吹扫气激冷器设计论文.doc

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1、毕业设计（论文） 吹扫气激冷器设计 Purging Device Shock Cooler Design 班 级 过程装备 071 徐州工业职业技术学院 毕业设计（论文）任务书 课题名称 吹扫器激冷器设计 课题性质 工程设计类 班 级 过程装备 071 学生姓名 王敬之 学 号 730410128 指导教师 王敏/周波 导师职称 副教授/助教 一选题意义及背景 换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。 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

2、热器来完成。 本课题就是利用相关知识，设计出达到工艺所规定的要求，同时强度、 结构可靠，便于制造、安装和检修，以及经济上合理的吹扫气激冷器，满足 生产需要。 二毕业设计（论文）主要内容： 设计参数： 介质R-22H2、HCl 气液混合 工作温度（进出口）/-33/-4331/40.0 工作压力（绝压）0.090.15 流量（Kg/s） 自己确定，可取（520）之 间一值 未知 具体内容： 1. 完成设计论文 2. 完成吹扫气激冷器 主体和零部件的结构和强度设计 3. 完成 A1 图纸不少于三张（总装配图和零件图） 三计划进度： 1. 第一周：查阅资料，完成论文的绪论，并对换热器的结构和强度设计

3、有所 认识。 2. 第二周和第三周：完成热工计算、吹扫气激冷器 的结构和强度设计。 3. 第四周：根据自己的设计，绘制出换热器的总装配图和零件图。 4. 第五周：查缺补漏，修改论文和图纸等，并提交毕业设计相关资料，准备 答辩。 四毕业设计（论文）结束应提交的材料： 1. 毕业设计（论文）报告 2. 毕业设计论文评阅表和交叉评阅表 3. 答辩评分表 4. 论文真实性承诺及指导教师声明 5. 设计计算书 6. 图纸 指导教师 教研室主任 年 月 日 年 月 论文真实性承诺及指导教师声明 学生论文真实性承诺 本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果，内容真实

4、可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行 为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。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。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为， 本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。 毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明 本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其 内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明， 不存在抄袭等学术不端行为。 指导教师签名： 日 期： ABSTRACT 摘 要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过

5、程中热量交 换和传递不可缺少的设备。 本文以 U 形管式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对 换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过 程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要以 R-22 和 H2、HCl 混合物为介质，按实际设计步骤依次进行热工计算、结构设计和强 度设计，并画出换热器的 CAD 结构图。主要研究内容如下： （1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构 造和基本原理。 （2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对 U 形管式换热器的进行 设计，具体分为换热器的热工计算，结构计算和强度计算。

6、 （3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器 支座的设计。 （4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折 流挡板的尺寸。 除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、 开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。 本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准， 在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出 CAD 图，对我们了解换热 器的设计流程和作用有了更深刻了解。 关键词： 换热器 压力容器 U 形管式换热器 毕业设计 I ABSTRACT Heat exchanger is p

7、art of the essential equipments, which transfer thermal fluid heat to thecold fluid in the chemical production process, to achieve heat exchange and transmission. In this paper, U-tube heat exchanger was used as the research object, and the development, background, classification, use, exploration a

8、nd research of the heat exchanger was discussed on the basis of referring to much literature home and abroad. The comprehensive description of the whole process design of heat exchanger was discussed, using the heat exchanger design process as the main line and the structural design as the main body

9、. In this paper, R-22 and H2, HCl mixture was used as the medium, according to the actual design procedure followed by the calculation of thermal engineering, structural design and strength design, and also heat exchanger CAD chart was drown at last. Main research contents are as follows: (1) The de

10、velopment, classification, materials, and the use of the heat exchange was elaborated to understand the basic structure and basic principles of the heat exchanger. (2) The U-tube heat exchanger design was divided into the calculation, structural calculation and strength calculation on the data obtai

11、ned by referring to the heat exchanger design-related standards. (3) The external heat exchanger design included the design of its cylinder, head, tube boxes and supports. (4) The interior design of heat exchanger included the design of the size of its heat exchange tube, fixed tube sheet thickness

