U型管换热器强度设计
按ASME Ⅷ-1规范设计高压U形管换热器
换热器管板与壳体和管箱为整体连接 ，计及管箱 、
１ 一 管 箱 简 体 ；２ － 管 板 ；３ 一壳程简体 。
壳体对管板周边的支承约束 ，需要计算并校核的应 力有 ：管 板 弯 曲应 力 、管板 布管 区外 周边 的平 均剪 切应力以及与管 、壳程壳体在邻近管板处的轴 向总 应力 。同我国 Ｇ Ｂ １ ５ １ — １ ９ ９ ９ Ｕ形管换热器的计算步 骤类似 ，首先都需要假设管板厚度的初始值 ，然后 进行试算和校核管板 、壳体和管箱的最大应力值是 否超 过许 用 应力 ，整个 计算 为 迭代 过程 。但 Ａ Ｓ ＭＥ
Ⅷ一 １与 Ｇ Ｂ １ ５ １ — １ ９ ９ ９相 比 ，设 计 计 算 更 加 全 面 ，
图１ 管板对 壳体 、管箱整体连接结构 图
能 的统 一 性 、制造 加工 性能 、材 料经 济性 、适 用 性
及专利商 的要求 ，管／ 壳程简体与管板材质选 用了
抗 氢性 能 良好 的 Ｓ Ａ 一３ ３ ６ Ｍ Ｆ １ １ Ｃ Ｌ ３ ，以最 大 限度 地
缺 陷 ，最 大 限度 地利 用换 热管 的布 置 空 间 ，换 热器
由表 ３ 可得 ，对于高压换热器 ，当管板应力计算值
超过 许用 应力 时 ，可采 用 以下三 种选 择之 一或 者三 者 的组合 进行 重新 设计 ：
（ １ ） 增加 假定 的管 板厚 度 。
（ ２ ） 增加 与管 板整 体连 接 的管箱 筒体 的厚 度 。 （ ３ ） 增加 与管 板整 体连 接 的壳 程 筒体 的厚 度 。
一
重 技水
U型管换热器毕业设计说明书
机械制造工艺学学号：毕业设计说明书U型管换热器设计U tube heat exchanger design学院机电工程学院专业化工设备与机械班级学生指导教师（职称）完成时间年月日至年月日广东石油化工学院专科毕业设计诚信承诺保证书本人郑重承诺：《U型管换热器设计》毕业设计的内容真实、可靠，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所完成。
毕业设计中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。
学生签名：年月日毕业设计任务书院（系）：专业班级：学生：学号：一、毕业论文课题 U形管换热器设计二、毕业论文工作自年月日起至年月日止三、毕业论文进行地点本校、实习地四、毕业论文的内容要求 1.毕业设计说明书 2.零号图纸1.5张基础数据：序号项目名称壳程管程单位1设计压力1817MPa2工作压力17.115.6MPa3设计温度400454℃4工作温度373415℃5操作介质混氢油反应产物—6焊接街头系数11—7腐蚀裕量33mm8水压试验压力24.6424.31MPa9入口温度134370℃10出口温度316210℃主要内容：1.结构设计参照相关手册、标准等确定换热器的结构。
包括总体结构尺寸的确定、折流板、接管、法兰、支座及拉杆的选择。
2.强度计算通过此部分计算，确定换热器的强度尺寸。
包括筒体、封头、管板的强度计算。
要求：1.毕业设计说明书2.零号图纸1.5张设计进度计划：第1~5周——查阅资料、现场调研、确定设计方案、工艺计算、确定工艺尺寸；第6~13周——结构设计、强度计算、绘图；第14~15周——撰写论文、打印论文、准备答辩。
主要参考资料：[1]毛希谰. 换热器设计[M]. 上海：上海科学技术出版社，1998[2]姚玉英. 化工原理[M].天津：天津大学出版社，1999[3]夏青德. 化工设备设计[M].北京：化学工业出版社，2000[4]GB150-1998，钢制压力容器[S].中国标准出版社出版.2000[5]GB151-1999，管壳式换热器[S].中国标准出版社.1998.指导教师接受论文任务开始执行日期 2014 年 3 月17 日学生签名摘要换热器是许多工业部门广泛应用的工艺设备。
U型管式换热器的设计论文
摘要换热器是重要的化工单元操作设备之一。
其中管壳式换热器在化工生产中应用最为广泛。
根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式和釜式再沸器五类。
近年来，尽管受到其它新型换热器的挑战，但管壳式换热器仍占主导地位。
本文主要讨论U型管式换热器的设计。
U型管式换热器是将换热管弯成U型，管子两端固定在同一块管板上。
由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。
因U型管式换热器仅有一块管板，结构较简单，而且管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。
U型管式换热器一般用于高温高压情况下，尤其是壳体与换热管金属壁温差较大时。
它具有结构简单紧凑、密封性能好、金属耗量小、造价低、热补偿性能好及承压能力强。
本文第一部分对设计方案进行论证，第二部分对U型管式换热器进行工艺设计计算，主要是传热系数、传热面积、压强降的计算。
第三部分是结构设计、强度计算及其校核。
本次设计采用Auto CAD软件绘制工程图。
图纸符合机械制图国家标准，结构合理。
设计计算结果比较准确，与实际运行设备参数基本相符。
关键词：换热器；传热系数；U型管；工艺设计AbstractHeat exchanger is one of the most important chemical unit operation equipments, among which shell and tube heat exchanger is used most widely in chemical engineering production. According to the structure characteristic of the shell and tube exchanger, heat exchanger can be divided into fixed tube-sheet, floating head-style, U-tube, the function and kettle-reboiler. Recently, although it has been challenged by other new type exchangers, the shell and tube heat exchanger still take unirreplacable role.This thesis is mainly about the design of U-tube exchanger. U-tube exchanger is made by exchanger which is bent into U-shaped, and both end of the tubes fix in the same piece of board. Exchanger can be stretched out and drawn back freely, so shell and tube have no pressure on the temperature difference. It is easy to clean the outside of the shell because the structure of the U-tube is simple with only one tube, and the tube can be pulled out from the shell. But the inside of the tube is difficult to clean for we have to keep the media clean and hard to be dirty. U-tube exchanger is usually used