u形管換熱器設(shè)計大學(xué)本科畢業(yè)論文

I目錄TOC\o"1-3"\h\u227981.緒論 1260601.1課題背景 1112581.2課題的目的與意義 1146991.2.1課題的目的 1167971.2.2課題的意義 1261551.3國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 253801.4換熱器的分類及特點 5304931.4.1換熱設(shè)備的應(yīng)用 5308011.4.2換熱設(shè)備分類及其特點 6251901.4.3管殼式換熱器 7138941.5換熱器相關(guān)技術(shù)發(fā)展動向 10212911.6本次設(shè)計簡介 11244822.換熱器設(shè)計計算 13191302.1筒體的計算 13271742.1.1計算條件 13294962.1.2厚度的計算 13178422.2管箱短節(jié)的計算 14230762.2.1計算條件 14149452.2.2厚度的計算 14157082.3外頭蓋短節(jié)的計算 1551242.3.1計算條件 15207882.3.2厚度的計算 15PAGEPAGEII302942.4管箱封頭的計算 16205582.4.1計算條件 1620472.4.2厚度的計算 16274062.5外頭蓋封頭的計算 17211642.5.1計算條件 1771402.5.2厚度的計算 17268052.6開孔補(bǔ)強(qiáng) 18201682.6.1殼程開孔補(bǔ)強(qiáng) 1895172.6.2管程開孔補(bǔ)強(qiáng) 20321452.7管板設(shè)計 23167302.7.1符號說明 23123072.7.2設(shè)計條件 2448242.7.3結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù) 2415802.7.4受壓原件材料及數(shù)據(jù) 2581872.7.5管板計算 25253742.8水壓試驗校核 29256492.8.1管程水壓試驗 29196982.8.2殼程水壓試驗 313.結(jié)論 3311372謝辭 3411372參考文獻(xiàn). 35PAGEPAGE331.緒論1.1課題背景隨著世界性的能源危機(jī)波及到了裝備制造業(yè)及石油化工這些耗材級耗能的大戶，以及國家節(jié)能減排長期國策的確立，作為能量回收裝備-熱交換設(shè)備的提高傳熱性能及降低耗能的研究被提高到了很重要的地位。這些研究歸納為以下幾個方面：⑴傳熱與流動研究：旨在提高傳熱及降壓計算的準(zhǔn)確性，尋求提高傳熱效率，降低壓降的途徑。這方面研究主要涉及到：物性模擬研究、分析設(shè)計研究（如溫度場，流動分布的模擬研究等）、傳熱及流動試驗和工藝計算軟件的開發(fā)等。⑵換熱設(shè)備大型化、新型熱交換設(shè)備的開發(fā)及降低耗能、節(jié)水的研究。⑶強(qiáng)化傳熱的研究：如強(qiáng)化傳熱管研究、官辦的研究（如板殼式，板空冷等）。⑷材料研究（相容性及經(jīng)濟(jì)性的結(jié)合）。⑸抗腐蝕及控制結(jié)垢的研究（設(shè)計使用壽命及保持傳熱效率）。1.2課題的目的與意義1.2.1課題的目的通過此次換熱器的設(shè)計，正確系統(tǒng)的認(rèn)識換熱器，了解換熱器的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計過程，掌握換熱器的常規(guī)設(shè)計方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，選材選型，對主要受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計算和校核，運(yùn)用AutoCAD繪制設(shè)備圖紙，同時還要學(xué)會查閱和熟練使用參考文獻(xiàn)，為以后的工作積累寶貴經(jīng)驗。1.2.2課題的意義中國既是能源消費(fèi)大國也是能源生產(chǎn)大國，但中國的能源利用率較低，國內(nèi)能源生產(chǎn)的增長速度趕不上能源消費(fèi)速度，中國已成為能源進(jìn)口大國。所以節(jié)能減排變成了當(dāng)今社會的首要目標(biāo)，這是指采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費(fèi)，有效、合理地利用能源。換熱器作為一種實現(xiàn)熱能的回收、轉(zhuǎn)化利用的節(jié)能設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備。換熱器既可以是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可以是某一工藝設(shè)備的組成部分，如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中換熱器約占全部工藝設(shè)備的40%，海水淡化工藝裝置幾乎全部是由換熱器組成的。目前，在我國石油化工產(chǎn)業(yè)中換熱器受到普遍的重視，而換熱器的廣泛應(yīng)用性，決定了換熱器換熱性能的改善，設(shè)計理論的不斷創(chuàng)新，對企業(yè)經(jīng)濟(jì)的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展都具有一定的積極作用。1.3國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢管板厚度的管殼式換熱器是一個量大而品種繁多的產(chǎn)品，按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類，由于國防工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，換熱器操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度材料。