U型管换热器设计项目说明指导书.doc

吉林化工学院

《过程设备设计》课程设计
换热器设计-U型管式

专业：过程装备和控制工程
姓名：黄少华
学号：05420338
指导老师：张志文

12月15～25日

摘要

本文扼要介绍了U型管换热器特点及在工业中应用和发展前景，具体叙述了U型管式换热器结构及强度设计计算及制造、检修和维护。
参考GB151-1999及换热器设计手册，综合考虑多种原因，结构设计需要选择适用合理、经济结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算内容包含换热器材料，确定关键结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，依据设计压力确定壁厚，使换热器有足够腐蚀裕度，从而使设计结果达成最优化组合。
设计结果满足用户要求，安全性和经济性及环境保护要求均合格。

关键词：换热器、U型管式、结构设计、强度设计

目 录

摘要 - Ⅰ -
第一章 绪论 1
第二章 U型管换热器特点 2
第三章 结构设计 3
3.1 管箱设计 3
3.3 封头设计 4
3.4 管板设计 5
3.5 拉杆和定距管确实定 7
3.7 旁路挡板设计 8
3.8 容器法兰设计 8
3.9 选择支座 9

第四章 强度校核 9
4.1 管箱筒体计算 9
4.1.1计算条件： 9
4.1.2厚度及重量计算 9
4.1.3压力试验时应力校核 10
4.1.4压力及应力计算 10
4.2 壳程圆筒计算 10
4.2.1计算条件 10
4.2.2厚度及重量计算 11
4.2.3压力试验时应力校核 11
4.2.4压力及应力计算 11
4.3 开孔补强计算 11
4.3.1计算条件 11
4.3.2开孔补强计算 12
4.3.3设计条件 12
4.3.4开孔补强计算 13
4.4管板和法兰强度计算 13
4.5仅有壳程压力作用下危险组合工况 15
4.6仅有管程压力作用下危险组合工况 17
第五章 换热器制造、检验、安装和维修 18
5.1 换热器制造、检验和验收 18
5.1.1筒体 18
5.1.2 换热管 18
5.1.3管板 18
5.1.4 折流板、支持板 18
5.1.5 管束组装 18
5.1.6换热器组装 19
5.1.7 压力试验 19
5.2 换热器安装和维护 19
5.2.1安装 19
5.2.3 维护 19
结束语 20
参考文件 21

第一章 绪论

在不一样温度流体间传输热能装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中最少要有两种温度不一样流体，一个流体温度高，放热；另一个流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参与换热换热器，但其基础原理和前一致。
化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用多种换热器，它们是上述这些行业通用设备，占有十分关键地位。伴随工业快速发展，能源消耗量不停增加，能源担心已成为一个世界性问题。为缓解能源担心情况，世界各国竞相采取节能方法，大力发展节能技术，已成为目前工业生产和人民生活中一个关键课题。换热器在节能技术改造中含有很关键作用，表现在两方面：一是在生产工艺步骤中使用着大量换热器，提升这些换热器效率，显然能够降低能源消耗；其次，用换热器往返收工业余热，能够显著地提升设备热效率。
此次课程设计内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包含热力设计、流动设计、结构设计和强度设计。其中以结构设计最为关键, U型管式换热器只有一个管板，管程最少为两程，管束能够抽出清洗，管子能够自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列管子少。对于列管式换热器，通常要依据换热流体腐蚀性及其它特征来选择结构和材料，依据材料加工性能，流体压力和温度。换热器管程和壳程温度差，换热器热负荷，检修清洗要求等原因决定采取哪一类列管式换热器。
因为我们水平和能力有限，设计时间仓促，存在不妥之处于所难免，恳请老师给批评指正。

第二章 U型管换热器特点

U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器优点是：管束能够自由伸缩，不会因为管壳之间温差而产生热应力，热赔偿性能好；管程为双管程，步骤较长，流速较高，传热性能很好；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，造价廉价。
缺点：管内清洗不便，管束中间部分管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分部管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。另外，为了填补弯管后管壁减薄，直管部分必需用壁较厚管子。这就影响了其适用场所，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不易结垢，高温、高压、腐蚀性强场所。

