换热器设计论文

1、前言使热量从热流体传递到冷流体的设备成为换热设备。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备，在生产中占有重要地位。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要求规定的指标,以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛在本设计中，我所设计的是U型管换热器。U型管换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U型管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热

2、管有温差时，不会产生热应力。U型管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不宜结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。目 录1 说明部分41.1 绪论11.1.1 换热器的概述21.1.2 换热器的分类及结构类型21.1.3换热器各零部件作用以及选材22 计算部分42.1 筒体、封头和管箱壁厚计算52.1.1 筒体厚度计算52.1.2 前端管箱筒体计算62.1.3 前端管箱封头计算72.1.4 后端壳体封头计算82.2 管板厚度计算52.3换热管与壳体在温差和液体压力联合作用下的应力计算9

3、2.3.1 筒体及后端筒体封头的水压试验校核112.3.2 前端管箱及前端管箱封头的水压试验校核132.3.3 封头的最小厚度校核142.4 管子拉脱力和稳定性校核182.5 开孔补强计算182.5.1 前端管箱筒体及封头补强182.5.2 筒体及筒体封头的补强20结论22致 谢23参考文献251 说明部分1.1 换热器的概述换热器是使热流体的部分热量传递到冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器

4、内的水，换热器又称热交换器。1.2 换热器的分类及结构类型换热器的分类很多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类，按其结构分类主要有管壳式和板式两种。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本可以分为三大类，即：间壁式、混合式和蓄热式。间壁式换热器夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单，但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，壳在釜内安装搅拌器。当夹套总通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其他增加传动的措施，以提高夹套一侧的给热系数。为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程中的加热和冷却。沉

5、浸式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的各种形状，并沉浸在容器内的液体中，蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制作；缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小，为提高传热系数，容器内可装搅拌机。喷淋式换热器：这种换热器是将换热器成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换气器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。另外这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发已带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大热推动力的作用，因此和沉浸式相比，喷淋式传热效果大有改善。套管式换热器：套管式

6、换热器是有直径不同的直管制成的同心套管，并由U形关头连接而成，在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，俩者皆可得到较高留速。故，传热系数较大。另外，在套管换热器中，俩中流体可为纯逆流，对数平均推动力较大，套管换热器的结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要增减管段数），特别是由于套管转热气具有传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程中（例如操作压力为30000大气压的高压聚乙烯生产过程）所使用的换热器几乎全部是套管式。管壳式换热器：管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器。它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占主导地位。管壳式换

7、热器重要由壳体、管束、管板和封头等组成，壳体多成圆形，内部装有平行管束，管束俩段固定有管板上。在管壳式换热器内进行换热俩中流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面，为提高管外流体给热系数，通常在壳体再安装一定数量横向者流挡板，不仅可以防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加，常用的挡板有圆圈形和圆盘形两种，前者应用更为广泛，流体在管内每通过管束一次，称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分割成若干组。这样，流体每次可通过部分管子而往返

8、管束多次，称为多管程。同样，为提高管外流速，壳体内安装纵向挡板，使流体多次通过壳体空间，称为壳程。在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束温度也不同，如两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能是管子弯曲，断裂或从管套上脱落。因此，当管束和壳体温差超高50时，因采取适当的温度补偿措施，消除或减小热应力。混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热效率。故凡允许流体互相混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤和冷却、循环水的冷却、汽水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等

9、等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其他许多生产部门中。按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同类型:冷却塔（或称冷水塔）:在这种设备中,用自然通风或机械通风的方法,将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用,以提高系统的经济效益（例如热力发电厂或核电站的循环水,合成氨生产中的冷却水等）,经过水冷却塔降温之后再循环使用。这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。气体洗涤塔（或称洗涤塔）:在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的（例如用液体吸收气体混合物中的某些组分、净气体中的灰尘、气体的增湿或干燥等），但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调

10、工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点。所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用。喷射式热交换器：在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。混合式冷凝器：这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。 蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备，内装

11、固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热，这两个阶段交替进行，通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时,冷气体进入另一器。常用于冶金工业（如炼钢平炉的蓄热室），也用于化学工业（如煤气炉中的空气预热器或燃烧室），人造石油厂中的蓄热式裂化炉。 蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。1.3换热器各零部件作用以及选材2 计算部分基础数据： 管程 壳程 设计压力 设计温度 介 质 循环水 丙烷 程 数 2 1圆筒内径保温层

12、材料岩棉，120mm 换热面积 170使用寿命 10年2.1 筒体、封头和管箱壁厚计算及压力试验校核2.1.1 筒体厚度计算根据操作介质、设计压力、设计温度选取筒体材料为16MnR。设计压力、设计温度、内径、钢板负偏差、腐蚀裕量、设计温度下的许用应力 、焊接系数 计算厚度： = = 设计厚度： = = 名义厚度： =向上圆整 = 有效厚度： =2.1.2 前端管箱筒体计算 设计压力、设计温度、内径、钢板负偏差、腐蚀裕量、焊接系数，设计温度下的许用应力。 计算厚度： = = 设计厚度： = = 名义厚度： =向上圆整 = 有效厚度： = =2.1.3 前端管箱封头计算 设计压力、设计温度、材料1

