前 言
毕业设计是完成教学计划实现专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中综合性最强的实践性教学环节。它对提高学生综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力以及培养学生的工作作风、工作态度和处理问题等方面具有很重要的意义。
本次毕业设计的题目是液固两相流降温问题，针对此问题设计了三组换热器。固定管板式换热器是国能换热器厂生产的主要设备之一，主要用于冷凝器，余热利用的换热器等，并且设计的原始资料及数据均来源于工厂中正在设计的设备。
这次设计中的主要内容为:换热器的热力计算、工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，热力计算和工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。
因为换热器设计是属于压力容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系，所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们群体合作、相互配合的工作能力。换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固，这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。
由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。特此致谢！
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目 录
摘要 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 ABSTRACT ........................................................................................................ 错误！未定义书签。 前言 .................................................................................................................................................. 1 1 换热器概述 ................................................................................................................................... 5 1.1 换热器的应用 ............................................................................................................................ 5 1.2 换热器的主要分类 .................................................................................................................... 5 1.2.1 换热器的分类及特点 ......................................................................................................... 5 1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 ............................................................................................. 6 1.3 管壳式换热器特殊结构 .......................................................................................................... 11 1.4 换热管简介 .............................................................................................................................. 11 2 工艺计算 ..................................................................................................................................... 13 2.1 设计条件.................................................................................................................................. 13 2.2第一级热力计算 ....................................................................................................................... 13 2.2.1估算换热量 ....................................................................................................................... 14 2.2.2 计算换热器换热面积 ....................................................................................................... 14 2.2.3 总传热系数的计算 ........................................................................................................... 15 2.2.4 校核换热面积： ............................................................................................................... 17 2.3 压力降的计算 .......................................................................................................................... 18 2.3.1 管程压力降 ....................................................................................................................... 18 2.3.2 壳程的压力降 ................................................................................................................... 19 2.4 换热器壁温计算 ...................................................................................................................... 21 2.4.1 换热管壁温计算 ............................................................................................................... 21 2.4.2 圆筒壁温的计算 ............................................................................................................... 21 3 换热器结构设计与强度校核 ..................................................................................................... 25 3.1 壳体与管箱厚度的确定 .......................................................................................................... 25 3.1.1 壳体和管箱材料的选择 ................................................................................................... 25 3.1.2 圆筒壳体厚度的计算 ....................................................................................................... 25 3.1.3 管箱厚度计算 ................................................................................................................... 26
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3.2 开孔补强计算 .......................................................................................................................... 27 3.2.1 壳体上开孔补强计算 ....................................................................................................... 27 3.2.2 前端管箱开孔补强计算 ................................................................................................... 29 3.2.3 排污口和排气孔开孔补强计算 ....................................................................................... 31 3.3 水压试验.................................................................................................................................. 32 3.4 换热管...................................................................................................................................... 32 3.4.1 换热管的排列方式 ........................................................................................................... 32 3.4.2 布管限定圆 ....................................................................................................................... 33 3.4.3 排管 ................................................................................................................................... 33 3.4.4 换热管束的分程 ............................................................................................................... 34 3.4.5 换热管与管板的连接 ....................................................................................................... 34 3.5 管板设计.................................................................................................................................. 35 3.5.1 管板与壳体的连接 ........................................................................................................... 35 3.5.2 管板计算 ........................................................................................................................... 35 3.5.3.换热管的轴向应力 ........................................................................................................... 39 3.5.4. 换热管与管板连接拉脱力 .............................................................................................. 40 3.5.5 管板重量计算 ................................................................................................................... 41 3.6 折流板...................................................................................................................................... 41 3.6.1 折流板的型式和尺寸 ....................................................................................................... 41 3.6.2 折流板排列 ....................................................................................................................... 42 3.7 拉杆与定距管 .......................................................................................................................... 43 3.7.1 拉杆的结构形式 ............................................................................................................... 43 3.7.2 拉杆的直径、数量及布置 ...............................................................................................44 3.7.3 定距管 ...............................................................................................................................44 3.8膨胀节.......................................................................................................................................44 3.9 防冲板...................................................................................................................................... 46 3.10保温层 .................................................................................................................................... 46 3.11法兰与垫片 ............................................................................................................................. 47 ........................................................................................................................................................ 50 3.12 分程隔板及支座 .................................................................................................................... 50 3.12.1 支反力计算如下： ......................................................................................................... 50 3.12.2 鞍座的型号及尺寸 ......................................................................................................... 52 3.13 接管的最小位置 .................................................................................................................... 52
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第四章换热器的腐蚀、制造与检验 ............................................................................................. 54 4.1 换热器的腐蚀 .......................................................................................................................... 54 4.1.1 换热管腐蚀 ....................................................................................................................... 54 4.1.2 管子与管板、折流板连接处的腐蚀 ............................................................................... 54 4.1.3 壳体腐蚀 ........................................................................................................................... 54 4.2 换热器的制造与检验 .............................................................................................................. 54 4.2.1 总体制造工艺 ................................................................................................................... 54 4.2.2 换热器质量检验 ............................................................................................................... 55 4.2.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验 ................................................................................... 55 4.2.4 换热管的制造与检验 ....................................................................................................... 56 4.2.5 管板与折流板的制造与检验 ........................................................................................... 56 4.2.6 换热管与管板的连接 ....................................................................................................... 56 4.2.7 管束的组装 ....................................................................................................................... 57 4.2.8 管箱、浮头盖的热处理 ................................................................................................... 57 5 焊接工艺评定 ............................................................................................................................. 58 5.1 壳体焊接工艺 .......................................................................................................................... 58 5.1.1 壳体焊接顺序 ................................................................................................................... 58 5.1.2 壳体的纵环焊缝 ............................................................................................................... 58 5.2 换热管与管板的焊接 .............................................................................................................. 58 5.2.1 焊接工艺 ........................................................................................................................... 58 5.2.2 焊接缺陷 ........................................................................................................................... 59 5.2.3 法兰与筒体的焊接 ........................................................................................................... 59 6 换热器的安装、试车与维护 .....................................................................................................60 6.1 安装 .........................................................................................................................................60 6.1.1 场地和基础 .......................................................................................................................60 6.1.2 安装前的准备 ...................................................................................................................60 6.1.3 地脚螺栓和垫铁 ...............................................................................................................60 6.1.4 其他要求 ...........................................................................................................................60 6.2 试车 .........................................................................................................................................61 6.3 维护 .........................................................................................................................................61 总结 ................................................................................................................................................ 62 致谢 ................................................................................................................................................ 64 参考文献 ......................................................................................................................................... 65
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1 换热器概述
过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂，约占总投资的35%～40%。
1.1 换热器的应用
在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。本此设计正是要利用换热器降低泥浆的温度，从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源，带来了额外的经济价值。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。
1.2 换热器的主要分类
在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。
1.2.1 换热器的分类及特点
按照传热方式的不同，换热器可分为三类：
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