换热器综述5篇

第一篇：换热器综述

       换热器的综述

       前言

       随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。

       换热器组内的传热过程目的一般可以分为两类: 一类是为了热功转换, 另一类是为了加热或者冷却物体.相应地, 传热过程也包含熵产最小以及火积耗散极大这两种不同的优化原理.通过分析换热器组内的传热过程, 并在一定约束条件下利用不同的原理对换热器组的面积分配进行优化, 得出熵产最小原理适用于包含在热力循环中的换热器优化问题, 而火积耗散极大原理则更适合分析仅涉及传热过程的换热器优化问题.并且, 在使用熵产最小原理优化热力循环中的换热器时, 除了需要考虑冷、热端换热器产生的熵产外, 也应考虑乏汽排放到外部环境引起的熵产.在换热器的设计中，很多因素都将影响到换热器的设计是否优化合理、安全可靠，是否能正常运转、高效耐用。本文通过对管壳式换热器设计的综述，增强对换热器设计环节的重视与考虑，使设计更加准确、完善。

       一、换热器 1.1换热器的介绍

       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。换热器被应用于超过 80%的能源利用系统, 它是热能和化工等工程领域中最重要的设备之一.因此, 提高换热器的换热性能通常被认为是提高能源利用效率的关键因素之一.经过长期的不懈努力,科研人员已经提出了多种不同的主动/被动式强化换热技术来提高换热性能。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，因而均可以通过换热器来完成。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、新材料的换热器不断涌现。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。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。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，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，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。

       换热器的发展已经有近百年的历史，被广泛应用在石油、化、冶金、电力、船舶、集中供热、制冷空调、机械、食品、制药等领域。进入80 年代以来，由于制造技术、材料科学技术的不断进步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能设计和应用越来越引起关注。按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、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。

       目前在发达的工业国家热回收率已达96 % ,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35 %～40 %。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70 %。其余30 %为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。

       管壳式换热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，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面不如其它新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。以下是几种常见的管壳式强化换热器。

       螺旋槽管换热器，横纹管换热器，螺旋扁管换热器，螺旋扭曲管换热器，波纹管换热器，内翅片管换热器，缩放管换热器，波节管管壳式换热器，三维内肋管换热器，管内插入物换热器

       1.2换热器发展前景：

       换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水氯碱醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。

       1.3换热器的工作原理

       换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器

       1.4换热器的维护

       二、管壳式换热器简述 2.1管壳式换热器结构

       管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。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，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。

       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。

       2.2管壳式换热器类型

       由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：

       2.2.1固定管板式换热器 1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件——膨胀节。2）、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。4）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。

       5）膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。

       2.2.2 浮头式换热器 1）、结构特点：一块管板固定，另一块是浮动的与浮头盖用浮头钩圈法兰相连。2）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。3）、缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。4）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。

       2.2.3 Ｕ形管式换热器 1）、结构特点：只有一块管板，换热管呈U形。2）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。3）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。4）、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的 物料。

       2.3影响换热器管板腐蚀的主要因素有：

       （1）介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到60%以上时，腐蚀反而急剧下降；

       （2）杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情况下会引起严重腐蚀

       （3）温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升 10℃，腐蚀速度约增加1~3倍，但也有例外；（4）ph值：一般ph值越小，金属的腐蚀越大；（5）流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大。总结

       随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

       若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要

       在管壳式换热器设计过程中，设计者应当充分了解且熟悉各相关技术规范及计算公式，在对客户要求充分理解的基础上，参考其它成功的设计案例中的设计方式及相关资料，使设计出的产品达到安全、经济、可靠，做到设备长周期安全运行

       三、参考文献

       《换热器》秦叔经、叶文邦等，化学工业出版社（2022）《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室

       《化工原理》天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社.（1999）《过程设备设计》（第二版）化学工业出版社

       GB151-1999，管壳式换热器

       黄伟昌，王玉.管壳式换热器设计要点综述[J].管道技术与设备，2022，（06）.董宝春.管壳式换热器的工艺设计[J].甘肃石油和化工，2022，（03）.陈群.换热器组传热性能的优化原理比较

第二篇：浅论换热器及其发展趋势

       浅论换热器及其发展趋势

       摘要:换热器是工业部门广泛使用的一种设备。为了适应所需，换热器的类型多而复杂，本文根据作用原理和传热方式主要分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热体式换热器进行了简要介绍。间壁式换热器仍是应用最广泛的一类换热器，因此以其一列管式换热器为例概括了换热管的现状和相应的换热器的发展进展。

       关键词：换热器；换热管；现状；发展

       一、换热器介绍

       换热器是一种使热量从热流体传递到冷流体的设备，它在许多工业部门被广泛使用，包括化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等等。其主要功能有两点，一是使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要；二是有效的回收利用预热、废热，特别是低位热能。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，应用相当广泛，自然的，其类型也相当多，若按照作用原理和传热方式则分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热体式换热器。

       1.1 直接接触式换热器

       直接接触式换热器又称混合式换热器，是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等，具体应用有冷却塔、气压冷凝器、气体洗涤器等。

       采用这种换热器，热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多；其结构能适应所规定的工艺操作，运转安全可靠，密封性

       好，清洗、检修方便，流体阻力小。同时价

       格便宜，维护容易，可使用时间长。但明显的缺点就是应用范围小，仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

       1.2蓄热式换热器

       图1-1直接接触式换热器 热式换热器与回热式换热器相对应，是一种应用历蓄史比较久远的换热装置，回热式换热器中两种流体的换热是通过各个位置的固定边界进行的，在稳定运行时换热器的内的温度只与位置有关，而在蓄热式换热器热量的传递都是动态

