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1、 摘 要本文介紹了U形管換熱器的整體結構設計計算。U形管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無熱應力，熱補償性能好；管程采用雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強，管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。U形管式換熱器的主要結構包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導流筒、防短路結構、支座及管殼程的其他附件等。本次設計為二類壓力容器，設計溫度和設計壓力都較高，因而設計要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設計中主要進行了換熱器的結構設計，強度設計以及零部件的選型和工藝設計。關鍵詞：U形管換熱器；結構；強度；設計計
2、算AbstractThis paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube pro
3、cess, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchan
4、ger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories.This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual hea
5、t exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design.KEYWOEDS: U-tube heat exchanger；frame；intensity；, design and calculationV目錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論1管殼式換熱器。11.1 概
6、述11.2 管程式換熱器結構31.2.1 分類及特點41.3 流道選擇71.4 材料選擇71.5 管殼式換熱器的傳熱強化技術81.6 主要控制參數(shù)81.7 選用要點91.8 施工、安裝要點91.9 管殼式換熱器腐蝕分析101.10 管殼式換熱器的防腐保護111.11 新型換熱器簡介11第2章 U形管式換熱器結構設計152.1 U形管式換熱器結構介紹152.2 筒體設計162.3 封頭設計162.4 管箱設計192.5 布管222.5.1 換熱管的排列方式222.5.2 換熱管中心距232.5.3 換熱管與管板的連接242.6 管板設計252.6.1 管板的加工262.7 折流板262.7.1
7、折流板的形式272.8 拉桿282.8.1 拉桿的直徑、數(shù)量及布置292.9 定距管302.10 裙座的設計302.10.1 裙座的結構312.10.2 裙座的材料312.11 起吊附件31第3章U形管式換熱器的強度計算與校核323.1 換壓力熱器的計算323.2 筒體計算333.2.1 筒體厚度計算333.2.2 壓力試驗時應力校核343.2.3 壓力及應力計算343.3 前端管箱筒體計算353.3.1 管箱筒體的厚度計算36（1）筒體的計算厚度363.3.2 壓力試驗時應力校核36 3.3.3 壓力及應力計算373.4 前端管箱封頭厚度計算.383.5 開孔補強393.5.1 開孔補強計算
8、393.5.2 開孔補強計算413.5.3 開孔補強計算423.6 筒體法蘭計算443.6.1 筒體法蘭計算443.6.2 力矩計算453.6.3 螺栓間距校核463.6.4 形狀常數(shù)確定473.6.5 剪應力校核483.7 前端管箱法蘭計算493.7.1 螺栓受力計算493.7.2 力矩計算503.7.3 螺栓間距校核523.7.4 形狀常數(shù)確定523.7.5 剪應力校核533.8 U形管換熱器管板計算543.8.1 管板計算553.8.2 換熱管563.8.3 參數(shù)計算573.8.4 管板厚度及管板應力計算573.8.5 管板應力校核583.8.6 換熱管軸向應力計算及校核583.8.7
9、換熱管與管板連接拉脫力校核59第4章 結論60參 考 文 獻61致 謝62沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論 管殼式換熱器(shell and tube heat exchanger)又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。1.1 概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器1。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子
10、能等工業(yè)部門。在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%45%。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內的熱交換器。由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，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)生產中成為一種典型的換熱器。管殼式換熱器按用途分為無相變傳熱的換熱器和有相變傳熱的冷凝器和
