高压U形管式换热器的管箱设计探讨_杨东升

U形管式换热器N型管箱结构应力评定方法孙志刚;杨湖【摘要】管壳程筒体与管板整体连接时,连接处是结构不连续的高应力区,当采用弹性应力分析设计方法时,此处的弯曲应力分类是个难点.介绍了一次结构法,ASMEⅧ-1 UHX篇方法以及当量平盖法,对一次结构法和ASME规范方法进行了比较,发现二者是一致的,并归结出3种一次结构.针对算例,采用当量平盖法和一次结构法进行分析,得到相应的应力评定结果,但结果存在差异,对其进行了分析,可为此类结构设计提供一定参考.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2018(035)007【总页数】4页(P33-36)【关键词】管板;N型管箱;一次结构法;ASME规范;有限元【作者】孙志刚;杨湖【作者单位】无锡化工装备股份有限公司,江苏无锡 214131;无锡化工装备股份有限公司,江苏无锡 214131【正文语种】中文【中图分类】TH49;TE9650 引言管壳程筒体与管板采用N型管箱结构比法兰垫片连接更容易确保密封，同时结构更轻、更经济，该种结构常用在设计压力较高和直径较大的换热器上，以及对密封要求较高的场合。

管壳程筒体与管板连接属于总体不连续结构，局部应力问题突出，但GB/T 151—2014[1]中仅校核壳程筒体的轴向应力，并不校核连接处的总应力。

冯清晓[2]分析了连接处应力分析和强度评定的必要性，指出采用SW6.0计算这种结构的管板时，可以选择JB 4732算法。

谢智刚等[3]针对大型固定管板换热器进行了有限元分析，验证了JB 4732算法的可靠性。

SW6.0中的JB 4732算法仅针对固定管板换热器，并不包括U形管式换热器。

叶增荣[4]采用有限元方法对U形管式换热器进行了分析，指出在压力载荷单独作用时，管板和筒体连接处的薄膜加弯曲应力可以按照一次加二次应力评定，其前提条件是管板满足一次结构的厚度要求，否则应按照一次应力评定。

由此可见，U形管式换热器管板和筒体连接处薄膜加弯曲应力的识别是其应力分析设计的关键点，但文中并没有给出详细的计算过程。

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。

半球形管箱高压U形管换热器管板的强度计算倪永良;盛嵘;崔琴【摘要】对一台半球形管箱的高压U形管换热器的管板进行强度计算,该管板与管箱、壳程筒体之间的连接方式不属于GB/T 151-2014标准中列出的结构,不能直接选用该标准中的连接方式计算管板的厚度.根据管板所承受的载荷和受力情况,提出了两种计算方法计算了管板的厚度,并根据换热管中心距对管板计算厚度进行修正.因为两种计算结果比较接近,故认为所采用的计算方法是可行的.鉴于该换热器的管箱是半球形封头,而在第2种方法中将管板当作平盖计算时,现有的设计标准中均没有给出与半球形封头连接的平盖的计算方法,于是先按与圆筒连接的平盖的计算方法进行计算,然后采用AN-SYS软件进行有限元应力分析,对计算结果加以验证,验证结果表明所采用的计算方法基本正确的,可用于工程设计.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2016(043)005【总页数】6页(P605-609,615)【关键词】U形管换热器;管板;强度计算;平盖;计算厚度;修正系数;半球形管箱;有限元分析【作者】倪永良;盛嵘;崔琴【作者单位】江苏省化工设备制造安装有限公司;江苏省化工设备制造安装有限公司;江苏省化工设备制造安装有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ055.8U形管换热器的管板与管壳程筒体之间的连接方式有多种，GB/T 151-2014标准中[1]，图7-3所列的a～f型各种连接方式均可用于U形管换热器管板与管壳程筒体之间的连接。

一台高压U形管式合成气水冷却器，因管板与管壳程筒体的连接方式为非常规结构，不属于GB/T 151-2014标准中图7-3所列的任意一种，故不能用该标准的计算方法对上述管板进行强度计算。

