摘要
2
換熱器又 被叫熱量交換 器，是一種 把熱流體的 熱量傳遞給冷 流體的
設(shè)備，并且實 現(xiàn)化工生產(chǎn) 過程中熱量的 交換和傳遞 不可缺少的設(shè) 備，在
工廠中具有重要的意義。管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點，
在各工業(yè)領(lǐng) 域中得到最為 廣泛的應(yīng)用 。U 型管式換 熱器就是管殼 式換熱
器的一種，屬 石油化工設(shè) 備，由管箱、 殼體及管束 等主要部件組 成，因
其換熱管成 U 形而得名 。折流板顧名思義是用來改變流體 流向的板，常
用于管殼式換 熱器設(shè)計殼 程介質(zhì)流道， 根據(jù)介質(zhì)性 質(zhì)和流量以及 換熱器
大小確定折流 板的多少。 管板，就是在 圓形鋼板上 鉆出比管子外 徑一樣
略大一些的孔 ，是換熱器 中起到固定管 子以及密封 介質(zhì)作用的圓 鋼。固
定管板換熱器中常用的是 U 型膨脹節(jié)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單，補償性好，
價格便宜等優(yōu)點。
已知條件為：設(shè)計壓力為管程 2.0MPa，殼程 1.9MPa，工作溫度管程
90℃，殼程 180℃ ，設(shè)計溫度管程 100 ℃，殼程 200℃ ，管程介質(zhì)為水，
殼程介質(zhì)為高溫油。依據(jù)給定條件，查 GB15 1—1999 書第 138 頁，通過
試算法獲得總傳熱系數(shù)，所得傳熱面積為 73m ?？紤]到介質(zhì)特性、其他
因素，采用Φ25×2.5 的不銹鋼的無縫鋼管作換熱管，本設(shè)計采用 240 根換
熱 管 可 滿 足 換 熱 量 。 設(shè) 定 拉 桿 數(shù) 量 為 12 ， 計 算 得 到 筒 體 直 徑 為
DN=700mm 。完成了壓降 計算、管壁 溫度、傳熱系 數(shù)計算等。 強度設(shè)計
中，依據(jù) GB150 進(jìn)行筒體、封頭強度設(shè)計及校核，依據(jù)流量進(jìn)行入口接
管、出口接管等管口直徑的選擇，依據(jù)等面積補強法進(jìn)行開口補強計算。
本設(shè)計選擇管板延長兼做法蘭，依據(jù) GB151 中的彈性支撐假設(shè)對管板進(jìn)
行設(shè)計和校核 ，管板與換 熱管的連接方 式為焊接， 拉桿與管板為 螺紋連
接結(jié)構(gòu)。同時，進(jìn)行了臥式容器鞍座校核。
我設(shè)計的 U 型管換 熱器每根換 熱管皆彎 成 U 形， 兩端分別固 定在同
一管板上下兩 區(qū)，借助于 管箱內(nèi)的隔板 分成進(jìn)出口 兩室。此種換 熱器完
全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。
關(guān)鍵字:
換熱 器; U 形管
;
折流 板
；管板
Abstract
For
heat
exchanger
was
called
heat
exchanger
is
a kind
of
the thermal
fluid heat transfer to the cold fluid equipment, and the realization of chemical
production in the process of heat exchange and transmission of essential
equipment, in the factory has important significance. Shell and tube heat
exchanger has the advantages of high reliability and wide adaptability, and is
widely used in various industrial fields. U type tube heat exchanger is a shell
and tube heat exchanger, is a petrochemical equipment, from the tube box,
shell and tube bundles and other major components, because of its heat
transfer tube into a U shaped and named. Baffle plate as the name suggests is
used to change the flow direction of the plate, commonly used in shell and
tube heat exchanger design shell medium flow channel, according to the
nature of the medium and flow and the size of the heat exchanger to
determine the number of baffles. Tube plate, is in the circular plate drilled
than the pipe diameter as slightly larger hole is change in the heat exchanger
to pipe fixing and sealing the role of the media bar. Fixed tube sheet for heat
exchanger in commo n is U-type expansion joint, which has simp le and
comp act structure, go od compensatory and cheap price advantage.
For heat exchanger was called heat exchanger is a fluid heat transfer
heat to the cold fluid equipment and known conditions: design pressure
2.0MPa pipes, shell 1.9mpa, working temperature tube process 90 DEG C,
shell of 180 DEG C, design temperature tube process at a temperature of 100
DEG C, shell side 200 DEG C, mo nitor medium for water, shell side medium
for high temperature oil. According to the given conditions, the GB151 - 1999
book 138th pages, the total heat transfer coefficient was obtained by trial
calculation method, the heat transfer area was 73m2. Considering the medium
characteristics and other factors, the phi 25 x 2.5 stainless steel seamless steel
tube
as
heat
transfer
tube
and
the
design
the
240
tube
can
meet
the
heat
transfer. The number of
the set rod is 12,
and
the diameter
of the cylinder
is
DN=1000mm. The calculation
of the pressure drop, the wall
temperat ure and
heat
transfer
coefficient
were completed.
