流量为110t、h的U型管式换热器的设计毕业设计论文.doc

摘要

2
换热器又 被叫热量交换 器，是一种 把热流体的 热量传递给冷 流体的
设备，并且实 现化工生产 过程中热量的 交换和传递 不可缺少的设 备，在
工厂中具有重要的意义。管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，
在各工业领 域中得到最为 广泛的应用 。U 型管式换 热器就是管壳 式换热
器的一种，属 石油化工设 备，由管箱、 壳体及管束 等主要部件组 成，因
其换热管成 U 形而得名 。折流板顾名思义是用来改变流体 流向的板，常
用于管壳式换 热器设计壳 程介质流道， 根据介质性 质和流量以及 换热器
大小确定折流 板的多少。 管板，就是在 圆形钢板上 钻出比管子外 径一样
略大一些的孔 ，是换热器 中起到固定管 子以及密封 介质作用的圆 钢。固
定管板换热器中常用的是 U 型膨胀节，它具有结构紧凑简单，补偿性好，
价格便宜等优点。
已知条件为：设计压力为管程 2.0MPa，壳程 1.9MPa，工作温度管程
90℃，壳程 180℃ ，设计温度管程 100 ℃，壳程 200℃ ，管程介质为水，
壳程介质为高温油。依据给定条件，查 GB15 1—1999 书第 138 页，通过
试算法获得总传热系数，所得传热面积为 73m 。考虑到介质特性、其他
因素，采用Φ25×2.5 的不锈钢的无缝钢管作换热管，本设计采用 240 根换
热 管 可 满 足 换 热 量 。 设 定 拉 杆 数 量 为 12 ， 计 算 得 到 筒 体 直 径 为
DN=700mm 。完成了压降 计算、管壁 温度、传热系 数计算等。 强度设计
中，依据 GB150 进行筒体、封头强度设计及校核，依据流量进行入口接
管、出口接管等管口直径的选择，依据等面积补强法进行开口补强计算。
本设计选择管板延长兼做法兰，依据 GB151 中的弹性支撑假设对管板进
行设计和校核 ，管板与换 热管的连接方 式为焊接， 拉杆与管板为 螺纹连
接结构。同时，进行了卧式容器鞍座校核。

我设计的 U 型管换 热器每根换 热管皆弯 成 U 形， 两端分别固 定在同
一管板上下两 区，借助于 管箱内的隔板 分成进出口 两室。此种换 热器完
全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。

关键字:
换热 器; U 形管
;
折流 板
；管板

Abstract

For
heat
exchanger
was
called
heat
exchanger
is
a kind
of
the thermal

fluid heat transfer to the cold fluid equipment, and the realization of chemical
production in the process of heat exchange and transmission of essential
equipment, in the factory has important significance. Shell and tube heat
exchanger has the advantages of high reliability and wide adaptability, and is
widely used in various industrial fields. U type tube heat exchanger is a shell
and tube heat exchanger, is a petrochemical equipment, from the tube box,
shell and tube bundles and other major components, because of its heat
transfer tube into a U shaped and named. Baffle plate as the name suggests is
used to change the flow direction of the plate, commonly used in shell and
tube heat exchanger design shell medium flow channel, according to the
nature of the medium and flow and the size of the heat exchanger to
determine the number of baffles. Tube plate, is in the circular plate drilled
than the pipe diameter as slightly larger hole is change in the heat exchanger
to pipe fixing and sealing the role of the media bar. Fixed tube sheet for heat
exchanger in commo n is U-type expansion joint, which has simp le and
comp act structure, go od compensatory and cheap price advantage.
For heat exchanger was called heat exchanger is a fluid heat transfer
heat to the cold fluid equipment and known conditions: design pressure
2.0MPa pipes, shell 1.9mpa, working temperature tube process 90 DEG C,
shell of 180 DEG C, design temperature tube process at a temperature of 100
DEG C, shell side 200 DEG C, mo nitor medium for water, shell side medium
for high temperature oil. According to the given conditions, the GB151 - 1999
book 138th pages, the total heat transfer coefficient was obtained by trial
calculation method, the heat transfer area was 73m2. Considering the medium
characteristics and other factors, the phi 25 x 2.5 stainless steel seamless steel

