第32卷，总第186期2014年7月，第4期
《节能技术》
ENEＲGY CONSEＲVATION TECHNOLOGY
Vol.32，Sum.No.186
Jul.2014，No.4
LNG板翅式换热器板翅结构热应力分布规律分析
周丹1，麻宏强2
(1．中海石油气电集团有限责任公司，北京100027;2．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150090)
摘要:为保证LNG板翅式换热器冷箱安全运行，建立了板翅结构热应力有限元耦合分析物
理模型，采用热－力直接耦合方法分析了大型LNG板翅式换热器冷箱正常运行时板翅结构的热应
力分布规律，分析结果表明:实际运行工况下板翅结构的第一主应力、第三主应力以及基于第三强
度理论的等效应力在钎焊位置处变化梯度较大，并且等效应力最大值出现在翅片和隔板钎焊位置处，从而使钎焊位置可能发生疲劳破坏;对于整个板翅结构，结构最薄弱区在最外层隔板与翅片的
钎焊位置处。上述研究成果将为大型LNG冷箱内板翅式换热器结构设计和安全可靠运行提供重
要参考依据。
关键词:LNG;板翅式换热器;热应力;ANSYS模拟;有限元分析
中图分类号：TK172；TK225文献标识码：A文章编号：1002－6339（2014）04－0291－04
Thermal Stress Distribution of Plate－fin Structure in LNG
Plate－fin Heat Exchanger
ZHOU Dan1，MA Hong－qiang2
（1．CNOOC Gas＆power Group，Beijing100027，China；2．Harbin Institute of Technology，
Harbin150090，China）
Abstract：In order to ensure the safe operation of large－scale cold－box，a finite element model（FEM）based on thermal elastic theory was proposed to simulate thermal stress distribution of plate－fin structure
in large LNG cold box under the normal operating conditions．Thermal－stress direct coupling method was adopted in this analysis．By the thermal stress distribution in four paths marked in the structure，it is found that，in actual operating conditions，the first principal stress and the third principal stress reach to maximum value in brazed joint，the stress gradient is larger than that of other region and a crack would be occurred in this region．And the equivalent thermal stress based on third strength theory was also calcu-lated in four paths．The result is consistent with the simulation results．Meanwhile，it also concluded that the most dangerous region is the outermost brazed joint between plate and fin for the whole plate－fin structure．These results will provide some constructive instructions in the design and safe operation for large－scale LNG cold－box．
Key words：LNG；plate fin heat exchanger；thermal stress；ANSYS；finite element analysis
收稿日期2014－03－15修订稿日期2014－05－07
基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA09A216）
作者简介：周丹（1964 ），男，工学硕士，高级工程师，长期从事LNG和油气储运相关技术研究及管理工作。
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0引言
由于板翅式换热器结构紧凑、传热效率高、经济性好以及可同时进行多种介质换热等特点，其在天然气液化工业得到广泛应用［1－2］。目前，铝制板翅式换热器主要应用于小型LNG液化工厂，世界范围内很少采用铝制板翅换热器作为大型LNG冷箱内的主低温换热器［3］；但是，随着全球天然气需求量日益增长，大型LNG冷箱相关技术应取得突破。板翅式换热器作为大型LNG冷箱关键设备，其关键部件———板翅结构的热应力集中严重影响其安全、可靠运行［4－5］。
国内外学者在板翅式换热器局部热应力方面做了大量研究，但主要集中在其钎焊残余应力研究方面：如在高温环境下，由于钎料与母材之间力学性能不匹配，在钎焊接头处产生较大焊接残余应力，这将严重影响其蠕变行为和寿命［6－7］，所以文献［8－9］对板翅结构钎焊过程中的蠕变行为进行了研究，结果表明翅片和隔板钎焊位置处为板翅结构最容易破坏位置，最大残余应力对其蠕变行为产生很大影响。文献［9－10］采用有限元方法基于二维模型对三层板翅结构钎焊过程进行了热－力分析，其表明隔板与翅片具有不同热变形和应力应变分布特征，板翅钎焊接头钎角处应力状况复杂，易萌生裂纹导致板翅结构的失效。同时，文献［11］采用热－力顺序耦合方法对板翅结构典型路径钎焊过程中产生的残余应力变化规律进行了研究，同样得出最大残余应力发生在翅片和隔板钎焊位置处。文献［12］在文献［13］二维分析的基础上建立了三维模型，利用有限元软件ABAQUS，对不锈钢板翅结构在钎焊过程中产生的残余应力及其高温下的蠕变松弛行为进行三维有限元分析，结果表明在高温环境下，由于蠕变松弛残余应力大幅度下降，但是钎缝处仍然存在一定的残余应力，其本质上是对前面分析方法的一种改进。上述文献综述表明，目前研究主要是基于热弹塑性理论的板翅结构钎焊残余应力以及高温蠕变进行研究，而基于热弹性理论的运行工况下板翅结构热应力分布规律研究较少。
为保证大型LNG板翅式换热器冷箱的安全可靠性运行，有必要研究实际运行条件下，板翅结构的热应力分布规律。本文在板翅结构强度理论分析的基础上，建立了板翅结构有限元数学物理模型，基于热弹性理论采用热－力直接耦合有限元方法分析了实际运行工况下板翅结构热应力分布规律，得出了板翅结构热应力集中区。1板翅结构强度理论分析