       ［］的，同时依赖于位置和时间。1在蓄热式换热器中，冷、热流体交替地流过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠构成传热面的物体的热容作用（吸热或放热），实现冷、热流体之问的热交换。蓄热式换热器有受热面回转式和风罩回转式两种：前者是由转子转动使烟气和空气交替冲刷蓄热元件；后者是由风罩转 使烟气和空气交替冲刷蓄热元件。该换热器适用于流量大的气一气热交换场合，如动力、硅酸盐及石油化工等工业 中的余热利用和废热回［］收等方面。2

       蓄热式换热器的优点也很明显，首先是结构紧凑，其次它是由由固体填充物构成的蓄热体作为传热面的，交替地通过同一通道利用蓄热体来吸热和放热，其单位面积传热面大，适用于气-气热交换，如回转式空气预热器。但局限在于不允许两种流体混合。

       图1-3 燃烧室

       图1-2 蓄热式换热器

       1.3 间壁式换热器

       间壁式换热器又称为表面式换热器，利用间壁（固体壁面）进行热交换。是应用最广泛的一类换热器，形式也多种多样，如板式换热器、板翅式换热器、列管换热器三类。相比而言，板式换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便，使用寿命长等特点；板翅式换热器制造工艺要求更为严格，且容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修困难，但其传热性能特别好；列管式换热器又称管壳式换热器，是工业上应用最广泛的换热设备，又分为固定管板式换热器、U形管式换热器、浮头式换热器。管壳 式换热器由一个壳体 和包 含许多 管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。它适应于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。通常管壳式换热器的工作压力可达 4兆帕，工作作温度在 200 ℃ 以下。在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800 ram 以下，管子长度在9m以下，在个别情况下也有更大或更长的。其优于其他两种的特点是结构坚固、可选用的结构材料范围广，故适应性强、操作弹性较大。因此，在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。

       图1-4 管壳式换热器

       间壁式换热器应用广泛，工作坏境多变 且较为恶劣，例如部分间壁式换热器操作压强高达2*105Kpa，温度-250到1500 ℃的范围内变化，某些流体的腐蚀性又特别严重等。每种类型的换热器都有优缺点，选择换热器类型时，要考虑的因素很多，例如材料，压强，温度，温度差，压强降，结垢腐蚀情况，流动状态，传热效果，检修和操作等。对同一种换热器而言，某种情况下使用是好的，而在另外的情况下却不能够令人满意，甚至根本不能用。因此在实际应用中，工作人员需对各种间壁式换热器的优缺点和操作方式了然于胸，最大发［3］挥其优势。

       1.4 中间载热体式换热器

       中间载热体式换热器是将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接，载热体在高温流体换热器和低温流体换热器间循环，从高温流体换热器中吸收热量，向低温流体换热器中释放热量给低温流体。

       图1-5

       热管换热器

       二、换热器的发展

       换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用。近年来，能源与材料费用的不断增长极大地推动了对高效节能换： 热器的研究，作为一种节能设备，换热器不仅是保证加工过程正常运转不可缺少的设备，而且就金属消耗、动力消耗和投资来说，其在整个工程中所占有比例很大。据统计，换热器的投资约占全部设备投资的40%。因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。其内部强化传热主要有两种途径：增大传热面积，但换热器的传热面积不可能无限制地增大，否则投资费用会大大增加，并且随着工业化的进展，设备要紧凑化：提高传热系数，主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。

       2.1 常见换热管的研究现状

       2.1.1 螺旋槽管

       螺旋槽管是种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。根据在光管表面加螺旋槽的类型，螺旋槽管有单头和多头之分，其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角β。，研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前，无论足从传热、流阻、结垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。

       2.1.2 横纹管

       横纹管是一种普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又流经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。2.1.3 管内插入物

       管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为四种：形成旋转流；破坏边界层；中心流体与管壁流体产牛置换作用；产生二次流。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造，以提高其换热性能。在强化传热的同时，能达到清除污垢的目的。2.1.4 内翅片管

       内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热。其丰要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。八十年代初，日立电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片管强

       ［4］化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2.8倍左右。2.1.5 波纹管

       波纹管是将光管加工成波纹形状的翘片，其强化传热机理是：通过改变断面使弧形段内壁处发生两次反向扰动，增加对管内流体的扰动，扩大低热阻区域，以提高传热系数，增强传热效果。具有不易结垢，单位容积传热面积大，耐腐蚀性强，温差应力小等优点。2.1.6 缩放管

       缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道，其强化传热的机理是：在扩张段流体速度降低，静压增大；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在方向反复改变的轴向压力梯度下流动。扩张段产生的漩涡在收缩段被有效地利用，冲刷了流体边界层，便边界层减落实现了强化传热。

       2.2 换热器发展及进展

       长期以来，列管式换热器面临着各种新型换热器的挑战，且某些场合已被一些新型换热器所取代，但是由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于统治地位。例如在日本其产量占全部换热器的70%，产值占60%。由于受到挑战，反过来也促进了它自身的发展。

       ［5］例如在高温、高压领域，已有用它取代蛇管、套骨式换热器的趋势。目前，对高效列管式换热器的研究主要集中在强化管程和壳程两方面，根据以上换热管研究现状针对管程有如下改进。

       2.2.1 螺纹管换热器

       螺纹管是一种优良的高效异形强化传热管件，其结构如图2-1所示，由光滑管在车床上轧制而成，分单头和多头，其强化机理是：产生的边界层分离流使传热边界破坏。目前从传热、流阻、阻垢性能、无相变对流换热、有相变凝结换热等方面对螺纹管的强化传热研究从理论到实际都达到了较高水平。