In
the strength
design
and
GB150
basis
for
cylinder
head
design
and
strength
check,
according
to
the flow of
inlet
takeover, outlet nozzle and orifice diameter selection, on the basis of the
area fill method to an opening reinforcement calculation. The design
selection
of pipe plate to extend
and do the flange, based on the elastic support GB151
assumption
on
the tube plate design
and check, tube plate and heat exchanger
tube
connection
for
welding,
tie
rod
and
tube
plate
for
the
threaded
connection structure. At the same time, the horizontal vessel saddle check.
I designed the U type tube heat exchanger each tube is bent into
a
U
shape,
both
ends
were fixed
in
the same tube plate
up
and
down
two
areas,
with
the tube
box
of the partitio n
into
the import
and
export
room
two. The
heat exchanger completely eliminates the thermal stress, simple structure than
the float, but the tube is not easy to clean.
Key words:
Heat exchanger ; Baffle plate ; Flange ;Tube-sheet
目
錄
第一章綜述
.............................................................................................. 1
1.1
1.2
換熱器的發(fā)展及用途........................................................................ 1
換熱器結(jié)構(gòu)形式................................................................................1
1.2.1
1.2.2
換熱器的零部件名稱................................................................. 1
換熱器的主要組合部件............................................................. 3
1.3
間壁式換熱器的類型........................................................................ 4
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
夾套換熱器.................................................................................4
沉浸式蛇管換熱器..................................................................... 4
噴淋式換熱器............................................................................. 5
套管式換熱器............................................................................. 6
列管式換熱器............................................................................. 6
新型高效換熱器......................................................................... 8
1.4
1.5
換熱器的腐蝕原因及防腐措施......................................................11
結(jié)論................................................................................................ 12
參考文獻(xiàn)............................................................................................... 12
第二章?lián)Q熱器傳熱工藝計算................................................................. 14
2.1 起始數(shù)據(jù)......................................................................................... 14
2.2 定性溫度及確定其物性參數(shù).......................................................... 14
2.3 熱量守恒與油流量的計算.............................................................. 15
2.4 管程換熱系數(shù)計算.......................................................................... 15
2.5 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計：.......................................................................... 17
2.6 殼程換熱系數(shù)計算.......................................................................... 17
2.7 傳熱系數(shù)計算..................................................................................18
2.8
2.9
管壁溫度計算..................................................................................19
管程壓降計算..................................................................................20
第三章 U 型換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算........................................................ 21
3.1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)確定........................................... 21
3.2 管子的排列方式.............................................................................. 21
3.3 確定筒體直徑..................................................................................21
3.4 筒體壁厚的確定.............................................................................. 22
3.5 筒體水壓試驗..................................................................................23
3.6 管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計算.................................................. 23
3.7 容器法蘭的選擇.............................................................................. 24
3.7.1 設(shè)備法蘭的選擇....................................................................... 24
3.7.2 接管法蘭的選擇....................................................................... 25
3.8 管板的設(shè)計.....................................................................................26
3.9 管箱短節(jié)壁厚的計算..................................................................... 27
3.10 拉桿和定距管的確定................................................................... 28
3.11 折流 板的選 擇............................................................................... 29
3.11.1 選型.........................................................................................29
3.11.2 折流板尺寸............................................................................. 29
3.11.3 換熱管無支撐跨距或折流板間距.......................................... 29