依据第三强度理论，引起板翅结构屈服破坏的主要因素是最大剪应力，即无论板翅结构处于何种应力状态，只要最大剪应力τmax达到材料单向拉伸屈服时最大剪应力的极限值τ0max时，板翅结构就发生塑性屈服破坏。当引入安全系数后，第三强度理论条件可表示为
σr≤［σ］（1）其中等效应力σr可表示为
σr=σ1－σ3（2）式中［σ］———许用应力/Pa；
σr———等效应力/Pa；
σ1———第一主应力/Pa；
σ3———第三主应力/Pa。
依据该理论，当板翅结构等效应力超过其对应许用应力时有可能引起板翅结构应力破坏，所以本文在板翅结构第一主应力、第三主应力分布规律分析的基础上，分析了基于第三强度理论计算的等效应力的分布规律。
2有限元模型分析
2．1模型简化
板翅结构是LNG板翅式换热器的核心部件，其主要由翅片、隔板通过不同叠积和适当排列钎焊而成，如图1。由于其结构的周期性、重复性以及复杂性，需要对其做相应假设：
（1）板翅结构内部天然气（NG）、混合冷剂（MＲ）交替流动，并进行逆流换热，如图1；
（2）忽略层数对板翅结构热应力特性的影响；
（3）板翅结构整体材料与钎焊焊缝钎料均为AL3004。基于上述假设可取四层流道进行分析；同时，考虑到板翅结构的周期对称性以及在很短长度L内沿流道长度方向流体温度变化较小，所以在与长度L垂直的截面上取一个周期（图1虚线部分），长度L方向取很小一段进行分析，简化模型如图2，网格模型如图3所示，结构参数见表1。
表1模型结构参数（层数从下向上一次递增）
隔板厚度
d/mm
翅数翅片厚度
f/mm
翅片高度
h/mm
翅片内距
g/mm
翅片有效
长度L/mm 第一层1．61000．460．65
第二层1．61000．460．65
第三层1．61000．460．65
第四层1．61000．460．65
第五层1．6
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图1
板翅式换热器结构示意图
图2
板翅式换热器
结构简化模型
图3
简化模型的局部网格
2．2
材料属性
由于AL3004材料性能参数从常温到低温时变
化较大，所以在整个分析过程中考虑了温度对膨胀系数、弹性模量的影响，忽略了其对导热系数、密度以及比热容的影响，其详细物性参数见表2。
表2
AL3004力学性能参数
温度/K E /GPa CET （10－6）1/K 泊松
比
比热/J ·kg －1·K －1
密度
/kg ·m －3导热系数
/J ·m －1·K －1
30568．922．1325070．618．8119572．412．590．33
893
2730
162．7
17573．29．4915073．54．88145
74．5
4．88
2．3
有限元分析方法
ANSYS 热－力耦合分析方法主要有顺序耦合
和直接耦合，顺序耦合是首先对板翅结构进行热分析得出结构温度场，然后将热分析得到的结构温度场作为结构分析的热载荷加载到结构上进行结构应力分析；而直接耦合一般只涉及到一次分析，使用包括所有必要自由度的耦合场单元，通过计算包含所需物理量单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。由于翅片、隔板结构尺寸小，相对变形量大等特点，需要考虑温度场与应变场相互影响，本文采用基于热
弹性理论的热－力直接强耦合有限元方法；同时，板翅结构截面具有周期对称性，采用周期性对称边界；天然气、混合冷剂与固体壁面是一个对流换热过程，其热边界采用对流换热边界，即
q =h （T f －T w ）
式中
q ———壁面热流密度/W
·m －2；h —
——冷热流体对流换热系数/W ·m －2·K －1；T f ———流体温度/K ；
T W ———壁面温度/K 。
对于流道内部结构边界，施加流体操作压力；在板翅结构上顶面施加外力边界，模拟外界对它的作用如图3。
3模拟结果分析
为分析LNG 板翅式换热器冷箱在实际运行过程中板翅结构热应力分布规律，本节在表3边界条件下对板翅结构热应力进行模拟，并对图3四条典型路径的第一主应力、第三主应力以及基于第三强度理论计算的等效热应力（式（2））变化规律进行分析，图4是路径1的热应力分布规律，计算结果表明
在翅片和隔板钎焊位置1、2处第一主应力、第三主应力和等效热应力变化梯度较大，并且第一主应力和等效热应力均达到最大值；图5是路径2的热应力分布规律，结果表明在翅片结构局部突变位置4以及翅片和隔板钎焊位置2处第一主应力、第三主应力以及等效热应力变化梯度较大，并且均达到局部最大，但对整个路径来说，其最大应力仍处在翅片和隔板钎焊位置2处。图6是路径2的热应力分布规律，通过图6同样得出在结构突变位置和翅片与隔板钎焊位置处第一主应力、第三主应力以及等效应力变化梯度较大，并且第一主应力和等效应力均出现峰值，但整个路径的第一主应力和等效应力最大值仍然在翅片和隔板钎焊位置6处；图7是路径4的热应力分布规律，与路径1得出相同的结果，其最大热应力分布在板翅结构翅片和隔板钎焊位置处。但通过图4与图7对比，可以得出路径1钎焊位置处最大应力大于路径4钎焊位置的最大应力，也就是说，最外层隔板与翅片的钎焊位置处是整个板翅结构的薄弱处。综上所述在实际运行工况下板翅结构第一主应力、第三主应力以及基于第三强度理论的等效热应力在翅片和隔板钎焊位置处变化梯度较大，并且等效应力达到最大值，这意味着翅片和隔板钎焊位置处为局部结构薄弱区，但对于整个板翅结构，其最不利点处在最外层隔板与翅片的钎焊位置处。
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392·
表3边界条件设置
边界条件数值MＲ温度/K 150MＲ压力/MPa
0．35MＲ换热系数/W ·m －2·K －11100NG 温度/K 160NG 压力/MPa
7．0
NG 换热系数/W ·m －2
·K －1
1400外载荷/MPa
0．
9
图4
路径1
应力变化
图5路径2
应力变化
图6路径3应力变化
4结论
本文基于热弹性理论建立了板翅式换热器板翅
结构物理模型，采用热－
力结构直接耦合方法模拟图7路径4应力变化
分析了大型LNG 冷箱实际运行时内部板翅式换热器板翅结构的热应力分布规律，其模拟结果表明：（1）大型LNG 板翅式换热器冷箱实际运行过程中，其翅片和隔板钎焊位置处承受着局部最大应力，该处易发生结构疲劳破坏。
（2）对于实际运行中的整个板翅式结构来说，
其最大应力出现在最外层隔板与翅片的钎焊位置处，在板翅式换热器结构设计中应予以注意。
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(下转第304页)
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动，在密封齿和转轴之间的环形腔室内，泄漏流动由于转轴的旋转而具有周向分速，使泄漏流动有减小的趋势。由于密封和转轴之间形成的环形腔室的作用，泄漏流动在密封间隙后的动能有效地转化为热能，起到了良好的密封作用。
