最新U型管换热器结构设计与建模--本科生毕业设计

本科毕业设计（论文）

U型管换热器结构设计与建模

学院名称 专业名称 学生姓名 学

号

制造科学与工程学院 过程装备与控制工程

XX

XX XX 讲师

指导教师

二〇一五年六月

目录

绪论 第一章

1.1换热器的发展及研究现状 1.2 换热器的生产需求 第二章 2.1 设计任务 2.1.1 设计题目 2.1.2 设计参数 2.2 方案确定

2.3 确定介质物性参数 2.4 计算总传热系数 2.4.1 热流量 2.4.2 平均传热温差 2.4.3 水蒸气用量 2.4.4 总传热系数K 2.5 传热面积计算 2.6 工艺结构尺寸 2.6.1管束数量确定 2.6.2平均传热温差校正 2.6.3 传热管排列和分程方式 2.6.4 壳体内径Di 2.6.5 折流挡板

2.6.7 接管尺寸 第三章

3.1 构件材料选择 3.1.1 一般选材原则 3.1.2 压力容器常用钢 3.1.3 构件材料终定 第四章 4.1 筒体计算 4.1.1 厚度计算 4.1.2 校核筒壁压力 4.2 封头尺寸计算 4.2.1 封头厚度计算 4.2.2 校核封头应力 4.3管箱短节计算

4.3.1 管箱短节圆筒厚度的计算 4.3.2 压力及应力计算 4.3.3 管箱短节长度计算 4.4 管板设计及校核 4.4.1 布管面积

4.4.2 管板布管区的当量直径 4.4.3管板计算厚度 4.4.4 管板名义厚度

4.4.5 换热管轴向应力计算及校核 4.5 开孔补强计算 4.5.1等面积法适用范围 4.5.2 壳程接管开孔补强 4.5.3 管程开孔补强 第五章

5.1 设备外部结构 5.1.1 壳体结构 5.1.2 封头结构 5.1.3 管箱结构 5.1.4 接管设计 5.1.5 法兰选用 5.1.6 支座结构 5.2 设备内部件结构 5.2.1 折流板设计 5.2.2 拉杆和定距管设计 5.2.3 分程隔板设计 5.2.4 防冲挡板 5.2.5 管板设计 5.2.6 U型换热管 5.3 各构件连接形式 5.3.1 压力容器连接形式分类 5.3.2 椭圆封头和壳体的连接

5.3.3 壳程接管和壳体的连接 5.3.4 管程接管与壳体的连接 5.3.5 管束和管板的连接

第一章 绪论

1.1换热器的发展及研究现状

是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

目前对换热器的研究现状，工程上已经大量使用商业的软件进行换热器的计算。最著名的专业换热器计算软件主要有以下几个：第一是成立于1962年的美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.,即HTRI）开发的Xchange Suit软件；第二是成立于1976年的英国传热及流体服务中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service,即HTFS）开发的HTFS系列软件和B-JAC软。因此，换热器计算软件发展到今天已经可以向很多制造厂商提供设备条件。目前工业上用得较多的管壳式换热器主要有浮头式、固定管板式和U型管式，其中以浮头式换多。本次选择设计的是U型管式换热器，它的管板比固定管板式换热器少，其泄露量也相应减少，并且U型管式换热器具有壳程水压试验后烘干更容易，适用场合广、换热面积大、管内介质流速大效率高、检修简便、操作弹性较大、结构简单、价格便宜承受能力强的特点。由于U型换热管的两端都同时固定在上同一块管板上，管子可以自由伸缩，因此，当壳体与U形换热管有温差时不会产生热应力。但是，U型管换热器的主要缺点就是U型管具有一定的弯曲半径，故管板的利用率较差，管内

不容易清洗，一旦内层有管束堵塞更换困难，只有将堵塞的换热管两端封住，影响传热。

所以，U型管式换热器适用于管与壳壁温差较大或管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的介质的情形；有时候也用在换热器壳程容易结垢，需要清洗，但又不适宜用浮头式或固定管板式的场合。U 型管换热器是一种典型的管壳式换热器， 其管子弯成 U形,管子的两端固定在同一管板上， 因此每根管子可以自由伸缩，而与其他管子及壳体无关。U 型管换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其他换热器便宜。U 形管束可以从壳体内抽出，所以管子便于清洗。但管内清洗困难，所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管呈 U形，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易发生短路而影响传热效果。U 形管的弯头部分曲率不同， 管子长度不一， 因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。

1.2 换热器的生产需求

U型管换热器在当前市场的生产需求是比较大的，U型管换热器是在工业过程生产中实现两种介质间进行热量传递的一种设备，也可以用来保证工艺流程和条件的同时实现二次能源余热的回收。在化工厂换热器约占总投资10%-20%；在炼油厂换热器约占全部工艺设备投资的35%-40%。由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需要。近20年来，换热设备在能量储备、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛运用。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程的需要。除此之外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。所谓低品位热能是指难以利用容易忽略的热能，例如工业排放的烟道气、高炉炉气等。