3.11.4 折流板厚度............................................................................. 29
3.11.5 折流板直徑............................................................................. 29
3.12 接管及開孔補強........................................................................... 30
3.13 分程隔板厚度選取....................................................................... 32
3.14 支座的選擇及應(yīng)力校核............................................................... 32
3.14.1 支座的選擇............................................................................. 32
3.14.2
鞍座的應(yīng)力校核..................................................................... 33
第四章結(jié)論.......................................................................................... 37
參考文獻(xiàn).............................................................................................. 38
致謝...................................................................................................... 40
本
科
畢
業(yè)
論
文
題
院
專
班
目：流量為 110t/h U 形管式加熱器
系： 機械交通工程系
業(yè)： 過程裝備與控制工程
級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
過程裝備與控制工程 專業(yè) 班 學(xué)生：
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：流量為 110t/h U 形管式加熱器
畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容：有關(guān)換熱器綜述一篇；
設(shè)計說明書一份；
設(shè)計計算書說明書一份；
繪制施工圖折合 A1 號圖四張以；
畢業(yè)設(shè)計（論文）專題部分：
指導(dǎo)教師：
教研室主任：
院長：
簽字
簽字
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年
年
年
月
月
月
日
日
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摘要
2
換熱器又 被叫熱量交換 器，是一種 把熱流體的 熱量傳遞給冷 流體的
設(shè)備，并且實 現(xiàn)化工生產(chǎn) 過程中熱量的 交換和傳遞 不可缺少的設(shè) 備，在
工廠中具有重要的意義。管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點，
在各工業(yè)領(lǐng) 域中得到最為 廣泛的應(yīng)用 。U 型管式換 熱器就是管殼 式換熱
器的一種，屬 石油化工設(shè) 備，由管箱、 殼體及管束 等主要部件組 成，因
其換熱管成 U 形而得名 。折流板顧名思義是用來改變流體 流向的板，常
用于管殼式換 熱器設(shè)計殼 程介質(zhì)流道， 根據(jù)介質(zhì)性 質(zhì)和流量以及 換熱器
大小確定折流 板的多少。 管板，就是在 圓形鋼板上 鉆出比管子外 徑一樣
略大一些的孔 ，是換熱器 中起到固定管 子以及密封 介質(zhì)作用的圓 鋼。固
定管板換熱器中常用的是 U 型膨脹節(jié)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單，補償性好，
價格便宜等優(yōu)點。
已知條件為：設(shè)計壓力為管程 2.0MPa，殼程 1.9MPa，工作溫度管程
90℃，殼程 180℃ ，設(shè)計溫度管程 100 ℃，殼程 200℃ ，管程介質(zhì)為水，
殼程介質(zhì)為高溫油。依據(jù)給定條件，查 GB15 1—1999 書第 138 頁，通過
試算法獲得總傳熱系數(shù)，所得傳熱面積為 73m ?？紤]到介質(zhì)特性、其他
因素，采用Φ25×2.5 的不銹鋼的無縫鋼管作換熱管，本設(shè)計采用 240 根換
熱 管 可 滿 足 換 熱 量 。 設(shè) 定 拉 桿 數(shù) 量 為 12 ， 計 算 得 到 筒 體 直 徑 為
DN=700mm 。完成了壓降 計算、管壁 溫度、傳熱系 數(shù)計算等。 強度設(shè)計
中，依據(jù) GB150 進(jìn)行筒體、封頭強度設(shè)計及校核，依據(jù)流量進(jìn)行入口接
管、出口接管等管口直徑的選擇，依據(jù)等面積補強法進(jìn)行開口補強計算。
本設(shè)計選擇管板延長兼做法蘭，依據(jù) GB151 中的彈性支撐假設(shè)對管板進(jìn)
行設(shè)計和校核 ，管板與換 熱管的連接方 式為焊接， 拉桿與管板為 螺紋連
接結(jié)構(gòu)。同時，進(jìn)行了臥式容器鞍座校核。
我設(shè)計的 U 型管換 熱器每根換 熱管皆彎 成 U 形， 兩端分別固 定在同
一管板上下兩 區(qū)，借助于 管箱內(nèi)的隔板 分成進(jìn)出口 兩室。此種換 熱器完
全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。
關(guān)鍵字:
換熱 器; U 形管
;
折流 板
；管板
Abstract
For
heat
exchanger
was
called
heat
exchanger
is
a kind
of
the thermal
fluid heat transfer to the cold fluid equipment, and the realization of chemical
production in the process of heat exchange and transmission of essential
equipment, in the factory has important significance. Shell and tube heat
exchanger has the advantages of high reliability and wide adaptability, and is
widely used in various industrial fields. U type tube heat exchanger is a shell
and tube heat exchanger, is a petrochemical equipment, from the tube box,
shell and tube bundles and other major components, because of its heat
transfer tube into a U shaped and named. Baffle plate as the name suggests is
used to change the flow direction of the plate, commonly used in shell and
tube heat exchanger design shell medium flow channel, according to the
nature of the medium and flow and the size of the heat exchanger to
determine the number of baffles. Tube plate, is in the circular plate drilled
than the pipe diameter as slightly larger hole is change in the heat exchanger
to pipe fixing and sealing the role of the media bar. Fixed tube sheet for heat
exchanger in commo n is U-type expansion joint, which has simp le and
comp act structure, go od compensatory and cheap price advantage.
For heat exchanger was called heat exchanger is a fluid heat transfer
heat to the cold fluid equipment and known conditions: design pressure
2.0MPa pipes, shell 1.9mpa, working temperature tube process 90 DEG C,
shell of 180 DEG C, design temperature tube process at a temperature of 100
DEG C, shell side 200 DEG C, mo nitor medium for water, shell side medium
for high temperature oil. According to the given conditions, the GB151 - 1999
book 138th pages, the total heat transfer coefficient was obtained by trial
calculation method, the heat transfer area was 73m2. Considering the medium
characteristics and other factors, the phi 25 x 2.5 stainless steel seamless steel
tube
as
heat
transfer
tube
and
the
design
the
240
tube
can
meet
the
heat
transfer. The number of
the set rod is 12,
and
the diameter
of the cylinder
is
DN=1000mm. The calculation
of the pressure drop, the wall
temperat ure and
heat
transfer
coefficient
were completed.