（2）在相同的隔板前后压力差的情况下，密封轴向距离和间隙不变的条件下，泄漏量随着齿间距的减小而减小。在相同的密封轴向距离和间隙条件下，密封齿间距不变时，泄漏量随着压比的增加而减小。
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板式换热器结构及工作原理 要了解板式换热器，首先看一下其结构图： 板式换热器是按一定的间隔，由多层波纹形的传热板片，通过焊接或由橡胶垫片压紧构成的高效换热设备。按其加工工艺分为可拆式换热器和全焊接不可拆式换热器，办焊接式换热器是介于两者之间的结构，即两种流体作为相对独立的结构体进行组装的。板片的焊接或组装遵循两两交替排列原则组装时，两组交替排列。为增加换热板片面积和刚性，换热板片被冲压成各种波纹形状，目前多为v型沟槽，当流体在低流速状态下形成湍流，从而强化传热的效果，防止在板片上形成结垢。板上的四个角孔，设计成流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。 板式换热器的特点： （1）由于采用0.6mm—0.8mm不锈钢片，传热效率得以极大的提高。 （2）体积小，是管壳式换热器体积的1/3——1/5，既节省了金属材料，又减少了占地面积。 （3）组装灵活，便于推行标准作业，从而为进一步降低生产成本带来可能。
（4）不易结构，清洗方便，便于日常维护。 （5）由于体积小、响应迅速，运行热损失小。 （6）焊接式板式换热器的缺点是焊接工艺要求高、带来成本的增加：可拆卸换热器运行温度受密封材料制约，一般在200摄氏度以 下，耐压能力也较差。 实际应用中，根据不同用户的要求，选择不同的换热器。一般工矿企业、社区楼宇集中供热换热站采用可拆式换热器，家庭生活用热水、室内空调等小功率用户采用全焊接式板式换热器。随着焊接技术和工艺的不断改进和提高，大功率换热器采用全焊接工艺将日益普及，结构更趋经凑合理。 发展展望：据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资占30% ~40%。在制冷机中，蒸发器和冷凝器的重量占机组重量的30% ~40%，动力消耗占总动力消耗的20% ~30%。可见换热器对企业投资、金属耗量以及动力消耗有着重要的影响。大力发展板式换热器更替原有效率低下、材料消耗惊人的陈旧换热器是节能降耗有效途径，行业发展也将迎来新的机遇。
铝制板翅式换热器使用说明书 目录 前言第1页 1 铝板翅式换热器结构介绍第1页 2 板式安装第4页 2.1设备到达检查第4页 2.2存放第4页 2.3板式安装第4页 3 安装第5页 3.1系统试压第5页 3.2 热交换介质的要求第5页 3.3 热交换介质的要求第6页 4、技术性能、安装尺寸第6页 5、维护与保养第6页 6、制造、检验、验收标准第7页 前言 铝板翅式换热器广泛用于低温精馏装置，如空气分离与液化设备、天然气分离与液化、乙烯精馏；也用于化工处理、机车冷却和其它领域； 本使用说明为铝板翅式换热器安装、使用、维护的一般知识，对文中黑体字部份应特别注意，以免对设备或人员造成伤害。在使用过程中对不清楚的地方应向制造厂家咨询。
1. 铝板翅式换热器结构介绍 1.1 铝板翅式换热器属间壁式紧凑换热器； 1.2 铝板翅式换热器的材质为防锈铝合金；换热介质在工作温度下不能对铝合金产生腐蚀或与铝合金有化学反应；这样会降低换热器的使用寿命； 1.3 板式由接管、板束体、其它附属装置组成； 1.3.1 接管 连接换热器与外部接管，可采用焊接、法兰连接或双金属接头连接；接管与板束体相连是封头，封头用于流体分布； 接管材料通常是5A02或5083 1.3.2 板束体 板束体是热交换的场所，结构单位是层；每层由导流片、翅片、封条、隔板组成；层组合为板束体高度（厚度）；整体为真空钎焊，不可拆卸； 1.3. 2.1导流片分进、出口导流片，引导流体进、出各层； 1.3. 2.2翅片为流体热交换提供扩展面积和支承强度；节距一般从1mm~4.2mm，故不清洁介质不能入内，以免堵塞，特别在试压、管道吹扫时应特别注意； 1.3. 2.3 封条在每层的四周，把介质与外界隔开；在流体进、出口处开口； 1.3. 2.4隔板把相邻两层隔开，热交换通过隔板进行，常用隔板一般厚1mm~2mm； 1.3.3 其它附属装置包括：支座、吊耳、保冷等； 1.3.3.1支座支承换热器，支架与支座相连；如果需要，支座要考虑隔热； 1.3.3.2 吊耳为换热器吊装使用； 1.3.3.3 当换热器工作温度高于、低于环境温度时换热器应保温以减少冷损。保冷通常采用聚胺脂发泡或干燥珠光砂保冷； 1.4 板式可根据需要进行并联或串联以解决装置需要与钎焊设备尺寸限制的矛盾；并联布置时应注意换热器间流量分配的均匀度； 2 板式安装 2. 1设备到达检查
管壳式换热器工艺设计说明书 1.设计方案简介 1.1工艺流程概述 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图1，苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，苯从80℃被冷却至55℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。 图1 工艺流程草图 1.2选择列管式换热器的类型 列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛
的传热设备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。如下图所示。 1.2.1列管式换热器的分类 根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种： ⑴固定管板式换热器 固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。 固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。 固定板式换热器 ⑵浮头式换热器 浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体移动，因
而管、壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。 浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。 ⑶填料函式换热器 填料函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。 ⑷U形管式换热器 U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，层管子损坏后不易更换。 U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。