12、and baffled baffle size. In addition, the design content also included its pressure vessel flanges, pipe flanges, openings and opening of the pipe, as well as its attachments, each hole stress check, etc. The design data and the CAD structure map of the heat exchanger was obtained, using the pressur

13、e vessel design applications on the basis of classification and referring to the heat exchanger design-related criteria. ABSTRACT KEYWORDS: heat exchanger；pressure vessel；U-tube heat exchange 目 录 目 录 摘要 I ABSTRACT 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 换热器的发展1 1.3 换热器的分类.2 1.3.1 根据结构分类.2 1.3.1.1 管式换热器2 1.3.1.2 板式换热器3

14、1.3.1.3 延伸（扩展）表面换热器.4 1.3.1.4 再生器，蓄热式换热器.4 1.3.2 根据传递过程分类.4 1.3.2.1 直接接触式换热器4 1.3.2.2 间壁式换热器5 1.2.2.3 蓄热式换热器5 1.3.3 根据流体的相态分类.5 1.3.3.1 气液换热器.6 1.3.3.2 液液换热器6 1.3.3.3 气气换热器6 1.4 换热器的要求.6 毕业设计 I 1.5 换热器的应用和维护.6 1.6 本课题的内容及其研究意义7 第二章 吹扫气激冷器的结构设计8 2.1 设计参数8 2.2 换热器热工设计的计算步骤8 第三章 吹扫气激冷器的强度设计15 3.1 U 形管式

15、换热器筒体计算结果15 3.2 前端管箱筒体计算结果.16 3.3 前端管箱封头计算结果.17 3.4 后端封头计算结果18 3.5 内压斜锥壳校核19 3.6 卧式容器（双鞍座）.21 3.7 U 型管换热器管板计算26 第四章 总结29 参考文献30 附录31 致谢32 第一章 绪论 0 第一章 绪论 1.1 引言 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（heat exchanger） 。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换 热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺 设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 一台换热器由

16、换热元件，如含传热面的芯或管阵（matrix） ，以及流体分配 元件，如封头或管箱结构、进出口接管等构成。换热器中通常没有移动部件， 但也有例外，例如在旋转式再生器中，蓄热体被设计成一定的速度旋转。传热 面与流体直接接触，从而热量以传热导的方式传递。传热面中将二种流体分开 的那部分，即基本的或直接接触的传热面外，为了增大传热面积，二级接触面 如翅片可以附在基本传热面上1。 换热器的特点是传热过程及其相关工艺所决定的，在流程工业中为了实现 不同的物理挂靴的反应，工艺过程常常千变万化，因此换热器的工艺性很强； 其次过程装置趋向于单系列化，装置规模趋向于大型化，要求更长的运行周期， 对其中换热器的长

17、期可靠性提出了极高的要求，再者换热器服役条件千差万别， 有高温、低温、深冷；有超高压、高压、中压、低压、真空等；有强酸、强碱、 剧毒、易燃、易爆等；这些工艺特点决定了换热器相关知识体系的复杂性。 换热器的应用广泛，它应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、 轻工等行业。日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天 火箭上的油冷却器等，都是换热器。通过这种设备使物料能达到指定的温度以 满足工艺的要求。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各中换热器的组合， 就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品 的成本以获得好的经济效益，是提高能源利用率的主要设备之

18、一2。 1.2 换热器的发展 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由 铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间， 为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换 热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能 紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得 到进一步完善，从而推动了紧凑型板面

19、式换热器的蓬勃发展和广泛应用。 70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式 换热器。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而 且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。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、新功能、新材料的换热器不断涌现。 过去 20 年来，能量价格的急剧增加使得废热回收越来越有吸引力。利用换 毕业设计 1 热器从烟道气中回收废热可以提高整个工厂的效率，从而可以减少国家的能量 需求，节约石油燃料。 20 世纪 30 年代，为了满足乳品工业的卫生要求，出现了板式换热器 （PHE） 。如今，板式换热器在

