换热器开题报告

丙烯冷凝器(E-301)设计

————

摘要：本文先简单阐述了换热器的研究背景，并附带介绍了换热器的重要作用及其型式的发展过程。然后结合课题设计方向，由于本次设计方向为丙烯冷凝器（E-301）的设计，该冷凝器属于浮头式换热器的一种；在介绍浮头式换热器常见通用结构过程中，讲述一些用于该丙烯冷凝器的元件结构。最后，简单讲述了本次设计所用的技术路线，大致介绍了冷凝器设计的相关步骤和方法。

关键字：浮头式换热器，冷凝器，技术路线

1研究背景

换热设备是化工、炼油工业、医药、冶金、制冷等工业中普遍应用的典型工艺设备，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传送给低温流体。在实际生产过程中，为了满足工艺的要求，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、冷凝、蒸发等。一般换热器需要满足如下的基本条件：合理地实现所规定的工艺条件；安全可靠；利于安装、操作、维修；经济合理[1]。

管壳式换热器的使用已有很悠久的历史；在二十世纪30年代，开始出现板式换热器，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。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。近年来，由于能源消耗引起了人们的广泛重视，能源价格的逐渐上升，循环回收再利用观念已开始深入人心，工厂中废热回收也越来越具有吸引力。通过换热器的使用，回收生产过程中产生的废热来提高工厂的效率以减少国家的能源需求，节省资源，对于国家长久的发展来说具有重要的意义。同时，通过对换热器的优化设计，提高各类换热器的工作效率，减少因工作而造成的更多的能源浪费，也是设计换热器的重中之重。

2文献综述

常见换热器种类：按传热方式的不同，换热器大致可分为三类，主要有混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。其中，间壁式换热器的工业应用最为广泛，它的原理是将冷、热流体用一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。其优点是避免了介质间的直接接触而导致介质的污染。在间壁式换热器中，由于管壳式换热器具有成本低，清洗方便，适用性强，工作可靠等优点，所以它的应用范围较广，在换热设备应用过程中仍处于主导地位。

冷凝器属于换热器的一种，常用于空调系统中，在化工行业的应用也较为常见。冷凝器可用液体（例如水）或气体（如空气）来冷却，冷凝蒸汽可用来加热流体。一般冷凝流体的流动路线为：（1）在水冷式凝气器中走管外；（2）在气冷式凝气器中走管内[2]。本文介绍的丙烯冷凝器结构属于浮头式换热器。

浮头式换热器：浮头式换热器的结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在沿壳体内轴向自由移动，该端称为浮头。当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时互不约束，当两种介质温差较大时，管束与壳体间不会产生温差应力。浮头端可设计为拆结构，使管束可以容易的插入或抽出（也有设计成不可拆的），这样为检修、清洗提供了方便[3]。所以，它适用于壳体与管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

浮头式换热器的主要元件：换热管、管板、管箱、壳体、折流板、封头、法兰、接管等。

图2-1浮头式换热器

2.1换热管

2.1.1换热管常见类型

换热管常用形式为光管，该类型管制造方便，较为经济，但是传热效率较低。为了强化传热，换热管还可采用强化传热管，如波纹管、螺旋槽管、螺纹管等。

强化传热管的主要原理是通过改变管表面或内部形貌，从而改变流体的湍动程度，来达到强化传热的目的。由于换热器中的传热在管子的表面，从性能角度来考虑管子几何变量的选择显得重要。管子应该能承受两侧的操作温度与压力、壳体和管束之间不同的热膨胀引起的热应力、管程和壳程流体的腐蚀性[2]。

管子的大小由管外径和管壁厚度决定。从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热器也较紧凑。但大管径的管子易于清洗，更强固，当允许的管侧压降很小时需要用到这种管子。其具体尺寸需参照相关设计手册进行选择[2]。

换热管材料，管材的选择主要是根据工况条件来进行，常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等，此外还有一些如石墨、聚四氟乙烯、陶瓷等非金属材料。

2.1.2换热管排列方式

换热器管的布管原则是：无论采用哪种排列，都必须使管束周围的弓形空间尽可能多布管，增大传热面积，防止壳程流体短路[1]。图2-2为几种常见的换热管排列方法，其形式主要有正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形。正三角形排管方法在同样的管板面积上可以排最多的管，故而应用最为普遍，其缺点为清洗较困难。为了便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。

正三角形转角正三角形（P为管

正方形转角正方形

中心距）

图2-2换热管排列方式

2.2管板

管板主要用于分布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，也将冷热流体分开，避免他们混合，同时有受管程、壳程压力和温度的作用。在管板材料的选择中，主要需要考虑材料的力学性能，还要考虑在管程、壳程中流动介质的腐蚀性，以及管板和换热管之间的点位差对腐蚀性的影响[1]。

管板的设计准则为在满足强度要求的前提下，尽量减小管板的厚度，薄管板换热器可以节约管板材料。

2.3管箱

壳体直径较大的换热器多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器两端，管箱的作用是把从管道输送出来的流体均匀的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确定[1]。图2-3为管箱几种常见的结构型式。

图2-3管箱结构型式

2.4壳体

壳体常为一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。P201小尺寸的壳体通常用标准尺寸的管子加工而成，大尺寸的壳体则用平板卷合而成。用于壳体的费用要远比管子的花费高，因此设计人员在设计时一般只使用一个壳体来满足要求的换热面积。比较经济的换热器通常是壳体直径小但尽可能长，只要满足整个工厂的布局、安装以及使用等现场条件即可[2]。

2.5折流板

设置折流板的目的是为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，以改善加热，增大壳程流体的传热系数，减小结垢。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。常用的折流板型式有弓形和圆盘-圆环形两种。图2-4描绘了部分弓形和圆盘-圆环型折流板的样图。