化工制图cad教程与开发(5)---热交换设备绘制.pdf

第第5 5章章热交换设备系列绘制热交换设备系列绘制▪ 本章导引本章导引本章导引本章导引▪ ▪ ▪ ▪ 列管式热交换器的设计基础列管式热交换器的设计基础列管式热交换器的设计基础列管式热交换器的设计基础▪ ▪ ▪ ▪ 无相变热交换器绘制无相变热交换器绘制无相变热交换器绘制无相变热交换器绘制▪ ▪ ▪ ▪ 本章重点知识分析本章重点知识分析本章重点知识分析本章重点知识分析本章导引本章导引热交换设备，顾名思义就是用来进行热量交换的设备，而这个热量的概 念是一个广义的概念，也包括冷量因为站在不同的角度，热量和冷量这个 概念是可以相互转化的 根据热量交换的形式不同，热交换设备可以分为间壁式换热器、混合式 换热器以及蓄热式换热器间壁式换热器在其热量交换过程中需要通过某一 个介质壁，这个介质壁使用最多的是金属，也有使用非金属材料的，两个需 要互相交换热量的流体通过这个介质壁交换热量，而两个流体之间并不直接 接触常见的间壁式换热设备有管壳式换热器和板面式换热器两类，化工企 业中应用最广泛的列管式换热器是属于间壁式换热设备的一种混合式换热 器是两种需要交换热量的流体直接混合接触，使两者温度趋于相同，如冷水 塔，用冷水直接喷淋需要冷却的气体。

蓄热式换热器是利用一种蓄热介质， 使需要交换热量的流体交替流过蓄热介质，从而达到交换热量的目的，利用 蓄热器可回收高温炉气中的热能，也可用于太阳能的回收利用 根据交换热量的目的不同，换热设备可以分为加热器、蒸发器、再沸器、 冷凝器、冷却器加热器、蒸发器、再沸器交换热量的目的是使我们的目标 物体温度提高或由液态变成气态，如加热器的目的是使目标物体温度提高， 蒸发器的目的是使目标物体由液体变成气体，该三种换热设备均需由公用工 程提供热量给目标物体；而冷凝器、冷却器交换热量的目的是使目标物体的 温度降低或由气态变成液态，这两种换热设备均需由公用工程提供冷量给目 标物体换热设备是化工、轻工、炼油等企业中普遍应用的典型化工设备在一 般的化工厂换热设备的费用约占总设备费用的10%~20%，而在炼油企业则占 到总费用的35%~40%换热设备在原子能、动力、食品、冶金、交通、家电 、环保等行业或部门都有着广泛的应用，因此在工艺设计计算的基础上，学 会用计算机正确地绘制换热设备具有十分重要的意义 本章主要介绍化工和炼油企业中最常用的列管式换热器的绘制列管式 热交换器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座、接管等组成，而 换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。

换热管一 般为普通光管，但也可采用各种强化管，如带翅片的翅片管、螺旋槽管、横 纹管、多孔表面管等各种强化管壳体一般为圆筒形，也可为方形管箱有 椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等分程隔板可将管程及壳程介质 分成多程，以满足工艺需要列管式换热器常采用的材料有碳钢、低合金钢 、不锈钢、铜材、铝材、钛材等 根据列管式换热器的主要组成部分可知，其大部分元器件的绘制我们已 在前面的章节中介绍过，如壳体相当于容器中的筒体（包括壳体的法兰）、 支座、接管、管箱（相当于各种封头）等，因此对于这部分内容的绘制，我 们在具体的介绍过程中不再对所有的命令进行解释，只在绘制前先说明这些 器件的规格及具体绘制尺寸的大小，当然其空间位置的确定还是会解释说明 的对于一些新出现的器件，我们会详细解释说明，希望读者在学习本章的 过程中引起注意本章导引本章导引列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础本章目录本章目录本章目录本章目录列管式热交换器的分类列管式热交换器的分类列管式热交换器的分类列管式热交换器的分类列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器的一些标准及规范列管式热交换器的一些标准及规范列管式热交换器的一些标准及规范列管式热交换器的一些标准及规范列管式热交换器设计实例列管式热交换器设计实例列管式热交换器设计实例列管式热交换器设计实例列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础根据前面的介绍，列管式热交换器是属于间壁式管壳类的换热器， 根据管束、管板、壳体、管箱等不同结构，又可以分为以下5种不同的结 构形式。

⑴固定管板式热交换器⑴固定管板式热交换器 该热交换器的两端管板采用焊接方法与壳体固定连接换热管可为 光管或低翅管其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管 程可分成多程，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程 中广泛应用 该换热器壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于 较脏或对材料有腐蚀性的介质不能走壳程壳体与换热管温差应力较大 ，当温差应力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力⑵浮头式热交换器⑵浮头式热交换器 该换热器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，这给检修和清洗提供了方便这种形式的热交换器 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 浮头式热交换器结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无 法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热交换器的分类列管式热交换器的分类⑶⑶U形管式热交换器形管式热交换器 该换热器是将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。

