【《一种常见的管壳式U型管式换热器结构设计》8300字】

第第页1绪论1.1选题的目的和意义人类对能源有着非常大的需求，能源在日常生活里无处不在，是生活的必需品。像煤炭和石油这类能源都属于不可再生能源，这些能源使用至枯竭在所难免，所以人类需要找到一些可再生的能源，或者去节省地使用不可再生能源。如何去合理的开发使用能源，如何去充分地使用能源是人类面临的一个非常迫切的问题，需要把能源最大程度的转换成可利用的能量，避免造成不必要的浪费，而换热设备出现正好可以解决这类问题。换热设备可以将能源的利用率做到最大化，所以换热设备在许多工业生产领域都担任着重要作用。中国的换热设备产业主要集中在大型工业领域和各类民生产业中。其中重型工业是占用换热设备最大份额的应用领域、大约占市场份额的百分之三十。换热器在现代化工业生产中，有着举足轻重的作用并且不可被其他设备替代，市场的持续发展需要换热设备不断地升级换代，以此跟上工业的步伐。换热设备的高效性、节能性满足了时下的世界趋势，换热设备必须朝着节能环保的方向持续发展。换热设备在工业中的优异性能，受到各个国家的大力支持，因此发展高效节能的换热技术与设备技术对实现工业节能减排具有重要的意义。要做好节能减排，必须从根源做起，从换热器本身开始升级，使之进行热量交换过程效率最大化，余热也必须进行利用和回收，不能浪费任何可利用的能源，所以正确的设计换热器非常必要。U型管式热交换器作为管壳式换热器中的一类，无论是日常检修还是工艺造价，都是最简单最省钱的换热器，适用于高温高压下，相较于其他换热器，其简单的结构却拥有优异的性能和最大的换热面积。所以要最大程度的发掘利用能源，并做好节能减排，这是换热设备不断改良，优化设计的意义。本文通过已知条件，进行U型管式换热器的设计。1.2国内外换热器发展现状近些年来，换热器在国内外的发展越来越迅速，但是绝大部分的换热器都是应用在大型的工厂中，在这些地方都是重污染，重排放，污染非常严重，目前的世界趋势就是节能减排，改善全球变暖的局面，如何去改善，需要从根本上入手，首先便是各类重型企业，提升行业内的技术水平，在同等排污技术层面上，需要提升能源的利用率，以此来减少排放量，这便需要换热设备的功效，也是换热设备未来发展的趋势，只有从根本上去解决污染的排放，才能去控制全球变暖的速度，去减少碳的排放量。环境问题已经不可忽视，过度消耗资源，污染问题日益加重。全世界都在倡导节能减排，换热器也需要进行升级改造，来贯彻节能减排的政策，需要换热设备朝着高能效、低成本的模式转变。中国技术起步较晚，对于这类换热产品的需求主要依靠进口，直至上世纪六十年代，我国才制造出第一台换热器，当时是由抚顺机械设备制造有限公司制造的管壳式换热器，当时是按照美国的制作标准来生产。通过学习先进的技术，之后陆陆续续出现了各种各样的换热器，从上世纪八十年代之后，我国才开始自主研发，终于弥补了我国换热设备的技术上的空缺，在此后才开始大量的去生产传热设备，在技术层面突破之后，国内涌现出了一大批由我国自主研发的换热器。本世纪开始，换热器迎来了崭新的时代，强化设备得出现让换热设备的性能更加的优异，提在高性能的同时也需要考虑到研发与制作的成本，以及搭配各种设备使用的效果等，现如今我国的换热设备产品，正在朝着更全面的标准发展。国外的换热设备产业起步非常早，早在二十世纪二十年代起，便拥有了详细的换热设备制造技术和研发能力，那时的换热设备主要是板式换热设备，但是结构不完整，体积非常大，而且换热效率低下，但是在当时已经可以满足工业生产的需求。随着工业化的进行，板式换热设备已经不能满足工业生产要求了，由于对板式换热设备的性能要求越来越高，这也无疑推动了整个行业的发展进程。在上世纪三十年代，又发明出了板壳式换热设备，这次大大减低了使用成本，此时的换热器广泛的应用于各类工厂，加快了换热设备的普及程度。对于换热设备来说最大的一次转折发生在上世纪六十年代，越来越多工况的出现，也需要适应这些工况的换热设备，这时出现了管壳式换热设备，不光可以适应各类工作条件，而且也提升了能源转换率，真正意义上的达到了节能的条件，不光如此，此时的管壳式换热设备也缩小了体积，减轻了重量。