=换热器说明书详解

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BIU800密封水换热器设计

摘要

换热器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。

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝气器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。本设计是关于U形管换热器的设计。U 形管式换热器的优点是结构简单，价格便宜承压能力强等特点，并适用于高温、高压、腐蚀性大的场合。

在设计的整个过程中，严格按照GB150—2011《压力容器》和GB151—1999《管壳式换热器》等标准进行设计和计算以及对换热器的强度、刚度和稳定性的校核。

U形管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。U形管换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成八室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

关键词：设计，U形管换热器，结构特点

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Abstract

Thermal fluid heat exchanger is the part of the heat transfer fluid to cool the equipment, also known as heat exchangers.

Heat exchanger is widely used in daily life heating radiator heating, steam turbine plant in the Condenser and space rockets on the oil cooler, are heat exchangers. It is also widely used in chemical, petroleum, power and atomic energy and other industrial sectors. Its main function is to ensure that the required process to the media specific temperature, but also improve the energy efficiency of one of the main equipment.The design is about U--tube heat exchanger which is one structure of shell and U--tube heat exchanger. U-tube heat exchanger has the advantage of simple structure, low cost and pressurized ability and it applies to high—temperature, high –pressure, corrosive occasions.

In the whole design process, strictly in accordance with the GB150-2011 "Steel Pressure Vessels" and GB151-1999 "shell and-tube heat exchanger system,” it design and calculate with the standard then strength, stiffness and stability of the heat exchanger are checked.

U-tube heat exchanger main structure includes control box, cylinder, head, heat transfer tube, pipe, baffle, erosion control board and draft tube, anti-short-circuit structure, bearing and tube shell and other accessories . U-tube heat exchanger of each tube are bent U-shaped, fluid inlet and outlet were installed on the same side on both

辽宁石油化工大学顺华能源学院毕业设计（论文）用纸sides, head in with a partition into two-bedroom and each tube is free to stretch, to solve the thermal compensation.

Keywords: Design, U-tube heat exchanger, Structure characteristic

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目录

1 说明部分 (1)

1.1 绪论 (1)

1.1.1 换热器的概述 (2)

1.1.2 换热器的分类及应用 (2)

1.1.3 U形管换热器的介绍 (7)

1.1.4 U形管换热器的机械设计步骤 (8)

1.2 换热器结构形式的选择 (9)

1.2.1 封头 (10)

1.2.2 开孔补强设计 (11)

1.2.3 法兰 (11)

1.3 设备材料的选择 (12)

1.4 设备之间的连接 (13)

1.5 设备的制造 (14)

1.6 设备的安装 (15)

1.7 设备的检测 (16)

1.8 设备的密封 (17)

2 U形管换热器的结构设计 (19)

2.1 筒体 (19)

2.2 开孔与接管 (19)

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2.3 换热管 (20)

2.4 U形管 (20)

2.5 折流板 (21)

2.6 拉杆 (21)

2.7 鞍座 (22)

2.8 接管 (22)

3 U形管换热器设计计算及强度校核 (23)

3.1 筒体、封头的厚度计算及压力试验校核 (23)

3.1.1 筒体厚度计算 (23)

3.1.2 前端管箱筒体计算 (24)

3.1.3 前端管箱封头计算 (25)

3.1.4 后端壳体封头计算 (26)

3.2 水压试验校核 (27)

3.2.1 筒体及后端筒体封头的水压试验校核 (27)

3.2.2 前端管箱及前端管箱封头的水压试验校核 (28)

3.2.3 封头的最小厚度校核 (30)

3.3 法兰和螺栓 (30)

3.3.1 垫片的选择和计算 (31)

3.3.2 螺栓的选择及强度校核 (31)

3.3.3 法兰的选择 (34)

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3.3.4 法兰的校核及应力计算 (34)

3.4 开孔补强计算 (38)

3.5 管板及换热管的选择计算 (41)

3.5.1 换热管的选择计算 (41)

3.5.2 管板厚度计算 (41)

3.5.3 管子的校核 (43)

谢辞 (47)

参考文献 (48)

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1 说明部分

1.1 绪论

化工厂常需在高温或低温下对介质进行处理，即需要对介质进行加热或冷却的单元操作。将实施这个单元操作的设备，即一般的传热装置称为广义的换热器。U形管换热器是管壳式换热器的一种，它是将传热管弯成U形，管的两端固定在同一个管板上，其优点是不产生热应力，管外壁可以清扫，结构简单，易于制造。

换热器是以两种不同温度的流体进行热量交换的设备，又称热交换器。它即可是一种单独的设备，也可是某一工艺设备的组成部分。换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。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。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。进入20世纪90年代以来，随着装置大型化的发展要求大型换热器的使用需求增加。近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少传热面积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。