20、许多领域广泛应用，它们可替代管壳式换热器用 于低中压液液换热的场合4。 近年来，能量和材料费用的不断增加促进了各种强化传热表面和设备的发 展。大部分传热过程都会有人们不希望的物质沉积，通常指结垢。结垢可能的 导致设计和操作不确定性的主要因素，这往往会增加额外的设备投资和运行成 本、降低传热性能5。 1.3 换热器的分类 总的来说，工业上的换热器按以下来分类：（1）结构；（2）传热过程； （3）传热面的紧凑程度；（4）流动形态；（5）分程情况；（6）流体的相态； （7）传热机理。 由于生产中的换热目的不同换热器的分类比较广泛如：反应釜、压力容器、 冷凝器、反应锅、螺旋板式换热器、波纹管换热器、列

21、管换热器、板式换热器、 螺旋板换热器、管壳式换热器、容积式换热器、浮头式换热器、管式换热器、 热管换热器、汽水换热器、换热机组、石墨换热器、空气换热器、钛换热器等。 1.3.1 根据结构分类 根据结构的不同，换热器可分为： （1）管式换热器，包括双套管式、管壳式、盘管式等，如图 1-1 所示； （2）板式换热器，包括垫片板片式、螺旋板式、板壳式（lamella） 、面板 盘绕式（plate coil）豪板式等，如图 1-2 所示； （3）延伸表面换热器，包括管翅式、板翅式等； （4）再生器，包括固定蓄热床式、旋转式等。 图 1-1 列管式换热器图 1-2 豪板式换热器 1.3.1.1 管式换热

22、器 套管式换热器：套管式换热器由两个同心管构成，通常涉及成 U 形，流动 方向为逆流式，可以根据需要将多个套管式换热器串联或并联起来，适用于传 热负荷较小的情形，一般小于 300ft，适用于高温高压场合，耐用性好。由于可 以根据实际需要添加或拆除部分单独的单元，适用灵活，并且由于它是标准化 的，所以不需要库存很多来备用。可在管内壁沿纵向或周向设置翅片来强化管 内壁对管内流体的传热。其设计压力和温度与管壳式换热器类似。这种换热器 设计方法简单，可用凯恩（Kern）法，也可采用编写的程序6。 第一章 绪论 2 管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热

23、器。是以封闭在 壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器3。这种换热器结构较简单，操 作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用， 是目前应用最广的类型。 管壳式换热器结构由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部 件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热 的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为 壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板 可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流 程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，

24、管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易 结垢的流体7。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示 为最简单的单壳程单管程换热器,简称为 1-1 型换热器。为提高管内流体速度,可 在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分 管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可 在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与 多壳程可配合应用8。 盘管式换热器：用于液化系统中，当今用于大规模羽化系统中的三种经典 换热器之一就是盘管式换热器（CTHE）1。这种换热器的结构包括在一个中

25、心 管周围以螺旋状盘绕大量口径小的延性管子，一台换热器可以沿着主轴方向和 径向有多层管，一层或多层内的管子可以组合在一起成为一个或多个管板，流 过该盘管束内不同的流体对一单壳程可以呈逆流方式流动。 高压流路在小管内流动，而低压回流蒸汽在小管外侧的中心管于壳体之间 的环形空间内流动。通过使用等长的传热管和改变这些不同层内的管间距，可 使盘管内每一高压流路的压降相等。由于管壳两侧都具小口径管，盘管式换热 器不能用机械方法清洗，适合处理高温流体采用不锈钢。 盘管式换热器具有独特的优点，尤其适合处理下列情形的低温流体： （1）两股以上的流体同时传热； （2）需要大量传热单元； （3）涉及较高的操作压力

26、。 但是盘管式换热器价格昂贵，因为需要较高的材料费用和盘管的加工费用， 还有中心轴造成的费用中心轴对传热来说无任何用处，而且增大了壳体的直径。 1.3.1.2 板式换热器 板式换热器的使用不如管式换热器广泛，但也有一定的优点。板式换热器 可分为以下三类： （1）板框式或称垫片板片式换热器，可代替管壳式换热器用于低、中压场 合的液液传热； （2）螺旋板式换热器，可替代管壳式换热器，无需太多维护，尤其适用于 易淤积或含有悬浮固体颗粒的流体； （3）由凸鼓板制成的导管或盘管状板圈式或盘绕式换热器，以使液体与翅 相耦合（couple） 。 毕业设计 3 板式换热器：板式换热器（PHE）实质上由一些压油

