摘 要本文介绍了U形管换热器的整体结构设计计算。U形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形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形管换热器；结构；强度；设计计算AbstractThis paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories.This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design.KEYWOEDS: U-tube heat exchanger；frame；intensity；, design and calculationII目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1管壳式换热器。11.1 概述11.2 管程式换热器结构31.2.1 分类及特点41.3 流道选择71.4 材料选择71.5 管壳式换热器的传热强化技术81.6 主要控制参数81.7 选用要点91.8 施工、安装要点91.9 管壳式换热器腐蚀分析101.10 管壳式换热器的防腐保护111.11 新型换热器简介11第2章 U形管式换热器结构设计152.1 U形管式换热器结构介绍152.2 筒体设计162.3 封头设计162.4 管箱设计192.5 布管222.5.1 换热管的排列方式222.5.2 换热管中心距232.5.3 换热管与管板的连接242.6 管板设计252.6.1 管板的加工262.7 折流板262.7.1 折流板的形式272.8 拉杆282.8.1 拉杆的直径、数量及布置292.9 定距管302.10 裙座的设计302.10.1 裙座的结构312.10.2 裙座的材料312.11 起吊附件31第3章U形管式换热器的强度计算与校核323.1 换压力热器的计算323.2 筒体计算333.2.1 筒体厚度计算333.2.2 压力试验时应力校核343.2.3 压力及应力计算343.3 前端管箱筒体计算353.3.1 管箱筒体的厚度计算36（1）筒体的计算厚度363.3.2 压力试验时应力校核36 3.3.3 压力及应力计算373.4 前端管箱封头厚度计算.383.5 开孔补强393.5.1 开孔补强计算393.5.2 开孔补强计算413.5.3 开孔补强计算423.6 筒体法兰计算443.6.1 筒体法兰计算443.6.2 力矩计算453.6.3 螺栓间距校核463.6.4 形状常数确定473.6.5 剪应力校核483.7 前端管箱法兰计算493.7.1 螺栓受力计算493.7.2 力矩计算503.7.3 螺栓间距校核523.7.4 形状常数确定523.7.5 剪应力校核533.8 U形管换热器管板计算543.8.1 管板计算553.8.2 换热管563.8.3 参数计算573.8.4 管板厚度及管板应力计算573.8.5 管板应力校核583.8.6 换热管轴向应力计算及校核583.8.7 换热管与管板连接拉脱力校核59第4章 结论60参 考 文 献61致 谢62沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论 管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。1.1 概述 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1。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽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。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%45%。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。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器；按结构可分为固定管板、U形管、浮头式三种形式，而固定管板式换热器最为常见。国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。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。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。5060年代的照搬发展到70年代消化和吸收，进入80年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次开发浪潮。到90年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。国内80年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器 、高效冷凝器、双壳程换热器、管壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展，模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系。 一般来说，管壳式换热器制造容易、生产成本低、选材范围广、清洗方便、适应性强、处理量大、工作可靠、且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面无法与板翅式换热器相比，但它由于前述的一些优点，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。在换热器向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效传热管不断出现，使得管壳式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新的生命力。 国外换热器市场管壳式换热器占64。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。现就几种新型换热器的特点简介如下：一、气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属，还能喷涂合金和陶瓷（金属陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。 通常在实践中翅片底面接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。 为了评估翅片底面接触阻力对翅片效率的影响，特对气动喷涂翅片管换热器元件进行了试验研究。试验证明，气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。 因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。二、螺旋折流板换热器 在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（Z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。 为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。 螺旋折流板的设计原理很简单：将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。 螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