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1、目录一 绪论.1. 换热器发展历史2. 换热器应用方向二 化工原理课程设计任务书 三 设计概述 1换热器的概念及意义.2、管壳式换热器的简介.四 换热器类型.1. 夹套式换热器2. 喷淋式换热器3. 套管式换热器4.管壳式换热器五、换热器设计和选用.1管壳式换热器的设计和选用要考虑的问题2.管壳式换热器的给热系数3.流体通过换热器的阻力损失六 换热器设计和计算 1传热量Q及釜液出口温度T2换热器壳程数及流程.3. 估算传热面积A.4换热器选型 5换热器的核算.七 经验公式 八 设计评述 九 参考文献 一 绪论 机械工程学院 化工设备10-1班 随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生
2、产领域，换热器跟人们生活息息相关。换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。有气体-气体交换，气体-液体交换，液体-液体交换这几种。就是一种介质热能降低，另一种介质热能增多，达到热平衡，符合Q（吸） =Q（放）的热平衡公式。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，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多换热器简介及分类换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应
3、用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。换热器的种类很多，根据不同的工业领域可以选用不同的换热器，可以更大的发挥换热器的传递热量的作用。现在由于人们追求换热器重量轻、占地面积少、使用经济性高，从而推动了紧凑式换热表面的发展，所以紧凑式换热器在实际应用中种类很多。管壳式的换热器在过程工业中的应用很广泛。除了工业中用到的主要换热器种类，如紧凑式换热器、管壳式换热器、再生器和板式换热器外，还有其他特殊的换热器，如双套管、热管、螺旋式、板壳式、夹套式等。换热器根据传递过程分为：间接接触式直接传递式、蓄热式、流化床等。 直接接触式冷却塔。根据流动形式分为：并流、逆流、错流
4、。根据分成情况分类：单程换热器、多程换热器、根据流体的相态分类：气-液换热器、液-液换热器、气-气换热器。根据传热机理分类：冷凝器、蒸发器1.2常见换热器原理及特点 各种换热器的作用、工作原理、结构以及其中工作的流体种类、数量等差别很大，因此几种常见换热器的构造和原理如下： 板式换热器的构造原理、特点：板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低速下能达到湍流
5、状态，获得高的传热效果。并采用特殊结构，保证两种流体介质不会串漏。螺旋板式换热器的构造原理、特点：螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽汽、汽液、液液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。按 结构形式可分为 不可拆式（型）螺旋板式及可拆式（型、型）螺旋 板式换热器。 列管式换热器的构造原理、特点：列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500m2，可根据用户需要定制。 管壳式换热
6、器的构造原理、特点：管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。 容积式换热器的构造原理、特点：自动控温节能型容积式热交换器，它充分利用蒸汽能源、高效、节能，是一种新型热水器。普通热水器一般需要配置水水热交换器来降低蒸汽凝结水温度以便回用。而节能型热交换器凝结水出水温度在45左右，或直接回锅炉房重复使用。这样减少了设备投资，节约热交换器机房面积，从而降低基建造价，因此节能型容积式热交换器深受广大设计、用户单位欢迎。 钢衬铜热交换器比不锈钢热交换器经济，并
7、且技术上有保证。它利用了钢的强度和铜的耐腐蚀性，即保证热交换器能承受一定工作压力，又使热交换器出水质量好。钢壳内衬铜的厚度一般为1.0mm。钢衬铜热交换器必须防止在罐内形成部分真空，因此产品出厂时均设有防真空阀。此阀除非定期检修是绝对不能取消的。部分真空的形成原因可能是排出不当，低水位时从热交换器，或者排水系统不良。水锤或突然的压力降也是造成压负的原因。 浮头式换热器的构造原理、特点：浮头式换热器其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为
8、检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。 管式换热器的构造原理、特点：DLG型列管式换热器利用热传导和热辐射的原理，烟道气通过管程与逆流通过壳程的空气进行能量交换，从而达到输出洁净热空气的目的。该换热器结构紧凑，运行可靠，列管采用耐高温的薄壁波纹管，增加发传热面积和换热效率。广泛应用于化工、制药、轻工等行业废气余热利用和空气加热。热管换热器的构造原理、特点：热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、
9、重量轻体积小、热响应迅速等特点，而且还具有安装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏等特点。 热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（轧）翅片管经清洗并抽成高真空后注入最佳液态工质而成，随注入液态工质的成分和比例不同，分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端受热时管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架
