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摘 要

换热器是工业生产中最常见的换热设备之一，是用于流体之间进行热量传递的过程设备，实现热量由高温流体向低温流体的转移，通过这种设备可以使流体达到指定温度以满足工艺的要求。管壳式换热器是应用最广泛的换热器，它具有结构简单、换热效率高、易清洗等优点，是化工能源领域不可缺少的设备。

本毕业设计主要介绍的是管壳式换热设备的设计。论述了管壳式换热器设备的工作原理、分类以及在设计过程中经常遇到的一些问题。主要进行了热力计算、结构计算以及应力校核等方面的内容，换热器的各个零部件标准都是查阅国标或其他权威的设计手册而得，确保了设计的合理性与准确性。

关键词：管壳式换热设备 设计 热力计算 结构计算

Shell and tube heat exchange equipment design

ABSTRACT

Heat exchanger is one of the most common heat exchange equipment in industrial ; it is one of the equipments used for heat transfer from high temperature flow to the low one. This kind of equipment can make fluid reach specified temperature in order to meet the process requirements. Tube and shell heat exchanger is the most widely used and indispensable equipment in chemical energy field because it has a simple structure, high in thermal efficiency, easy to clean, etc.

This paper mainly carries through the design of Shell and tube heat exchange equipment . The design includes the working principle , classification and some problems often encountered in the design process of shell and tube heat exchange equipment. The second part is the thermodynamic calculation, the content of structure calculation and the stress checking, etc. Heat exchanger design manual is referring to national standard or other authority, to ensure the rationality of the design and accuracy.

Keywords: tube and shell heat exchanger design heat exchange design structure design

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2管壳式换热器的工作原理 1

1.3管壳式换热器的分类 2

1.4管壳式换热器的设计、运行中的问题 2

1.5换热器技术的发展前景 3

第二章 热力计算 4

2.1设计参数 4

2.2流体的物理性质^[32] 4

2.3传热量及平均温差 4

2.4传热面设计 5

2.5管程计算 6

2.6壳程计算 6

2.7所需传热面积 7

2.8阻力计算 7

第三章 热补偿 9

3.1给定参数 9

3.2热交换器所受的应力 9

3.3温差应力 10

3.4拉脱力 11

3.5热补偿措施 11

第四章 结构设计 12

4.1壁厚的确定 12

4.2管箱和封头的选取 12

4.3接管外伸长度 12

4.4接管与筒体、管箱的连接 12

4.5排气口 12

4.6壳程接管位置的最小尺寸 12

4.7管程接管位置的最小尺寸 12

4.8管板结构 12

4.9换热管的固定与排列 13

第五章 强度校核 14

5.1给定参数 14

5.2液压试验 14

5.3封头应力校核 14

结语 15

参考文献 16

致谢 18

第一章 绪论

1.1引言

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在化工、石油、石油化工、冶金、轻工、食品等行业中普遍应用的工艺设备。目前换热设备的投资占总投资的30% - 45%，在换热设备中， 使用最多的是管壳式换热器。管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在化工生产和使用中一直占主导地位，被广泛使用在精馏塔的塔顶冷凝器、冷却器和塔底再沸器等。管壳式换热器具有单位体积内能够提供较大的传热面积、传热效果好、易制造、成本低、易于检修和清洗等优点，但是，80% 以上的管壳式换热器换热效果差，这与其结构布置息息相关。《“十二五”节能减排综合性工作方案》提出，到2015 年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869 吨标准煤，节约能源6.7 亿吨标准煤，在国家节能减排政策下，如何提高管壳式换热器的换热效率得至关重要。

1.2管壳式换热器的工作原理

管壳式换热器结构由壳体、管束、管板、折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热系数，通常在壳体内安装折流板。折流板可迫使流体按规定路径多次横向通过管束，增强流体的扰动程度。换热管束在管板上按等边三角形或正方形排列。

图1.1 管壳式换热器示意图

1.3管壳式换热器的分类

1.3.1固定管板式换热器

固定管板式换热器是用焊接方法把管束和管板固定连接到圆筒壳体的两端, 使两端管板与壳体连成一体。这种换热器的特点是结构简单、成本低，适用于温差范围小、壳程压力不高的场合。缺点是管束外侧的清洗比较困难， 因而多用于壳程流体不易结垢的场合。

1.3.2 U 形管式换热器

U形管式换热器的管束是由U 字形弯管组成的。管子的两端固定在同一块管板上,管子可自由膨胀，管程至少为两程。弯曲端不固定,使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子或壳体的影响。管束可取出，所以外侧清洗方便。缺点是U 型管束的更换及管内清洗困难，并且管板的有效利用率较低。

1.3.3浮头式换热器

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