列管式换热器Word下载.docx
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冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。
又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。
因此必须经过清洗来改善换热器的性能。
由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点，换热介质的性质，腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查，修理及清洗。
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独的设备，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，如氨合成塔内的热交换器。
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。
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。
70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。
换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。
混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。
由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。
例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。
蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。
这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。
以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。
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。
间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。
管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；
板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；
其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。
换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。
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。
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。
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潜热，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。
在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，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粘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。
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。
一般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。
科豪板式换热器
换热器类型的选择
（一）管壳式换热器
管壳式换热器（shellandtubeheatexchanger）又称列管式换热器。
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。
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。
结构由壳体、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。
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。
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：
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。
③U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。
（二）板壳式换热器
板壳式换热器lamellaheatexchanger
以板管作为传热元件的换热器，又称薄片换热器。
它主要由板管束和壳体两部分组成（图中）。
将冷压成形的成对板条的接触处严密地焊接在一起,构成一个包含多个扁平流道的板管（图中）。
许多个宽度不等的板管按一定次序排列。
为保持板管之间的间距,在相邻板管的两端镶进金属条,并与板管焊在一起。
板管两端部便形成管板，从而使许多板管牢固地连接在一起构成板管束。
板管束的端面呈现若干扁平的流道
板管束装配在壳体内，它与壳体间靠滑动密封消除纵向膨胀差。
设备截面一般为圆形,也有矩形、六边形等。
A流体在板管内流动,B流体则在壳体内的板管间流动。
板壳式换热器是介于管壳式换热器和板式换热器之间的一种结构形式，它兼顾了二者的优点:
①以板为传热面,传热效能好。
传热系数约为管壳式换热器的2倍。
②结构紧凑，体积小。
③耐温、抗压，最高工作温度可达800℃,最高工作压力达6.3兆帕。
④扁平流道中流体高速流动，且板面平滑，不易结垢，板束可拆出，清洗也方便。
但这种换热器制造工艺较管壳式换热器复杂,焊接量大且要求高,因而它的推广应用受到一定限制。
板壳式换热器用于化工、造纸、制药和食品等工业部门。
典型产品主要用于要求传热效能好而停留时间短的食品、医药等加工工业。
（三）浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。
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。
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：
在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；
在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；
另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。
浮头换热器的特点：
浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。
这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。
其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。
浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。
固定管板式换热器主要特点：
固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。
在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。
它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。
这种换热器的缺点是：
壳程清洗困难，有温差应力存在。
当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。
这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。
【设计步骤】
目前，我国已制订了管壳式换热器系列标准，设计中应尽可能选用系列化的标准产品，这样可简化设计和加工。
但是实际生产条件千变万化，当系列化产品不能满足需要时，仍应根据生产的具体要求自行设计非系列标准的换热器。
此处将扼要介绍这两者的设计计算的基本步骤。
（1）非系列标准换热器的一般设计步骤
①了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。
②由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。
③决定流体通入的空间。
④计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。
⑤初算有效平均温差。
一般先按逆流计算，然后再校核。
⑥选取管径和管内流速。
⑦计算传热系数K值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。
由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此一般先假定一个壳程对流传热系数，以计算K值，然后再作校核。
⑧初估传热面积。
考虑安全系数和初估性质，常取实际传热面积是计算值的1.15~1.25倍。
⑨选择管长L。
⑩计算管数N。
⑾校核管内流速，确定管程数。
⑿画出排管图，确定壳径D和壳程挡板形式及数量等。
⒀校核壳程对流传热系数。
⒁校核有效平均温差。
⒂校核传热面积，应有一定安全系数，否则需重新设计。
⒃计算流体流动阻力。
如阻力超过允许范围，需调整设计，直至满意为止。
（2）系列标准换热器选用的设计步骤
①至⑤步与
（1）相同。
⑥选取经验的传热系数K值。
⑦计算传热面积。
⑧由系列标准选取换热器的基本参数。
⑨校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。
假如核算的K值与原选的经验值相差不大，就不再进行校核；
如果相差较大，则需重新假设K值并重复上述③以下步骤。
⑩校核有效平均温差。
⑾校核传热面积，使其有一定安全系数，一般安全系数取1.1~1.25，否则需重行设计。
⑿计算流体流动阻力，如超过允许范围，需重选换热器的基本参数再行计算。
从上述步骤来看，换热器的传热设计是一个反复试算的过程，有时要反复试算2~3次。
所以，换热器设计计算实际上带有试差的性质。
【传热计算主要公式】
传热速率方程式
Q=KSΔtm （2-5）
式中！
Q——传热速率（热负荷），W；
K——总传热系数，W/（m2·
℃）；
S——与K值对应的传热面积，m2；
Δtm——平均温度差，℃。
（1）传热速率（热负荷）Q
①传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则
Q=Whcph（T1-T2）=Wccpc（t2-t1） （2-6）
W——流体的质量流量，kg/h或kg/s；
cp——流体的平均定压比热容，kJ/（kg·
T——热流体的温度，℃；
！
t——冷流体的温度，℃。
下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。
②流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝，且冷凝液在饱和温度下排出，则
Q=Whr=Wccpc（t2-tl） （2-7）
W——饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h或kg/s；
r——饱和蒸汽的气化热，kJ/kg。
（2）平均温度差Δtm
①恒温传热时的平均温度差
Δtm=T-t （2-8）
②变温传热时的平均温度差
逆流和并流
2-9）
（2-10）
式中Δt1、Δt2——分别为换热器两端热、冷流体的温差，℃。
错流和折流
2-11）
——按逆流计算的平均温差，℃；
——温差校正系数，无量纲，
（2-12）
（2-13）
温差校正系数
根据比值P和R，通过图2-10~图2-13查出。
该值实际上表示特定流动形式在给定工况下接近逆流的程度。
在设计中，
【列管式换热器的设计计算】
1．流体流径的选择
哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考（以固定管板式换热器为例）
（1）不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
（2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
（4）饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
（5）被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
（6）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
（7）粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>
100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。
2.流体流速的选择
增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。
所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。
例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。
管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；
单程变为多程使平均温度差下降。
这些也是选择流速时应予考虑的问题。
3.流体两端温度的确定
若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。
若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。
例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。
为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；
为了减小传热面积，则要增加水量。
两者是相互矛盾的。
一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。
缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。
4.管子的规格和排列方法
选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。
易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。
我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×
2.5mm及φ19×
mm两种规格的管子。
管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。
长管不便于清洗，且易弯曲。
一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。
系列标准中也采用这四种管长。
此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6（对直径小的换热器可大些）。
如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，如第五节中图4－25所示。
等边三角形排列的优点有:
管板的强度高；
流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；
相同的壳径内可排列更多的管子。
正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；
但其对流传热系数较正三角排列时为低。
正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数（较直列排列的）可以适当地提高。
管子在管板上排列的间距（指相邻两根管子的中心距），随管子与管板的连接方法不同而异。
通常，胀管法取t=（1.3～1.5）do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥（d+6）。
焊接法取t=1.25do。
5.管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。
为了提高管内流速，可采用多管程。
但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；
同时多程会使平均温度差下降；
此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。
列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。
采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。
管程数m可按下式计算，即:
[img=60,40]mhtml:
file:
//C:
\DocumentsandSettings\zyj\桌面\列管式换热器的设计计算.mht!
[/img] （4-121）
式中u―――管程内流体的适宜速度，m/s；
u′―――管程内流体的实际速度，m/s。
[img=192,196]mhtml:
\DocumentsandSettings\zyj\
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