U形管换热器设计
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 换热器简介
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，自从21世纪以来，各国的换热器水平都有了长足的发展，我国的换热器技术在我国各方面人才的努力下也有了很大提高，本次设计就是在已有的计算基础上进行的，在查阅了换热器设计的相关资料，进行了此次设计。
换热器在化工生产中的应用
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，它是化工，炼油、动力、油田储运集输系统和原子能及其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%;在炼油厂换热器约占全部工艺设备
投资的35%-40%。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，以满足工艺需要[2-3]。
换热器的分类及其特点
换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是在耗能用量十分大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用条件和工作环境不同，换热器又有各种各样的形式和结构。在生产中有时把换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式3类，其中间壁式换热器应用最普遍[9]。
间壁式换热器在各工业部门中使用极其广泛，担负着各种换热任务，例如用以加热、蒸发、冷凝和废热回收等。由于它们的使用条件和要求差别很大，如容量、温度、压力和工作介质的性质等，涉及的范围极广，因此换热器的结构型式也多种多样。
管壳式换热器主要分为下列几种：
(1)固定管板式。固定管板式换热器的典型结构是管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低；壳程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点是当管束与壳体的壁温差或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢的场合；管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。
(2)浮头式。浮头式换热器的典型结构是两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动称为浮头。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。它适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
(3) U形管式。U形管式换热器的典型结构是只有一块管板，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U形换
热管有温差时，不会产生热应力。其主要缺点是U形管具有一定的弯曲半径，故管板的利用率较差，管内不易清洗，U形管更换困难。适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料[6-8]。
3 U形管式换热器
U形管式换热器是管壳式换热器的一种，由管板、壳体、管束等零部件组成，仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，重量较轻。在同一直径情况下换热面积最大，结构简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小。其优点是:
(1)管束可抽出来机械清洗;
(2)壳体与管壁不受温差限制;
(3)可在高温、高压下工作，一般适用于温度小于等于500 ºC，压力小于等于10MPa;
(4)可用于壳程结垢比较严重的场合;
(5)可用于管程易腐蚀场合。
U形管式换热器壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板，以增加壳侧介质流速。为了进一步开展设计，还必须选择冷热流体的流动通道，在U形管式换热器中可根据以下原则选择:
(1)因为U形管内清洗不方便，所以不洁净和易结垢的液体宜在壳程;
(2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀;
(3)压力高的流体宜在管程，以免壳体承受压力;
(4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较洁净，一般给热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出;
(5)被冷却的流体宜走壳程，以便于散热;
(6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，使给热系数大的流体通入壳程，以减少热应力;
(7)流量小而粘度大的流体一般通入壳程为宜[7]。
4 管壳式换热器在国内外的发展现状及发展趋势
由于管壳式换热器结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。许多工艺过程都具有高温、高压、高
真空、有腐蚀性等特点，而管壳式换热器具有选材范围广(可为碳钢、低合金钢、铝材、铜材、钦材等)，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器广泛应用，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定着换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板(或折流杆)。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。管壳式换热器中换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两种不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，实现了两流体换热的工艺目的。一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性:
(1)耐高温高压，坚固、可靠、耐用;
(2)制造应用历史悠久，制造工艺及操作、维修、检验技术成熟;
(3)选材广泛，适用范围大。
从间壁式换热器的发展史来看，管壳式换热器的技术提高受到下列因素的限制:
(1)流体热附面层热阻的限制。即使是湍流流动，在流体与固体壁之间也要生一层附面层(又称边界层)，而其中接触固体壁的一层称为层流底层，其流动性质为层流流动，它是靠分子扩散进行传导传热的，传热速率很小。进一步减薄、破碎、离和清除这个薄层，都可以逐步提高换热器的传热量，它是提高换热器技术的关键之一。
(2)流体压力损失的限制。通过提高流体速度，可以减薄附面层的厚度，从而提高传输的热量。但是，提高流体速度却引起一个矛盾的后果，流体的压力损失增加，其增加的速率巨大，所以不得不降低流速来接受较低的传热系数。
(3)扩大传热面积的限制。扩大传热面积是提高预热温度和增加热回收率的简单而有效的办法，但却受到换热器成本和价格提高、换热器尺寸扩大与安装重量加大、换热器体积庞大与运输车辆超重等等的限制[10-12]。