27、波纹相互接触的金属 板组成，每一块板有四个孔作为流体进口和出口，设计密封垫片使流体间隔地 在各流道中流动，各板被夹紧在一个框内连接起来，可供流体流动。由于每一 块板周围都用垫圈密封，板式换热器又叫垫片板片式换热器。 螺旋板式换热器：螺旋板式换热器（SPHES）从 20 世纪 30 年代开始使用 最初在瑞典用于纸浆厂的废热回收。这种换热器可以归结为一种焊接式的板式 换热器，由两块长形的金属板式围绕轴心卷合制造而成，形成两个螺旋式的通 道，卷合前将定距螺栓焊接在金属板上，使得各螺旋板通道间距在沿螺旋通道 长度的方向保持均匀分布，大部分情况下，在螺旋板的两端都被交错地焊接密 封，但在某些情况下，一个

28、流道畅开，另一个流道在板的两端密封。这两种结 构可防止二种流体混合。 面板盘绕式换热器：这种换热器可以叫做面板盘绕式、卷板式（plate coil） 、 凸鼓（embossed）面板式或夹套式换热器。这种换热器根据流体在夹套内被冷 却或加热用做热井或热源。这种换热器相对便宜，根据不同操作条件可以加工 成需要的形状和厚度。因此，可应用于许多工业领域，如低温、化工、纤维、 食品、涂料、制药、太阳能等1。 面板盘绕式换热器的优点。它提供了一种最优的加热和冷却过程容器的方 式，易于控制、高效、产品质量好。采用这种方法传热有以下优点： （1）可用于处理任何种类的液体、蒸汽及其它高压蒸汽； （2）可以准确

29、控制传热载体的循环、温度和速度； （3）面板可用比容器本身便宜得多的金属制造而成； （4）污染、清洁及维修等问题大大减少； （5）具有最高效、最经济及灵活性等特点； （6）为化学工程师给特定的过程设计反应器是选择传热媒体提供了很大的 灵活性。 1.3.1.3 延伸（扩展）表面换热器 处理气体和一些液体时，如果传热膜系数很低，需要较大的传热面积来提 高传热效率，在基本传热面上附着翅片可以满足这一要求。管翅式和板翅式换 热器是最常见的延伸表面换热器。 1.3.1.4 再生器，蓄热式换热器 再生是一门古老的技术，可以追溯到第一台鼓风式的熔炉。制造和过程工 业，例如玻璃、水泥等消耗大量能量，其中大部分

30、的能量以高温尾气的形式被 废弃，从尾气中回收废热的换热器，也就是再生器可以提高工程的总热效率1。 再生器的类型：再生器一般分为固定床阵式的和旋转式的两种。在固定式 再生器中，通过一个固定的床阵周期性交替地吹过热冷两股气流，从而实现热 能再生，在热气流吹过时，换热床阵吸收热能，并在冷气流吹过时把热能传给 冷气流。在旋转式再生器中，换热床阵相对两股气流慢慢转动。旋转式再生器 常见于气轮机电站中，高温尾气中的废热被利用来升高进入燃烧炉前的压缩空 气的温度1。 1.3.2 根据传递过程分类 第一章 绪论 4 1.3.2.1 直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现

31、传热， 接触面积直接影响到传热量，这类换热器的介质通常一种是气体，另一种为液 体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔 器的关系，通常归口为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。 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。 1

32、.3.2.2 间壁式换热器 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，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9。 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

33、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

34、10。 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。 1.3.2.3 蓄热式换热器 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 毕业设计 5 用于

35、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。这类换热器用量极少，原理是热介质先通过加热固体物 质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之到达传热量的目的11。 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体， 热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热， 使之达到热量传递的目的12。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 1.3.3 根据流体的相态分类 1.3.3.1 气液换热器 大部分的气液换热器大多都是管翅式紧凑换热器，液体走管内。散热器 是目前气液换热器的主要形式，用空气冷却发动机夹套内的水。类

