由一些直徑較小的圓管加上管板組成管束。外套一個(gè)外殼而構(gòu)成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、清洗，選材及應(yīng)用范圍廣，處理量大。以上優(yōu)點(diǎn)使其成為傳

21、統(tǒng)換熱器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。但在追求高效傳熱的今天。傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高，難以滿足生產(chǎn)要求，因而。換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究越來越得到重視。所謂換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)就是使換熱器在單位時(shí)間、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能多。長期以來。 國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量研究。目前在我國石油化工行業(yè)中，換熱設(shè)備投資占設(shè)備投資的30以上，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器，其中80 以上的管殼式換熱器仍采用弓形折流板光管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了換熱器傳熱效果差，殼程壓降大，與我國正在推行的節(jié)能減排政策不相適應(yīng)。因此提高換熱器的效能對化工行業(yè)節(jié)能減排、提高效益非常重要。換熱設(shè)備傳熱過程的強(qiáng)化就

22、是力求使換熱設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高換熱設(shè)備的效率，減少能量傳遞過程中的損失，更合理更有效地利用能源。提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大單位傳熱面積、增大傳熱溫差是強(qiáng)化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱系數(shù)是當(dāng)今強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)。20世紀(jì)到80年代以來，換熱器技術(shù)飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發(fā)與應(yīng)用帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、私有化比例加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標(biāo)。因此節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張、全球環(huán)境氣溫的不斷升高、環(huán)境保護(hù)要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器

23、帶來了日益廣闊的應(yīng)用前景。1.4 換熱設(shè)備的應(yīng)用換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。尤其在化工生產(chǎn)中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，

24、如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種

25、高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。2 U形管換熱器各部分的設(shè)計(jì)說明2.1 U形管換熱器的介紹圖2.1 .U形管式換熱器U形管式換熱器的換熱管呈“U”形。U形管式換熱器一束管子被彎制成不同曲率半徑的U形管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束管板夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱即可直接將管束抽出，便于

26、清洗管間。管束的U形端不加固定，可自由伸縮，故它適用于兩流體溫差較大的場合；又因其構(gòu)造較浮頭式換熱器簡單，只有一塊管板，單位傳熱面積的金屬消耗量少，造價(jià)較低，也適用于高壓流體的換熱。相同直徑的殼體內(nèi)，U形管的排列數(shù)目較直管少，相應(yīng)的傳熱面積也較校雙重管式換熱器將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器。管程流體從管箱進(jìn)口管流入，通過內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返向，通過內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。當(dāng)殼體與U形管有溫差時(shí)，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱。但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價(jià)較高。由于受彎管曲

27、率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄露損壞時(shí)，只有管束外圍處的U形管便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根管相當(dāng)于壞兩根，報(bào)廢率較高。U形管換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。因?yàn)閁形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)也比其他換熱器便宜承壓能力強(qiáng)。管束可以從殼體中抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)的介質(zhì)必須是清潔且不易結(jié)垢的物料。

28、由于換熱管的結(jié)構(gòu)形式關(guān)系，管子的更換除外側(cè)一層外，內(nèi)部管子大部分不能更換管束中心部分存在空隙，所以流體易走短路，影響傳熱效果。而且管板上排列的管子較少，結(jié)構(gòu)不緊湊，U形管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。但也正因?yàn)閁形管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管束的兩端固定在同一塊管板上，管束可自由伸縮與殼體之間不存在溫差應(yīng)力。因此，U形管換熱器常在高溫高壓的場合大量使用。2.2 結(jié)構(gòu)的選擇與論證由于各種工藝和結(jié)構(gòu)要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管，開孔后，除減小器壁的強(qiáng)度外，還會在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患。因

29、此，壓力容器的設(shè)計(jì)必須充分考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。開孔應(yīng)力集中的程度與孔的形狀有關(guān)，圓孔應(yīng)力集中程度最低。為了降低峰值應(yīng)力需要在開孔邊緣補(bǔ)強(qiáng)，即用在開孔邊緣附近增加截面的方法，來提高抗應(yīng)力程度。等面積補(bǔ)強(qiáng)法規(guī)定，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積等于大于開孔的所削弱的殼體面積。它是以補(bǔ)強(qiáng)后殼體的平均抗應(yīng)力程度不至于變小為出發(fā)點(diǎn)的。這種方法沿用已久，對于塑性比較好的材料也比較安全可靠。為減小計(jì)算長度L，而大大提高容器的臨界壓力，用增設(shè)加強(qiáng)圈往往比用大容器壁厚的方法增大剛度更為經(jīng)濟(jì)。扁鋼截面慣性距較大，力學(xué)性能較好。因此，選用扁鋼加強(qiáng)圈。由于補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接結(jié)構(gòu)會引起較大局部應(yīng)力，同時(shí)高強(qiáng)度鋼容易產(chǎn)生焊接

