摘要
?本设计着重就PN2.0DN700 ?U型管式换热器的设计，并简要论述了其加工制造过程，就以所给物性参数与生产量为基础，利用传热原理和传热计算所得换热面积确定U型管式换热器的基本形式.依据GB150—1998《钢制压力容器》和GB151—1999《管壳式换热器》等标准对换热器各零件结构与强度进行了设计，包括筒体、管箱管板以及进出口管等。最后还介绍了U型管换热器检验、安装、维修的内容。 【关键词】：传热面积 ?传热系数 ??U型式换热器 ???管壳式换热器
前言
使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，换热器是化学工业，石油工业及其它行业中广泛使用的热量交换设备。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资10-20%，在石油炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35-40%。石油、化工装置中的换热设备，应用得最为广泛的是管壳式换热器。 ????虽然现在出现大量结构紧凑高效的换热设备，例如：波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、散板换热器等，但在各行业的换热设备中，管壳式换热器仍占据着主导地位。因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀等特点，而管壳式换热器具有选材范围广(可为碳钢、低合金钢、高合
金钢、铝材、铜材、钛材等)，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器被广泛应用于化工、炼油、石油化工、制药、印染以及其它许多工业中，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。
U型管换热器的结构特点是：只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。
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易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。设计换热器时，其基本的要求是：
第一，热量能有效的从一种流体传递的另外的一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。在一定的热负荷下，也即每小时要求传递的热量一定时，传热效率（通常用传热系数表示）越高，需要的传热面积越小，当然这是在相同的温差作比较。
第二，换热器的结构能适应所规定
的工艺操作条件，运转安全可靠，严密不漏。清洗检修方便，流体阻力小。
第三，要求价格便宜，维护容易，使用时间长。
U型管换热器简图
本次设计的目的：1，了解设计换热器所需要的工艺参数及传热计算，对换热器的设计有一个初步的准备。2，在设计的过程中，学会参照国标以及查阅相关的文献获得设计所需要的物性以及结构参数。3，通过计算机制图，更加熟练使用CAD绘图软件。4，从宏观上把握化工设备的生产过程，为以后的工作打下基础。 ???
本次设计的换热器在编制说明书分了六部分：第一部分前言，主要是对U型管换热器的应用、优缺点作了论述。。第二部分简单了工艺计算，通过计算传热量，流体阻力来选型。第三部分就所选型式换热器作结构及强度计算。第四部分简要介绍了U型管式换热器的制造工艺。第五部分是关于U型管式换热器的检验、安装、维修和使用。第六部分是材料的的经济性讨论；第七部分个人小结以及致谢，是针对本次设计的总结和设计后的感想。最后是附录， 参考文献。
模具制作第一章 ??工艺简述
1.1设计内容
1.1.1换热器的选型
传热设备的类型很多，各种形式的都有它特定的应用范围，某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种的场合中，则传热效果和性能都有很大的改变，因此，针对具体情况正确的选者换热器的类型。是很重要的很复杂的工作。
选型时。需要考虑的因素是多方面的，主要是：
流体的性质。
流量及热负荷。
操作的温度，压力及允许的压降范围。
对清洗。维护的要求。
设备的结构材料，尺寸及空间的限制。
价格。
1.1.2介质流动空间的确定
在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流体流过壳程，可以考虑以下几点作为选择的一般原则：
①不洁净或者容易分解的结垢的物料应当流过容易清洗的一面，对于直管管束，上述的物料一般应该走管内，但当管束可以拆出清洗时，也可以走管外。
②需要提高流动速度用来增大对流传导系数的流体走管内，因为管内截面积通常都比管面的小，而且容易采用多管程以提高流体的速度。
③具有腐蚀性的物料走管内，这样可以用普通的材料制造壳体，仅仅管子，管板和封头要采用耐腐蚀性的材料。
④压力高的物料走管内，这样外壳可以不用承受高压。
⑤温度高的物料应该走管内用来减少热量的损失。
⑥蒸汽一般通入壳程，因为这样方便排出冷液。而且蒸汽比较清洁，其对于流体传热系数与流速关系小。
⑦粘度大的流体一般在壳程空间流动。
当上述个点不能同时满足时，或者互相矛盾时。根据具体的情况，抓住
重要的方面作出适宜的选择。
1.1.3介质流动方向的选择
由公式Q=KA·△tm可以看出在热负荷Q总传热系数K一定的情况下。换热器的换热面积A 的大小与平均温度之差△tm成反比，即平均温度越大，则所需的传热面积越小，在两流体的进出口温度都确定的情况下选择合适的介质流动方式很重要的。
平均温度之差为流体在换热器的两端温度之差的对数平均植，一般流体流动有逆流和并流两种方式：
并流时：△tm并=
tm逆=
tm并<△tm逆
由A=Q/K△tm得：A并>A逆，
由比较可以看出，当两流体的进出口都已确定时，逆流的平均温差大于并流的平均温差.所以，单位传热量时，逆流所需的传热面积比并流所需的小.
