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化工原理课程设计换热器概述换热器概述 一、定义一、定义 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备换热器是用来完成各种不同传热过程的设备 1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等2、、是是许许多多工工业业部部门门广广泛泛应应用用的的通通用用工工艺艺设设备备通通常常，，在在化化工工厂厂的的建建设设中中，，换换热热器器约约占总投资的占总投资的11％～％～ 40％％ 那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？3.3.可靠性可靠性满满足足操操作作条条件件 ,强强度度足足够够,保保证证使使用用寿寿命命二、衡量标准二、衡量标准 2.合理性合理性 1.1.先进性先进性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 传热效率高，流体阻力小，材料省传热效率高，流体阻力小，材料省 三、不同目的的换热器三、不同目的的换热器 冷却器（冷却器（cooler））冷凝器（冷凝器（condenser））蒸发器（发生相变）（蒸发器（发生相变）（evaporator））加热器（一般不发生相变）（加热器（一般不发生相变）（heater））再沸器（再沸器（reboiler）） 废热锅炉（废热锅炉（waste heat boiler）） 四、换热器的基本类型四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类按传热方式或工作原理分类1、直接接触式、直接接触式传热效果好，但不能传热效果好，但不能用于发生反应或有影用于发生反应或有影响的流体之间响的流体之间图图1 直接接触式换热器　直接接触式换热器　热流体热流体冷流体冷流体热流体热流体冷流体冷流体2、间壁式、间壁式重点重点————又称表面式换热器又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。

利用间壁（固体壁面）进行热交换冷热两种流体隔开，互不接触，热量冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体由热流体通过间壁传递给冷流体应用最为广泛，形式多种多样，应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等如管壳式换热器、板式换热器等对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)管壳式管壳式(1)管式管式(2)紧凑式紧凑式螺旋板式、板式、板螺旋板式、板式、板翅、伞板等翅、伞板等排管、蛇管、套管排管、蛇管、套管重点重点下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构管壳式换热器管壳式换热器 固定管板式换热器固定管板式换热器 浮头式换热器浮头式换热器U形管式换热器形管式换热器五、管壳式换热器的分类五、管壳式换热器的分类 基本类型基本类型（一）固定管板式换热器（一）固定管板式换热器优点：优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管结构简单、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程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换缺点：缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。

热应力图图7-4　固定管板式换热器　固定管板式换热器为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差图图7-5　带膨胀节的固定管板式换热器　带膨胀节的固定管板式换热器适适用用场场合合：：适适用用于于壳壳程程介介质质清清洁洁，，不不易易结结垢垢，，管管程程需需清清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合（二）浮头式换热器（二）浮头式换热器优点：优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力管内和管间清洗方便，不会产生热应力缺点：缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在 操作中无法检查操作中无法检查适用场合：适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合结垢的场合图图7-6　浮头式换热器　浮头式换热器（三）（三）U形管式换热器形管式换热器图图7-8　　U型管式换热器型管式换热器优点：优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。

结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力缺点：缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换适用场合：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 性大的物料性大的物料U形管式换热器形管式换热器U形管式换热器形管式换热器（一）工艺计算（一）工艺计算 六、管壳式换热器设计内容六、管壳式换热器设计内容 选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数程数 二）机械设计（二）机械设计 1）壳体直径的决定）壳体直径的决定2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；）折流板的选择与计算；5）温差应力计算）温差应力计算第二节第二节 管子的选用及其与管板的连接管子的选用及其与管板的连接一、管子的选用一、管子的选用 （一）直径（一）直径 粘性大或污浊的流体粘性大或污浊的流体大管径大管径单位体积传热面积增大、单位体积传热面积增大、结构紧凑、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体用于较清洁的流体小管径小管径（二）规格（二）规格 （外径（外径×壁厚），长度按规定决定壁厚），长度按规定决定 换热管尺寸换热管尺寸φ19×2、和无缝钢管、和无缝钢管φ25×2和不锈钢管和不锈钢管标准管长、、、、、等标准管长、、、、、等（三）结构型式（三）结构型式 换热管型式换热管型式光管光管强化传热管强化传热管螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）翅片管（在给热系数低侧）   多用光管，因为结构简单，制造容易，多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。

为强化传热，也采用强化传热管二、管子与管板的连接二、管子与管板的连接 （一）胀接（一）胀接 利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的 图图7-14 胀管前后示意图胀管前后示意图（（a）胀管前）胀管前（（b）胀管后）胀管后 液压液压胀管器胀管器液压胀接液压胀接 机械胀接机械胀接 适适用用范范围围：：换换热热管管为为碳碳素素钢钢，，管管板板为为碳碳素素钢钢或或低低合合金金钢钢，，设设计计压压力力≤4MPa，，设设计计温温度度≤300℃，，且且无特殊要求的场合无特殊要求的场合原原因因：：温温度度升升高高，，残残余余应应力力减减小小，，使使管管子子与与管管板板间间的的胀胀接接密密封封性性能能、、紧紧固固性性能能都都下下降降，，故故设设计计温温度度≤300℃ 要要求求管管板板硬硬度度大大于于管管子子硬硬度度，，否否则则将将管管端端退退火火后再胀接。

