U形管换热器机械设计说明书

摘 要

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。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%—20%；在炼油厂中，约占总投资的35%—40%。

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。

关键词：换热设备，U型管换热器，结构特点

1

Abstract

The equipment that transfer heat from hot liquid to the cool one is called heat exchanger.It is a general equipment that widely used in chemical industry,oil refining,motive power,atomic energy,pharmacy,mechanism and many other department of industry.In chemical industry,the investment of heat exchanger is 10% to 20% percent of total investment;In oil refining factory,the one is 35% to 40%.

In the industrial producing,transfer heat from higher temperature liquid to the lower one is the main function of the heat exchanger,it make the temperature of liquid reached the stipulate target of technological process,so that to satisfy the requirement in technological process.In addition,the heat exchanger is effective install that can retrieve surplus heat and waste heat.

The structure characteristics of U-tube heat exchanger is what there is only one tube plate,the tube bundle is make up of many U-tube,both ends of the tube are fixed on the same tube plate,the tube can stretch out and draw back freely.When there is a temperature difference between the shell and the U-tube,there would not be thermal stress.

The structure of the U-tube heat exchanger is simple,the price is cheap and the ability of bearing pressure is strong,it is adapt to the temperature difference between tube wall and shell wall is relative large or the medium of the shell are easy to scaling and unwell adopt float heat exchanger and fixed tube plate heat exchanger.especially adapt to the materiel and supplies in the tube is high temperature,high pressure and large

2

corrosive property.

Keywords:heat exchanger,U-tube heat exchanger,structure characteristic

3

目 录

1 说明部分 ........................................................... 6

1.1 绪论......................................... 错误！未定义书签。

1.1.1 换热器的概述 ........................... 错误！未定义书签。 1.1.2 换热器的分类及应用 ..................... 错误！未定义书签。 1.1.3 U型管换热器的介绍...................... 错误！未定义书签。 1.1.4 U型管换热器的机械设计步骤.............. 错误！未定义书签。 1.2 换热器结构形式的选择......................... 错误！未定义书签。

1.2.1 封头 ................................... 错误！未定义书签。 1.2.2 开孔补强设计 ........................... 错误！未定义书签。 1.2.3 法兰 ................................... 错误！未定义书签。 1.3 设备材料的选择............................... 错误！未定义书签。 1.4 设备之间的连接............................... 错误！未定义书签。 1.5 设备的制造................................... 错误！未定义书签。 1.6 设备的安装................................... 错误！未定义书签。 1.7 设备的检测................................... 错误！未定义书签。 1.8 设备的密封................................... 错误！未定义书签。 2 U型管换热器的结构设计 ............................ 错误！未定义书签。

2.1 筒体的设计................................... 错误！未定义书签。 2.2 开孔与接管................................... 错误！未定义书签。 2.3 换热管....................................... 错误！未定义书签。

4

2.4 U型管 ....................................... 错误！未定义书签。 2.5 折流板....................................... 错误！未定义书签。 2.6 拉杆......................................... 错误！未定义书签。 2.7 鞍座......................................... 错误！未定义书签。 2.8 接管......................................... 错误！未定义书签。 3 U形管换热器设计计算及强度校核 ..................................... 7

3.1 筒体、封头的厚度计算及压力试验校核........................... 8

3.1.1 筒体厚度计算 ........................................... 8 3.1.2 前端管箱筒体计算 ....................................... 9 3.1.3 前端管箱封头计算 ....................................... 9 3.1.4 后端壳体封头计算 ...................................... 10 3.2 水压试验校核................................................. 11

3.2.1 筒体及后端筒体封头的水压试验校核 ...................... 11 3.2.2 前端管箱及前端管箱封头的水压试验校核 .................. 13 3.2.3 封头的最小厚度校核 ..................................... 14 3.3 法兰和螺栓................................................... 15

3.3.1 垫片的选择和计算 ...................................... 15 3.3.2 螺栓的选择及强度校核 .................................. 16 3.3.3 法兰的选择 ............................................ 18 3.3.4 法兰的校核及应力计算 .................................. 18 3.4 开孔补强计算................................................ 23

5

3.4.1 前端管箱筒体及封头补强 ................................. 23 3.4.2 筒体及筒体封头的补强 ................................... 25 3.5 管板及换热管的选择计算...................................... 27