越来越多的换热设备如雨后春笋般冒了出来，行业技术水平发展的极为迅速，能源转换的效率翻倍提升。在工业生产中，换热器作为工业上不可或缺的重要设备，需求非常大，特别是各类化工厂和火力发电厂等高能耗领域中非常普及。随着我国换热设备技术的飞速发展，同时满足节能减排的要求，应对不同的工作环境来研发出不同的换热器的种类。使之适应各种的环境。具体情况根据下面的图1.1展示的内容。图1.1换热器分类我国换热器产品类型和功能趋于多样化，产品技术水平得到进一步提高，已经实现换热器的3D打印技术，我国已经从换热器生产大国，成功发展成世界换热器强国，换热器正在朝着节能减排，提升换热效率方向发展。1.3课题内容本文课题为合成器U型管式换热器的设计，管程介质是乙醇胺和氨水的热量交换，说明了一般设计考虑和设计过程。U型管式换热器在高温、高压和大型换热设备里拥有较大的比重，其性能特点如图1.2所示。其中由于U型管式热交换器清洗难度较难，所以选用的介质应为不容易结垢的介质。综合考虑之后，设计出一种U型管换热器，说明一般的设计计算过程和如何选型，通过设计计算来达到设计要求。图1.2U型管换热器2换热器整体设计计算2.1定性温度和物性参数的确定热流体的定性温度是：(2.1)冷流体的定性温度是：(2.2)通过查物性参数手册得到，管程介质为乙醇胺、氨水的物性参数和壳程介质是循环水的物性参数。其中，管程热流体的密度是921.2834kg/m³，比热容是3.1294KJ/kg·℃，粘度是0.00418566Pa·s，热导率是0.1706W/（m·℃）。壳程冷流体的密度是994.7kg/m³，比热容是4.174KJ/kg·℃，粘度是0.000757Pa·s，热导率是0.62W/（m·℃）。2.2U型管式换热器的热量计算（1）计算传热量：(2.3)式中：Q是循环水的导热量，kW；是壳程冷流体进行换热的质量，kg/s；所以将数据代入式中得：kW（2）热流体用量计算公式：(2.4)式中：的含义是热损失系数，此设计取0.98。（3）平均传热温差冷流体和热流体的温差：℃℃平均温差采用算术平均温度差公式计算，其中，可使用此公式：(2.5)代入数据可以得到：℃（4）对于系数FT无量纲参数P、R：(2.6)(2.7)所以将数据代入式中得：通过《换热器设计手册》中温差修正系数表得知，需要对温度进行修正，按照单壳程，2管程，取无量纲参数P、R，查图得到温度修正系数,因为温度修正系数大于0.8，所以可行。两流体实际平均温度差为：℃(2.8)（4）选取总传热系数K值通过《化工单元过程及设备课程设计》查得K值，本设计初选传热系数W/（m2·℃）(2.9)式中：，全部面积m2；估算面积：m²考虑面积裕度，所需传热面积为：m²(2.10)式中：——面积裕度系数，取1.15;2.3工艺结构尺寸（1）确定换热管根数本文设计的换热器中，选取的换热管材料是10号钢，规格为mm。通过从《化工单元过程及设备课程设计》中查得换热器中常用的流速范围的数据，管内热流体的流速为m/s。管程所需通流截面积：(2.11)式中：所指截面积，m2；所以将数据代入式中得：m²U型管式换热器的换热管为U型，换热管外径至少要大于其弯管的弯曲半径R的两倍，所以最小的弯曲半径为50mm。可得换热管根数：根（2）每根管子的长度计算公式为：(2.12)式中：所指的是管子的换热面积，m2；所指的是管子的外径，mm。所以将数据代入式中得：m根据计算结果分析，该U型管式换热器应选用多管程结构，取每根管长取标准值为6m，但是此设计是U型管换热器，自身为2管程结构，所以传热管总根数为150根。（3）管束此处选用的管子排列方式等边三角形排列，管板面积相同的情况下，U型管式换热器的换热面积最大，此方式可以最大限度的排列传热管。查GB151-2014[2]得，如下表2.1所示，取值为44mm。表2.1换热器中心距161920222530323538455055572225262832384044485764707235384042445052566068767880（4）壳体内径管板利用率的范围为：（0.7~0.85）代入数值得壳体内径为：m（2.13）式中：——管板利用率，本设计取0.75。