in the circumstance under high temperature and high voltage, especially when the difference in temperature of metal wall between shell and tube is apparent. It also has the feature that simple and compact structure, well sealed, low consumption of the mental, low price,heat and pressure compensation for good performance and strong pressure capacity.The first part of this thesis is to give the demonstration to the design. The second part is to compute the U-tube exchanger from the perspective of process design, mainly including the calculation of heat transfer coefficient, heat transfer area and pressure drop. The third part consists of the structure design, strength calculation and checking. This design makes full use of the Auto CAD to draw the engineering plat. The blueprint is correspond to the mechanical drawing of the national standards, which has reasonable structure. The result of the design calculation is basically correct and tally with the practical parameters of the operation of equipment.Key Word: Heat exchanger；Heat transfer coefficient；U-tube,；Process design.目录1绪论 (1)1.1换热器的概述 (1)1.2管壳式换热器的分类及其特点 (1)1.3U型管式换热器的结构及优点 (2)1.4机械设计的基本要求与内容 (3)1.5换热器发展趋势 (3)2设计方案的论证及选择 (5)2.1工艺简介 (5)2.2操作条件 (5)2.3设计方案的论证及选择 (5)3工艺设计计算 (9)3.1换热面积的计算 (9)3.1.1计算热负荷和流量 (9)3.1.2计算两流体的平均温度差 (10)3.1.3换热面积的计算 (10)3.2核算压强降 (13)3.2.1管程压强降 (13)3.2.2壳程压强降 (13)3.3核算总传热系数 (15)4机械设计计算 (18)4.1换热器壳体壁厚的计算 (18)4.1.1壳体壁厚的设计计算 (18)4.1.2管箱壁厚的设计计算 (19)4.2封头的计算 (20)4.3管箱接管壁厚计算 (23)4.3.1接管名义壁厚计算 (23)4.3.2接管有效壁厚 (24)4.3.3接管最小壁厚 (24)4.4壳程接管壁厚计算 (24)4.4.1接管名义壁厚 (24)4.4.2接管有效壁厚 (25)4.4.3接管最小壁厚 (25)4.5管子拉脱力计算 (26)4.5.1在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 (26)4.5.2在温差作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力 (26)4.6容器法兰的设计与校核 (27)4.6.1壳体法兰的选择 (27)4.6.2法兰强度的校核 (28)4.6.3法兰应力校核 (32)4.7螺栓设计 (32)4.7.1垫片的选用 (32)4.7.2螺栓的设计 (34)4.8开孔补强 (35)4.8.1补强结构 (35)4.8.2补强计算 (36)4.9管板设计 (37)4.9.1符号说明 (37)4.9.2设计计算和校核 (39)4.10支座设计 (40)4.10.1鞍座的设计计算 (40)4.10.2鞍座内力分析 (42)4.10.3圆筒应力计算与校核 (44)4.11爆破片的设计 (49)4.11.1爆破片的类型 (49)4.11.2爆破片的设计计算 (50)5结构设计 (52)5.1折流板设计 (52)5.1.1折流板结构设计 (52)5.1.2折流板缺口高度 (52)5.1.3折流板间距 (52)5.2拉杆的设计 (53)5.3防冲板的设计 (55)5.4挡管的设计 (55)5.5工艺接管设计 (55)5.6容器法兰的结构尺寸设计 (56)5.7焊接结构 (56)5.7.1焊接要求 (56)5.7.2主要焊接区结构 (57)6加工制造要求 (59)6.1制造技术要求 (59)6.2加工制造 (60)6.2.1容器筒体部分的制造 (60)6.2.2滚圆工艺 (60)6.2.3设备的组对装配 (61)6.2.4组对的基本工序及工具 (62)6.2.5换热器内部管件组对 (63)参考文献 (64)致谢 (65)附录 (66)1绪论1.1换热器的概述换热器是实现两种或两种以上温度不同的流体相互换热的设备。
U型管换热器设计说明书
流体流量进口温度出口温度压力煤油10tℎ⁄180℃40℃1MPa 水?tℎ⁄20℃40℃0.5MPa 一．热力计算1.换热量计算Q=m1∙C p1∙(T1−T2)=100003600∙2100∙(180−40)=817.32KJ/s 2.冷却剂用量计算m2=QC P2∙(t1−t2)=817.32∙1000 4183∙(40−20)=9.77KJ/s由于水的压力较之煤油较大，黏度较之煤油也较大，所以选择水为壳程，煤油为管程。
3.换热面积估算∆t1=|T1−t2|=140℃∆t2=|T2−t1|=20℃∆t m′=∆t1−∆t2ln∆t1∆t2=140−20ln14020=61.67∆t m′——按纯逆流时计算的对数平均温差∆t m=ε∆t∙∆t m′ε∆t——温差矫正系数ε∆t=φ（R.P）R=热流体的温降冷流体的温升=T1−T2t1−t2=180−4040−20=7P=冷流体温升两流体的初始温差=t2−t1T1−t1=40−2080−20=0.16查图d o−−换热管外径,mL=38.1320∙4∙π∙0.019=7.98m考虑到常用管为9m管，为生产加工方便，选用单程管长8m又考虑到单程管长8m会使得换热器较长，在选取换热器壳体内径时，尽量选取较大的，以保证安全，因此换热器内部空间较大，故选用较为宽松的正方形排布。
换热管材料由于管程压力大于0.6MPa,不允许使用焊接钢管，故选择无缝冷拔钢管。
按照GB—151管壳式换热器1999选取常用管心距p i= 25mm；分程隔板两侧管心距p s=38mm按下图作正方形排列选择布管限定圆直径D L=D i−0.5d o=400−10=390mm由布管限定圆从《GB151—1999》管壳式换热器中选定工程直径DN=400mm的卷制圆筒，查得碳素钢，低合金钢圆筒最小厚度不得小于8mm，高合金钢圆筒最小厚度不得小于3.5mm圆筒厚度计算：选用壳体材料为现在工业生产中压力容器的常用材料Q345R，为一种低合金钢。
可拆卸管束式U型管换热器介绍
可拆卸管束式U型管换热器介绍在U型管换热器内，换热管是互相嵌套的，每一根换热管的形状都严格按U型系列弯曲，所有换热管连接到同一个管板，如图7所示。