第二章 换热器工艺计算

2.1 设计任务

2.1.1 设计题目

U型管换热器结构设计，处理量为12000Nm/h，使用寿命为15年。 2.1.2 设计参数

（1）由2管程和1壳程组成。 （2）水蒸汽加热空气：

水蒸汽：入口温度100℃，出口温度100℃； 空 气：入口温度30℃，出口温度40℃。

（3）设计压力为常压1.1013MPa；允许的压降：不大于105Pa。 2.2 方案确定

考虑到空气和水蒸气均不易结垢，且为了便于强化传热，应使传热系数较小的流体管程。因此，选择空气走壳程，水蒸气走管程。 2.3 确定介质物性参数

根据定性温度，分别从《化学化工物性数据手册》中查取壳程和管程流体的相关物性数据如下表2-1：

表2-1 相关介质物性参数

介质 温度/℃ 密度kg/m3 定压比热容kJ/(kg.℃) 导热系数W/(m.℃) 黏度Pa.s 30℃ 空气 35℃（差值法取值） 1.147 1.005 0.02716 0.00001 40℃ 1.128 1.005 0.02756 0.0000191 水蒸气 100℃ 0.597 1.525 0.024 0.0000123 1.165 1.005 0.02675 0.0000186 2-1

2.4 计算总传热系数

2.4.1 热流量：

Q0m0cp0t0

（2-1）



12000291.012(4030)22.4

1.57105KJ/h43.67W2.4.2 平均传热温差： t'm2.4.3 水蒸气用量：

常压下100℃的水蒸气汽化热为r=2258KJ/Kg，则

Q01.5710569.53kg/h （2-3） wir2258(10040)(10030)65℃ （2-2）

22.4.4 总传热系数K ①管程传热系数：

idiuii0.8cpii0.40.023).5()du(0.0200.597 Rieiiid4854 （2-4） iiii0.00001230.0241.5251030.00001230.40.84854() 0.0230.0200.024222 ②壳程传热系数： .2W/(m℃)W/(m2℃)；污垢热阻Rsi0.00008598 假设壳程传热系数0150m2℃/W，

Rso0.00034394m2℃/W；管壁的导热系数K45W/(m℃)；则传热系数K：

K1dod1RsioRsoidikdmo（2-5）

10.0250.0250.00250.0251 0.000085980.0003439422.20.020.02450.022515015.8W/(m2℃)

2.5 传热面积计算：

Q43.67103 S'42.5m2 （2-6）

Ktm15.865 考虑25%的面积裕度，SS'1.251.2542.553.2m2 （2-7）

2.6 工艺结构尺寸

2.6.1管束数量确定：

本次U型管换热器设计采用单壳程双管程结构，若取传热管长L=3m，换热器程数为2，则

nsS53.222根6 （2-7） doL3.140.0253每程管束为226/2=113根。 管内流速： uiV42.6.2平均传热温差校正：

T1T21001000， （2-9） t2t14030tt4030 P210.14 （2-10）

T1t110030dins269.53/(0.5973600)0.91m2/s （2-8） 20.7850.02113 平均传热温差校正系数：R 按单壳程，双管程结构查温差校正系数表可得t1。

平均传热温差：tmtt'm16565℃。 2.6.3 传热管排列和分程方式：

每程均按正三角形排列，取管心距t=1.25d，则 t1.252531.2532mm

横过管束中心线的管数：nc1.19N1.1922618根。 2.6.4 壳体内径Di：

采用双管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为：

Di1.05tN/1.0532226/0.7604m （2-11） 圆整后可取目前常用管径Di800mm。 2.6.5 折流挡板

采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的30%，则切去的圆缺高度为：h0.30800240mm。

取折流挡板间距B0.5D，则B0.5800400mm。（根据GB151相关规定，挡板间距最小间隔为1/5倍壳体内径，且不小于50mm） 折流挡板数为：NB传热管长3000116.57块 （2-12）

折流挡板间距400 折流挡板圆缺面水平装配。 2.6.7 接管尺寸：

①壳程流体进出口接管：取接管内空气流速为u1=40m/s，则接管内径为 d14V412000290.34m6 （2-13） u122.436001.1473.1440圆整后可取壳程接管内径为350mm。根据GB3087-82中标准钢管规格，选用

37710的10号无缝钢管。

②管程流体进出口接管：取接管内水蒸汽流速u2=2m/s,则接管内径为：

d2

4V469.53/(36000.597)0.144m （2-14） u23.142圆整后取接管内径为150mm。根据GB3087-82中标准钢管规格，选用1594.5的10号无缝钢管。

第三章 材料选择

3.1 构件材料选择

3.1.1 一般选材原则：

（1）所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢和低合金钢之间，应尽量采用碳素钢钢板。

（2）在刚度和结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在强度设计为主的场合，根据压力、所需耐酸不锈钢温度、介质等使用，选用Q245R、Q345R等钢板。

（3）所需耐酸不锈钢厚度大于12mm时应尽量采用复合板衬里、堆焊等结构形式。

（4）耐酸不锈钢应尽量不用做设计温度小于或等于500℃的耐热钢。 （5）碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压、低压容器，壁厚不大的中压容器，锻件、承压钢管、非受压元件以及其他由刚性或结构决定壁厚的场合。

（6）低合金钢高强度钢用于介质腐蚀性不强、壁厚较大（≥8mm）的受压容器。 （7）珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀，或设计温度为350~650℃的压力容器用耐热钢。

(8)不锈钢用于介质腐蚀性较高、防铁离子污染或设计温度大于500℃或设计温度小于-100℃的耐热或低温用钢。 3.1.2 压力容器常用钢 (1)压力容器常用钢分类：

1)钢板 钢板是压力容器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，封头一般由钢板通过冲压或旋压制成。它具有良好的加工工艺性能。

