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摘 要

本文首先对换热器的工作原理，使用背景进行了大概介绍，从而引出使用最为广泛的一种换热器—管壳式换热器。随后从节能效果、使用寿命、结构复杂程度、维护成本等方面对其进行介绍。接着分析了管壳式换热器在国内外的研究现状以及目前正在大力发展的强化传热技术。然后讨论了管壳式换热器存在的问题，包括大部分还是使用光滑管、在一些特种材料上的应用仍是空白、污垢容易造成堵塞等等。对于本次要设计的换热器，由已知条件查找了两种流体的物性参数，对其进行了工艺计算，确定了换热器的主要结构尺寸，如管径、管程数、传热管数、壳程数和壳体内径等。随后由计算所得数据，利用CAD绘制了换热器的图纸。最后，对本次的管壳式换热器设计进行了总结。

关键词：管壳式换热器 结构设计 工艺计算

Design of shell-and-tube heat exchanger for preheating 12000NM3/h air for boiler

Abstract

In this paper, the working principle of the heat exchanger and the background of the heat exchanger were introduced firstly, which led to the most widely used heat exchanger - shell-and-tube heat exchanger.Then, the research status of shell-and-tube heat exchangers at home and abroad and the intensive heat transfer technology that is currently being developed were analyzed. Then discussed the problems of the shell-and-tube heat exchanger, including the use of smooth tubes, the application of some special materials is still blank, the dirt is easy to cause blockage and so on. For the heat exchanger to be designed this time, the physical properties of the two fluids were found by known conditions, and the process calculation was carried out to determine the main structural dimensions of the heat exchanger, such as the pipe diameter, the number of tubes, and the heat transfer. Number of tubes, number of shells, and inner diameter of the shell. The drawings of the heat exchanger were then drawn from CAD using the calculated data. Finally, the heat exchanger design of this time was summarized.

Key Words: Shell-and-tube heat exchanger; Structural design; Process calculation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 管壳式换热器的发展前景 2

第二章 设计流程及方案的选择说明 4

2.1 已知条件 4

2.1.1 空气 4

2.1.2 烟气 4

2.2 管壳式换热器类型的选择 4

2.3 流径及流向选择 4

2.4 换热管规格 5

第三章 流体的物性参数 6

3.1 壳程空气的物性参数 6

3.2 管程烟气的物性参数 6

第四章 管壳式换热器的传热计算 7

4.1 计算传热量 7

4.2 烟气用量及平均传热温差 7

4.3 传热面积估算 7

第五章 管壳式换热器的结构计算 8

5.1 确定管长以及管数 8

5.1.1 管径与管内流速 8

5.1.2 计算流通截面 8

5.1.3 管数与管长 8

5.2 传热面结构 8

5.2.1 管子排列方式 9

5.2.2 管子排列图 9

5.2.3 作图所得数据 10

5.2.4 确定壳体内径 10

5.3 管程计算 10

第六章 壳程结构及壳程计算 12

6.1 折流板设计 12

6.2 壳程计算 12

6.2.1 壳程流通截面积及接管直径 12

6.2.2 壳程传热因子 13

6.2.3壳侧换热系数 14

6.3 实际需用传热面积 14

6.3.1 热阻 14

6.3.2 传热面积 14

第七章 阻力计算 15

7.1 壳侧壁温 15

7.2 管程阻力 15

7.2.1 沿程阻力 15

7.2.2 回弯阻力 15

7.2.3 进出口连接管阻力 15

7.2.4 管程总阻力 15

7.3 壳程阻力 16

7.3.1 理想管束错流段阻力 16

7.3.2 理想管束缺口处阻力 16

7.3.3 校正系数 16

7.3.4 壳程总阻力 16

第八章 换热器的主要结构尺寸和计算结果 17

第九章 热补偿计算 18

9.1 热交换器所受应力 18

9.1.1 压力引起的轴向力 18

9.1.2 壳体与管子所受应力 18

9.2 温差应力 19

9.2.1 管子所受压缩力与壳体所受拉伸力 19

9.2.2 壳体与管子的轴向合成应力 19

9.3 拉脱力 20

9.4 校核 20

第十章 结束语 21

参考文献 22

附录 24

第一章 绪论

• 1. 课题的研究背景及意义

随着科技进步，换热器已是现代社会不可缺少的设备。很多企业使用换热器，并回收能源提高生产效率。它们需要在一定条件下，利用有限的资源，生产出尽可能多的产品^[1]。换热器是在工业生产中大量使用，也广泛使用的工艺操作设备之一。根据温度、压力、介质等使用条件的不同，可以选择不同结构的换热器，每种换热器都有自己的优势与劣势^[2]。本文的设计对象就是其中的管壳式换热器。

管壳式换热器应用广泛，它的结构简单安装方便，有节约生产成本、操作较为简单等优势，因而在各种工业和能源等行业的应用程度领先于其它种类的换热器^[3]。当换热器内流过的两种介质温度不同时，高温介质将通过换热管壁向低温介质传递热量，从而降低温度较高的介质的温度，而低温介质被加热，实现换热工艺^[4]。

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