搪瓷的传热效果如何

换热操作中热量通量 q（见传热过程）与传热推动力（温度差Δt）的比例系数，即：

K＝q/Δt它在数值上等于在单位温度差推动下于单位时间内经单位传热面所传递的热量，它与传热面积乘积的倒数为传热过程的总热阻。对于通过平壁的传热，K可表述为：

式中 α1和 α2分别为壁面两侧的传热分系数λ和δ分别为间壁的热导率和厚度R1和R2分别为表征壁面两侧的垢层热阻的系数。

当传热过程的温度差一定时，传热系数越大，则换热器的传热速率越高。虽然减小任何一项热阻都可提高传热系数，但当某项热阻远高于其他项时，传热系数将主要取决于此控制项的热阻。壁面热阻通常很小，可忽略不计。垢层可产生相当大的热阻，因之换热器的传热面需定期清洗。换热器设计时，控制项的热阻需准确地确定。在考虑强化传热过程时，首先设法减少控制项的热阻。

传热系数的大小与冷热流体的性质、换热的操作条件（如流速、温度等）、传热面的结垢状况以及换热器的结构和尺寸等许多因素有关。对流传热十分复杂，垢层热阻又难以确定，因此传热系数的计算值与实际值往往相差较大。在设计换热器时，最好有实测值或生产中积累的经验数据作为参考。

这个看你自己用到哪里

搪瓷的我不是很了解，但还是一般氟塑料的如聚四氟乙烯、四氟等做的换热器主要是用在具有较强腐蚀性的介质间换热。目前氟塑料的换热器主要是以换热效果持续稳定，体积小，防腐蚀为优点。我们是陕西瑞特热工，你还是根据你自己的工况来进行选择

优点:  换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。

有占地小，易安装拆卸需求更推荐板式换热器。

适用工况行业：

1、化工行业：可用于制碱工业中，将各浓度的电解液以及碱液冷却或是加热；硫酸冷却；脱盐工艺、热回收等；传热液体的冷却、加热、冷凝、再沸等。生物制品、化妆品等生产行业。

2、暖通空调：可以用于集中供暖，将城镇集中热力管网通过板式换热器送至用户

3、空调：板式换热器应用于空调系统，可以于空调搭配使用。

4、热回收系统：给工厂内部所排出的废水、废气、废烟等，进行热量回收。

5、供暖：住宅、工厂、建筑物等进行集中供暖；饭店、宾馆等进行供热、供水、供气以及空调等；对于热电厂的供暖、生活热水、锅炉区加热等进行供暖。

6、石油行业：板式换热器应用于工厂中酸性水、冷却水、气体净化系统的处理；油品的加热冷却、气体的冷凝冷却。

7、食品工业：板式换热器可以用于啤酒中麦芽汁的加热冷却、制糖、杀菌、冷却，制造谷氨酸钠。也可对制盐、乳品、醋的冷却和杀菌、动植物的冷却和加热等。

8、油脂工业：可以冷却植物油、冷却油、乳化油、氢氧化钠等。

9、高层建筑的压力阻断器。

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各种换热器 的 工作原理和特点

一、换热器

1、U形管式换热器

每根管子都弯成U形，固定在同一侧管板上，每根管可以自由伸缩，也是为了消除热应力。

性能特点：

（1）优点

此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。

（2）缺点

是管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。

此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

2、沉浸式蛇管换热器

沉浸式蛇管换热器以蛇形管作为传热元件的换热器，是间壁式换热器种类之一。根据管外流体冷却方式的不同，蛇管式换热器又分为沉浸式和喷淋式。

（1）优点

这是一种古老的换热设备。它结构简单，制造、安装、清洗和维修方便，便于防腐，能承受高压，价格低廉，又特别适用于高压流体的冷却、冷凝，所以现代仍得到广泛应用。

（2）缺点

由于容器体积比管子的体积大得多、笨重、单位传热面积金属耗量多，因此管外流体的表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。

3、列管式换热器

冷流体走管内，热流体经折流板走管外，冷、热流体通过间壁换热。

性能特点：

列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其它结构。

SPEET无源动力强化换热系统，是由深圳中创鼎新工业节能智能化技术有限公司自主研发的一项革新性的工业高效节能技术，可广泛应用于化工、冶金、石油、制盐、制糖、造纸、制药、海水淡化、制冷等行业的列管式换热器，有效解决列管式换热系统因设计或运行等原因导致的换热效率不足的问题，有效提高换热效率20%以上。

与传统的换热器清洗方式相比，SPEET具有无腐蚀、无污染、免拆卸、对设备无损伤、高可靠性、高效节能的优势。

SPEET工作原理为，沿着介质流向将SPEET纽带插入到每一根换热管中，当设备运行时，利用介质自身流速驱动SPEET装置不停地快速旋转，一方面打破管内温度分层，将流体边界滞留层厚度降低一个数量级，实现强化换热；另一方面通过强化扰流和对管壁不规则刮扫，减少垢的析出，阻止垢的附着，加快垢的剥蚀，防止换热管壁结晶或结疤，从而实现在线除垢防垢。通过这两方面共同作用，将换热器的换热系数K值提高20%-50%以上，从而达到节能降耗的目的。

