目录
1 换热器的概述 ............................................................................................................................. 1
1.1换热器的概述 ..................................................................................................................... 1
1.2换热器的基本要求 ............................................................................................................. 1
1.2.1 换热器管子排列 ..................................................................................................... 1 1.2.2制造工艺 .................................................................................................................. 2 1.2.3质量检验 .................................................................................................................. 2 1.3换热器的分类[1] .................................................................................................................. 2
1.3.1 浮头换热器简介 ..................................................................................................... 3 1.4换热器的工作方式[10] ........................................................................................................ 3
1.4.1 换热器的防腐蚀 ..................................................................................................... 4 1.4.2 换热器的材料[3] ...................................................................................................... 4 1.5换热器的安装[11] ................................................................................................................ 4 2 热力计算 ....................................................................................................................................... 6
2.1设计参数 ............................................................................................................................. 6
2.1.1计算热负荷及重油的出口温度 ...................................................................................... 6 2.1.2计算两流体（暂按单壳程，多管程进行计算逆流时）的平均温差 .......................... 6 2.2计算传热面积[2] .................................................................................................................. 6 2.3换热管规格 ......................................................................................................................... 7
[5]
2.3壳体尺寸及总管数 .......................................................................................................... 7 2.4换热器校核[4] ...................................................................................................................... 8
2.4.1核算压力降 .............................................................................................................. 8 2.4.2总传热系数K的计算 ............................................................................................. 9 3 结构计算和强度校核[14] .......................................................................................................... 12
3.1设计计算条件 ................................................................................................................... 12 3.2浮头式换热器筒体计算 ................................................................................................... 12
3.2.1计算条件 ................................................................................................................ 12 3.2.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 12 3.2.3压力试验时应力校核[6] ......................................................................................... 12 3.3前端管箱筒体计算: .......................................................................................................... 13
3.3.1计算条件 ................................................................................................................ 13 3.3.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 13 3.3.3压力试验时应力校核 ............................................................................................ 13 3.4 前端管箱封头计算[7] ....................................................................................................... 14
3.4.1设计条件 ................................................................................................................ 14 3.4.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 14 3.4.3压力计算[8] ............................................................................................................. 15 3.4.4水压实验 ................................................................................................................ 15 3.5后端管箱筒体计算 ........................................................................................................... 15
3.5.1设计条件[9] ............................................................................................................. 15 3.5.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 15 3.5.3压力试验时应力校核 ............................................................................................ 16 3.6后端管箱封头计算 ........................................................................................................... 16
3.6.1设计条件 ................................................................................................................ 16 3.6.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 16
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1 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计
3.6.3压力计算 ................................................................................................................ 17 3.6.4压力试验时应力校核 ............................................................................................ 17 3.7接管及其法兰计算 ........................................................................................................... 17
3.7.1筒体进料及出料接管计算 .................................................................................... 17 3.7.2管箱进料及出料接管计算 .................................................................................... 18 3.7.3法兰厚度计算 ........................................................................................................ 18 3.8筒体法兰计算 ................................................................................................................... 21
3.8.1设计条件 ................................................................................................................ 21 3.9后端筒体法兰计算 ........................................................................................................... 25
3.9.1设计条件 ................................................................................................................ 25 3.9.3应力计算 ................................................................................................................ 29 3.10前端管箱法兰计算 ......................................................................................................... 30
3.10.1设计条件 .............................................................................................................. 30 3.11后端管箱法兰计算 ......................................................................................................... 34
3.11.1设计条件: ............................................................................................................. 34 3.11.3应力计算 .............................................................................................................. 37 3.12钩圈设计[12] .................................................................................................................... 38 3.13浮头计算[13] .................................................................................................................... 38
3.13.1设计条件 .............................................................................................................. 38 3.14浮头式换热器管板计算 ................................................................................................. 39 3.14 浮头式换热器管板计算 ............................................................................................... 39
3.14.1 延长部分兼做法兰的固定式管板计算 ............................................................. 39 3.15开孔补强[16] .................................................................................................................... 47 3.16支座选用[15] .................................................................................................................... 47 3.17折流板选用[20] ................................................................................................................ 48 3.18浮头换热器结构特点 ..................................................................................................... 48 3.19 换热器管子的排列 ........................................................................................................ 49 3.20 换热器管子与管板的连接 ............................................................................................ 52 结 论............................................................................................................................................... 54 参考文献 ......................................................................................................................................... 49 致 谢 ......................................................................................................................................... 50 英文文献 ......................................................................................................................................... 50 英文文献译文 ................................................................................................................................. 56
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换热器的概述
1 换热器的概述
1.1换热器的概述
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。 由传热学理论可知道，热交换是一种复杂的过程， 它是由系统内两部分的温度差异而引起的，热量总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。传热的基本方式有热传导、对流和辐射3种， 因此在换热器中， 热量总是从热流体传给冷流体，起加热作用的热流体又称加热介质如水蒸汽、烟道气、导热油或其他高温流体等；起冷却作用的冷流体又称冷却介质如空气、冷冻水、冷冻盐水等。在热交换过程中，热冷流体的温度是因整个流程而不断变化的，即热流体的温度由于放热而下降，冷流体的温度由于吸热而上升
1.2换热器的基本要求
随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： （1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠；
（3） 便于制造、安装、操作和维修； （4） 经济上合理
1.2.1 换热器管子排列
管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。
换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种：正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。
另外对于多管程换热器，常采用组合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。
当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热管。这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区域内短路而给传热带来不利影响。
管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上的固定方法。若间距太
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小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质量受热影响不易得到保证；若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。
当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体直径，以排列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管束。 为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板
1.2.2制造工艺
选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形，机械矫形及火焰矫形。 备料－－划线－－切割－－边缘加工（探伤）－－成型－－组对－－焊接－－焊接质量检验－－组装焊接－－压力试验
1.2.3质量检验
化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中要随时进行检查。 质量检验内容和方法：
设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下： （1）原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；
（2）原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验，总称为破坏试验 （3）原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等
(4）设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。
1.3换热器的分类[1]
换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。
蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。
间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和
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换热器的概述
伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。
1.3.1 浮头换热器简介
浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。
浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。
在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。
钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。
钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。
1.4换热器的工作方式[10]
换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。
当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。
在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面
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