       图2-1

       螺纹管

       2.2.2 横纹管换热器

       横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，在相同流速下，横纹管比单头螺旋槽管比较，流体阻力稍大但压降较小，传热性能好。我国华南理工大学、沈阳化工学院和辽宁冷热设备制造公司等单位对横纹管进行了研究和应用。如图2-2。

       图2-2 横纹管

       2.2.3 菱形翅片管换热器

       菱形翅片管与螺纹管相比，翘片距更密，传热面积更大，当流体流经菱形翅片表面时，传热边界层在非连续翅片上因受到周期性破坏而减薄，从而提高了冷凝传热系数，是光滑管的6倍。

       2.2.4 波纹管换热器

       波纹管是近10年出现的强化换热管，其结构如图2-3所示，我国第一台波纹管换热器由沈阳市广厦热力设备公司于 20世纪90年代初研制成功。

       图2-3 波纹管

       2.2.5 缩放管换热器

       其结构如图2-4所示。华南理工大学研究认为，缩放管可强化管内外单相流体的传热，45在同等流阻损失下，Re=10-10 范围内，传热管比光管增加70%。缩放管换热器已在空气

       ［6］预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉中广泛使用。

       三、结论

       图2-4

       缩放管

       换热器在近百年来在国民经济的很多领域起着越来越重要的作用，能源与材料费用的不断增长也极大地推动了对高效节能的换热器的研究。而今，换热器的类型已经很多，但缺陷却是大多数换热器所共有的，其内部强化传热途径也相似。对于未来的发展，需要包括以下几个方面：一是器械紧凑化；二是换热高效化——减少热量的散失；三是节能减排；四是理论系统化；五是技术模型化。

       换热器有着极其广泛的应用，在发展上虽然有瓶颈但仍然有很大的需要。

       参考文献

       ［1］Frank W Schmidt, A John Willmott．Thermal energy storage and regeneration［Z］．Washington：Hemisphere Pub.Corp，1981．

       ［2］王维刚.蓄热式换热器的优化设计［J］.化工机械，2022（4）:412-414 ［3］胡学敏.问壁式换热器的分类和应用分析［J］.商品与质量：学术观察，2022（6）：83-83 ［4］任孝平.换热器研究现状以及发展趋势［J］.硅谷.2022(8)：27-27 ［5］陆璐.换热器的研究现状和发展［J］.产业与科技论坛.2022（2）：49-50 ［6］王永红.列管式换热器强化传热研究及发展［J］.低温与超导.2022（5）：53-57

第三篇：列管式换热器

       江西科技师范大学

       食品科学与工程专业《化工原理课程设计》说明书

       题目名称

       列管式换热器的设计

       专业班级

       11级食品科学与工程

       学

       号 20221912 20221878 20221911 学生姓名

       胡利君 吕亚琼 钟翠 指导教师

       常军 博士

       2022 年 11 月 06日

       目录

       1.概述…………………………………………………………………………………1.1设计方案………………………………………………………………………1

       1.1.1设计条件…………………………………………………………………1

       1.1.2选择换热器类型…………………………………………………………1

       1.1.3传热器管程安排…………………………………………………………1.2设计换热器的要求……………………………………………………………2 2.衡算…………………………………………………………………………………2

       2.1传热面积的计算………………………………………………………………2

       2.1.1定性温度的确定…………………………………………………………3

       2.1.2计算平均传热温差………………………………………………………3

       2.1.3初算传热面积……………………………………………………………3

       2.2工艺结构尺寸…………………………………………………………………3

       2.2.1管径和管内流速…………………………………………………………3 2.2.2管程数和传热数管数……………………………………………………3 2.2.3平均传热温差校正及壳程数……………………………………………2.2.4传热管排列和分程方法…………………………………………………4

       2.2.5壳体直径…………………………………………………………………4

       2.2.6折流板……………………………………………………………………4 2.2.7接管………………………………………………………………………2.3换热器核算……………………………………………………………………5 2.3.1传热面积校正……………………………………………………………5 2.3.2壳程传热膜系数…………………………………………………………6 2.3.3污垢热阻和壁管热阻……………………………………………………6 2.3.4换热器内压降得核算……………………………………………………7 3.总结………………………………………………………………………………8 4.附录………………………………………………………………………………9 4.1计算总表………………………………………………………………………9 4.2设备选型表…………………………………………………………………10 5.图纸………………………………………………………………………………11 6.参考文献及资料…………………………………………………………………12

       1.概述 1.1设计方案

       换热器是化工、石油、食品及其他许多部门的通用设备，在生产中常用的一种换热机械装置。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发皿和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间璧式。

       本设计以列管式换热器为模型，以进口温度5℃、出口温度70℃、流量为30m3/h为 设计条件，针对列管式换热器生产过程中最主要的设备部件进行模拟设计和选型，本论文进行工艺设计、主要设备及附件尺寸的设计。

       1.1.1设计条件

       两流体的温度变化情况：热流体进口温度160℃，出口温度105℃；流体进口温度5℃，出口温度70℃。冷流体的流量为30m3/h。

       1.1.2 选择换热器的类型

       列管式换热器可分为固定管板式换热器、浮头式换热器和U型管式换热器。该换热器用饱和水蒸气加热，冬季操作时，其进口温度会降低，故而会加大管壁温度和壳体温度之差，所以温差较大。同时，在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出，因此应选用浮头式换热器。

       1.1.3传热管管程安排

       由于水较易结垢，如果流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；因此，饱和水蒸汽应走壳程，水走管程。

       1.2设计换热器的要求

       （1）合理的实现所规定的工艺条件

       传热量流体的物热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量，其具体做法如下。

       增大传热系数?在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。

       提高平均温差？对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可以提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力，在允许的条件下，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。

