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摘 要

工业革命带来能源的大量消耗，促使人们把能源再次利用推到一个新的高度。在能源利用率较低的情况下，能够回收余热、废热特别是低品位热能的换热设备的设计、制造就显得格外重要。

本课题是设计研究以废烟气为热源给空气预热的固定管板式换热器，依据GB151等多个设计标准，对给定的设计参数进行热力计算与结构设计，最后绘制换热器结构图。结论如下：

（1） 换热器采用单管程。管程流体为废烟气，壳程流体为空气，逆流换热。设计温度：管程为200℃，壳程温度为150℃，壳体内径为800mm。

（2） 换热管外径为50mm，壁厚3mm，长度4500mm，材料为20号碳钢，数量为91根，换热面积64m²。换热面积裕度为15.8%，满足设计要求。

（3） 在换热器设计校核中，换热器管程压力降为5704Pa，壳程压力降为2193Pa。两者都满足允许压降范围。

（4） 结构设内容是查阅多个标准和换热器设计手册完成对部件的选型、尺寸数据计算、材料的使用等。管板设计选择兼法兰管板，选择换热器壳体和管箱壳体材料为Q235-A，壳体、管箱壳体、封头厚度分别为8mm、10mm、10mm；还有其他主要附件。最后完成换热器总装图纸和各个部件的结构尺寸图纸。

关键词：固定管板式换热器 废烟气 预热空气 设计

Design Of Fixed Tube-Shell Heat Exchanger

ABSTRACT

The great consumption of energy brought about by the industrial revolution impels people to push energy reuse to a new height. In the case of low energy utilization, the design and manufacture of heat exchange equipment capable of recovering waste heat and waste heat, especially low-grade heat energy, are particularly important.

This subject is to design and study a fixed tube-plate heat exchanger that uses waste flue gas as a heat source to preheat the air. According to multiple design standards such as GB151. thermal calculation and structural design are performed on the given design parameters. Figure. conclusion as below:

(1) The heat exchanger uses a single tube pass. The pipe-side fluid is waste exhaust, and the shell-side fluid is air. Design temperature: tube side is 200℃, shell side temperature is 150℃, shell inner diameter is 800mm.

(2) The outer diameter of the heat exchange tube is 50mm, the wall thickness is 3mm, the length is 4500mm, the material is 20 carbon steel, the number is 91, and the heat exchange area is 64m2. The heat exchange area margin is 15.8%, which meets the design requirements.

(3) In the heat exchanger design check, the tube side pressure drop of the heat exchanger is 5704Pa, and the shell side pressure drop is 2193Pa. Both meet the allowable pressure drop range.

(4) The structure design content is to consult multiple standards and heat exchanger design manuals to complete the selection of components, calculation of dimensional data, use of materials, etc. Tube plate design choice and flange tube plate, choose heat exchanger shell and tube box shell material as Q235-A, shell, tube box shell, head thickness are 8mm, 10mm, 10mm; there are other major annex. Finally complete the heat exchanger assembly drawings and structural dimensions drawings of each part.

Key Words: Fixed Tube-Shell; Heat Exchanger; Waste Exhaust; Preheat Air; Design

目 录

第一章 绪论 1

第二章 固定管板式热交换器基本设计参数 4

2.1 流体在换热器内流动空间的选择 4

2.2 确定工质流体参数和换热器材料 4

2.3 物性参数 5

2.4 设计参数 5

2.5 换热器材料选择 6

第三章 换热器热力计算 7

3.1 估算传热面积及换热管 6

3.2 壳体内径 9

3.3 折流板 10

3.4 接管直径 11

第四章 换热器校核 13

4.1 传热面积的校核 13

4.2 壁温校核 17

4.3 流体压降计算 17

第五章 换热器结构设计 20

5.1 外壳设计 20

5.2 进、出口的设计 22

5.3 管板与换热管 24

5.4 壳体与法兰、管板与法兰及换热管的连接 25

5.5 其他部件 26

结论 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

在工业生产中，换热器作为一种换热设备，通过流体间的换热得到满足工艺要求的流体温度 ^[1]，在化工、炼油、能源、机械等工业领域内得到广泛的应用^[2]。相关资料统计显示，在能源、化工领域内换热设备的投资大约占设备总投资的 30％，在炼油厂中换热设备的投资约占设备总投资的 40％^[3,4]。但能源利用率只能达到30%，日本目前可以达到57%，这意味着还有很大一部分能量以废热形式浪费掉^[5]。换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置因此增加能源利用率，减小能耗强度不仅是我国急需解决的问题，同时也是全球各国面临的难题^[6-8]。

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