第六章-换热设备.ppt

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1、金涛 金涛：1985 1985年本科、年本科、1989 1989年硕士、年硕士、2000 2000年博士、年博士、2003 2003年博 年博士后毕业于浙江大学化工机械专业。士后毕业于浙江大学化工机械专业。研究方向：研究方向：故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、CAD/CAE/CAM CAD/CAE/CAM）地点：地点：教四 教四-108-108电话：电话：87952821 87952821，13857192581 13857192581E-mail:E-mail:任课教师什么是换热设备？什么是换热设备？作用及应用场合？作用及应用场合？换热设备的

2、类型？换热设备的类型？各种换热设备的特点？各种换热设备的特点？如何设计及选用？如何设计及选用？未来发展？未来发展？提出问题6.1.1 6.1.1 换热设备的应用 换热设备的应用热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备广泛应用于化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等。在化工厂中，换热设备投资占 在化工厂中，换热设备投资占10%-40%10%-40%。6.1概述按作用原理 按作用原理或传热方式 或传热方式直接接触换热器直接接触换热器蓄热式换热器蓄热式换热器间壁式换热器间壁式换热器中间载热体式换热器中间载热体式换热器6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.

3、1概述直接接触换热器直接接触换热器传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜，但仅适合工艺上允许两种流体混合的场合。热流体 热流体冷流体 冷流体热流体 热流体冷流体 冷流体6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.1概述又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔、气压冷凝器等。蓄热式换热器蓄热式换热器 又称回热式换热器，它是借助于由固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。热流体 热流体冷流体 冷流

4、体 热流体 热流体冷流体 冷流体载热体 载热体6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.1概述间壁式换热器间壁式换热器 又称表面式换热器，它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。是工业中应用最为广泛的换热器。热流体 热流体冷流体 冷流体热流体 热流体冷流体 冷流体6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.1概述中间载热体式换热器中间载热体式换热器 这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器，载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体

5、换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.1概述间壁式 间壁式换热器 换热器管式换热器 管式换热器板面式换热器 板面式换热器其他形式换热器 其他形式换热器蛇管式换热器 蛇管式换热器套管式换热器 套管式换热器管壳式换热器：管壳式换热器：应用最广 应用最广缠绕管式换热器 缠绕管式换热器沉浸式蛇管换热器 沉浸式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器 喷淋式蛇管换热器螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：不易结垢 不易结垢板式换热器 板式换热器板翅式换热器：板翅式换热器：效率最高 效率最高板壳式换热器 板壳式换热器伞板

6、式换热器 伞板式换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器 石墨、聚四氟乙烯、热管换热器这是什么？6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.1概述螺旋管式换热器 螺旋管式换热器 折 折流 流杆 杆换 换热 热器 器浮头式外导流筒换热器 浮头式外导流筒换热器 U U型管式换热器 型管式换热器折流杆换热器 折流杆换热器6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点 换热设备的分类及特点6.1概述考虑因素（流体的性质）考虑因素（流体的性质）压力 压力热导率 热导率腐蚀性 腐蚀性温度 温度允许压降范围 允许压降范围清洗维修要求 清洗维修要求材料价格 材料价格使用寿命 使用寿命种类 种

7、类粘度 粘度热敏性 热敏性6.1.3 6.1.3 换热器选型 换热器选型6.1概述按结构特点 按结构特点结构简单、紧凑 结构简单、紧凑造价低 造价低固定管板式 固定管板式承受较高压力 承受较高压力清洗、更换方便 清洗、更换方便浮头式 浮头式U U形管式 形管式填料函式 填料函式釜式重沸器 釜式重沸器产生热应力 产生热应力温差不大 温差不大不易结垢 不易结垢清洗方便 清洗方便无热应力 无热应力结构复杂 结构复杂造价高 造价高制造时密封要求高 制造时密封要求高结构简单 结构简单无热应力 无热应力布管少 布管少报废率高 报废率高承压能力强 承压能力强轴向自由伸缩 轴向自由伸缩无热应力 无热应力产生泄