第三章 结构设计

3.1 管箱设计
3.1.1管箱短节
a 材料：因为管程走循环水，对管箱来说，要求不高，腐蚀性极低，所以选其材料为20R板材。
b 加工：采取20R钢板卷制，使用氩弧打底单向焊焊接。
c 尺寸：依据GB151-1999表8中低合金钢圆筒最小厚度要求公称直径DN=1000～1500时，U型管换热器筒体最小厚度为12，即=12依据GB151-89要求，短节长度L≥300，取L=500所以短节尺寸DN=1300，=12mm L=500。
3.1.2分程隔板

a 材料 ：选择Q235-A板材，许用应力。
b 尺寸：依据GB151-1999表6中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度要求：当DN=600～1200时，最小厚度为4.5,取=12。分程隔板长度L同管箱深度。
c 为了使换热器在停车时将水排净，要在分程隔板上开设一个排净孔或三角口。
d 隔板应连续焊在管箱壁上。
3.1.3管箱深度
a 依据图2—1得管箱深度L=866。
b 依据钢制U型管换热器结构手册P165得换热器管箱最小长度
其中
——换热管内径。
——各相邻管程间分程处物料流通最小宽度。
依据钢制U型管换热器结构手册P167表4-37选择E=1300。
h——封头内曲面高度。
S——封头厚度。
c 管箱最大长度
依据钢制U型管换热器结构手册P169中图4—38管箱最大长度，依据钢制U型管换热器结构手册P168：在设计中假如管箱长度不能满足，对最小长度和要求，则应满足最小长度=365要求来确定管箱长度，为此，取L=700。
3.2 圆筒设计
a 材料：因为工作介质为丙烯，苯为易燃，中度危害介质，和容器使用条件，总和经济性等选材为16MnR.
b 加工和尺寸： 设计温度 T=265，设计压力 Pc=1.88Mpa,双面焊对接接头 0.85.
公称直径 DN=800mm钢板负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=3mm.
由设计公式
取厚度为12mm。 筒体长度l=5975mm.
因为筒体公称直径DN=800mm>400mm,所以采取板材卷制而成，查换热器设计手册表1-6-5得 筒体总重量为 240x5975x0.001=1434kg.
3.3 封头设计
3.2.1 受内压封头计算：
选择标准椭圆形封头，DN=800 材料：16MnR

负偏差c=0.00 腐蚀余量c=3.00

取 封头总重 71.5kg.
3.2.2受外压封头计算：
选择标准椭圆形封头，DN=800 材料16MnR
假设名义厚度 负偏差c=0.00 腐蚀余量c=3
有效厚度=12-0-3=9
当量球壳外半径
则
查GB150-1998图6—3 E=2.0×10
[P]= 故=12适宜。
椭圆封头简图：

（1）椭圆封头
3.4 管板设计
材料：选择16MnR,其许用应力
（1）管板和换热器连接型式：要求管板和换热器连接接头严密不漏，管壳程介质不能接触，且有很高腐蚀危险，同时因为胀接是不连续，管子和管孔间间隙会成为腐蚀起点，则管板和换热器采取焊接形式。
（2）管板最小厚度
a 布管：
管子材料：选择材料16MnR作为换热器。
本设计选择464根换热管，由GB151-1999中知管子排列形式分为四种：三角形、转角三角形、正方形、转角正方形排列。设计U型管换热器换热管外径为25，壳程需用机械清洗时不采取三角形排列，所以选择正方形旋转形排列形式。
由换热器手册表1-6-16得外径为25mm换热管，当用转置正方形排列时，其换热管分程板槽两侧相邻管中心距应为32mmx32mm正方形对角线长，即Sn=45.255mm.
b 管孔：由GB151-1999表17得换热管和管孔直径许可偏差为：换热管：管孔 。
c 换热器中心距及分程隔板槽两侧相邻管中心距
①因为分程隔板厚度为14，为此我们取管板上分程隔板槽深为4，宽为12。
管板分程隔板槽示意图：

（2）管板分程隔板槽
d 布管限定圆
依据表1-6-17布管限定圆有且大于10得 所以取
即
其中：d——管板计算厚度
——U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁最短距离
Di——换热器筒体内直径。
布管限定圆示意图：

（3）布管限定圆示意图
e.管板计算
①管板计算厚度：
其中：d——管板计算厚度
——垫片压紧力作用中心圆直径
——管板设计压力 依据《锅炉压力容器法规》取两值中较大值