近年來，我國在發(fā)展不銹鋼，銅合金，復(fù)合材料、鋁鎂合金及碳化硅等非金屬材料等方面都有不同程度的進(jìn)展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強(qiáng)化傳熱，效果將更好，目前一些制造單位已較好的掌握了鈦材的加工制造技術(shù)。對材料的噴涂，我國已從國外引進(jìn)生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，價格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。近年來國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進(jìn)換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要，“十一五”期間我國經(jīng)濟(jì)增長保持年均7.5％的速度。而石化及鋼鐵作為支柱型產(chǎn)業(yè)，保持著快速發(fā)展的勢頭，2010年鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值超過5000億元，化工行業(yè)總產(chǎn)值突破了4000億元。這些行業(yè)的發(fā)展都為換熱器行業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。未來，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)產(chǎn)品。未來國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈。據(jù)統(tǒng)計，在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的40﹪-50﹪；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中約占30﹪-40﹪；在熱電廠中，如果把鍋爐也作為換熱設(shè)備，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70﹪；在制冷機(jī)中，蒸發(fā)器的質(zhì)量要占制冷機(jī)總質(zhì)量的30﹪-40﹪，其動力消耗約占總值的20﹪-30﹪。由此可見，換熱器的合理設(shè)計和良好運(yùn)行對企業(yè)節(jié)約資金、能源和空間都十分重要。提高換熱器傳熱性能并減小其體積，在能源日趨短缺的今天更是具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。上個世紀(jì)70年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。20世紀(jì)20年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。20世紀(jì)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、私有化比例的加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標(biāo)。能源日趨緊張、全球氣候的不斷升高和環(huán)境保護(hù)要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器帶來了日益廣闊的應(yīng)用前景。在地?zé)?、太陽能、核能、余熱回收、風(fēng)能的利用上，各國政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都加大了投入資金力度，在未來幾年內(nèi)換熱器技術(shù)會有很大的發(fā)展空間。新的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》提出壓力容器應(yīng)優(yōu)先推薦采用HG20592～HG20614（歐洲體系）以及HG20615—HG20635（美洲體系）管法蘭、墊片緊固件標(biāo)準(zhǔn)，這樣兩套體系配用的鋼管系列除了國際通用系列（俗稱英制管）外，結(jié)合國情，歐洲體系也適用于國內(nèi)沿用系列（俗稱公制管）。在國外，主要是各大型的傳熱研究公司在從事?lián)Q熱器的研究與推廣應(yīng)用。美國傳熱研究公司HTRI(HeatTransferResearchInc.)是1962年發(fā)起組建的一個國際性、非贏利的合作研究機(jī)構(gòu)，會員數(shù)百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，積累了換熱器設(shè)計的豐富經(jīng)驗，在傳熱機(jī)理、兩相流，振動、污垢、模擬及測試技術(shù)等方面做出了巨大貢獻(xiàn)。近年來，該公司在計算機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計軟件計算精度準(zhǔn)確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。目前國內(nèi)有近20家學(xué)院成為HTRI的會員。英國傳熱及流體服務(wù)中心HTFS(HeatTransferandFluidFlowService)于1967年成立，隸屬于英國原子能管理局。該中心有會員數(shù)百家，長期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經(jīng)驗和研究成果不僅廣泛用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。它最大的特點是與各大學(xué)和企業(yè)合作，進(jìn)行專門的課題研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計算上更精確，開發(fā)的HTFS和TASC各類換熱器微機(jī)計算軟件備受歡迎，國內(nèi)有30多家企業(yè)成為其會員。