河南理工大学课程设计管壳式换热器设计 学院：机械与动力工程学院 专业：热能与动力工程专业 班级：11-02班 学号： 姓名： 指导老师： 小组成员：
目录 第一章设计任务书 (2) 第二章管壳式换热器简介 (3) 第三章设计方法及设计步骤 (5) 第四章工艺计算 (6) 4.1 物性参数的确定 (6) 4.2核算换热器传热面积 (7) 4.2.1传热量及平均温差 (7) 4.2.2估算传热面积 (9) 第五章管壳式换热器结构计算 (11) 5.1换热管计算及排布方式 (11) 5.2壳体内径的估算 (13) 5.3进出口连接管直径的计算 (14) 5.4折流板 (14) 第六章换热系数的计算 (20) 6.1管程换热系数 (20) 6.2 壳程换热系数 (20) 第七章需用传热面积 (23) 第八章流动阻力计算 (25) 8.1 管程阻力计算 (25) 8.2 壳程阻力计算 (26) 总结 (28)
第一章设计任务书 煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140℃冷却冷却到40℃的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。 设计任务及操作条件 1、设备形式：管壳式换热器 2、操作条件 （1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃ （2）冷却水介质：入口温度26℃，出口温度40℃
第二章管壳式换热器简介 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。 在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。 管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。 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。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，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，
换热器的研究发展现状及前景 摘要：随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。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，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。本文主要介绍了现有换热器的分类，各种换热器的特点工作原理及应用情况，对目前换热器的存在问题和发展趋势进行分析。 关键词：换热器；强化换热；研究现状 随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现 1换热器的分类方式 随着科学和生产技术的发展，各种换热器层出不穷，难以对其进行具体、统一的划分。虽然如此，所有的换热器仍可按照它们的一些共同特征来加以区分，具体如下。 按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。 按照制造热交换器的材料来分：金属的、瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。 按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。
空气预热器的工作原理及其作用 空气预热器是利用烟气余热提高进入炉膛的空气温度的设备。它的工作原理是：受热面的一侧通过烟气、另一侧通过空气，进行热交热，使空气得到加热，提高温度；使烟气排烟温度下降，提高烟气余热的利用程度。 空气预热器有如下作用： 1、改善并强化燃烧当经过预热器后的热空气进入炉内后，加速了燃料的干燥、着火和燃烧过程，保证炉内稳定燃烧，起着改善、强化燃烧的作用。 2、强化传热由于炉内燃烧得到改善和强化，加上进入炉内的热风温度提高，炉内平均温度水平也有提高，从而可强化炉内辐射传热。 3、减小炉内损失，降低排烟温度，提高锅炉热效率。 由于炉内燃烧稳定，辐射热交换的强化，可以降低化学不完全燃烧损失；另一方面，空气预热器利用烟气余热，进一步降低了排烟损失，因此，提高了锅炉热效率。根据经验，当空气在预热器中温度升高1.5℃时，排烟温度可降低1℃。在锅炉烟道中安装空气预热器后，如果能把空气预热150~160℃．就可以降低排烟温度110~120℃，可将锅炉热效率提高7％~7.5％，可节约燃料11%~12%。 4、热空气可以作为燃料的干燥剂。对于层燃炉，有热空气，可以使用水分和灰分较高的燃料；对于电站锅炉，热空气是制粉系统的重要干燥剂和煤粉输送介质。 空气预热器是用于锅炉系统热交换性能提升的一种设备。空气预热器的主要作用是将锅炉排出的烟气中的热量收集起来，并传导给进入锅炉前的空气。空气预热器有三个大类，分别是板式空气预热器、回转式空气预热器和管式空气预热器。 1、板式空气预热器 板式空气预热器的主要传热部件是薄钢板，多个薄钢板一起焊接成长方形的盒子，而后数个盒子拼成一组，板式空气预热器就由2到4个钢板焊接盒子组成。板式空气预热器工作时，烟气会流经盒子的外侧，而空气流经盒子的内侧，通过钢板完成热传导。 板式空气预热器的结构松散而不紧凑，制造需要耗费大量的钢材，因此制造成本较高。板式空气预热器的盒子由焊接方式拼接，焊接工作量大且缝隙较多，容易出现泄漏。板式空气预热器目前已经很少被使用。 2、回转式空气预热器 回转式空气预热器是指内部设有旋转部件，通过旋转的作用在烟气和空气之间传导热能的一种空气预热器。回转式空气预热器还能够分为两个类别，也就是受热面旋转的转子回转式空气预热器，和风道旋转的风道回转式空气预热器。 回转式空气预热器的优点是体积小、重量轻、结构紧凑，传热元件承受磨损的余量大，因此回转式空气预热器特别适合应用于大型锅炉。回转式空气预热器的缺点是内部的机构复杂，消耗电力较大且漏风量较高。 3、管式空气预热器 管式空气预热器的主要传热部件是薄壁钢管。管式空气预热器多呈立方形，钢管彼此之间垂直交错排列，两端焊接在上下管板上。管式空气预热器在管箱内装有中间管板，烟气顺着钢管上下通过预热器，空气则横向通过预热器，完成热量传导。
化工原理课程设计 学院: 化学化工学院 班级： | 姓名学号： 指导教师： $
目录§一.列管式换热器 ！ .列管式换热器简介 设计任务 .列管式换热器设计内容 .操作条件 .主要设备结构图 §二.概述及设计要求 .换热器概述 .设计要求 ~ §三.设计条件及主要物理参数 . 初选换热器的类型 . 确定物性参数 .计算热流量及平均温差 壳程结构与相关计算公式 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 计算传热系数k 计算传热面积 ^ §四.工艺设计计算 §五.换热器核算 §六.设计结果汇总 §七.设计评述 §八.工艺流程图 §九.主要符号说明 §十.参考资料