       妥善布置传热面？例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动性质，错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片，以增大传热面积，更有利于热量的传递

       （2）安全可靠

       换热器是压力容器，在进行强度，刚度，温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》

       等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要作用

       （3）有利于安装，操作与维修

       直立设备的安全费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯，梁柱的妨碍，根据需要可添置气，液排放口，检查孔与敷设保温层

       （4）经济合理

       评价换热器的最终指标是：在一定的时间内固定费用（设置的购置费和安装费等）与操作费（动力费，清洗费，维修费等）的总和为最小。在设计或选型时如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。

       传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期

       严格的讲，如果孤立的从换热器本身来进行经济核算已确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的

       选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，符合实际需要等原则

       2.衡算

       2.1传热面积的计算

       2.1.1定性温度的确定

       57037.5C 2T1T2160105132.5C

       热流体的定性温度：T22 冷流体的定性温度：Tt1t221附录三水在平均温度37.5C下的有关物性数据由可得

       Cp,c4.174103J/kg.K,992.2kg/m3,653.3106pa.s

       0.635W/(m.K)

       1附录三饱和水蒸汽在平均温度132.5C的有关物性数据由可得

       Cp,h4.266103J/(kg.K),1.650kg/m3,217.8106pa.s

       0.686W/(m.K)

       热负荷（忽略热损失）：

       30992.2QTqm,ccp,c(t2t1)4.174103(705)2.24106W

       3600饱和水蒸汽用量（忽略热损失）：

       qm,hQT2.241069.55kg/s 3cp,ht4.2661055

       2.1.2计算平均传热温差

       t1T1t11055100C t2T2t21607090C

       因为t11002，所以 t290tm逆=t1t21009095C 22

       2.1.3初算传热面积

       由于壳程气体的压力较大，故可选较大的K值。假设K610W/(m2.C)，则可估算传热面积为：

       QT2.24106S估=38.65m2

       Ktm61095

       2.2工艺结构和尺寸

       2.2.1管径和管内流速

       取管内流速u1.8m/s，传热数管数n10

       d4qv430/36000.024m un1.8102由附录二十一查阅可选用33.53.25mm规格的钢管得d0.027m

       根据

       4q430/3600uv21.4m/s

       d0.0272

       2.2.2管程数和传热管数

       4qv430/3600Ns11

       d2u0.02721.4按单程管设计，所需的传热管长度为：

       L S估d0NS38.6533.434

       0.033511

       按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况采用非标准设计，先去传热管长度l8.5m，则该换热管的管程数为：

       L34

       Np4

       l8.5传热管总数： n11444

       2.2.3平均传热温差校正及壳程数

       平均温差校正系数如下：

       pt2t17050.42 T1t11605T1T21601050.85 t2t17051R按单壳程，双管程结构，查参考文献图4-25得t0.943平均传热温差：

       tmttm逆=0.94395=89.585C

       由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较小，故取双壳程合适。

       2.2.4传热管排列和分程方法

       采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

       取管心距pt1.25d0，则pt1.2533.541.87542mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离：

       PZt627mm 各程相邻管的管心距为54mm。

       2.2.5壳体直径

       采用多管程结构，壳体直径可按参考文献式（4-15）估算。取管板利

       2用率，则壳体直径为：

       D1.05Ptn/1.054244/0.75337.78mm

       按卷制壳体的进级档，可取D400mm。

       2.2.6折流板

       采用弓形折流板，取弓形折流板园缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为

       h0.25400100mm

       可取h100mm。

       取折流板间距B0.3D(0.2DBD)，则

       B0.3400120mm

       可取B为120mm。

       折流板数目NB

       传热管长8500-1=-1=69.870

       折流板间距1202.2.7接管

       壳程流体进出口接管：取接管内流体流速ui2.5m/s，则接管内径为：

       D4qvui40.009550.0698m

       2.5圆整后可取管内径为70mm。

       管程流体进出口接管，取接管内流体流速u27m/s，则接管内径为：

       D

       430/36000.389m

       72.3换热器核算

       2.3.1传热面积校正

       管程传热膜系数0.023diRe0.8pr0.4

       管程流体流通截面积

       nSid20.0272441/80.01258m2

       42管程流体流速和雷诺数分别为：

       uiqv30/36000.6624m/s Si0.01258Rediu/0.0270.6624992.227162 6653.310普朗特数：

       4.174103653.3106Pr4.29

       0.635Cpi0.023 diRe0.8Pr0.40.0230.635271620.84.290.43414W/(m2.C)0.027

       2.3.2壳程传热膜系数

       00.36id'eRe00.55Pr(/w)0.14

       13管子按正三角形排列，传热当量直径为：

       4(d'e3223Ptd0)4(0.0422-0.03352)2424==0.025m2

       d00.0335壳程流通截面积：

       s0=BD(1-d033.5)=120400(1-)=9.71410-3m2

       pt42壳程流体流速及其雷诺数分别为： 9.55/1.65u0==60m/s

       0.0097140.027595.81.655 Re0==1.2210-6217.810普朗特数: 4.266103217.810-6Pr0==1.362

       68.210-2粘度校正：

       (/w)0.14=1.05

       10.68250=0.36(1.2210)1.36231.05=7171W/m2.C

       0.025

       2.3.3污垢热阻和管壁热阻

       查参考文献表4-6，管外侧污垢热阻R00,管内侧污垢热阻

       1Ri=0.0002(m2.C)/W，根据我们的清洗方式估计管内污垢热阻变化大概是在

       10％-20％已知管壁厚度b=0.0335m，碳钢在该条件下的热导率为50W/(m.C)。

       总传热系数k：

       dm=0.0225m2

       K111223W/(m2.C)d0Rdbd0.03350.00020.80.03350.03350.033511i00R00.0270.6350.02257171ididdm059270.027