In
the strength
design
and
GB150
basis
for
cylinder
head
design
and
strength
check,
according
to
the flow of
inlet
takeover, outlet nozzle and orifice diameter selection, on the basis of the
area fill method to an opening reinforcement calculation. The design
selection
of pipe plate to extend
and do the flange, based on the elastic support GB151
assumption
on
the tube plate design
and check, tube plate and heat exchanger
tube
connection
for
welding,
tie
rod
and
tube
plate
for
the
threaded
connection structure. At the same time, the horizontal vessel saddle check.
I designed the U type tube heat exchanger each tube is bent into
a
U
shape,
both
ends
were fixed
in
the same tube plate
up
and
down
two
areas,
with
the tube
box
of the partitio n
into
the import
and
export
room
two. The
heat exchanger completely eliminates the thermal stress, simple structure than
the float, but the tube is not easy to clean.
Key words:
Heat exchanger ; Baffle plate ; Flange ;Tube-sheet
目
錄
第一章綜述
.............................................................................................. 1
1.1
1.2
換熱器的發(fā)展及用途........................................................................ 1
換熱器結(jié)構(gòu)形式................................................................................1
1.2.1
1.2.2
換熱器的零部件名稱................................................................. 1
換熱器的主要組合部件............................................................. 3
1.3
間壁式換熱器的類型........................................................................ 4
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
夾套換熱器.................................................................................4
沉浸式蛇管換熱器..................................................................... 4
噴淋式換熱器............................................................................. 5
套管式換熱器............................................................................. 6
列管式換熱器............................................................................. 6
新型高效換熱器......................................................................... 8
1.4
1.5
換熱器的腐蝕原因及防腐措施......................................................11
結(jié)論................................................................................................ 12
參考文獻(xiàn)............................................................................................... 12
第二章?lián)Q熱器傳熱工藝計算................................................................. 14
2.1 起始數(shù)據(jù)......................................................................................... 14
2.2 定性溫度及確定其物性參數(shù).......................................................... 14
2.3 熱量守恒與油流量的計算.............................................................. 15
2.4 管程換熱系數(shù)計算.......................................................................... 15
2.5 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計：.......................................................................... 17
2.6 殼程換熱系數(shù)計算.......................................................................... 17
2.7 傳熱系數(shù)計算..................................................................................18
2.8
2.9
管壁溫度計算..................................................................................19
管程壓降計算..................................................................................20
第三章 U 型換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算........................................................ 21
3.1 換熱管材料及規(guī)格的選擇和根數(shù)確定........................................... 21
3.2 管子的排列方式.............................................................................. 21
3.3 確定筒體直徑..................................................................................21
3.4 筒體壁厚的確定.............................................................................. 22
3.5 筒體水壓試驗..................................................................................23
3.6 管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭厚度的計算.................................................. 23
3.7 容器法蘭的選擇.............................................................................. 24
3.7.1 設(shè)備法蘭的選擇....................................................................... 24
3.7.2 接管法蘭的選擇....................................................................... 25
3.8 管板的設(shè)計.....................................................................................26
3.9 管箱短節(jié)壁厚的計算..................................................................... 27
3.10 拉桿和定距管的確定................................................................... 28
3.11 折流 板的選 擇............................................................................... 29
3.11.1 選型.........................................................................................29
3.11.2 折流板尺寸............................................................................. 29
3.11.3 換熱管無支撐跨距或折流板間距.......................................... 29
3.11.4 折流板厚度............................................................................. 29
3.11.5 折流板直徑............................................................................. 29
3.12 接管及開孔補強........................................................................... 30