每根管子可以相对于外壳自由移动，以及彼此之间的自由移动。
所以设计的理想是当管程、壳程流体间存在较大的温度差时使用。
这种灵活性使U型管换热器应用广泛，能适用于易受热变慢或间歇性的换热反应。
与其他可移动式换热器相比，壳的内壁以及管外壁易清洗。
然而，与直管式换热器相比，虽能清洗换热管内部，但没有实际办法进入U型管内各部位，因此，管内壁清洗需要用化学方法。
图7 U型管换热器设计作为经验法则，非污染液体应由走管程，而污染性流体走壳程。
这种廉价方便的换热器允许排放多束换热管。
但是由于U型管换热器的管程流体流动方向不可能是单一的，所以真正的逆流是不可能的。
通用的设计标准是美国换热器设计标准和欧洲联盟规定的标准，典型的应用包括油冷却、化学冷凝和蒸汽加热。
1.1特殊设计对于蒸汽流量和压力都较大的情况，管壳式换热器必须采用特殊设计。
特殊设计也可以用于当温度与通道有着密切关系时，这意味着热流体出口温度超过了冷却液。
以下是几个例子; 美国标准的K型壳体，允许再沸器适当的液体脱离接触，美国标准的J型壳体，能容纳高压蒸汽壳程分流; 美国标准的双向通道F型壳外文资料中文译文体，可用于温度存在交叉（下文）的情况下使用;美国标准的D型封头的设计往往应用于高压管程的情况。
虽然这些特殊设计的换热器可能解决一些问题，但投入成本往往比按标准设计的换热器高。
美国换热器设计标准包括BKU，BJM BFM和DED。
特殊设计的换热器，往往是作为再沸器、蒸汽炉、蒸汽冷凝器和给水加热器等使用。
1.2管壳式换热器固定管板式换热器和U型管壳式换热器管都是管壳式交换器，管壳式交换器是最常见的类型。
这种类型通常用作蒸汽冷凝器、液-液热交换器、再沸器和气体冷却器。
标准的固定管板式换热器是最常见的壳管式换热器，直径范围在2到8 in之间。
浅谈换热器设计的一些结构和强度问题
浅谈换热器设计的一些结构和强度问题雷 勇 余子豪 中国成达工程有限公司 成都 ６１００４１摘要 本文结合标准对换热器的部分常见设计问题（例如防短路挡板的设置位置、防冲板的设置条件、换热器进出口的流通面积计算以及法兰的设计等）进行分析总结，给换热器的工程设计提供一定参考。
关键词 压力容器 换热器 结构设计 强度计算雷勇：高级工程师。
２００３年毕业于南京工业大学过程装备与控制工程专业。
主要从事压力容器设计工作。
联系电话：０２８ ６５５３０５２３，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｅｉｙｏｎｇ＠ｃｈｅｎｇｄａ ｃｏｍ。
《热交换器》ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４［１］是管壳式换热器的设计、制造、检验等方面的通用标准。
本文针对运用该标准进行换热器设计时遇到的部分常见问题进行分析总结，给换热器的工程设计提供一定的参考。
１ 防短路结构根据ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４要求，短路宽度超过１６ｍｍ时应设置防短路结构，折流板缺口间距小于６个管心距时设置一对旁路挡板，超过６个管心距时每５～７个管心距增设一对旁路挡板；分程隔板槽背面或Ｕ形管式换热器管束中间每隔４～６个管心距设置１根挡管。
为起到防短路的作用，以上挡板均应设置在折流板重叠区，见图１；不应设置在折流板缺口区，见图２。
２ 防冲板设置防冲板的作用是防止进入换热器的流体对换热管直接产生冲蚀、腐蚀作用。
通常气液混合物的冲蚀能力比气体或液体的冲蚀能力更强，在气液混合物中，气体的流速比较快，液滴夹杂在气体里对于设备表面冲击力就比较大［２］。
对金属表面产生的磨蚀通常来自于液体或者夹杂着固体的气固混合物。
由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动，引起金属的加速破坏或腐蚀，这类腐蚀常与金属表面上的湍流强度有关。
湍流使金属表面液体的搅动比层流时更为剧烈，使金属与介质的接触更为频繁，故通常叫做湍流腐蚀。
湍流腐蚀实际上是一种机械磨耗和腐蚀共同作用的结果［３］。
图１ 旁路挡板设在折流板重叠区图２ 旁路挡板设在折流板缺口区磨蚀的外表特征是槽、沟、波纹、圆孔和山谷形，还常常显示有方向性。
U型管式换热器
绪论
能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中不可缺少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。
The design for the two types of pressure vessels, design temperature and pressure are very high, so high design requirements. The heat exchanger adopts a pipe shell, stainless steel tube manufacturing. In the design of the structure design of the heat exchanger, intensity and components selection and process design.
对同一种型式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结垢亦不相同。在工程设计中，出尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。
U型管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不易结垢的物料。U型管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。
U型管换热器设计说明书68459
精品
.
查得定性温度下流体的粘度为 壁温下流体的粘度 1004
查得壳程流体的普朗克数 查得水的导热系数
管内流体给热系数 ：
查得煤油的导热系数 查得煤油的密度 管内流体的流速 煤油的粘度 煤油的比热 换热管的内径
在总传热系数计算公式中， 可看作 管外流体的污垢热阻 管内流体的污垢热阻 用外表面表示的管壁热阻
，允许正偏差为
0.3，负偏差为 0，即管孔为
（4） 折流板的固定 折流板的固定一般采用拉杆与定距管等原件与管 板固定，其固定形式由一下几种： a. 采用全焊接法，拉杆一段插入管板并与管板固 定，每块折流板与拉杆焊接固定。 b. 拉杆一段用螺纹拧入管板，每块折流板之间用 定距管固定，每一拉杆上最后一块折流板与拉 杆焊接 c. 螺纹与焊接相结合，拉杆一端用螺纹拧入管板， 然后将折流板焊接在拉杆上 d. 拉杆的一端用螺纹拧入管板，中间用定距管将 折流板固定，最后一快折流板用两螺母锁紧并 点焊固定。 这里选择 d.作为折流板固定的方法。
箱法兰连接。管板形式如下图：
折流板厚度 5mm
（2）管板计算 按照 GB151——1999 管壳式换热器中 a 型连接方式管板
的计算步骤进行下列计算。 a)根据布管尺寸计算
精品
. 在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结 构的需要，而未能被换热管支撑的面积，
精品
. 对于正方形排布
拉杆直径 12mm 拉杆长度 8000mm
从 GB150.2 查得 40Cr 在 40 下的许用应力:
取其中面积较大者 （3）螺栓设计载荷 螺栓设计载荷按下列规定确定： a. 预紧状态螺栓设计载荷按下式计算：
b. 操作状态螺栓设计载荷按下式计算：
精品
U型管式换热器的设计
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。
??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.