36、似的单元 设备在其他例如汽车的水冷气冷却器、空调压缩机、冷凝器和蒸发器的中间冷 却器和后冷却器。通常，液体泵出后在管内流动，管子有很高的对流传热膜系 数，空气以错流的方式流过管子，空气侧的传热膜系数比液体侧的要低。一般 在管外增加翅片来强化传热1。 1.3.3.2 液液换热器 大部分的液液换热器都的管壳式的，板式的相对较少。两种液体都被泵 送流经换热器，所以换热的基本模式是强制对流。液体的密度相对较高，因此 有很高的传热率，一般不用翅片或其它装置来强化传热。在某些应用中，也会 用低翅片管、微翅片管或其它传热强化措施来强化传热1。 1.3.3.3 气气换热器 这种换热器用在尾气空气预热同流换热器

37、、旋转式再生器、中间冷却器 和/或后冷却器中，冷却一些落地式的柴油动力装置、柴油机火车机车以及低温 气体液化系统中的高负荷发动机的入口的空气。很多情况下，一种气体被压缩， 密度增大，而另一种气体则是低压低密度状态。相比液液换热器，这种换热 器的尺寸大很多，因为气侧的对流换热系数比液侧的低。所以，多数采用二次 传热面来强化传热1。 1.4 换热器的要求 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） 传热效率高； （2） 压降尽可能低； （3） 可靠、有预期的使用寿命； （4） 产品高品质、操作安全； （5） 材料对

38、过程流体的相容性； （6） 设计计算的方便、安装容易、使用可靠； （7） 维护和操作容易； （8） 结构重量轻而坚固；以便能承受操作压力； （9） 制造简单； （10）价格低； （11）对维修中存在的问题可达到具有有效的修理的可能性。 第一章 绪论 6 换热器必须能满足在清洁条件下和污垢条件下，以及腐蚀和非腐蚀条件下 的操作，和特定问题下等过程的通常要求。换热器必须能对其进行维护，这常 常意味着在选择一结构时能允许在需要时对其进行清洗和由于腐蚀、侵蚀、振 动或老化等造成损坏的管子、垫片以及任何其他部件等更换，这也就要求满足 对于管束抽出而对其进行维护时场地空间的限制，满足换而且部件提升的需要，

39、 以及便于操作中进行检验和监察13。 1.5 换热器应用与维护 换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管，壳程介质的温度 及压降进行监督，分析换热管的泄漏和结垢情况。管壳式换热器就是利用管子 使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其他设备相 比较，其余腐蚀介质接触的表面积就显得非常大，发生腐蚀穿孔结合处松弛泄 漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防泄漏的方法也比其他设备要多加 考虑，当换热器用蒸汽来加热或用水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部 分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。冷却水经常循 环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。

40、又因水中含有腐蚀性 溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。 因此必须经过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度 或沉积的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的 特点，换热介质的性质，腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查，修理及清 洗14。 1.5本课题的内容及其研究意义 本课题主要是研究吹扫气激冷器结构参数，查阅换热器相关标准，分析吹 扫气激冷器各部分性能影响，进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算 15。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝 汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还

41、广泛应用于化工、石油、 动力和原子能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大 其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要 意义。 近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热 器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形 式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要 根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在 即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为 目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压 力升高造成某

42、些设备被破坏16。 毕业设计 7 第二章 吹扫气激冷器的结构设计 本章节主要对吹扫气激冷器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随 着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算 的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根 据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数 据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。 一般换热器的设计程序如下： （1）明确设计任务 根据所给设计条件确定换热器设计类型（设计计算或 校核计算） （2）总体设计 明确结构形式：确定换热器的形式时，主要考虑热冷流体的压力和温度、 管束与管壳的温度

