化工原理课程设计——换热器设计

I摘要本课题研究的目的主要是针对给定的固定管板式换热器设计要求，通过查阅资料、分析设计条件，以及换热器的传热计算、壁厚设计和强度校核等设计，基本确定固定管板式换热器的结构。通过分析固定管板式换热器的设计条件，确定设计步骤。对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚计算和强度校核。对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。绘制符合设计要求的固定管板式换热器的图纸，给出相关的技术要求；在固定管板换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB-150、GB151……，使设计能够符合相关标准。同时要是设计的结构满足生产的需要，达到安全生产的要求。通过设计过程达到熟悉了解换热器各部分结构特点及工作原理的目的。关键词：换热器；固定管板；设计；强度II目录摘要.......................................................................................I1绪论....................................................................................11.2固定管板换热器介绍.............................................................................................21.3本课题的研究目的和意义.....................................................................................31.4换热器的发展历史.................................................................................................42产品冷却器结构设计的总体计算....................................62.1产品冷却器设计条件............................................................................................62.2前端管箱计算.........................................................................................................82.2.1前端管箱筒体计算.....................................................................................82.2.2前端管箱封头计算...................................................................................102.3后端管箱计算.......................................................................................................112.3.1后端管箱筒体计算...................................................................................112.3.2后端管箱封头计算...................................................................................132.4壳程圆筒计算.......................................................................................................133各部分强度校核..............................................................153.1开孔补强计算.......................................................................................................153.2壳程圆筒校核.......................................................................................................183.3管箱圆筒校核.......................................................................................................194换热管及法兰的设计......................................................204.1换热管设计...........................................................................................................204.2管板设计...............................................................................................................214.3管箱法兰设计.......................................................................................................224.4壳体法兰设计.......................................................................................................254.5各项系数计算.......................................................................................................275产品冷却器制造过程简介.............................................345.1总则......................................................................................................................345.2零部件的制造.......................................................................................................34结论.....................................................................................43III参考文献:...........................................................................44致谢.....................................................................................44山东科技大学学士学位论文I11绪论1.1换热器的作用及分类在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气、高炉炉气、需要冷却的化学反应工艺气等余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。换热器还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一,应用甚为广泛。按换热设备热传递原理或换热方式分类，可分为以下几种主要形式。（1）直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器。这类换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。（2）蓄热式换热器这类换热器又称为回热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气-气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一种蓄热式换热器。、（3）间壁式换热器2这类换热器又称表面式换热器。间壁式换热器式工业生产中应用较为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。（4）中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。按传热表面结构特点分类（1）管式:套管式、壳管式、蛇管式（2）板式（3）扩展表面式：板翅式、翅片管式及管带式（4）蓄热式按流程又可以分为单流程和多流程。1.2固定管板换热器介绍固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。固定管板式换热器主要特点固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧3密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。1.3本课题的研究目的和意义换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的20%,其中固定管板式换热器约占换热器的70%。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板