U型管式换热器

Key words: U type heat exchanger, structure, design and calculation
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。
厚度附加量（按[]第三章取），㎜；对多层包扎圆筒只考虑内筒的C的值，对热套筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的C值；
圆筒或球壳的内直径，㎜；
圆筒或球壳的外直径（ ），㎜；
计算压力（按[]第三章）， ；
设计压力， ；
管程设计压力， ；
壳程设计压力， ；
圆筒或壳体的最大允许工作压力， ；
圆筒或球壳的计算厚度，㎜；
U型管式换热器使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。
壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向以增加壳侧介质流速。
符号：
钢材厚度负偏差㎜，应按相应的钢材标准的规定选取；
钢材的腐蚀裕量，㎜；
本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都比较高，因而设计要求较高。换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中要进行了换热器的结构设计，强度计以及零部件的选型和工艺设计。
关键词：U型管式换热器，结构，设计计算
This paper introduces the U tube exchanger of the whole structure design calculation.U type heat exchanger with a tube plate, both ends of which are fixed on the same tube plates, tubes can be freely telescopic, thermal stress, thermal compensation performance is good; tube with double tube pass, longer process, the flow velocity is higher, the heat transfer performance is good, strong bearing ability, simple structure, cheap price, applied to the tube, the larger temperature difference between the shell wall or shell pass medium easy scaling needs cleaning and not suitable for floating head type and fixed tube plate occasions, especially suitable for the tube away clean and not easy to scale the high temperature, high pressure, strong corrosive materials. U type heat exchanger main structure consists of a tube box, cylinder, head, tube, pipe, baffle plate, front panel and draft tube, short circuit protection structure, support and other accessories such as pipe shell.
近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。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，间壁式换热器又可分为列管式和板壳式换热器两类，其中列管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，随着经济的发展各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。
>700~≤1000
>1000~≤1500
>1500≤2000
>20010
12
14
16
固定式管板
6
8
10
12
14
注：表中数据包括厚度附加量 (按1㎜考虑)
公称直径
400~≤500
>500~≤700
>700~≤1000
>1000~≤1500
>1500≤2000
>2000~≤2600
圆筒或球壳的有效厚度，㎜；
圆筒或球壳的名义厚度，㎜；
设计温度下圆筒或球壳的计算应力， ；
设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力(按[]第4章)， ；
试验温度下的圆筒材料的许用应力（按[]第4章）， ；
焊接接头系数（按[]第3章）；对热套圆筒 ；
3.1壁厚的确定
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常由管材或板材卷制而成。按管壳式热交换器设计手册GB151中第5章规定圆筒公称直径
最小厚度
3.5
4.5
6
8
10
12
3.2管箱圆短节设计
管箱圆筒（短节）计算按 第5章的有关规定；其开孔补强计算按 第8章有关规定。圆筒的最小厚度按表3.1.12的规定。设计条件见表3.1.3
圆筒计算：
设计温度下的计算厚度按式（3-2-1）计算，公式的适用范围为 。
3-2-1
其中 ； ；当厚度3~16㎜， 焊接接头系数 带入上式得：℃
3.3壳体圆筒设计
圆筒的厚度应按GB 150-1998第5章计算,但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3-1的规定，高合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3-2的规定。设计条件见表3-4：
表3-4
部件材料设计温度
圆筒计算：
设计温度下圆筒的计算厚度按式（3-2-1）计算，
其中带入（3-2-1）得：
计算厚度：
a)卷制圆筒的公称直径以400㎜为基数，以100㎜为进级档；必要时，也可采用50㎜为进级档；
b)公称直径DN≤400㎜的圆筒，可用钢管制作。
圆筒的厚度按 第5章计算，但碳素钢和低合金刚圆筒的最小厚度不小于表3.1.1的规定，高合金钢圆筒的最小厚度不应小于表3.1.2的规定。
公称直径
400 ~≤700
设计厚度：
名义厚度：经圆整取
有效厚度：
设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2-2）计算：
得
满足强度要求，故取名义厚度合适
设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-2-3）计算:
满足压力要求，故取名义厚度合适。
3.4封头设计
压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。
近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战，但由于它具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点，列管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、高压和大型换热器设备中仍占有绝对优势。
列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液，汽和汽，汽和液的对流传热，蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热器冷凝流程。列管式换热器是由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。管子两端固定在管板上并将壳程和管程的流体分开。壳体内设有折流板，以引导流体的流动并支承管子。用拉杆和定距管将折流板与管子组装在一起。列管式换热器共有三种结构型式：固定管板式\浮头式和U型管式。固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构尺2寸相同的条件下，与浮头式和U型管式换热器相比换热面积大。固定管板式换热器的壳程清洗困难，适应膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁，壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束，而且可拆卸抽出管束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头式换热器应用最广泛，在油田储运传输系统中，60%——70%的换热器为浮头式换热器。U形管式换热器是管壳式换热器的一种,它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直径情况下，U形管式换热器的换热面积大；它结构简单、紧凑、密封性能高，检修、清洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低；U形管式换热器只有一块管板，热补偿性能好、承压能力较强，适用于高温、高压工况下操作。