3.13 分程隔板厚度選取....................................................................... 32
3.14 支座的選擇及應(yīng)力校核............................................................... 32
3.14.1 支座的選擇............................................................................. 32
3.14.2
鞍座的應(yīng)力校核..................................................................... 33
第四章結(jié)論.......................................................................................... 37
參考文獻(xiàn).............................................................................................. 38
致謝...................................................................................................... 40
第一章綜述
1.1
換熱器的發(fā)展及用途
能源是當(dāng)前人類面臨的重要問題之一，能源的開發(fā)及轉(zhuǎn)換利用已成為各國的
重要課題之一，而換熱器是能源利用的過程中必不可少的設(shè)備，幾乎一切工業(yè)領(lǐng)
域都要使用它，化工、冶金、動力、交通、航空與航天等一些部門應(yīng)用尤為廣泛。
近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)和利用，各種類型的換熱器越來越受到工業(yè)
界的重視，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備之一，因此，無論是從工業(yè)
的發(fā)展，還是從能源的高效利用，換熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運行都具有
非常重要的發(fā)展意義。
近年來隨著節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，利用換熱器進(jìn)行高溫
和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟效益。換熱器分類方式有多樣形式,按照其工
作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類型,間壁
式換熱器又可分為列管式和板殼式換熱器兩類型,其中列管式換熱器以其高度的
可靠性和廣泛的適應(yīng)性,在長期的操作過程中積累了豐富的實用經(jīng)驗,其設(shè)計資料
比較齊全, 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展都很快，新結(jié)構(gòu)、
新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)出來。
近年來盡管列管式換熱器也受到了新型換熱器的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),但由于它具有結(jié)
構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等一些優(yōu)點,列管式換熱器目前仍是化
工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型的換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱
設(shè)備中仍占有顯著的優(yōu)勢。
1.2
換熱器結(jié)構(gòu)形式
1.2.1
換熱器的零部件名稱
1
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
第一章
綜述
表 1.1
序
號
名稱
序
號
名稱
序
號
名稱
1
接管法蘭
11
活動鞍座
（部件）
21
縱向隔板
2
管箱法蘭
12
U 形換熱管
22
接管
3
殼體法蘭
13
擋管
23
內(nèi)導(dǎo)流筒
4
防沖板
14
固定鞍座
（部件）
24
圓筒
5
補強圈
15
滑到
25
管箱側(cè)墊
片
6
殼體（部
件）
16
管箱墊片
26
凸形封頭
7
折流板
17
管箱圓筒
（短節(jié)）
27
雙頭螺柱
或螺栓
8
拉桿
18
封頭管箱
（部件）
28
放氣口
9
定距管
19
分層隔板
29
螺母
10
支持板
20
中間擋板
圖 1
U 型管式換熱器
2
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
第一章
綜述
1.2.2
換熱器的主要組合部件
換熱器的主要組合部件有前段管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分組
成。詳細(xì)分類見圖 2。
圖 2
主要部件的分類及代號
3
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
第一章
綜述
1.3
間壁式換熱器的類型
換熱器的分類:（1）按用途分類：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸
器（2）按冷熱流體熱量的交換方式可分為： 混合式、蓄熱式和間壁式（3）主
要內(nèi)容有：1. 根據(jù)工藝的要求，選擇合適的換熱器類型；2. 通過有關(guān)計算選擇
合適的換熱器規(guī)格。
1.3.1 夾套換熱器
夾套換熱器(圖 3) 的結(jié)構(gòu)：夾套式換熱器的主要用于反應(yīng)過程的加熱或冷卻，
是在容器外壁安裝夾套制成的。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較簡單。缺點：傳熱面受容器壁面
限制，傳熱系數(shù)小。 為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，可在釜內(nèi)安 裝攪
拌器。也可在釜內(nèi)安裝蛇管。
1.3.2
圖(3)
沉浸式蛇管換熱器
沉浸式蛇管換熱器(圖 4) 結(jié)構(gòu)：這種換熱器多以金屬管子繞成，或制成各種與
容器相適應(yīng)的情況，并沉浸容器內(nèi)的液體中。
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，便于防腐，能承受高壓。
缺點：由于容器體積比管子的體積大得多,因此管外流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較
小。
4
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第一章
綜述
1.3.3
圖（4）
噴淋式換熱器
噴淋式換熱器(圖 5)
圖(5)
結(jié)構(gòu)：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來，沿管表面流下來，被冷
卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進(jìn)行
換熱。在下流過程中，冷卻水可收集再進(jìn)行重新分配。
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好
缺點：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。
5
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第一章
綜述
用途：用于冷卻或冷凝管內(nèi)液體。
1.3.4 套管式換熱器
套管式換熱器(圖 6)
圖(6)
結(jié)構(gòu)：由不同直徑組成的同心套管，可根據(jù)換熱要求，將幾段套管用 U 形管
連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數(shù)較大，能保持完全逆流使
平均對 數(shù)溫差最大，可增減管段數(shù)量應(yīng)用方便。
缺點：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。
用途：廣泛用于超高壓生產(chǎn)過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場
合。
1.3.5 列管式換熱器
列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，
占據(jù)主導(dǎo)作用。
優(yōu)點：單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的
結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。
結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。 一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱
為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。
根據(jù)所采取的溫差補償措施，列管式換熱器可分為以下幾個型式。
6
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綜述
（1）固定管板式(圖 7)
圖(7)
1— 列管
2—膨脹節(jié)
殼體與傳熱管壁溫度之差大于 50°C，加補償圈，也稱膨脹節(jié)，當(dāng)殼體和管束
之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。
特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)
生垢層和腐蝕的介質(zhì)。
（2）浮頭式(圖 8)
1—分程板（管程隔板）
2—殼程隔板
圖(8)
3—內(nèi)封頭（浮頭）
兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當(dāng)殼體與管束因
溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消
除熱應(yīng)力。
特點：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形
式。
（3）U 型管式(圖 9)
7
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綜述
1—列管
圖(9)
2— 隔板
把每根管子都彎成 U 形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，
來解決熱補償問題。
特點：結(jié)構(gòu)較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。
1.3.6 新型高效換熱器
1. 螺旋板式換熱器(圖 10)
8
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綜述
?