11、重沸器；按結構可分為固定管板、U形管、浮頭式三種形式，而固定管板式換熱器最為常見。國內各研究機構、高等院校對傳熱理論及高效換熱器的研究一直非常重視，走過了從引進、消化、吸收、發(fā)展到自主開發(fā)的歷程。二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，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，用于飛機發(fā)動機的散熱。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，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。5060年代的照搬發(fā)展到70
12、年代消化和吸收，進入80年代以來國內又出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術的新趨勢，大量的強化傳熱元件被推向市場，形成第一次開發(fā)浪潮。到90年代中期，大量的強化傳熱技術應用于工業(yè)裝置中，帶來了良好的社會效益和經濟效益。國內80年代傳熱技術高潮時期的代表杰作有折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器 、高效冷凝器、雙殼程換熱器、管殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。當前換熱器發(fā)展的基本趨勢是：繼續(xù)提高設備的傳熱效率，促進設備結構的緊湊性，加強生產制造的標準系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展，模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發(fā)等形成一個高技術體系。 一般來說，管殼式換
13、熱器制造容易、生產成本低、選材范圍廣、清洗方便、適應性強、處理量大、工作可靠、且能適應高溫高壓。雖然它在結構緊湊性、傳熱強度和單位金屬消耗量方面無法與板翅式換熱器相比，但它由于前述的一些優(yōu)點，因而在化工、石油、能源等行業(yè)的應用中仍處于主導地位。在換熱器向高溫、高壓、大型化發(fā)展的今天，隨著新型高效傳熱管不斷出現(xiàn)，使得管殼式換熱器的應用范圍得以擴大，更增添了管殼式換熱器的新的生命力。 國外換熱器市場管殼式換熱器占64。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展。而換熱器在結構方面也有不少新的發(fā)展?，F(xiàn)就幾種
14、新型換熱器的特點簡介如下：一、氣動噴涂翅片管換熱器俄羅斯提出了一種先進方法，即氣動噴涂法，來提高翅片表面的性能。其實質是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。用該方法不僅可噴涂金屬，還能噴涂合金和陶瓷（金屬陶瓷混合物），從而得到各種不同性能的表面。 通常在實踐中翅片底面接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。 為了評估翅片底面接觸阻力對翅片效率的影響，特對氣動噴涂翅片管換熱器元件進行了試驗研究。試驗證明，氣動噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實質性影響。 因而氣動噴涂法不但可用于成型，還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上，也可用來對普通翅片的底面進行補充加
15、固。可以預計，氣動噴涂法在緊湊高效換熱器的生產中，將會得到廣泛應用。二、螺旋折流板換熱器 在管殼式換熱器中，殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系統(tǒng)（Z字形流道），這樣會導致較大的死角和相對高的返混。 為此，美國提出了一種新方案，即建議采用螺旋狀折流板。這種設計的先進性已為流體動力學研究和傳熱試驗結果所證實，此設計已獲得專利權。此種結構克服了普通折流板的主要缺點。 螺旋折流板的設計原理很簡單：將圓截面的特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中，每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一，其傾角朝向換熱器的軸線，即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋
16、狀。折流板的軸向重疊，如欲縮小支持管子的跨度，也可得到雙螺旋設計。 螺旋折流板結構可滿足相對寬的工藝條件。此種設計具有很大的靈活性，可針對不同操作條件，選取最佳的螺旋角；可分別情況選用重疊折流板或是雙螺旋折流板結構。三、新型麻花管換熱器 瑞典Alares公司開發(fā)了一種扁管換熱器，通常稱為麻花管換熱器。 美國休斯頓的布朗公司做了改進。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單，但有許多激動人心的進步，它獲得了如下的技術經濟效益：改進了傳熱，減少了結垢，真正的逆流，降低了成本，無振動，節(jié)省了空間，無折流元件。該換熱器嚴格按照ASME標準制造