43、差、流体的腐蚀性、换热管和壳体的材料、换热管和壳体的 材料、换热器结垢性能与清洗要求、造价等。 合理安排流程：当已知热冷流体的种类后，可以安排热冷流体哪一种走 管程，哪一种走壳程。 （3）热工设计 确定原始数据：根据设计任务收集尽可能多的原始数据，包括给定的数 据和查得的数据在内，例如热冷流体的种类、进出口温度、压力、流量等工艺 参数；允许压力降、尺寸，重等设计限制条件等。 确定冷流体的定性温度，计算或差得热冷流体的无形参数，如密度、粘 度、导热系数、比热容等。 物料衡算和热量衡算：利用热平衡方程确定热负荷、管程和课程流量、 估算热量损失。 初步确定换热器流程形式，计算换热器的有效平均温差。

44、初选总传热系数 K0 值，并根据传热基本方程式初算传热面积 A0。 最后详细地进行换热器的结构设计。具体的设计过程如表 2.1 至表 2.11 2.1设计参数 换热器的设计参数如表 2.1 所示。 表2.1 设计参数 Tab. 2.1 Design Parameters 介质R-22H2、HCl 气液混合 工作温度（进出口）/-33/-4331/40.0 工作压力（绝压）0.090.15 流量（Kg/s） 自己确定，可取（520）之 间一值 未知 换热面积 2.2换热器热工设计 换热器的热工设计和部分结构设计的计算步骤如表 2.2 到表 2.11 所示。 第二章 吹扫气激冷器的结构设计 8 表

45、2.2 原始数据 Tab. 2.2 Raw Data 计算内容或 项目 符号单位 计算公式或 来源 结果备注 管程流体名 称 H2、HCl 混 合 壳程流体名 称 R-22 R-22 的进、 出口温度 Ti; To 给定-33/-43 H2、HCl 混 合的进、出 口温度 ti; to 给定31/40.0 R-22 的工作 压力 PtMPa给定0.09 H2、HCl 气 液的工作压 力 PsMPa给定0.15 R-22 的质量 流量 t kg/s给定18 表2.3 定性温度与物性参数 Tab. 2.3 Qualitative temperature and material parameter

46、s 计算内容或项 目 符号单位计算公式或来源结果备注 R-22 的定性温 度 TmTm=(T1+T2)/2 -38 H2、HCl 混合 的定性温度 Tmtm=(t1+t2)/2 35.5 R-22 的密度 t Kg/m3 按定性温度查物 性表 1402 H2、HCl 混合 的密度 s Kg/m3 按定性温度查物 性表 1.2 R-22 的比热容 CtJ/(kg 0C) 按定性温度查物 性表 2270 H2、HCl 混合 的比热容 CsJ/(kg 0C) 按定性温度查物 性表 1862 R-22 的导热系 数 t W/(m 0C) 按定性温度查物 性表 32.5 H2、HCl 混合 的导热系数

47、s W/(m 0C) 按定性温度查物 性表 19.3 R-22 的粘度 t Pas 按定性温度查物 性表 3510-3 毕业设计 9 H2、HCl 混合 的粘度 s Pas 按定性温度查物 性表 23.210-3 R-22 普朗特数 Prt 计算2.445 H2、HCl 混合 普朗特数 Prs 计算2.238 表2.4 物料与热量衡算 Tab. 2.4 Material and heat balance 计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注 换热效率 取用0.98 负荷QWQ= tct(T1T2) 400428 H2、HCl 气液混 合的质量流量 s Kg/s t=Q/cs(t2-t1

48、) 23.89 表2.5 有效平均温差 Tab. 2.5 Effective mean temperature difference 计算内容或项 目 符号单位计算公式或来源结果备注 逆流对数平均 温差 tlog tlog=(t1- t2)/ln(t1/ t2) 71.4 流程型式 初步确定 1-2 型 管壳式换热器 1 壳程2 管程 参数RR= 0 0 - - i i T T tt 1.1 参数PP= 0i ii tt Tt -0.141 温度校正系数 查过程装备成 套技术设计指南1 有效平均温度 tM tm=tlog71.4 表2.6 初算传热面积 Tab. 2.6 Heat transfer area in early count 计算内容或项 目 符号单位计算公式或来源结果备注 初选总传热系 数 K0W/(m20C ) 参考过程装备 成套技术设计指 南 150 初算传热面积 A0m2 A0= 0M Q Kt 37.39 第二章 吹扫气激冷器的结构设计 10 表2.7 换热结构设计