1、 题目： 空气冷却器设计 学院 机械与汽车工程学院 专业 过程装备与控制工程 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 2011 年 06 月 06 日 毕业设计（论文）任务书 兹发给 07 过控 1 班学生毕业设计（论文）任务书， 内容如下： 1、毕业设计（论文）题目： 空气冷却器的设计 2、 应完成的项目： （ 1）了解换热器在各行业的用途； （ 2）换热器机械计算； （ 3）传热工艺计算； （ 4）画施工图，折合为 3 张以上 0 号图，其中总装图为 0 号图； （ 5）按规定和规范翻译参考文献 5000 汉字，并写毕业论文。 3、参考资料以及说明： （ 1） GB151-99 钢制管壳式
2、换热器国家技术监督局发布 （ 2） GB151-98 钢制管壳式换热器国家技术监督局发布 （ 3） AutoCAD2005 压力容器设计栾春远编著，化学工业出版社 （ 4）过程设备设计郑津洋等著，化学工业出版社 （ 5）化工设备设计手册上下卷 朱有庭 ， 曲文海 ， 于浦义主编 （ 6）机械设计手册，化学工业出版社 （ 7）化工原理上下册，邹华生等主编，华南理工大学出版社 （ 8）压力容器安全技术监察规程 . 国家技术监督局 （ 9）换热器设计 . 上海科学技术出版社， 1987 （ 10）流体力学与传热 . 华南理工大学出版社， 2006 4、本毕业设计 （论文）任务书于年月日发出，应于年月
3、日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 指导教师签发，年月日 教研组（系、研究所）负责人审核，年月 日I 摘要 本文主要围绕空气冷却器，即卧式固定管板式换热器 的设计展开说明，本说明共分五章。 第一章为 绪论 ，主要介绍本设 计课题的选题背景，选题意义以及调研情况，并对本设计的主要工作进行规划。 第二章 为方案论证，对换热器的传热原理进行了简述。并对换热器进行了分类，并对各类换热器作了简短的描述，最后着重介绍了本次设计主题，固定管板式换热器。 第三章为设计论述，对固定管板式换热器的主要部件的设计作了详细的描述，其中包括：管程的设计，筒体的设计与强度校核，折流板的设计，管箱的设计与强度校核，
4、封头的设计与强度校核，管板的设计与强度校核，是否安装膨胀节的判定，鞍式支座的选取与开孔补强的计算。 第四章为结果的汇总与分析，主要将第三章的计算内容进行了汇总并作了补充说明，然后对其他的标准附件进行了选择。 第五章为总结， 总结了本次设计的不足，介绍了换热器在近期的发展与未来的趋势。 关键词 ： 空气冷却器，固定管板式换热器，传热，管板，发展 II Abstract This task is the design of air cooler. Air cooler have another name that is fixed tube heat exchanger. The specific
5、ation of the design contains five chapter. The first chapter is introduction. It introduces the topic of the design background, the significance of the topic and the Fact finding, and the design plan of the main work. The second chapter is demonstration program. Itintroducedthe principleofheat trans
6、ferheat exchanger. And it introducedheat exchangerdifferent types of heat exchange and finally focuses on the theme of fixed plate heat exchanger. The third chapterdiscussesthe designoffixed tubeheat exchanger maincompo nents. It contains: the design of tube side,design andstrength check ofcylinder,
7、 the design ofbaffles, design andstrength check of tube box, design andstrength check of head, design andstrength check of tube plate, to determine whether to install expansion joints, the selection of saddle supports and opening reinforcement calculations. The fourthchapter isa summaryand analysis
8、ofthe results. It mainly summarizes the calculation ofthe thirdchapterand give asupplement. Then it has achoice off other standardaccessories The five chapter is summary. It summarizes the shortcomings of this design, and introduces the future of the heat exchanger. Keyword: Air cooler, Fixed plate
9、heat exchanger, Heat transfer, Tube plate, The future III 目录 摘要 . I Abstract . II 第一章绪论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 选题意义 . 1 1.3 调研情况 . 1 1.3.1 国际资源形式 . 1 1.3.2 国内资源形式 . 2 1.3.3 换热器对于我们的重大意义 . 3 1.4 主要工作 . 4 第二章方案论证 . 5 2.1 传热的基本方式及其机理 . 5 2.1.1 热传导 . 5 2.1.2 对流传热 . 5 2.1.3 辐射传热 . 5 2.2 冷、热流体热量传递方式及换热设备 .