8、露 产生泄露物料有限制 物料有限制结构简单 结构简单承受高温、高压 承受高温、高压无热应力 无热应力成本高 成本高结构复杂 结构复杂清洗方便 清洗方便6.2.1 6.2.1 基本类型 基本类型6.2管壳式换热器型式 型式材料 材料换热管 换热管尺寸 尺寸管排列形式及中心距 管排列形式及中心距管板 管板管箱 管箱管束分程 管束分程换热管与管板连接 换热管与管板连接平面形 平面形椭圆形 椭圆形蝶形 蝶形管板结构 管板结构光管 光管球形 球形绕性薄管板 绕性薄管板强度胀 强度胀强度焊 强度焊管程结构 管程结构管板材料 管板材料翅片管 翅片管螺旋槽管 螺旋槽管螺纹管 螺纹管6.2.2 6.2.2 管壳

9、式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器胀焊并用 胀焊并用单 单双 双三 三弓形 弓形圆盘 圆盘-圆环 圆环旁路挡板 旁路挡板挡管 挡管壳体 壳体折流板或折流杆 折流板或折流杆纵向隔板 纵向隔板壳程结构 壳程结构防短路结构 防短路结构拉杆 拉杆防冲挡板 防冲挡板中间挡板 中间挡板6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器换热管排列形式 换热管排列形式正三角形 正三角形转角三角形 转角三角形正方形 正方形转角正方形 转角正方形30 30 60 60 90 90 45 45 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器换热管

10、管板材料 管板材料 选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢、铜、铝、钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀材料，造价很高。工程上常采用不锈钢+钢、钛+钢、铜+钢等复合板，或堆焊衬里。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管板结构 管板结构薄管板结构形式 薄管板结构形式（a a）（b b）（c c）（d d）6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳

11、式换热器结构6.2管壳式换热器管板结构 管板结构 在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板是指相对采用标准、规范（如GB151管壳式换热器、美国管式换热器制造商协会标准TEMA）计算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度为8-20mm。目前薄管板主要有平面形、椭圆形、蝶形、球形、挠性薄管板等形式，最为常用的是平面形薄管板。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管箱 管箱 壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变

12、流体流向的作用。管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。管束分程 管束分程 在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换热器。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器1.1.强度胀 强度胀 强度胀是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。常用的胀接有非均匀胀接（机械滚珠胀接）和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接和爆炸胀接等）两大类。换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。换热管与管板连接的好坏，直接影响换热器的使用寿

13、命。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。强度胀接主要适用于设计压力小于等于4.0MPa；设计温度小于等于300C；操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器2.2.强度焊 强度焊 强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。此法目前应用较为广泛。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。除有较大振动及有缝隙腐蚀的

14、场合，只要材料可焊性好，强度焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器2.2.胀焊并用 胀焊并用 采用胀焊并用，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。因此，此法得到广泛应用。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需要用复合管板等的场合。胀焊并用方法，从加工工艺看，主要有强度胀+密封焊、强度焊+胀接、强度焊+强度胀等几种形式。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器壳体 壳体 壳程主要由壳体、折流板或折流

15、杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等元件组成。设置折流板的目的是未了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管。折流板 折流板 常用的折流板有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形有单弓形、双弓形和三弓形三种。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器 折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板最小间距应不小于壳体内直径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体内直径。折

16、流杆 折流杆 折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起。在大直径的换热器中，如折流板间距较大，容易形成“死区”。宜采用多弓形折流板。新型管束支撑结构折流杆支撑结构。该支撑结构又折流圈和焊接在折流圈上的支撑杆（杆可以水平、垂直或其他角度）所组成。支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般4块折流圈为一组。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器防短路结构 防短路结构（1）旁路挡板（2）挡管 挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆代替。挡管应每隔3-4排换热管设置一根，但不应设置在折流板缺口处。（3 3）中间挡板）中间挡板 在U形管式换热器中设置，中间

17、挡板一般与折流板点焊固定，中间挡板的数量不宜多于4块。6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构 管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管板设计的三种基本假设1.将管板看承为周边支承条件下承受军部载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。2.将管子当作管板的固定支承而管板是受管子支承着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。3.将管板视为在广义弹性基础上承受军部载荷的多孔圆平板，即把实际的管板简化为规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。这种假设既考虑了管子的加强作用，又考虑了管子的削