30、裂紋，故超越標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)采用補(bǔ)強(qiáng)管結(jié)構(gòu)，即在開孔處焊一厚壁短管，在采用全焊透結(jié)構(gòu) 筒體的設(shè)計(jì)筒體的作用是提供工藝所需的承壓空間，是壓力容器最主要的受壓元件之一，器內(nèi)直徑和容積往往需由工藝計(jì)算確定。筒體直徑較?。ㄒ话阈∮?00mm）時(shí)，圓筒可用無縫鋼管制作，此時(shí)筒體上沒有縱焊縫；直徑較大時(shí)，可用鋼板在卷板機(jī)上卷成圓筒或用鋼板在水壓機(jī)上壓制成兩個(gè)半圓筒，再用焊縫將兩者連接在一起，形成整圓筒。換熱器的筒體可以用鋼板卷制，也可以用無縫鋼管制作，通常以400mm為界。筒體直徑小于等于400mm，常用鋼管作為筒體，公稱直徑以內(nèi)徑為基準(zhǔn)。碳鋼和低合金鋼作為筒體必須是無縫鋼管，奧氏體不銹鋼管作為筒體可以使用無縫

31、鋼管，也可以是符合要求的有縫鋼管。表2.1公稱直徑（mm）4007007001000100015001500200020002600浮頭式810121416U形管式固定管板式68101214注：表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量C2（按3mm考慮）因此：選材：按GB150-1998選定圓筒的材料為。長度：由換熱管長度而定。中規(guī)定碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于上表的規(guī)定。2.2.2 封頭的設(shè)計(jì)1) 為了避免應(yīng)力集中，封頭各種不相交的拼接焊縫中心線間距離至少應(yīng)為鋼板名義厚度的3倍，且不小于100mm。封頭有成形的瓣片和頂圓板拼接制成時(shí)，焊縫方向只允許是徑向和環(huán)向的，徑向焊縫接頭之間的最小距離也應(yīng)小于1

32、00mm。2) 先拼板成形后的封頭拼接焊縫，在成形前應(yīng)打磨至母材齊平，100%壓制成形后進(jìn)行射線檢測。3) 沖壓成形后的封頭，其最小厚度不應(yīng)小于鋼板名義厚度減去鋼板的負(fù)偏差。4) 封頭直邊部分的縱向皺褶深度應(yīng)小于1.5mm。由GB150選取封頭材料為參照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。圖2.2 封頭結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3 封頭管箱的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中封頭管箱為組合件，選取一個(gè)橢圓封頭、短節(jié)、中間隔板以及接管法蘭組成。由GB150-1998第五章選擇：橢圓封頭材料：;短節(jié)材料：。2.2.4 接管的設(shè)計(jì)接管的一般要求：1) 接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；2) 接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置；3) 設(shè)計(jì)

33、溫度高于或等于300，應(yīng)采用對焊法蘭；4) 必要時(shí)應(yīng)設(shè)置溫度計(jì)接口，壓力表接口及液面計(jì)接口；5) 對于不能利用接管進(jìn)行放氣、排液的換熱器應(yīng)在管程和殼程的最高點(diǎn)設(shè)置放氣口，最低點(diǎn)設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為20mm；6) 立式換熱器可設(shè)置溢流口。圖2.3 U形管簡圖2.2.5 U形管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對換熱管的尺寸精度要求與一般的液體輸送管線用管不同，因?yàn)樵诮M裝管束時(shí)，換熱管必須穿過管板及折流板，所以對其外徑有一定尺寸精度要求，否則會給裝備工作帶來困難。GB151規(guī)定，對于碳鋼和低合金鋼的換熱管，按其尺寸要求精度要求分成級管束和級管束。級管束采用較高級或高級精度冷拔鋼，級管束采用普通級冷拔鋼。在換熱管材

34、料訂貨時(shí)，應(yīng)注意精度等級問題。奧氏體不銹鋼材質(zhì)的換熱器均采用高精度管，管束均為級。2.2.5.1 U形管彎管管段的彎曲半徑U形管彎管管段的彎曲半徑R應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按GB151中表11選取。 表2.2換熱管外徑 mm10121416192022253235455055Rmin mm2024303240455060667076901002.2.5.2 布管換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形。正三角形和轉(zhuǎn)角三角形、轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以再同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍，但管外不易清洗。為了便于管外清洗方便，本換熱器設(shè)計(jì)采用了