國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和高等院校的研究成果也不斷推陳出新，在強(qiáng)化傳熱元件方面華南理工大學(xué)相繼開發(fā)出表面多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等；天津大學(xué)在流路分析法、振動等方面研究成果顯著；清華大學(xué)在板片傳熱方面有深入的研究；西安交大在板翅式換熱器研究方面已取得初步成果；重慶建工學(xué)院開發(fā)出翅管換熱器；在強(qiáng)度計算軟件方面化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站開發(fā)出了SW6；在液壓脹管方面江蘇化工學(xué)院開發(fā)出液壓脹管器；以換熱器起家的蘭州石油機(jī)械研究所率先開發(fā)出板式換熱器、板式冷凝器、板式蒸發(fā)器，螺旋板換熱器、板殼式換熱器、螺紋管換熱器、折流桿換熱器、外導(dǎo)流筒換熱器、高效重沸器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、Ω環(huán)高壓換熱器、表面蒸發(fā)空冷器、板式空冷器等一批具有實用價值的系列高效換熱器，近年來又在強(qiáng)度計算軟件方面開發(fā)出LansysPV，在CAD軟件上開發(fā)出浮頭式換熱器LansysHF、U形管式換熱器LansysHU等系列CAD軟件，含標(biāo)準(zhǔn)圖2000余套；中國石化工程建設(shè)公司與蘭州石油化工機(jī)器廠聯(lián)合開發(fā)出螺紋鎖緊環(huán)換熱器；西安交通大學(xué)、蘭州第五化工設(shè)計院、寧夏化工廠合作開發(fā)出螺旋繞管式換熱器。這些技術(shù)成果為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為中國煉油和化工工業(yè)的發(fā)展起到了決定作用，也使中國的傳熱技術(shù)水平步入國際先進(jìn)水平。隨著企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)要求的不斷進(jìn)步，換熱器制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思想與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的發(fā)展方向。1.4換熱器的分類及特點1.4.1換熱設(shè)備的應(yīng)用用于在兩種或兩種以上流體間、一種流體一種固體間、固體粒子間或者熱接觸且具有不同溫度的同一種流體間的熱量（或焓）傳遞的裝置稱為換熱設(shè)備。+它是化工、煉油、食品、輕工、能源、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(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%。近20年來，換熱設(shè)備在能量儲存、轉(zhuǎn)化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝過程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低品位熱能的有效裝置。例如，煙道氣（約200～300℃）、高爐爐氣（約1500℃）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣（300～1000℃）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。1.4.2換熱設(shè)備分類及其特點在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式的結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。按熱傳遞原理或傳熱方式分類：⑴直接接觸式換熱器這類換熱器又稱混合式換熱器。它是利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱的換熱器。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，已達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等有點，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。⑵蓄熱式換熱器這類換熱器又稱回?zé)崾綋Q熱器。它是借助于由固體（如固體填料或多孔性格子磚等）構(gòu)成蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許有混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單位體積傳熱面大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器就是一種蓄熱式換熱器。⑶間壁式換熱器這類換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。⑷中間載熱體式換熱器這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中釋放熱量，如熱管式換熱器。1.4.3管殼式換熱器管殼式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。管殼式換熱器又稱為列管式換熱器，是最典型的間壁式換熱器。優(yōu)點：單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。管殼式換熱器，按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器，按結(jié)構(gòu)分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1～500m2，可根據(jù)用戶需要定制。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。