基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计

基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计

晨怡热管 (新疆大学化学化工学院，新疆鸟鲁木齐830008) 侯静张亚新韩维

涛 2010-3-4 1:28:12

摘要：介绍了基于ANSYS的蛄构优化设计的基本原理和方法，用ANSYS软件对u型管换热器的管板厚度进行了优化设计，得出了管板参数的最佳组合，为换热器的设计提供了理论依据。

关键词：ANSYSl优化设计；目标函数；管板

中圈分类号：TQ051．5文献标志码}A文章编号：1005—2895(2006)010026—04

0引言

结构优化是结构设计的一个重要方面。在结构优化中，有限元方法是重要方法之一。2O世纪6O年代以来，随着计算机技术的蓬勃发展，有限元方法迅速发展成为一种新的高效的数值计算方法，并很快广泛应用到弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。ANSYS 系统是第一个通过ISO9001质量认证的大型工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础[1]。

换热器管板是换热器中的重要部件。根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情况及应力分析对整个管箱结构的应力分析起着决定性的作用。本文采用ANSYS有限元分析软件，建立换热器管板的有限元模型，加载求解，利用其优化功能模块进行优化处理，给出了管板参数的最优组合，为换热器的设计提供了有价值的理论依据。

1优化设计基本原理

优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，通过满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。在一个设计优化工作之前，用3种变量来阐明设计问题，优化问题的数学模型可表示为[2]。

2ANSYS优化设计概述

2．1优化变量

优化变量是优化设计过程中的基本变量，包括设计变量(DV)、状态变量(SV)和目标函数设计变量(DV)是优化设计中的自变量，通常包括几何尺寸(如截面面积、宽度、高度等)、材质、载荷位置、约束位置等。优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。

状态变量(SV)是指约束设计的数值，通常包括内力、弯矩、应力、位移等。它们一般

是设计变量的函数，是“因变量”。只有状态变量符合规定的限制条件设计才能合理，从而才能实现优化设计。

目标函数是指设计所要优化的数值，通常包括结构重量、尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的半径)、支撑位置、制造费用等性能准则。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。

2．2优化工具和方法

优化工具是搜索和处理设计空间的技术，可用的优化工具有：单步运行法

(Single Run)、随机搜索法(Random Designs)、乘子评估法(Factoria1)、等步长搜索法(Gradient)、最优梯度法(DV Sweeps)5种。因为求最小值不一定是优化的最终目标，所以目标函数在使用这些优化工具时可以不指出，但是必须要指定设计变量。

优化方法是使单个函数(目标函数)在控制条件下达到最小值的传统化的方法。有2种常用的优化方法：零阶方法(Sub—Problem)和一阶方法(First—Order)。

零阶方法的本质是采用最小二乘法逼近、求取一个函数面来拟合解空间，然后再对该函数面求极值。这无疑是一种普遍的优化方法，不易陷入局部极值点，但优化精度一般不高，故多用于粗优化阶段。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此，更加适合于精确的优化分析。

2．3优化步骤

在使用ANSYS进行优化设计时，有2种实现方法：GUI交互式和命令流式。

交互方式具有很大的灵活性，而且可以实时看到循环过程的结果。在用GUI方式进行优化时，首要的是要建立模型的分析文件，然后优化处理器所提供的功能都可以交互式地使用，以确定设计空间，便于后续优化处理的进行。这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小，使优化过程得到更高的效率。

如果用户对于ANSYS程序的命令相当熟悉，就可以选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式来进行优化。对于复杂的需要耗费大量机时的分析任务来说(如非线性)，这种方法更有效。

优化设计通常包括以下几个步骤，这些步骤根据用户所选用优化方法的不同而有细微的差别。

(1)生成循环所用的分析文件，该文件必须包括整个分析过程；(2)建立优化参数；(31进入优化模块，指定分析文件(OPT)；(4)声明优化变量；(5)选择优化

工具和优化方法；(6)指定优化循环控制方式；(71进行优化分析；(8)查看设计序列结果(OPT)和后处理(POST1／POST261。

3U型管换热器的优化设计过程

3．1问题描述

如图1所示为U型管换热器的结构示意图，管板材料选用20MnMo锻件，球形封头材料为16MnR，材料的弹性模量E一2．0×10Mpa，泊松比为0．3，密度为7．8t／m，设计压力为31．4MPa，许用应力为196MPa。由于该换热器是轴对称结构，所以可选其一半结构来建模。为了节省时间和存储空间，而又不影响分析

