热交换器原理与设计 2 管壳式热交换器重点内容
热交换器的设计和优化
热交换器的设计和优化热交换器是一种用于热量传递的设备，在化工、电力、石油、制冷等领域都被广泛应用。
热交换器的设计和优化对于提高热量传递效率、降低能耗、延长设备寿命等方面有着重要的意义。
一、热交换器的基本原理热交换器是一种能够实现两种流体之间热量传递的设备。
热交换器的基本原理是利用流体之间热量的传导和对流，实现流体之间热量的交换。
热交换器通常由两个流体管道组成，其管道之间安装着一个或多个热交换板，通过板与板之间的传导和对流来实现两种流体之间的热量传递。
二、热交换器的分类根据热交换器板式的不同，可以将热交换器分为板式、管式、壳式、螺旋式、带式等多种类型。
其中，在化工、制冷等领域最为常见的是板式热交换器和壳式热交换器。
（一）板式热交换器板式热交换器是由许多平行的金属薄板组成的，薄板之间通过密封垫片隔开，形成多个平行的流体通道。
板式热交换器的优点是结构简单、体积小、效率高，对于腐蚀性较强或高温、高压工况的应用更为广泛。
（二）壳式热交换器壳式热交换器则是由一个外壳和内管组成的，流体通过内管或外壳流过时可以进行热量传递。
壳式热交换器的优点是便于维护、适用于高压、高温的环境，但其缺点是规模较大、造价高。
三、热交换器的设计和优化是非常复杂的工程，涉及到众多技术和理论。
热交换器的设计目的是提高传热效率、降低系统整体能耗、提高设备的寿命等。
以下是热交换器设计和优化中需要注意的几个方面。
（一）热交换器的流体动力学问题热交换器中流体的流动状态对传热性能有着重要的影响。
例如，强制对流、层流对流、混合对流等不同的流动状态都会影响热交换器的传热效率。
对流状态的改变通常会伴随着流体传热系数的变化，因此热交换器设计和优化时需注意流体动力学问题的分析和处理。
（二）热交换器的材料选择热交换器的材料对于设备的性能和寿命有着较大的影响。
不同的流体对热交换器材料的要求是不同的，例如耐腐蚀、耐高温、耐磨等。
在设计热交换器时，需考虑到流体的性质和工况，选用性能符合要求的材料。
管壳式热交换器设计全解83页PPT
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6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
Байду номын сангаас
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7、心急吃不了热汤圆。
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8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
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管壳式换热器的课程设计
避免选用不合适的材料导致设备损坏 或安全事故；注意材料的兼容性和与 其他材料的接触情况；考虑材料的可 加工性和安装维护的便利性。
04
管壳式换热器的优化设计
传热效率优化
01
传热效率
通过选择合适的材料、优化管程和壳程流体的流速和温度，以及采用强
化传热技术，如增加翅片、改进管子形状等，提高换热器的传热效率。
管件与结构
优化换热器内部的管件和 结构，减少流体流动过程 中的局部阻力，降低压力 损失。
结构强度优化
1 2
应力分析
对换热器进行详细的应力分析，确保其在正常操 作条件下具有足够的结构强度和稳定性。
材料选择
根据使用条件和要求，选择合适的材料和厚度， 以提高换热器的结构强度和耐腐蚀性。
3
支撑与固定
合理设计换热器的支撑和固定结构，以减小应力 集中和振动，提高其结构强度和使用寿命。
新材料与新技术的应用
新型材料
采用高导热性能的复合材料、纳米材料等，提高换热器的传热效率。
新型涂层
利用先进的涂层技术，如陶瓷涂层、金属氧化物涂层等，增强换热器的抗腐蚀和 耐磨性能。
节能减排与环保要求
高效节能
研发低能耗的换热器，优化换热器结构，降低运行过程中的能源消耗。
环保设计
采用无毒、无害的材料，减少换热器对环境的影响，同时对换热器产生的废弃物进行环保处理。
能源与动力工程领域的应用
发电厂
管壳式换热器可用于加热和冷却发电厂中的各种 流体，如锅炉给水、凝结水和冷却水等。
船舶工程
在船舶工程中，管壳式换热器可用于船舶发动机 的冷却和加热，以及生活用水的加热和冷却。
采暖系统
在供暖系统中，管壳式换热器可用于将热量从热 源传递到水中，为建筑物提供热水供暖。
2-管壳式热交换器第三部分
2)过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝
过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝分为三段，第 一段为单冷却过程，第二段壁面出现冷凝，主流 区尚未达到饱和温度继续冷却，第三段为饱和冷 凝过程。
第一段特征
由于蒸汽的过热部分冷却到饱和状态，所进行为 单相气体冷却换热，热量传递为显热传递，换热 系数比冷凝换热系数要小得多。而过热蒸汽的比 热较小，显热传递的热量不大。如果过热度比较 显著，那么完成这一阶段的换热需要的换热面积 也比较显著。