13、6MnR、内径、钢板负偏差、腐蚀裕量、焊接系数，设计温度下的许用应力。选用标准椭圆形封头，则形状系数K=1。此时，则曲面高度。 计算厚度： 设计厚度： = = 名义厚度： = 有效厚度： =2.1.4 后端壳体封头计算 材料为16MnR。设计压力、设计温度、内径、钢板负偏差、腐蚀裕量、焊接系数，设计温度下的许用应力。 选用标准椭圆形封头，则形状系数K=1。此时，则曲面高度。 计算厚度： 设计厚度： = = 名义厚度： 有效厚度：2.2 管板厚度计算管板设计温度下许用应力、管板设计温度下的弹性模量、管板刚度削弱系数y=0.4、强度削弱系数u=0.4、管子与管板胀接长度或焊脚高度根据GB151-1

14、998表32查得、许用拉托力由GB151-1998表26钢管焊接： = =面积计算：在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积。 = = 管板布管区面积。 = = 管板布管区当量直径。 = = 则有： =查GB151-1999表22得：管板采用16Mn锻钢由GB150-1998查得，设计温度下的许用应力。管板的设计压力取管程与壳程压力的较大值，取。管板计算厚度： = = = =取。2.3换热管与壳体在温差和液体压力联合作用下的应力计算2.3.1 筒体及后端筒体封头的液压试验校核操作温度下的许用应力，设计压力，设计温度下的许用应力，内径，焊接系数，常温下的屈服极限，筒

15、体的有效厚度。 (1)试验压力值 = = 压力试验前圆筒的薄膜应力 = = 因为 所以，该设计选材合格。 (2)压力及应力计算 圆筒的最大允许工作压力 因为 所以，满足条件。 (3)设计温度下圆筒的计算应力 = = 因为 所以，满足强度校核条件。 前端管箱及前端管箱封头的液压试验校核设计压力、设计温度、内径、焊接系数、有效厚度、 操作温度下的许用应力、设计温度下的许用应力、常温下的屈服极限。 (1)试验压力值 = 压力试验前圆筒的薄膜应力 因为 所以，合格。 (2)压力及应力计算 圆筒的最大允许工作压力 因为 所以，合格。 (3)设计温度下圆筒的计算应力 = = 因为 所以，合格。 封头的最小

16、厚度校核 根据GB1501998，标准椭圆形封头的有效厚度不应小于封头内直径的0.15%。 = =1.8 (1)前端管箱封头 所以，满足最小厚度要求。 (2)后端壳体封头 所以，满足最小厚度要求。2.4管子拉脱力和稳定性校核选用的无缝钢管 根据标准取换热管根数为n=450，由、查GB150-1998得管心距、分程隔板槽两侧相邻中心距、换热管按正方形排列。垫片压紧面中心圆直径、管子设计温度下许用应力、管子设计温度下许用应力屈服点。管子设计温度下的弹性模量，管子材料：10钢。换热管轴向应力：其中， = =一根换热管管壁金属的横截面积。（1）只有管程设计压力，壳程设计压力。 = =因为， 所以，满足

17、条件。换热管与管板连接的拉脱力： = =因为， 所以，合格。（2）只有壳程设计压力，管程设计压力。因为， 所以，满足条件。换热管与管板连接的拉脱力： = =因为， 所以，合格。（3）管程设计压力，壳程设计压力同时作用。 = =因为， 所以，合格。 换热管与管板连接的拉脱力： = =因为， 所以，合格。换热管材料满足在管程设计温度、设计压力和壳程设计温度、设计压力同时作用下的许用应力。2.5 开孔补强计算2.5.1 前端管箱筒体及封头补强选用接管：无缝钢管 则名义厚度： 有效厚度： 接管计算厚度： 前端管箱通体厚度： 开孔削弱截面积： = = 有效宽度： = = 补强区外侧高度： = = 补强区

18、内侧高度： = = 补强面积计算： = =壳体有效厚度减去计算厚度外的多余面积。 = =接管有效厚度减去计算厚度外的多余面积。焊缝金属截面积。 = = 因为， 所以，需要开孔补强。2.5.2 筒体及筒体封头的补强选用接管：无缝钢管则接管名义厚度： 接管有效厚度： 开孔削弱所需要的补强截面积： = = 有效宽度： = = 补强区外侧高度： 补强区内侧高度： 补强面积计算： = =壳体有效厚度减去计算厚度外的多余面积。 = =接管有效厚度减去计算厚度外的多余面积。焊缝金属截面积。 = = 因为， 所以，不需另外补强。结论通过本次设计，我了解了一些有关U型管换热器的知识，像是U型管换热器的结构特点，

19、U型管换热器的应用范围，U型管换热器的主要作用以及U型管换热器的以后发展的方向。致 谢 通过做这个U形管换热器的设计，我懂得了很多与U型管换热器相关的知识及其由理论向实际转变的过程。 此次换热器设计，我的主要思路还是根据传统结构思路进行。在这个设计中，公式繁多，这么多的公式不可能全部记熟，但是我们可以通过运用来加强理解，通过多次接触，我记住了这些重要的公式，相信会为我以后的工作带来便利。在资料查阅方面，我坚信一个可用的、优秀的设计必须参考大量的有用资料，在查阅的过程中，不仅找到了我需要的资料，而且学会了怎样查阅到有用的信息，这是非常重要的。 总的来说，通过这次毕业设计，我的收获很大。各方面的知识都有所涉及，而且再次提高了我的制图水平，而且是对我大学四年学习东西的一次总结，使我温习了以