??逆流的另一优点是可以节约冷却或加热剂的用量，因为并流时t总是低于T，而逆流是,t却可以高于T，
所以逆流冷却时，冷却剂的升温(T1-T2)可比并流的大一些，单位时间内传过的热量相同时，冷却剂用量就可以少些.同理，逆流加热时，加热剂本身温降(T1-T2)可比并流时大一些，也就是说，加热剂的用量少些.
1.1.4管子排列方式的选择
???换热管的材料及尺寸可参考有关标准选取，管径小，管内给热系数可以提高，在同样的壳径小，管径小可安排的传热面积大，使传热器紧，对于洁净的流体，对于单位体积设备的传热面积就能大些，对于不太洁净，粘度较大或易结垢的流体，管径应大一些便于清洗.
1.2传热计算步骤
1.2.1传热量的计算
根据原始数据表1 与定性参数表2计算传热量
表1-1 原始数据
?
壳程介质
管程介质
进口温度 ℃
出口温度 ℃
流量 ( kg/h)
工作压力(Mpa)
表1-2 定性温度和物性参数
?
壳程介质
管程介质
定性温度℃
密度ρ(kg/)
比热(℃)
导热系数
粘度(PaS)
普朗特数
则 ?传热量：
???????
1.2.2流体空间选择
设计方案
(1) 高温流体一般走管程，因为高温会降低材料的许用应力，高温流体走管程可节省保温层和减少壳体厚度，也可提高热利用率。
(2) 较脏和易结垢的流体应走管程，这样便于清洗和控制结垢
1.2.3有效平均温差
按逆流计算
1.2.4型式的选取
先假设传热系数
则传热面积：
按 取
选型：根据《换热器设计手册》第三页BIU型，选
1.2.5 校核传热系数K
a. ?管程石蜡的传热系数：
管内流速
雷诺数：
计算出
b.壳程原油传热系数：
当量直径：
流体流通截面积
流速
壳程雷诺数
计算出
污垢热阻由查取
管称石蜡的污垢热阻：
壳程原油的污垢热阻：
则传热系数 ??由 ??计算出
若×100%的值在10%以内，则K符合条件，否则返回上一步。
校核传热面积
若在10%20%之间，符合要求
第二章 ???结构及强度计算
2.1 U型
管换热器的选型
2.1.1原始数据
表2-1
名称
设计压力
MPa
设计温度
℃
焊接
系数
腐蚀裕量
mm
换热面积
m2
容器
类型
管程
1.7
300
0.85
2
110
Ⅱ
壳程
2.0
400
0.85
2
型号说明
2.1.2 换热管的选型
换热面积A=110m2 ?参照JB/T4714—92 选择换热器基本参数
筒体公称直径DN ?mm
换热管
根数 n
换热管外d ???mm
中心排
管数 ?
管程流通面积 ?m2
传热面积
??m2
管程数
N
700
129
?25
??19
?0.411
?119.4
??2
表2-2
实际换热面积
2.1.2.1 U型管弯管段的弯曲半径
换热管外d =25mm ?查 GB 151-1999 ??最小弯曲半径
本设计取离分程隔板最近一排的换热管弯曲半径为50mm，由分程隔板向上每一排布管的弯曲半径相等，详情参照装配图里面的补管图。
2.1.2.2 换热管的材料、排列方式及厚度
材料采用换热管标准 GB ?9948 材料12CrMo ?=89MPa ?
查 GB 151-1999 换热管选用正方形排列，换热管中心距S=32mm ?SN 取50mm
换热管厚度选为2mm
2.1.2.3 布管限定圆
查GB 151-1999 ?布管限定圆直径
取
2.2壳体设计
2.2.1 壳程筒体壁厚计算
筒体材料为16MnR 查GB 150-1998 ??? ?