结果，可根据其结构略去一些细节。其中管孔对于管板强度的削弱，可以采用有效弹性模量E。和有效泊松比V1的概念将管板折算为同厚度的当量无孔圆平板。因此，管板区域分为2大部分，1区按等效圆板来处理，而2区按实际情况处理。根据相关文献得到E。一0．54E，V=0．36。综上所述，所得简化分析模型如图2所示。

图2U型管换热器的简化分析模型3．2建立数学模型

在换热器的应力分析中，换热器部件设计时关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的校核线代替校核面。很显然，这是一个2D的有约束优化问题管板结构优化设计的最终目的是在满足给定的刚度和强度要求下使管板的重量达到最小。根据管箱的结构形式，选定管板的厚度h和管板的外半径6作为优化设计的设计变量。σ为优化设计中结构的等效应力强度，需作为一个约束条件。综上所述可得管板结构优化设计的数学模型为：

3．3约束条件及载荷

b，h的变化范围分别是：6∈(790，820)；h∈(340，390)它们的初值分别为6—820mm，h一390mm。将图2所示的简化模型进行有限元建模，对边界区采用三角形单元PLANE2，自由网格划分；非边界区采用四边形单元SOLID82，映射网格划分。生成的有限元模型如图3所示。

边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。由于换热器的应力分析是以线代面，而且是取一半进行分析，所以在端面处施加x方向约束和管孔处施加y方向约束。整个管程承受压力，所以在线上施加面载荷P：==31．4MPa。

3．4优化处理及分析

本文选用精度很高的First—Order法运行，采用多次迭代得出不同的设计序列查看序列结果，可得5个设计序列，优化结果如表1所示可以看出序列4是最佳设计序列(*表示最优组数据)。优化后所得有限元模型如图4所示。从图4可以直接观察到良好的优化效果。

目标函数收敛情况如图5所示，状态变量收敛情况如图6所示。

从表1中结果分析可以得出，在优化设计序列4中，目标函数管板重量减轻了22．26％，优化效果明显。通过图5可清楚地看出，目标函数随迭代次数的增加

向最佳设计方案逼近的效果良好。由图6可以看出等：效应力随迭代次数的变化情况，最大等效应力为141．64MPa远小于给定的许用值294MPa，从序列4开始等效应力基本为恒值。趋于稳定，可见其强度是足够的。

4结论

(1)利用大型有限元分析软件ANSYS对换热器管板厚度进行优化分析，得到了较好的优化效果，很好地印证了有限元分析技术在结构优化设计中的应用价值，减少了设计成本和设计周期。

(2)管板的最优尺寸为：6—790mm，h===340mm。优化后的质量由最初的lO．054kg 下降到7．8158kg，减轻了22．26％，优化效果明显。

(3)基于ANsYs的结构优化设计在解决结构优化问题时是有效的、实用的，是结构优化设计实现方法的一个重要组成部分。随着计算机技术的进步，这种方法的应用空间将会得到进一步的拓展。

参考文献：

[1]任重．ANSYS实用分析教程[M]．北京：清华大学出版社。2003．

[2]倪正顺，帅词俊．CAE方法中的优化技术及其应用EJ]．现代机械，2002。

(2)l16—18．

[3]李黎明．ANSYS有限元分析实用教程[M]．北京：清华大学出版牲，2005．

管壳式换热器设计 课程设计

河南理工大学课程设计管壳式换热器设计 学院：机械与动力工程学院 专业：热能与动力工程专业 班级：11-02班 学号： 姓名： 指导老师： 小组成员：

目录 第一章设计任务书 (2) 第二章管壳式换热器简介 (3) 第三章设计方法及设计步骤 (5) 第四章工艺计算 (6) 4.1 物性参数的确定 (6) 4.2核算换热器传热面积 (7) 4.2.1传热量及平均温差 (7) 4.2.2估算传热面积 (9) 第五章管壳式换热器结构计算 (11) 5.1换热管计算及排布方式 (11) 5.2壳体内径的估算 (13) 5.3进出口连接管直径的计算 (14) 5.4折流板 (14) 第六章换热系数的计算 (20) 6.1管程换热系数 (20) 6.2 壳程换热系数 (20) 第七章需用传热面积 (23) 第八章流动阻力计算 (25) 8.1 管程阻力计算 (25) 8.2 壳程阻力计算 (26) 总结 (28)