——管板强度消弱系数
——设计温度下管板材料许用应力
即
②据（7-556）：管板厚度应小于下列三者之和
1）管板计算厚度
2）壳程腐蚀余量或结构开槽深度取大者
3）管程腐蚀余量或分程隔板开槽深度取大者
由前面知：
1）管板计算厚度
2）壳程腐蚀余量，开槽深度 ，所以管板厚度： 取
3.5 拉杆和定距管确实定
a 拉杆
①拉杆结构形式：拉杆定距管结构，适适用于换热管外径大于或等于19mm管束。
下图为拉杆定距管结构：

（4）拉杆定距管结构
②拉杆直径和数量
由GB151-1999表43选择拉杆直径d=16mm，筒体内径为800时，拉杆数目n=6。
尺寸以下图：

（5）拉杆尺寸图
③拉杆部署
拉杆应尽可能均匀部署在管束边缘外侧，这么可降低轻流体冲击带来振动，预防管束损坏。
b 定距管
定距管采取换热器切向间距和折流板间距相同管段套在拉杆上，一端固定在管板上，另一端用螺母拧紧国定，用来固定折流板，预防移动。
尺寸：同换热器尺寸相同，长度如组件图ZB0604-2 材料选择20。
3.6 折流板设计
折流板结构设计关键依据工艺过程和要求来确定，其设置关键目标是为了增加管间流速，提升传热效果。
折流板关键形式：弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计采取圆缺形单缺边折流板。
材料：为保持物料清洁，选择Q235-A板材制作折流板，许用应力：。
折流板尺寸：
折流板缺边位置尺寸：切去部分高度通常取

折流板间距：
①最小板间距：取壳体内径或50中较大值。本设计取50。
②最大板间距：折流板最大间距应保持换热管无支承长度。用作折流时，其值应大于壳体内径。本设计取1900。
折流板厚度：折流板厚度和壳体直径换热管无支承长度相关。本设计取16。
3.7 旁路挡板设计
a 旁路挡板数目：由[7]—P600知：当公称直径DN=700～1000时，采取两对挡板。
b 材料：选择Q235-A板材
c 尺寸及安装形式：
查文件[7]—P600知：旁路挡板厚度通常取和折流板相同厚度，旁路挡板嵌入折流板槽，并和折流板焊死。
3.8 容器法兰设计

a 法兰形式：依据本设计使用介质、设计压力、设计温度、公称直径确定。法兰结构形式为对焊法兰，法兰密封面形式为凹凸面，材料选择16MnR。许用压力。
b 法兰选择：
管法兰：HG5001～5028-58
设备法兰：JB1157～1164-82
拉管法兰：HG5001～5028-58
管箱上设备法兰：本设计选择JB1158-82甲型平焊法兰
3.9 选择支座
卧式换热器采取固定型和滑动型鞍式支座各一个，鞍式支座是固定卧式容器中支座形式，根据鞍式支座标准。我们选择BI1300-S和BI1300-F支座，材料为Q235-A.F,垫板材料为16MnR板材，各部分尺寸以下所表示：
图为B型鞍式支座：

（6）鞍式支座

第四章 强度校核

4.1 管箱筒体计算
4.1.1计算条件：
计算压力：
设计温度：t=265.00℃
内径：
材料：16MnR板材
试验温度许用应力
设计温度许用应力
试验温度下屈服点
钢板负偏差
腐蚀裕量
焊接接头系数
4.1.2厚度及重量计算
计算厚度：
有效厚度：
名义厚度：
重量为194.13kg
4.1.3压力试验时应力校核
压力试验类型：液压试验
试验压力值：
压力试验许可经过应力水平：
试验压力下圆筒应力：
因为 所以校核结果合格
4.1.4压力及应力计算
最大许可工作压力：
设计温度下计算应力：

因为 所以结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中要求最小厚度11.00 合格。
4.2 壳程圆筒计算
4.2.1计算条件
计算压力
设计温度t=265.00℃
内径：
材料：16MnR板材
试验温度许用应力：
设计温度许用应力：
试验温度下屈服点：
钢板负偏差：
腐蚀裕量：
焊接接头系数：
4.2.2厚度及重量计算
计算厚度：
有效厚度：
名义厚度：
重量：1434kg
4.2.3压力试验时应力校核
压力试验类型：液压试验
试验压力值：
压力试验许可经过应力水平：
试验压力下圆筒应力：
因为 所以校核结果合格。
4.2.4压力及应力计算
最大许可工作压力：
设计温度下计算应力：