℃ 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
U型管式换热器设计资料讲解
U型管式换热器设计资料讲解U型管式换热器的主要结构由一组管子组成，这些管子通过两个平行的管板连接起来。
流体通过U型管道进入换热器，在管内流动，从而完成热量的交换。
通常情况下，一个流体贯穿着所有的U型管，而另一个流体贯穿着所有的U型管的一半，从而实现热量的传递。
以下是U型管式换热器设计资料的几个关键方面。
首先，需要确定换热器的工作流体和换热方式。
在选择工作流体时，需要考虑其性质和工艺要求。
同时，还需要确定是采用直接换热还是间接换热的方式。
直接换热指的是两种流体直接接触并交换热量，而间接换热指的是两种流体通过壁面进行热传导。
其次，需要进行换热器的热力学计算。
这包括冷热流体的流量、温度、压力等参数的确定。
通过对流体的物性进行热力学分析，可以计算出所需的热负荷和换热面积。
然后，需要进行换热器的结构设计。
这包括换热管道、壳体、管板等部件的选择和尺寸的确定。
对于U型管式换热器来说，关键是确定U型管的曲线形状和管道的布置方式。
这涉及到流体的流动和阻力，需要通过试验和计算得到最佳的设计。
此外，还需要进行材料选择和防腐措施的设计。
换热器的材料应具有良好的耐腐蚀性能，能够适应工作流体的特性。
针对工作流体的酸碱性、含盐量等情况，可以选择合适的材料进行防腐。
同时，还需要考虑操作温度、压力等因素对材料的影响。
最后，进行换热器的热力学和流体力学计算。
这包括壳程和管程的压降计算、流体的速度分布和流动状态的分析等。
通过这些分析可以得到换热器的性能参数，例如传热系数、换热效率等。
综上所述，U型管式换热器的设计资料包括流体选择、热力学计算、结构设计、材料选择和防腐措施设计、热力学和流体力学计算等。
通过合理的设计，可以实现热量的高效传递和流体的有效控制，提高换热器的性能和使用寿命。
GB151中U形管式换热器管板设计方法的改进
让． 当 ， 为 定值 时方程 的系数 只与 Ｋ，
有关 。联立 解线性 方程 组 （ ８ ）～ （ １ １ ）式 ，可
穗
图４ ｅ 、ｆ 型管板 的法兰预紧力矩作用
一
求 得 、 、与 、Ｋ， 的关 系式 。
由压 力 引起 的 管 板 应 力 在管 板 中心 ｒ ＝０ 处， 与环形 板交 界的 当量 圆板 ｒ ＝Ｒ 处， 以及环 形 板边缘 ｒ ＝Ｒ三 处可能得 到最大 值 。
wwwcqvipcom篓壁十hm一m一鲁m图8f型管板受?分析管程压?与法兰?矩作用l一图9当密封面处有介质作用时即图1e型结构在管程压?a作用时或图1f型结构作用时18在壳程压?a作用下法兰预紧?矩叠加上由于介质压?引起的法兰?矩变化值之后应满足保证密封所需?矩肘的要求
维普资讯
号 ｃ （ ｐ ｓ － （ …）
Ｊ ， 。 ＝ 一 （ 一 ） （ 鲁 ） 。
管板 壳 程侧 表 面 的 应 力 则取 （ １ ２ ） ～ （ １ ４ ）式的相 反数 。
由轴 向力平 衡条 件可 知 ： Ｖｔ ＝音 （ －ｐ ， ）兄 ， ＾ 一÷ （ Ａ— ）Ｒ
３ 法 兰预紧 力矩引起 的 管板 应 力
．
等＋ 村 ．
’
¨
．
Ｉ Ｉ
图５ ｅ型管板受力分 析壳程 、压力与法兰力矩作 用
囝６ ｅ型管 扳受 力分析 ．管程压 力与法 兰力矩作用
Ｍ
Ｍ
Ｉ
圉７ ｆ 型管板受力分析 ，壳程 压力与法兰 力矩作用
３ ． １ 四种工况下 ＾ 的计算 方法
弓 卜
ＧＢ １ ５ １ 中 Ｕ 形管 式换热器管板
设计方法的改进
U型管换热器设计说明书
U型管换热器设计说明书 Last updated on the afternoon of January 3, 2021吉林化工学院《过程设备设计》课程设计换热器设计-U型管式专业：过程装备与控制工程姓名：黄少华学号：05420338指导教师：张志文2008年12月15～25日本文扼要介绍了U型管换热器的特点及在工业中的应用和发展前景，详细的阐述了U型管式换热器的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。
参照GB151-1999及换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。
设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。
关键词：换热器、U型管式、结构设计、强度设计1第一章绪论在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。
在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。
化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。
随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。
为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显着地提高设备的热效率。
本次课程设计的内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
氢气冷却器设计(U型管换热器)辽宁工业大学毕业设计(课程设计)师兄宋超 提供最全面说明书
摘要换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备，广泛应用于化工，石油化工和石油行业。
本次设计的换热器采用U型管式换热器，管程介质为氢气，工作压力0.7MPa，进口温度为150℃，出口温度为42℃；壳程介质为水，工作压力为1.0MPa，进口温度为32℃，出口温度为42℃；主体材质：管束为不锈钢、筒体为0Cr18Ni12Mo2Ti；主要内容包括三部分：第一部分对换热器的选型进行了论述，第二部分则阐述了换热器的设计计算，第三部分对加工制造及要求和总体经济分析作了简单说明。
设计的主要有工艺设计、强度设计计算、零件结构形式的选择及换热器的检验和验收等。
其中工艺设计包括：估算传热面积、确定工艺结构尺寸、核算压降和传热系数等；强度设计计算包括：壁厚、壳体上开孔补强、管箱开孔补强面积、管板、壳体法兰的计算；零件结构形式的选择包括：折流版、拉杆、定距管、隔程挡板、接管、防冲板与导流筒、排气排液管和鞍座等。