2)钢管 压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。根据GB151-1999规定：当压力容器圆筒公称直径DN≤400mm时，可用钢管制作。当卷制圆筒的公称直径以400mm为基数，以100mm为进级档；必要时，也可采用50mm为进级档。

3)锻件 高压容器的平盖、端部法兰、中（低）压设备法兰、接管法兰等常用锻件制造。 (2)钢材类型

1)碳素钢也称碳钢 碳素钢强度较低，塑性和可焊性较好，价格低廉，故常用于常压或中、低压容器制造，也用作支座、垫板等零部件的材料。如：碳素结构钢Q235-B和Q235-C钢板；优质碳素结构钢10、20钢管，20、35钢锻件；压力容器专用钢板Q245R、20G，Q245R是在20钢基础上发展起来的，主要是对硫、磷等有害元素的控制更加严格，对刚才的表面质量和内部缺陷控制的要求也较高。 2)低合金钢 低合金钢是在碳素钢基础上加入少量合金元素的合金钢。它具有高强度、优良的韧性、焊接性能、成型性能和耐腐蚀性能；同时它不仅可以减小容器的厚度，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各种困难。

Q345R（16MnR）是屈服强度为340MPa级的压力容器专用钢板，也是中国压力容器行业使用量最大的钢板，它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能，主要用于制造中低压容器和多层高压容器。

16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR三种钢板是使用温度低于等于-20℃的压力容器专用钢板。

3)高合金钢 压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢，主要有铬钢、铬镍钢和铬镍钼钢，除了铬钢以外，高合金钢都具有良好的低温性能。

0Cr13是常用的铁素体不锈钢，有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能。

0Cr18Ni9是奥氏体不锈钢，具有良好的塑性、韧性和冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳。 3.1.3 构件材料终定 （1）壳体材料

本次U型管换热器结构设计中，水蒸气为干净清洁的气体，空气在流速低的情况下容易结垢，两者均不属于腐蚀介质。考虑到U型管换热器壳体内壁不易清洗且管程流速快，本次设计由空气走管程，水蒸气走壳程。故计算温度壳程为100℃，计算压力为常压，属于低压容器。

综合上面所述，本次壳程筒体材料的选择：壳程介质为空气，无毒、无腐蚀性,由于筒体直径为φ800mm >400mm，因此我们可以选择 Q245(GB150，4.1.4规定需在正火处理后使用)钢板作为壳体的材料。（GB151-1999） （2）封头和管箱短节材料

本次U型管换热器结构设计中，与封头接触的介质均为干净、无腐蚀、不易结垢的气体介质；并且设计压力为常压，在保证强度和成本的基础上考虑到壳体材料，为了焊接方便，因此壳体封头、管箱封头和管箱短节材料均采用Q245R钢板。

综上：本次U型管换热器各构件材料选择汇总如下表3-1：

表3-1 换热器各部分零部件材料

管箱短构件 材料/钢号 壳体 封头 节 Q245R

接管 法兰 管板 分程隔板 Q245R Q245R Q245R 10 Q235A Q245R 续表3-1

构件 U形换热管 折流板 拉杆 定距管 鞍式支座 垫片 紧固件 材料/钢号 20 Q235A 10 10 Q235A 石棉橡胶板 0Cr18Ni9 注明：由于本次换热器设计流体介质均为干净无腐蚀的流体，并且操作压力和

操作温度都是常温常压，因此对材料的选用要求不高，故通过查阅相关标准选用最常用，最节约成本的材料。

第四章 强度计算

4.1 筒体计算

4.1.1 厚度计算

由于本次设计空气走壳程，空气入口温度为30℃，出口温度为40℃，则设计温度取最高温度40℃。设计压力为常压为Pc=0.1013Mpa，选用材料为Q245R钢板卷制。材料在40℃时的许用应力为[]40℃147MPa。焊接接头系数根据GB150-2011和GB151-1999规定取双面焊局部检测0.85，壳体内径Di=800mm。

计算厚度 pcDi2pct0.10138000.3mm3 （4-1）

21470.850.1013 介质为压缩空气、水蒸气和水的碳素钢或低合金钢制换热器腐蚀裕量不低于1mm，查《腐蚀数据与材料选择手册》得年腐蚀量为0.1mm，使用年限为15年，故腐蚀裕量为C2=15×0.1=1.5mm，故

设计厚dC21.83mm （4-2） 根据GB/T 709-2006中的B类要求，Q245R等钢板的负偏差均为 ： C1=-0.30mm，故

名义厚度ndC11.53mm （4-3） 根据 GB151 中 5.3.2 的规定，碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度符合下表4-1要求。U型管式换热器筒体最小壁厚为 10mm，其中包含 1mm 的厚度附加量，因此本换热器筒体的名义厚度圆整后为 n =10mm。当厚度为10mm时Q245R钢板的[]t无变化，厚度合适。

表4-1

工称直径 浮头式、 8 U形管式 固定管板式 6 8 10 12 14 10 12 14 16 400~≤700 >700~≤1000 >1000~≤1500 >1500~≤2000 >2000~2600 注：表中数据包括厚度附加量C2（按1mm考虑）