管殼式換熱器種類很多，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點主要有以下幾種：固定式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器、填料函式換熱器和釜式重沸器五類。⑴固定管板式換熱器固定管板式換熱器的管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換；缺點是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。⑵浮頭式換熱器浮頭式換熱器兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的優(yōu)點是管間和管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。⑶U形管式換熱器這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成。管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形管換熱器有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于受彎管曲率半徑的限制，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，管程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄露損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死。兒壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報廢率較高。U形管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜，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或固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的物料。⑷填料函式換熱器這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分留在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產(chǎn)生殼壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)，管間都能進(jìn)行清洗，維修方便。因填料處易產(chǎn)生泄露，填料函式換熱器一般適用于4MPa以下的工作條件，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。⑸釜式重沸器這種換熱器的管束可以為浮頭式，U形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)所以它具有浮頭式，U形管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸汽品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸汽品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以小些。此種換熱器與浮頭式、U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。1.5換熱器相關(guān)技術(shù)發(fā)展動向換熱器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面。⑴防腐技術(shù)的應(yīng)用近年來，在換熱器防腐蝕領(lǐng)域的研究和設(shè)計方面取得了較為顯著的成果，如陽極保護(hù)技術(shù)的開發(fā)和新型防腐蝕材料的應(yīng)用等。⑵大型化與微小型化并重隨著成套裝置的大型化，換熱器向大型化發(fā)展，同時由于微電子、航天航空、醫(yī)療、化學(xué)生物工程、材料科學(xué)等場合的特殊要求而向微小型化發(fā)展。大型化換熱器直徑超過5m。微小型換熱器與普通換熱器相比，其主要特點在于單位體積內(nèi)的傳熱面積很大，比普通換熱器要高1～2個數(shù)量級。⑶強(qiáng)化技術(shù)各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電廠動力效應(yīng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)、添加物強(qiáng)化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強(qiáng)化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)、微生物傳熱技術(shù)、磁場動力傳熱技術(shù)、納米流體傳熱技術(shù)等將得到研究和發(fā)展。⑷抗振技術(shù)由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益增大，換熱器的尺寸也越來越大，因流體誘導(dǎo)振動所造成的破壞事故顯著增多。目前，已出現(xiàn)多種應(yīng)用新型殼程支承結(jié)構(gòu)和其他的抗振方法的新型換熱器，它們在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用，大大延長了換熱器的使用壽命。⑸防結(jié)垢技術(shù)結(jié)垢不僅造成換熱器傳熱效率的降低和輸送動力的增加，而且大大減少有效傳熱面積和增大材料的浪費(fèi)，甚至于使換熱器發(fā)生堵塞失效。隨著結(jié)垢機(jī)理的研究，防止結(jié)垢的方法也獲得了發(fā)展，如采用表面涂層或特殊表面形狀、管內(nèi)彈簧插入物或清洗球等在線除垢、聲波除垢、使用除垢劑以及改變流道結(jié)構(gòu)等技術(shù)方法均得到了一定的工業(yè)運(yùn)用。