关键词：换热器；工艺设计计算；强度设计计算；管程；壳程；AbstractThe heat exchanger is widely used in many industrial sectors common process equipment, widely used in chemical, petrochemical and oil industry. industry.U tube heat exchanger is designed in the topic. The hydrogen is flowed in the U tube. the pressure is 0.7MPa, the intake temperature is 150 ℃, the outlet temperature is 42 ℃; the shell regulation walks water, the pressure is 1.0MPa, the intake temperature is 32 ℃, the outlet temperature is 42 ℃. main material: tubes are used by stainless steel ,the body of cylinder are used by 0Cr18Ni12Mo2Ti . Main contents include three parts: The first part has carried on the elaboration to the heat interchanger shaping, the second part is in detail narrated and has analyzed the interchanger design calculation, the third part give the simple explanation to the request of manufacture and the economic analysis.The main design including process design, calculations of strength design , selection and structure in the form of heat exchanger parts inspection and acceptance . Which process design including: estimating the heat transfer area , determine the process structure, size, pressure drop and heat transfer coefficient calculation; strength design calculations include:wall thickness, opening reinforcement on the housing tube box opening reinforcement area , the management board , the housing law Portland calculations ; parts structure options include : baffle version , rod , fixed pitch pipe , baffle every way , receivership, anti-red plate with draft tube , exhaust pipes and drain saddle and so on.Key words：heat exchanger；the design calculation of technolog；strength design calculation；shell side；tube side.目录第1章绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 换热器的分类 (2)1.3 换热器的特点及其选择 (3)1.4 国内发展前景及技术进步 (5)第2章设计方案的选择 (7)2.1 工艺简介 (7)2.2 操作条件 (7)2.3 选择换热器的类型 (7)2.4 经济分析与评价 (8)2.5 物性的确定 (8)2.6 流程的安排 (9)第3章工艺设计计算 (10)3.1 估算传热面积 (10)3.1.1 计算热负荷 (10)3.1.2 计算冷却水的流量 (10)3.1.3 计算两流体的平均温度差 (11)3.1.4 初选传热面积 (12)3.2 工艺结构尺寸 (12)3.2.1 换热管及管内流速选择 (12)3.2.2 管程数与换热管数 (13)3.2.3 平均传热温差校正及壳程数 (14)3.2.4 换热管排列方式与管间距的确定 (14)3.2.5 换热器壳体内径的确定 (16)3.2.6 折流板 (16)3.2.7 接管 (17)3.3 换热器的核算 (18)3.3.1 壳程对流传热系数 (18)3.3.2 管程对流传热系数 (19)3.3.3 污垢热阻的选择 (20)3.3.4 传热系数的计算 (21)3.3.5 传热面积 (21)3.4 流动阻力及换热器内压降核算 (22)3.4.1 管程流动阻力 (22)3.4.2 壳程流动阻力 (23)3.4.3 总阻力 (24)第4章强度设计计算 (26)4.1 换热器的选材 (26)4.2 筒体的设计与校核 (28)4.2.1 操作条件 (28)4.2.2 筒体厚度的计算 (28)4.2.3 筒体最小壁厚校核 (30)4.2.4 筒体厚度的强度 (30)4.3 封头的设计与校核 (32)4.3.1 封头的形式及选择 (32)4.3.2 封头的壁厚 (33)4.3.3 封头水压试验及强度校核 (34)4.4 管箱结构设计 (36)4.4.1 管箱结构设计 (36)4.4.2 管箱壁厚设计 (37)4.4.3 隔板 (40)4.5 管板的设计及计算 (40)4.5.1 管板连接设计 (40)4.5.2 管板设计计算 (42)4.6 接管的设计 (46)4.6.1 接管的一般要求 (46)4.6.2 壳程流体进出口接管计算 (46)4.6.3 管程流体进出口接管计算 (47)4.6.4 接管高度确定 (47)4.6.5 接管位置尺寸 (47)4.7 开孔补强 (48)4.7.1 补强结构 (48)4.7.2 补强计算 (49)4.8 密封装置设计 (57)4.8.1 法兰的选取与校核 (57)4.8.2 垫片的设计与选取 (62)4.8.3 螺栓与螺母的选取 (64)4.9 鞍座的设计与校核 (67)4.9.1 标准鞍式支座选用要求及说明 (67)4.9.2 支反力计算及水压校核 (68)4.9.3 鞍座的型号及尺寸 (68)4.9.4 鞍座的位置 (70)第5章零部件结构尺寸设计 (71)5.1 折流板的设计 (71)5.1.1 折流板的类型 (71)5.1.2 折流板的结构尺寸 (71)5.2 拉杆与定距管 (72)5.3 防冲挡板 (73)5.4 换热管在壳体内的排布 (73)5.5 排气与排液管 (74)第6章加工制造要求 (75)6.1 钢材 (75)6.2 焊接结构 (75)6.2.1 焊接要求 (75)6.2.2 主要焊接区结构 (75)6.2.3 焊接方法的选择 (76)6.2.4 主要焊接缺陷分析 (76)6.2.5 无损探伤 (77)6.3 技术要求 (77)6.4 加工制造要求 (77)6.4.1 滚圆原理 (77)6.4.2 滚圆工艺 (78)6.4.3 边缘加工 (78)6.4.4 设备组队装配 (79)6.4.5 组队基本工序及工具 (80)第7章经济分析 (81)7.1 单元设备价格估算 (81)7.2 总投资估算 (81)参考文献 (83)致谢 (84)附录 (85)第1章绪论1.1概述化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却、汽化和冷凝的过程，这些过程总称为传热过程。
u形管换热器的设计方法
u形管换热器的设计方法U型管换热器是一种常用的换热设备，广泛应用于石油化工、化学工程、电力等领域。