4.1.2 校核筒壁压力

根据《化工容器及设备简明设计手册》圆筒壳应力校核公式为：

（4-4）

P(D)tcie2e 其中Pc=0.1013Mpa，Di=800，e=n-C1-C2=8-1.5+0.3=8.8，带入数据得：

t=5.48Mp<[]t=147Mpa，满足要求。

4.2 封头尺寸计算

本次封头采用标准椭圆形封头其形状系数K=1；查《化工容器及设备简明设计手册（第二版）》P324中有以内径为公称直径的碳素钢制封头在DN为800mm，壁厚为10mm时封头的直边为h2=40mm,曲面高度为h1=200mm质量为63.6kg。采用Q245R钢板冲压成型。 4.2.1 封头厚度计算

由于本次设计空气走壳程，空气入口温度为30℃，出口温度为40℃，则设计温度取最高温度40℃。设计压力为常压为Pc=0.1013Mpa，选用材料为Q245R钢板冲压制成。材料在40℃时的许用应力为[]40℃147MPa。焊接接头系数根据GB150-2011和GB151-1999规定取双面焊局部检测0.85，壳体内径Di=800mm。封头形状系数K=1。

计算厚度

（4-5）

KpcDi10.10138000.3mm3t70.850.50.101320.p5c214

介质为压缩空气、水蒸气和水的碳素钢或低合金钢制换热器腐蚀裕量不低于1mm，查《腐蚀数据与材料选择手册》得年腐蚀量为0.1mm，使用年限为15年，故腐蚀裕量为C2=15×0.1=1.5mm，故

设计厚dC21.83mm。

根据GB/T 709-2006中的B类要求，Q245R等钢板的负偏差均为C1=-0.30mm，故

名义厚度ndC11.53mm。

由于换热器筒体的壁厚为10mm，封头厚度应与筒体厚度一致，故圆整后封头名义厚度为n=10mm。当厚度为10mm时Q245R钢板的[]t无变化，厚度合适。 4.2.2 校核封头应力

根据公式：

必须满足t[]t。

其中Pc=0.1013Mpa，Di=800，e=n-C1-C2=8-1.5+0.3=8.8，带入数据得：

tPc(KDi0.5e)2e （4-6）

t Pc(KDi0.5e)2e0.1013（18000.58.8） （4-7）

28.80.855.44MPa[]t147MPa 满足许用要求。

4.3管箱短节计算

4.3.1 管箱短节圆筒厚度的计算

管程最高操作温度100℃,故取设计温度100℃，管程操作压力0.1MPa，选用Q245R钢板,负偏差为-0.3mm材料许用应力147MPa,取焊缝系数0.85,腐蚀余量C20.115=1.5mm。 计算厚度 tpcDi2pct0.10138000.3mm3 （4-8）

21470.850.1013 设计厚度 dC20.331.51.mm8 3 （4-9）

名义厚度 ndC11.830.3=1.53mm （4-10） 综合考虑结构,补强,焊接的需要,由GB151-1999表8有n10mm 有效厚度 enC1C2100.31.58.8mm 则短节圆筒名义厚度n10mm 4.3.2 压力及应力计算

根据《化工容器及设备简明设计手册》圆筒壳应力校核公式为： tPc(Die)2e

（4-11）

其中Pc=0.1013Mpa，Di=800，e=n-C1-C2=8-1.5+0.3=8.8，带入数据得：

t=5.48Mp<[]t=147Mpa，满足要求。

4.3.3 管箱短节长度计算

管箱最小长度Lmin计算；按流通面积计算：

di2Ncp Lminh1h2S （4-12）

4E3.14202226200406 4800 334.7335mm h1—封头曲面高度 200mm； h2—封头直角边高度40 mm； Ncp—换热管数 226根； di—换热管内径 20mm； S—封头厚度10 mm ；

在壳体设计时，已知管箱和壳体在DN800时，圆筒最小厚度要取10mm，根据GB150规定，短节长度L≥300mm,考虑到管程开孔直径d150mm ，计算所得最小长度为335mm，故取管箱短节的尺寸为DN800,n10mm,L400mm。

4.4 管板设计及校核

管板与法兰采用a型连接，换热管与管板采用强度焊接连接。管板材料为Q245R,设计温度下管板弹性模量E2.01011Pa，设计温度下许用应力为

147MPa，考虑到管板与分程隔板的连接，壳、管程侧开槽深度为

h10mm,h24mm。腐蚀余量CsCt1.5mm 。

4.4.1 布管面积

布管区域内，未能被支撑的面积Ad

Adn'S(Sn0.866S) 1832(440.86632)9381.888mm2

（4-13）

管板布管区面积

At1.732nS2Ad （4-14）

1.7322263229381.888410208.256mm2 管板开孔后面积

A1At4nd2 （4-15）

3.14252410208.256226 4299327.006mm2 4.4.2 管板布管区的当量直径 Dt4At4410208.256 （4-16） 723mm3.14

管板参数：根据JB/T4700-4703，壳体内径为800mm时，管板与管箱、壳体连接采用a型，此时管板外径为840mm，垫片压紧作用中心圆直径DG=820mm。钢板边缘旋转刚度参数Kf0。

系数t：tDtDG7238200.882

1/t1/0.8821.134

查询GB151-1999表19，得Cc0.256

在a型连接中，由GB150-2011表7-1，压紧面形状选择为1a,垫片外径为840mm，内径为800mm。

N850-800256mm （4-17） 22垫片有效密封宽度：b2.53bo12.65mm

（4-18）

垫片基本密封宽度：bo4.4.3管板计算厚度

由管板厚度计算公式：

0.8D2GCcpdrt

（4-19）

式中， —管板强度削弱系数，0.4

r—设计温度下管板材料的许用应力，147MPa

Pd为0.1013Mpa 管板计算厚度为：

t0.8D2GCcpdrt0.2560.1013=0.82825 0.4147 （4-20）

=14.21mm4.4.4 管板名义厚度

根据GB151-1999 管板的名义厚度不小于下列三者之和：

（1）管板的计算厚度或最小厚度，取大者； （2）壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者； （3）管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大者；