取壳体内径标准值：m（5）折流板此设计中选用单弓形折流板。此设计中选用上下缺口排列，材料选用Q235R。折流板缺口高度为：m折流板的板数为：块（2.14）对于壳体里面的板数，在设计中需要考虑预留额外的空间，所以本设计将两端的板子的板距调大，但是误差不能太大，所以根据算出的折流板数推算出板数应该取到10块。折流板的间距，根据《换热器设计手册》得到的范围，是（0.11~0.55）m，实际的间距最小不能小于50mm，最大不能超过壳体内径，根据设计方案，本文选取的折流板间距为B=0.5m。折流板的厚度，查GB151-2014[2]表6-21，t=12mm；（6）接管内径：(2.15)取冷流体的流体流速为m/s则：m取壳程接管直径标准值mm，则尺寸为mm。取热流体的流体流速为m/s则：m取接管的标准值m，则尺寸为mm。2.4核算总传热系数2.4.1管程系数管程流通A：(2.16)则：m2管程u：(2.17)则：m/s雷诺数：(2.18)式中：是当量d，m；是流体动力粘度，MPa·s。带入式中：普朗特数：(2.19)则：管程对流传热系数公式为(2.20)则：W/(m2·℃)2.4.2壳程系数壳程流通A：(2.21)代入数据得到：m2壳程流体流速：m/s管子当量d：(2.22)则：m由公式(2.18)得：由公式(2.19)得：壳程系数：(2.23)则：W/(m2·℃)2.4.3总传热系数污垢热阻：由《热交换器》，GB151-2014中查得，冷流体循环和热流体的分别为：管壁热阻：这类钢材在的热导率为52.34，所以管子的平均直径为：(2.24)将上述各系数的值带入公式：(2.25)算得总传热系数为：K=307.16W/(m2·℃)所以传热系数比值为：(2.26)所以换热器的传热系数在合理范围之内。2.5换热器内的流体阻力2.5.1管程流体阻力管程总阻力公式为：(2.27)式中：是指总阻力，Pa；是指直管阻力，Pa；是指弯管阻力，Pa；是校正系数；其中对外径为mm的换热管，取则：(2.28)(2.29)计算的数值：(2.30)算得：所以PaPa式中：——局部阻力系数,一般取3；则总阻力为：Pa因此管程压力降满足工艺设计要求。2.5.2壳程流体阻力壳程阻力：(2.31)本文的壳程介质是液体，介质取。其中：(2.32)(2.33)式中：是摩擦因数；是中心管子数，本设计取；B是板子间距；根所以由上述公式可得：PaPa由上式结果可知，压力降在允许范围之内，因此壳程压力降满足工艺设计要求。综合考虑流体的易结垢程度、流速问题、腐蚀性等，应使冷流体走管程，热流体走壳程。

3换热器结构设计3.1壳体在换热器的工艺设计里，壳体的公称直径是Ds=0.55m。壳程中的介质是循环水，管程中的介质是乙醇胺和氨水。根据热流体的进出口温度，本设计中选取的设计温度是Ts=120℃，设计压力是Pc=0.6MPa。管程中的介质是乙醇胺和氨水，乙醇胺蒸汽有毒性，易燃，属于碱性腐蚀品，氨水有腐蚀性但是对钢铁比较差，查GB713-2014钢板标准，本设计选为Q345R，通过查GB150-2011[5]，得到本设计温度下材料的许用应力是MPa。本文的焊接方式选择的是双面焊焊接接头，无损伤，焊接系数为。厚度为：（3.1）本设计取，，所以设计厚度和名义厚度为：（3.2）（3.3）此处为了方便焊接，根据封头厚度来取值，所以名义厚度向上取整为20mm。有效厚度：（3.4）壳体内径取值为550mm，壳体外径取值为590mm。3.2管箱封头根据《压力容器》和查GB/T25198-2010和GB150-2011标准，查得封头的结构尺寸，结合钢制压力容器封头的相关规定设计。选取选用到的材料为Q235R的椭圆形封头。厚度取20mm，负偏差值1，腐蚀裕度2，焊缝系数。图3.1椭球形封头表3.1封头参数公称直径为(mm)H(mm)h(mm)(mm)55016325.5203.3管箱法兰由于本文设计的换热器对密封性要求较高，所以选用凹凸型密封面，通过查NB/T47027-2012[8]的标准，来确定选用标准。本文选取的是长颈对焊法兰，结合管道的壁厚和管道的外径，长颈对焊法兰的尾部可以直接和管道对接，并且有相同的壁厚，所以可直接跟管道对焊连接。