10、6 2.2.1 间壁式传热 . 6 2.2.2 混合式传热 . 6 2.2.3 蓄热式传热 . 7 2.3 列管式换热器 . 7 2.4 固定管板式换热器 . 7 2.5 本章小结 . 9 第三章设计论述 .10 3.1 初始数据与数据处理 .10 3.2 管程的设计 .10 3.2.1 换热管规格与尺寸的选择 .10 3.2.2 排管 .11 IV 3.3 筒体设计 .12 3.3.1 筒体壁厚的确定 .12 3.3.2 筒体强度的校核 .12 3.4 折流板的设计 .14 3.5 管箱的设计与长颈法兰的选择 .15 3.5.1 管箱筒体的设计 .15 3.5.2 长颈法兰的选择 .15 3
11、.5.3 封头的计算 .16 3.6 管板的设计与强度校核 .17 3.6.1 管板的设计 .17 3.6.2 管板厚度的校核 .17 3.7 膨胀节判定 .21 3.8 鞍式支座的选用 .22 3.9 开孔补强的计算 .23 3.9.1壳体管接头处开孔补强 .23 3.9.2封头管接头处开孔补强 .25 3.9.3管箱管接头处开孔补强 .27 3.10 本章小结 .29 第四章结果汇总与分析 .30 4.1 计算结果汇总 .30 4.2 其他附件的设计与选择 .31 4.3 本章小结 .32 第五章总结 .32 5.1 设计中存在的问题 .32 5.1.1 换热管的设计问题 .32 5.1.
12、2 折流板的设计问题 .32 5.1.3 材料选择问题 .33 5.2 换热器的发展前景 .33 5.2.1 新型换热器的发展 .33 5.2.2 近期国内外的研究方向 .34 V 参考文献 .35 附录 .36 附录一符号说明 .36 附录二金属需用应力 .38 附录三折流板或支撑板的最小厚度表 .38 致谢 .39 1 第一章 绪论 1.1 选题背景 空气冷却器在化工生产中，有着广泛的应用，同样也起着重要的作用。它的作用是：冷却或冷凝 。主要 应用于 ： 炼油 、 石油化工塔顶蒸气的冷凝；回流油、塔底油的冷却；各种反应生成物的冷却；循环气体的冷却和电站汽轮机排气的冷凝。 工作压力可达 69
13、 兆帕。但耗电量、噪声和占地面积均大，冷却效果受气候变化影响较大。 采用空冷器可节省大量工业用水，减少环境污染，降低基建费用。特别在缺水地区，以空冷代替水冷，可以缓和水源不足的矛盾。 1.2 选题意义 空气冷却器，是以空气作为冷却剂的换热器。 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 。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门 应用较为广泛的单元设备之一 ，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为 加热器 、冷却器 、 冷凝器 、 蒸发器 和 再沸器 等 应用。据统计，在现代化学工业生产中，换热器的投资大约占设备总投资的 30%，在炼油厂中，换热器占全部
14、工艺设备的 40%左右，海水淡化工艺装置，则全部由换热器组成。能源危机，是现在社会发展，需要重 视的关键问题之一，随着社会的快速发展，尤其是工业革命之后，石油，煤矿等不可再生资源由于巨大的消耗，存量已日益减少，上个世纪 70 年代初发生的世界性能源危机，有力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，则换热器的应用，发展与研究就成为了一个人们所关注的课题。 1.3 调研情况 1.3.1 国际资源形式 工业革命之后，机械化 的 生产与生活走入了人们的生活， 石油、天然气、煤炭 成为了人类社会生存与发展不可或缺的化石原料。但是作为不可再生的资源，随着开采量的日益增大，和储存量的
15、日益减少，能源危机已经是一个讨论越来越热烈的问题。 现代社会在经济、科技、文化等领域快速的发展。 而这个发展 ，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。 自 工业革命之后，机械化 的 生产与生活走入了人们的生活， 石油、天然气、煤炭2 成为了人类社会生存与发展不可或缺的化石原料， 因而它是建筑在化石能源基础之上的一种 发展。 然而，由于这一经济的资源载体将在 21世纪上半叶迅速地接近枯竭。 石油储量的综合估算 ，可支配的化石能源的极限，大约为 11801510 亿吨，以 1995 年世界石油的年开采量 33.2 亿吨计算，石油储量大约在 2050 年左右宣告枯竭。 天然
16、气储备估计在 131800152900 兆立方米。年开采量维持在 2300 兆立方米，将在 5765 年内枯竭。煤的储量约为 5600 亿吨。 1995 年煤炭开采量为 33 亿吨，可以供应 169 年。 铀的年开采量目前为每年 6 万吨，根据 1993 年 世界 能源委员会 的估计可维持到 21 世纪30 年代中期。 核聚变到 2050 年还没有实现的希望。化石能源与原料链条的中断，必将导致 世界经济危机 和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济 。 事实上，近 10 年来，中东及海湾地区与 非洲 的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁。 总之，能源危机迟