35、轉(zhuǎn)角正方形排管的管束，其圖如下。（a）正三角形 （b）轉(zhuǎn)角正三角形 （c）正方形 （d）轉(zhuǎn)角正方形圖2.4 管束的排列本設(shè)計(jì)中選用換熱管的排布方式為按正三角形排列。2.2.5.3 換熱管中心距換熱管中心距可按GB151中第五章表12（本文中表）確定 表2.3 單位mm換熱管外徑d10121416192022253032353845505557換熱管中心距S1314161922252628323840444857647072分程隔板槽兩側(cè)鄰管中心距Sn283032353840424450525660687678802.2.6 折流板的選擇折流板一般應(yīng)該按等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程

36、進(jìn)出口接管。臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下布置，若氣體中含有少量液體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口，如圖（a）若液體中含有少量氣體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣口，如圖（b）臥式換熱器，冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液共存或液體中含有固體物時(shí)，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，如圖（c）。折流板間距一般不小于圓筒直徑的1/5，且不小于50mm。圖2.5折流板開口說明圖2.3 設(shè)備材料選擇一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料

37、；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。2.3.1 常壓容器對材料的基本要求為了確保壓力容器的使用特性和安全可靠性，正確地選擇和合理加工材料式必要的基礎(chǔ)和前提。壓力容器使用的材料，取決于它的工作條件，主要指容器的工作壓力、工作溫度及介質(zhì)特性等因素。由于壓力容器的工作條件千差萬別，決定了使用材料的廣泛性和多樣性，但使用量最多的還是各種鋼材，這是由于鋼材能在較大范圍內(nèi)適應(yīng)壓力容器的各種工作條件，易于加工，而且價(jià)格較其它金屬材料便宜，因而鋼制壓力容器占絕大多數(shù)。只有在

38、一些特定條件下，主要指介質(zhì)條件，才選用銅、鋁、鈦及其合金材料制作壓力容器，但這類壓力容器應(yīng)用不多。壓力容器用鋼都可以在常壓容器中使用，對于非鍋爐和壓力容器用鋼，按照鋼材本身的性質(zhì)，如沸騰鋼考慮硫、磷，可能存在分層等現(xiàn)象，對鋼板的使用溫度和尺寸進(jìn)行了限制。考慮到常壓容器的特點(diǎn)，對材料一般只要求符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，沒有無損檢測，復(fù)驗(yàn)符合要求；但同時(shí)考慮到常壓容器應(yīng)用范圍的廣泛性，又盛裝毒性介質(zhì)的場合，這類容器雖然在常壓下工作，但仍存在一定程度危及人身安全的問題，因此，對材料有特殊要求時(shí)，應(yīng)在圖樣或相關(guān)技術(shù)文件中注明。應(yīng)根據(jù)減壓容器的設(shè)計(jì)溫度，介質(zhì)特性和操作特點(diǎn)等使用條件及材料的焊接性能，容器的制造工藝以

39、及經(jīng)濟(jì)合理性等選擇常壓容器用鋼。使用的常壓容器用鋼，一般要求有平爐，電爐或氧化轉(zhuǎn)爐冶煉，并應(yīng)附有鋼材生產(chǎn)單位的鋼材質(zhì)量說明書，容器制造單位應(yīng)按質(zhì)量說明書對鋼材進(jìn)行驗(yàn)收。常壓容器用鋼的使用溫度下限，除奧氏體高合金鋼，低溫低壓力工況下的容器用鋼外，均高于-20。焊接元件用鋼要求是焊接性能良好的鋼材。2.3.2 常壓容器用鋼材A鋼板 鋼板是壓力容器最常用的材料，如圓筒一般由鋼板卷焊而成，鋼板通過沖壓或旋壓制成封頭等。常壓容器常用鋼板的標(biāo)準(zhǔn)，使用狀態(tài)及許用應(yīng)力按JB/T4735的規(guī)定。除了GB150規(guī)定的所有材料都可以使用外，Q235-AF和Q235-A也可用于常壓容器。B鋼管壓力容器的接管、換熱管等