10、的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。 汽水换热器的构造原理、特点：该换热器是在板式换热器的基础上加装降温与降压器而组成的，利用调节器对高蒸汽或高温水进行一级换热使之降之150以下。进入板式换热器进行换热，适用于高温蒸汽及高温水(150以上)。这种装置集板式换热器同时具有降温与降压器的优点。使换热器更加充分地进行热量交换。 空气换热器的构造原理、特点：加热炉窑为了降低能耗，在烟道中设置空气换热器，以回收烟气中的大量余热，达到节约燃料、降低生产成本，提高燃烧温度、增加炉子的产量。空气换热器是余热利用的理想设备，在轧钢加热炉、热处理炉、煅造加热炉等各种工业炉窑上得到广泛应
11、用。炉用空气换热器的种类很多， 目前国内外绝大多数采用的是金属换热器，空气换热器是利用炉窑排出的尾气热量将空气预热至一定的温度后返回炉内助燃或用于其它设备。金属换热器具有体积小、热交换效率高、严密性好、结构简单等特点。 波纹管换热器的构造原理、特点：产品特点一种新型的强化传热节能型高效换热设备，在传统列管式换热器的基础上，采用强化传热技术，是对传统各类换热器的重大突破。公称通径DN3252000mm；公称压力P0.6.4Mpa；换热管规格19,25,32,42.壁厚0.51.0；工作介质水水、汽水、油水、油油等多种换热介质。总传热系数水水K20003500w/；汽水K25004000w/；其它
12、介质视介质物理性能及工况而定。优性能传热效率高，防腐能力好，不污、不堵、不易结垢，无需维护，密封可靠，运行平稳，占地少，节省投资。石墨换热器的构造原理、特点：圆块孔式石墨换热器由柱形不渗透性石墨换热块、石墨上下盖和其间的氟氧橡胶（或柔性石墨）O型圈及金属外壳、压盖等组装而成。是目前较先进、性能较优越的一种石墨换热器。圆柱形石墨换热块有较高的结果强度，并易与解决密封问题；在密封中采用氟橡胶（或柔性石墨）O型圈密封介质，加装压力弹簧作为热胀冷缩的自动补偿，以起到密封保持作用；采用短通道提高紊流程度使设备结构度高、耐温耐压性能强、抗热冲击性能好、体积利用率高、传热效果好并便于装拆检修。设备纵向孔走腐
13、蚀性介质，横向孔走非腐蚀性介质。间壁式换热器的类型包括板式换热器，夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，管壳式换热器。板式换热器是一种结构紧凑，组装方便，占地面积小，传热系数的热交换设备。当雷诺数为200时，就能达到湍流状态，热系数可达4000-7000W/M2，是同等流速的管壳式换热器的3至5倍。设计上是软硬结合的热混合的设计技术，不同的波纹面的孪生软硬板，根据不同的要求，可以组合不同的阻力的流道，从而使传热达到最优化，可实现其经济合理化。其最大的缺点由于组合件是有橡胶密封，承压有极限，不能应用相高压的环境中。由于板片之间交叉成网状结构，要求其运行的介质分子的颗粒要有一
14、定的范围，不然很容易堵塞，由于独特的组合形式，泄露时维修极其方便，更换配件简单，所以大多行业用量较大，例如集中供热行业、轻工、石油、化工食品等多个行业。 管壳式换热器是一种设计复杂制造工艺繁琐的换热设备，在压力容器的制造过程中，必须遵守相应的章程和制度，管板的厚度，壳体的厚度都得符合GB6654-1996和GB713-1997的相应标准，不锈钢的标准符合GB/T4237-2007的水平，换热管的设计也要根据腐蚀程度，抗压能力上做严格的选择。其在运行的过程中流体的相对流向一般有顺流和逆流2种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差
15、分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小管式换热器在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。管式换热器当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收汽化热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。管式换热器在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻
16、，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧黏滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的。污垢层，金属壁的热阻相对较小.管式换热器增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。管式换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件
17、外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀 换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。管式换热器按不同方式不同分类1. 固定管板式。固定管板式换热器的两端管和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，或膨胀节。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点为结构简单、造价低廉、壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净且不易结垢的物料。2. U形管式 。U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点为结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管