所以，管板名义厚度应不小于下列三部分之和即：

nMAX,minMAXCs,h1MAXCt,h2MAX14.21,12MAX1.5,0MAX(1.5,4)14.21+1.5+419.71mm 考虑到拉杆固定，取管板名义厚度n30mm 4.4.5 换热管轴向应力计算及校核

换热管材料为20（GB9948），其设计温度下材料许用应力t147MPa，许用拉脱力q0.5t73.5MPa 。

t （4-21）

t一根换热管管壁金属的横截面积

ado2di24

252202176.6mm24 （4-22） 换热管轴向应力校核： d2 tPsPt4a

① 只有壳程设计压力Ps0.1013MPa，管程设计压力为0；

P t （4-23）

分别以三种不同工况进行计算：

t0.101302524176.60-0.282MPa

② 只有管程设计压力Pt0.1013MPa，壳程设计压力为0；

t00.10132524176.60.10130.181MPa

③ 壳程设计压力和管程设计压力同时作用； t0.101 M3Pa以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力：

t147MPa。

换热管与管板连接拉脱力： qtta （4-24） dl 其中t取以上计算中三种工况的绝对值最大者t-0.282MPa，查GB151-1999表33有：

ll1l3 （4-25） 取换热管最小伸出长度l12mm，最小坡口深度l32mm，则有

mm l224

由此得：q-0.228176.60.128MPa< q= 73.5MPa

254综上，强度满足要求，各尺寸适合。

4.5 开孔补强计算

4.5.1等面积法适用范围

等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0。本方法的适用范围:

1)当圆筒内径Di≤150mm时，开孔最大直径dop≤Di/2，且dop≤52Omm; 2)当圆筒内径Di>1 500 mm时，开孔最大直径dop≤Di/3，且dop≤1 000 mm； 3)凸形封头或球壳开孔的最大允许直径dop≤Di/2；锥形封头开孔的最大直径

dop≤Di/3，Di为开孔中心处的锥壳内直径。

注:开孔最大直径dop对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸。

由以上规定可知，本次接管外径为377和159均大于不另行补强的最大接管外径，故开孔需另行考虑其补强。其中10号钢管许用应力[]n腐蚀裕度C=15×0.1=1.5mm。 4.5.2 壳程接管开孔补强

开孔直径：ddi2c35721.5360mmDi/2400mm，满足等面积法开孔补强计算使用条件。 开孔材料强度削弱系数fr：

fr[]n1210.823[]t147t50℃121Mpa，取

（4-26）

接管计算厚度：

t

接管有效厚度：

pcdi0.1013357 0.18mm2[]tnpc21210.850.1013 （4-27）

etntc101.58.5mm （4-28）

开孔所需补强面积： （4-28） Ad2et(1fr) 3600.3320.338.5(10.823)

119.8mm2

有效补强范围：

①有效宽度：B2d2360720mm；

②有效高度：外侧有效高度h1dnt3601060.0mm； 内侧有效高度h20。

壳体多余金属面积： （4-29）

A1(Bd)(e)2e(e)(1fr)(720360)(8.80.33)28.5(8.80.33)(10.823)3023.7mm2 接管多余金属面积： （4-30）

A22h1(ett)fr2h2(etC2)fr260(8.50.18)0.8230821.7mm2 接管区焊缝面积：A320.56636mm2

综上，有效补强面积为：AeA1A2A33023.7821.7363881.4mm2，由于AeA119.8mm2，所以本次开孔满足补强要求，不需要另行补强。 4.5.3 管程开孔补强

开孔直径：ddi2c15921.5162mmDi/2400mm，满足等面积法开孔补强计算使用条件。 开孔材料强度削弱系数fr：

fr[]n1210.823

[]t147 （4-31）

接管计算厚度： t

接管有效厚度：

etntc101.58.5mm （4-33）

开孔所需补强面积： （4-34）

Ad2et(1fr)pcdi0.1013159 0.08mm2[]tnpc21210.850.1013 （4-32）

t 3600.3320.338.5(10.823)

119.8mm2

有效补强范围：

①有效宽度：B2d2360720mm；

②有效高度：外侧有效高度h1dnt3601060.0mm； 内侧有效高度h20。

壳体多余金属面积： （4-35）

A1(Bd)(e)2e(e)(1fr)(720360)(8.80.33)28.5(8.80.33)(10.823)3023.7mm2 接管多余金属面积： （4-36）

A22h1(ett)fr2h2(etC2)fr260(8.50.18)0.8230821.7mm2 接管区焊缝面积：A320.56636mm2

综上，有效补强面积为：AeA1A2A33023.7821.7363881.4mm2，由于AeA119.8mm2，所以本次开孔满足补强要求，不需要另行补强。结论是采用10号1594.5无缝钢管满足补强要求，不需要另行补强。

第五章 结构设计

5.1 设备外部结构

5.1.1 壳体结构

筒体按结构可分为单层式和组合式两大类：

（1）单层式筒体 单层筒体按制造方式又可分为单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式等几种。其中单层卷焊是目前用得最多的一种筒体形式，它的主要优点就是结构简单，制造方便。

