1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 78 页浮头式换热器设计摘要： 换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标以满足工艺过程上的需要。浮头式换热器是应用最广泛的管壳式换热器中的一种.浮头式换热器的两管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮动管板钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。该设计的浮头式换热器主要参照 GB151 在给定的设计条件下进行工艺设计然后对筒体、管束、浮头端，进行详细的机械结构设计、计算和校核对于换热器的一些零部件则
2、根据设计参数查找标准。各设计步骤以及设计准则在说明书中都将说明关键字 : 管板 浮头 浮动管板 钩圈南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 78 页The design of Floating-head heat exchangerAbstract: The main function of heat exchanger is to heat the fluid by the high temperature transfer fluid to a lower temperature, so that the fluid temperature reaches the target
3、 set to meet the needs of the process. Floating head heat exchanger is one kind of the most widely used shell and tube heat exchanger floating head heat exchanger has two platets , only one plate fixed in the shell and the other plate can move freely comparate to shell, as the floating head. Floatin
4、g head consist of floating tube sheet , hook ring and floating head cover, is removable connection, control can be extracted from the shell . Control of thermal deformation and the shell are not binding and therefore does not produce thermal stress. The design of the floating head heat exchanger maj
5、or reference GB151, first make process design in a given design conditions and then on the cylinder, tube, floating head end, a detailed mechanical structural design, calculation and check .for heat exchanger parts find the standard accordance with design parameters. The design steps and design crit
6、eria in the brochure will explain.南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 78 页Key words : tube sheet floating head f loating tube sheet hook ring1 概述11 换热设备在工业中的应用在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为换热过程。传热过程的进行需要一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备。据统计，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的3540,因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应
7、过程中：有的要放热、有的要吸热、要维持反应的连续进行，就必须排除多余的热量或补充所需的热量。工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用，以降低成本。综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 78 页12 换热设备的分类1.2.1 按作用原理或传热方式可分为：（1）直接接触式（2）蓄热式（3）间壁式（4）中间载体式换热器1.2.1.1 直接接触式换热器，如下图所示热流体冷流体热流体冷流体图 1.1其传热的效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间。南华大学机械工程
8、学院毕业设计（论文）第 5 页 共 78 页蓄热式换热器，如下图所示 冷流体冷流体热流体热流体图 1.2其适用于温度较高的场合，但有交叉污染，温度被动大。1.2.1.3 间壁式换热器，又称表面式换热器利用间壁进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。1.2.2 按其工艺用途可分为：冷却器（cooler） 、冷凝器（condenser） 、加热器（一般不发生相变） （heater） 、蒸发器（发生相变） （evaporator） 、再沸器（reboiler） 、废热锅炉（waste heat boiler） 。1.2.3 按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器
9、。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 78 页13 国内外的研究现状上个世纪 70 年代初发生世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。近年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发方面与国外差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热设备使
10、用厂家勇于引进和推广新型高效换热器，为我国的节能事业做出贡献。14 设计方案本设计为浮头式换热器，属于管壳式换热器的一种。管壳式换热器具有可靠性高、适用性广等优点，在各工业领域中的到最为广泛的应用。近年来受到其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化的今天，管壳式换热器仍占主要地位。该设计参考的前提是常减压装置中的工艺条件，根据装置工艺条件选择具体的流量、温度、压力等参数。浮头式换热器的主要特南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 78 页点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在其筒体内自由伸缩，不会产生热应力。但是结构复杂，造价高
11、，制造安装要求高。 浮头式换热器是由管箱、筒体、管板、封头、折流板、换热管等零部件组成，根据换热管材料、尺寸、管数、管程压力、管壁温度、管程数以及壳体材料、内径、厚度、壳程压力、温度等条件下确定管板的厚度、折流板的形状、尺寸与数量、折流板的布置情况和确定换热器的结构尺寸。根据已知的工作状况，选定换热器所在的化工工艺过程，从而根据工艺条件，以确定换热器内介质的物性参数；根据工艺结构尺寸结合已知条件，进一步计算换热器结构参数；最后进行换热器核算。2 浮头换热器工艺设计21 设计任务和工艺条件一、已知设计参数:滑 油 （ 己 烷 ） 流 量 50m3/h， 进 口 温 度 45 ,出 口 温 度40
12、 ,冷 却 水 流 量 54m3/h,进 口 温 度 33 ， 管 程 壳 程 操 作 压 力为 0.45MPa。二 、 换 热 器 类 型 浮 头 式 22 确定设计方案南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 78 页2.2.1 选择换热器 按要求使用浮头式换热器。2.2.2 流程安排 如下图所示，由于循环冷却水较易结垢，若流速太慢将会加快污垢增长速度，使换热器的流量下降，所以综合考虑，使水走管程，滑油走壳程，且选择逆流的形式。图 2.123 确定物性参数2.3.1 计算冷却水出口温度热流量 = qv =8761.95550(45-40)=428145kJ/h1Qpc1t其中，
13、定压比热容 kJkg -1K-11p南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 78 页qm 质量流量 kgh -1 流体的密度 kgm 3假设冷却水出口温度为 35管程流体的定性温度为t=（3335）/2=34循环冷却水在 35的物性参数：密度 =994.3 kg/ 3m定压比热容 c p=4.174 kJ/(kgK)冷却水的温差 = / m=428145/(4.17454994.3)=2()2t1Q2pc故假设基本合理，由管式换热器设计中的总传热系数 K 的经验值取传热系数 K=510W/(K)2.3.2 确定定性参数对于一般滑油和水等低粘度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均
14、值，故壳程滑油的定性温度为T=（4550）/2=42.5 管程流体的定性温度为（即冷却水的温度）南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 78 页t=（3340）/236.5 根据定性温度分别查取管程和壳程流体的有关物性数据，可知：滑油在 42.5下的有关物性数据如下密度 876kg/ 13m定压比热容 =1.955 kJ/(kgK)1pc热导率 =0.144W/(mK)1粘度 =0.21pas循环冷却水在 34的物性数据：密度 994.3kg/23m定压比热容 =4.174kJ/(kgK)2pc热导率 =0.624 W/(mK)2粘度 =0.742 Pas231024 估算换热面积2.4.1 热流量= =8761.95550(50-45)=428145kJ/h=119kw 1Qpcvq1t