： §一 .列管式换热器 . 列管式换热器简介 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 设计任务 ￥ 1.任务 处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行） 设备形式：列管式换热器 2．操作条件 (1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃ (2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃ (3)允许压强降：不大于一个大气压。 备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。 [ .列管式换热器设计内容 1.3.1、确定设计方案 （1）选择换热器的类型；（2）流程安排 1.3.2、确定物性参数 （1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数 1.3.3、估算传热面积 （1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量 % 1.3.4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）
换热器基础知识 简单计算板式换热器板片面积 选用板式换热器就是要选择板片的面积的简单方法： Q=K×F×Δt， Q——热负荷 K——传热系数 F——换热面积 Δt——传热对数温差 传热系数取决于换热器自身的结构，每个不同流道的板片，都有自身的经验公式，如果不严格的话，可以取2000~3000。最后算出的板换的面积要乘以一定的系数如1.2。 换热器的分类与结构形式 换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 一、换热器按传热原理可分为： 1、表面式换热器 表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。 2、蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 3、流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。 4、直接接触式换热器 直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。 二、换热器按用途分为： 1、加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 2、预热器 预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 3、过热器 过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。
换热器分类 夹套式换热器 结构如图所示。夹套空间是加热介质和 冷却介质的通路。这种换热器主要用于 反应过程的加热或冷却。当用蒸汽进行 加热时，蒸汽上部接管进入夹套，冷 凝水由下部接管流出作为冷却器时，冷 却介质（如冷却水）由夹套下部接管进 入，由上部接管流出。 夹套式换热器结构简单，但由于其加热 面受容器壁面限制，传热面较小，且传 热系数不高。 二.喷淋式换热器喷淋式换热器的结构 与操作如下图所示。这种换热器多用作 冷却器。热流体在管内自下而上流动， 冷水由最上面的淋水管流 出，均匀地分布在蛇管 上，并沿其表面呈膜状自 上而下流下，最后流入水 槽排出。喷淋式换热器常 置于室外空气流通处。冷 却水在空气中汽化亦可带 走部分热量，增强冷却效 果。其优点是便于检修， 传热
效果较好。缺点是喷淋不 易均 .套管式换热 器
套管式换热器的基本部件由 直径不同的直管按同轴线相 套组合而成。内管用180 暗 幕 * Сざ任?～ 6m。若管子太长，管中间会 向下弯曲，使环隙中的流体分布不均匀 套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当选择两管的管径，两流体皆可获得适宜的流速，且两流体可作严格逆流。其缺点是管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。 四.管壳式换热器 1.固定管板式结构如图所示。管子两端与管板的连接方式可用焊接法或胀接法固定。壳体则同管板焊接。从而管束、管板与壳体成为一个不可拆的整体。这就是固定 管板式名称的由来
折流板主要是圆缺形与盘环形两 种，其结构如图所示。 操作时，管壁温度是由管程与壳程 流体共同控制的，而壳壁温度只与 壳程流体有关，与管程流体无关。 管壁与壳壁温度不同，二者线膨胀 不同，又因整体是固定结构，必产 生热应力。热应力大时可能使管子 压弯或把管子从管板处拉脱。所 以当热、冷流体间温差超过50℃时应有减小热应力的措施，称“热补偿”。 固定管板式列管换热 器常用“膨胀节” 结构进行热补偿。图 所示的为具有膨胀 节的固定管板式换 热器，即在壳体上焊 接一个横断面带圆弧 型的钢环。该膨胀节 在受到换热器轴向 体伸缩，从而减小热应力。但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体 温差较大 大于70℃）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过6at 。 管式列管换热 器
1．设计题目及设计参数 (1) 1.1设计题目：满液式蒸发器 (1) 1.2设计参数： (1) 2设计计算 (1) 2.1热力计算 (1) 2.1.1制冷剂的流量 (1) 2.1.2冷媒水流量 (1) 2.2传热计算 (2) 2.2.1选管 (2) 2.2.2污垢热阻确定 (2) 2.2.3管内换热系数的计算 (2) 2.2.4管外换热系数的计算 (3) 2.2.5传热系数 K计算 (3) 2.2.6传热面积和管长确定 (4) 2.3流动阻力计算 (4) 3．结构计算 (5) 3.1换热管布置设计 (5) 3.2壳体设计计算 (5) 3.3校验换热管管与管板结构合理性 (5) 3.4零部件结构尺寸设计 (6) 3.4.1管板尺寸设计 (6) 3.4.2端盖 (6) 3.4.3分程隔板 (7) 3.4.4支座 (7) 3.4.5支撑板与拉杆 (7) 3.4.6垫片的选取 (7) 3.4.7螺栓 (8) 3.4.8连接管 (9) 4．换热器总体结构讨论分析 (10) 5．设计心得体会 (10) 6．参考文献 (10)