②由于蒸发器中的液位有相当高度，溶液 密度一般较大．因而引起上层溶液对下 层溶液产生一定的静压，使下层溶液的沸 点比上层溶液的沸点高，但所产生的二次 蒸汽温度却仍与液面所处的压力相对应、 因而在蒸发器内还存在由于静压的作用而 产生的第二种温降—静压温降。
③在多效蒸发中，还要考虑二次蒸汽流到次效的加 热室的过程中，由于管道阻力引起的压降，使次效 加热蒸汽的饱和温度相应降低。此种饱和温度的降 低构成了蒸发器中的第三种温降－流动阻力温降。 总的结果．由于三种温降的存在，使蒸发器内的有 效温差降低，成为：
3)含不凝气蒸汽的冷凝 蒸汽中所含不凝结性气体可能有两个不 同的来源，一是由于外部漏入，二是由 于冷凝物质所固有或夹带。 当蒸汽中含有不凝气时，传热过程实际 上是由蒸汽的冷凝和不凝气的冷却共同 所组成，这一过程叫做冷凝一冷却过程。
• 在冷凝器中，即使所含不凝气很少．随着冷 凝过程的进行，凝结蒸汽不断凝结，不凝气 相对量增加，会造成换热系数大幅度地下降。
(3)采用蒸汽在水平管内冷凝的方式必须十分慎重。
这种情况下的冷凝器往往采用多管程，第一管 程凝结的液体连同未冷凝的蒸汽一起进入下一 管程，因而在同一管程的管束中，管子下半部 往往积聚较多的凝液，而管子上半部往往积聚 较多的蒸汽，从而使管束中的汽液分配难以均 匀，凝液的积存又起了阻碍传热的作用，使其 换热系数比同样条件下的管外冷凝低。
热交换器原理与设计
热交换器原理与设计热交换器是一种用于传热的设备，它可以将热量从一个流体传递到另一个流体，而两者之间并不直接接触。
热交换器广泛应用于工业生产和日常生活中，如空调系统、冷却系统、加热系统等。
在本文中，我们将深入探讨热交换器的原理与设计。
热交换器的原理主要基于热传导和对流传热。
在热交换器中，两种流体分别流经热交换器的两侧，通过热传导和对流传热的方式，实现热量的传递。
热交换器的设计主要包括换热面积、传热系数、流体流速等因素。
换热面积越大，传热效果越好；传热系数越大，传热效率越高；流体流速对于传热效果也有着重要的影响。
热交换器的设计需要考虑多种因素，如流体的性质、温度、压力、换热面积、传热系数等。
在实际工程中，需要根据具体的工况条件来选择合适的热交换器类型，如板式热交换器、管式热交换器、壳管式热交换器等。
不同类型的热交换器适用于不同的工况条件，需要根据实际情况进行合理选择。
在热交换器的设计过程中，需要进行热力学计算、流体力学分析、材料选型等工作。
通过这些工作，可以确定热交换器的尺寸、结构、材料等参数，确保热交换器在实际工作中能够达到预期的换热效果。
此外，还需要考虑热交换器的清洗维护、安装调试等问题，确保热交换器的长期稳定运行。
总的来说，热交换器是一种重要的传热设备，它在工业生产和日常生活中都有着重要的应用。
热交换器的原理基于热传导和对流传热，设计时需要考虑多种因素，如流体性质、温度、压力、换热面积、传热系数等。
合理的热交换器设计可以提高能源利用效率，降低生产成本，对于工业生产和环境保护都具有重要意义。
因此，热交换器的原理与设计是一个值得深入研究的课题，也是工程技术人员需要掌握的重要知识。
管壳式换热器设计前言
管壳式换热器设计前言1. 引言管壳式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于工业生产和能源领域。
它通过将两种流体进行热交换，实现能量的转移，从而满足工业生产中的冷却、加热、蒸发、冷凝等需求。
本文旨在对管壳式换热器的设计进行全面详细、完整且深入的探讨。
2. 管壳式换热器的基本原理管壳式换热器由外壳（shell）、管束（tube bundle）、流体进出口口、支撑件等组成。
其基本原理是通过外壳内部的管束，使两种流体在不同的通道中流动，实现热量传递。
具体而言，一种流体（通常称为”工作流体”）从外壳一侧进入，经过管束内部的管道，在与另一种流体（通常称为”介质”）接触时进行热交换。
这样，在工作流体中温度降低或升高的同时，介质也会相应地发生温度变化。
3. 管壳式换热器设计要考虑的因素在进行管壳式换热器设计时，需要考虑以下几个重要因素：3.1 热传导热传导是管壳式换热器中的核心过程。
在设计中，需要根据工作流体和介质的热传导特性，合理选择管束材料和尺寸，以确保热量能够高效地传递。
3.2 流体压降流体压降是指流体在管壳式换热器中流动时所产生的压力损失。
设计时需要综合考虑工作流体和介质的流动性质、管束结构等因素，以最小化流体压降，提高换热效率。
3.3 温度差温度差是影响换热效率的重要因素。
较大的温度差可以提高换热速率，但也会增加能源消耗。
在设计时需要综合考虑工作流体和介质的温度范围、需求等因素，找到合适的平衡点。
3.4 材料选择在管壳式换热器设计中，材料选择十分重要。
需要考虑材料的耐腐蚀性、导热性、强度等因素，以满足工作环境和介质要求。
3.5 清洗和维护管壳式换热器在使用过程中需要进行定期的清洗和维护。
设计时需要考虑到换热器内部的结构特点，以便方便清洗和维护工作的进行。
4. 管壳式换热器设计流程管壳式换热器的设计流程一般包括以下几个步骤：4.1 确定工作参数首先需要明确工作流体和介质的温度、压力等参数，以及设备要求的换热量。