       传热面积校核：

       QT2.24106S'==19m2

       Ktm逆122395换热器的实际传热面积为S: Sd0lNT0.03358.54439m2

       换热器面积裕度为：

       s/s'39/192.05

       传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

       2.3.4换热器内压降得核算

       管程阻力：

       pi(p1p2)NsNpFt

       lui2

       Ns1,Np2 ,P1d21由Re27162，传热管相对粗糙度0.01，查参考文献中Re双对数坐标图得0.038，流速ui1.40m/s，992.2kg/m3，所以：

       8.5992.21.42p10.03811632.3pa

       0.0272992.21.42p2332917pa

       22pi(111632.32917)1141.489623pa ui2管程流体阻力在允许范围内。

       壳程阻力：

       p0(p1'p2')FtNs

       其中Ns1,Ft1

       流体流经管束的阻力：

       p1'Ff0nc(Nb1)u022

       0.2288512200F0.5

       f05Re00.220.35

       nc1.1n1.1447.3

       NB70

       u0595.m8s/

       1.65595.82p1'0.50.357.3(701)265628

       2流体流过折流板缺口的阻力：

       2hu02 p2'NB(3.5)D2其中h0.1m,D0.4m

       1.65595.82p2'70(3.50.5)149987

       2总阻力：p265628149987415615

       3.总结

       经过三个星期的努力，我们的设计终于完成了。也许可能存在很多不足之处，但是看到我们的成果也感到很欣慰。通过这次设计，让我们在各个方面都有很大提高，在设计中经常查找资料提高了我们检索和查阅资料的能力，我们还学会了一些关于设计的基本操作和基本规范，在计算过程中更加仔细和严谨，同时进一步扎实了所学的理论知识，对所学基础知识和专业知识进行了一次综合运用和系统复习，思维方式和设计思想有了进一步提高。因为此次设计由三个人一起完成，所以我们充分运用了团队协作，通过分工合作，培养了我们的团队意识和协作精神，也增进了朋友间的友谊。当然，在这次设计中，我们有很多方面有待加强，比如说没有完全理解设计中的一些问题，还有不会灵活地运用公式。具体有在找饱和水蒸汽热阻时，查了很多资料，没有找到相关数据，所以我们将它假定为零。

       4.参考文献及资料

       (1)王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理第四版M.北京：化学工业出版社，2022(2)申迎华，郝晓刚.化工原理课程设计M.北京：化学工业出版社，2022(3)方书起，魏新利.化工设备课程设计指导M.北京：化学工业出版社，2022

       附录一

       换热器主要结构尺寸和计算结果

       参数 流量

       进(出)口温度/C 定性温度/C

       管程

       30m3/h

       壳程

       3438kg/h 160(105)

       5(70)

       37.5 992.2 5(70)37.5 992.2 4.147

       653.3106

       0.635 4.29 浮头式 1400

       132.5 1.650 160(105)132.5 1.650 4.266

       217.8106

       0.686 1.3652 / / / / /

       /

       /

       壳程

       6.0

       7171

       0.117 密度/kg/m3 进(出)口温度/C

       定性温度/C

       密度/kg/m3

       定压比热容/KJ/kg.C

       黏度/pa.s 热导率/W/m.C

       普朗特数 型号

       壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数目/根

       33.52.5

       8500 44 38.65 4 管程 1.32 5927 0.04036 传热面积/m2

       管程数 主要计算结果 流速m/s 表面传热系数/W(m2.C)

       阻力/Mpa

       污垢热阻/(m2.C)/W

       热流量/kw

       0.0002

       0

       2.24106

       1001 2.05 1 1 32 正三角形 70 120 碳钢 传热温差/C 传热系数/W/m2.C

       裕度/％ 壳程数 台数

       管心距/mm

       管子排列 折流板数/个

       折流板间距/mm

       材质

       附录2 设备选型表

       序号 名称 1 折流板 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

       规格

       长280mm 33.53.25mm型号

       PSJJ7A132-0-4 定距管 壳体 封头 接管 接管 螺母 法兰 支座 垫片 传热管 拉杆1 拉杆2 顶丝 螺柱 管板 管板

       厚2.5mm DN1100mm 702.5mm 401.5mm M20 RF 550-2.5

       数量 生产厂家 8 石家庄蓝宝机械制造有限

       公司

       GB/14976-1994 265 上海斯普热能技术有限公

       司

       Q235-A 1 淄博泰勒换热设备有限公

       司

       Q235-A 2 阿里巴巴-佛山市顺德区佛

       茂钢材贸易有限公司

       BR01-A 2 上海化工装备有限公司 BR006 GB6170-92 HG20615 156 2 1 2

       上海化工装备有限公司 沙河市四方紧固件制造有

       限公司

       武汉威孚热工技术有限公司

       河北同力自控阀门制造有限公司

       西安捷安达换热设备厂 山东省聊城市首发金属制品有限公司

       河北沧州上浦电器设备有限公司

       河北沧州上浦电器设备有限公司

       山东宏达科技集团有限公司

       沙河市四方紧固件制造有限公司

       澳昭美金属材料有限公司 澳昭美金属材料有限公司 广州市柯凌自控阀门有限公司

       安徽德仪仪器仪表有限公司公司 耳式支座B2 JB1165-732 25mm 252.5mm 25mm 25mm

       JB-T4704-2000

       GB/T8162-1999 265 PSJJ7A1.32-0-5 4 PSJJ7A1.32-0-7 3 GB85-88 JB-T4707-2000 72 M20

       PSJJ7A1.32-0-2 1 PSJJ7A1.32-0-6 1

       PN-YFQ-025S 1 折流挡双弓型 板

       压力泵

第四篇：换热器论文

       09无机非（1）

       材料工程基础论文

       管壳式换热器论文

       摘要;本文主要介绍管壳式换热器。并分析其特点。关键词：管壳式换热器、传热管束、管板、折流板

       正文：管壳式换热器由壳体、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，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。管壳式换热器