1．设计题目及设计参数 1.1设计题目：105KW 满液式蒸发器 1.2设计参数： 蒸发器的换热量Q 0=105KW ； 给定制冷剂：R22； 蒸发温度：t 0=2℃，t k =40℃， 冷却水的进出口温度： 进口1t '=12℃; 出口1 t " =7℃。 2设计计算 2.1热力计算 2.1.1制冷剂的流量 根据资料【1】，制冷剂的lgp-h 图：P 0=0.4MPa ，h 1=405KJ/Kg ，h 2=433KJ/Kg ， P K =1.5MPa ，h 3=h 4=250KJ/Kg ，kg m 04427.0v 3 1=，kg m v 3 400078.0= 图2-1 R22的lgP-h 图 制冷剂流量s kg s kg h h Q q m 667 .0250 4051054 10=-= -= 2.1.2冷媒水流量 水的定性温度t s =（12+7）/2℃=9.5℃,根据资料【2】附录9，ρ=999.71kg/m 3 ,c p =4.192KJ/(Kg ·K)
X X X X 大学 《材料工程原理B》课程设计 设计题目： 5.5×104t/y热水冷却换热器设计 专业： ----------------------------- 班级： ------------- 学号： ----------- 姓名： ---- 日期： --------------- 指导教师： ---------- 设计成绩：日期：
换热器设计任务书
目录 1.设计方案简介 2.工艺流程简介 3.工艺计算和主体设备设计 4.设计结果概要 5.附图 6.参考文献
1.设计方案简介 1.1列管式换热器的类型 根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。 （1）固定管板式换热器 这类换热器如图1-1所示。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。 （2）U型管换热器 U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。 （3）浮头式换热器 浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。
板式换热器板片的定位是以五点金属与金属接触而确定，上承杆的三点，可以防止板片上下移动，加上下承杆的两点板片就不会左右移动。这是很重要的部分，所以大家一定要有所了解。下面再给大家介绍一下，板式换热器板片的工作过程和技术特点。 板式换热器是由一组波纹金属板组成，板上有四个角孔，供传热的两种液体通过。金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内，并用夹紧螺栓夹紧。板片上装有密封垫片，将流体通道密封，并且引导流体交替地流至各自的流道内，形成热交换。流体的流量，物理性质，压力降和温度差决定了板片的数量和尺寸。波纹板不仅提高了湍流程度，并且形成许多支承点，足以承受介质间的压力差。金属板和活动板压紧板悬挂在上导杆，并由下导杆定位，而杆端则固定在支撑柱上。 板式换热器板片均匀分布流速，去除了流速死区，从而避免了因污垢堆积而产生的腐蚀，同时又提高了板片换热面积的利用率。两种流体完全逆向流动，大大提高了换热效率。同种流体进、出口平行配管，简化了工程安装。单一板片，简化了维修。 艾瑞德每种规格的板片，均具有至少两个板型，采用热混合技术，可以综合换热器的传热和压降，使其运行在最佳工作点。内旁通，双流道技术和不等流通截面积装配为两侧介质流量相差较大的工况提供了完美的解决方案。ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司板式换热器有AB系列、AM系列、AL系列、AP系列、AS系列等几大系列百余种板型。各种型号都有深波纹、浅波纹、大角度、小角度等，完全确保满足不同用户的需要，特殊工况可按用户需要专门设计制造。
艾瑞德每种规格的板片，均具有至少两个板型，采用热混合技术，可以综合换热器的传热和压降，使其运行在最佳工作点。内旁通，双流道技术和不等流通截面积装配为两侧介质流量相差较大的工况提供了完美的解决方案。ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司板式换热器有AB系列、AM系列、AL系列、AP系列、AS系列等几大系列百余种板型。各种型号都有深波纹、浅波纹、大角度、小角度等，完全确保满足不同用户的需要，特殊工况可按用户需要专门设计制造。 ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司拥有世界上最先进的设计和生产技术以及最全面的换热器专业知识，一直以来ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司致力于为全球50多个国家和地区的石油、化工、工业、食品饮料、电力、冶金、造船业、暖通空调等行业的客户提供高品质的板式换热器，目前已有超过50，000台的板式换热器良好地运行于各行业，ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司已发展成为可拆式板式换热器领域的全球领导者。
第1期 中国换热器产业现状及发展趋势 黄庆军1 任俊超1 苏是2 黄蕾2 (1.四平市换热器协会， 吉林 四平 136000) (2.太原科技大学机电学院， 山西 太原 030024) [摘 要] 分析了国内换热器的市场规模、竞争格局、产业布局以及外资企业在华投资布局，介绍了国内换热器的技术现状和差距，预测了今后的产业发展趋势。 [关键词] 换热器；现状；发展趋势 1 市场规模分析 2008年，中国换热器产业市场规模在360亿元左右，主要集中在石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供热、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模在100亿元以上；电力冶金领域换热器市场规模在60亿元左右；船舶工业换热器市场规模在30亿元以上；机械工业换热器市场规模约为30亿元；集中供热行业换热器市场规模超过25亿元。 2 市场竞争格局 按照产品类型的不同，我国换热器产业市场竞争主要集中在以下四大产品领域。 板式换热器领域，国内外企业竞争激烈，大量外资企业已经完成在中国的布局。其中，四平巨元瀚洋、兰石换热设备公司、四平维克斯是我国板式换热器领域内资企业中的龙头企业，其板式换热器年产值都在2亿元以上。外资企业主要包括阿法拉伐（江阴）、舒瑞普（北京、苏州）、APV（上海、北京）、丹佛斯（天津）、传特（北京）、桑德克斯（上海、宁波）、风凯（常州）等企业，世界著名的板式换热器企业大都已经进入中国市场。此外，沈阳太宇、蓝科高新（原兰石所）、上海艾克森、湖北登峰、山东北辰、佛山澜石、上海南华等企业也是我国重要的板式换热器企业。 管壳式换热器领域，我国生产企业众多，且规模都较小。