17、。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代。1.2 管程式換熱器結構 由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內安裝若干擋板2。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一
18、次稱為一個殼程，為最簡單的單殼程單管程換熱器。為提高管內流體速度,可在兩端管箱內設置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。1.2.1 分類及特點 由于管內外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內將產生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力3。根據所采用的補償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： （1
19、）固定管板式換熱器是將兩端管板直接與殼體焊接在一起4。主要由外殼、管板、管束、封頭等主要部件組成。殼體中設置有管束,管束兩端采用焊接、脹接或脹焊并有的方法將管子固定在管板上,管板外周圍和封頭法蘭用螺栓緊固。固定管板式換熱器的結構簡單、造價低廉、制造容易、管程清洗檢修方便,但殼程清洗困難,管束制造后有溫差應力存在。當換熱管與殼體有較大溫差時,殼體上還應設有膨脹節(jié)。 圖1-1 固定管板式換熱器 （2）浮頭式換熱器一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼體內自由移動,也就是殼體和管束熱膨脹可自由。故管束和殼體之間沒有溫差應力。一般浮頭可拆卸,管束可以自由地抽出和裝入。浮頭式換熱器的這種結構可
20、以用在管束和殼體有較大溫差的工況。管束和殼體的清洗和檢修較為方便,但它的結構相對比較復雜,對密封的要求也比較高。 圖1-2 浮頭式換熱器 （3）U形管式換熱器是將換熱管煒成U形,兩端固定在同一管板上。由于殼體和換熱管分開,換熱管束可以自由伸縮,不會由于介質的溫差而產生溫差應力。U形管換熱器只有一塊管板,沒有浮頭,結構比較簡單。管束可以自由的抽出和裝入,方便清洗,具有浮頭式換熱器的優(yōu)點,但由于換熱管做成半徑不等的U形彎,最外層換熱管損壞后可以更換外,其它管子損壞只能堵管。同時,它與固定管板式換熱器相比,由于換熱管受彎曲半徑的限制它的管束中心部分存在空隙,流體很容易走短路,影響了傳熱效果 圖1-3
21、 U形管式換熱器 （4) 釜式重沸器 殼程體積大，除保持液體淹沒管束外，在殼體液面上還留有作為汽液分離用的一定空間。液面的高度由所設的擋板(溢流堰)維持。管束有浮頭式和U形管式。此種重沸器熱源定管程，被加熱介質走殼程。圖1-4 釜式重沸器 （5）填料函式換熱器將密封軟填料(或稱盤根)填入填料函而實現(xiàn)殼體與浮頭或滑動管板密封的管殼式換熱器，也稱外浮頭式換熱器5。一般不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質的換熱。 對于化工生產中強腐蝕性流體的換熱，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金屬材料制作管殼式換熱器。這類換熱器的換熱性能較差，只用于壓力低、振動小、溫度較低的場合。 圖1-5 填料函式
22、換熱器1.3 流道選擇 進行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：(1)不潔凈和易結垢流體宜走管程，因管內清洗較方便；(2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時受腐蝕；(3)壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；(4)飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無關,且冷凝液容易排出；(5)若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應力。 管殼式換熱器選型時，需要考慮的因素有很多，主要是流體的性質;壓力、溫度以及允許壓力降的范圍、對清洗、維修的要求；材料價格；使用壽命等6。1.4 材料選擇材料選擇 選擇壓力容器用材的時候必須考慮設備的操作條件（如設計
23、壓力、設計溫度、介質的特性）、材料的焊接性能、冷熱加工性能、熱處理以及容器的結構等。 鋼材的使用溫度上限為本章各許用應力表中各鋼號所對應的上限溫度。碳素鋼和碳錳鋼在高于溫度425下長期使用時，應考慮鋼中碳化物相的石墨化傾向。奧氏體鋼的使用溫度高于525時，鋼中含碳量應不小于0.04%。鋼材的使用溫度下限，除奧氏體鋼及本章有關條文另行規(guī)定者外，均為高于-20。鋼材的使用溫度低于或等于-20時，應按標準的規(guī)定進行選擇。奧氏體鋼的使用溫度高于或等于-196時，可免做沖擊試驗。當對鋼材有特殊要求時如要求特殊冶煉方法較高的沖擊功指標附加保證高溫屈服強度提高無損檢測要求增加力學性能檢驗率等設計單位應在圖樣
24、或相應技術文件中注明。 選擇壓力容器用材時必須滿足上述條件，考慮經濟合理性。一般情況下，下列規(guī)定是經濟合理的。 （1）所需鋼板厚度小于8mm時，在碳素鋼與低合金高強度鋼之間，應盡量采用碳素鋼鋼板（多層容器用材除外）； （2）在剛度或結構設計為主的場合，應盡量選用普通碳素鋼。在強度設計為主的場合，應根據壓力、溫度、介質等使用限制，依次選用Q235A、Q235B、20R（20g）、16MnR等鋼板； （3）所需不銹鋼厚度大于12mm時，應盡量采用襯里、復合、堆焊等結構形式； （4）不銹鋼應盡量不用作設計溫度小于等于500的耐熱用鋼； （5）珠光體耐熱鋼應盡量不用作設計溫度小于等于350的耐熱用鋼。