第一章设计任务书 煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140℃冷却冷却到40℃的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。 设计任务及操作条件 1、设备形式：管壳式换热器 2、操作条件 （1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃ （2）冷却水介质：入口温度26℃，出口温度40℃

第二章管壳式换热器简介 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。 在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。 管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，

化工原理课程设计管壳式换热器汇总

化工原理课程设计管壳式换热器汇总 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]

设计一台换热器 目录 化工原理课程设计任务书 设计概述 试算并初选换热器规格 1. 流体流动途径的确定 2. 物性参数及其选型 3. 计算热负荷及冷却水流量 4. 计算两流体的平均温度差 5. 初选换热器的规格 工艺计算 1. 核算总传热系数 2. 核算压强降 经验公式 设备及工艺流程图 设计结果一览表 设计评述 参考文献 化工原理课程设计任务书 一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件： 1、苯：入口温度80℃，出口温度40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度35℃。

3、允许压强降：不大于50kPa。 4、每年按300天计，每天24小时连续运行。 三、设备型式： 管壳式换热器 四、处理能力： 99000吨/年苯 五、设计要求： 1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。 4、设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸） 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。 1.设计概述 热量传递的概念与意义 1.热量传递的概念 热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。 2. 化学工业与热传递的关系 化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为

U型管式换热器设计毕业设计说明书

摘要 换热器是化工生产过程中的重要设备，它能够实现介质之间热量交换。广泛应用于石油、化工、制药、食品、轻工、机械等领域。U型管式换热器是换热器的一种，它只有一个管板，结构简单，密封面少，且U形换热管可自由伸缩，不会产生温差应力，因此可用于高温高压的场合。一般高压、高温、有腐蚀介质走管程，这样可以减少高压空间，并能减少热量损失，节约材料，降低成本。 甲烷化换热器，是合成氨生产中的重要设备之一, 它能将27℃的H2N2混合气升温至274℃，同时将339℃的H2N2精制气降温至90℃。甲烷化换热器一般选用U型管换热器，它由一台Ⅰ型甲烷化换热器与一台Ⅱ型甲烷化换热器连接组成。其中Ⅰ型甲烷化换热器将27℃的H2N2混合气升温至150℃，同时将215℃的H2N2精制气降温至90℃；Ⅱ型甲烷化换热器能将150℃的H2N2混合气升温至274℃，同时将339℃的H2N2精制气降温至215℃。 本次设计主要根据GB150《钢制压力容器》及GB151《管壳式换热器》对设备的主要受压元件进行了设计及强度计算，又结合HG/T20615《钢制管法兰》、JB/T 4712《容器支座》等其它压力容器相关标准，对其它各部件进行设计，最终完成了Ⅱ型甲烷化换热器的设计。 关键词：换热器；甲烷化换热器

Abstract Heat exchanger is important in the process of chemical production equipment, which can be achieved between the heat exchange media. Widely used in petroleum, chemical, pharmaceutical, food, light industry, machinery and other fields. U-tube heat exchanger is a heat exchanger, it has only one tube plate, simple structure, less sealing surface, and the U-shaped tubes are free to stretch, no thermal stress, it can be used for high temperature and pressure of the occasion . General high-pressure, high temperature, corrosive media, take control process, thus reducing the pressure of space, and can reduce heat loss and saving materials and reduce costs. Methanation heat exchanger, ammonia production is one of the important equipment, it will be 27 ℃of H2N2 mixture heated to 274 ℃, 339 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 90 ℃. Methanation heat exchanger is generally used in U-tube heat exchanger, which consists of Type Ⅰand type Ⅱmethanation methanation Heat exchanger connected to form a methanation type. Heat exchanger type Ⅰmethanation of H2N2 to 27 ℃heating the mixture to 150 ℃, 215 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 90 ℃; Ⅱ-type heat exchanger can methanation 150 ℃, heating the mixture to the H2N2 274 ℃, 339 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 215 ℃. This design mainly based on GB150 "steel pressure vessels"and GB151 "shell and tube heat exchangers, " the main pressure parts of the equipment was designed and strength calculation, but also with HG/T20615 "steel pipe flange", JB / T 4712 "containers bearing" pressure vessels and other relevant standards, the design of other components, he finally completed the methanation Ⅱtype heat exchanger design. Keywords: Heat exchanger;Methanation heat exchanger

