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1、分类号 单位代码 11395 密 级 学 号 0706210154 学生毕业设计（论文） 题 目 管壳式换热器的设计 作 者 王俊涛 院 (系) 化学与化工学院 专 业 化学工程与工艺 指导教师 刘侠 答辩日期 2011年5月21日 榆 林 学 院 毕业设计（论文）诚信责任书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） ，是本人在导师的指导下独立，是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文
2、中已经注明引用的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰撰写写过过的的研研究究成成 果果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论论文文作作者者签签名名 : 年年 月月 日日 摘 要 换热设备是化工、炼油、动力、能源、冶金、食品、机械、建筑工
3、业中普遍应用 的典型设备。一般换热设备在化工、炼油装置中的建设费用比例可达 20%-50%。因此， 无论从能源的利用，还是从工厂的投资来看，合理地选择和设计换热器，都具有重要 的意义。在各种换热器中，由于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、适应性强、操作弹性大、易制造、成本低、易于检修和清洗等优点， 因此应用最为广泛。本次设计的目的是通过对设备的设计初步掌握其设计的基本方法 与程序。本次设计的设备是 U 型管式换热器，它属于管壳式换热器的一种。管壳式换 热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计，以热力设计最 为重要。通过本次设计知道了管壳式换热器
4、的设计内容主要包括根据换热任务和有关 要求确定设计方案，初步确定换热器的结构和尺寸，核算换热器的传热面积和流体阻 力，确定换热器的工艺结构。 关键词：U 型管式换热器、工艺设计 论文类型：工程设计 ABSTRACT Heat transmission equipment is a typical equipment ，which is widely used in chemical industry, oil refining, power, energy, metallurgy, food, machinery and building industry . The construction
5、 cost ratio of general heat transmission equipment in the chemical industry and oil refining installations can reach 20% to 50%.Therefore, no matter from energy use, or from the factory investment perspective, a reasonable choice and design of heat exchanger have important significance. In all kinds
6、 of heat exchanger, as tubular heat exchanger can provide large heat exchanger area per unit volume, heat transfer effect is good, adaptability is strong, elasticity of operation is big, easy to manufacture, its cost is low, easy to maintenance and clean etc, so it is most widely used. The aim of th
7、is design is based on the design of equipment to master its equipment basic design method and procedure. The design of the equipment is u-shaped tubular heat exchanger. It belongs to the tubular heat exchanger. The design and analysis of Tubular heat exchanger consists of thermal design, flow design
8、, structural design and strength design. Thermal design is the most important. Through this design we know design content of tube exchanger mainly consists of determining design program according to heat task and relevant requirements, determining the structure and size of heat exchanger, accounting
9、 heat transfer area and fluid resistance of the heat exchanger, determining process structure of heat exchanger. Key words: U-tube Heat Exchanger, Process Design Thesis: Engineering design 目录 I 目录 1 绪论.1 2 工艺条件的选择.2 2.1 管壳式换热器类型的选择2 2.2 流体流径管程和壳程的选择3 2.3 流体流速的选择3 2.4 加热剂和冷却剂的选择3 2.5 适宜出口温度的选择4 2.6 设