3.5.1 换热管的选择计算 ....................................... 27 3.5.2 管板厚度计算 ........................................... 28 3.5.3 管子的校核 ............................................. 30

结论 ................................................................ 33 致 谢 .............................................................. 34 参考文献 ............................................................ 36

6

3 U形管换热器设计计算及强度校核

设计参数：

管程 壳程

设计温度 设计压力 介 质 程 数 内 径 焊接接头系数

260oC 1.8Mpa 循环水 2 Di1200mm 0.85

7

380oC

0.9Mpa 丙烷 1

3.1 筒体、封头的厚度计算及压力试验校核 3.1.1 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

Pc0.9Mpa、设计温度T380oC、内径Di1200mm、钢板负偏差C10mm、腐

蚀裕量C22.0mm、设计温度下的许用应力t128.6Mpa 、焊接系数0.85 计算厚度：

 =

PcDi2Pct

0.912002128.60.850.9 =4.96mm 设计厚度：

dC2 =4.962.0 =6.96mm 名义厚度：

ndC1 =6.960向上圆整 =10mm 有效厚度：

enC =102 8mm

8

3.1.2 前端管箱筒体计算

设计压力Pc1.8Mpa、设计温度T260oC、内径Di1200mm、钢板负偏差

C10.0mm、腐蚀裕量C22.0mm、焊接系数0.85，设计温度下的许用应力

t153.6Mpa。

计算厚度：  =

PcDi2Pct

1.812002153.60.851.8 =8.33mm 设计厚度：

dC2 =8.332.0 =10.33mm 名义厚度：

ndC1 =10.330向上圆整 =12mm 有效厚度：

enC =122 =10mm

3.1.3 前端管箱封头计算

9

设计压力Pc1.8Mpa、设计温度T260oC、材料16MnR、内径Di1200mm、钢板负偏差C10mm、腐蚀裕量C22.0mm、焊接系数0.85，设计温度下的许用应力t153.6Mpa。

选用标准椭圆形封头，则形状系数K=1。此时，Di2hi2，则曲面高度

hi300mm。

计算厚度：  kPcDi20.5Pct

11.812002153.60.850.51.8 8.30mm 设计厚度：

dC2 =8.302.0 =10.30mm 名义厚度：

ndC1 =12mm 有效厚度：

enC =10mm

3.1.4 后端壳体封头计算

材料为16MnR。设计压力Pc0.9Mpa、设计温度T380oC、内径Di1200mm、

10

钢板负偏差C10mm、腐蚀裕量C22.0mm、焊接系数0.85，设计温度下的许用应力t128.6Mpa。

选用标准椭圆形封头，则形状系数K=1。此时，Di2hi2，则曲面高度

hi300mm。

计算厚度：  kPcDi20.5Pct

10.912002128.60.850.50.9 4.95mm 设计厚度：

dC2 =4.952.0 =6.95mm 名义厚度：

ndC1 10mm 有效厚度：

enC 8mm

3.2 水压试验校核

3.2.1 筒体及后端筒体封头的水压试验校核

操作温度下的许用应力170Mpa，设计压力Pc0.9Mpa，设计温度下的

11

许用应力t128.6Mpa，内径Di1200mm，焊接系数0.85，常温下的屈服极限s345Mpa，筒体的有效厚度e8mm。 (1)试验压力值PT PT1.25P t170128.6 =1.250.9

=1.49Mpa 压力试验前圆筒的薄膜应力T T =

PTDie2e

1.491200828 =112.50Mpa

因为T0.9s0.90.85345263.93Mpa 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Pw Pw 2etDie