U型管换热器课程设计说明书2

U型管换热器课程设计 说明书 设计题目 U型管换热器设计 专业班级建环1001 学生姓名xxxxx 学号xxxxxx 指导教师xxxxx 日期2013.5.4

一、化工原理课程设计任务书 （换热器的设计） （一）设计题目：煤油冷却器的设计 （二）设计任务及操作条件： 1.处理能力：15万吨/年煤油 2.设备型式：列管式换热器 3.操作条件： （1）煤油入口温度125℃，出口温度40℃； （2）冷却介质循环水，入口温度25℃，出口温度45℃； （3）允许压强降不大于105Pa; （4）煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为： 7.15×10-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ℃）；导热系数为： 0.14W/（m. ℃） （5）每年按330天计，每天24小时连续运行。 （三）设计项目 1传热计算 2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算 3管板厚度计算 4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外） 5管壳式换热器零部件结构 （四）绘制换热器装配图（A2图纸）

二、换热器的选用 换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。 ①根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。 ②按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)Δtm 及查出温差校正系数ψ。若ψ< 0 . 8 , 应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。 ③依所处理流体介质的性质, 凭经验初选一总传热系数K0 ( , 并由总传 估) 热速率方程计算传热面积S'0 : S'0 =Q/K0 估Δtm ———凭经验选取的总传热系数,W /(m2·K) ; 式中Q———热负荷,W; K0 ( 估) Δtm ———平均温度差, ℃。 ④根根据计算出的S’0 值, 查有关换热器系列标准, 确定型号规格并列出各结构主要基本参数。 ⑤利用总传热系数关联式计算K0 ( 计) , 再由总传热速率方程式求出S0 ( 计) 。考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素, 应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%～25% , 即[ ( S0 - S0 ( 计) ) /S0 ( 计) ] = ( 10% ～25% )。否则需重新估计一个K0 ( 估) , 重复以上计算。也可依所选用换热器具有的传热面积S0 , 通过总传热速率方程式求出K0 ( 选) , 然后比较K0 ( 选) /K0 ( 计) 之值是否在1 . 15～1 . 25 范围。 ⑥计算出管、壳程压力降, 验算是否满足要求。

U型管式换热器设计

U型管式换热器设计 摘要 本文介绍了U型管换热器的整体结构设计计算。U型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型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型管换热器，结构，强度，设计计算 U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN ABSTRACT This 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 calculation

化工原理课程设计换热器设计

化工原理 课 程 设 计 设计任务：换热器 班级：13级化学工程与工艺（3）班 姓名：魏苗苗 学号：1320103090 目录 化工原理课程设计任务书 (2) 设计概述 (3) 试算并初选换热器规格 (6) 1. 流体流动途径的确定 (6)

2. 物性参数及其选型 (6) 3. 计算热负荷及冷却水流量 (7) 4. 计算两流体的平均温度差 (7) 5. 初选换热器的规格 (7) 工艺计算 (10) 1. 核算总传热系数 (10) 2. 核算压强降 (13) 设计结果一览表 (16) 经验公式 (16) 设备及工艺流程图 (17) 设计评述 (17)

参考文献 (18) 化工原理课程设计任务书 一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件：1、苯：入口温度80℃，出口温度40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度32.5℃。 3、允许压强降：不大于50kPa。 4、每年按300天计，每天24小时连续运行。 三、设备型式：管壳式换热器 四、处理能力：109000吨/年苯 五、设计要求： 1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。

4、设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸） 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。 六、附表： 1.设计概述 1.1热量传递的概念与意义 1.1.1热量传递的概念 热量传Array递是指由于 温度差引起 的能量转移， 简称传热。由 热力学第二 定律可知，在 自然界中凡 是有温差存 在时，热就必 然从高温处 传递到低温 处，因此传热