10、备材质与规格的选择4 3 管壳式换热器的化工计算.5 3.1 确定物性数据5 3.2 估算传热面积5 3.2.1 热流量5 3.2.2 平均传热温差.5 3.2.3 冷却介质的用量.6 3.2.4 初算传热面积.6 3.3 工艺结构计算及其他主要附件说明6 3.3.1 管径和管内流速.6 3.3.2 管程数和传热管数.7 3.3.3 平均传热温差校正及壳程数.7 3.3.4 传热管排列和分程方法.8 3.3.5 管壳内径.8 3.3.6 折流板.9 3.3.7 接管.9 3.3.8 其他主要附件.10 4 管壳式换热器的核算.12 4.1 热量核算12 4.1.1 热量核算.12 4.1.2
11、管程对流传热系数.13 4.1.3 传热系数 K .14 4.1.4 传热面积 S14 4.2 换热器内流体的流动阻力15 4.2.1 管程流动阻力.15 4.2.2 壳程阻力.16 4.3 换热器主要结构尺寸和计算结果及设备图18 5 管壳式换热器设备的设计说明书.20 6 总结.21 参考资料.22 目录 致 谢.23 管壳式换热器的设计 1 1 绪论 换热器是化工、石油、制冷、食品、动力等其他许多工业部门中广泛使用的热量 交换设备。它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的 重要附属设备，因此在化工生产中占重要的地位1。并伴随着化学工业的迅速发展及能 源价格的提高，
12、换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重视,从 换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃,一些新型高效换热器 相继问世。换热设备种类很多，一般根据传热方式的不同可分为三类：混合式换热器、 蓄热式换热器、间壁式换热器。本次设计的管壳式换热器属于间壁式换热器的一种， 这类换热器是目前工业上应用最为广泛的一种换热器。因此，设计和选择得到使用、 高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。但无论是哪种换热 设备，高传热效率、低流动阻力、合理紧凑的结构、可靠的强度、低制作成本、安修 方便仍然是衡量换热器性能的基本标准2。 目前，在换热器中，应用最多的是管壳式
13、换热器，它是工业过程热量传递中应用 最为广泛的一种换热器。虽然管壳式换热器在结构紧凑性、传热强度和单位传热面的 金属消耗量方面无法与板式换热器相比，但其适用的操作温度与压力范围较大、制造 成本低、清洗方便、处理量大、工作可靠，长期以来，人们已在其设计和加工方面积 累了许多经验，使其在工业生产中得到了广泛应用。 管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、折流板和封头等组成。在管壳式换热器 中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度 也有差别。若两流体的温度差较大时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯 曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，管
14、壳式换热器 可分为固定管板式、浮头式、U 型管式、填料函式、滑动管板式等类型。 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的 竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这 类换热器性能进行的研究主要是强化传热、研发适应各类腐蚀性介质的新材料以及在 结构上向着高温、高压、大型化方向发展。 管壳式换热器作为种传统的标准换热设备，它虽然在换热效率、设备的体积，金 属材料的消耗量等力而小如其他新型换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可 靠程度高、使用范围广等优点，所以在化工、石油化工、炼油、动力、核能和其他行 业装置中得到普遍采用，特别是在高
15、温、高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。 榆林学院毕业论文 2 2 工艺条件的选择 2.1 管壳式换热器类型的选择 常见的管壳式换热器类型很多，目前在工业中广泛使用的主要有以下四种： （1）固定管板式换热器 这类换热器的主要特点是它的结构简单，在相同的壳体 直径内，排管最多，而且紧凑排列，因此壳程检修和清洗困难，所以壳程中走的必须 是易清洗，不易产生垢层和腐蚀的介质。当管束和壳体之间温差较大时会产生热膨胀， 导致管子和管板之间脱开，从而发生介质泄露。为此常在外壳上焊膨胀节，但它仅能 减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力且在多程换热器中，这种方法不能照顾 到管子的相对移动。所以这种换热器比
16、较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不 高的场合1。 （2）浮头式换热器 该类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束间 不会由于膨胀量而产生热应力，而且清洗容易，所以它通常适用于管壳壁间温差较大， 或易于腐蚀或结垢的场合。该类换热器结构复杂且笨重，造价比固定管板式高 20%左 右，材料消耗量大，而且浮头的端盖在操作在无法检查。所以在制造和安装时要特别 注意其密封，以免发生泄漏，管束和壳体的间隙较大，在设计是要避免短路。至于壳 程的压力也受滑动接触面的密封限制。 （3）U 型管式换热器 该类换热器的管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差 而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速高，传热性能好，且 结构简单便于检修，但管内清洗不便。又因其管束中间部分存在空隙，使壳程流体易 于短路而影响换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用管壁较厚的 管子。所以该类换热器仅适用于管壳壁温相差大，或壳程介质易结垢而管