厚度附加量C=C1+C2=2.0+0=2.0mm
由GB151-1999，U型管式低合金钢圆筒最小厚度不小于4.5mm，取圆筒厚度.（其中：厚度负偏差C1=0；腐蚀裕度C2=2mm）圆筒由钢板卷焊而成；焊缝型式：双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝；无损探伤要求：20%无损探伤，=0.85。
检验：设计温度下圆筒的计算应力
满足条件
水压试验：
[σ]=163
满足条件
2.2.2 壳程筒体封头设计
封头材料为16MnR 查GB 150-1998 ???
?
厚度附加量C=C1+C2=2.0+0=2.0mm
取封头名义厚度与壳体名义厚度相等取
2.3管箱设计
2.3.1管箱壁厚计算
筒体材料为16MnR 查GB 150-1998 ???
?
取
2.3.2 管箱封头设计
材料：16MnR
封头材料为16MnR 查GB 150-1998
?
厚度附加量C=C1+C2=2.0+0=2.0mm
取封头名义厚度与壳体名义厚度相等取
选择标准椭圆形封头，根据JB/T4736-2002，选以内径为基准，类型代号为EHA，型式参数关系为：Di/2(H-h)=2。标准椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组 成。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。
如图2-1所示：
???????图2 ???封头
表2-3
公称直径 DN ??mm
总深度 H ?
??mm
内表面积 A ?
?m2
容积 V ???
m3
厚度
mm
质量
kg
???700
200
???0.5861
???0.545
??10
?46.1
2.3.3管箱法兰设计
长颈对焊法兰也壳体之间为对接焊缝，连接强度很好，且可以 采用各种方法进行焊缝质量检查，加之有颈部支撑，使其具有较好的刚性，不易变形而发生泄露，本设计采用此种法兰。
参考JB4703-2000采用带颈对焊法兰，凹凸面密封 参数见下表
图3 管箱法兰
表2-4
DN
法兰 D
D1
D2
D3
D4 H
h
a R
d
700
8
6
0
8
1
5
7
7
6
7
6
6
7
6
3
5
0
1
2
0
3
5
2无线收发芯片
1
1
8
1
6
2
6
1
2
2
7
螺柱采用M24，数量8个
管箱法兰垫片根据JB/T4704-2000选型
表2-5
公称压力 ??MPa
???????????????2.5
公称直径 ??mm
D
d
700
???????765
??????715
2.3.4管板计算
?
??????管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。它或者与筒体直接相焊（固定管板式换热器），或者被夹持在两法兰之间，起着管、壳程之间隔板和固定管板换热的双重作用。对管板的设计，除了满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。
管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间可以有不同的连接方式，本U型管换热器采用e型：管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼做法兰，与管箱用螺柱、垫片连接。
兼作法兰的固定管板与管箱法兰连接，多用于低压场合。而不兼作法兰的固定管板则直接与管箱筒体相焊接，多用于压力较高（4.0MPa）的场合。
e型连接方式管板
e型连接方式管板的计算
材料选用16MnR ?
MPa ??MPa
壳程圆筒=10mm ，管箱圆筒=10mm ，换热管管长L=6m ， 中心排管数19 ，换热管外径d=25mm 正方形排列
根据布管尺寸计算Ad,At,Dt和。
铁路道口声光报警器=
c)
假设管板的计算厚度为=65mm 管箱法兰D=860mm ?壳体DN=700mm
=
厚度太阳能安全帽
d)
1）计算管板开孔前的抗弯刚度
2）计算壳程圆筒与凸缘的旋转刚度参数，MPa；
的确定：由 ?
由GB 151-1999 查图26 =0.001
3）计算管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数，MPa ??
的确定： ?
由GB 151-1999 查图26 =0.0008
4）计算管板边缘旋转刚度参数=53.9+30.0=83.9
5）计算旋转刚度无量纲参数
6）计算无量纲参数
e)
由=0.867 ?????????
由GB 151-1999 查图19，图20，图21
Cc= 0.175 ???Ce= ????????CM=0.083
f)
1)仅壳程设计压力Ps作用时
2）仅管程设计压力Pt作用时
g)
由 和 ?