tube
as
heat
transfer
tube
and
the
design
the
240
tube
can
meet
the
heat

transfer. The number of
the set rod is 12,
and
the diameter
of the cylinder
is

DN=1000mm. The calculation
of the pressure drop, the wall
temperat ure and

heat
transfer
coefficient
were completed.
In
the strength
design
and
GB150

basis
for
cylinder
head
design
and
strength
check,
according
to
the flow of

inlet
takeover, outlet nozzle and orifice diameter selection, on the basis of the

area fill method to an opening reinforcement calculation. The design
selection

of pipe plate to extend
and do the flange, based on the elastic support GB151

assumption
on
the tube plate design
and check, tube plate and heat exchanger

tube
connection
for
welding,
tie
rod
and
tube
plate
for
the
threaded

connection structure. At the same time, the horizontal vessel saddle check.
I designed the U type tube heat exchanger each tube is bent into
a
U

shape,
both
ends
were fixed
in
the same tube plate
up
and
down
two
areas,

with
the tube
box
of the partitio n
into
the import
and
export
room
two. The

heat exchanger completely eliminates the thermal stress, simple structure than
the float, but the tube is not easy to clean.

Key words:
Heat exchanger ; Baffle plate ; Flange ;Tube-sheet

目
录

第一章综述
.............................................................................................. 1

1.1
1.2
换热器的发展及用途........................................................................ 1
换热器结构形式................................................................................1

1.2.1
1.2.2
换热器的零部件名称................................................................. 1
换热器的主要组合部件............................................................. 3

1.3
间壁式换热器的类型........................................................................ 4

1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
夹套换热器.................................................................................4
沉浸式蛇管换热器..................................................................... 4
喷淋式换热器............................................................................. 5
套管式换热器............................................................................. 6
列管式换热器............................................................................. 6
新型高效换热器......................................................................... 8

1.4
1.5
换热器的腐蚀原因及防腐措施......................................................11
结论................................................................................................ 12

参考文献............................................................................................... 12
第二章换热器传热工艺计算................................................................. 14
2.1 起始数据......................................................................................... 14
2.2 定性温度及确定其物性参数.......................................................... 14
2.3 热量守恒与油流量的计算.............................................................. 15
2.4 管程换热系数计算.......................................................................... 15
2.5 结构的初步设计：.......................................................................... 17
2.6 壳程换热系数计算.......................................................................... 17
2.7 传热系数计算..................................................................................18

2.8
2.9
管壁温度计算..................................................................................19
管程压降计算..................................................................................20

第三章 U 型换热器结构设计计算........................................................ 21
3.1 换热管材料及规格的选择和根数确定........................................... 21
3.2 管子的排列方式.............................................................................. 21
3.3 确定筒体直径..................................................................................21
3.4 筒体壁厚的确定.............................................................................. 22
3.5 筒体水压试验..................................................................................23
3.6 管程标准椭圆形封头厚度的计算.................................................. 23
3.7 容器法兰的选择.............................................................................. 24
3.7.1 设备法兰的选择....................................................................... 24
3.7.2 接管法兰的选择....................................................................... 25
3.8 管板的设计.....................................................................................26
3.9 管箱短节壁厚的计算..................................................................... 27
3.10 拉杆和定距管的确定................................................................... 28
3.11 折流 板的选 择............................................................................... 29
3.11.1 选型.........................................................................................29
3.11.2 折流板尺寸............................................................................. 29
3.11.3 换热管无支撑跨距或折流板间距.......................................... 29
3.11.4 折流板厚度............................................................................. 29
3.11.5 折流板直径............................................................................. 29
3.12 接管及开孔补强........................................................................... 30
3.13 分程隔板厚度选取....................................................................... 32
3.14 支座的选择及应力校核............................................................... 32
3.14.1 支座的选择............................................................................. 32