它通过在管程内流动的流体与在管程外流动的流体之间进行传热，实现两种介质之间的热量交换。
U型管换热器的设计方法需要考虑多个因素，包括传热效率、压降、清洁性以及材料的选择等。
下面将详细介绍U型管换热器的设计步骤。
1.确定传热条件：根据工艺流程和需要换热的介质，确定需要传输的热量负荷、流体的温度、压力等参数。
同时，还需要考虑流体的物性参数，如密度、比热容、粘度等。
2.选择U型管换热器的类型：根据传热条件和介质性质，选择合适的U型管换热器类型。
常见的类型有并联流动型、逆流型以及交叉流型。
3.确定管程和流程方式：确定U型管换热器的管程数目和流程方式。
在设计之前，需要考虑工艺流程和介质性质，选择合适的管程数目和流程方式。
管程数目多则传热效果好，但压降也会增加。
4.计算传热面积：根据传热负荷和传热系数，计算出所需的传热面积。
传热系数可以根据换热介质的性质和管束结构来估计。
5.估算初始尺寸：根据计算所得的传热面积，估算出初步的尺寸。
这个过程包括确定换热管束的内径和长度，以及估算出U型管的折弯半径。
6.选择材料：根据介质性质和操作条件，选择合适的材料。
常见的材料有碳钢、不锈钢、铜合金等。
选择材料时需要考虑腐蚀性、耐压性以及成本等因素。
7.进一步确定尺寸和结构：根据估算的尺寸和材料的选择，进行更进一步的确定。
包括计算管程的数量、估算管束的布置形式、确定支撑方式、估算壳程和管程的压降等。
8.进行热力计算和力学强度校核：根据已确定的尺寸和结构参数，进行热力计算和力学强度校核。
热力计算主要包括流体温度计算、传热系数计算以及传热管壁温度计算等。
力学强度校核主要包括管束的换热管强度计算和支撑结构的强度计算等。
9.进行性能和经济分析：根据热力计算和力学强度校核结果，进行性能和经济分析。
在性能分析中，评估换热器的传热效果和压降情况。
u型管式换热器毕业设计
u型管式换热器毕业设计U型管式换热器毕业设计导言换热器是工业领域中常见的设备，用于将热能从一个介质传递到另一个介质。
U型管式换热器是一种常见的换热器类型，它具有结构简单、传热效率高等优点，因此在许多工业领域得到广泛应用。
本文将探讨U型管式换热器的毕业设计，包括设计原理、结构优化和性能评估等方面。
设计原理U型管式换热器的设计原理基于热传导和对流传热的基本原理。
换热器内部由一系列U型弯管组成，热源介质通过管道的一侧流过，而冷却介质则通过管道的另一侧流过。
热源介质在管道内释放热量，而冷却介质则吸收这些热量，实现热能的传递。
结构优化在U型管式换热器的毕业设计中，结构优化是一个重要的考虑因素。
优化设计可以提高换热器的传热效率、降低能耗和减小设备体积。
以下是一些常见的结构优化方法：1. 材料选择：选择具有良好导热性能和耐腐蚀性的材料，以确保换热器的长期稳定运行。
2. 管道布局：通过合理的管道布局，最大限度地增加管道的接触面积，提高传热效率。
3. 流体流动优化：通过优化流体的流动路径和速度分布，减小流体的阻力，提高传热效率。
4. 热交换面积增加：通过增加管道的长度或增加管道的数量，增加热交换面积，提高传热效率。
性能评估在U型管式换热器的毕业设计中，性能评估是必不可少的一步。
通过性能评估，可以验证设计的合理性，并对换热器的传热效率和能耗进行评估。
以下是一些常见的性能评估指标：1. 传热效率：传热效率是衡量换热器传热性能的重要指标。
传热效率越高，表示换热器能够更有效地传递热能。
2. 温度差：温度差是指热源介质和冷却介质之间的温度差异。
温度差越大，表示换热器能够更快速地传递热量。
3. 能耗：能耗是指在换热过程中消耗的能量。
通过降低能耗，可以提高换热器的能源利用效率。
结论U型管式换热器是一种常见且有效的换热器类型，在工业领域中得到广泛应用。
在毕业设计中，结构优化和性能评估是关键的考虑因素。
通过合理的结构优化和科学的性能评估，可以设计出高效、节能的U型管式换热器，满足工业生产中的换热需求。
u型管式换热器结构设计及温度控制
u型管式换热器结构设计及温度控制下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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毕业设计(论文)-U型管式换热器设计(全套图纸)
优质资料U型管式换热器设计摘要本文介绍了U型管换热器的整体结构设计计算。
U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好;管程采用双管程，流程较长，流速较高,传热性能较好，承压能力强,管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单,造价便宜.U型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件等。
本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高.换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。
设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及零部件的选型和工艺设计。
关键词：U型管换热器，结构，强度，设计计算目录中文摘要..................................... 错误!未定义书签。
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绪论. (1)1管壳式换热器的类型、结构与型号 (1)1。
1 换热器的零部件名称 (1)1.2 换热器的主要组合部件 (2)2换热器材料选择 (3)2.1 选材原则 (4)3换热器结构设计 (4)3.1 壁厚的确定 (6)3。
2 管箱圆筒短节设计 (6)3.3 壳体圆筒设计 (7)3.4 封头设计 (8)3。
4。
1 后封头计算 (9)3.4。
2 管箱封头计算 (10)3.5 换热管设计 (11)3.5.1 换热管的规格和尺寸偏差 (11)3。
5.2 U形管的尺寸 (11)3。
5。
3 管子的排列型式 (12)3.5.4 换热管中心距 (12)3。
5。
5 布管限定圆 (12)3.5.6 换热管的排列原则 (14)3.6 管板设计 (14)3。
6.1 管板连接设计 (17)3.6.2 管板设计计算 (19)3。
7 管箱结构设计 (21)3。
7.1 管箱的最小内侧深度 (21)3.7。
2 分程隔板 (21)4 换热器其他各部件结构 (22)4.1 进出口接管设计 (22)4。
u形管换热器计算
接管实际内伸长度
mm
接管材料
接管焊接接头系数
名称及类型
接管腐蚀裕量
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
壳体计算厚度δ
mm
接管计算厚度δt
mm
补强圈强度削弱系数frr
接管材料强度削弱系数fr
开孔直径d
mm
补强区有效宽度B
mm
接管有效外伸长度h1
mm
接管有效内伸长度h2
mm
开孔削弱所需的补强面积A
mm2
壳体多余金属面积A1
mm2
接管多余金属面积A2
mm2
补强区内的焊缝面积A3
mm2