（2）整体锻焊式筒体的材料金相组织紧密，强度高，因而质量较好，特别适合于焊接性能较差的高强度钢所制造的超高压容器。

(3)组合式筒体又包含多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式和绕带式。

(4)多层包扎式是目前世界上使用最为广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构，制造工艺简单，可靠性强。但是，制造工序多，周期长，效率低，钢板材料利用率低的缺点。

(5)热套式圆筒除了具有多层包扎式的优点外还具有工序少和周期短等优点，但需要有较准确的过盈量，对卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合。 (6)绕板式和整体多层包扎式具有的特点与多层包扎式和热套式类似。 综上所述：本次筒体结构形式采用单层卷焊式。 5.1.2 封头结构

根据几何形状的不同，封头可分为球形、椭圆形、碟形、球冠行、锥壳、变径段、紧口和平盖等几种，其中球形、椭圆形、碟形和球冠形封头又统称为突形封头。

受内压的半球形封头 在均匀内压作用下,薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒的一半，故从受力分析上看，球形封头是理想的结构形式。但是缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。

椭圆形封头 是由半个椭球面和短圆筒组成。由于封头废热椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭球形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。

碟形封头 是一个不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，故受力状况不佳。

球冠形封头 碟形封头当r=0时，即成为球冠形封头，它是部分球面与圆筒直接连接，因而结构简单、制造方便，常用作容器中两受压室的中间封头，也可用作端盖。

锥壳 由于结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒的中间过渡段，在中、低压容器中使用较为普遍。

综上所述：本次封头采用标准椭圆形封头其形状系数K=1；查《化工容器及设备简明设计手册（第二版）》P324中有以内径为公称直径的碳素钢制封头在DN为800mm，壁厚为10mm时封头的直边为40mm,质量为63.6kg。 5.1.3 管箱结构

管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀的分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。

管箱的结构形式主要是根据换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来确定的，本次设计的换热器中，两流体分别为空气和水蒸气，从介质来讲属于比较清洁的介质，对于管子的清洗要求不是很高，从各方面的条件考虑选用封头管箱结构，管箱封头也采用标准椭圆形封头。 5.1.4 接管设计

接管设计一般由以下几个要求： （1）接管宜与壳体内表面平齐；

（2）接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置； （3）设计温度高于或等于300℃时，应采用对焊法兰；

（4）对于不能利用接管进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置排气口，或在最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm。

由于壳体内空气可由接管排出，故不设置排气孔；接管与法兰采用板式平焊法兰。根据《化工容器及设备设计手册（第二版）》表23-5-1规定，当接管公称直径70mm-500时mm，接管外伸长度为150mm。 5.1.5 法兰选用 （1）法兰形式选择

法兰类型包括：板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰、整体法兰、承插焊法兰、螺纹法兰、对焊环松套法兰、平焊环松套法兰、法兰盖和衬里法兰盖。

由于本次设计温度为常压，对法兰要求不是很高，且为了方便铸造，降低成本，故采用接管法兰采用板式平焊法兰；设备法兰选用甲型平焊法兰。根据JB/T4700-2000表6规定，综合考虑后材料选用 Q235A板材。 （2）接管法兰尺寸

查HG20592-2009法兰标准表8.2规定：

PN0.6Mp，钢管外径A1=377mm时，法兰外径D=490mm，螺栓孔中心圆直径K=445mm，螺栓孔直径L=22mm，螺栓孔数量n=12个，螺纹M20，法兰厚度C=26mm，密封面d=415mm,f1=4mm，f2=5.5,法兰内径B1=381mm，法兰理论重量11.9kg。

PN0.6Mp，钢管外径A1=159mm时，法兰外径D=265mm，螺栓孔中心圆直径K=225mm，螺栓孔直径L=18mm，螺栓孔数量n=8个，螺纹M16，法兰厚度C=20mm，密封面d=202mm,f1=3mm,f2=5,法兰内径B1=161mm，法兰理论重量5.14kg。

具体尺寸位置如下图5-1：

图 5-1

（3）壳体法兰尺寸

查JB/T4700~4703-200压力容器法兰标准表一规定：

PN=0.25Mp,DN=800时，D=915,D1=880,D2=850,D3=840,D4=837,厚度=36mm,螺栓孔直径d=18mm，螺栓孔数量n=32个，螺纹M16。 螺栓孔位分布如下图5-2：

图 5-2

5.1.6 支座结构

采用换热器常用支座-鞍式支座，查《化工容器及设备设计简明手册（第二版）》表22-1规定，符合壳体公称直径800mm的鞍式支座为：重型、B1型，120度包角，焊制，双筋，带垫板；支座具体尺寸见下表5-1。

工称直径DN 底板 允许载鞍座高b1 腹板 筋板 垫板 鞍座质螺栓间量 不带垫板 21 27 30 荷 度h l1 1 2 l3 b3 3 弧长 b4 4 带垫板 e 距l2 700 170 800 220 200 900 225 0 720 150 10 810 8 350 10 400 120 8 830 940 460 28 200 6 36 530 35 590 40 10 450 表5-1

1060 鞍座材料一般为Q235-A.F，如需更换其他材料则选择与壳体材料相同。鞍座置应尽可能靠近封头，即A应小于或等于D0/4，且不宜大于0.2L，当需要时最大不得大于0.25L。考虑到管箱长度，本次鞍座位置A取872mm<0.25×3542=885.5mm，满足要求。

