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前言
1换热器的概况
节约能源是当今世界的一种重要社会意识，是指尽可能的减少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行为。加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。目前，在我国石油化工产业换热器受到普遍的重视，而换热器的广泛应用性，决定了换热器换热性能的改善设计理论的不断创新，企业经济的收益和工业的飞速发展都具有一定的积极作用为节约能源和保护环境有显著的贡献。
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换热器的分类与结构特点
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。其中，从作为换热面的间壁形式看，间壁式换热器主要分为管式和板式两大类。按照有无温度补U形管式换热器的研究与优化设计偿及补偿方法的不同，管壳式换热器主要分为下列几种：
(1)固定管板式；壳体与传热管壁温度之差大于50℃，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。
特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。
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(2)浮头式；两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。
特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。
(3) U形管式；把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。 (4)填料函式：外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质；内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合。
3 U型管换热器的概述
图1 U型管换热器
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U型管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，管的两端固定在同一块管板上。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，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。
U型管式换热器结构比较简单，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、腐蚀性大的物料。总结起来U 型管换热器的特点如下：
优点：
(1)由于壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制，流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强；
(2)只有一块管板且无浮头，所以结构简单、紧凑，在直径相同的情况下换热面积最大，在高压工况下金属耗量比其它换热器小，造价比其它换热器低等；
(3)管束可以抽出清洗，可以用于壳程结垢较严重的场合]。 缺点：
(1)U形管束在与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易形成短路，使传热效率降低；
(2)管板上排列的换热管较少，管板直径及厚度均较大，管子与管板间的残余焊接应力大；
(3)换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果；
(4)当U 形管中有一根坏了，得同时堵死管子的两头，这样会造成二倍管长的换热管损失，比固定管板式的损失更多的换热面积。
5 设计U型管换热器的基本要求和目的
设计换热器时，其基本的要求是：
第一，热量能有效的从一种流体传递的另外的一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。在一定的热负荷下，也即每小时要求传递的热量一定时，传热效率（通常用传热系数表示）越高，需要的传热面积越小，当然这是
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在相同的温差作比较。
第二，换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，严密不漏。清洗检修方便，流体阻力小。
第三，要求价格便宜，维护容易，使用时间长。
本次设计的目的：1，了解设计换热器所需要的工艺参数及传热计算，对换热器的设计有一个初步的准备。2，在设计的过程中，学会参照国标以及查阅相关的文献获得设计所需要的物性以及结构参数。3，通过计算机制图，更加熟练使用CAD绘图软件。4，从宏观上把握化工设备的生产过程，为以后的工作打下基础。
本次设计的换热器在编制说明书分了六部分：第一部分前言，主要是对U型管换热器的应用、优缺点作了论述。第二部分工艺计算，通过计算传热量，物性参数来算出换热面积。第三部分就U型管换热器进行结构及强度计算。第四部分是U型管式换热器的制造工艺。第五部分是关于U型管式换热器的检验、安装、维修和使用。第六部分个人小结以及致谢，是针对本次设计的总结和设计后的感想。最后是参考文献。
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第一章 工艺计算
1.1物料衡算
表1.1
介质名称 管程进/出口煤气 壳程进/出口变换气 温度℃ 244.8～260 391.2～376.8 压力MPa 4.08 4.08 摩尔流量Kmol/h 8540.101 8540.101 质量流量Kg/h 174744.4 174744.4 组分
CO 0.326 0.12 H2 0.103 0.31 CO2 0.028 0.235 N2 0.004 0.004 H2O 0.534 0.327 H2S 0.004 0.004
1.2热量衡算
1.2.1冷流体的物性参数 1.2.1.1冷流体的定性温度
t1?224.8℃1.2.1.2冷流体的比热
t2?260℃t?244.8?260 ?252.4℃2表1.2 常压下，0～t℃时气体的平均定压热容（kcal/kmol.℃）
温度℃ CO H2 CO2 N2 H2O H2S 200 6.97 6.94 9.68 6.93 8.07 7.91 300 7.05 6.96 10.00 7.01 8.23 8.17 400 7.13 6.98 10.30 7.08 8.38 8.51
运用内插法，可求得：
Cp(H2)?6.96?6.94?(252.4?200)?6.94 300?200?6.950kcal/kmol.℃