25、在必須使用珠光體耐熱鋼作耐熱或抗氫用途時，應盡量減少、合并鋼材的品種、規(guī)格。 換熱器用鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應力、無損檢測標準及檢測項目均按GB150-1998第4章及其附錄A的規(guī)定。設計溫度低于或等于-20時，應按本標準附錄A（標準的附錄）選擇低溫用1.5 管殼式換熱器的傳熱強化技術 當管壁兩側傳熱分系數(shù)相差很大時（如粘度小的液體與氣體間的換熱），應設法減小傳熱分系數(shù)低的一側的熱阻。如果管外傳熱分系數(shù)小，可采用外螺紋管（低翅片管），以增大管外一側的傳熱面積和流體湍動，減小熱阻。如果管內傳熱分系數(shù)小，可在管內設置麻花鐵，螺旋圈等添加物，以增強管內擾動，強化換熱，當然這時流體的流動
26、阻力也將增大。1.6 主要控制參數(shù) 管殼式換熱器的主要控制參數(shù)為(1)加熱面積；(2)熱水流量；(3)換熱量；(4)熱媒參數(shù)。 1.7 選用要點 （1）根據已知冷、熱流體的流量，初、終溫度及流體的比熱容決定所需的換熱面積。初步估計換熱面積，一般先假定傳熱系數(shù)，確定換熱器構造，再校核傳熱系數(shù)K值。 （2）選用換熱器時應注意壓力等級，使用溫度，接口的連接條件。在壓力降，安裝條件允許的前提下，管殼式換熱器以選用直徑小的加長型，有利于提高換熱量。 （3）換熱器的壓力降不宜過大，一般控制在0.010.05MPa之間； （4）流速大小應考慮流體黏度，黏度大的流速應小于0.51.0m/s；一般流體管內的流速
27、宜取0.41.0m/s；易結垢的流體宜取0.81.2m/s。 （5）高溫水進入換熱器前宜設過濾器。 （6）熱交換站中熱交換器的單臺處理和配置臺數(shù)組合結果應滿足熱交換站的總供熱負荷及調節(jié)的要求。在滿足用戶熱負荷調節(jié)要求的前提下，同一個供熱系數(shù)中的換熱器臺數(shù)不宜少于2臺，不宜多于5臺。1.8 施工、安裝要點 （1）熱交換器應以最大工作壓力的1.5倍做水壓試驗，蒸汽部分應不低于蒸汽供汽壓力加0.3MPa；熱水部分應不低于0.4MPa。在試驗壓力下，保持10min壓力不降。 （2）管殼式換熱器前端應留有抽卸管束的空間，即其封頭于墻壁或屋頂?shù)木嚯x不得小于換熱器的長度，設備運行操作通道凈寬不宜小于0.8m
28、。 （3）各類閥門和儀表的安裝高度應便于操作和觀察。 （4）加熱器上部附件（一般指安全閥）的最高點至建筑結構最低點的垂直凈距應滿足安裝檢測的要求，并不得小于0.2m。 目前運用于強化傳熱的最新技術有以下幾方法：運用計算機技術建立流體的流動翻熱傳遞模型，并進行計算機模擬和仿真，從而對流體的流動區(qū)域和熱傳遞的分布進行更詳細預測的計算流體力學(CFD)；致力于管殼式換熱器設計程選型，以輔助設計者對流體流徑、殼體及浮頭類型、換熱器結構尺寸、折流板類型和換熱器熬體布置等問題進行決策的專家系統(tǒng)；這些需要整體裝置設計的數(shù)據庫技術。 1.9 管殼式換熱器腐蝕分析管殼式換熱器的材料一般以碳鋼、不銹鋼和銅為主，其
29、中碳鋼材質的管板在作為冷卻器使用時，其管板與列管的焊縫經常出現(xiàn)腐蝕泄漏，泄漏物進入冷卻水系統(tǒng)污染環(huán)境又造成物料浪費。 管殼式換熱器在制作時，管板與列管的焊接一般采用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應力的分布也不均勻。使用時管板部分一般與工業(yè)冷卻水接觸，而工業(yè)冷卻水中的雜質、鹽類、氣體、微生物都會構成對管板和焊縫的腐蝕，這就是我們常說的電化學腐蝕。研究表明，工業(yè)水無論是淡水還是海水，都會有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結構的復雜程度也會影響腐蝕形態(tài)。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外觀看，
30、管板表面會有許多腐蝕產物和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質時，還會產生電偶腐蝕?；瘜W腐蝕就是介質的腐蝕，換熱器管板接觸各種各樣的化學介質，就會受到化學介質的腐蝕。另外，換熱器管板還會與換熱管之間產生一定的雙金屬腐蝕。 綜上所述，影響管殼式換熱器腐蝕的主要因素有： （1）介質成分和濃度：濃度的影響不一，例如在鹽酸中，一般濃度越大腐蝕越嚴重。碳鋼和不銹鋼在濃度為50%左右的硫酸中腐蝕最嚴重，而當濃度增加到60%以上時，腐蝕反而急劇下降； （2）雜質：有害雜質包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質在某些情況下會引起嚴重腐蝕 （3）溫度：腐蝕是一種化學反應，溫度每提升 10，腐蝕速度
31、約增加13倍，但也有例外； （4）PH值：一般PH值越小，金屬的腐蝕越大； （5）流速：多數(shù)情況下流速越大，腐蝕也越大。 1.10 管殼式換熱器的防腐保護 針對冷卻塔防腐問題，傳統(tǒng)方法以補焊為主，但補焊易使管板內部產生內應力，難以消除，可能造成冷卻塔管板焊縫再次滲漏?，F(xiàn)西方國家多采用高分子復合材料的方法進行保護，其中應用最多的是美嘉華技術產品。其具有優(yōu)異的粘著性能及抗溫、抗化學腐蝕性能，在封閉的環(huán)境里可以安全使用而不會收縮，特別是良好的隔離雙金屬腐蝕和耐沖刷性能，從根本上杜絕了修復部位的腐蝕滲漏，為冷卻塔提供一個長久的保護涂層。 1.11 新型換熱器簡介(1) 折流桿換熱器折流桿換熱器是以折流