18、弱作用，比较全面，为多数国家采用。6.2.3 6.2.3 管板设计 管板设计6.2管壳式换热器管板设计的基本考虑1.管束对管板绕度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用2.管束周边不布管区对管板应力的影响，划管板为两个区。3.不同结构的换热器，管板边缘连接结构不同，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板应力的影响。6.2.3 6.2.3 管板设计 管板设计6.2管壳式换热器管板设计思路1.管板弹性分析，将换热器分解成封头、法兰、管板、螺栓、垫片等元件组成的弹性系统，各元件之间的相互作用用内力表示，管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板。但忽略管束对管板转角的约束作用2.危险工况，壳程压

19、力和管程压力不能同时作用时。3.管板应力校核4.管板应力调整5.管板计算软件6.2.3 6.2.3 管板设计 管板设计6.2管壳式换热器薄管板设计1.薄管板主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体压力引起的应力与挠度相对来说是不大的。中低压条件的薄管板厚度可直接查表或通过规范计算得到。2.因为薄管板本身的刚度小，载荷主要由管子承担，需要验算管子的稳定性。可减小折流板或支持板的间距。6.2.3 6.2.3 管板设计 管板设计6.2管壳式换热器6.2.3 6.2.3 管板设计 管板设计6.2管壳式换热器降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉脱力。

20、起到补偿轴向变形的作用。根据设计条件、换热器各元件的实际应力状况，判断是否需要膨胀节。参见 参见GB16749 GB16749压力容器波形膨胀节。压力容器波形膨胀节。6.2.4 6.2.4 膨胀节设计 膨胀节设计6.2管壳式换热器1.1.膨胀节的作用 膨胀节的作用2.2.是否设置膨胀节的判断 是否设置膨胀节的判断3.3.膨胀节设计计算 膨胀节设计计算1.流体诱导振动2.（1）卡曼旋涡3.（2）流体弹性振动4.（3）湍流颤振5.（4）声振动6.（5）射流转换2.2.管子固有频率 3.防振措施（1）改变流速；（2）改变管子固有频率；（3）增设消声板；（4）抑制周期性旋涡；（5）设置防冲板或导流筒。

21、6.2.5 6.2.5 管束振动与防止 管束振动与防止6.2管壳式换热器6.2.6 6.2.6 设计方法和工艺计算 设计方法和工艺计算6.2管壳式换热器换热器设计的主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。设计主要包括壳体型式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道、工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。换热器的工艺设计计算依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包括计算换热面积和选型两个方面。6.2管壳式换热器（1）计算换热器的热负荷Q（2）确定冷热流体物性参数（3）初选换热器的尺寸规格（4）计算管程压降与传

22、热系数（5）计算壳程压降与传热系数（6）计算总传热系数K、校核传热面积（7）对设计结果进行评估及优化6.2.6 6.2.6 设计方法和工艺计算 设计方法和工艺计算换热面积计算 在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定 在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换 的一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。热面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如果换热

23、面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，如果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，使其占据过多的空间。使其占据过多的空间。计算换热面积的一个重要参数是 计算换热面积的一个重要参数是总传热系数 总传热系数，它包括冷热介质的给热系数、，它包括冷热介质的给热系数、介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流 介质的给热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态

24、是由换热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流 动状态是由换热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断变化的，所以 动状态作较大的变化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断变化的，所以在换热器中的不同位置，同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际 在换热器中的不同位置，同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热 计算中，往往将一种介质分成许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热力学数据作相应的计算。在换热器的设计过

25、程中，换热面积的确定是最为关键的 力学数据作相应的计算。在换热器的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严密，而且各种参数必须十分精确。一步，它不仅需要计算方法正确严密，而且各种参数必须十分精确。换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的 换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产 结构参数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，所以需要不断的反复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾 生很大变化，所以需要不断的反

26、复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，例如介质阻力情况等等。到其它许多因素，例如介质阻力情况等等。管束振动分析 对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的 对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的振动往往是换热管破坏的主要原因 振动往往是换热管破坏的主要原因，使换热器过早报废。，使换热器过早报废。引起换热管振动的 引起换热管振动的因素 因素很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振 很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流量时，将引起换热管束产生较大的振动。另外换热器内部介质的局部湍 的临界流量时，将引起换