5.2 设备内部件结构

5.2.1 折流板设计 （1） 折流板数量

采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的35%，则切去的圆缺高度为：h0.35800280mm。

取折流挡板间距B0.5D，则B0.5800400mm

折流挡板数为：NB传热管长3000116.57块 （5-1）

折流挡板间距400 折流挡板圆缺面水平装配，如下图：

图5-3

（2）折流板厚度及外径 根据GB151规定有：

当折流挡板无支承间距为600mm-900mm，挡板DN为700mm-900mm时挡板最小厚度为8mm。其中挡板公称直径为：当壳体公称直径为500mm-900mm时，挡板公称直径为DN=800-4.5=795.5mm，允许的偏差为-0.8。 （3）折流板管孔设计

根据GB151规定，换热管外径小于32mm时，折流板管孔为: d+0.4=25+0.4=25.4mm，下偏差为0，上偏差偏差为+0.3。 5.2.2 拉杆和定距管设计

本次拉定距管均采用碳素钢作为材料。

根据GB151相关规定可得：

换热管外径为25mm时，定距管直径与换热管规格相同，为252.5，长度自定（见装配图）；DN为700mm-900mm时，拉杆直径为16mm，拉杆数量为6根，且当换热管外径大于等于19mm时，应该采用拉杆定距环结构，如下图5-4：

图5-4

拉杆与管板为螺纹连接，如下图5-5：

图5-5

其中螺纹深度l2由公式l21.5dn确定，dn为拉杆螺孔公称直径，由下表5-2确定：

表5-2 换热管外径 管孔直径 允许偏差 14 14.25 16 16.25 19 19.25 25 25.25 32 32.35 38 38.40 +0.20 0 45 45.40 57 57.55 +0.25 0 +0.15 0

拉杆结构尺寸如下图5-6和表5-3所示：

表5-3 拉杆直径d 10 12 16 拉杆螺纹工称直径dn 10 12 16 La 13 15 20 Lb ≥40 ≥50 ≥60 b 1.5 2.0 2.0

图5-6

5.2.3 分程隔板设计 (1)分程隔板尺寸

分程隔板材料为Q245R板材，许用应力时，最小厚度min10mm，取n10mm。

表5-4 分程隔板最小厚度

钢板最小厚度 公称直径DN 碳素钢及低合金钢 ≤600 >600~≤1200 >1200 8 10 14 高合金钢 6 8 10 100C147MPa。根据GB151-1999

中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定如下表5-4：当DN600mm1200mm

(2)分程隔板板槽

板槽设计应符合以下规定：

1）槽深不宜小于4mm；2)宽度为：碳钢12mm；3)板槽拐角处的倒角一般为45度，倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R，如下图5-6：

图5-6

5.2.4 防冲挡板 根据GB151规定：

当管程采用轴向入口接管或介质流速超过3m/s时应设置防虫冲挡板，本次管程流速为2m/s，故可以不设置防冲挡板。

当壳程进口管非腐蚀单相流体的v22230kg/(ms2)时应在壳程进口处设置防冲挡板，本次壳程为空气，v21.1474021835.2kg/(ms2)，故不需要设置防冲挡板。 5.2.5 管板设计

管板与壳体、管箱的连接方式

采用a型连接（管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接），如下图5-7：

图5-7

5.2.6 U型换热管 （1）U型换热管规格

管子材料选择20号无缝碳钢管252.5，级管束，根据GB151表11可得： U形管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径取Rmin=50mm，如下图5-8。

图5-8

（2）U型管弯曲段弯曲前最小壁厚 最小壁厚按下式计算：

d0114R

其中，d = 25mm，R = Rmin= 50mm，1 = 2.5mm，带入上式得：

2.525014502.81mm，圆整取为3.0mm。

符号规定：

d ---- 换热管外径，mm； δ ---- 换热管厚度，mm； R ---- 弯管段弯曲半径，mm；

0 ---- 弯曲前换热管的最小壁厚，mm； 1 ---- 直管段的计算厚度，mm；

5-2）

（ （3）管子的排列型式

换热管的排列主要有以下图5-9四种方式：

图5-9

正三角形排列用得最普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列最多的管子数，而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗，TEMA标准规定，壳程需用机械清洗时，不得采用三角形排列型式。

在壳程需要机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，且要保证6mm的清洗通道。

图中a和d两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面要比b、c两种的小，有利于提高流速，故更合理些。

本次设计壳程为空气，不易结垢，故采用正三角形排列。 （4）换热管中心距

换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据GB151-1999表12，取换热管中心距为S = 32mm，取分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。 （5）布管限定圆

根据GB151规定，各尺寸由以下确定： 符号：

b ---- 见下图5-10，其值按表5-5选取，4mm；

b1 ----见下图5-10，其值按表5-6选取，5mm；

b2 ----见下表5-7，b2bn1.5=14.5mm；

b3 ---- 固定管板式换热器或U型管式换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁

的最短距离，见下图5-10，b3 = 0.25d = 0.25×25= 6.25mm，一般不小于8mm，取b3= 10mm；

bn ---- 垫片宽度，其值按表5-6选取，13mm；

DL ---- 布管限定圆直径，DLDi2b3800210780mm；

Di ---- 圆筒内直径，800mm；

d ---- 换热管外径，25mm；

图5-10 表5-5

Di <1000 1000~2600

b >3 >4 表5-6

Di ≤700 >700 bn ≥10 ≥13 表5-7

b1 3 5 换热器型式 布管限定圆直径D1 固定管板式、U型管式 D1-2b3 浮头式 D1-2（b1+b2+b）

（5）换热管的排列原则

①换热管的排列应使整个管束完全对称；

②在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板间的距离规定的范围内，应全部布满换热管；

③拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆，其间距小于或等于700mm，拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距地（0.5～1.5）3范围内；