后再胀接胀胀接接时时管管板板上上的的孔孔可可以以是是光光孔孔，，也也可可开开槽槽(开开槽槽可以增加连接强度和紧密性可以增加连接强度和紧密性)（二）焊接（二）焊接 优优点点：：在在高高温温高高压压条条件件下下，，焊焊接接连连接接能能保保持持连连接接的的紧紧密密性性，，管管板板加加工工要要求求可可降降低低，，节节省省孔孔的的加加工工工工时时，，工工艺艺较较胀胀接接简简单单，，压压力力较较低低时时可可使使用较薄的管板用较薄的管板缺点：缺点：在焊接接头处产生的在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀 图图7-16 焊接间隙示意图焊接间隙示意图管板管板间隙间隙换热管换热管第三节第三节 管板结构管板结构一、换热管排列方式一、换热管排列方式 三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排排10%10%左右，同一体积传热面积更大适用于壳程介质污左右，同一体积传热面积更大适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。

垢少，且不需要进行机械清洗的场合 （一）正三角形和转角正三角形排列（一）正三角形和转角正三角形排列 图图7-18 正三角形排列的管子正三角形排列的管子流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正三角形排列正三角形排列转角正三角形排列转角正三角形排列二、管间距二、管间距 （一）定义（一）定义（二）要求（二）要求 管间距指两相邻换热管中心的距离管间距指两相邻换热管中心的距离 管间距管间距≥0，符合表，符合表7-5规定，便于管子与管规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量管子间距离太近，那么都会影响连接质量最外层管壁与壳壁之间的距离为最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主，主要是为折流板易于加工，不易损坏要是为折流板易于加工，不易损坏表表7-1 常用换热管中心距常用换热管中心距/mm换热管外径换热管外径do1214192532384557换热管中心距换热管中心距1619253240485772 最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于[(换换热管外径的一半热管外径的一半)＋＋10mm]。

三、管程的分程及管板与隔板的连接三、管程的分程及管板与隔板的连接 当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体长度此时，为了增加管程流速，提高就得增大壳体长度此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子，传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子，就得增大壳体直径，排列较多的管子就得增大壳体直径，排列较多的管子 （一）分程原因（一）分程原因 （二）分程原则（二）分程原则 （三）分程隔板（三）分程隔板 图图7-21 双层隔板与管板的密封双层隔板与管板的密封 ①①各程换热管数应大致相等；各程换热管数应大致相等； ②②相邻程间平均壁温差一般不应超过相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；； ③③各程间的密封长度应最短；各程间的密封长度应最短； ④④分程隔板的形状应简单分程隔板的形状应简单图图7-22 单层隔板与管板的密封单层隔板与管板的密封隔板隔板管板管板封头封头隔板隔板管板管板（四）分程方式（四）分程方式 表表7－－2　管程布置表　管程布置表可拆式可拆式 浮头式、浮头式、U型管式及填型管式及填料函式换热器固定端管料函式换热器固定端管板与壳体的连接板与壳体的连接图图7-25 管板与壳体可拆连接管板与壳体可拆连接五、管板与壳体的连接结构五、管板与壳体的连接结构 •处理量: (110000+学号后三位×1000) Kg／h ，•甲苯从110℃－60 ℃•循环水入口温度：？－？ ℃•甲苯压力：•循环水压力：换热器的设计任务设计方案的设计•1、换热器类型的选择• 固定管板式换热器 • 浮头式换热器• U型管换热器确定物性数据•壳程有机气体的定性温度为：• T＝ •管程流体的定性温度为：•t＝？根据定性温度查出甲苯和水物性•密度•定压必热容•导热系数•粘度计算总传热系数工艺结构尺寸换热器核算其它附件计算 1）壁温计算 2）折流板高度 3）接管 4）防冲挡板 5）管心距等完成说明书一份    要求：打印，左侧两钉装订,封面自行设计，建议采用学校论文封面（更改题目）               2.格式（字体、字号，段落等采用论文要求），但不需要中英文摘要、前言、致谢等。

               3.所采用的必要数据和公式必须按文章出现的先后顺标出出处，并将文献按格式要求例到最后的参考文献中完成设备图一份（A3）     要求：必须包含化工制图的基本要素及基本要求时间：在第七周的周三之前以班级为单位交到办公室居201化工原理课程设计任务安排第一周                    对设计任务的熟悉, 弄清设计流程，                                及任务并查阅相关资料第二周~第三周     完成热量和必要工艺计算第四周                   熟悉化工制图要求及完成草图第五周~第六周     完成设计说明书撰写，及完成                                AUTOCAD制图每天上午九点前必须到指定教室报到　　　　Ｂ401　　　Ａ401　　　Ａ501严禁抄袭•抄袭特点:1.除了必要数据不一样,其它的都一样! 特殊错误都一样!如引用错误,错别字等2.图纸直接拿同学的或稍更改! 抄袭的处理是:最高从”中”开始评级直到不及格。