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1、武汉生物工程学院毕业论文(设计)题 目： 套管式换热器的设计 学 生： 吴洋 系 别： 化学与环境工程系 专业班级： 0905420202 指导教师： 宋 红 辅导教师： 宋 红 时 间： 2011-09-12 至 2012-05-30 目录 摘 要II 关键字II AbstractII KeywordII1. 前 言11.1 套管式换热器11.2 套管式换热器的分类11.2.1 固定管板式换热器11.2.2 浮头式换热器11.2.3 填料函式换热器11.2.4 U型管式换热器11.3 其他形式的换热器11.3.1 石墨换热器11.3.2 容器式换热器21.3.3 板翅式换热器21.4 套管式
2、换热器的特点21.4.1 套管式换热器的优点21.4.2 国内外研究存在的问题21.5 套管式换热器的发展趋势22. 换热器的设计32.1 换热器的设计题目32.2 设计方案32.2.1 选择换热器的类型32.2.2 流动路径及流速的确定32.3 换热器的计算32.3.1 初算换热器的传热面积S032.3.2 主要工艺及结构基本参数的计算42.3.3 换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定52.3.4 管、壳程压力降的校验62.3.5 总传热系数的校验83. 设计结果汇总表9参考文献10致 谢11文献综述12 武汉生物工程学院本科论文学位论文作者声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指
3、导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 本人完全了解有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理机构送交论文的复印件和电子版，同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本学位论文内容不涉及国家机密。 论文题目：套管式换热器的设计 作者单位：武汉生物工程学院 作者签名： 2012年05月10日武汉生物工程学院本科论文套管式换热器的设计摘 要 套管式换热器是一种交换热能的设备，在制冷、石化、化工、新能源、食品、药品等行业中广泛的使用。套管式换热器的设计包括类型的选择、流动路径的确定、流速的选定、
4、冷却剂和加热剂的选择，换热器热负荷的计算、加热剂或冷却剂用量的计算、平均温差的计算、传热面积的估算、换热管的选择、管子的排列方式、管子数目与管长的计算、排管图与实际管子数、壳体直径的计算、壳体壁厚的计算、管程和壳程压力降的计算、总传热系数的计算和校核。本文根据实验数据与计算数据，设计一台适宜的套管式换热器。关键字换热器；传热系数；平均温度差；压力降The design of tube heat exchanger AbstractThe tube heat exchanger is a heat-exchange equipment, widely used in refrigeration,
5、 petrochemical, chemical, energy, food, pharmaceuticals and other industries. Tube heat exchanger design includes the choice of the type, the flow path to determine the flow rate selected, the choice of coolant and heating agent, the calculation of the heat exchanger heat load, heating agent or cool
6、ing dosage calculation, the average temperature difference calculations, estimates of the heat transfer area, the choice of heat exchange tubes, the tube arrangement, tube number and tube length calculations, pipe diagram with the actual tube number, the calculation of the shell diameter, shell wall
7、 thickness calculation, tube and the shell side pressure drop calculation, the overall heat transfer coefficient calculation and verification. Based on experimental data and calculated data, design a suitable and tube heat exchanger. Keyword Heat exchanger; heat transfer coefficient; Mean temperatur
8、e difference; pressure drop III武汉生物工程学院本科论文（设计）1 前 言1.1 套管式换热器套管式换热器是目前石油化工生产上应用最广的一种换热器1。它主要由壳体（包括內壳和外壳）、U型肘管、填料函等组成2。所需管材，可分别采用普通碳钢、铸铁、铜、钛、陶瓷玻璃等制作3。管子一般被固定在支架上。两种不同介质可在管内逆向流动（或同向）以达到换热的目的。在进行逆向换热时，热流体由上部进入，而冷流体由下部进入，热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。热流体由进入端到出口端流过的距离称之为管程4；流体由壳体的接管进入，从壳体上的一端引入到另一端流出，通过这种方式传热的换
9、热器称为壳程套管式换热器5。由于套管式换热器被广泛的应用在石油化工、制冷等工业部门，原本单一的传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产，目前国内外研究者对套管式换热器提出了很多种改进方案，以延长套管式换热器的使用寿命，加强其使用效率6。1.2 套管式换热器的分类1.2.1 固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管7。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于
10、两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置8。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。1.2.2 浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器9。其优点是：管束可以拉出，以便
11、清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。1.2.3 填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低10。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。1.2.4 U型管式换热器U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题11。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。1.3
12、 其他形式的换热器1.3.1 石墨换热器石墨换热器是传热组件用石墨制成的换热器12。制造换热器的石墨应具有不透性，常用浸渍类不透性石墨和压型不透性石墨。石墨换热器按其结构可分为块孔式石墨换热器管壳式石墨换热器和板式石墨换热器3种类型。（1）块孔式石墨换热器由若干个带孔的块状石墨组件组装而成。（2）管壳式石墨换热器管壳式换热器在石墨换热器中占有重要地位，按结构又分为固定式和浮头式两种13。（3）板式石墨换热器板式换热器用石墨板粘结制成。石墨换热器耐腐蚀性能好传热面不易结垢传热性能良好。但石墨易脆裂抗弯和抗拉强度低，因而只能用于低压即使承压能力最好的块孔状结构其工作压力一般也仅为0.30.5MPa
13、。石墨换热器的成本高，体积大，使用不多。它主要用于盐酸硫酸醋酸和磷酸等腐蚀性介质的换热，如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等14。1.3.2 容器式换热器容积式换热器又叫表面式换热器。容积式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行容积式换热器热量交换的换热器，容积式换热器间壁式换热器的冷、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15。1.3.3 板翅式换热器板翅式换热器的传热元件由板和翅片组成的换热器16。板翅式换热器传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于板翅式换热器的隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以得板翅式换热器可
14、以达到很高的效率。板翅式换热器紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000 m2/m3。板翅式换热器轻巧，是因为板翅式换热器的部件紧凑且多为铝合金制造17。板翅式换热器适应性强，板翅式换热器可适用于：气-气、气-液、液-液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。板翅式换热器通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足板翅式换热器制造工艺要求，工艺过程复杂。板翅式换热器容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合18。1.4 套管式换热器的特点1.4.1 套管式换热器的优点