18、程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 3. 浮头式。换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点为结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。但就其安装要有一定的空间，占地面积大，使用于寿命较长冶金，焦化等要求热交换率低的场所。换热器技术的发展前景，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。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
19、换热器。新型高效换热器简介1气动喷涂翅片管换热器2焊接式板式换热器3螺旋折流板换热器4新型麻花管换热器Hitan.绕丝花环换热器 而在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在国外二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法
20、制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，而且采用新颖的理念，增加强化传热。70年代中期，为
21、了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。70年代的世界能源危机，有力促进了换热强化技术的发展。为了节能将耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。所以这些年来，换热器的开发和研究成了人们关注的课题。当今换热器技术的发展以CFD（计算流体力学技术）、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理：温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。因此最近十
22、几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程，凝结换热系数很高，但经过强化措施还可以进一步提升换热效率3。换热器的研究目的 任何一种石油、化工产品，都是人们利用一定的生产技术和按照特定的工艺要求，将原料经过一系列的物理或化学加工处理得到的。在生产实践中，要实现某种化工生产就需要有相应的机器和设备。 石油化学等过程工业的绝大数生产过程都是在化工设备这一特定空间内进行的。化工容器及设备是为生产工艺过程服务的，它必须在规定的工艺条件下，在单位时间内，尽可能利用最少的资源，最小的空间生产最多的产品，而且在经济上也是最为合理的。他们的性能，对
23、整个装置的产品产量、生产能力、消耗定额以及“三废”治理和环境保护等方面都有重大影响。随着石油化工装置的大型化和高参数化，开发和应用新型、高效、节能的化工设备，对石油化工生产具有非常重大的意义4。 参考文献 1曹伟.国外新型换热器技术J.机电设备,2000,(2):4647.2方书起,祝春进,等.强化传热技术与新型高效换热器研究进展J.化工机械,2004,(31)4.3马晓驰.国内外新型高效换热器J.化工进展,2001,(20)1. 4矫明,徐宏,等.新型高效换热器发展现状及研究方向J.化工设计通讯,2007,(33)3. 5 宋亚非,姜丽,沈占军各种换热器的原理及应用 J 2010.1二化工原
24、理课程设计任务书一、设计题目：乙二醇冷却器设计 二 设计技术参数 1处理能力：50万吨乙二醇/年2、设备型式：管壳式换热器 3. 、操作条件：1、苯：入口温度120，出口温度105, 操作压力0.6MPa2、冷却介质：甲苯，入口温度25， 出口温度60,操作压力0.3MPa3、允许压强降不大于50kPa。4、每年按330天，每天24小时连续运行。三、设计要求：1，完成换热器工艺设计，结构设计；2、绘制设备条件图；3. 编制设计说明书。四 、设计工作量说明书总页数不少于25-30页 五、课程设计说明书的内容1、目录2、设计题目及原始数据（任务书）3、论述换热器总体结构（换热器型式、主要结构）的选
25、择4、换热器加热过程有关计算（物料衡算、热量衡算、换热器型号、壳体直径等）5、设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）；6、主体设计计算及说明7、主要零件的强度计算（选作）8、附属设备的选择（选作）9、参考文献；10、后记及其它三.设计概述1换热器的概念及意义在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛
26、应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。【表】换热器设计要求序号特别要求1对事故工况的校核2对管箱隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和U形管束固定管板外径延伸，使管板兼作试压法兰时的强度校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形时，终压温度
27、的检测12壳体直线度的检测13氢工况的判别及材料要求 2、管壳式换热器的简介管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1）工作原理：管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体
28、通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。2）主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围大。四换热器结构和类型一. 夹套式换热器结构如图所示。夹套空间是加热介质和冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。当用蒸汽进行加热时，蒸汽上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进