由GB 151-1999 查图22 ??? ??
h）
计算基本法兰力矩Mm ，操作工况法兰力矩Mp
1)螺柱材料选用35CrMoA ?MPa ??MPa ??
管箱法兰垫片接触宽度N=765-715-1=49mm
垫片基本密封宽度b0=N/2=24.5mm
当b0>6.4mm时 ，b=
当b0>6.4mm时 ?
计算Aa ， AP
Am取Aa ，AP之间的较大者 ?则Am=AP=1150.3
i )
计算法兰预紧力矩Mfo
Ps 作用
Pt作用
（Ps-Pt ）作用
j )
计算法兰预紧力矩Mfo的在管板中心处，布管区周边处和边缘处的径向应力
1 ）以壳程设计压力 Ps 作用
2 ）以管程设计压力Pt作用
k ）
分别以不同工况计算法兰设计力矩和管板延长部分的法兰应力
??????????
1 ）以壳程设计压力 Ps 作用
查GB 150-1998 ??Y=9.53
?
2 ）以壳程设计压力Pt作用
?
l )
应力校核
管板应力 取压力较大的管程计算
???
仅
壳程设计压力Ps作用时 ?
满足要求
2）仅管程设计压力Pt作用时 ?
合肥荣事达洗衣设备制造有限公司
满足要求
m )
换热管轴向应力
换热管材料采用换热管标准 GB ?9948 材料12CrMo ?=77MPa、
1 ）以壳程设计压力 Ps 作用
2 ）以管程设计压力Pt作用
3）以壳程设计压力 Ps 和管程设计压力Pt作用
满足要求
n ）
=38.5MPa
换热管与管板连接脱力 取较大 ?
38.5
满足条件
又 查GB 151-1999
故管板的计算厚度 =65mm 满足要求理疗环
2.4圆筒内部设计
2.4.1换热管与管板的连接
参照GB151-1999换热管与管板的连接采用强度焊
?? ??
??? ???????????????????????????图3 强度焊
2.4.2折流板和支持板的形式
2.4.2.1折流板的选择
根据本U型管换热器构造，选用两类折流板。
参照GB151-1999折流板采用双弓形形式和三弓形形式两种
其中双弓形14块，三弓形7块，布置如下：
查GB 151-1999 DN=700，取换热管无支撑跨距l=500mm
??且 ?满足要求
折流板材料选用15CrMoR，此时折流板的最小厚度为5mm ，取折流板的厚度为6mm ，满足要求。
2.4.2.2换热管无支撑跨距l
验证U型管的尾部支撑：
根据GB151-1999 U型管换热器中，靠近弯管段起支撑作用的折流板，如下图，结构尺寸A+B+C之和应不大于表42（参照GB151-1999 5.9.5.3）中最大无支撑跨距，超过表中数值时，应在弯管部分加特殊支撑。
??????????????图3 ??U型管的尾部支撑
参照本设计U型管换热器装配图有：
???A=562 ????????B=50mm ??????C= 490 mm ???????
则A+B+C=1102<1850 ?满足条件
2.4.2.3折流板的管孔
2.4.3拉杆、定距管结构
Ⅱ级换热管折流板管孔尺寸几允许偏差为 mm，管孔加工时，折流板上管孔加工后，两端必须倒角。折流板与壳体间隙，折流板名义外径为
2.4.3.1拉杆的作用与布置
拉杆的作用是与定距管配合将换热器的管束上的折流板连接固定起来，防止窜动。拉杆的一端靠螺扣旋入管板中固定，它从数块折流板中间的拉杆孔中穿过，另一端用螺母固定在支持板上。拉杆结构见图7。为了使各块折流板间距符合设计要求，均匀受力，保证折流板与换热管垂直，就需要在一个管束中布置一定数量的拉杆。但拉杆又位于布管区内，一根拉杆就要占一跟换热管的位置。因此拉杆的布置既要合理，数量又不能太多。拉杆直径的选择与换热管外径有关，拉杆数量则视换热器的直径而定。
拉杆应尽量布置在管束的边缘，对于大直径的换热器，不布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于三个支承点。
拉杆的尺寸和数量：根据GB151-1999，应该布置6根拉杆。
拉杆孔直径：根据GB151-1999 ??????d1=d+1.0=18mm;
尺寸要求见下表：拉杆的结构形式：参照GB151-1999，换热管外径25mm，大于19mm，
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