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:
nmm7全国化工设备设计技术中心站过程设备强度计算书sw698螺栓间距校核实际间距ldbmmn最小间距lmin查gb15098表93mm最大间距lmaxmmhh形状常数确定h0dikdd0ooi10由查表95得zyu整体法兰查图93和图94iiefhfvi0松式法兰查图95和图96flvleflh0查图97整体法兰松式法兰3fuuhd1h2do2f由1o得vioo1vlod1fe1t4fe13剪应力校核计算值许用值结论预紧状态1wmpa108ndil操作状态wpmpa208t2diln输入法兰厚度f330mm时法兰应力校核应力计算值许用值结论性质轴向fmompa15ft或h25t按整体法兰设计的任校核合格2din应力1意式法兰取15nt径向133fe1m0mpat应力r2diff切向m0yzrmpatt2dif应力f综合max05hr05htmpaft应力法兰校核结果校核合格8全国化工设备设计技术中心站过程设备强度计算书u型管换热器管板计算计算单位设计条件壳程设计压力ps管程设计压力pt壳程设计温度ts管程设计温度tt壳程筒体壁厚s管程筒体壁厚h壳程筒体腐蚀裕量c管程筒体腐蚀裕量c换热器公称直径di换热管使用场合管板与法兰或圆筒连接方式abcd型换热管与管板连接方式胀接或焊接材料名称及类型名义厚度n管强度削弱系数刚度削弱系数材料泊松比隔板槽面积ad换热管与管板胀接长度或焊脚高度l设计温度下管板材料弹性模量ept设计温度下管板材料许用应力r许用拉脱力q壳程侧结构槽深h1板管程侧隔板槽深h2壳程腐蚀裕量cs管程腐蚀裕量ct材料名称换管子外径d热管子壁厚t管u型管根数n换热管中心距s设计温度下换热管材料许用应力sw698mpampaccmmmmmmmmmmmm2mmmmmpampampammmmmmmmmmmm根mmmpa9全国化工设备设计技术中心站过程设备强度计算书垫片材料压紧面形式垫垫片外径od片垫片内径dia型垫片厚度g垫片接触面宽度垫片压紧力作用中心园直径dg管板材料弹性模量efc型管板材料弹性模量efd型ehbd型管箱圆筒材料弹性模量esbc型壳程圆筒材料弹性模量bfcd型管板延长部分形成的凸缘宽度壳体法兰或凸缘厚度fc型d型管箱法兰或凸缘厚度f参数计算sw698mmmmmmmmmmmpampampampammmmmm管板布管区面积at一根换热管管壁金属横截面积a管板开孔前抗弯刚度d管板布管区当量直径dt
四种高压U形管换热器的管板强度设计
四种高压U形管换热器的管板强度设计
周耀;桑如苞
【期刊名称】《石油化工设计》
【年(卷),期】2010(27)4
【摘要】U形管板可视为受压力侧向作用且受管孔开孔削弱的圆平板,此圆平板的应力可分解为简支圆平板和周边受均匀力矩作用的圆平板两部分,文章在对这两部分应力的分布规律进行较详细讨论的基础上,提出了四种U形管板强度的建议计算方法.
【总页数】4页(P21-24)
【作者】周耀;桑如苞
【作者单位】四川天一科技股份有限公司,四川成都610225;中国石化工程建设公司,北京100101
【正文语种】中文
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1 绪论1.1 课题背景随着世界性的能源危机波及到了装备制造业及石油化工这些耗材及耗能的大户，以及国家节能减排长期国策的确立，作为能量回收装备—热交换设备的提高传热效能及降低能耗的研究被提高到了很重要的地位。
这些研究归纳为以下几个方面：（1）传热与流动研究：旨在提髙传热及压降计算的准确性，寻求提髙传热效率，降低压降的途径。
这方面研究主要涉及到：物性模拟研究、分析设计研究（如温度场、流动分布的模拟研究等）、传热及流动试验和工艺计算软件的开发等。
（2）换热设备大型化、新型热交换设备的开发及降低能耗、节水的研究。
（3）强化传热的研究：如强化传热管研究、板管的研究（如板壳式、板空冷等）。
（4）材料研究（相容性及经济性的结合）。
（5）抗腐蚀及控制结垢的研究（涉及使用寿命及保持传热效率）。
1.2国内外发展概况换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。
换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为：直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类，其中间壁式换热器用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。
间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料比较齐全，在许多国家都有了系列化标准。
近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。
目前，我国已制定了列管式换热器的系列标准，但还有很多场合，所用列管式换热器是根据生产要求设计的非定型设备。
管壳式换热器的效率问题是设计的核心。
多年以来，国内外学者对列管式换热器的研究工作从来都没有间断过，目前研究的焦点主要集中在高温、高压和大型换热设备，如何优化它们的结构以提高其传热效果。
这方面的研究进展对于改善石油、化工、医药、食品等众多生产领域的生产工艺、节省能源消耗、降低生产成本、提高产品竞争能力，具有十分重要的意义。
1.3 设计目的与要求通过此次毕业设计，培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，使学生得到从事实际工作所必需的基本训练和进行科学研究工作的初步能力。
本次毕业设计通过U型管换热器强度设计和结构设计结合起来，掌握典型过程设备设计的一般程序，初步掌握科学研究的基本方法与科学论文的写作技巧与规范。
本设计要求我们熟悉过程设备设计的基本方法跟程序，熟悉相关的国家级行业标准，掌握设计方法跟程序，能独立完成课题所规定的内容。
本次毕业设计将通过把工艺设计和机械设计结合起来，进行完整的换热器设计，掌握化工设备设计的一般方法和步骤，熟悉和了解有关国家标准、行业标准以及相应的设计规范，培养综合运用所学理论知识去分析、解决实际问题的能力，使我们受到本专业工程师的系统训练。
1.4 课题简介换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，故又称热交换器。
它是化工、炼油、动力和原子能及许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。
在化工厂换热器约占总投资的10-20%；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，以满足工艺需求。
1.4.1 U型管式换热器换热设备有多种多样的形式，每种结构形式的换热设备都有其本身的结构特点和工作特性，有些结构形式，在某中情况下使用是好的，但是，在另外的情况下，却不太适合，或就根本不能使用。
根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式和填料函式四类。
U型管式管式换热器的典型结构如图1-1所示，U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。