因为 所以结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中要求最小厚度11.00 合格。
4.3 开孔补强计算
接管：A
4.3.1计算条件
计算压力：
设计温度：t=70℃
壳体形式：圆形筒体
壳体材料名称及类型：16MnR板材
壳体开孔处焊接接头系数：
壳体内直径：
壳体开孔处名义厚度：
壳体厚度负偏差：
壳体腐蚀裕量：
壳体材料许用应力：
接管实际外伸长度：200
接管实际内伸长度：0
接管焊接接头系数：1
接管腐蚀裕量：2
接管厚度负偏差：
接管材料许用应力：
4.3.2开孔补强计算
壳体计算厚度：
接管计算厚度：
接管材料强度减弱系数：
开孔直径：
补强区有效宽度：
接管有效外伸长度：
接管有效内伸长度：
开孔减弱所需补强面积：
壳体多出金属面积：
接管多出金属面积：
补强区内焊缝面积：
因为，大于，所以不需要另加补强。结论：补强满足要求，不需要另加补强。
接管：B
4.3.3设计条件
计算压力：
计算温度：60℃
接管实际外伸长度：200
接管实际内伸长度：0
接管焊接接头系数：1
接管腐蚀裕量：2
接管厚度负偏差：
接管材料许用应力：
4.3.4开孔补强计算
壳体计算厚度：
接管计算厚度：
接管材料强度减弱系数：
开孔直径：
补强区有效宽度：
接管有效外伸长度：
接管有效内伸长度：
开孔减弱所需补强面积：
壳体多出金属面积：
接管多出金属面积：
补强区内焊缝面积：
因为大于A，所以不需另加补强。结论：补强满足要求，不需另加补强。
4.4管板和法兰强度计算
1.管板：
材料名称：16MnR
设计温度：
设计温度下许用应力：
设计温度下弹性模量：
管板腐蚀裕量：
管板输入厚度：
管板计算厚度：
隔板槽面积：
管板强度减弱系数：
管板刚度减弱系数：
管子加强系数：
管板和管子连接型式：焊接
管板和管子焊接高度：
焊接许用拉脱应力：
2.壳体法兰：
材料名称：16Mn
壳体法兰厚度：
法兰外径：
法兰宽度：
比值：
比值：
系数：
系数：
旋转刚度：

3.系数计算：
法兰外径和内径之比：
壳体法兰应力系数Y：按k查GB150-1998表9-5得16.73
旋转刚度无量纲参数：
管板第一弯矩系数：按
系数：
系数：按查GB151-1998图29得
换热管束和不带膨胀节壳刚度之比：
管板第二弯矩系数：按K，Q查GB151-1999图28（a）得
系数：
系数：按K，Q查图30得
法兰力矩折减系数：
管板边缘力矩改变系数：
法兰力矩改变系数：
4.5仅有壳程压力作用下危险组合工况
1.基础法兰力矩系数：
不计温差应力：
计温差应力：
2.壳体法兰力矩系数：
不计温差应力：
计温差应力：
3.壳体法兰应力：
不计温差应力：
计算值
许用值
计温差应力：
计算值
许用值
4.换热管和管板连接拉脱应力：
不计温差应力：
计算值
许用值
计温差应力：
计算值
许用值
4.6仅有管程压力作用下危险组合工况
1.壳体法兰力矩系数：
不计温差应力：
计温差应力：
2.壳体法兰应力：
不计温差应力：

计算值
许用值
计温差应力：
计算值
许用值
3.换热管和管板连接拉脱应力：
不计温差应力：
计算值
许用值
计温差应力：
计算值
许用值 3
计算结果：管板名义厚度 管板校核经过。