管壳式换热器的工作原理及结构

管壳式换热器的工作原理及结构 随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。 一、管壳式换热器的工作原理 管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。 工作原理和结构图 1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A 流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/（m（℃）〕；用水冷却气体时，为10～280W/（m（℃）；用水冷凝水蒸汽时，为570～4000W/（m （℃）。 二、管壳式换热器的形式与结构 管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固

u型管换热器课程设计说明书2

U型管换热器课程设计 说明书2 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

U型管换热器课程设计 说明书 设计题目 U型管换热器设计 专业班级建环1001 学生姓名 xxxxx 学号 xxxxxx 指导教师 xxxxx 日期

一、化工原理课程设计任务书 （换热器的设计） （一）设计题目：煤油冷却器的设计 （二）设计任务及操作条件： 1.处理能力：15万吨/年煤油 2.设备型式：列管式换热器 3.操作条件： （1）煤油入口温度125℃，出口温度40℃； （2）冷却介质循环水，入口温度25℃，出口温度45℃； （3）允许压强降不大于105Pa; （4）煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为：×;比热容为：（kg. ℃）；导热系数为： （m. ℃） （5）每年按330天计，每天24小时连续运行。 （三）设计项目 1传热计算 2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算 3管板厚度计算 4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外） 5管壳式换热器零部件结构 （四）绘制换热器装配图（A2图纸）

二、换热器的选用 换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。 ①根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。 ②按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)Δtm 及查出温差校正系数ψ?。若?ψ< 0 . 8 , 应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。 ③依所处理流体介质的性质, 凭经验初选一总传热系数K0 ( , 并由总传热 估) 速率方程计算传热面积S'0 : S'0 =Q/K0 估Δtm ———凭经验选取的总传热系数,W /(m2·K) ;式中Q———热负荷,W; K0 ( 估) Δtm ———平均温度差, ℃。 ④根根据计算出的S’0 值, 查有关换热器系列标准, 确定型号规格并列出各结构主要基本参数。 ⑤利用总传热系数关联式计算K0 ( 计) , 再由总传热速率方程式求出S0 ( 计) 。考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素, 应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%～25% , 即[ ( S0 - S0 ( 计) ) /S0 ( 计) ] = ( 10% ～25% )。否则需重新估计一个K0 ( 估) , 重复以上计算。也可依所选用换热器具有的传热面积S0 , 通过总传热速率方程式求出K0 ( 选) , 然后比较K0 ( 选) /K0 ( 计) 之值是否在1 . 15～1 . 25 范围。 ⑥计算出管、壳程压力降, 验算是否满足要求。

管壳式换热器设计讲解

目录 任务书 (2) 摘要 (4) 说明书正文 (5) 一、设计题目及原始数据 (5) 1.原始数据 (5) 2.设计题目 (5) 二、结构计算 (5) 三、传热计算 (7) 四、阻力计算 (8) 五、强度计算 (9) 1.冷却水水管 (9) 2.制冷剂进出口管径 (9) 3.管板 (10) 4支座 (10) 5.密封垫片 (10) 6.螺钉 (10) 6.1螺钉载荷 (10) 6.2螺钉面积 (10) 6.3螺钉的设计载荷 (10) 7.端盖 (11) 六、实习心得 (11) 七、参考文献 (12) 八、附图

广东工业大学课程设计任务书 题目名称 35KW 壳管冷凝器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 热能与动力工程制冷xx 班 姓 名 xx 学 号 xxxx 一、课程设计的内容 设计一台如题目名称所示的换热器。给定原始参数： 1. 换热器的换热量Q= 35 kw; 2. 给定制冷剂 R22 ; 3. 制冷剂温度 t k =40℃ 4. 冷却水的进出口温度 '0132t C =" 0136t C = 二、课程设计的要求与数据 1）学生独立完成设计。 2）换热器设计要结构合理，设计计算正确。(换热器的传热计算, 换热面积计 算, 换热器的结构布置, 流体流动阻力的计算)。 3）图纸要求：图面整洁、布局合理，线条粗细分明，符号国家标准，尺寸标注规范，使用计算机绘图。 4）说明书要求： 文字要求：文字通顺，语言流畅，书写工整，层次分明，用计算机打印。 格式要求： （1）课程设计封面；（2）任务书；（3）摘要；（4）目录；（5）正文，包括设计的主要参数、热力计算、传热计算、换热器结构尺寸计算布置及阻力计算等设计过程；对所设计的换热器总体结构的讨论分析；正文数据和公式要有文献来源编号、心得体会等；（6）参考文献。 三、课程设计应完成的工作 1）按照设计计算结果，编写详细设计说明书1份； 2）绘制换热器的装配图1张，拆画关键部件零件图1～2张。