圖(10)
2.
?
結(jié)構(gòu)：螺旋板式換熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制成螺旋
狀而構(gòu)成的。換熱時，冷、熱流體分別進(jìn)入兩條通道，在器內(nèi)作嚴(yán)格的逆
流流動。
( 11)
板式換熱器 圖
9
圖(11)
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綜述
結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小
很小的空間即可提供較大的換熱面積，不需另外的拆裝
空間；相同使用環(huán)境下，其占地面積和重量是其他類型換熱器的 1/3～1/5。
3. 板翅式換熱器(圖 12)
圖(12)
在兩塊平行金屬板之間夾入波紋狀金屬翅片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個單元體；
將各單元體進(jìn)行不同的疊集和適當(dāng)?shù)嘏帕校儆免F焊予以固定，形成逆流、并流
和錯流的板翅式換熱器組裝件(芯部或板束) ；將帶有進(jìn)、出口的集流箱焊接到
板束上。
特點：傳熱效果更好、結(jié)構(gòu)更為緊湊。
4. 熱管式換熱器(圖 13)
10
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第一章
綜述
圖(13)
結(jié)構(gòu)及工作原理：將一根金屬管的兩端密封，抽出不凝性氣體，充以一定量
的某種工作液體而成。當(dāng)熱管的一端被加熱時，工作液體受熱沸騰汽化，產(chǎn)生的
蒸汽流至冷卻端冷凝放出冷凝潛熱，冷凝液沿著具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的吸液芯在毛細(xì)管
力的作用下回流至加熱段再次沸騰汽化，工作介質(zhì)如此反復(fù)循環(huán)，熱量則由熱管
的軸向由加熱端傳至冷卻端。
1.4
換熱器的腐蝕原因及防腐措施
煉油工業(yè)中，換熱器的應(yīng)用十分廣泛，其重要性也是顯而易見的，換熱設(shè)備
利用率的高低直接影響到煉油工藝的生產(chǎn)效率以及成本的費用等問題。據(jù)統(tǒng)計換
熱器在化工建設(shè)中約占投資的 1/5,因此換熱器的利用效率及壽命是值得研究的
重要課題。由換熱器的損壞原因來看，腐蝕是一個非常重要的原因之一，而且換
熱器的腐蝕是大量的普遍存在的問題，能夠解決好腐蝕問題，就等于解決了換熱
器損壞的根本原因。要想防止換熱器的腐蝕發(fā)生，就得弄清楚腐蝕的根源問題，
換熱器的腐蝕的原因有兩中：1.換熱器用材的選擇，2.換熱器的金屬腐蝕
換熱器幾種常見的腐蝕破壞類型 1.均勻腐蝕在整個暴露于介質(zhì)的表面上，或
者在較大的面積上產(chǎn)生的，宏觀上均勻的腐蝕破壞叫均勻腐蝕。2.接觸腐蝕兩種
電位不同的金屬或合金互相接觸，并浸于電解質(zhì)溶解質(zhì)溶液中，它們之間就有電
流通過，電位正的金屬腐蝕速度降低，電位負(fù)的金屬腐蝕速度增加。3.選擇性腐
蝕合金中某一元素由于腐蝕，優(yōu)先進(jìn)入介質(zhì)的現(xiàn)象稱為選擇性腐蝕。 4.孔蝕集
11
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第一章
綜述
中在金屬表面?zhèn)€別小點上深度較大的腐蝕稱為孔蝕，或稱小孔腐蝕、點蝕。5.