2128.680.8512008 1.45Mpa 因为PwPc0.9Mpa

12

所以，满足条件。

(3)设计温度下圆筒的计算应力t t =

PcDie2e

0.91200828 =67.95Mpa

因为tt128.60.85109.31Mpa 所以，满足强度校核条件。

3.2.2 前端管箱及前端管箱封头的水压试验校核

设计压力Pc1.8Mpa、设计温度T260oC、内径Di1200mm、焊接系数

0.85、有效厚度e10mm、 操作温度下的许用应力170Mpa、设计温度

t下的许用应力153.6Mpa、常温下的屈服极限s345Mpa。

(1)试验压力值PT PT1.25P t170153.6 =1.251.8

2.49Mpa 压力试验前圆筒的薄膜应力T T 

PTDie2e

2.4912001021013

150.65Mpa

因为T0.9s0.90.85345263.93Mpa 所以，合格。 (2)压力及应力计算

圆筒的最大允许工作压力Pw Pw 2etDie

210153.60.85120010 2.16Mpa 因为PwPc1.8Mpa 所以，合格。

(3)设计温度下圆筒的计算应力t t =

PcDie2e

1.8120010210 =108.90Mpa

因为t153.60.85130.56Mpa

t 所以，合格。

3.2.3 封头的最小厚度校核

根据GB150—1998，标准椭圆形封头的有效厚度不应小于封头内直径的0.15%。 min0.15%Di

14

=0.15%1200 =1.8mm (1)前端管箱封头

e10mmmin 所以，满足最小厚度要求。 (2)后端壳体封头

e8mmmin 所以，满足最小厚度要求。

3.3 法兰和螺栓

3.3.1 垫片的选择和计算

垫片材料：内填石棉缠绕式不锈钢，厚度5mm，查GB150—1998表9—2 垫片系数m3.00，比压力y69Mpa。

垫片接触宽度N N =

Dd2127712372

=20mm 垫片密封宽度b0 b0N2

10mm

根据GB150—1998，当b06.4mm时，有垫片有效密封宽度 b2.53b0

15

=2.5310 =8.00mm 垫片中心圆直径DG DGD2b 127728 1261mm

3.3.2 螺栓的选择及强度校核

螺栓材料35CrMoA、数量56、尺寸M27、垫片系数m3.00、比压力y69Mpa 设计压力Pc1.8Mpa、b167Mpa、tb139.4Mpa、垫片有效密封宽度

b8mm、螺栓中心圆直径Db1440mm。

预紧状态下的最小螺栓载荷：

WaFa3.14DGby 3.141261869 2185666.08N 操作状态下的最小螺栓载荷:

WpFFp

2Pc6.28DGbmPc 0.785DG 0.785126121.86.281261831.8 25845.23N 需要的螺栓面积：

AmmaxAa,Ap

16

预紧状态下需要的最小螺栓面积： AaWab

=2185666.08/167 =13087.82mm2 操作状态下需要的最小螺栓面积： Ap =

Wpbt

25845.23139.4 =18572.06mm2 所以，AmAp18572.06mm2 假设螺栓个数为36个，由Am4nd2，可知，d=25.6mm。取标准值为

d=30mm。查机械设计手册表2—12—2知d026.4mm。

实际螺栓面积： Ab =

43.144nd0

25626.42

=30638.36mm2 实际间距：  =

Dbn3.14144030

=150.72mm

17

垫片最小宽度： Nmin Abb6.28yDG

30638.361676.28691261 9.36mm 查GB150—1998表9—3得：

螺栓最小间距L70mm， 螺栓最大间距Lmax2db6fm0.5

23069830.5 228mm 因为LLmax， 所以，螺栓选择合格。

3.3.3 法兰的选择

选用带颈整体法兰、材料16MnR、操作温度下的许用应力f150Mpa、设计温度下的许用应力f126.4Mpa、需要的螺栓面积Am18572.06mm2、实际

t螺栓面积Ab30638.36mm2、设计压力Pc1.8Mpa、内径Di1200mm、 垫片压紧中心圆直径DG1261mm、法兰颈部高度h78mm、法兰颈部小端有效厚度

020mm、法兰颈部大端有效厚度130mm、法兰有效厚度f98mm、

参数h0Di0120020154.92。

3.3.4 法兰的校核及应力计算

（1）应力计算：

18

力臂:

LG =

DbDG2144012612

=.5mm 预紧状态下的法兰力矩： MaFGLG =

AmAb2bLG

2167.518572.0630638.36

=367761771.3Nmm 力臂：

LDLA0.51 =440.530 =59mm LT =

LA1LG24430.52

=81.75mm

作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力： FD0.785Di2Pc =0.785120021.8 =2034720N