选择的材料为16Mn，具体的示意图如下所示：图3.2长颈对焊法兰（凹凸密封面）表3.2长颈对焊法兰参数螺栓规格55074569062978301502015M273.4接管根据GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》查得，20钢符合选用的标准，所以本设计选用的接管材料是20钢的无缝钢管。壳程管子流速为m/s：所以：（3.5）取管子标准值为，则管子尺寸为mm。管程管子流速为m/s：所以：可取管子标准值，则管子尺寸为mm，查《换热器设计手册》得到：壳程和管程的接管外伸高度，当，=0～50mm时，3.5管法兰本文设计的U型管式换热器壳程、管程进出口法兰尺寸相同，都是150mm，根据标准HG/T20592-2009中查得法兰的连接标准，结合本文内容，选用板式平焊法兰（PL）类别号是1C1，类别是碳素钢，标准号是JB4726，材料选用16Mn，法兰结构形式如下图3.3所示。表3.3法兰结构形式ADKLnThCB150159300250268M2430161150159265225188M1620161图3.3板式平焊法兰结构3.6U型管同等面积下，U型管式换热器的换热效率最好，为了最大限度提升效率的同时，拍列更多的管数，本文选用正三角形排列方式（a），如下图3.4所示，这种方式可使传热系数达到最高。这种排列方式不仅可以节省空间，而且还方便对管板的钻孔与划线，同时又可以节约百分之十五左右的管板面积。图3.4排序方式U型管最小弯曲半径：本文设计的换热器为U型管式换热器，此换热器的换热管是U型管，如下图3.5所示，其种弯管段的弯曲半径R不宜小于两倍的换热管外径，最小弯曲半径可从下表3.4中选取。图3.5U型管最小弯曲半径表3.4常用U形管的最小弯曲半径d1012141619202225303235384550555720243032404045506065707690100110115注：d——换热管外径，mm；由上表可知当换热管外径是25mm时，所以最小弯曲半径取的是50mm；查《化工单元过程及设备课程设计》可以得到换热器中常用的流速范围的数据，管程内流体的流速m/s。3.7垫片查NB/T47026-2012[10]得到，根据设计的内容，选择垫片形式为金属包垫片，其尺寸如下图3.5所示：图3.6金属包垫片表3.5金属包垫片参数,mmD,mmd,mm5506375973.8管板管板材料和直径尺寸的确定：管板材料选用Q345R，管板的最大D为629mm，管板的d是548mm。其中的一些参数为：=185MPa,许用应力；=201000MPa弹性模量；=510MPa，抗拉强度；MPa,屈服强度。3.9连接型式管板与法兰连接的结构尺寸按NB/T47015-2011[9]的规定。通过查国家标准GB151-2014[2]得到，本文链接标准采用a型方法。如下图3.7所示：图3.7管板与壳程圆筒、管箱圆筒连接方式（a型）3.10折流板此设计中选用使用常用形式中的单弓形折流板，选用上下缺口排列，材料选用Q235R。图3.8折流板开口方式根据第二章2.3工艺结构尺寸：折流板的缺口高度是0.138m。缺口方向为垂直左右。折流板的间距是0.5m。折流板的板数是11块。综合第二章结构尺寸考虑，本文设计的换热器中折流板个数取为10块。通过查国家标准GB151-2014[2]得到，厚度t=12mm；折流板上管孔直径，由GB151-2014[2]《热交换器》里有关规定，查得d=25.5mm,允许尺寸为mm；是通过查GB151-2014[2]]《热交换器》里有关规定，得到=495.5mm,允许尺寸为mm；3.11拉杆定距管本文中管子的直径为：d=25mm，在25-57之间，所以拉杆直径mm，所以拉杆数定为4根。表3.7拉杆参数拉杆直径拉杆螺纹公称直径161622602此设计选用螺纹连接，示意图如下：图3.9拉杆定距管结构图3.10拉杆的连接尺寸3.12支座根据本文设计的换热器型式，依据NB/T47065-2018[7]《容器支座》查得，这里选择使用材料为Q235A，公称直径为550mm的鞍式支座。图3.11鞍式支座示意图支出需要有两个支座：（0.5～0.7）×L=4200mm表3.8主要参数5501602005108275650360