辽宁石油化工大学顺华能源学院毕业设计（论文）用纸1.1.1 换热器的概述

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

1.1.2 换热器的分类及应用

列管式换热器分类

列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器。

优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。

结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程

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称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U形管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等。

(1)浮头式换热器

浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

图1 浮头式换热器

新型浮头式换热器浮头端结构，（如图1）它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊

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设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。

浮头换热器的特点：

浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。

(2)固定管板式换热器

辽宁石油化工大学顺华能源学院毕业设计（论文）用纸固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

如图2所示，固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

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图2 固定管板式换热器

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

固定管板式换热器的优点是：旁路渗流较小；造价低；无内漏。

固定管板式换热器的缺点是：壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，

壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。

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(3)U形管式换热器

图3 U形管式换热器

如图3所示，这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

(4)填料函式换热器：

这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

1.1.3 U形管换热器的介绍

U形管式换热器是管壳式换热器的一种，属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。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。但管内清洗不便，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凄，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。

辽宁石油化工大学顺华能源学院毕业设计（论文）用纸这类换热器型式与基本参数已系列化，JB/T4717-92、及中石化《浮头式换热器、冷凝器 U形管式换热器系列--型式与参数》（第三版）2006.8 ，设计制造应遵循GB151-1999《管壳式换热器》等标准。

1.1.4 U形管换热器的机械设计步骤

A、U形管换热器的目的设计

（a）确定操作目的

（b）确定在整个工厂设备中该换热器的安装位置和所承担的任务。

B、U形管换热器的材料设计

一般化工设备的材料设计目的是降低材料费、加工费、保全费等几方面的总费用。同时还必须考虑耐压、耐热、耐腐蚀等方面的因素。

C、U形管换热器的工艺设计

（1）确定给定条件

（2）主要参数的的确定及说明

（3）U形管换热器结构选择及论证

（a）U形管换热器整体结构及特点

（b）前管箱、壳体及后端盖结构形式及特点

（c）管束分程和分程隔板的布置及特点

（d）管子尺寸及排列、数量、偏差和总传热面积的确定

（e）折流板、拉杆、定距管等零件的结构及特点

（f）管子与管板的连接说明

辽宁石油化工大学顺华能源学院毕业设计（论文）用纸（g）接管、法兰、管箱法兰、外头盖法兰及浮头法兰的结构及特点

（h）支耳、支座、排气管、排液管的结构及作用

（i）U形管换热器密封结构形式及密封点的说明

D、U形管换热器零部件的强度计算及校核

（a）封头、壳体厚度计算

（b）管板强度计算与校核

（c）开孔补强计算

（d）法兰强度计算与校核

（e）鞍座强度校核

1.2 换热器结构形式的选择

本设计采用管壳式换热器

在换热器设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适用性较强，处理能力大，能承受高温和底压等特点。管壳式换热器的结构设计，必须考虑诸多因素，如：材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。

管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的换热器设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适用性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。GB151、JB1154、JB1164等国家标准中，比较详细的规定了管壳式换热器的标准形式、基本参数、以便各行业在应用设计中广泛应用。结构形式和主要特点：管壳式换热器主要有三大组合部分组成：前端管箱、中间壳体、后端管箱。

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管壳式换热器包括固定管板式、U形管式、浮头式、填料函式换热器和釜使重沸器等。

U形管换热器的特点：

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，管子可以自由伸缩。当壳体与换热管有温差时，不会产生热应力。

由于受弯管半径的限制，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，壳程流体易发生短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围的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 形管相当于两根管，报废率较高。

U形管式换热器结构简单，价格便宜，承受压力能力强，适用于管、壳壁温差大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适于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。

1.2.1 封头

压力容器封头的种类较多，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。

对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒的连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关。

封头设计时，一般应优先选用封头标准中推荐的形式与参数，然后根据受压情况进行强度或稳定性计算，确定合适的厚度。

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在本设计中，选用标准椭圆形封头。

1.2.2 开孔补强设计

开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。目前通用的、也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。等面积补强设计方法主要用于补强圈结构的补强计算，基本原则就是使有效补强的金属面积等于或大于开孔所削弱的金属面积。

1.2.3 法兰

法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致，有时法兰对强度的要求比较高，

可以选用与壳体不一致的钢材。通常所用的钢材有Q235、Q235F 、16Mn 、15MnV 、20、1Cr18Ni9Ti 等。

因法兰是主要的受力元件之一，故需有较高的强度。故法兰材料选用低合金

高强度钢16Mn 。

16Mn 钢是345Mpa 级的低合金结构钢。它具有良好的综合机械性能、焊接性能、

工艺性能及低温冲击性韧性，中温（C o 450）和低温（C o 45 以上）机械性能均优于Q234-A 、12、20等碳钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定。它有如下特点：