32、桿取代折流板，在管外改善流體的流動方式，減少折流板造成的流動死區(qū)和停滯區(qū)，并且使流體在折流桿后產生有效的“渦流”效應，從而達到強化傳熱的果，同時起到了降低流體阻力和消除換熱管的震動造成的損傷、失效等作用。(2)波紋管換熱器波紋管換熱器是將換熱管加工成內外均呈連續(xù)波紋曲線的波紋管，使管子的縱向截面成波形，由相切的大小圓弧構成，由于管內流體的流動截面不斷變化，使流體的擾動增加而使傳熱強化。根據使用測試結果其管內放熱系數(shù)可較光管提高34倍，同時殼程的換熱系數(shù)也可得到一定程度的提高，使總放熱系數(shù)提高12倍，目前該技術已在許多熱網換熱器中應用。同時在原油加熱器及壓縮機冷凝器中均取得了良好的效果。此外波紋
33、管換熱器在解決管內結垢問題上也起到了明顯的作用。 (3)螺旋槽管換熱器螺旋槽管換熱器是將換熱管表面加工成螺旋形的凹槽，在管內形成螺旋形凸肋的異型管。流體在管內流動時受螺旋槽的導引，靠近壁面的流體順螺紋旋轉，螺旋形的凸肋使流體產生周期性的擾動，這樣可以使流體邊界層減薄，并加劇流體的擾動，因而使傳熱強化。一般其管內放熱系數(shù)為光管的1.52.5倍，總的放熱系數(shù)可提高0.51倍。目前這項技術在工業(yè)鍋爐和其它換熱器設備中得到廣泛應用。(4)螺旋翅片管和縱向翅片管換熱器螺旋翅片管換熱器是將換熱管上螺旋纏繞高頻焊接扁鋼，縱向翅片管換熱器是將換熱管圓周上沿軸線方向、高頻焊接形翅片。兩種熱交換器都是通過增加管外
34、側受熱面、改變流體流動的方式來強化傳熱。實驗證明，小管徑翅片管束的傳熱性能優(yōu)于大管徑管束，適當增加翅片高度和翅片間距對傳熱有利，適當密排對傳熱有利。螺旋翅片管換熱器主要用于流體橫向沖刷的場合，縱向翅片管主要用于流體縱向沖刷的場合，同時起到大大縮小換熱器體積的作用。我們在空氣換熱器、熱管換熱器及鍋爐上，采用了這類換熱器，取得了明顯的強化換熱效果。(5)螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器對傳統(tǒng)折流板換熱器進行了大膽的創(chuàng)新。采用與殼體軸線成某一角度狀排列的螺旋板作為折流板，使介質在殼體內螺旋推進流動，實現(xiàn)了在較小泵功能消耗條件下較高的傳熱效果。其特點有：具有較高的傳熱系數(shù)；殼側流阻較小，無滯流區(qū)；不易
35、污垢沉積。延長維修周期，減少維修費用。適用于較粘稠介質。(6)渦流熱膜換熱器 渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動狀態(tài)來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達10000W/m2。同時這種結構實現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對流換熱系數(shù)降低。(7)陶瓷換熱器 陶瓷換熱器的生產工藝與窯具的生產工藝基本相同，導熱性與抗氧化性能是材料的主要應用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近，溫度較高的地方，不需要摻冷風及高溫保護，當窯爐溫度1250-1450時，
36、煙道出口的溫度應是1000-1300，陶瓷換熱器回收余熱可達到450-750，將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒，可節(jié)約能源25%45%，這樣直接降低生產成本，增加經濟效益。 陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發(fā)展，因為它較好地解決了耐腐蝕，耐高溫等課題，成為了回收高溫余熱的最佳換熱器。經過多年生產實踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優(yōu)點是：導熱性能好，高溫強度高，抗氧化、抗熱震性能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡便。是目前回收高溫煙氣余熱的最佳裝置。 目前，陶瓷換熱器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行業(yè)主要熱工窯爐，正在為世界的節(jié)能減排事業(yè)作出了
37、巨大的貢獻。 在生產中存在的熱交換條件千變萬化，所需要的換熱器必須各式各樣，為了符合使用要求，國內、外對換熱器技術的開發(fā)從傳熱機理的研究、設備的結構的創(chuàng)新，設計計算的方法改進以及制造工藝水平的提高等方面都進行了長期而大量的工作。直至目前，換熱器的基本狀況是管殼式換熱器，就其數(shù)據量或使用場所與管式結構競爭，從空間技術發(fā)展起來的熱管技術受到極大重視，各式熱管換熱器已進入工業(yè)實用階段。在換熱器設計中采用了電子計算機，不僅可以縮短計算時間，減少人為的差錯，而且有可能進行最佳設計。換熱器制造工藝上獲得了改進，新材料及復合材料已逐漸使用。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，換熱器技術將迅速發(fā)展。就目前的情況分析，換熱器的
