1、西南科技大学本科生毕业设计 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 制造科学与工程学院 专业名称 过程装备与控制工程 学生姓名 XX 学号 XX 指导教师 XX 讲师 二一五年六月 西南科技大学本科生毕业设计 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
2、 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 西南科技大学本科生毕业设计 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
3、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 西南科技大学本科生毕业设计 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
4、.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 西南科技大学本科生毕业设计 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 西南科技大学本科生毕业设计 1 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。
5、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
6、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
7、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，管内西南科技大学本科生毕业设计 2 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
8、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
9、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
10、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。 西南科技大学本科生毕业设计 3 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 。 （
11、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 空气 水蒸气 温度 / 30 35 （差值法取值） 40 100 密度 kg/m3 1.165 1.147 1.128 0.597 定压比热容 kJ/(kg. ) 1.005 1.005 1.005 1.525 导热系数 W/(m
12、. ) 0.02675 0.02716 0.02756 0.024 黏度 Pa.s 0.0000186 0.0000189 0.0000191 0.0000123 2-1 西南科技大学本科生毕业设计 4 WhKJtcmQ p67.43/1057.1)3040(0 1 2.1294.221 2 0 0 05000 02.4 计算总传 热系数 2.4.1 热流量： （ 2-1） 2.4.2 平均传热温差： 652 )301 0 0()401 0 0( mt（ 2-2） 2.4.3 水蒸气用量： 常压下 100 的水蒸气汽化热为 r=2258KJ/Kg，则 hkgrQwi /53.692258 10
13、57.150 （ 2-3） 2.4.4 总传热系数 K 管程传热系数： 48540 0 0 0 1 2 3.0 597.05.002.0 i iiie udR （ 2-4） )/(2.22)0 2 4.00 0 0 0 1 2 3.0105 2 5.1(4 8 5 40 2 0.00 2 4.00 2 3.0)()(0 2 3.024.038.04.08.0mWcudd iiipiiiiiii 壳程传热系数： 假设壳程传热系数 )/(150 20 mW ；污垢热阻 WmR si /0 0 0 0 8 5 9 8.0 2 ， WmRso /0 0 0 3 4 3 9 4.0 2 ；管壁的导热系数
14、 )/(45 mWK ； 则传热系数 K： 西南科技大学本科生毕业设计 5 )/(8.151 5 010 0 0 3 4 3 9 4.00 2 2 5.0450 2 5.00 0 2 5.002.00 2 5.00 0 0 0 8 5 9 8.002.02.220 2 5.01112 mWRkddRddKosomosiiio（ 2-5） 2.5 传热面积计算 ： 23 5.42658.15 1067.43 mtK QS m （ 2-6） 考虑 25%的面积裕度， 22.535.4225.125.1 mSS （ 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 根2263025.014.3 2.53 LdSn os （ 2-7） 每程管束为 226/2=113 根。 管内流速： smndVusii /9 1 2.01 1 302.07 8 5.0)3 6 0 05 9 7.0/(53.69422 （ 2-8） 2.6.2 平均传热温差校正： 平均传热温差校正系数： 03040 10010012 21 tt TTR， （ 2-9） 14.030100 304011 12 tT ttP（ 2-10） 按单壳程，双管程结构查温差校正系数表可得 1t 。