U型管式换热器

U型管式换热器设计 本文介绍了U管式换热器的整体结构设计计算。U型管式换热器仅有一个管板，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，结构比较简单、价格便宜，适用于管、壳壁温差较大或者壳程介质易结垢需要清洗又不适宜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易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。U型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. 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. Key words: U type heat exchanger, structure, design and calculation

TEMA管壳式换热器设计原则

TEMA规格的管壳式换热器设计原则 ——摘引自《PERRY’S CHEMICAL ENGINEER’S HANDBOOK 1999》 设计中的一般考虑 流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。壳程则会是高粘度流体或某种气体。当管/壳程流体中的

某一种要用到合金结构时，“碳钢壳体+合金管侧部件”比之“接触壳程流体部件全用合金+碳钢管箱”的方案要较为节省费用。 清洗管子的内部较之清洗其外部要更为容易。 假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300 Psig)的,较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。 对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。 换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。 建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范Section VIII , Division 1》, 用作换热器的建造规则时提供了最低标准。一般此标准的最新版每3年出版发行一次。期间的修改以附录形式每半年出一次。在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME 规则上的要求是强制性的。最初这一系列规范并不是准备用于换热器制造的。但现在已包含了固定管板式换热器中管板与壳体间焊接接头的有关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。目前ASME 正在开发用于换热器的其他规则。 列管式换热器制造商协会标准, 第6版., 1978 (通常引称为TEMA 标准*), 用在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中，对ASME规则的补充和说明。TEMA “R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。按本标准制造的设备，设计目的在于在此类应用时严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。”TEMA “C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途” *译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版 3种建造标准的机械设计要求都是一样的。各TEMA级别之间的差异很小，并已由Rubin 在Hydrocarbon Process., 59, 92 (June 1980) 上做了归列。 TEMA标准所讨论的主题是：命名原则、制造公差、检验、保证、管子、壳体、折流板和支撑板，浮头、垫片、管板、管箱、管嘴、法兰连接端及紧固件、材料规范以及抗结垢问题。 API Standard 660, 4th ed., 1982*，一般炼油用途的管壳式换热器是由美国炼油协会出版的，以补充TEMA标准和ASME规范。很多从事化学和石油加工的公司都有其自己的标准以对以上各种要求作出补充。关于规范、标准和个客户的规定之间的关系已由F. L. Rubin编辑结集，由ASME 在1979年出版了(参见佩里化学工程师手册第6章关于压力容器规则的讨论)。 *译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到2001年第6版 换热器的设计压力和设计温度通常在确定时都在预计的工作条件上又给了一个安全裕量。一般设计压力比操作中的预计最高压力或关泵时的最高压力要高大约172KPa(25 Psi)；而设计温度则通常较最高工作温度高14°C (25°F)。 管束振动随着折流板换热器被设计用于流量和压降越来越高的场合，由管子振动带来的损 标准分享网 https://www.sodocs.net/doc/7d9008348.html, 免费下载

化工原理课程设计换热器的设计

中南大学《化工原理》课程设计说明书 题目：煤油冷却器的设计 学院：化学化工学院 班级：化工0802 学号： 1505080802 姓名： ****** 指导教师：邱运仁 时间：2010年9月

目录 §一.任务书 (2) 1.1.题目 1.2.任务及操作条件 1.3.列管式换热器的选择与核算 §二.概述 (3) 2.1.换热器概述 2.2.固定管板式换热器 2.3.设计背景及设计要求 §三.热量设计 (5) 3.1.初选换热器的类型 3.2.管程安排（流动空间的选择）及流速确定 3.3.确定物性数据 3.4.计算总传热系数 3.5.计算传热面积 §四. 机械结构设计 (9) 4.1.管径和管内流速 4.2.管程数和传热管数 4.3.平均传热温差校正及壳程数 4.4.壳程内径及换热管选型汇总 4.4.折流板 4.6.接管 4.7.壁厚的确定、封头 4.8.管板 4.9.换热管 4.10.分程隔板 4.11拉杆 4.12.换热管与管板的连接 4.13.防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图(BI型) 4.14.膨胀节的设定讨论 §五.换热器核算 (21) 5.1.热量核算 5.2.压力降核算 §六.管束振动 (25) 6.1.换热器的振动 6.2.流体诱发换热器管束振动机理 6.3.换热器管束振动的计算 6.4.振动的防止与有效利用 §七. 设计结果表汇 (28) §八.参考文献 (29) §附：化工原理课程设计之心得体会 (30)