縫隙腐蝕在金屬表面的縫隙和被覆蓋的部位會產(chǎn)生劇烈的縫隙腐蝕。6.沖刷腐蝕
是由于介質(zhì)和金屬表面之間的相對運動而使腐蝕過程加速的一種腐蝕。 7.晶間
腐蝕晶間腐蝕是優(yōu)先腐蝕金屬或合金的晶界和晶界附近區(qū)域，而晶粒本身腐蝕比
較小的一種腐蝕。8.應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）和腐蝕疲勞 SCC 是在一定的金屬一介
質(zhì)體系內(nèi)，由于腐蝕和拉應(yīng)力的共同作用造成的材料斷裂。9.氫破壞金屬在電解
質(zhì)溶液中，由于腐蝕、酸洗、陰極保護或電鍍，可以產(chǎn)生因滲氫而引起的破壞。
冷卻介質(zhì)對金屬腐蝕的影響工業(yè)上使用最多的冷卻介質(zhì)是各種天然水。影響金屬
腐蝕的因素很多，對幾種常用金屬的影響：1.溶解氧水中的溶解氧是參加陰極過
程的氧化劑，因此它一般促進(jìn)腐蝕。2.其他溶解氣體在水中無氧時 CO2 將導(dǎo)致
銅和鋼的腐蝕，但不促進(jìn)鋁的腐蝕。3.硬度一般說來，淡水的硬度增高對銅、鋅、
鉛和鋼等金屬的腐蝕減小。4.pH 值鋼在 pH>11 的水中腐蝕較小，pH<7 時腐蝕增
大。5.離子的影響氯離子可以破壞不銹鋼等鈍化金屬的表面，誘發(fā)孔蝕或 SCC。
6.垢的影響淡水中的 CaCO3 垢。CaCO3 垢層對傳熱不利，但是有利于防止腐蝕。
1.5
結(jié)論
計,
換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)
在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的 30% , 在煉油廠中占
全部工藝設(shè)備的 40%
左右,
海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。
對國外換熱器市場的調(diào)查表明,
雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式
換熱器仍占主導(dǎo)地位約 64%
。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明,
列管式換熱器已進(jìn)入一個新的研究時期,
無論是換熱器傳熱管件,
還是殼程的折
流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學(xué)性能、換熱效率、
抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面也均有了新的進(jìn)步。目前各國為改
善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究, 主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強化
傳熱的發(fā)展。
12
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第一章
綜述
參考文獻(xiàn)
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JB/T 4737-95
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《橢圓形封頭》.北京：機械工業(yè)出版社，1996
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JB/T 4717-92 《U 型管式換熱器型式與基本參數(shù)》
錢頌德主編.《換熱器設(shè)計手冊》.北京：化學(xué)工業(yè)出版，2002.8
化工部設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站 毛希瀾.《化工設(shè)備設(shè)計全書（換熱器設(shè)計）》
《化工設(shè)備設(shè)計全書》編輯委員會編，化工設(shè)備設(shè)計全書——換熱器，化學(xué)工業(yè)出版
社，2003 年 5 月第一版
13
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第二章 換熱器 傳熱工藝 計算
第二章?lián)Q熱器傳熱工藝計算
2.1 起始數(shù)據(jù)
殼程油的進(jìn)口溫度：
t
，
1 =180℃
t
,,
殼程油的出口溫度：
1
=120℃
,
t
,,
t
t h
殼程油的工作壓力：P1=1. 9MPa
管程水的進(jìn)口溫度： =20℃
管程水的出口溫度： =90℃
管程水的工作壓力：P2 =2.0MPa
殼程油的流量：G1=110 =110000Kg/h
2.2 定性溫度及確定其物性參數(shù)
①殼程：
殼程油的定性溫度：t1=150℃
查表得殼程油的密度：ρ1=730Kg/m3
查表得殼程油的比熱：Cp1=2.6KJ/(Kg·
℃)
查表得殼程油的導(dǎo)熱系數(shù)：λ1=0.097w/(m·℃)
殼程油的粘度：μ1=378.5×10-6Pa·s
查表得殼程油的普朗特系數(shù)：Pr1=10.14
②管程：
管程油的定性溫度：t2=55℃
查表得管程油的密度：ρ2=985.65Kg/m3
查表得管程油的比熱：CP2=4.176Kg/(Kg·℃)
查表得管程油的導(dǎo)熱系數(shù)：λ2=0.654w/(m·℃)
查表得管程油的粘度：μ2=509.1×10-6Pa·s
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第二章 換熱器 傳熱工藝 計算
查表得管程油的普朗特系數(shù)：Pr2=3.26
2.3 熱量守恒與油流量的計算
, ,,
t t
,, ,
C p2(t - t )
, ,, ,, ,
, ,,
t - t
ln（ )
,, ,
t - t
,, ,
, ,
t - t
P= = =0.4375
, ,,
,, ,
t - t
參數(shù)：R= = =0.86
假定取熱交換效率為η=0.98
其設(shè)計傳熱量：
Q0=G1×Cp1×( － )×η×1000/3600