（1）高的强度和屈强比。（2）高韧度。（3）良好的焊接性能和冷、热加工性能。

（4）有一定的抗腐蚀能力。

锻造工艺性能及其他性能：始锻温度C o 1220，终锻温度C o 800，锻后C o

900正

火再冷却，无回火脆性。

焊接要求：焊接性尚属良好，锻件焊前应预热C o 150~100，焊后，电弧焊需

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C o 650~600回火，电渣焊焊后需C o 930~900正火，C o 650~600回火消除热应力。 焊条：手工焊焊条结502, 506, 507。自动焊焊丝用H10Mn2, H10MnSiA, 焊

剂431；电渣焊焊丝用H08MnMoA,焊剂431， 360

使用温度：C C o o 475~40 。

用途举例：大、中、小型锻件，如管板、法兰，化工工业小型合成氨厂高压

设备可焊接锻件，筒体、顶部、底部。

A 、对法兰连接的基本要求

法兰连接从结构功能和一般设计准则出发，应满足下列基本要求；工作条件

下法兰泄漏量，被控制在允许范围之内；在各种情况中（装配、开车和操作），能经受一定的外载和内力，具有足够的强度，便于多次拆装而又不致影响其密封性能；结构简单，成本低廉，适合大批量生产；对于管法兰，由于被连接的对象是标准件（管子、管件和阀门），因此还应该特别突出互换性的要求。

B 、法兰的型式

换热器常采用的法兰结构型式为：平焊法兰及对焊法兰。法兰的密封面型式：

平面、凹凸面、榫槽面。

1.3 设备材料的选择

压力材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%的材料性能对压力容器运行

的安全性有显著的影响。选才不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。

压力容器材料多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等。选择材料

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应考虑使用条件，焊接性能，制造工艺以及经济合理性符合相应的标准。

化工设备材料选用的一般规则：

（1）材料的使用性能原则不同的物件所要求的使用性能是不同的。有的要求高强度，有的要求耐腐蚀高温或耐低温。有的要求高硬度耐磨损。因此，选材时，首先必须准确的判断构件所需的使用性能。分析构件的工作条件。构件的受力情况。构件的工作环境。构件的特殊要求（如传热快、防震、重量轻）等。通过失效分析，确定构件的主要使用性能。从构件性能要求提出对材料使用性能的要求。

（2）材质加工工艺性能原则选材时必须考虑加工性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺简单，而且容易加工，能源消耗少，材料利用率高，加工质量好。

（3）材料经济性能原则在满足构件使用性能，加工性能要求的前提下，经济性能业师必须考虑的主要因素。一般的机械产品注重“成批”，化工设备强调“成套”。考虑到工艺流程的需要，化工设备设计开始前往往统一规定，在压力等级，温度，材质，防腐等方面提出统一的规定。

1.4 设备之间的连接

（1）管子与管板之间的连接

管子与管板的固定是管壳式换热器设计、制造中最主要的问题之一，是换热器事故率最多的部位，所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。换热管与管板的主要连接形式有：强度胀接、强度焊接、胀焊并用结构。

辽宁石油化工大学顺华能源学院毕业设计（论文）用纸本设计管子与管板采用的是强度焊接，因为管孔不须开槽，换热管端部无需退火，所以制造加工方便。焊接结构强度高，抗拉托力强。强度焊适用的压力和温度一般不限制，但不适用于有震动或间隙、应力腐蚀的场合。

（2）管板与壳体的连接

管板与壳体的连接型式，分为两类：一是不可拆式的，如固定管板式换热器，管板与壳体用焊接连接；一是可拆式的，如U形管式、浮头式及填料函式和滑动管板式的换热器，一般采用管板本身不直接与壳体连接，而通过壳体上的法兰和管箱法兰夹持固定。

考虑本设计的换热器的管束要拆卸进行清洗，使用可拆式管板，选用a型连接方式。此连接在制造上较为简单，装卸也比较方便，结构省才、质量轻，特别适用于卧式换热器。此形式是管箱法兰、壳体法兰将管板夹持固定。

1.5 设备的制造

管壳式换热器是一种传统的设备，它在工业上的应用具有悠久的历史。在长期的使用中其结构形式得到不断的改进而基本定型。

（1）筒体

换热器筒体的椭圆度要求较高，因需保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就会影响到换热效果，太小就要增加装配的困难。因此，壳体在下料和辊压过程中必须大小谨慎，下料正确。

（2）封头和管箱

封头和管箱的厚度一般不小于壳体的最小厚度，且接管管孔往往采用整体加