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。
换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。
换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。
尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。
换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。
换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。
管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。
本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。
一、管壳式换热器的工作原理管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。
管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。
通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。
一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。
工作原理和结构图 1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。
A 流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。
B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。
如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。
壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。
管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。
管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。
通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。
为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。
管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。
按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。
管壳式热交换器ppt文档
②管程数: 一般有1，2，4，6，8，10，12等七种。
③隔板布置方式
平行布置法 T形布置法
④分程的要求:
避免流体温差较大的两部分管束紧邻 程与程之间温差不宜过大, 不超过28℃ 应尽可能使各管程的换热管数大致相同
分程隔板槽形状简单, 密封面长度较短
2.1.4 分程隔板
管程数 1
2
流动顺序
1 2
管箱隔板
两 者 间 残 余 应 力 达 密 封 、 紧 固
2.1.2 管子在管板上的固定和排列
（1）管子在管板上的固定：胀管法与焊接法
胀管法适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢 或低合金钢，设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃， 且无特殊要求的场合。 要求：管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后 再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽 (开槽可以增加连接强度和紧密性)。
正方形
流
流
体
体
流
流
动
动
方 向
方 向
转角正方形
特点：管外清洗方便/但排管比三角形少
2.1.2 管子在管板上的固定和排列
（3）换热管中心距
定义：管板上两根管子中心线的距离。
决定因素：
管板强度 清洗管子外表所需要的间距 管子在管板上的固定方法
布管原则：
无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间尽可能 多布管→传热面积↑，且可防壳程流体短路
2.1.2 管子在管板上的固定和排列
1)、选择管壳式热交换器传热面材料的决定因素： 材料的工作压力、温度和流体腐蚀性、流体对材料的脆化作用及 流体的毒性所决定。
2)、材料的种类：碳钢、合金钢、铜、塑料、石墨等
3）我国管壳式换热器常用换热管为碳钢、低合金钢管有： Φ19×2、 Φ25×2.5、 Φ38×3、 Φ57×3.5 ； 不锈钢管有Φ25×2、 Φ38×2.5。