④多管程的各管程数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不得超过20%。

5.3 各构件连接形式

5.3.1 压力容器连接形式分类

压力容器的焊接接头形式分为A、B、C、D四类，如下图5-11。

圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸型封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属于A类焊接接头。 壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头，均属于B类焊接接头。

平盖、管板与圆筒非对接连接接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属于C类焊接接头。 接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属于D类焊接接头。

图5-11

5.3.2 椭圆封头和壳体的连接

此焊接接头接头属于B类焊接接头，壳体和封头的厚度均为10mm，根据相关原则必须采用对接接头，双面全熔透，局部无损检测。根据GB150-2011附录D规定如下图5-12：

图5-12

5.3.3 壳程接管和壳体的连接

此类焊接接头形式为D类焊接接头形式，由于本次设计换热器属于低压容器，且所用接管无需另行补强，故可以采用用的最多的插入式接管焊接全熔透结构形式，接管插入处与壳体的间隙小于3mm。 根据GB150-2011附录D规定如下图5-13：

图5-13

5.3.4 管程接管与壳体的连接

此类焊接接头形式为D类焊接接头形式，由于本次设计换热器属于低压容器，接管规格为1594.5，管径小于600mm，厚度小于6mm，且盛装的介质为无腐蚀，常压的水蒸气，故可以采用插入式接管单面焊焊接结构形式，根据GB150-2011附录D规定如下图5-14。

图5-14

5.3.5 管束和管板的连接

对于换热管与管板的连接结构形式，主要有以下三种：①胀接；②焊接；③胀焊并用，但也可采用其他可靠的连接形式。

（1）强度胀接 用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况下，胀接结构简单，管子修不容易。由于胀接管端处在胀接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的上升，残余应力逐渐消失，这样使管端处降低密封和结合力的作用。 一般适用设计压力≤4MPa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及明显的应力腐蚀场合。一般要求：

①换热管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；

②有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。 （2）强度焊 是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。管子与管板的焊接，目前应用较为广泛，由于管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力

强，当焊接部分渗漏时，可以补焊，如须调换管子，可采甩专用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸胀管方便。不适用于有较大振动和有间隙腐蚀的场合。 本次设计，换热管材料为20钢，管板材料为Q245R，两种材料在设计温度下的许用应力几乎相等为147MPa；壳程流体为干净的介质，不易结垢、堵塞和产生腐蚀，综上所述：管板和换热管之间采用强度焊，结构形式及尺寸如下图5-15：

图5-15

结 论

U形管换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型工艺设备。其可靠性高、适用性广等优点，使之在各工业领域中得到最为广泛的应用。换热器的合理设计与开发，直接关系到能源的合理应用与可持续发展道路。

本次设计任务是设计一台年处理量为12000Nm3，水蒸汽加热空气的U形管式换热器，根据介质特性以及工艺计算，选择流程为：空气走壳程，水蒸汽走管程。选择换热管材为新标准规定的20无缝钢管（GB9948），单管长为3m。选择壳体材料为Q245R，壳径0.8m，依据计算采用卧式U形管换热器。通过强度校核，充分理解到强度设计计算是保证设备安全运行的基本条件。

本次毕业设计是完全在GB150.1~150.4-2011、GB151-1999、TSG R0004-2009以及相关法律法规的指导下完成的。本次设计内容主要是：工艺计算，包括确定出换热面积、换热器筒体的内径等；结构设计，包括封头、管板支座等部件的设计选择；强度校核计算，包括壳体厚度、耐压试验、开孔补强等；设备制造、检测与验收条款的编写。其中以强度校核计算为设计的重点和难点。

致 谢

本次毕业设计共用时三个月,包括毕业实习和毕业设计两个部分。在毕业实习过程中，通过到西南科技大学校内实训基地、四川科新机电股份有限公司和绵阳卷烟厂的实地考察，了解参观了一系列的换热设备，着重对U形管式换热器进行了深入了解。结合在校内的资料查阅，历经三个月，在指导教师的悉心指导下，通过个人的不懈努力，顺利完成了本次毕业设计任务。

在毕业设计过程中，杨玉民老师对我的毕业实习、设计内容、设计说明书规范以及设计图纸给予很大帮助与指导，王建高级顾问对我的毕业实习、设计标准、图纸材料等基础规范给予了很多指导与支持。在过程中，两位老师给予的不仅仅是教学上的指导，更重要的是学习思想、做人理念的传授。在这里特向高级工程师杨玉民副教授、高级工程师王建教授两位指导教师表示感谢。

本次毕业设计使我学到了很多知识，理论与实际的结合，让我们在即将走向工作岗位时，对于如何做好一个课题提供了良好的锻炼机会。在这一个完整的设计过程中，有很多我们需要学习的知识，有很多需要我们从生活中来积累，需要时刻保持一颗谦虚、谨慎的态度。但是，由于时间和自己掌握的知识有限，在设计的过程中难免有错误，衷心希望老师指正。

参考文献

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