27、热管束产生较大的振动。另外换热器内部介质的局部湍流、涡流也会引起换热管振动。流、涡流也会引起换热管振动。换热管振动的 换热管振动的位置 位置较广，可以是某两个折流板间的所有换热管同时产生振动，较广，可以是某两个折流板间的所有换热管同时产生振动，或只有几排换热管产生振动。也可能是在介质进口或出口端的某些换热管产生振 或只有几排换热管产生振动。也可能是在介质进口或出口端的某些换热管产生振动。总之，换热管的振动可能发生在换热管束的任何一处或多处。动。总之，换热管的振动可能发生在换热管束的任何一处或多处。换热器的管束 换热器的管束振动分析 振动分析，就是要确定换热管的振动位置以及振动性质，了解，就是要

28、确定换热管的振动位置以及振动性质，了解引起换热管产生振动的原因，从而消除换热管的振动。消除换热管振动的方法有 引起换热管产生振动的原因，从而消除换热管的振动。消除换热管振动的方法有很多，可以通过改变换热器的结构尺寸来改变换热管束的固有频率或流体的流动 很多，可以通过改变换热器的结构尺寸来改变换热管束的固有频率或流体的流动状态，从而消除换热管的振动。或者在换热管束的振动部位增加局部支撑板，来 状态，从而消除换热管的振动。或者在换热管束的振动部位增加局部支撑板，来约束换热管的振动。约束换热管的振动。换热器网络分析 在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对由多 在一个工程系统中

29、，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对由多个换热器组成的网络进行联合计算，其间还有一些其它设备（例如：阀门、混合、个换热器组成的网络进行联合计算，其间还有一些其它设备（例如：阀门、混合、分离等设备）。分离等设备）。下图为一个简单的换热器网络。对一个换热器网络应进行综合的 下图为一个简单的换热器网络。对一个换热器网络应进行综合的考虑并进行系统的分析。考虑并进行系统的分析。换热器强度计算 确定了换热器的结构及尺寸以后，确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进 必须对换热器的所有受压元件进行强度计算 行强度计算。因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器。因为管壳式

30、换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对 的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照 于钢制的换热器，我国一般按照GB150 GB150 标准进行设计，标准进行设计，或者美国 或者美国ASME ASME标准进行设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折 标准进行设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的 流板等，可以按照我国的GB151 GB151 或者美国 或者美国TEMA TEMA标准 标准进行设计。对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标 进行设计。

31、对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。准进行设计。下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。该换热器 下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。该换热器为 为U U形管式换热器，壳体直径 形管式换热器，壳体直径500mm 500mm，管程设计压力，管程设计压力3.8MPa 3.8MPa，壳程设计，壳程设计压力 压力0.6MPa 0.6MPa。详细强度计算如下：。详细强度计算如下：计算过程1.1.壳程筒体强度计算 壳程筒体强度计算 2.2.前端管箱筒体强度计算 前端管箱筒体强度计算3.3.前端管箱封头强度计算 前端管箱封头强度计算4.4.后端壳程封头强度

32、计算 后端壳程封头强度计算5.5.管板强度计算 管板强度计算6.6.管程设备法兰强度计算 管程设备法兰强度计算7.7.接管开孔补强计算 接管开孔补强计算计算分析实例这里为大家提供了一个实例，甲烷化炉进出口换热器。其管程介质为脱碳 这里为大家提供了一个实例，甲烷化炉进出口换热器。其管程介质为脱碳气，温度由 气，温度由70C 70C升高到 升高到315.6C 315.6C。壳程介质为甲烷化气，温度由。壳程介质为甲烷化气，温度由346.4C 346.4C降低到 降低到89.5C 89.5C。这台换热器计算较为复杂，介质温度梯度较大；管壳程介质组分较多。这台换热器计算较为复杂，介质温度梯度较大；管壳程

33、介质组分较多(其中包括氮气、氢气、甲烷、氩气、一氧化碳、水共六种组分 其中包括氮气、氢气、甲烷、氩气、一氧化碳、水共六种组分)；换热管较长，；换热管较长，长度为 长度为12.5 12.5米；折流板数量较多，其数量为 米；折流板数量较多，其数量为32 32块；换热管数目较多，其数目共 块；换热管数目较多，其数目共为 为1787 1787根。这台换热器在整个系统中十分重要，不仅要求具有良好的换热效果，根。这台换热器在整个系统中十分重要，不仅要求具有良好的换热效果，而且必须完全控制介质阻力。由下面的分析报告可以看出，换热面积的富裕量 而且必须完全控制介质阻力。由下面的分析报告可以看出，换热面积的富裕