其中，抚顺机械设备制造有限公司、兰石集团炼化设备公司、中石化南京化工机械是我国内资管壳式换热器的龙头企业，其管壳式换热器年产值都在2亿元以上；江苏中圣集团、无锡化工装备总厂、宝钛集团南京宝色股份、西安核设备制造厂（原国营524厂）、合肥通用特种材料设备有限公司是我国特种材料换热器领域的重要企业，其特种材料管壳式换热器年产值都在1.5亿元以上；中石化镇海石化建安工程有限公司、中石化北京燕化、中石化茂名重力石化机械制造有限公司等企业依托母公司中石化的市场优势，也形成了一定的换热器生产规模，年产值在1～2亿元左右；此外，张家港化工机械、大连金重公司、湖北长江石化设备公司、大连东方亿鹏、合肥通用特种材料设备有限公司、西安大秦化工机械（原西安化工机械厂）、林德工程（大连）、天津国际机械（原天津市换热装备总厂）、大连东方亿鹏等企业也是国内管壳式换热器的主要生产企业，管壳式换热器的年产值都在1亿元以上。相对而言，管壳式换热器外资企业在华布点不多，比较知名的有日本森松（上海）、林德工程（大连）、美国艾普尔（苏州）、德国风凯（常州），这主要缘于我国石油化工领域换热器企业众多，生产能力较强，国外企业进入中国市场较为困难。 空冷式换热器领域，哈空调是我国最大的空冷式换热器生产企业。此外，江苏双良股份、国电集团北京龙源冷却技术有限公司、四川简阳空冷器、蓝科高新（原兰石所）、兰州兰石集团长征机械、西安大秦化工机械（原西安化工机械厂）、湖北长江石化设备、江阴电力设备冷却器公司等企业也具有一定的竞争力。外资企业中，基伊埃（芜湖、廊坊）、斯必克（张家口）在空冷式换热器领域具有较强的竞争力。 板翅式换热器领域，杭州杭氧股份和开封空分集团是我国石油化工领域著名的板翅式换热器企业，浙江银轮股份、贵州永红航空机械、无锡马山 作者简介：黄庆军（1967—），男，1992年毕业于燕山大学，硕士研究生学历，高级工程师。主要从事换热器行业分析及产品研究。
管壳式换热器得三种分类 管壳式换热器按照应力补偿得方式不同，可以分为以下三个种类: １、固定管板式换热器 固定管板式换热器就是结构最为简单得管壳式换热器,它得传热管束两端管板就是直接与壳体连成一体得，壳体上安装有应力补偿圈，能够在固定管板式换热器内部温差较大时减小热应力。固定管板式换热器得热应力补偿较小，不能适应温差较大得工作。 2、浮头式换热器 浮头式换热器就是管壳式换热器中使用最广泛得一种，它得应力消除原理就是将传热管束一段得管板放开，任由其在一定得空间内自由浮动而消除热应力。浮头式换热器得传热管束可以从壳体中抽出，清洗与维修都较为方便,但就是由于结构复杂,因此浮头式换热器得价格较高。 ３、U型管换热器 Ｕ型管换热器得换热器传热管束就是呈U形弯曲换热器，管束得两端固定在同一块管板得上下部位，再由管箱内得隔板将其分为进口与出口两个部分,而完全消除了热应力对管束得影响.U型管换热器得结构简单、应用方便，但很难拆卸与清洗。 管壳式换热器,管壳式换热器结构原理 管壳式换热器由一个壳体与包含许多管子得管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热得换热器.管壳式换热器作为一种传统得标准换热设备,在化工、炼油、石油化工、动力、核能与其她工业装置中得到普遍采用，特别就是在高温高压与大型换热器中得应用占据绝对优势。通常得工作压力可达４兆帕,工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高得压力与温度.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得. 工作原理与结构图 1 ［固定管板式换热器］为固定管板式换热器得构
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流体得温度高于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、管子与管箱以外得区域称为壳程，通过壳程得流体称为壳程流体（Ａ流体）。管子与管箱以内得区域称为管程，通过管程得流体称为管程流体(B流体）。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体与折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器得传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子得布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°与同心圆形等多种形式,前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径得壳体内可排列较多得管子,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。管板与管子得总体称为管束。管子端部与管板得连接有焊接与胀接两种。在管束中横向设置一些折流板,引导壳程流体多次改变流动方向,有效地冲刷管子,以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板得形状有弓形、圆形与矩形等。为减小壳程与管程流体得流通截面、加快流速,以提高传热效能，可在管箱与壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程与将管程分为2程、4程、6程与8程等.管壳式换热器得传热系数，在水—水换热时为１4０0～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/（m（℃）〕;用水冷却气体时，为10～２８０W/（m（℃）；用水冷凝水蒸汽时，为５70～4０00W/(m(℃). 特点管壳式换热器就是换热器得基本类型之一,１９世纪8０年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用.但在传热效能、紧凑性与金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器与板壳式换热器等高效能换热器先进. 分类管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器与双管板换热器等.前３种应用比较普遍。
1前言 (1) 1.1概述 (1) 1.1.1换热器的类型 (1) 1.1.2换热器 (1) 1.2设计的目的与意义 (2) 1.3管壳式换热器的发展史 (2) 1.4管壳式换热器的国内外概况 (3) 1.5壳层强化传热 (3) 1.6管层强化传热 (3) 1.7提高管壳式换热器传热能力的措施 (4) 1.8设计思路、方法 (5) 1.8.1换热器管形的设计 (5) 1.8.2换热器管径的设计 (5) 1.8.3换热管排列方式的设计 (5) 1.8.4 管、壳程分程设计 (5) 1.8.5折流板的结构设计 (5) 1.8.6管、壳程进、出口的设计 (6) 1.9 选材方法 (6) 1.9.1 管壳式换热器的选型 (6)