=110000×2.6×(180－120)×0.98×1000/36 00
=4671333W
則管程苯流量為：
Q0
G2= =3600×467133/4.174×（90-20）×1000=57556.3Kg/h
2.4 有效平均溫度的公式計算
- [(t2 - t1 ) - (t2 - t1)]
△tn= =91.44℃
其中有關(guān)參數(shù)的計算
t1 - t1
180 - 20
t2 - t2
90 - 20
加熱器器按照單殼程雙管程設(shè)計差《管程式換熱器原理與設(shè)計》圖 2-6（a），得：
溫差校正系數(shù)∮=0.908
有效平均溫差：△ tm=∮△tn=0.908×91.44=83℃
2.4 管程換熱系數(shù)計算
參考表 2—7《管殼式換熱器原理與計算》
15
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第二章 換熱器 傳熱工藝 計算
K
0
= 500
w
m × °C
Q 4671333
= =
0
初選傳熱系數(shù)：
則初選傳熱面積為：
K 0 ′ Dtm 500 ′ 83
2
=112.56m
選用
F25
′
2.5
不銹鋼的無縫鋼管作換熱管。
d =25mm
則
管子外徑
0
N
t
F
113
=
管子內(nèi)徑 di=20mm
管子長度 L=6000mm
則所需換熱管根數(shù)：
d0 l
=240
3.14×0.025×6
可取換熱管根數(shù)為
240
a =
根
N t
′
p
′ d
2
=
240
′
p
2
′ 0.02
= 0.038m
2
則管程流通面積為
w2 =
管程流速為：
r
2
2
′
2
G
a2
2
′
4
3600
i
=
2
986′
4
57556
3600 ′
0.038
kg
=0.427
m
s
（兩管程）
管程質(zhì)量流速為：
W
2
= w2 r
2
= 986′0.427 = 421
m
2
×
s
Re
=
r
2
′ w
m
2
′ di
=
-
986′ 0.5′ 0.02
5′ 10
=
19720
管程雷諾數(shù)為
管 程
傳
2
0.8
染
系
數(shù)
0.8
為
：
a
2
=
0.2
3600 ′ (1 + 0.015t
(100d i )
2
) ′ w2
=
0.2
3600 ′ (1 + 0.015 ′ 90 )′ 0.833
(100 ′ 0.015)
= 6740
16
6
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第二章 換熱器 傳熱工藝 計算
2.5 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計：
查 GB151—1999 知管間距按1.25d
管間距為：S=1.25×0.025=0.031m
0
取：
取
管束中心排管數(shù)為：
18 根
N
c
=
1.1
N
t
=
1.1
240
=
18
則殼體內(nèi)徑為：
故內(nèi)徑為 0.7m
L
Di
6
=
S
(N
c
-
1)+
4d
0
=
0.031
′ (18
-
1)+
4
′
0.025
=
0.627
則內(nèi)徑比為
Di
=
0.7
= 8.6
（合理）
D 0.7
折流板間距為： B = = = 0.35m
l 6
= - = - =16.2
B
B 0.35
折流板由書可知可以選擇弓形折流板。
則弓形折流板的弓高為：h = 0.2Di = 0.2 ′ 0.7 = 0.14 m
2 2
折流板數(shù)量為： 實際取 15 塊
2.6 殼程換熱系數(shù)計算
f1
=
BD
i
?
?
1
-
d
0
?
÷
=
0.35
′
0.7
′
?
?
1
-
0.025 ?
÷
=
0.05m
2
殼程流通面積為：
G1
è
3600
s
?
110000
è
0.031
m
?
w1
殼程流速為：
=
r
1
f1
=
3600
′
730
′
0.05
= 0.84
kg
s
殼程質(zhì)量流速為：
W1
= w1r
1
= 730′ 0.84 = 613.2
m
2
×
s
d
e
=
D
2
i
-
N t d
2
0
=
0.7
2
-
240
′
′
2
0.025
= 0.0567
殼程當(dāng)量直徑為：
N t d0
240
0.025
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第二章 換熱器 傳熱工藝 計算
殼程雷諾數(shù)為：
Re
1
=
r1w1d
m1
e
=
h
-
730′ 0.84′ 0.0567
379 ′10
=
91737
切去弓形面積所占比例按
Di
= 0.2 查得為 0.145
°
-6
= ′ ×
w
0.14
? m ?
? ÷
? ÷ 0.9377
? ÷
m
è ?
殼程傳熱因子由《管殼式換熱器原理與設(shè)計》書圖 2-12 可查得： Js = 120
管外壁溫度假定值為：
壁溫下油的黏度為：
黏度修正系數(shù)為：
殼程換熱系數(shù)為
2.7 傳熱系數(shù)計算
3 3
1 1
K = =
1 d 1′ d 1 0.019 0.019
+ g + g + + 0.000172 + 0.000172 +
819.44 0.015 6740* 0.015
w
K
j
則傳熱系數(shù)比為： = = 1.11 (合理)
查 GB151—1999 書第 138 頁可知：殼程選用柴油、管程選用原油
則油側(cè)污垢熱阻為：g 1 = 0.000172 g 2 = 0.000172
由于管壁比較薄，管殼層阻力損失都不超過 0.3×10 N/m 所以管壁的熱阻g 可
以忽略不計。
所以可以計算出總傳熱系數(shù)為：
1 i 2 i
m × °C
K0 500
所以假設(shè)合理。
18
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第二章 換熱器 傳熱工藝 計算
2.8 管壁溫度計算
管外壁熱流溫度計算為：
q1
=
N
p
Q0
t 0
=
240
′
4671333
3.14 ′ 0.025
′
6
= 41325 w
m
2
× °C
管
=
-
?
?
1
外
+ g