29、入，由上部接管流出。夹套式换热器结构简单，但由于其加热面受容器壁面限制，传热面较小，且传热系数不高。二.喷淋式换热器喷淋式换热器的结构与操作如下图所示。这种换热器多用作冷却器。热流体在管内自下而上流动，冷水由最上面的淋水管流出，均匀地分布在蛇管上，并沿其表面呈膜状自上而下流下，最后流入水槽排出。喷淋式换热器常置于室外空气流通处。冷却水在空气中汽化亦可带走部分热量，增强冷却效果。其优点是便于检修，传热效果较好。缺点是喷淋不易均匀。三.套管式换热器套管式换热器的基本部件由直径不同的直管按同轴线相套组合而成。内管用180的回弯管连接，外管亦需连接，结构如图所示。每一段套管为一程，每程有效长度为46m
30、。若管子太长，管中间会向下弯曲，使环隙中的流体分布不均匀。套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当选择两管的管径，两流体皆可获得适宜的流速，且两流体可作严格逆流。其缺点是管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。四.管壳式换热器1.固定管板式结构如图所示。管子两端与管板的连接方式可用焊接法或胀接法固定。壳体则同管板焊接。从而管束、管板与壳体成为一个不可拆的整体。这就是固定管板式名称的由来。折流板主要是圆缺形与盘环形两种，其结构如图所示。操作时，管壁温度是由管程与壳程流体共同控制的，而壳壁温
31、度只与壳程流体有关，与管程流体无关。管壁与壳壁温度不同，二者线膨胀不同，又因整体是固定结构，必产生热应力。热应力大时可能使管子压弯或把管子从管板处拉脱。所以当热、冷流体间温差超过50时应有减小热应力的措施，称“热补偿”。固定管板式列管换热器常用“膨胀节”结构进行热补偿。图所示的为具有膨胀节的固定管板式换热器，即在壳体上焊接一个横断面带圆弧型的钢环。该膨胀节在受到换热器轴向应力时会发生形变，使壳体伸缩，从而减小热应力。但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体温差较大（大于70）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过6at。为更好地解决热应力问题，在固定管板式的基础上，又发展了浮头式和U型
32、管式列管换热器。2.浮头式结构如图所示。其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由伸缩。这种结构不但完全消除了热应力，而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。浮头式换热式应用较为普遍，但结构复杂，造价较高。3.U型管式如图所示，U型管式换热器每根管子都弯成U型，管子的进出口均安装在同一管板上。封头内用隔板分成两室。这样，管子可以自由伸缩，与壳体无关。这种换热器结构适用于高温和高压场合，其主要不足之处是管内清洗不易，制造困难。五管壳式换热器的设计和选用一.管壳式换热器的设计和选用要考虑的问题（一）冷，热流体流动的通道的选择（二）流动方式的选择（三）换热
33、管规格和排列的选择（四）折流挡板二.管壳式换热器的给热系数三.流体通过换热器的阻力损失3 其它类型换热器一.各种板式换热器1.螺旋板式换热器结构如图所示。其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由伸缩。这种结构不但完全消除了热应力，而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。浮头式换热式应用较为普遍，但结构复杂，造价较高。螺旋板换热器的直径一般在1.6m以内，板宽2001200mm，板厚24mm。两板间的距离由预先焊在板上的定距撑控制，相邻板间的距离为525mm。常用材料为碳钢和不锈钢。螺旋板换热器的优点是：传热系数高：螺旋流道中的流体由于离心惯性力的作
34、用，在较低雷诺数下即可达到湍流（一般在Re=14001800时即为湍流），并且允许采用较高流速（液体2m/s，气体20m/s），所以传热系数较大。如水与水之间的换热，其传热系数可达20003000W/(m2），而列管式换热器一般为10002000W/(m2）。不易结垢和堵塞：由于对每种流体流动都是单通道，流体的速度较高，又有离心惯性力的作用，湍流程度高，流体中悬浮的颗粒不易沉积，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，宜处理悬浮液及粘度较大的流体。能利用低温热源：由于流体流动的流道长和两流体可完全逆流，故可在较小的温差下操作，充分回收低温热源。据有的资料介绍，若流体出口端热、冷流体温差可小至3。结构紧凑
35、：单位体积的传热面积约为列管式的3倍。螺旋板式换热器的主要缺点是：操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超过20at，温度在400以下。不易检修：因常用的螺旋板换热器被焊成一体，一旦损坏，修理很困难。2.平板式换热器平板式换热器（通常为板式换热器）主要由一组冲压出一定凹凸波纹的长方形薄金属板平行排列，以密封及夹紧装置组装于支架上构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可以达到对外密封的目的。操作时要求板间通道冷、热流体相间流动，即一个通道走热流体，其两侧紧邻的流道走冷流体。为此，每块板的四个角上个各开一个圆孔。通过圆孔外设置或不设直圆环形垫片可使每个板间通道只同两个孔相连。板式换热器的组装流
36、程如图（a）所示。由图可见，引入的流体可并联流入一组板间通道，而组与组间又为串联机构。换热板的结构如图（b）所示。板上的凹凸波纹可增大流体的湍流程度，亦可增加板的刚性。波纹的形式有多种，图（b）所示的是人字形波纹板。板式换热器的优点是：传热系数高：因板面上有波纹，在低雷诺数（Re=200左右）下即可达到湍流，而且板片厚度又小，故传热系数大。热水与冷水间换热的传热系数可达15004700W/(m2）。结构紧凑：一般板间距为46mm，单位体积设备可提供的传热面积为2501000m2/m3（列管换热器只有40150m2/m3）。具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。故检修、清洗