由 于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力该热交换器 仅有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗 但管内清洗稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢因弯管时必 须保证一定的曲率半径，所以管束的中心部分存在较大的空隙，在相 同直径的壳体中排列的管子数较固定管板式少，价格较固定管板式高 10%左右该热交换器一般用于高温高压情况下，尤其适合于壳体与 换热管金属壁温差较大时的场合壳程可设置纵向隔板，将壳程分为 两程 ⑷填料函式热交换器⑷填料函式热交换器 该换热器的浮头部分伸在壳体之外，换热管束可以自由滑动，浮头 和壳体之间填料密封对于一些壳体与管束温差较大，腐蚀严重而需 经常更换管束的热交换器，可采用填料函式热交换器它具有浮头热 交换器的优点，又克服了固定管板式热交换器的缺点，结构简单，制 造方便，易于检修清洗 填料函式热交换器不适宜在高温、高压条件下使用，同时对壳程介 质也有限制，对易挥发、易燃、易爆、有毒等介质不宜走壳程列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热交换器的分类列管式热交换器的分类⑸异形壳体翅片管热交换器⑸异形壳体翅片管热交换器 该换热器的壳体可为方箱形、椭圆型、C形，甚至可以是裸露的 ，其换热管为带翅片的翅片管。

换热管可根据需要排成为单排或多排 换热管翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等翅片的翅高、 翅距和翅片厚度可根据实际工况而定这种形式的热交换器因为采用 了翅片管，可大大强化传热面积，所以特别适用于给热系数较低的流 体壳程流通面积可设计较大，流动阻力较小，所以对于压力较低和 对压力降要求较小的流体特别适用在实际生产中，常常用这种热交 换器来加热或冷却低压空气，如各种空调系统的蒸发器和冷凝器均可 认为是此类的换热器20世纪80年代以来，热交换器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高 各种新型、高效热交换器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益， 随着能源的日趋紧张、全球气候变暖、环境保护要求的提高都对开发新型高 效热交换器提出了越来越高的要求国内外各研究机构对强化传热元器件及 传热模式正在进行不断深入的研究，不断推陈出新，各种新型的传热元器件 如表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管以及各种新型换热器形式如板片 传热器、板式热交换器、板壳式热交换器、螺纹管热交换器、折流管热交换 器、外导流筒热交换器等不断推出市场，相信随着科技的发展，热交换器将 朝着传热性能好、节能、增效的方向不断发展列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热交换器的分类列管式热交换器的分类⑴换热面积的计算⑴换热面积的计算 换热面积是换热器的一个主要特性指标，也是计算其它关键尺寸 的基础。

对于一个已知的换热器，其换热面积A可简单地利用所有传 热管的面积和来代替，即： （5-1） 其中n为传热管数目，d为传热管外径（也可以是内径或中径，只要和 传热面积对应即可），L为传热管有效长度在设计阶段，我们是不 知道具体换热器的有关尺寸的，其换热面积也无法通过式（5-1）求 得但是，我们知道该换热器需要完成的任务：将某一流量为G的目 标流体从温度T1变成T2要完成这个任务，我们将采用流量为W的公 用工程流体，从温度t1变成温度t2，从而完成前面的任务在完成这 个任务中，需要一个传热面积，这个传热面积的大小，就是我们所需 要设计的换热器的面积，该面积可以通过热负荷和传热速率方程来求 取 对目标流体传热负荷方程有（假定目标流体的温度升高）： （5-2）对公用工程流体： （5-3）dLnAπ=)(12GGTTGCpQ−=列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器关键尺寸的计算)(21MMttWCpQ−=如果忽略传递过程中的热量损失及换热器外壳的热量损失，根据能 量守恒可知： 总传热方程： （5-4） 其中：Q为传热速率，其值等于或，K为总传热系数，在一般计 算中，可根据目标流体及公用工程流体和拟选用的换热器形式确定。

在 较精确的计算中，通过上面初步确定的K的基础上，计算出传热面积， 再通过传热面积来校核总传热系数，关于这方面的详细介绍，请参看有 关换热器设计的书籍A为总传热面积，为平均温差 Q值可由式（5-2）求得，平均温差的计算公式为：mTKAQΔ=)( )ln()()(11221122 m顺流tTtTtTtTT−−−−−=Δ)( )ln()()(21122112 m逆流tTtTtTtTT−−−−−=Δ列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器关键尺寸的计算GM=MQGQmTΔ所以，可以得到传热面积A（以逆流为例）（5-5） )()(ln)(2112211212GmtTtTtTtTKTTGCp TKQA−−−−− −=Δ=⑵管径、管长及管子数的确定⑵管径、管长及管子数的确定 确定了换热器的传热面积后，换热器中传热管的管径d、管长L 、管子数n就受到式（5-1）的约束，但一个方程，三个变量，其自 由度为2，仍无法确定该3个变量的具体大小一般情况下，我们首 先通过确定管子内的适宜流速u及管子内径di来确定管子数目n，其 计算公式如下： （5-6）其中V是管程流体的体积流量，单位为。

显然，若要通过式（ 5-6）求取换热器管子数目，必须首先解决两个问题，一是管内适宜 流速的选定，二是管子内径的确定对于这两个变量，我们通常有 一些常用的取值规定，对于流速而言，适宜的流速范围见表5-1udVn 2 i4π=列管式热换器的设计基础列管式热换器的设计基础列管式热交换器关键尺寸的计算列管式热交换器关键尺寸的计算/sm3列管式换热器管子的适宜流速利用表5-1中管程流速的数据选定后 （需注意如果流体的黏度较大，适宜的流速应取表5-1中接近下限值， 如液体的黏度大于1500mPa·s时，管程的适宜流速应取0.6m/s），还需 确定管子内径，才能确定管子数目而常用的管子规格有 φ16mm×1.5mm、φ19mm×2mm、φ25mm×2.5mm、φ38mm×3mm ，其中最常用的是φ19mm×2mm、φ25mm×2.5mm，我们应该根据实 际情况，选择上面其中管子中的一种一般来说，小直径的管子可以承 受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可以排更多的 管子，相对于大管径而言，单位传热面积的金属耗量更。