§一.化工原理课程设计任务书 1.1.题目 煤油冷却器的设计 1.2.任务及操作条件 1.2.1处理能力：40t/h 煤油 1.2.2.设备形式：列管式换热器 1.2.3.操作条件 (1).煤油：入口温度160℃，出口温度60℃ (2).冷却介质：循环水，入口温度17℃，出口温度30℃ (3).允许压强降：管程不大于0.1MPa,壳程不大于40KPa (4).煤油定性温度下的物性数据ρ=825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.2kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/(m.℃) 1.3.列管式换热器的选择与核算 1.3.1.传热计算 1.3. 2.管、壳程流体阻力计算 1.3.3.管板厚度计算 1.3.4.膨胀节计算 1.3.5.管束振动 1.3.6.管壳式换热器零部件结构 §二.概述 2.1.换热器概述 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。 换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。 表2-1 传热器的结构分类

管壳式换热器课程设计

管壳式换热器课程设计 一、管壳式换热器的介绍 管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，它的特点是结构坚固、可靠高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范 围广、换热面的清洗比较方便、高温和高压下亦能应用。但从传热效率、结构的紧凑性以及位换热面积所需金属的消耗量等方面均不如一些新型 高效率紧凑式换热器。管壳式换热器结构组成：管子、封头、壳体、接管、 管板、折流板；如图1－1所示。根据它的结构特点，可分为固定管板式、 浮头式、U形管式、填料函和釜式重沸器五类。 二、换热器的设计 2.1设计参数 参数名称壳程管程 设计压力（MPa） 2.6 1.7 操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口） 设计温度（℃） 250 75

操作温度（℃） 220/175(进口、出口) 25/45(进口/出口) 流量（Kg/h） 40000 选定 物料（-）石脑油冷却水 程数（个） 1 2 腐蚀余度（mm） 3 - 2.2设计任务 1. 根据传热参数进行换热器的选型和校核 2.对换热器主要受压原件进行结构设计和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座等。 3.设计装配图和重要的零件图。 2.3热工设计 2.3.1基本参数计算 2.3.1.1估算传热面积 -=220-45=175 -=175-25=150 因为,所以采用对数平均温度差 算术平均温度差：= P= R= 查温差修正系数表得 因此平均有效温差为0.82 放热量 考虑换热器对外界环境的散热损失,则热流体放出的热量将大于冷流体吸收的热量，即：

取热损失系数,则冷流体吸收的热量： 由可的水流量： ==31372.8 这里初估K=340W/(),由稳态传热基本方程得传热面积： =16.55 2.3.1.2由及换热器系列标准，初选型号及主要结构参数 选取管径卧式固定管板式换热器，其参数见上表。从而查《换热器设计手 册》表1-2-7，即下表 公称直径管程数管子根数中心排管管程流通换热面积换热管长 换热管排列规格及排列形式： 换热管外径壁厚：d=50mm 排列形式：正三角形 管间距： =32mm 折流板间距： 2.1.1.3实际换热面积计算 实际换热面积按下式计算 2.2计算总传热系数，校核传热面积 总传热系数的计算 式中：——管外流体传热膜系数，W/(m2·K)； ——管内流体传热膜系数，W/(m2·K)；

U型管换热器

课程设计 设计题目 U型管换热器设计 教学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 起止日期 目录 第一章确定设计方案 (3) 第二章确定物性数据 (3) 第三章总传热系数 (4)