38、基本發(fā)展趨勢是：提高傳熱效率，提高緊湊性，降低材料消耗，增強承受高溫、高壓、超低溫及耐腐蝕能力。保證互換性及擴大容量的靈活性，通過減少堵塞和便于除垢以減少操作事故，從選用材料，結構設計以及運行操作等各方面增長使用壽命并在廣泛的范圍內向大型化發(fā)展。在換熱器制造中，專業(yè)化生產的趨勢仍將繼續(xù)。加工中向“多軸化”及“數(shù)值控制化”發(fā)展。采用新技術、新工藝、新材料，提高機械化、自動化水平。提高勞動生產率，降低制造成本仍是基本發(fā)展目標。對國外換熱器市場的調查表明，管殼式換熱器占64%。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導地位。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)展，其設備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大
39、型化方向發(fā)展。目前，從世界石油、化工行業(yè)看，先進國家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。世界先進國家的油化工企業(yè)的換熱設備正處在更新?lián)Q代時期,朝著新型降耗高效換熱器方向發(fā)展。在工業(yè)生產中，換熱設備的回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。通過余熱可生產壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的主要輔助能源，從而能提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產的經濟效益。如果能夠得到效率的大幅度提高，所產生的經濟效益將是十分的可觀，為我國的“低碳生活”和“節(jié)能減排”事業(yè)做出巨大的貢獻。第二章 U形管式換熱器結構設計本次設計U形管式換熱器的基本結構如下圖所示：圖2-1 本次設計設備簡圖2.1 U形管
40、式換熱器結構介紹U形管式換熱器由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。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。U形管式換熱器的結構特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；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；管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，U形管式換熱器結構簡單，造價便宜。但管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內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，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管
41、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易結垢的場合 。2.2 筒體設計選材：按GB151-1999管殼式換熱器中4.2.2用作換熱器圓筒的碳素鋼低碳合金鋼鋼管應采用無縫鋼管。按GB151-1999管殼式換熱器中5.3.1中規(guī)定當圓筒的公稱直徑DN400mm時，可用無縫鋼管做圓筒。厚度：由GB151-1999管殼式換熱器中5.3.2表8之規(guī)定，即碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于下表2-1中的規(guī)定7。表2-1 圓筒最小厚度 mm 公稱直徑 400700 7001000 10001500 15002000 20002600 U型管式 8 10 12 14 16 固定管板
42、 6 8 10 12 14 注:表中數(shù)據包括厚度附加量C2（按1mm考慮）因此按GB151-1999管殼式換熱器規(guī)定，本次設計選用2738L，20號鋼無縫鋼管。2.3 封頭設計封頭是容器的一個部件（如下圖）根據幾何形狀的不同，可分為球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中球形 、橢圓形、碟形、球冠型封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。在焊接上分為對焊封頭，承插焊封頭。用于各種容器設備，如儲罐、換熱器、塔、反應釜、鍋爐和分離設備等。材質有碳鋼（A3、20#、Q235、Q345B、16Mn等）、不銹鋼（304、321、304L、316、316L等）、合金鋼（15Mo3 15CrMoV 35CrMoV
43、45CrMo ）、鋁、鈦、銅、鎳及鎳合金等。 （1）球形封頭是由半個球殼構成的。雖然球形封頭壁厚可較相同直徑與壓力的圓筒殼減薄一半。但在實際工作中，為了焊接方便以及降低邊界處的邊緣壓力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。 圖2-2半圓型封頭 圖2-3球冠封頭 （2）橢圓封頭又名為橢圓形封頭、橢圓封頭即為由旋轉橢圓球面和圓筒形直段兩部分組成的封頭。旋轉橢圓球面母線的長、短軸之比為2.0的橢圓形封頭，習慣上稱為標準橢圓形封頭。橢圓封頭的力學性能僅次于半球封頭，但優(yōu)于碟形封頭。由于橢圓封頭的深度介于半球形和碟形封頭之間，對沖壓設備及模具的要求、制造難度亦介于兩者之間，即比半球封頭容易，比碟形封頭困難。