⑹先進(jìn)制造技術(shù)制造技術(shù)的進(jìn)步主要表現(xiàn)在各種強(qiáng)化管加工工藝的日漸成熟和新材料焊接工藝水平的提高。許多心才來哦在換熱器設(shè)計中的應(yīng)用帶來了焊接工藝的進(jìn)步，進(jìn)一步推動了新型材料換熱器的發(fā)展。⑺研究手段隨著計算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展和計算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步，以及大型商業(yè)化CFD軟件的日漸成熟，通過計算機(jī)程序來對復(fù)雜的流體流動現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真已成可能。當(dāng)前用CFD方法對換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬已成為新型換熱器開發(fā)研究的一種重要手段，CFD方法已成為性能檢驗和性能評價的有效方法之一。隨著工業(yè)中經(jīng)濟(jì)效益與社會中環(huán)境保護(hù)的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方向發(fā)展。1.6本次設(shè)計簡介本次設(shè)計的U形管式換熱器，其主要是由筒體、封頭、管箱、管板、換熱管、折流板和法蘭等組成。U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。此類換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。缺點是管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)清潔及不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。此次的設(shè)計要求為：殼程：設(shè)計壓力5.9MPa，設(shè)計溫度230℃，介質(zhì)為液氨/嗎啉/氫氣；管程：設(shè)計壓力5.9MPa，設(shè)計溫度260℃，介質(zhì)為液氨/二甘醇；內(nèi)徑：Di=600mm；用材料：OCr18Ni10Ti；鋼板負(fù)偏差：C1=0.3mm；鋼板腐蝕裕量：C2=0.5mm；焊接接頭系數(shù)：Φ=1.0；換熱面積為54㎡。2換熱器設(shè)計計算2.1筒體的計算2.1.1計算條件殼程：設(shè)計壓力5.9MPa設(shè)計溫度230℃介質(zhì)液氨/嗎啉/氫氣管程：設(shè)計壓力5.9MPa設(shè)計溫度260℃介質(zhì)液氨/二甘醇內(nèi)徑：Di=600mm選用材料：OCr18Ni10Ti鋼板負(fù)偏差：C1=0.3mm鋼板腐蝕裕量：C2=0.5mm焊接接頭系數(shù)：=1.0換熱面積：54㎡由GB150-2011查得，ORc18Ni10Ti在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力MPa試驗溫度下的屈服點s=205MPa2.1.2厚度的計算計算厚度 設(shè)計厚度名義厚度有效厚度2.2管箱短節(jié)的計算2.2.1計算條件計算壓力PC=5.9MPa設(shè)計溫度t=260℃內(nèi)徑選用的材料ORc18Ni10Ti鋼板負(fù)偏差鋼板的腐蝕余量操作溫度下的許用應(yīng)力設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力試驗溫度下的屈服點焊接系數(shù)Φ=12.2.2厚度的計算 2.3外頭蓋短節(jié)的計算2.3.1計算條件計算壓力PC=5.9MPa設(shè)計溫度t=260℃內(nèi)徑選用的材料ORc18Ni10Ti鋼板負(fù)偏差鋼板的腐蝕余量操作溫度下的許用應(yīng)力設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力試驗溫度下的屈服點焊接系數(shù)Φ=12.3.2厚度的計算2.4管箱封頭的計算2.4.1計算條件計算壓力PC=5.9MPa設(shè)計溫度t=260℃內(nèi)徑選用的材料ORc18Ni10Ti鋼板負(fù)偏差鋼板的腐蝕余量操作溫度下的許用應(yīng)力設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力試驗溫度下的屈服點焊接系數(shù)Φ=12.4.2厚度的計算本設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭K=1 2.5外頭蓋封頭的計算2.5.1計算條件計算壓力PC=5.9MPa設(shè)計溫度t=260℃內(nèi)徑選用的材料OCr18Ni10Ti鋼板負(fù)偏差鋼板的腐蝕裕量操作溫度下的許用應(yīng)力設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力試驗溫度下的屈服點焊接系數(shù)Φ=12.5.2厚度的計算本設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭K=1 