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摘 要

本文主要是根据所给定的设计参数进行热力计算与结构计算来设计一台合格的气体冷却换热器。本文首先依据给定设计参数与相应计算公式进行热力计算，从而来初步确定换热器的形式。本文选定固定管板式换热器，因为其结构简单，造价较低，加工也相对比较方便。然后进行结构设计和强度校核，结果都满足要求。而后依据各类标准，根据公称直径，公称压力等选取合适的法兰类型和尺寸，接管尺寸，支座类型和尺寸，垫片尺寸等。最后完成CAD制图。

本文通过对管壳式换热器管板、壳程、管程、管箱以及法兰等部件的设计计算，对管壳式换热器有了更加深入的理解，并且根据相关知识，进行了一系列计算和设计，并最终完成了本次固定管板换热器的结构设计，绘制了整台设备的总图以及各零部件图。

关键词: 气体冷却 换热器 固定管板式 热力计算 结构计算

Design of gas cooled heat exchanger

Abstract

This article is mainly according to the given parameters to design a qualified tubular heater exchanger.First of all,this paper is according to the parameters and related formulas to conduct Thermal calculation to determine the type of Heat exchanger,this paper chooses fixed Tubesheet heat exchanger,its construction is simple,price is relatively low and its manufacture is convenient.Then conducts Mechanical design and Strength calculation,its result fulfill the request.Then,choose the suitable type and size of flanges ,the size of nozzles, type and size of saddle,size of gasket.At last,finish the CAD drawing.

This article by the study of Shell side,Tube side,Tubesheet,Stationary head and so on,have a deeper knowledge of Tubular heat exchanger,and conduct a series of calculation and design according to the relative knowledge ,and finally finish the design of Fixed tubesheet heat exchanger,the entire and parts drawing.

Key Words: Gas Cooling;Fixed tubesheet;heat exchanger;Thermal calculation;Mechanical design.

目 录

第一章 绪 论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外发展研究现状 2

1.3本设计的主要工作内容 2

第二章 固定管板式换热器的工艺计算 3

2.1确定设计方案 3

2.2 管程冷却水的物性参数的确定 3

2.3估算传热面积 4

2.4 管程参数与结构计算 4

2.5 折流板的选择与尺寸计算 6

2.6 壳程参数与结构计算 7

2.7 壳程与管程阻力降计算 9

第三章 固定管板式换热器的结构设计计算 12

3.1 换热器壳体壁厚计算 12

3.2 换热器壳体强度校核以及液压实验 12

3.3换热器封头壁厚计算 12

3.4 换热器管箱法兰选择 13

3.5 换热器管板结构设计计算 14

3.6 换热器管程接管的结构设计及补强校核 14

3.7 换热器壳程接管的结构设计及补强校核 16

3.8 换热器支座结构设计及承载能力校核 18

第四章 结论与展望 21

参考文献 22

致谢 24

1. 绪 论

1.1课题背景

管壳式换热器的应用历史悠久，其作为一种传统的热交换设备，由于管壳式换热器的构造简单，选材区域非常[1]广泛、适应性相对较强、容易制造并且成本相对较低、易于清洗以及在高温高压下也可以适用等很多的优点，所以在各种形式换热器中依然能够占据主导的位置。近些年来，中国社会经济快速发展，工业的现代化进程日益增速，科技快速发展，人们愈发地重视能源的利用率和消耗量，我国市场以及国际市场对于管壳式换热器的需求量同时与时俱增，从而也为我国管壳式换热器产业的发展提供了广阔的空间[1]。在其中，管壳式换热器不仅仅能够有效的提高能源的利用率，而且还能同时对石油、化工等行业起到节能减排的作用[1]。目前来看，换热器已经广泛运用于我国各个工业生产区域，可以说与人们的生活息息相关。根据相关数据研究的调查统计，在现代工业中，换热器设备投资占总投资的30%，虽然各种板式换热器的竞争力在日渐上升，但管壳式换热器仍占主导地位[1][2]。因而，本毕业设计以管壳式换热器为基础，设计一台气体冷却换热器。

1.2国内外发展研究现状

管式换热器是一个种类多样且用量相当大的化工设备。随着我国工业技术的不断发展改革，在对换热器的整体的结构、换热效率、运行和制造成本上有了更加苛刻的要求。随着我国铝镁合金以及碳化硅等非金属材料的发展，越来越多的材料开始应用于管壳式换热器的设计制造中，使用多层相变材料可以达很大程度上的节能，这对于提高管壳式换热器的换热效率也有重要的作用[3]。有案例分析表明,当充分利用压降后,换热器的传热系数能够提高21％,换热面积也随之可以降低20％,很大程度上减少了换热器的投资[4]。在管壳式换热器的热力计算中，设计管内外换热系数、污垢热阻、管壁换热系数、管程和壳程压力降，都可以利用ANSYS进行分析模拟来使换热器设计更加合理，其性能更高[4][5]。近些年，在管壳式换热器传热性能的改善上，主要有管程和壳程强化传热两种手段[5][6][7]。管程强化有通过改变管子的传热面形状如使用波纹管、螺旋槽纹管变形翅片管、横纹管等[5]6][7]。管子内加入内插物可加强单相流体传热。壳程强化则可以通过发展不同的管间支撑结构如空心环管壳式换热器、板式支撑结构、螺旋折流板、杆式支撑结构以及自支撑结构等等[5][6][7]。也有研究表明，通过改进水冷器的原始结构参数，通过将自清洁强化传热设备安装在管壳式换热器的换热管内，能够非常显著地提高传热效率[5][6][7]。目前也有将原本的冷却介质替换为纳米流体，利用CFD、FLUENT、CATLA等软件进行建模和模拟。最后研究表明，如果将纳米粒子加入蒸馏水中，能显著提高传热性能[5][6][7][8][25][26][11][12]。

结合国内外情况，仍存在以下问题：在新型换热器的研发与应用方面，我国相比于国外仍然存在比较大的差距[11][12]。这就需要我们拓宽思路来将国外在换热器发展中的先进经验技术运用起来投入到发展能够适应我们自己生产所需要的各种高效换热设备中去[12][13]。其次，我们在换热器的换热理论研究上还不够完善，在换热的理论体系缺乏一定的完整性[12][13][14]。目前在强化型管壳式传热器的研究方面还存在一些问题。其中我们对于研究剖析传热关联式方面的研究还不够深入、相应的理论支持还很缺少以及太依赖于将实践经验运用于很多的系数和方程中成为最为主要的一个问题[14][15][16]。因此，未来，我们在研究强化换热时，必须要根据我们自己的具体的实际情况，然后找到合理的方法和应用方式来使现阶段管壳式换热器的性能有所提高，从而能够保证提供更加有效的技术支持在工业的发展上[15][16]。

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