34、量仅为 仅为7.8%,7.8%,节约了投资成本，而且介质阻力也在控制之下。从长期的实际运行情 节约了投资成本，而且介质阻力也在控制之下。从长期的实际运行情况来看，此换热器完全满足工艺要求。请见下面的换热器分析详细数据。况来看，此换热器完全满足工艺要求。请见下面的换热器分析详细数据。一.换热器结构参数 换热器结构参数 二 二.介质组分数据 介质组分数据 三 三.物性数据 物性数据 四 四.传热数据 传热数据 五 五.介质阻力分布及管束振动分析 介质阻力分布及管束振动分析点击点击点击点击点击固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器结构如上图所示，换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。

35、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，管程可分成多样，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。其缺点是壳侧不便清洗，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。返回点击点击点击点击UU形管式换热器形管式换热器上图为双壳程U形管式换热器。U形管式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。因U形管式换热器仅有一块管板，所以结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内

36、清洗稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢。U形管式换热器一般用于高温高压情况下，尤其是壳体与换热管金属壁温差较大时。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程(如图中所示)。返回点击点击方形壳体翅片管换热器方形壳体翅片管换热器1外形图剖视图方形壳体翅片管换热器的壳体为方箱形(如上图所示)，其换热管为带翅片的翅片管。换热管可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。这种形式的换热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。

37、在实际生产中，常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。其缺点：因为壳体为方箱形，虽然管程可承受高压介质，但壳程只能承受较低压力的介质。这种换热器的金属消耗量大，制造成本较高。在实际生产装置中，为提高壳程的耐压能力，往往将壳体做成圆形，而管束采用方形布管。结构可参见附图返回浮头式换热器浮头式换热器浮头式换热器结构如图所示，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

38、求壳程与管程都要进行清洗的工况。浮头式换热器的缺点是结构复杂，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。返回点击点击填料函式换热器填料函式换热器上图为填料函式双管程双壳程换热器，填料函式换热器的换热管束可以自由滑动，壳侧介质靠填料密封。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换热器，可采用填料函式换热器。它具有浮头换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便，易于检修清洗。填料函式换热器的缺点：使用直径小；不适于高温、高压条件下；壳程介质不适于易挥发、易燃、易爆、有毒等介质。返回点击点击固定管板式换热器结构二 固定管板式换

39、热器结构二返回固定管板式换热器结构三 固定管板式换热器结构三返回固定管板式换热器结构四 固定管板式换热器结构四返回固定管板式换热器结构一 固定管板式换热器结构一返回U U 形 形 管 管 结 结 构 构 1 1返回U U 形 形 管 管 结 结 构 构 2 2返回附图附图左图为一空气段间冷却器的剖视图。该换热器的管束采用方形排列的翅片管，管束长度为3.7m。为提高壳体的承压能力，壳体采用圆筒形，直径900mm。换热管为紫铜整体轧制翅片管，翅片外径36mm，翅片根径为20mm，换热管内径16mm，翅片间距2.5mm，翅片厚度为0.5mm，换热总面积为440m2。空气条件：流量：30000Nm3/

40、h温度：100-40C工作压力：0.1MPa压降:150mm水柱总热负荷:597000kcal/h返回浮 浮 头 头 结 结 构 构 1返回浮 浮 头 头 结 结 构 构 2 2返回填料函式换热器结构一 填料函式换热器结构一返回填料函式换热器结构二 填料函式换热器结构二返回第六章 换热设备6.1概述6.2管壳式换热器6.3余热锅炉6.4传热强化技术6.3余热锅炉余热锅炉 余热锅炉 余热锅炉是利用工业生产中的预热来生产蒸 余热锅炉是利用工业生产中的预热来生产蒸汽的一种换热设备。汽的一种换热设备。广泛应用于化工、石油、冶金等工业部门。广泛应用于化工、石油、冶金等工业部门。什么是锅炉？6.3.1 6