1.9.2 流径的选择 (8) 1.9.3流速的选择 (9) 1.9.4材质的选择 (9) 1.9.5 管程结构 (9) 2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算 (11) 2.1 管径 (11) 2.2管子数n (11) 2.3 管子排列方式，管间距的确定 (11) 2.4换热器壳体直径的确定 (11) 2.5换热器壳体壁厚计算及校核 (11) 3换热器封头的选择及校核 (14) 4容器法兰的选择 (15) 5管板 (16) 5.1管板结构尺寸 (16) 5.2管板与壳体的连接 (16) 5.3管板厚度 (16) 6管子拉脱力的计算 (18) 7计算是否安装膨胀节 (20) 8折流板设计 (22)
9开孔补强 (25) 10支座 (27) 10.1群座的设计 (27) 10.2基础环设计 (29) 10.3地角圈的设计 (30) 符号说明 (32) 参考文献 (34) 小结 (35)
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。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/（m（℃）〕；用水冷却气体时，为10～280W/（m（℃）；用水冷凝水蒸汽时，为570～4000W/（m （℃）。 二、管壳式换热器的形式与结构 管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固
第31卷 第2期2002年3月 石 油 化 工 设 备 PET RO-CHEM ICAL EQ U IPM EN T V o l.31 N o.2 M ar. 2002 试验研究 文章编号:1000-7466(2002)02-0001-04 板翅式换热器新技术及应用 凌 祥,周帼彦,邹群彩,涂善东 (南京工业大学过程装备先进制造技术重点实验室,江苏南京 210009) 摘要:介绍了作者近年来在板翅式换热器研究与开发方面所做的工作:①为提高铝板翅式换热器翅片和隔板表面的耐蚀性和亲水性,开发了一种表面处理技术。②开发的板翅式换热器快速创型系统,具有优化设计、参数化绘图和快速报价等功能,能降低产品成本,提高设计效率十几倍。③通过应用先进制造工艺和引进新材料开发了一系列具有抗强腐蚀、抗结垢、耐高温和耐高压能力的板翅式换热器系列新产品。④应用大型有限元分析系统对高压板翅式换热器的结构特性进行了初步分析,得出了一些提高产品可靠性的设计准则。 关 键 词:板翅式换热器;快速创型;表面处理;先进制造工艺;有限元分析 中图分类号:TQ051.51 文献标识码:A N ew techniques of plate-fin heat exchangers and its application LIN G Xiang,ZHO U Guo-ya n,ZO U Qun-cai,T U Sha n-do ng (Adv anced M a nufacturing Technolog y Lab.o f Process Equipment, N anjing Univ ersity o f Techno lo g y,N anjing210009,China) Abstract:The resear ches made o n plat e-fin heat exchang ers by author s w ere intro duced.Fir stly,a surface tr eatment me tho d for fins and pa rting sheet is propo sed in o rder to enha nce their resistance to co rr osio n and hydro philic ca pability.Secondly,a rapid innov ation sy stem which inv o lv ed a lo t of functio ns such a s optima l ther mal desig n,pa ramet ric dr awing and r apid quo tatio n is dev eloped.The practice applicatio n o f this sy stem sho ws the desig n efficiency increases8to10tim es and the cost decr ease va stly.Thir dly,sev eral new type o f pla te-fin heat ex cha ng ers with specia l perfo rma nce,such as co rro sio n-proo f,anti-fo uling a nd high temper ature resistant etc,w er e dev eloped th ro ug h ado pting new adva nced ma terials and new a dv anced manufac turing techno log y. Fina lly,the st reng th ana ly sis fo r plate-fin heat exchang ers subjected to hig h pr essur e w as car ried out.So me design criteria to ensure the reliability of pla te-fin heat ex chang er s a re o btained. Key words:pla te-fin heat ex chang er;r apid innov ation;sur face t reatme nt;adv anced manufac turing techno log y; finite element a naly sis 板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点,与传统的管壳式换热器相比,其传热效率提高20%～30%,成本可降低50%,现已广泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能和机械等领域。目前板翅式换热器的制造材料主要使用铝合金,因此存在耐腐蚀性差、承压低等缺点。另外,板翅式换热器结构比较复杂,人工进行热力设计困难,特别是有相变、多股流体换热的情况,用手工进行精确热力设计计算几乎不可能。为了进一步拓宽其应用范围,近年来板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺及开拓应用的研究方兴未艾[1],特别是一些新技术的渗透,使板翅式换热器的应用范围更加广泛,下面将 收稿日期:2001-09-22 基金项目:江苏省教委自然科学研究项目(99K JB460005) 作者简介:凌 祥(1967-),男(汉族),江苏东台人,副教授,主要从事过程装备先进再制造技术、新型高效过程设备和计算机辅助工程(CA E)的研究与开发。