流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差：

19

22 FTFFD0.785DGPc0.785DiPc

0.7851.8126121200 212120.97N 窄面法兰垫片压紧力：

FG6.28DGmbPc =342104.26N 操作状态下的法兰力矩：

MpFDLDFTLTFGLG

2

203472059212120.9781.75342104.26.5 168007700.6Nmm 法兰设计力矩： M0maxMatff,Mp

 max309900585.9,168007700.6 309900585.9Nmm 根据

hh078154.920.5，

1046202.3。 查GB150-1998图9-7得法兰颈部应

力校正系数f1.67，图9-3得整体法兰系数FI0.822。 kD0Di149512001.246

查GB150-1998表9-5及图9-4可得T=1.82 Z=4.62 Y=8.95 U=9.84 整体法兰系数VI0.19。

20

参数：

d1 UVIh002

9.840.192154.9220

3209290.11 

3f

d1

983 =

3209290.11

0.29 e FIh0

0.822154.92 0.005 fe1 =980.0051 1.52  =

T1.521.82

0.84  =0.840.29 =1.13

21

（a)轴向应力： H fM01Di2

1.673099005.51.134612002 180.37 (b)径向应力： R =

1.33f2fe1Di2M0

1309900585.9

1.33980.0051.13981200 =39.30 (c)环向应力： T =

YM2f0DiZR

8.95309900585.998120024.6239.30

=59.09 应力校核

(a)轴向应力：

1.5f,2.5n Hmintt 因为H180.371.6， 所以，合格。 (b)径向应力：

22

R39.30f126.4

t 所以，合格。 (c)环向应力：

T59.09f126.4

t 所以，合格。 (d)组合应力：

HRH2T2180.3739.302180.3759.092109.84119.73tf tf

所以，满足校核条件。

3.4 开孔补强计算

3.4.1 前端管箱筒体及封头补强

选用接管：35611无缝钢管 则名义厚度：

nt11mm 有效厚度：

et9mm 接管计算厚度： t PcDi2Pct

1.83562112153.60.851.8 2.32mm2

23

前端管箱通体厚度：

8.33mm 开孔削弱截面积：

Ad2et1fr

=356211228.3328.33911 =2748.9mm2 有效宽度：

B2d Bmax

Bd22nnt =max2330660mm330212211376mm

=660mm 补强区外侧高度：

dnthmin 1接管实际外伸高度

=min3301160.25mm250mm

=60.25mm 补强区内侧高度：

dnt h2min接管实际内伸高度

3301160.25mm =min0mm

=0mm

24

补强面积计算：

A1Bde2ete1fr =668330108.33 =5.46mm2

A1—壳体有效厚度减去计算厚度外的多余面积。

A22h1ettfr2h2etc2fr =260.2592.32 =804.94mm2

A2—接管有效厚度减去计算厚度外的多余面积。

A336mm2

A3—焊缝金属截面积。

AeA1A2A3 =5.46804.9436 =1405.40mm2 因为，AeA 所以，需要开孔补强。

3.4.2 筒体及筒体封头的补强

选用接管：61015.5无缝钢管 则接管名义厚度：

25

nt15.5mm 接管有效厚度：

et13.5mm 开孔削弱所需要的补强截面积： Ad2et1fr =610215.5224.96 =2852.00mm2 有效宽度：

B2d Bmax

Bd22nnt25751150mm =max575210215.5626mm

=1150mm 补强区外侧高度：

dnt h1min接管实际外伸高度

94.41mm 补强区内侧高度：

dnt h2min接管实际内伸高度

0mm 补强面积计算：

26

A1Bde2ete1fr =115857584.96 =1772.32mm2

A1—壳体有效厚度减去计算厚度外的多余面积。

A22h1ettfr2h2etc2fr =294.4113.52.39 =2097.79mm2

A2—接管有效厚度减去计算厚度外的多余面积。

A336mm2

A3—焊缝金属截面积。

AeA1A2A3 =1772.322097.7936 =3906.11mm2 因为，AeA 所以，不需另外补强。

3.5 管板及换热管的选择计算 3.5.1 换热管的选择计算

选用252.5的无缝钢管L6000mm AdinL170m2

27

根据标准取换热管根数为n=450，由d025mm、t2.5mm查GB150-1998得管心距S32mm、分程隔板槽两侧相邻中心距Sn44mm、换热管按正方形排列。垫片压紧面中心圆直径DG1261mm、管子设计温度下许用应力tr87Mpa、管子设计温度下许用应力屈服点st195Mpa。管子设计温度下的弹性模量