笔者根据该换热器管板的结构，分析了管板所承受的载荷和管板的受力情况，对该管板提出具体的强度计算方法，并采用ANSYS软件进行有限元应力分析，对计算结果加以验证。

合成气水冷却器是一台卧式高压U形管式换热器(图1)，管程为高压，壳程为低压，管板与半球形封头焊接成一体组成管箱，管板不兼作法兰，壳程筒体法兰用旋入式螺栓与管板连接，螺栓载荷的作用位置在管箱载荷的内侧。

U形管式换热器管板研究与优化开题报告一、研究方向本次研究的方向为U形管式换热器管板的研究与优化，主要关注U 形管式换热器管板的热传导性能、流阻特性及其优化方法。

二、研究背景U形管式换热器是一种广泛应用于各种工况下的换热设备，其优点是结构紧凑、传热效率高、应用范围广泛等。

U形管式换热器主要由管壳体和管板组成，其中管板是直接影响换热器传热效率和流阻特性的重要部件。

目前，对于U形管式换热器管板的研究主要集中在材料选择、结构设计和制造工艺优化等方面，对于其热传导性能和流阻特性的研究尚不深入。

三、研究目的本次研究旨在探究U形管式换热器管板的热传导性能和流阻特性，通过分析管板的结构、材料和流道设计等要素，探讨其优化方法，为提高换热器的传热效率和流体的运行性能提供理论依据和实践指导。

四、研究内容1. U形管式换热器管板的结构分析与建模通过对U形管式换热器管板的结构进行建模和分析，探究其内部的热传导路径和热传导特性，为后续的仿真分析提供基础和理论依据。

2. U形管式换热器管板的热传导性能分析以ANSYS等多物理场仿真软件为工具，利用有限元分析方法对U形管式换热器管板的热传导性能进行仿真分析，研究其传热特性，探讨其改进与优化方法。

3. U形管式换热器管板的流阻特性分析利用计算流体力学（CFD）方法对U形管式换热器管板的流阻特性进行分析，探讨其设计参数对于流体流动的影响，研究其优化方法。

4. U形管式换热器管板的优化设计基于热传导性能和流阻特性分析结果，对U形管式换热器管板的结构、材料和内部流道进行优化设计，以提高其传热效率和流体流动性能，实现最佳化设计。

五、研究意义本研究的成果可以为U形管式换热器的热传导性能和流阻特性优化提供理论指导，为热传导、流体流动及传热增强领域的研究提供新思路和参考案例，具有较好的经济和社会效益。

浅谈U形管式换热器设计作者：吴成义张磊曹野来源：《科学与财富》2017年第07期摘要：管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等特点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。

近年来尽管受到了其他新型换热器的挑战，单反过来也促进的其自身的发展。

在换热器向高参数大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。

根据管壳式换热器结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器等，本文主要介绍U形管式换热器的设计优缺点和设计中需要注意的问题。

关键词：换热器；管壳式换热器；U形管式换热器引言U形管式换热器的典型结构如图所示。

这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，换热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。

但由于受弯管曲率半径的限制，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；壳层流体易容易形成短路，对传热不利，当管子泄漏或损坏时，只有管束外围处的U 形管才便于更换，内层换热管坏了不易更换，最直接的办法就是堵死，这就相当于坏一根U 形管相当于坏两根直管；如若更换，在工作量上就相当巨大，就不如直接更换管束部件。

U形管式换热器的最大特点就是结构简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质结垢需要去清洗，又不适于采用浮头式和固定管板的场合。

特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。

一、设计中常见问题1、材料方面换热器千变万化，其使用材料也是各种各样，材料不同，其使用功能也有一定的差异，影响着换热器的换热效果，所以材料的选择在换热器的设计中非常重要。

另一方面，在材料的选择上，需要考虑的因素比较多，比如客户的喜好、换热器运行的环境、使用人员的不同、工艺的要求、体型的差异等等。

但是在实际设计的时候，仍然会出现各种的干扰因素，影响对换热器材料的选择。

比如用户要求降低厚度，那么设计人员又要重新根据这一要求进行再次的计算，检验，然后重新做出设计方案；当然，也有客户认为壁厚不够要求增加的，这时候设计人员就应该对用材进行重新选择，既可以满足客户要求，又能达到受力及耐腐蚀条件，还可以节约成本。