3.14.2
鞍座的应力校核..................................................................... 33

第四章结论.......................................................................................... 37
参考文献.............................................................................................. 38
致谢...................................................................................................... 40

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文
第一章
综述

第一章综述

1.1
换热器的发展及用途

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源的开发及转换利用已成为各国的
重要课题之一，而换热器是能源利用的过程中必不可少的设备，几乎一切工业领
域都要使用它，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等一些部门应用尤为广泛。
近几年由于新技术发展和新能源开发和利用，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之一，因此，无论是从工业
的发展，还是从能源的高效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有
非常重要的发展意义。
近年来随着节能技术的快速发展，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。换热器分类方式有多样形式,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型,间壁
式换热器又可分为列管式和板壳式换热器两类型,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实用经验,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都很快，新结构、
新材料的换热器不断涌现出来。
近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的严峻挑战,但由于它具有结
构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等一些优点,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的换热器,尤其在高温、高压和大型换热
设备中仍占有显著的优势。

1.2
换热器结构形式

1.2.1
换热器的零部件名称

1

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综述

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
12
U 形换热管
22
接管
3
壳体法兰
13
挡管
23
内导流筒
4
防冲板
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
U 型管式换热器

2

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综述

1.2.2
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）三部分组
成。详细分类见图 2。

图 2
主要部件的分类及代号

3

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综述

1.3
间壁式换热器的类型

换热器的分类:（1）按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸
器（2）按冷热流体热量的交换方式可分为： 混合式、蓄热式和间壁式（3）主
要内容有：1. 根据工艺的要求，选择合适的换热器类型；2. 通过有关计算选择
合适的换热器规格。

1.3.1 夹套换热器

夹套换热器(图 3) 的结构：夹套式换热器的主要用于反应过程的加热或冷却，
是在容器外壁安装夹套制成的。优点：结构比较简单。缺点：传热面受容器壁面
限制，传热系数小。 为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安 装搅
拌器。也可在釜内安装蛇管。

1.3.2
图(3)
沉浸式蛇管换热器

沉浸式蛇管换热器(图 4) 结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与
容器相适应的情况，并沉浸容器内的液体中。
优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。
缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较
小。

4

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1.3.3
图（4）
喷淋式换热器

喷淋式换热器(图 5)

图(5)
结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷
却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行
换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。
优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好
缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。
5

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综述

用途：用于冷却或冷凝管内液体。
1.3.4 套管式换热器

套管式换热器(图 6)

图(6)
结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用 U 形管
连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。
优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使
平均对 数温差最大，可增减管段数量应用方便。
缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。
用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场
合。
1.3.5 列管式换热器

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，
占据主导作用。
优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的
结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。
结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，其行程称
为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。
6

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综述

（1）固定管板式(图 7)

图(7)
1— 列管
2—膨胀节

壳体与传热管壁温度之差大于 50°C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束
之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。
特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产
生垢层和腐蚀的介质。
（2）浮头式(图 8)

1—分程板（管程隔板）
2—壳程隔板
图(8)
3—内封头（浮头）

两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因
温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消
除热应力。
特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形
式。
（3）U 型管式(图 9)

7

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1—列管
图(9)
2— 隔板

把每根管子都弯成 U 形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，
来解决热补偿问题。
特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。
1.3.6 新型高效换热器

1. 螺旋板式换热器(图 10)

8

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Ø
图(10)

2.
Ø
结构：螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺旋
状而构成的。换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆
流流动。
( 11)

板式换热器 图

9
图(11)

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综述

结构紧凑，占用空间小
很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装

空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的 1/3～1/5。
3. 板翅式换热器(图 12)

图(12)
在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体；
将各单元体进行不同的叠集和适当地排列，再用钎焊予以固定，形成逆流、并流
和错流的板翅式换热器组装件(芯部或板束) ；将带有进、出口的集流箱焊接到
板束上。
特点：传热效果更好、结构更为紧凑。
4. 热管式换热器(图 13)