       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。

       类型：由于管内外流体的温度不同，因此换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50 ℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所

       09无机非（1）

       材料工程基础论文

       采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：

       ① 固定管板式换热器 管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。

       ② 浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。

       ③ U型管换热器 每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。

       非金属材料换热器 化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用

       09无机非（1）

       材料工程基础论文

       陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。这类换热器的换热性能较差，只用于压力低、振动小、温度较低的场合。

       流道的选择

       进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。

       操作强化

       当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间的换热），应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小，可采用外螺纹管（低翅片管），以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。

       管壳式换热器-shell and tube heat exchanger 由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。

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       材料工程基础论文

       为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/(m2〃℃)〕;用水冷却气体时，为10～280W/(m2〃℃)；用水冷凝水蒸汽时，为570～4000W/(m2〃℃)。

       分类

       管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。前 3种应用比较普遍。

       固定管板式换热器

       它是管壳式换热器的基本结构形式。管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。这一点在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场合下

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       材料工程基础论文

       采用。固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，因此要求壳程流体不易结垢。

       浮头式换热器

       浮头式换热器的结构为管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。由于壳体和管束间没有相互约束，即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽出用机械方法清洗管间或更换管束。但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价高。

       U型管式换热器 一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束。管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱即可直接将管束抽出，便于清洗管间。管束的U形端不加固定，可自由伸缩，故它适用于两流体温差较大的场合；又因其构造较浮头式换热器简单，只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，也适用于高压流体的换热。但管子有U形部分，管内清洗较直管困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。管束中心的管子被外层管子遮盖，损坏时难以更换。相同直径的壳体内，U形管的排列数目较直管少，相应的传热面积也较小。

       双重管式换热器

       将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器。管程流体从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底

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       部，然后返向，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热。但管程流体的阻力较大，设备造价较高。

       填函式换热器

       填函式换热器的结构，管束一端与壳体之间用填料密封。管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。

       双管板换热器管子两端分别连接在两块管板上，两块管板之间留有一定的空间，并装设开孔接管。当管子与一侧管板的连接处发生泄漏时，漏入的流体在此空间内收集起来，通过接管引出，因此可保证壳程流体和管程流体不致相互串漏和污染。双管板换热器主要用于严格要求参与换热的两流体不互相串漏的场合，但造价比固定管板式换热器高。

       特点

       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。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

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       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，管外流体湍动程度高，传热分系数大；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。

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       参考文献：1.http://.xiexiebang.com/100k/read.php?tid=3280 3.江南 易宏 甑亮 岑汉钊.管壳式换热器壳程强化传热 研究进展.化肥工业 1998 25 6 : 27 321

       4.罗运禄 谭志明 崔乃英 张绣云.氮肥厂换热设备的强 化改造.化肥工业 2 : 21 251

第五篇：换热器基本知识

       一、换热器的结构型式有哪些？

       换热器是很多工业部门广泛应用的一种常见设备，通过这种设备进行热量的传递，以满足生产工艺的需要。可按用途、换热方式、结构型式三种不同的方法进行分类。按结构型式分类如下：

       换热器分为管式换热器、板式换热器、新型材料换热器和其他型式的换热器。

       管式换热器又分为：套管式换热器、管壳式换热器、沉浸式换热器、喷淋式换热器和翅片管式换热器。

       板式换热器又分为：夹套式换热器、平板式换热器、伞板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器。

       新型材料换热器分为：石墨换热器、聚四氟乙烯换热器、玻璃换热器和钛材及其他稀有金属材料换热器。

       其他形式的换热器包括回转式换热器和热管。

       二、换热器管为什么会结垢？如何除垢？

       因为换热器大多是以水为载热体的换热系统，由于某些盐类在温度升高时从水中结晶析出，附着于换热管表面，形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂，当水的PH值较高时，也可导致水垢析出。初期形成的水垢比较松软，但随着垢层的生成，传热条件恶化，水垢中的结晶水逐渐失去，垢层即变硬，并牢固地附着于换热管表面上。

       此外，如同水垢一样，当换热器的工作条件适合溶液析出晶体时，换热管表面上即可积附由物料结晶形成的垢层；当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速又较小时，部分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积，形成疏松、多孔或胶状污垢。

       换热器管束除垢的方法主要有下列三种。

       一、手工或机械方法

       当管束有轻微堵塞和积垢时，借助于铲削、钢丝刷等手工或机械方法来进行清理，并用压缩空气，高压水和蒸汽等配合吹洗。当管子结垢比较严重或全部堵死时，可用管式冲水钻（又称为捅管机）进行清理。

       二、冲洗法

       冲洗法有两种。第一种是逆流冲洗，一般是在运动过程中，或短时间停车时采用，可以不拆开装置，但在设备上要预先设置逆流副线，当结垢情况并不严重时采用此法较为有效。

       第二种方法是高压水枪冲洗法。对不同的换热器采用不同的旋转水枪头，可以是刚性的，也可以是绕性的，压力从10MPa至200ＭＰa自由调节。利用高压水除污垢，无论对管间、管内及壳体均适用。高压水枪冲洗换热器效果较好。应用广泛。