2.6開孔補(bǔ)強(qiáng)2.6.1殼程開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計壓力P=5.9MPa設(shè)計溫度t=230℃接管規(guī)格Φ57×9的無縫接管筒體厚度=21.2mm厚度附加量（由GB8163查得）鋼板的腐蝕裕量焊接系數(shù)Φ=1筒體材料OCr18Ni10Ti由GB150-2011查得其設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力接管材料00Cr17Ni14Mo2由GB150-2011查得其設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力開孔直徑強(qiáng)度消弱系數(shù)接管有效厚度開孔需補(bǔ)強(qiáng)面積有效寬度取兩者較大值外側(cè)有效高度接管實際外伸高度取兩者較小值內(nèi)側(cè)有效高度接管實際內(nèi)伸高度取兩者較小值接管的計算厚度焊縫金屬橫截面積（取焊腳為10mm）另加補(bǔ)強(qiáng)面積2.6.2管程開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計壓力P=5.9MPa設(shè)計溫度t=260℃接管規(guī)格Φ25×2.0的無縫接管管體厚度=21.2mm厚度附加量（由GB8163查得）鋼板的腐蝕裕量焊接系數(shù)Φ=1管體材料OCr18Ni10Ti由GB150-2011查得其設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力接管材料00Cr17Ni14Mo2由GB150-2011查得其設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力開孔直徑強(qiáng)度消弱系數(shù)接管有效厚度開孔需補(bǔ)強(qiáng)面積有效寬度取兩者較大值外側(cè)有效高度接管實際外伸高度取兩者較小值內(nèi)側(cè)有效高度接管實際內(nèi)伸高度取兩者較小值接管的計算厚度焊縫金屬橫截面積（取焊腳為10mm）另加補(bǔ)強(qiáng)面積2.7管板設(shè)計2.7.1符號說明：未能被換熱管支撐的面積，；：管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積，；：管板布管區(qū)面積，；a：一根換熱管管壁金屬的橫截面積，；：固定端管板墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；D：換熱管直徑，mm；：設(shè)計溫度時管板材料彈性模量，MPa；：設(shè)計溫度時換熱管材料彈性模量，MPa；：管束模量，MPa；：管束無量綱剛度；L：換熱管有效長度，mm；L：換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，mm；n：換熱管根數(shù)；：沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)；：無量綱壓力；：當(dāng)量壓力組合，MPa；：管板設(shè)計壓力，MPa；：殼程設(shè)計壓力，MPa；：管程設(shè)計壓力，MPa；q：換熱管與管板連接拉脫力，MPa；：許用拉脫力，MPa;S：換熱管中心距，mm；Sn：隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm；δ：管板設(shè)計厚度，mm；：換熱管管壁厚度，mm；pr—布管區(qū)當(dāng)量直徑D：與直徑2R之比；η：管板剛度消弱系數(shù)；μ：管板強(qiáng)度消弱系數(shù)；：換熱管軸向應(yīng)力，MPa；：換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力，MPa；：設(shè)計溫度時，管板材料的許用應(yīng)力，MPa；：設(shè)計溫度時，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa。2.7.2設(shè)計條件管程：操作壓力5.5，設(shè)計壓力5.9，設(shè)計溫度260℃，程數(shù)4；殼程：操作壓力5.5，設(shè)計壓力5.9，設(shè)計溫度230℃，程數(shù)1；腐蝕裕量0.5焊接接頭系數(shù)12.7.3結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)管程與管程、殼程圓筒之間的連接方式為a型換熱器公稱直徑DN600，即；換熱管規(guī)格，；換熱管排管根數(shù)n=90；換熱管為轉(zhuǎn)角正方形排列，管心距S=32；換熱管與管板的連接形式：強(qiáng)度焊加貼脹；管板分程隔板槽深5mm；管箱法蘭采用JB4703-1992；墊片采用JB/T4718-1992，金屬包墊片；墊片尺寸，；法蘭墊片接觸面外徑；墊片接觸面寬度N=（663-625）/2=19mm；基本密封寬度，查GB150-2011表7-1，。2.7.4受壓原件材料及數(shù)據(jù)以下數(shù)據(jù)查自GB150-2011圓筒材料：OCr18Ni10Ti查表4-1,230℃設(shè)計溫度下許用應(yīng)力=89MPa換熱管材料：00Cr17Ni14Mn2查表4-3,230℃設(shè)計溫度下許用應(yīng)力=99MPa管板材料：OCr18Ni10Ti查表4-1,260℃設(shè)計溫度下許用應(yīng)力=92.4MPa法蘭材料：OCr18Ni10Ti螺柱材料：40MnVB2.7.5管板計算⑴計算，，，，，墊片壓緊力作用中心圓直徑當(dāng)>6.4mm時，沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積n=90，則管板布管區(qū)面積一根換熱管管壁金屬的橫截面積a查GB151-1999附錄J表J1得a=144.51管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑之比對于a型連接2R=系數(shù)，按查GB151-1999表22得：=0.2655⑵確定管板設(shè)計壓力不能保證與在任何情況下都同時作用，并兩側(cè)均為正壓時，取兩者中的大者。管板計算厚度⑶換熱管軸向應(yīng)力一般情況下，應(yīng)按下列三種工況分別計算換熱管的軸向力a）只有殼程設(shè)計壓力,管程設(shè)計壓力=0時，符合要求。b）只有管程設(shè)計壓力，殼程設(shè)計壓力=0時，符合要求。c）殼程設(shè)計壓力和管程設(shè)計壓力同時作用時，符合要求。⑷換熱管與管板連接拉脫力換熱管與管板連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹。：取換熱管軸向應(yīng)力三種工況絕對值最大值：換熱管與管板焊腳高度換熱管與管板