U型管式换热器设计.docx
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U型管式换热器设计
U型管式换热器设计
摘要
本文介绍了U型管换热器的整体结构设计计算。
U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，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，造价便宜。
U型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。
本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。
换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。
设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。
关键词：
U型管换热器，结构，强度，设计计算
U-TUBEHEATEXCHANGERDESIGN
ABSTRACT
ThispaperintroducestheU-tubeheatexchangerdesignandcalculation.U-tubeheatexchangerhasonlyonetubesheet,tubesarefixedatbothendsofboardsinthesametube,andtubescouldtelescopicfreely,non-thermalstress,thermalperformanceandcompensation;useofdouble-tubeprocess,theprocessislonger,higherspeed,betterheattransferperformance,pressurecapacity,andcontrolcanbeextractedfromtheshellwitheasymaintenanceandcleaning,andsimplestructurecostless.ThemainstructureofU-tubeheatexchanger,includesEquipmentcontrol,shell,head,exchangertubes,nozzles,baffled,impingementbaffle,guideshell,anti-short-circuitstructure,supportandothershell-tubeaccessories.
ThistimeIdesignedasecondcategorypressurevessel,whichhashighdesigntemperatureandhighdesignpressure.Thusthedesigndemandsarestrict.Ithasdualheatexchangertube,stainlesssteelheatexchangermanufacturers.Imainlycarriedoutthedesignofheatexchangerstructuraldesign,strengthofdesignandpartsselectionandprocessdesign.
KEYWOEDS:
U-tubeheatexchanger,frame,intensity,designand
calculation
绪论
能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。
近几年由于新技术发展和新能源开发利用，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，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。
近年来随着节能技术的发展，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。
换热器分类方式多样,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,间壁式换热器又可分为列管式和板壳式换热器两类,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很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。
近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战,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换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。
列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液,汽和汽,汽和液的对流传热,蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。
列管式换热器是由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。
管子两端固定在管板上，并将壳程和管程的流体分开。
壳体内设有折流板，以引导流体的流动并支承管子。
用拉杆和定距管将折流板与管子组装在一起。
列管式换热器共有三种结构型式:
固定管板式、浮头式和U形管式。
固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构尺寸相同的条件下，与浮头式和U形管式换热器相比，换热面积最大。
固定管板式换热器的壳程清洗困难，适应热膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁，壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。
浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束，而且可拆卸抽出管束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头式换热器应用最广泛，在油田储运集输系统中，60%～70%的换热器为浮头式换热器。
Ｕ形管式换热器是管壳式换热器的一种,它由管板、壳体、管束等零部件组成。
在同样直径情况下,Ｕ形管换热器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高,检修、清洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低;Ｕ形管换热器只有一块管板,热补偿性能好、承压能力较强,适用于高温、高压工况下操作。
1管壳式换热器的类型、结构与型号
1.1换热器的零部件名称
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1.1U型管式换热器
1.2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。
详细分类见图1.2。
图1.2[2]主要部件的分类及代号
2换热器材料选择
在进行换热器设计时，对换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然，最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。
如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系。
2.1选材原则
换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目均按GB150-1998第四章及其附录A的规定。
换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。
换热器主要部件材料选择见表2.1
表2.1材料
零部件
材料
设计压力
设计温度
许用应力t
标准
管箱封头
15CrMoR
8.0
323
128.24
GB6654
后封头
15CrMoR
8.5
273
136.4
GB6654
筒体
15CrMoR
8.5
273
136.4
GB6654
管箱圆筒短节
15CrMoR
8.0
323
128.24
GB6654
管板
0Cr18Ni10Ti
4.5
323
112.62
GB4728
换热管
0Cr18Ni10Ti
8.0
323
100.4
GB/T13296-2007
壳程接管
15CrMo
PN16
273
105.86
GB6479
管程接管
0Cr18Ni10Ti
PN16
273
筒体法兰
15CrMo
PN6.4
273
GB470O-4703-2000
管程接管法兰
0Cr18Ni10Ti
PN16
HG20592-97
壳程接管法兰
15CrMo
PN16
323
HG20592-97
管箱法兰
15CrMo
PN6.4
273
GB470O-4703-2000
3换热器结构设计
管壳式换热器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。
对同一种型式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。
在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。
U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不易结垢的物料。
U形管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。
管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。
U型管式换热器，使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。
壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。
纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）以增加壳侧介质流速。
符号：
----钢材厚度负偏差mm，应按相应钢材标准的规定选取；
----钢材的腐蚀裕量，mm；
----厚度附加量（按[1]第三章取），mm；对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值，对热套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的C值；
----圆筒或球壳的内直径，mm；
----圆筒或球壳的外直径（）,mm；
----计算压力（按[1]第3章）,MPa；
----设计压力，Mpa；
----管程设计压力，Mpa；
----壳程设计压力，Mpa；
----圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa；
----圆筒或球壳的计算厚度，mm；
----圆筒或球壳的有效厚度，mm；
----圆筒或球壳的名义厚度，mm；
----设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa；
----设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按[1]第4章）,MPa；
----试验温度下材料的许用应力（按[1]第4章）,MPa；
----焊接接头系数（按[1]第3章）；对热套圆筒取=1.0；
3.1壁厚的确定
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。
管壳式换热
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