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2 管壳式热交换器2.1管壳式热交换器的类型、标准与结构2.11类型和标准按其结构的不同一般可分：固定管板式、U型管式、浮头式和填料函式四种类型。
(1) 固定管板式热交换器是将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，由于管板与壳体固定在一起，所以称之为固定管板式热交换器。
优点：结构比较简单，重量轻，在壳程程数相同的条件下可排的管数多。
缺点：壳程不能检修和清洗，因此宜于流过不易结垢和清洁的流体，当管束与壳体的温差太大而产生不同热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。
为避免后患可在外壳上装设膨胀节。
膨胀节作用：只能减小不能完全消除由于温差而引起的热应力。
(2) U形管式热交换器管束由U字形弯管组成。
管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响。
优点：①结构简单、省去一块管板和一个管箱，造价低。
②管束和管壳体分离，热膨胀时互不约束，需要清洗时可以将整个管束抽出，同时可消除热应力。
③管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响。
缺点：①清除管子内壁的污垢却比较困难。
②弯曲的管子需要一定的弯曲半径，降低了管板的有效利用③损坏的管子也难于调换，U形管管束的中心部分空间对热交换器的工作有不利的影响。
这些缺点，使其应用受限。
(3) 浮头式热交换器两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，这一端称为固定端。
另一端的管板不与壳体固定连接而可相对于壳体滑动，这一端被称为浮头端。
优点：①管束的热膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会因差胀而产生热应力。
②清洗、检修仅将整个管束从固定端抽出即可进行，总之比较简单。
③对于管子和壳体温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况，浮头式热交换器能很好适应。
外号：内浮头式热交换器缺点：①浮头与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大，在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，部分流体将由此处旁通而不参加热交换过程。
②结构复杂，金属消耗量多。
(4)填料函式热交换器一端与管板固定而另一端管板可在填料函中滑动的热交换器。
实际上它是将浮头露在壳体外面的浮头式热交换器。
外号：外浮头式热交换器。
缺点：①填料密封处容易泄露，故不宜用于易挥发、易爆、有毒和高压流体的热交换。
②制造复杂、安装不便。
2.12管式热交换器的主要组合部件前端管箱、壳体、后端结构(也称后端管箱)三部分注意：①前端管箱是固定的，而后端管箱可以是固定的，也可以是浮动的，取决于管子和壳体之间的允许热应力。
②前端管箱和后端管箱选择的主要标准是热应力、运行压力、清洁性、危险性和成本。
前端管箱+壳体+ 后端结构(也称后端管箱)三部分(第一个字母)（第二个字母）（第三个字母）TEMA已发展了一套代号系统来标记管壳式热交换器的主要类型。
该代号系统中，各换热器用三个字母组合来表示，①第一个字母代表前端管箱类型，②第二个字母代表壳体类型，③第三个字母代表尾端管箱类型。
一些常用的管壳式换热器有AES、BES、CFU、AKT和AJW。
2.13管子在管板上的固定与排列管子构成传热面，根据工作压力、温度和流体腐蚀性、流体对材料的脆化作用及毒性等决定，可选碳钢、合金钢、铜、塑料、石墨等。
(1) 管子在管板上的固定①固定方法要保证连接牢固，常用的方法有胀管法和焊接法。
②对于非金属管及铸铁管也采用垫塞法固定。
③比较先进的还有爆炸胀接法、爆炸焊接法、液压胀管法、粘胀法等等。
(2) 管子在管板上的排列应考虑下列原则①保证管板有必要的强度，而且管子和管板的连接要坚固和紧密；②设备要尽量紧凑，并使管外空间的流通截面减小，以便提高管外流体的流速；③要使制造、安装和修理、维护简便。
管子排列的方式常有：等边三角形排列（正六角形排列）法、同心圆排列法、正方形排列法。
(3) 换热管中心距①管板上两个管子中心线的距离称为换热管中心距。
影响中心距的大小的因素：主要与管板强度和清洗管子外表所需间隙、管子在管板上的固定方法有关。
一般管间距与管子外径的比率在1.25-2.00之间。
最小值限定在1.25。
(4) 布管限定圆按照上述方法排列管子时，热交换器管束外缘直径受壳体内径的限制，因此在设计时要将管束外缘置于布管限定圆之内，其直径DL的大小按结构型式而异。
2.14管板①管板是管壳式热交换器关键零件之一，常用的为圆形平板。
它的合理设计，对于节省材料和加工制造都有重要意义。
②管板和壳体的连接有可拆和不可拆两种。
③对于U形管和浮头式，为使壳程便于清洗，将管板夹在壳体法兰和管箱法兰之间，构成可拆连接。
