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摘 要

换热器是一种必需的工业设备应用于石油化工领域以及国防工程中。此次设计的换热器类型是U型管式换热器，在设计中根据GB150-2011《压力容器》和GB/T151-2014《热交换器》的设计要求对换热器进行工艺计算、结构设计和强度计算。U型管式换热器的结构简单合理便于维护、传热效率相对较高，而且设计造价便宜。本次设计是甲醇制氢工艺过程中的过热器。设计过程要满足工艺条件的同时也要结构简单合理便于维护和易于维修，使换热器具有更高的经济价值。随着经济和工业技术的快速发展和进步，对于换热器的要求也越来越多，特别是对于新材料的应用和较高传热效率的要求。随着大型工厂企业生产换热装置的大型化和生产高效化,换热器的需求和发展也越来越大,并且在换热器大型化快速发展的同时也越来越需要加强和提高对于大型化换热器的换热效率和小型化节能以及低碳减排的应用能力。

关键词：U型管式换热器；换热器；工艺计算；结构设计；强度计算

ABSTRACT

Heat exchangers are essential industrial equipment in petrochemical and defense engineering. The heat exchanger type designed this time is a U-tube heat exchanger. According to the design requirements of GB150-2011 "Pressure Vessel" and GB/T151-2014 "Heat Exchanger", process calculation, structural design and strength calculation are carried out. The U-tube heat exchanger has a simple and reasonable structure, is easy to maintain, has high heat transfer efficiency, and is cheap to design and manufacture. The design is a superheater in the process of methanol hydrogen production. The design process must not only meet the technological conditions, but also have a simple and reasonable structure, easy maintenance, and easy maintenance, so that the heat exchanger has high economic value. With the rapid development and progress of economic and industrial technology, the requirements for heat exchangers are getting higher and higher, especially for the application of new materials and higher heat transfer efficiency. With the large-scale production and efficient production of heat exchange devices in large factories and enterprises, the demand and development of heat exchangers are also increasing, and the rapid development of large heat exchangers needs to be strengthened and improved. The heat exchange efficiency of large heat exchangers and the application capacity of small-scale energy saving and emission reduction.

Keywords: heat exchanger；U-tube type；Process design；Structural design；

Strength calculation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 I

第一章 绪论 - 1 -

1.1换热器的发展 - 1 -

1.2换热器的研究现状 - 1 -

1.2.1管壳式换热器 - 2 -

1.2.2板式换热器 - 2 -

1.3研究内容 - 3 -

第二章 工艺计算 - 4 -

2.1物料计算 - 4 -

2.1.1依据 - 4 -

2.1.2热量的衡算 - 4 -

2.2工艺计算 - 5 -

2.2.1平均温度差计算 - 5 -

2.2.2估算传热面积 - 6 -

2.2.3换热管的选择 - 6 -

2.3.4计算外壳内直径D_i - 6 -

2.3.5画排管图 - 7 -

2.3.6计算实际传热面积S₀和总传热系数： - 8 -

2.3.7折流板直径、数量和尺寸 - 8 -

2.3.8拉杆的直径和数量与定距管得选定 - 8 -

2.3.9筒体壁厚的计算： - 8 -

2.3.10接管管径计算 - 8 -

2.3.11压降计算 - 9 -

2.3.12总传热系数计算 - 11 -

第三章 换热器的结构设计 - 13 -

3.1筒体的设计 - 13 -

3.1.1结构形式 - 13 -

3.1.2强度校核 - 13 -

3.2管箱的设计 - 13 -

3.3封头 - 13 -

3.3.1封头厚度的计算： - 14 -

3.3.2强度校核 - 14 -

3.4法兰的计算分析与选型 - 14 -

3.4.1法兰数据 - 14 -

3.5接管 - 15 -

3.6接管法兰的计算分析与选型 - 15 -

3.6.1接管法兰参数 - 16 -

3.7垫片 - 16 -

3.8管板的计算分析和选型 - 16 -

3.8.1管板分程处面积 - 17 -

3.8.2管板布管区的面积 - 17 -

3.8.3管板布管区其他参数 - 18 -

3.8.4管板计算厚度 - 18 -

3.8.5换热管轴向应力 - 18 -

3.8.6换热管与管板连接的拉脱应力 - 19 -

3.9拉杆 - 19 -

3.10折流板 - 19 -

第四章 强度计算 - 20 -

4.1膨胀节 - 20 -

4.2鞍座 - 21 -

4.2.1鞍座校核 - 23 -

4.3筒体校核 - 23 -

4.4支座横截面处的圆筒的周向应力 - 23 -

第五章 换热器的制造、检验、安装和维修 - 24 -

5.1换热器的制造、检验与验收 - 24 -

5.2筒体 - 24 -

5.3 U型管 - 24 -

5.4其他零件 - 24 -

5.5安装与维护 - 24 -

第六章 经济核算 - 26 -

参考文献 - 27 -

致 谢 - 30 -

第一章 绪论

1.1换热器的发展

我们认识的换热器是通过热传递来实现两种介质之间热交换的一种换热设备，换热器有多种不同的种类如表1- 1。在过程工艺中换热器是一种必需的设备广泛的应用于石油、化工、船舶、冶金、交通、制冷、动力、空调等国防工程以及的国民经济领域中^[1-3]。

表1- 1 换热器的分类

20世纪60年代由于科学技术和工业技术的快速发展，各种类型的换热器的需求急速增加，因此不论是用于工业的大型换热器，还是用于实验室的小型换热器的制造技术都得到了进一步的发展和完善。换热器制造企业也在这一时期得到快速发展，进入21世纪之后，换热器产业的发展也得到了各种水平上的快速提升^[4]。用于航天领域的换热器应用了热管技术，热管技术也是一种特殊的换热器其首先由美国提出，之后欧洲各国也开始对热管进行开发、研究，美国的RCA最先完成热管商品化，随着技术水平的快速提升，热管技术也得到了充分的发展，应用得范围也越来越广泛^[5]。地热技术也是换热器的一种应用，最早的地热应用由英、美两国在20世纪50年代研究其作为家用的热源，直到90年代对地热用才开始形成一套成熟应用的技术^[6]。

1.2换热器的研究现状

换热器虽然有非常多的结构和非常多的使用功能，但是所有换热器具有一样的换热原理。混合式热交换器是流体混合来实现换热的。蓄热式换热器是通过一种特殊的储存热量的蓄热体来达到换热目的的换热器，首先通过加热过的热流体来进行加热蓄热体，再通过冷流体直接触蓄热体来加热冷流体的加热设备，蓄热式换热器有旋转式和阀门切换式，其结构紧凑、造价低廉的换热设备 ^[1,3,5,6]。

1.2.1管壳式换热器

管壳式换热器是一种使用很多的换热设备绝大多数的工厂使用的都是管壳式换热器，而且管壳式换热器的结构非常的简单，制造也很方便，换热的能力也是很强大的，提高管壳式换热器的换热的效率的方法是改变壳程和改变管程，主要是改变支撑物或增加管子外壁的表面积，例如螺旋槽纹管换热器和折流板式换热器；改变管程的方法是增加管内接触面积或增加管内插入物，例如管内插入物换热器。

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