       三、化学除垢

       换热器管程结垢，主要是因为水质不好形成水垢及油垢的结焦沉淀和粘附两种形式，用化学法除垢，首先应对结垢物质化验分析，搞清结垢物性质，就可以决定采用哪种溶剂清洗。一般对硫酸盐和硅酸盐水垢采用碱洗（纯碱、烧碱、磷酸三钠等），碳酸盐水垢则用酸洗（盐酸、硝酸、磷酸、氟氢酸等）。对油垢结焦可用氢氧化钠、碳酸钠、洗衣粉、液体洗涤剂、硅酸钠和水按一定的配比配成清洗液进行清洗。采用化学清洗的办法，现场需要重新配管，比较花费时间。

       三、管壳式换热器管子与管板的连接方法有哪几种？如何选择？

       根据换热器使用条件、加工条件的不同，基本可分为胀接、焊接、胀焊并用三大类。

       其中胀接又可分为：机械胀管、液压胀管、液袋胀管、橡胶胀管、爆炸胀管、脉冲胀管、粘胀等。

       焊接分为：普通焊接、内孔焊接、高频焊接、摩擦焊接、钎焊和爆炸焊接。

       胀焊并用分为：强度焊 贴胀、强度焊 强度胀、强度胀 密封焊、强度胀 贴胀 密封焊、强度焊 强度胀 贴胀。

       换热器进行水压试验和气密试验的基本原则如下：

       （1）液压试验时，圆筒的薄膜应力不得超过试验温度下材料屈服点的90%；在气压试验时，此应力不得超过试验温度下材料屈服点的80%；

       （2）制造完工的换热器应按GB150“钢制焊接压力容器技术标准”的规定进行压力试验；

       （3）换热器需经水压试验合格后方可进行气密性试验；

       （4）压力试验必须用两个量程相同的并经过校正的压力表。压力表的量程在试验的2倍左右为宜，但不应低于1.5倍和高于4倍的试验压力；

       （5）换热器的开孔补强圈应在压力试验以前通入0.4~0.5Mpa的压缩空气检查焊缝质量；

       （6）水压试验和气密性试验的试验介质、试验温度、试验方法要严格按照容器压力试验的有关规定进行；

       （7）换热压力容器液压试验程序应按GB151规定进行；

       （8）水压试验和空密性试验在确认无泄漏后，应保压30min。

       四、换热器泄漏后如何进行试漏检查？怎样进行堵管？

       一、试漏检查

       为了查明管子的泄漏情况，首先要作水压试验，一般均采用在管子外侧加压力的外压试验。其方法是：把水通入壳体，保持一定时间，用目测检查两端管板处管子的泄漏情况，对漏管做出记录。

       二、堵管

       管子本身的泄漏一般情况下是无法修复的，假如泄漏管子的数量不多时，可以用圆锥形的金属堵头将管口两端堵塞，如管程压力较高时，堵紧后再焊住更可靠。堵头的长度一般为管内径的2倍，小端直径应等于0.85倍的内径，锥度为1:10，堵头材料的硬度应低于或等于管子的硬度。用堵管来消除泄漏时堵管数不得超过10%。

       五、换热器腐蚀的主要部位是哪些？为什么会发生腐蚀？

       换热器腐蚀的主要部位是换热管、管子与管板连接处、管子与折流板交界处、壳体等。腐蚀原因如下：

       一、换热管腐蚀

       由于介质中污垢、水垢以及入口介质的涡流磨损易使管子产生腐蚀，特别是在管子入口端的40~50mm处的管端腐蚀，这主要是由于流体在死角处产生涡流扰动有关。

       二、管子与管板、折流板连接处的腐蚀

       换热管与管板连接部位及管子与折流板交界处都有应力集中，容易在胀管部位出现裂纹，当管与管板存在间隙时，易产生Cl 的聚积及氧的浓差，从而容易在换热管表面形成点坑或间隙腐蚀使它成为SCC的裂源。管子与折流板交界处的破裂，往往是由于管子长，折流板多，管子稍有弯曲，容易造成管壁与折流板处产生局部应力集中，加之间隙的存在，故其交界处成为应力腐蚀的薄弱环节。

       三、壳体腐蚀

       由于壳体及附件的焊缝质量不好也易发生腐蚀，当壳体介质为电解质，壳体材料为碳钢，管束用折流板为铜合金时，易产生电化学腐蚀，把壳体腐蚀穿孔。

       管壳式换热器的检修内容是：

       一、小修内容

       1）拆卸换热器两端封头或管箱；

       2）清洗、清扫管子内表面和壳体异物。并检查换热器两端盖、管箱的腐蚀、锈蚀、裂纹、砂眼等缺陷；

       3）对管束和壳体进行试压和试漏；

       4）检查螺栓及保温、防腐；

       5）进行局部测厚。

       二、中修内容

       1）包括小修内容；

       2）抽出管束清理、清扫、清洗，并检查换热管的变形和弯曲情况；

       3）检查隔板和折流板及拉杆螺栓的腐蚀情况；

       4）检查换热器各密封面情况，表面不应有划痕、凹坑和点蚀。

       三、大修内容

       1）包括中、小修内容；

       2）全面检查换热器的运行情况，并对管板与管子焊接处进行着色检验。管壳式换热器日常维护的内容

       管壳式换热器日常维护和监测应观察和调整好以下循环水的工艺指标。

       一、温度

       温度是换热器运行中的主要控制指标，从换热器进出口流体温度变化的情况可分析换热器的换热效果，判断换热器传热效率的高低，主要在传热系数上，传热系数低其效率也低，由进出口的温度可决定对换热器进行检查和清洗。

       二、压力

       换热器列管若干结垢严重，则阻力增大，所以日常要对换热器的进出口压差进行测定和检验，特别对高压流体的换热器更要特别重视，如果列管泄露，高压流体一定向低压侧泄漏，造成低压侧压力上升较快，甚至超压。所以必须解体检修或堵管。