Et1.5810Mpa5，管子材料：10钢。

3.5.2 管板厚度计算

管板设计温度下许用应力p144.6Mpa、管板设计温度下的弹性模量

tEp1.7610Mpa、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

5胀接长度或焊脚高度根据GB151-1998表32查得l3mm、许用拉托力q由GB151-1998表26钢管焊接： q0.5T

t =0.587 =43.5Mpa

面积计算：

n, n44504

112.5 Adn,SSnS 112.5324432 43200mm2

28

Ad—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。

At2nS2Ad

=245032243200 =9800mm2

At — 管板布管区面积。

4At Dt

=

498003.14

=1108.62mm

Dt — 管板布管区当量直径。

t =

DtDG

1108.621261 =0.879 则有：

110.879t

=1.138

查GB151-1999表22得： Cc0.2865

29

管板采用16Mn锻钢由GB150-1998查得，设计温度下的许用应力

tp管板的设计压力Pd取管程与壳程压力的较大值，取Pd1.8Mpa。 153.6Mpa。管板计算厚度：

0.82DGCcPdutp

=0.821261 =94.73mm net

0.28651.80.4153.6

=94.7382.5 =105.23mm 取n106mm。

3.5.3 管子的校核

换热管轴向应力：

tPsPt其中，

adotntn =3.14252.52.5 =176.63mm2

a—一根换热管管壁金属的横截面积。

d24aPt

（1）只有管程设计压力Pt1.8Mpa，壳程设计压力Ps0Mpa。

30

tPsPtd24aPt

2 =1.83.14254176.631.8

=3.20Mpa 因为，tp153.6Mpa

t 所以，满足条件。

换热管与管板连接的拉脱力： qtadl

=

3.20176.633.14256

=1.2N 因为，qq43.5Mpa 所以，合格。

（2）只有壳程设计压力Ps0.9Mpa，管程设计压力Pt0Mpa。 tPsPtd24aPt

2 0.93.14254176.63

2.5Mpa 因为，tp153.6Mpa

t 所以，满足条件。

31

换热管与管板连接的拉脱力： qtadl

=2.5176.63

3.14256 =0.94N 因为，qq43.5Mpa 所以，合格。

（3）管程设计压力Pt1.8Mpa，壳程设计压力Ps0.9Mpa同时作用。 tPsPtd24aPt

2 =0.91.8 =0.7Mpa 因为，tp153.6Mpa

t3.14254176.631.8

所以，合格。

换热管与管板连接的拉脱力：

qtadl

=

0.7176.633.14256

=0.26N 因为，qq43.5Mpa

32

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。

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，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。

33

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，使我温习了以前学习过的知识，锻炼了自己设计的能力，也增加了自己的信心。 本设计主要是按照国家标准进行的，基本符合生产制造过程，在检测、维修方面能够正常进行；零件的更换上，也不会出现问题；在选材方面，基本都是选用大众化的材料，不会造成浪费或材料稀少不易寻找的问题。

本设计根据实际情况进行，全面考虑了设计的结构、工艺性、经济性以及其标准化的要求，使得本设计的可行性较高。在设计中，以设计任务书为指导，严格遵循GB150-1998《钢制压力容器》以及GB151-1999《管壳式换热器》进行的 我之所以能够按时、准确的完成我的设计，是与老师的悉心指导与同学们的帮助分不开的。再次，我对老师以及帮助过我的同学表示万分的感谢。特别要感谢我的指导教师张丽老师，张老师的严谨的治学态度、渊博的理论知识、丰富的实践

34

经验以及细心地教导让我学会了很多，这些知识都会用在我以后前进的道路上，使我一生受益。在本次设计中，从设计的选题到布置任务，从开始计算到检查每一个步骤以及论文的编写、修改都离不开张老师的帮助。

所有今天的努力都会在未来让我更好的面对人生。

35

参考文献

1 GB150-1998《钢制压力容器》国家技术监督局 2 GB151-1999《管壳式换热器》中国标准出版社 3 《化工设备设计全书—化工容器》化学工业出版社 4 《化工设备设计全书—换热器》化学工业出版社 5 《管壳式换热器的分析与计算》科学出版社 6 《化工机械手册》天津大学出版社 7 《过程装备》化学工业出版社 8 JB4700-4707-92《压力容器法兰》 9 《换热器原理与设计》东南大学出版社

10 《钢制管法兰、垫片、紧固件》国家化学工业部

36