17、早会爆发；它的爆发将具有爆炸性 。 1 1.3.2 国内资源形式 国内的能源状况也同样让人堪忧。 从上世纪 70 年代初开始，我国已经经历了三次 大的能源危机 。 由于能源危机，每到冬夏两季用电高峰，各大城市便会出现不同程度的拉闸限电现象，而企业则会出现大面积的开工不足 。 1992 年我国开始成为石油的净进口国，此后不断增加的石油进口量引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重要影响因素 。虽然 2008 年的全球性经济危机已经使石油价格下降了 60%多，但现价仍是同样发生经济危机的 1998 年的近四倍 。 能源是我国国民经济发展中的一个战略问题。长期以来 ,由于能源紧张，严重制约着我
18、国经济的发展，因此能源问题已成为影响我国四个现代化进程的关键问题。 我国目前的能源现状是： 一、 我国人均能源资源不足。总量也有下降。从总体上看，我国的能源资源总量位于世界前列，但因人口众多，人均能源资源不足。不仅如此，总量方面也有一定程度的下降 二、 我国能源资源分布不均。我国煤炭资源的 64% 集中在华北地区，水电资源约 70% 集中在西南地区，而能源消费则集中在东部经济较发达地区。因此，“北煤南运”“西煤东运”“西电东输”的产销格局将长期存在，造成能源输送损失和过大的输送建设。 三 、我国能源种类不均衡，开发难度加大，能源利用率低，能源发展后劲严重不 足。我国能源以煤炭为主，其次是石油、
19、天然气、水电和核能。在能源探明储量中，煤 炭占 94%、石油占 5.4%、天然气占 0.6%，属于富煤、贫油、少气。这种特点决定了 我国能源生产以煤为主的格局长期不会改变。 此外，我国的核能、太阳能、 风能、潮汐能、地热能等新能源和再生能源的开发，与发达国家的差距也很大。 四、 能源领域的供求矛盾日益突出，出现能源紧张。 2003年，全国 21个省市区发 生大面积电荒，进而引发了煤炭、柴油供应紧张，煤、油紧张又加剧了电荒。而 2004 年全国总体电力供需形势更加严峻。归其主要原因有：（ 1）电源建设增长和社会用电 3 增长存在巨大落差；电网结构脆弱、网际调度能力差、电煤紧张。（ 2）高速经济列
20、车拉 紧了弦。经济高增长和重化工业拉动用电需求刚性增长。钢材、建材、有色金属、汽车等行业出现高速增长，盲目投资、低水平重复 建设加剧。高耗能工业成为工业用电增长的主导力量。（ 3）气候原因。高温少水使水力发电的作用受到限制。 五、 我国的能源储备严重不足，而融入世界的步伐却很快。我国至今没有建立起能源预警机制和战略储备系统。我国水能资源和煤炭探明储量人均分别只占世界水平的 55%、 25%，预计到 2030 年，这一数字还将有所下降。而石油、天然气的人均储量更远低于世界水平。我国石油产量不可能大幅度增长，甚至若干年后将逐渐下降。到 2020年，中国石油供应的一大半将依赖国际资源，很容易受到全球
21、原油价格变化的影响。 2 1.3.3 换热器对于我们的重大意义 能源危机的问题，已经严重影响到了人类社会以后的发展，所以传热技术的发展需要被提上日程。为了能降低能耗，同时提高工业生产经济效率，需要开发适用于不同行业与领域的高效率换热器。这是因为随着能源的短缺，可利用的温度越来越低，换热允许的温差越来越小 ，因此，对换热器的发展与换热器技术的提高也就越发的显得重要。 换热器是国民经济与工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现在的新工艺，新科技，新材料的不断开发和能源匮乏引发的问题，世界各国已经将能源的综合利用和重复利用放到了一个非常重要 的位置。目前发达国家的工业热回收率已经达到了 96
22、%，而换热设备占现代设备总量的 30%。我国已经进行了大量的强化传热技术的研究，但是在新型的传热器的应用与开发上还与发达国家有着很大的差距。并且新型换热器的推广方面也十分的有限。我国能源的利用率也是让人堪忧统计数字表明，建国 59 年来，我国的 GDP 增长了 10 多倍，而能源消耗同比增长了 40 多倍 。 2002年度数据显示，我国能源利用效率以单位产值能耗计算相当于美国的 3.36 倍，为日本的 9.3 倍，是世界平均水平的 3.2 倍 。 我国2004 年和 2005 年实际的 一次能源消费弹性系数 1.67，能源消费年均增长率大于 15%。 如果以 10%的增长速率预测，到 2012 年我国一次能源需求就将超过 11.5 1012MJ，是资源和环境都难以承受的 。 而国民节能意识和节能措施的相对落后，国际间高耗能产业的转移和县域经济工业化可能会使得节能与能耗总量的增长比例失调，能源利用效率低成为我国爆发能源危机的关键因素 。 3 随着煤炭、石油、天然气等化石资源的日益减少，能源危机的问题日益的严重，而新型能源的发展却又十分的缓慢。而换热器的普及使用和大力的发展，虽然没法从根本上解决能源问题，但是热量的回收和再利用，减缓了我们能源的消耗，给予我们更多的时间进行新能源的开发，为我们以后的发展起到很大的促进作用。 所以换热器的设计与应用是一项非常重要的课题。