41、.3.1 余热锅炉的作用 余热锅炉的作用1.1.满足工艺生产的需要 满足工艺生产的需要2.2.提高热能总利用率，节约一次能源消耗 提高热能总利用率，节约一次能源消耗3.3.消除环境污染，减少公害 消除环境污染，减少公害作用：燃煤锅炉 燃煤锅炉 燃油锅炉 燃油锅炉燃气锅炉 燃气锅炉6.3.2 6.3.2 余热锅炉的基本特点 余热锅炉的基本特点与锅炉基本相似，通常由省热器、蒸发器和过热器等部件组成。无燃烧装置。1.结构形式多种多样2.热源广，介质多种多样，3.有些主体设备与辅助设备分散安装在工艺流程的不同位置。4.操作不稳定受到余热源热负荷波动的影响。5.有些水侧、气侧均处于高温、高压条件下。6.

42、3余热锅炉 1.管壳式余热锅炉：由锅筒、管子及金属壳体组成。结构紧凑、单位换热面积的金属消耗较少，适应的介质和操作条件较广泛。2.烟道式余热锅炉：与燃烧炉类似。在硫酸工业应用较广。烟气的含尘量高，受热面磨损严重，腐蚀严重。6.3.3 6.3.3 余热锅炉的基本结构 余热锅炉的基本结构6.3余热锅炉增加平均传热温差 增加平均传热温差 逆流流动 逆流流动、多股流体流动、多股流体流动 扩大换热面积 扩大换热面积 小直径管 小直径管 提高传热系数 提高传热系数 有功传热强化和无功传热强化 有功传热强化和无功传热强化 6.4传热强化技术6.4.1 6.4.1 传热强化概述 传热强化概述式中K 为总传热系

43、数,1、2为传热面两侧的对流给热系数,R1、R2为两侧污垢热阻。为管壁的厚度，为管材的热导率。6.4传热强化技术6.4.1 6.4.1 传热强化概述 传热强化概述提高对流传热系数的方法主动强化被动强化采用外加的动力（如机械力、电磁力等）来增强传热除了输送传热介质的功率消耗外不再需要附加动力来增强传热在管壳式换热器中，采用最多的被动强化传热方法是扩展表面及管内放置强化传热元件，它既能提高传热系数，又能增加传热面积。槽管 槽管横纹槽管 横纹槽管碾扎槽管 碾扎槽管螺旋槽管 螺旋槽管翅片 翅片 板式翅片 板式翅片外翅片圆管 外翅片圆管内翅片圆管 内翅片圆管槽带板式翅片 槽带板式翅片穿孔翅片 穿孔翅片6

44、.4传热强化技术6.4.2 6.4.2 扩展表面及内插件强化传热 扩展表面及内插件强化传热扩展表面a螺旋槽管b横纹槽管c板式翅片d槽带板式翅片e外翅片圆管f穿孔翅片6.4传热强化技术6.4.2 6.4.2 扩展表面及内插件强化传热 扩展表面及内插件强化传热扩展表面其它形状换热管:缩放管、螺纹管、波纹管几种表面粗糙换热 管（a）缩放管图6-37；（b）螺 纹管；（c）波形管6.4传热强化技术6.4.2 6.4.2 扩展表面及内插件强化传热 扩展表面及内插件强化传热内插件强化传热不改变传热面形状，通过改变换热管内流体流动来强化传热，提高传热效率，简便有效，也有利于传热面积的扩大，且易于对旧设备进行

45、改造，应用广泛。目前管内插入物种类较多，主要是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭曲成螺旋形（如螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等），或冲成带有缺口的插入带。各种插入物强化传热的机理是，利用插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合，获得较高的对流传热系数。在设计过程中应考虑加入内插件后的压降增大影响。改变壳程挡板结构 改变管束支承结构6.4传热强化技术6.4.3 6.4.3 壳程强化传热 壳程强化传热a.杆式支承结构b.自支承结构将折流板该成杆式支承结构，消除传热死区、阻力小、结垢减慢、消除局部腐蚀和磨损。自支承结构通过采用自支撑管，如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管来简化管束支撑，提高换热器的紧凑度。c.螺旋折流式支承结构6.4传热强化技术6.4.3 6.4.3 壳程强化传热 壳程强化传热自支撑管及其自支撑结构（a）刺孔膜片管；（b）螺旋扁管；（c）变截面管c.螺旋折流式支承结构螺旋折流式支承