第五章 换热器制造、检验、安装和维修

5.1 换热器制造、检验和验收
换热器制造、检验和验收，应遵守GB151-1999和GB150-1998相关要求。
5.1.1筒体
a 圆筒内直径许可偏差：用板材卷制时，内直径许可偏差可经过外圆周长加以控制，其外圆周长许可上偏差为10mm，下偏差为0。
b 圆筒同一断面上，最大直径和最小直径之差为e≤0.5%DN，DN=0.5%×1100=5.5mm
c 圆筒直线度偏差为L/1000，且当L≤6000mm时，其值小于4.5mm。L=6000mm 所以直线度许可偏差4.5mm。进行检验时，应经过中心线和垂直面即沿圆周0°、90°、180°、270°四个部位测量。
d 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出焊缝均应磨至和母材表面齐平。
e 插入式接管不应伸出管箱、壳体和头盖内表面。
5.1.2 换热管
a 换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应大于管外径，且大于25mm。
b 管端坡口应采取机械方法加工，焊前应清洗洁净。
5.1.3管板
a 管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超出此值，应优异行校平，然后进行加工。
b 拼接管板对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于Ⅲ级，或超声检测中Ⅰ级为合格。
c 换热管和管板连接：二者采取焊接形式连接，连接部位换热管和管板孔表面，应清理洁净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁焊瘤均应清除。
d 管板和换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值≤25µm。
5.1.4 折流板、支持板
a 折流板、支持板管孔直径及许可误差按GB151-1999中5.9.3要求为：19.6，但许可超差0.1mm管孔数不得超出4%。
b 折流板、支持板外圆表面粗糙度Ra值不得大于25µm，外圆面两侧尖角应倒钝。还应取出折流板、支持板上任何毛刺。
5.1.5 管束组装
a 拉杆上螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。
b 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。
c 除换热管和管板间以焊接连接外，其它任何零件均不准和换热管相焊。
d 管箱应在补焊后作消除应力热处理，设备法兰应在热处理后加工。
e 换热器密封面应给予保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等二损坏密封面。
5.1.6换热器组装
a 换热器零、部件在组装前应认真检验和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其它杂物等。
b 吊装管束时，应预防管束变形和损伤换热管。
c 螺栓紧固最少应分三遍进行，每遍起点应相互错开120°角。
5.1.7 压力试验
压力试验方法及要求应符合GB150-1998《钢制压力容器》第十章10.9要求。
U型管换热气压力试验次序：先用试验压环进行壳程试验，同时检验接头，水压试验压力1Mpa（表压）在进行壳程试验，合格后，再以0.105（表压）进行气密性试验。
5.2 换热器安装和维护
5.2.1安装
1.安装位置：依据该换热器结构形式，在换热器两端留有足够空间来满足拆装、维修需要。
2.基础：必需使换热器不发生下沉。在活动支座一端应予埋滑板。
3.地脚螺栓和垫铁
（1）活动支座地脚螺栓应装有两个紧锁螺母，螺母和底板间应留有1～3mm间隙。
（2）地脚螺栓两侧全部有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可和设备支座底板焊牢，但不得和下面平垫铁或滑板焊死。
（3）垫铁安装不应妨碍换热器热膨胀。
5.2.3 维护
换热器不得在超出铭牌要求条件下进行。要常常对管壳程介质温度和压降进行监督，分析换热器泄漏和结构情况。在压降增大和传热系数降低超出一定数值时，应依据介质和换热器结构，选择有效方法进行清洗。应常常监视管束振动情况。

结束语

这次设计是在大学完成四年全部课程基础上，经过实习对102、104厂实地考察，参观了一系列换热设备，查阅了相关资料基础上进行。是一次理论和实践相结合综合性训练。两个多星期以来，我们在指导老师热心指导下，经过个人努力，顺利完成了此次设计任务。
此次设计大致分四个步骤，首优异行是工艺部分计算，确定出换热面积、换热管数、管长、管程及壳程流体流速、换热器筒体内径等：然后就开始换热器结构设计，经过已知条件及工艺计算部分结果选定U型管换热器，其中包含到了一系列零部件设计和选择，这步工作需要参考GB151，GB150等国家标准进行设计；接着进行各零部件强度校核，用以确保各零部件强度和刚度，这也是设计难点和关键。这三步工作完成以后，最终就是绘图和论文编排和打印。
设计是一个从无到有过程，其中有很多原因全部必需考虑到，所以需要一定耐心和细心才能够完得成。
在这次课程设计过程中，使我学到了很多知识，把以前理论知识联络到实际当中，不过，因为时间和自己掌握知识有限，在设计过程中难免有错误，衷心期望老师指正。

参考文件

[1] 化工设备设计手册.上海：科学技术出版社；1982
[2] 管壳式换热器:GB151-1999. 中国家标准准出版社出版
[3] 钢制压力容器:GB150-1998. 中国家标准准出版社出版
[4] 中国行业标准JB/T4700～4707-.压力容器法兰，
[5] 压力容器和化工设备使用手册.北京：化学工业出版社
[6] 换热器设计手册.北京：化学工业出版社，
[7] 化工原理. 天津 天津大学出版社 1999
[8] 过程设备设计. 北京 化学工业出版社

附件

U型管式换热器装配图图纸一张（A1）