此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。
缺点是管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。
此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。
这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
图1-1 U型管换热器结构简图1.4.2 换热器选型换热器选型时，需要考虑的因素很多，主要是流体的性质；压力、温度及允许压力降的范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。
流体的种类、导热率、粘度等物理性质，以及腐蚀性、热敏性等化学性质，对换热器选型有很大的影响。
而在本设计中是环氧乙烷与冷却水热交换，由于环氧乙烷温度较高，而且处理量大、易腐蚀。
综合考虑，本设计选用U型管式换热器。
2 结构设计[5][6]表2-1设计条件表壳程管程设计压力（MPa）0.5 0.6操作压力（MP a）0.1 0.4/0.3（进口/出口）设计温度（℃）130 75操作温度（℃）96/50（进口/出口）25/45（进口/出口）流量（Kg/h）6000物料环氧乙烷冷却水程数 1 2 换热面积291.602.1 壳体、管箱壳体和封头设计2.1.1 壳体的设计圆筒公称直径据前面计算所知，圆筒的内公称直径为700mm > 400mm，采用卷制圆筒。
圆筒厚度圆筒的最小厚度应按GB 151-89第三章计算，但圆筒的最小厚度不得小于表2-2的规定。
表2-2碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度mm 公称直径700-700 800-1000 1000-1500 1600-2000 浮头式、U型管式8 10 12 14 固定管板式 6 8 10 122.1.2管箱壳体（1）管箱短节及其开孔应按GB 151-89的有关要求设计，管箱短节的最小厚度不得小于表2-2的规定，取实际厚度为10mm。
（2）多程管箱的内直径深度l应保证两程之间的最小流通面积不小于每程管子流通面积的1. 3倍，如图2-1；当操作允许时也可以等于每程管子的流通面积。
（3）分程隔板的最小厚度不得小于表2-3的规定，取隔板的最小厚度为10mm，如图2-22.1.3 封头设计[7]按工作原理，设计封头应为受压的椭圆形封头。
采用长轴和短轴比为2的标准型封头，如表2-3。
图2-1 管箱的最小内侧深度示意图表2-3 分程隔板的最小厚度mm公称直径DN隔板最小厚度碳素钢及低合金钢高合金钢<600 8 6600-1200 10 8>1200 14 10图2-2 分程隔板与管板的连接示意图椭圆形封头是由半个椭圆球和高度为h的短圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的环焊缝受到边缘应力的影响。
封头壁厚（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.30%。
2.2 进出口设计]3[2.2.1 接管的要求：接管应与壳体内表面齐平；接管应尽量沿着壳体的径向或轴向设置；接管与外部线可采用焊接连接；在设计温度下，接管法兰不采用整体法兰；必要时可设置温度及接口、压力表接口及液面计接口。
图2-3椭圆形封头示意图2.2.2 接管直径的计算确定接管直径的基本公式仍用连续性方程式，经简化之后的计算公式为：ρωπρωM MD 3.14==（2-1）对计算出来的管径进行圆整，取最近的标准管径。
（1）接管上设置温度及接口、压力表接口及液面计接口。
（2）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排气的换热器，应在管程和壳体的最高点设置放气口，最低点设置排液口，且最小公称直径为20mm 。
2.2.3 接管的外伸长度接管的外伸长度也叫接管的伸出长度，接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度，可按下式计算：151+++≥δh h l（2-2）除上式计算外，接管外伸长度也可取为200mm 。
2.2.4 接管与筒体、管箱壳体的连接（1）结构型式：接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的形式，可采用插入式焊接结构，一般接管不能凸出与壳体内表面。
（2）开孔补强计算：具体过程见强度计算。
2.2.5 接管的最小位置在换热器的设计中，为使换热器面积得到充分利用，壳程进出口接管应尽量靠近两端管板，而管箱进出口接管因尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱壳体长度，减轻设备质量。
然而，为力保设备的制造、安装、管口距底的距离也不应靠的太近，它受到最小位置的限制。
（1）壳程接管位置的最小尺寸壳程接管的最小位置，见图2-4，可按下列公式计算： 带补强圈接管C bD L H+-+≥)4(21 （2-3）无补强圈接管C b d L H+-+≥)4(21 （2-4） 由于本设计中壳程接管放气空均加补强圈，故根据公式（2-3）计算得接管最小位置为306mm 。
图2-4 壳程接管的最小位置示意图（2）管箱接管位置的最小尺寸管箱接管的最小位置，见图2-4，可按下列公式计算： ① 带补强圈接管C hD L f H++≥22 （2-5）② 无补强圈接管C hD L f H++≥22 （2-6）式中： b ——管板厚度，mm ；L 1/L 2——壳程/管箱接管位置最小尺寸，mm ；C ——补强圈外边缘（无补强圈时，管外侧）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mm ；H D ——补强圈外径，mm ；H d ——接管外径，mm 。
2.3 管板与换热管2.3.1 管板（1）材料：不锈钢1Cr18Ni9Ti（2）厚度根据设计要求，为方便换热管的清洗，管板设计成可拆连接，采用焊接连接，管板的最小厚度δmin（不包括腐蚀裕量）见表2-4；取δmin=20mm（包括腐蚀裕量C2=2mm）表2-4 管板的最小厚度mm 换热管外径d 10 14 19 25 32 38 45 57S min用于炼油工业局易燃易爆有毒介质等严格场合20 25 32 38 45 57 用于无害介质的一般场合10 15 20 24 26 32 36 （3）布管①换热管的排列形式，见图2-5，本设计选择正三角形排列形式，如下图：图2-5 换热管的排列示意图②换热管中心距换热管中心距一般不小于 1.25倍的换热管外径。
常用换热管中心距见表2-5。
表2-5 常用换热管中心距mm 换热管外径10 14 19 25 32 38 45 57 换热管中心距S13-14 19 25 32 40 48 57 72 分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn（见图2-7）28 32 38 44 52 60 68 80根据表中要求，取换热管中心距为s=25mm。