       三、振动

       换热器内部的流体流速一般较高，由于流体的脉冲和流动都会造成换热管的振动，或者整个设备振动，但最危险的是工艺开车过程中，提压或加负荷较快，很容易引起换热管振动，特别是在隔板处，管子振动的频率较高，容易把管切断，造成断管泄漏，遇到这种情况必须停机解体检查，检修换热器。

       固定管板式换热器有哪几部分组成？结构特点是什么？浮头式换热器的浮头有几种形式？

       固定管板式换热器主要由外壳、封头、管板、管束折流板或支撑板等部件组成。

       其结构特点是：在壳体中设置有平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳体的进出管直接焊接在壳体上，装有进口或出口管的封头管箱用螺栓与外壳两管板紧固。管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器，管程可以用隔板分成任何程数。

       浮头换热器的浮头常用的有两种形式。第一种是靠夹钳形半环和若干个压紧螺钉使浮头盖和活动管板密封结合起来，保证管内和管间互不渗漏。第二种是使浮头盖法兰直接和勾圈法兰用螺栓紧固，使浮头盖法兰和活动管板密封贴合，虽然减少了管束的有效传热面积，但密封性可靠，整体也较紧凑。

       板式换热器的工作原理是什么？有何特点？

       板式换热器是由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道，换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。

       其特点：（1）体积小，占地面积少；（2）传热效率高；（3）组装灵活；（4）金属消耗量低；（5）热损失小；（6）拆卸、清洗、检修方便；（7）板式换热器缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150ºC，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。

       六、板式换热器有哪几部分组成？有什么作用？

       板式换热器主要由传热板片、密封垫片、两端压板、固定封头、活动封头（头盖）、夹紧螺栓、支架、进出管等组成。

       各部件作用如下：

       一、传热板片

       传热板片是换热器主要起换热作用的元件，一般波纹做成人字形，按照流体介质的不同，传热板片的材质也不一样，大多采用不锈钢和钛材制作而成。

       二、密封垫片

       板式换热器的密封垫片主要是在换热板片之间起密封作用。板式换热器的泄漏多是因为密封垫片压错位或者老化引起的。

       三、两端压板

       两端压板主要是夹紧压住所有的传热板片，保证流体介质不泄漏。

       四、夹紧螺栓

       夹紧螺栓主要是起紧固封头和换热板片的作用。夹紧螺栓一般是通扣螺纹，预紧螺栓时，一定用力矩扳手，使固定板片的力矩均匀。

       五、挂架

       主要是支承换热板片，使其拆卸、清洗、组装等方便。

       板式换热器中、大修的内容有哪些？

       板式换热器中修的内容是：

       （1）拆除进出管清洗杂物；

       （2）检查进出管的橡胶内衬，不应有裂纹和破坏；

       （3）检查测量螺栓预紧力和板片总体尺寸。

       板式换热器大修的内容是：

       （1）包括中修内容；

       （2）如换热器结垢，应解体清洗，或者另行配管在线化学清洗；

       （3）用放大镜检查密封垫片的弹性和压缩变形情况，必要时可以更换；

       （4）检查传热板片变形情况；

       （5）检查传热板片有无腐蚀、穿孔等缺陷；

       （6）重新组装，压紧螺栓；

       （7）试压；

       （8）复位。

       板式换热器的拆装程序如下：

       （1）板式换热器拆卸前，首先测量板束的压紧长度尺寸，做好记录（重装时应按此尺寸）；

       （2）拆下夹紧螺栓和全部换热片；

       （3）取下各板片上的密封垫片，为防止用螺丝刀刺破板片，可采取液氮急冷法，使橡胶板条急冷变形，然后撕下；

       （4）清理密封槽内的残余粘结剂，清洗板片上的污垢；

       （5）用灯光或渗透法检查传热板片有无裂纹或穿孔。检查板片上是否有凹坑或变形；

       （6）修复或更换损坏的板片；

       （7）重新组装。组装前首先用丙酮清洗密封槽，并用401号粘结剂，水平位置粘好密封条；

       （8）粘好密封条的板片，每50片一组，用20~30mm的钢板压紧，在周围环境温度为30~35ºC的范围内固化24h，可以挂片；

       （9）挂片完毕，轻挂两端压盖，并穿固定螺栓；

       （10）用力矩扳手均匀地拧紧螺栓；

       （11）测量组装压紧后板片的总长度；

       （12）装进出口内衬套；

       （13）整体试压。首先将板片一侧的流体通道的入口管盲死，装满水，然后在板片另一侧的工作介质通道出口管上加一带放气短管的盲板，在试压侧装上压力表。充满水后用手压泵加压，为操作压力的1.5倍，并保持30min，压力无下降即可连接外管。

       板式换热器泄漏主要由以下原因造成：

       （1）换热板片腐蚀穿透；

       （2）换热板片有裂纹；

       （3）夹紧螺栓紧固不均匀；

       （4）换热板片变形太大；

       （5）密封垫片断裂或老化；

       （6）密封垫片厚度不均；

       （7）密封垫片压偏。

       板式换热器与列管式换热器比较有什么优点？

       （1）体积小，占地面积少。板式换热器占地面积为同样换热能力的列管式换热器的30%左右。

       （2）传热效率高。传热系数可达16700KJ/（m2*h*ºC）[4000kcal/(m2*h*ºC)],较之列管换热器高2~4倍。

       （3）组装方便。当增加换热泪盈眶面积时，只需多装板片，进出口方位不需变动。

       （4）金属消耗量低；

       （5）拆卸、清洗、检修方便，不易结垢。