U型管式换热器设计
首先，U型管式换热器的结构设计要考虑到流体在管内的流动情况以及换热管的换热能力。

由于U型管式换热器采用U型管作为热交换管，其双管道设计可以使两种不同介质在管内同时进行换热。

因此，在设计U型管式换热器时要保证两种介质的流量分别在两个管道内均匀分布，并且流体之间不能相互混合。

为了实现这一目的，可以在管道内部加入隔板或者采用平行的管道。

其次，选择合适的换热管材料也是U型管式换热器设计中必不可少的一项工作。

换热管材料需要满足介质的特性以及工艺要求。

一般来说，常用的换热管材料包括不锈钢、碳钢、铜及铜合金等。

选择合适的换热管材料可以提高换热效率并且延长换热器的使用寿命。

另外，在U型管式换热器的热工计算中，需要考虑到换热面积、热载荷以及热媒等因素。

换热面积可以根据实际需要进行计算，一般使用单位面积的对流换热系数与换热器的换热面积进行乘积来计算总换热面积。

热载荷是指每小时热媒需要吸收或释放的热量，根据实际生产过程中的需求进行合理选取。

最后，根据热媒流体的特性确定热媒的出口温度和入口温度，进而计算出所需的冷却水量或者加热水量。

在设计U型管式换热器时还需要考虑到管壳两侧的介质流动阻力及换热媒体的温度降低。

为了降低介质流动阻力，可以合理设计进出口管道的位置，保证流体在管内的流动速度均匀，减小流动阻力。

同时，为了充分利用能量，减小换热媒体的温度降低，可以采用多级换热器或者增加管道长度来提高换热效果。

综上所述，U型管式换热器的设计需要综合考虑结构设计、换热管材料的选择以及热工计算等多个因素。

合理的设计可以提高换热效率，满足工业生产中的热交换需求。

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形管换热器管板的优化设计1概述管壳式换热器换热是为了实现物料之间的热量传递过程的一类设备，它在化工、能源、动力医药装置设备中应用最为广泛 ,因为管壳式换热器的结构非常坚固 ,并且能够选择多种材料进行制造 ,所以适应能力极强 ,尤其是在高温、高压和大型装置中得到了普遍性的应用。

【1】在管壳式换热器的各种型式中，U形管式换热器具有结构简单紧密、密封性能好、金属消耗小、制造价格低、热补偿性好、承压能力强等诸多优点，适用于高温、高压等工况。

U形管换热器的结构设计须要考虑材料、温度、压力、结垢情况、壁温差、流体性质以及检修与清理等多种因素，综合上述因素才能考虑来设计其结构形式。

[2]1-分程隔板；2-管箱；3-筒体；4-纵向隔板；5-U 形管；6-椭圆封头；7-拉杆；8-定距环； 9-折流板；10-支座；11-管板图1 U型管换热器结构图2换热器管板分析方法的发展世界上每个国家都有自己的管壳式设计规范，我国目前通用的是 99 年修订过的GB151-1999《管壳式换热器》。

国际上比较早出现的管板设计规范是美国的管壳式换热器制造商协会(TEMA)标准,虽然计算公式简单,但是适用范围和计算精度都有比较大的限制。

【3】前人对管板的研究以及各国的规范大多都采用等效板理论,这种方法在管板的实际设计中得到了非常广泛的应用"但是等效板法以弹性薄板理论为基础,用于厚管板分析的时候可能会存在较大的偏差;同时,各国的范都是基于管板载荷与约束均具有轴对称性而导出来的,实际上除了单管程和单壳程换热器的管板外,其余种类换热器管板都不可能满足这个条件;另外,采用无孔等效板还不能准确的模拟管板上温度场,尤其是在采用胀接与管子连接的同时,对管板温度场有重要的影响。

【4】计算机技术突飞猛进的发展使的有限元数值分析法在管板设计与研究上的应用成为了一种可能，该方法的最大优点就是可以充分的模拟管板的真实结构,和真实的载荷边界条件,而不受到管板厚度或者其他结构形式的限制和影响,所以越来越受到重视。

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