44、近年來由于采用旋壓制造工藝，為制造大直徑橢圓形封頭帶來了方便。橢圓封頭因綜合性能較好，被廣泛用于中低壓容器。如圖2-3. 圖2-3 橢圓形封頭 （3）碟形封頭，又稱帶折邊球形封頭，又名蝶形封頭。由一個球面、一個某一高度的圓筒直邊和連接以上兩個部分的曲率半徑大小小于球面半徑的過渡部分組成。碟形封頭為一個連續(xù)曲面，在三部分連接處，經線曲率半徑有突變，由于曲率變化， 因而存在著彎曲應力。彎曲應力和拉伸應力疊加的結果，使這部分的應力突出于其他部分。與橢圓形封頭相比，應力分布不如其均勻，但加工較之容易，因而在工程使用中并不理想。但當橢圓形封頭的模具加工有困難時，則用碟形封頭代替。如圖2-4。 圖2-4
45、碟形封頭 （4）錐形封頭廣泛應用于許多化工設備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結晶器及沉降器等)的底蓋，它的優(yōu)點是便于收集與卸除這些設備中的固體物料。此外，有一些塔設備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時的圓錐形殼體稱為變徑段。如圖2-5。 圖2-5 錐形封頭對受均勻內壓封頭的強度計算，由于封頭和圓筒相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內壓引起的薄膜應力，還要考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應力。連接處總應力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸封頭與圓筒厚度的比值大小有關。按GB151-1999管殼式換熱器中4.2.1之規(guī)定選取封頭材料為Q235-B8。參照壓力容器相關標準匯編選取標準
46、橢圓形封頭。如圖2-6所示。圖2-6 標準橢圓形封頭示意圖 2.4 管箱設計管箱的作用是把由管道來的管程流體均勻分布到各傳熱管和把管內流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體流向的作用。無論哪種管箱，其管箱的最小內側深度應當滿足這樣的要求：使連接雙程間流體流動的橫截面至少大于或等于單管程通過的截面。下面介紹幾種典型管箱結構形式及管箱尺寸確定的原則9。（一）管箱結構形式(1)A型（平蓋管箱） 這種管箱如圖3-1中前端管箱形式中A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個管箱和與管箱相連的管路，缺點是盲板結構用材多，且尺寸較大時得用鍛件，耗費大量機
47、加工工時，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN6001200 10 8 12002000 14 10 20002600 14 10 本設計分程隔板厚度為10mm。封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。分程隔板兩側全長均應焊接，并應具有全焊透的焊縫。由于焊接應力較大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，須進行消除應力的熱處理，最后進行機械加工10。2.5 布管2.5.1 換熱管的排列方式換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉角正三角形、轉角正方形。正三角形排列形式可以在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。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉角正方形排
48、列的管束。換熱管排列形式如圖2-9。圖29換熱管的排列形式在此，換熱管排列方式要用正三角形排列。2.5.2 換熱管中心距換熱管中心距可按GB151-1999管殼式換熱器第五章規(guī)定，宜不小于1.25倍的換熱管外徑。表2-3 GB151-1999管殼式換熱器 換熱管外徑d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 換熱管中心距離13-14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72 分程隔板槽兩 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 本設計換
49、熱管的中心距是19mm。換熱管簡圖如圖2-10所示。圖2-10 換熱管簡圖直管一律采用整根管子而不允許有接縫。管子應該進行校直，管子兩端須用磨管機清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質直至露出金屬光澤。除銹長度不小于兩倍管板厚度。當管子與管板的連接采用脹接工藝時，管端硬度應低于管板硬度。同一根換熱管的對接焊縫，直管不得超過一條；U形管不得超過二條；最短管長不應小于300mm；包括至少50mm直管段范圍內不得有拼接焊縫。管端破口應采用機械方法加工，焊前應清洗干凈11。U形管彎管段的圓度偏差，應不大于換熱管名義外徑的10%；但彎曲半徑小于2.5倍換熱管名義外徑的U型管彎管段可按15%驗收。為了保證順利穿管
