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摘 要

热交换器通常用于加热低温流体或冷却高温流体，热交换器可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等^[1]。本设计采用的是固定管板式换热器，固定管板式换热器是列管式换热器的一种，它具有价格便宜、产品规格大、结构坚固、换热能力强、使用寿命较长等优点^[2,3]。

本设计主要是依据相关标准，首先是根据已知的设计条件和查询到的物性参数对传热面积进行大致估算，然后计算设计结构参数(包括管程数、壳程数、传热管数等等)，接着校核换热器流量和壁温，通过计算得出流体流动阻力是否在允许范围内，同时选择换热器的附件（如折流板、拉杆、筒体、封头等），每个附件的规格都要严格按照标准进行选取，最后进行强度校核和经济性分析^[4]。

关键词：冷却器设计 工艺设计 固定管板式换热器 强度校核

Design of water-isobutene cooler

Abstract

Heat exchangers are often used for heating low-temperature fluids or cooling high temperature fluids, vaporizing liquids into steam or condensing steam into liquids. In chemical production, heat exchangers can be widely used as heaters, coolers, condensers, evaporators and reboiler. This design uses the tube type heat exchanger. The tube heat exchanger is one of the heat exchangers. It has the advantages of cheap price, large product specification, strong structure, strong heat exchange ability and long service life.

The design is based on the relevant standards. First, the heat transfer area is estimated according to the known design conditions and the physical parameters. Then the design parameters (including the number of tubes, the number of shell, the number of heat transfer tubes, etc.) are calculated. Then the flow and wall temperature of the heat exchanger are checked, and the flow resistance of the fluid is calculated by calculating the flow resistance. At the same time, we choose the accessories of the heat exchanger (such as baffle, pull rod, barrel, head and so on). The specifications of each annex should be selected strictly according to the standard. Finally, the strength check and economic analysis should be carried out.

Key words: Design of cooler ; process planning; Fixed tube plate heat exchanger; Strength checking

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 工艺设计计算 3

2.1 已知设计条件 3

2.2 确定设计方案 3

2.3 确定物性温度和物性数据 3

2.4 估算传热面积 4

2.4.1 管程冷却水的流量 4

2.4.2 壳程异丁烷饱和液体的质量流量 5

2.4.3 平均传热温差 5

2.4.4 初步计算传热面积 5

2.5 设计结构参数的计算 5

2.5.1 流速的选择 5

2.5.2 计算管程数和传热管数 5

2.5.3 壳程数 6

2.5.4 传热管排列方式的选取 6

2.5.5 壳体内径的计算 6

2.5.6 接管 6

2.6换热器核算 7

2.6.1 换热器流量的校核 7

2.6.2 壁温核算 8

2.6.3 管壳程流体流动阻力 8

第三章 结构设计和强度校核 10

3.1 换热管 10

3.2 折流板 10

3.3 拉杆 10

3.4 筒体 10

3.5 封头 11

3.6 管箱法兰 12

3.7 接管法兰 12

第四章 经济性分析 14

第五章 总结 15

参考文献 16

水-异丁烷换热器设计

第一章 绪论

在化学工业生产中，许多时候化学物质都需要加热或冷却，此时，我们就需要进行热量传递，简称传热。化工生产中，传热技术通常分为强化传热和削弱传热^[5,6]。强化传热，就是通过在传热设备中加热或冷却物料，进而提高各种换热设备的传热速率，削弱传热是对设备或管道进行隔热，进而降低传热速率^[7]。

换热器作为一种当代化学工业中主要的换热设备，它的种类非常多，其中以间壁式换热器应用最为普遍，根据传热壁面特点，间壁式换热器进一步可分为管式、板式和板翘式三种类型^[8]。在化工生产中，目前应用最广泛的换热器，就是列管式换热器，它是管式换热器的一种，又被称为管壳式，其用量大约占全部换热器的百分之90，这种换热器的特点是：较高的效率、节约能源、换热速度快、结构虽然简单但很坚实、维护费用低、寿命长，应用范围广，适用性非常好^[9,10]。列管式换热器又分为固定管板式，U形换热器，浮头式换热器，固定管板式换热器使用十分简单，且管程和壳程都可以分为多程，便于维护和保养，它的制造成本也相对而言较低，经济性适中，传热面积比浮头式大。但它同时也有诸多不便，例如壳程无法机械清洗，管板与管头之间易产生温差应力而损坏^[11,12]。

在化工生产中，我们会尽量强化换热器的传热，也就是提高传热速率①增大传热面积，但是通过增大换热器体积来实现是不行的，而要换个角度，从设备结构考虑②增大传热平均温差，在设计过程中，我们应该采用逆流，这样既可以增大换热面积，也可增加平均温差，当然，这种情况只适用于流体无相变。介质的温度一般由设计条件给定，所以想通过调节介质初始温度是行不通的③增大传热系数，在传热过程中，给热热阻是一个非常关键的部分，可以通过降低给热热阻来增大传热系数，要想降低给热热阻，必要要减小层流底层的厚度^[13]。综上所述，我们在设计过程中必须综合考虑设备的整体结构，所需的材料成本费用以及加工费，还有维护保养等，以实现利益最大化。但同时还必须关注污染排放，必须符合国家排放指标^[14]。

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