37、都比较方便。板式换热器的主要缺点是：操作压强和温度不太高：压强过高容易泄漏，操作压强不宜超过20at。操作温度受垫片材料耐热性能限制，一般不超过250。处理量小：因板间距离仅几毫米，流速又不大，故处理量较小。3.板翅式换热器板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的换热器，应用甚广。板翅式换热器的结构形式很多，但其基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板之间，夹入波纹状或其它形状的金属翅片，并将两侧面封死，即构成一个换热基本单元。将各基本元件进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，即可制成并流、逆流或错流的板束（或称芯部）。其结构如图所示。将带有流体进、出口接管的集流箱焊在板束上，就成为板翅式
38、换热器。我国目前常用的翅片型式有光直型、锯齿形和多孔形翅片三种，如图所示。板翅式换热器的优点是：传热系数高、传热效果好：因翅片在不同程度上促进了湍流并破坏了传热边界层的发展，故传热系数高。空气强制对流给热系数为35350W/(m2），油类强制对流时给热系数为1151750W/(m2）。冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分通过翅片传热（二次传热面），因此提高了传热效果。结构紧凑：单位体积设备提供的传热面积一般能达到25004300m2/m3。轻巧牢固：通常用铝合金制造，板重量轻。在相同的传热面积下，其重量约为列管式换热器的1/10。波形翅片不单是传热面，亦是两板间的支撑，故其强度很高
39、。适应性强、操作范围广：因铝合金的导热系数高，且在0以下操作时，其延伸性和抗拉强度都较高，适用于低温及超低温的场合，故操作范围广。此外，既可用于两种流体的热交换，还可用于多种不同介质在同一设备内的换热，故适应性强。板翅式换热器的缺点是：设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，所以，物料应洁净或预先净制。因隔板和翅片都由薄铝片制成，故要求介质对铝不腐蚀。二.强化管式换热器1.翅片管翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成。常用的翅片有横向和纵向两类，图所示的是工业上广泛应用的几种翅片形式。翅片与管表面的连接应紧密，否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。常用的连接方法有加套、镶钳、张力缠绕和焊接等方
40、法。此外，翅片管也可采用整体轧制、整体铸造和机械加工等方法制造。2.热管热管是60年代中期发展起来的一种新型传热元件。它是在一根抽除不凝性气体的密闭金属管内充以一定量的某种工作液体构成，其结构如图所示。工作液体因在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端放出潜热。冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。冷凝液的回流可以通过不同的方法（如毛细管作用、重力等）来实现。目前常用的方法是将具有毛细结构的吸液芯装在管的内壁上，利用毛细管的作用使冷凝液由冷端回流至热端。热管工作液体可以是氨、水、丙酮、汞等。采用不同液体介质有不同的工作温度范围。热管传导热量的能力很强，为最优导
41、热性能金属的导热能力的103104倍。因充分利用了沸腾及冷凝时给热系数大的特点，通过管外翅片增大传热面，且巧妙地把管内、外流体间的传热转变为两侧管外的传热，使热管成为高效而结构简单、投资少的传热设备。目前，热管换热器已被广泛应七.管壳式换热器的设计和选用的计算步骤设有流量为mh的热流体，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。由此已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力。根据传热速率基本方程：当Q和已知时，要求取传热面积A必须知K和则是由传热面积A的大小和换热器结构决定的。可见，在冷、热流体的流量及进、出口温度皆已知的条件下，选用或设计换热器必须通过
42、试差计算，按以下步骤进行。初选换热器的规格尺寸初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。计算热流量Q及平均传热温差tm，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。计算管、壳程阻力在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。或者先选定流速以确定管程数NP和折流板间距B再计算压力降是否合理。这时NP与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进行计算，直到合理为止。核算总传热系数分别计算管、壳程表面传热系数，确定污
43、垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。如果相差较多，应重新估算。计算传热面积并求裕度根据计算的K计值、热流量Q及平均温度差tm，由总传热速率方程计算传热面积A0，一般应使所选用或设计的实际传热面积AP大于A020%左右为宜。即裕度为20%左右，裕度的计算式为：某有机合成厂的乙二醇车间在节能改造中，为回收系统内第一萃取塔釜液的热量，用其釜液将原料液从25预热至60，原料液及釜液均为乙二醇，甲苯溶液，其操作条件列表如下：表4-18设计条件数据物料流量 kg/h温度 操作压力MPa进口出口乙二醇631311201050.6甲苯4543025 600.3试设计选择适宜的管壳式换热器。解：（1） 传热量Qa. 传热量Q以原料液为基准亦计入5%的热损失，按以下步骤求得传热量Q。平均温度tm=（105+120）/2=112.5分别查得乙二醇、甲苯的物性为：粘度（cp）热导率（W/mc）密度（kg/m3）比热容Cp（kJ/kg）乙二醇甲苯0.130.4950.2650.1321020848.42.931.80以上表中混合物的各物性分别由下式求得：