50、，必須使折流板的管孔和管板的管孔中心保持在同一水平線上。 換熱管組裝要求兩管板相互平行，允許誤差不得大于1mm，兩管板間長度誤差為2mm；管子與管板應垂直；拉感應牢靠固定；定距管兩端面要整齊；穿管時管子頭不能用鐵器直接敲打。2.5.3 換熱管與管板的連接管子與管板的連接，在管殼式換熱器換熱的設計中，是一個比較重要的結構部分，它不僅加工工作量大，而且必須使每個連接處在設備的運行中，保證介質無泄漏且具有承受介質壓力的能力12。換熱管與管板的連接方式有強度焊、強度脹以及脹焊并用。對于管子與管板的連接結構型式，主要有以下幾種：（1） 脹接； （2）焊接； （3）脹焊結合。 這幾種型式除本身結構固有的特
51、點外，在加工中，與生產條件，操作技術都有一定的關系。但無論采用何種連接型式，都必須保證連接處能滿足設計所需的密封性和具有足夠的抗拉脫強度。強度脹接主要適用于設計壓力4.0Mpa；設計溫度300；操作中無劇烈振動、無過大的溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復合管板等的場合。本設計采用強度焊加貼賬的形式。 圖2-11管板脹接形式2.6 管板設計管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同
52、時受管程、殼程壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的Q345R整體管板。管板與殼體的連接由于U形管式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。本設備利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。2.6.1 管板的加工 管板：管板為碳鋼鍛件，應檢查表面含碳量，使任意點的C0.19%，或在管板上加兩層低碳堆焊層來避免偏析的影響13。管孔加工：管孔加工必須滿足下列要求： （1）保證孔的位置及尺寸精度，如管孔不圓度、同心度及孔壁的光潔度。 （2）對大厚度的管板須保證孔與管板平面垂直。 （
53、3）組裝狀態(tài)下管板和折流板的同一位置的管孔和拉桿用孔的中心應在同 一直線上。2.7 折流板折流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設計殼程介質流道，根據介質性質和流量以及換熱器大小確定折流板的多少。折流板被設置在殼程，它既可以提高傳熱效果，還起到支撐管束的作用。折流板有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。本次設計選用弓形折流板。折流板形式如圖2-12所示。圖2-12 折流板形式2.7.1 折流板的形式選用單弓形折流板，上下方向排列，這樣可造成液體的劇烈擾動，增大傳熱膜系數(shù)。為方便選材，選擇折流板的材料為Q235A，弓形缺口高度為49.1mm，折流板間
54、距為56mm，查GB151-1999管殼式換熱器可知折流板厚度為6mm。該臺換熱器折流板排列如下圖2-13所示。 圖2-13折流板排布簡圖由于折流板很薄，鉆孔時鉆頭的推力使管板中心變形，故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點焊、然后一起鉆孔。為了保證順利穿管，必須是折流板的管孔與管板中心在同一直線上，可以將管板當作鉆模放在折流板上，壓緊后進行引孔，即以管板危機出現(xiàn)在折流板上鉆出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，將折流板壓緊，并換上合適的鉆頭14。2.8 拉桿 拉桿的作用是與定距管配合將換熱器的管束上的折流板連接固定起來，防止竄動。拉桿的一端靠螺扣旋入管板中固定，它從數(shù)
55、塊折流板中間的拉桿孔中穿過，另一端用螺母固定在支持板上。拉桿結構見圖。為了使各塊折流板間距符合設計要求，均勻受力，保證折流板與換熱管垂直，就需要在一個管束中布置一定數(shù)量的拉桿。但拉桿又位于布管區(qū)內，一根拉桿就要占一跟換熱管的位置。因此拉桿的布置既要合理，數(shù)量又不能太多。拉桿直徑的選擇與換熱管外徑有關，拉桿數(shù)量則視換熱器的直徑而定15。拉桿形式如圖2-13。常用拉桿的形式有兩種：(1)拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束，（按GB151-1999表45規(guī)定）；(2)拉桿與折流板點焊結構，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，；(3)當管板比較薄時，也可采用其他的連接結構。
56、本次設計換熱管的外徑為14mm，拉桿與折流板點焊結構，材料為Q235A。 圖2-14拉桿結構示意圖2.8.1 拉桿的直徑、數(shù)量及布置其具體尺寸如下圖2-15所示。 圖2-15拉桿結構尺寸 按GB151-1999管殼式換熱器中規(guī)定拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣。若對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。還應滿足GB151-1999管殼式換熱器中規(guī)定。拉桿參數(shù)見表2-4，表2-5所示。表2-4 拉桿參數(shù) 換熱管外徑d 10d14 14d 25 25d57 拉桿直徑dn 10 12 16 表2-5 拉桿參數(shù)公稱直徑DN，mm 400 400 700 900 1300 1500 1800 2000 2300拉桿直徑dn，mm 70
畢業(yè)設計--U形管式換熱器設計.doc