40、常用無縫鋼管制造。它們通過焊接與容器殼體、法蘭連接在一起。一般要求鋼管有較高的強(qiáng)度、塑性和良好的焊接性能。常壓容器常用鋼管的標(biāo)準(zhǔn)及許用應(yīng)力按JB/T4935的規(guī)定。另外，GB150規(guī)定的所有材料都可以用于常壓容器。C鍛件常壓容器常用鍛件的標(biāo)準(zhǔn)及許用應(yīng)力按JB/T4735的規(guī)定。另外，GB150規(guī)定的所有材料都可以用于常壓容器。D螺柱和螺母（1）常壓容器常用螺柱用鋼的標(biāo)準(zhǔn)，使用狀態(tài)及許用應(yīng)力按JB/T4735的規(guī)定。另外GB150規(guī)定的所有材料都可用于常壓容器。（2）與各螺柱用鋼組合使用的螺母用鋼的標(biāo)準(zhǔn)，使用狀態(tài)及許用應(yīng)力可按JB/T4735選用，設(shè)計(jì)者也可選用有使用經(jīng)驗(yàn)的其他螺母用鋼。3計(jì)算部

41、分3.1 U型管筒體和封頭厚度計(jì)算校核設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)壓力：管程2.5 殼程2.5設(shè)計(jì)溫度：管程操作介質(zhì) 殼程：原油，管程；循環(huán)油程數(shù)管程：2，殼程1換熱面積3500保溫材料600mm計(jì)算條件=1000 mm 鋼板負(fù)偏差腐蝕裕量=2 mm 設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力設(shè)計(jì)溫度下屈服點(diǎn) 焊接系數(shù) 在GB6654 規(guī)定，壓力容器專用鋼板偏差不大于0.25mm，因此使用標(biāo)準(zhǔn)厚底超過5mm是可取=1.5材料名稱16 3.1.2筒體和封頭厚度計(jì)算校核（1）厚度計(jì)算根據(jù)操作介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度等因素，選取筒體及封頭為筒體壁厚計(jì)算式中：設(shè)計(jì)壓力 MC壁厚附加量 mm設(shè)備內(nèi)徑 mm焊縫系數(shù)，無量綱設(shè)計(jì)溫度下材料的許用用力

42、M常溫下材料的許用應(yīng)力M計(jì)算厚度：=4.77mm設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： =0 =2有效厚度：封頭厚度換熱器封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭式中K=封頭形狀系數(shù)其他同上=1計(jì)算厚度=4mm名義厚度=10mm有效厚度=8.5mm由壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編選取=0.9mm（2）筒體，封頭的周向水壓試驗(yàn)校核內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)：=0.6M=1.251.3=1.625 M壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平 M筒體液壓試驗(yàn)滿足要求（3）封頭的壓力校核最大允許工作壓力：= =2.73 M合格3.2 管板的計(jì)算（1）管子數(shù)n 選25 2.5的無縫鋼管材質(zhì)為 管長4500mm換熱面積：= =318.8由于實(shí)際的管板布置的情況，實(shí)際管

43、子數(shù)為294根于是U型管為n=14采用正三角形排列由GB-151-1999中表12得S=32由于實(shí)際的需要取層數(shù)為16(2)管子的校核管軸向應(yīng)力：=-（- ）- = 1（25-2.5）=70.65 只有殼程設(shè)計(jì)壓力=1.3 M，殼程設(shè)計(jì)壓力=0=-（1.3-0）=-9 合格只有殼程設(shè)計(jì)壓力=0.6殼程設(shè)計(jì)壓力=0= =3.6 M合格殼程和管程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用（3）隔板槽面積鄰近隔板槽一側(cè)的排管一根數(shù)n=2=216=32=3232(44-0.86632)=1667=1.0732147+16679=115279=710R=355(4)確定管板的設(shè)計(jì)壓力=1.3 M(5)管板計(jì)算壁厚= =61mm=

44、+=64上圓整取=64(6)換熱器與管板連接的拉脫力計(jì)算及其校核 =0.06 M接GB151-1999中表26選取q合格(7)管板與殼體，觀箱的連接方式對于a型連接方式 3.3 法蘭和螺栓的計(jì)算墊片的選擇墊片材料：橡膠石棉板壓緊面形式：/a或/b尺寸：=766=733軟墊片的特性參數(shù)： 按GB150-1998中9-2取厚度：6mm 墊片系數(shù)m： 2.75 比壓力y： 25.5(1) 墊片的計(jì)算墊片的實(shí)際厚度 N=766-700=33mm按GB150表9-1確定墊片解除厚度N=66mm墊片的有效密封寬度：>66.4mm墊片的有效密封寬度： =15mm(2)螺栓的選擇材料：Q235 數(shù)量：24尺寸：M24290常用許用應(yīng)力： =97 M設(shè)計(jì)溫度下的需用應(yīng)力，由內(nèi)插法得=82.6 M螺栓載荷操作條件下的螺栓載荷= =0.785 1.3+6.287332.75151.3=247643.7=3.14by=3.1473