4换热器元件强度计算与校核4.1温差应力（1）管侧的外壁温度：（4.1）则：管的内壁温度：（4.2）则：管侧的平均温度：（4.3）壳侧热流量：（4.4）则:热流密度：（4.5）则：（2）壳侧的内壁温：（4.6）则：壳侧平均温度:（4.7）其中导热系数为56W/（m·k），所以：所以：壳体材料的线膨胀系数为，管子材料的线膨胀系数为。（3）管侧轴向力（4.8）则：管子的自由伸长量：（4.9）则：壳体的自由伸长量：壳体的轴向应力：管子的轴向应力：4.2封头壁厚设计选用材料为Q345R，48℃时材料许用应力MPa,其他参数为：=11.5MPa，=1，。厚度计算式子：（4.10）计算：mm设计：mm名义：mm圆整后名义为20mm有效：mm4.4壁温核算本文设计的换热器的操作工况是高温高压，与常温相差大。而U型管式换热器的适用场合需要不易结垢的环境，传热管内的污垢会使传热管的壁温降低，温度变化会使换热过程出现变化。设计中取两侧污垢热阻为0计算传热管壁温。则管子的平均温度是：其中：——管程对流传热系数；——壳程对流传热系数；——管程热流体平均温度；——壳程冷流体平均温度。温差值：温度差值过大，此处需用温度补偿器。4.5开孔补强4.5.1壳程开孔补强管子选用的是的20号钢,许用应力140MPa，取,。本设计采用等面积补偿法校核。管子：管子有效：(4.11)式中：——接管名义厚度，mm。开孔直径：(4.12)管子有效补强：(4.13)管子外侧有效补强：(4.14)需要补强的：(4.15)可以作为补强的：(4.16)接管外侧金属面积：(4.17)有效补强面积：(4.18)强度足够。4.5.2管程开孔补强管箱的管子选用的20号钢,许用应力是147MPa。本设计管程的校核方式跟壳程相同。管子计算：管子有效：开孔：管子有效补强：管子外侧有效补强：需要补强面积：系数：要补强的：所以总共需要的：补强圈：(4.19)实际取20mm。另行补偿：强度满足。4.6管板计算本设计选用10号钢，=121MPa，=210000MPa。参照GB150-2011查得抗拉强度=510MPa，屈服强度MPa。未被换热管支撑的：(4.20)得：式中：——换热管中心距，mm；——中间层排管数；管板布管面积:(4.21)代入数值得：式中：——管板布管区面积，mm2；——未被换热管支撑的。管板布管区内开孔后的：(4.22)得：（4）一根换热管的横截：(4.23)得：垫片所需的各类厚度值：(4.24)管子当量：(4.25)得：板子假设：管子有效：(4.26)查得：刚度：(4.27)管子：管子的回转i：(4.28)查国标GB151-2014[2]得到，。系数：＜1308.15(4.29)故：=121MPa由于此时不能保证管程设计压力和壳程设计压力在任何时候都能同时作用，则取管板设计压力为11.5；故：(4.30)(4.31)(4.32)根据和查GBGB151-2014[2]图，得，，则板子计算为：(4.33)板子的最小为：壳程开槽K为：K=0.5mm分程隔板槽L为：=6mm管板名义为：

总结本文设计的是合成器U型管式换热器的设计。通过对U型管式换热器的前期了解和查阅资料，做好了对毕业设计充分的前期准备，并且了解了换热器的发展现状，设计前做出合理的设计规划，合理分配时间完成各项工作。本文严格按照国家标准进行设计，从换热器的工艺方面和结构方面进行设计，通过给定介质和压力进行设计计算。完成了U型管式换热器的各个零件的计算与校核，材料的选取和型式的选用，同时运用CAD绘图软件，绘制出了装配图和零件图。参考文献郑津洋,桑芝富.过程设备设计[M].第4版.北京:化学工业出版社,2015.刘乾,刘阳子.高效节能换热器概述[J].石油和化工节能，2009,6:8-12.任海涛,魏红立.高效节能换热技术概述[J].化工管理,2016(09):98.胡博然,夏志坚.中国换热器产业发展现状及前景展望[J].计算机产品与流通,2017(12):149.黄庆军,任俊超,黄蕾,等.中国换热器产业现状及发展趋势[J].石油和化设备,2010,1:5-8.