④管板与管子用胀接法时：管板的最小厚度(不包括腐蚀裕度)按表2.4规定；焊接法时，最小厚度要满足结构设计和制造的要求且不小于12mm。
2.15分层隔板在管箱内安装分程隔板作用：为了将热交换器的管程分为若干流程。
流程的组织应尽量使每一程的管数大致相等。
2.16纵向隔板、折流板和支持板（1）折流板作用：①为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传热，在管外空间常装设折流板。
②折流板还有支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用，又装设简单，故应用普遍。
常用形式有弓形、盘环形两种。
弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。
（2）影响传热效果和压降的两个重要因素：弓形折流板的缺口高度和板间距的大小。
2.17挡管和旁路挡板（1）挡管和旁路挡板的作用①是为防止流体短路而设立的构件。
②旁路挡板可以减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流体通过管束进行热交换。
（2）挡管的定义挡管是两端堵死的管子，每根占据一根换热管的位置，但不穿过管板，用点焊的方式固定于折流板。
通常每隔3-4排管子安排一根挡管。
2.18防冲板与导流筒导流筒：在立式热交换器中，为使流体更均匀地流入管间，防止流体对进口段管束的冲刷，并减小远离接管处的死区，提高传热效果，可装设导流筒。
2.2管壳式热交换器的结构计算结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，主要包括下列各项：(1)计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸，数目及程数，并选择管子的排列方式；(2)确定壳体直径；(3)计算壳程流体截面积；(4)计算进出口连接管尺寸。
详见P53—P562.3管壳式热交换器的传热计算P57-P60自己看壳侧流体流动模型廷克(Tinker)在1947年提出了一个引人注目的壳侧流体流动模型，它将壳侧流体分为错流、漏流及旁流等几种流路，每个流路各有自己的特点，如图所示。
流路A:由于管子与折流板上的管孔间存在间隙，而折流板前后存在压差所造成的泄漏，随着管外壁的结垢而减小。
在环隙间内流动有非常高的换热系数，但降低了主流速度，对传热不利。
流路B:这是真正横向流过管束的流路，它是对传热和阻力影响最大的一项。
流路C:管束最外层管子与壳体之间存在间隙而产生的旁路。
此旁路流量可达相当大的数值。
设置旁路挡板，可改善此流路对传热的不利影响。
流路D:由于折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流，它不但对传热不利，而且会使温度产生相当大的畸变，特别是在层流时。
流路E:对于多管程，若形成多管程的隔板设置在主横向流的方向上，它将会造成一股或多股旁路。
此时，若在旁路走廊中设置一定量的挡板，可以得到一定的改善。
2.4管壳式热交换器的流动阻力计算（1）热交换器内流动阻力引起的压降，是衡量运行经济效果的一个重要指标。
如果压降大，消耗的功率多，就需要配备功率较大的动力设备来补偿因压力降低所消耗的能量。
（2）由流体力学可知，产生流动阻力的原因与影响因素可归纳为：流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是产生流动阻力的根源；固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。
所以，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。
（3）换热器中的流动阻力可分两部分，即流体与壁面间的摩擦阻力；流体在流动过程中，由于方向改变或速度突然改变所产生的局部阻力。
（4）管壳式热交换器的管程阻力和壳程阻力必须计算，由于阻力的单位可表示成压力的单位，故一般用压降△p表示。
如果阻力过大，超过允许的范围时，则需修改设计，以便使所设计的热交换器比较经济。
管壳式热交换器允许的压降如表2.10所示。
2.5管壳式热交换器的合理设计1. 流体在热交换器内流动空间的选择在设计热交换器时必须正确选定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。
这时要考虑下述一些原则：①要尽量提高使传热系数受到限制的那一侧的换热系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近；②尽量节省进深材料，特别是贵重金属，以降低成本；③要便于清洗积垢，以保证运行可靠；④在温度较高的热交换器中应减少热损失，而在制冷设备中则应减少冷量损失；⑤要减少壳体和管子因受热不同而产生的温差应力，以便使结构得到简化；⑥在高压下工作的热交换器，应尽量使密封简单而可靠；⑦要便于流体的流入、分配和排出。
根据这些原则，可以认为在下列情况下的流体在管程流过是比较合理的，即容积流量小的流体；不清洁、易结垢的流体；压力高的流体；有腐蚀性的流体；高温流体或在低温装置中的低温流体。