3.1 热流量 (4) 3.2 平均传热温差 (4) 3.3 冷却水用量 (4) 3.4 总传热系数 (4) 3.4.1管程传热系数 (4) 3.4.2壳程传热系数 (4) 第四章传热面积 (5) 第五章工艺结构尺寸 (5) 5.1 管径和管内流速 (5) 5.2管程数和传热管数 (5) 5. 3 平均传热温差校正及壳程数 (6) 5.4 传热管排列和分程方法 (6) 5.5 壳体内径 (6) 5.6 折流板 (7) 5.7 接管 (7) 第六章换热核算 (7) 6.1 热量核算 (7) 6.1.1壳程对流传热系数 (7) 6.1.2管程对流传热系数 (7) 6.1.3总传热系数 (8) 6.1.4传热面积 (8) 6.2 换热器内流体阻力 (9) 6.2.1 管程流动阻力 (9) 6.2.2 壳程流动阻力 (10) 第七章筒体 (11) 第八章封头 (11) 第九章换热管校核 (12) 第十章管板 (12) 10.1 管板的厚度 (12) 10.2 管板法兰尺寸 (14) 第十一章进出口接管 (16) 11.1 接管尺寸 (16) 11.2 螺栓和螺柱 (17) 11.3 接管外伸长度 (18) 11.4 接管的最小位置 (19) 第十二章防冲板设计 (20) 第十三章折流板设计 (20) 第十四章拉杆设计 (22) 第十五章参考资料 (23)

第一章 确定设计方案 题目已限定选用U 型管换热器 壳程——柴油，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果，清洗方便 管程——冷却水，压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。且走管程流速高不易结垢，即使结垢也便于清洗 自定冷却水入口温度20℃，出口温度40℃，采用逆流 选用25 2.5φ?的碳钢管，试取管内流速U 1m /s = 第二章 确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值 壳程柴油的定性温度为： 15040T 952+==℃ 管程水的定性温度为： ℃302 40 20t =+= 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油在95℃下的物性 : 密度 3m /kg 05.860=ρ 定压比热容 2.104/() po c kJ kg =?℃ 导热系数 0.12215/()o W m λ=?℃ 粘度 61075.50510o Pa s μ-=?? 水在35℃下的物性 : 密度 3=996 /i kg m ρ 定压比热容 4.183/()pi c kJ kg =?℃ 导热系数 0.6171/()i W m λ=?℃

U型管换热器设计说明书68459

流体流量进口温度出口温 度 压力 煤油 水 一．热力计算 1.换热量计算 2.冷却剂用量计算 由于水的压力较之煤油较大，黏度较之煤油也较大，所以选择水为壳程，煤油为管程。 3.换热面积估算 查图

得ε?t=0.85 传热面积估算： 取传热系数：K=450 取安全系数0.1： 4管径，管长，管数确定： 由流量确定管数： 煤油在管中的流速为0.8~1，取管程流体流速 常用换热管为与选用外径换热 管。 管程流体体积流量可由煤油的要求流量的出： A=38.13 n=20 N=4

取管数 由换热面积确定管程数和管长： 由于是U型管换热器，由GB151-1999管壳式换热器查得有 2，4两种管程可选。 初选管程为4 考虑到常用管为9m管，为生产加工方便，选用单程管长8m 又考虑到单程管长8m会使得换热器较长，在选取换热器壳 体内径时，尽量选取较大的，以保证安全，因此换热器内 部空间较大，故选用较为宽松的正方形排布。 换热管材料 由于管程压力大于0.6MPa,不允许使用焊接钢管，故选择无 缝冷拔钢管。 按照GB—151管壳式换热器1999选取常用管心距 ；分程隔板两侧管心距 按下图作正方形排列 L=8m 布管限定圆 圆筒工程直径 DN=400

选择布管限定圆直径 由布管限定圆从《GB151—1999》管壳式换热器中选定工程 直径的卷制圆筒，查得碳素钢，低合金钢圆 筒最小厚度不得小于8mm，高合金钢圆筒最小厚度不得小于 3.5mm 圆筒厚度计算： 选用壳体材料为现在工业生产中压力容器的常用材料 Q345R，为一种低合金钢。 按《GB150.1~.4-2011压力容器》中圆筒厚度计算公式： 计算压力 圆筒内径由选定的圆筒公称直径得 设计温度下的圆筒材料的许用应力由选定的材料Q345R从 GB150.2中查得 焊接接头系数 由于壳程流体为水，不会产生较严重的腐蚀，选取腐蚀yu 量 折流板间距 200mm