10

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综述

图(13)
结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气体，充以一定量
的某种工作液体而成。当热管的一端被加热时，工作液体受热沸腾汽化，产生的
蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管
力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循环，热量则由热管
的轴向由加热端传至冷却端。

1.4
换热器的腐蚀原因及防腐措施

炼油工业中，换热器的应用十分广泛，其重要性也是显而易见的，换热设备
利用率的高低直接影响到炼油工艺的生产效率以及成本的费用等问题。据统计换
热器在化工建设中约占投资的 1/5,因此换热器的利用效率及寿命是值得研究的
重要课题。由换热器的损坏原因来看，腐蚀是一个非常重要的原因之一，而且换
热器的腐蚀是大量的普遍存在的问题，能够解决好腐蚀问题，就等于解决了换热
器损坏的根本原因。要想防止换热器的腐蚀发生，就得弄清楚腐蚀的根源问题，
换热器的腐蚀的原因有两中：1.换热器用材的选择，2.换热器的金属腐蚀

换热器几种常见的腐蚀破坏类型 1.均匀腐蚀在整个暴露于介质的表面上，或
者在较大的面积上产生的，宏观上均匀的腐蚀破坏叫均匀腐蚀。2.接触腐蚀两种
电位不同的金属或合金互相接触，并浸于电解质溶解质溶液中，它们之间就有电
流通过，电位正的金属腐蚀速度降低，电位负的金属腐蚀速度增加。3.选择性腐
蚀合金中某一元素由于腐蚀，优先进入介质的现象称为选择性腐蚀。 4.孔蚀集
11

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中在金属表面个别小点上深度较大的腐蚀称为孔蚀，或称小孔腐蚀、点蚀。5.
缝隙腐蚀在金属表面的缝隙和被覆盖的部位会产生剧烈的缝隙腐蚀。6.冲刷腐蚀
是由于介质和金属表面之间的相对运动而使腐蚀过程加速的一种腐蚀。 7.晶间
腐蚀晶间腐蚀是优先腐蚀金属或合金的晶界和晶界附近区域，而晶粒本身腐蚀比
较小的一种腐蚀。8.应力腐蚀破裂（SCC）和腐蚀疲劳 SCC 是在一定的金属一介
质体系内，由于腐蚀和拉应力的共同作用造成的材料断裂。9.氢破坏金属在电解
质溶液中，由于腐蚀、酸洗、阴极保护或电镀，可以产生因渗氢而引起的破坏。
冷却介质对金属腐蚀的影响工业上使用最多的冷却介质是各种天然水。影响金属
腐蚀的因素很多，对几种常用金属的影响：1.溶解氧水中的溶解氧是参加阴极过
程的氧化剂，因此它一般促进腐蚀。2.其他溶解气体在水中无氧时 CO2 将导致
铜和钢的腐蚀，但不促进铝的腐蚀。3.硬度一般说来，淡水的硬度增高对铜、锌、
铅和钢等金属的腐蚀减小。4.pH 值钢在 pH>11 的水中腐蚀较小，pH<7 时腐蚀增
大。5.离子的影响氯离子可以破坏不锈钢等钝化金属的表面，诱发孔蚀或 SCC。
6.垢的影响淡水中的 CaCO3 垢。CaCO3 垢层对传热不利，但是有利于防止腐蚀。

1.5
结论

计,
换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统
在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的 30% , 在炼油厂中占

全部工艺设备的 40%
左右,
海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。

对国外换热器市场的调查表明,
虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式

换热器仍占主导地位约 64%
。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,

列管式换热器已进入一个新的研究时期,
无论是换热器传热管件,
还是壳程的折

流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、
抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改
善该换热器的传热性能开展了大量的研究, 主要包括管程结构和壳程结构强化
传热的发展。

12

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文
第一章
综述

参考文献

[1]
[2]
[3]
GB 150-1998
GB 151-1999
JB/T 4737-95
《钢制压力容器》
《钢制管壳式换热器》
《椭圆形封头》.北京：机械工业出版社，1996

[4]
[5]
[6]
[7]
JB/T 4717-92 《U 型管式换热