SPEET安装便捷，无需停工或改动换热器主体；无需专人维护，节省化学清洗及人工清洗费用，投资回报周期6到12个月，经济效益十分显著，大幅提升大工业用户能源利用效率，助力工业企业低碳绿色发展。

4、螺旋板式换热器

由两块相互平行的钢板，卷制成相互隔开的螺旋形流道。螺旋板的两端焊有盖板。冷热流体分别在两流道内流动。

性能特点：

（1）传热效率高（性能好）

一般认为螺旋板式换热器的传热效率为列管式换热器的1～3倍。等截面单通道不存在流动死区，定距柱及螺旋通道对流动的扰动降低了流体的临界雷诺数，水-水换热时，螺旋板式换热器的传热系数最大可达3000W/（㎡·K）。

（2）有效回收低温热能

螺旋板式换热器由两张卷制而成，进行余热回收，充分利用低温热能。

（3）运行可靠性强

不可拆式螺旋板式换热器螺旋通道的端面采用焊接密封，因而具有较高的密封性，保证两种工作介质不混合。

（4）阻力小

在壳体上的接管采用切向结构。比较低的压力损失，处理大容量蒸汽或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋型流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸汽或碱液冲洗，简单易行，适合安装清洗装置；介质走单通道，允许流速比其他换热器高。

（5）可多台组合使用

单台设备不能满足使用要求时，可以多台组合使用。但组合时，必须符合下列规定：并联组合、串联组合，设备和通道间距相同。混合组合：一个通道并联，一个通道串联。

5、喷淋式换热器

热流体在裸露的管中流过，冷却水喷淋流过蛇管。

性能特点：

这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。

另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用。因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。

6、热管换热器

一根密封的金属管子，管内壁覆盖一层有毛细结构材料作成的芯网，其中间是空的。管内装有一定量的热载体（如液氨、氟利昂等），被气化，流向冷端，蒸汽在冷端被冷凝，放出汽化潜热，而加热了冷流体。冷凝液又流回热端，如此反复。

性能特点：

（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中，单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时，基本不影响换热器运行。热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体，换热场合具有很高的可靠性。

（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。

（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式，解决换热器的磨损和堵灰问题。

（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。

7、套管式换热器

冷、热流体分别在内管和套管中流动并换热。

（1）优点

这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油化工等工业部门。

结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成，安装时，无需另外加工。传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此它的传热效果好。液-液换热时，传热系数为 870～1750W/（m2·℃）。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的五倍；管接头多，易泄漏；流阻大。结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数，是单位传热面的金属消耗量大，为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。可以根据安装位置任意改变形态，利于安装。（2）缺点

检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。生产中，有较多材料选择受限，由于套管式换热器大多是内管中不允许有焊接，因为焊接会造成受热膨胀开裂，而套管式换热器大多数为了节省空间选择，弯制，盘制成蛇管形态，故有较多特殊的耐腐蚀材料无法正常生产。套管换热器国内还没有形成统一的焊接标准，各个企业都是根据其它换热产品经验选择焊接方式，所以，套管式换热器的焊接处，出现各类问题司空见惯，需要经常注意检查，保养。

二、具有补偿圈的换热器

1、浮头式换热器

两端的管板，有一段不与壳体相连，可以在管长方向自由浮动，当壳体与管束因温度不同而引起不同的热膨胀时，可以消除热应力。

冷流体入口热流体入口

（1）优点

管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。 （2）缺点

小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20%；结构复杂。 2、夹套式换热器

夹套式换热器是间壁式换热器的一种，在容器外壁安装夹套制成。

性能特点：

结构简单，但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数。为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。

3、板翅式换热器

由隔板、肋片和侧条组成单元体，多个单元体经逆流或错流组装为组装件，再将带有集流出口的集流箱焊接到组装件上。由于材料轻薄，换热面积与换热器体积之比可达4000 m2/ m3。

性能特点：

（1）传热效率高，由于肋片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、肋片很薄，具有高导热性，所以使得板肋式换热器可以达到很高的效率。

（2）紧凑，由于板肋式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000 m2/ m3 。

（3）轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合材料等的也已经批量生产。

（4）适应性强，板肋式换热器可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合，可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。

（5）制造工艺要求严格，工艺过程复杂。

（6）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。

4、涡流热膜换热器

流热膜换热器体积只有传统管壳式换热器的1/5，采用全不锈钢焊接结构。既具有钎焊板式换热器体积小、耐高温的优势，又克服了框架板式换热器胶条老化、维护费用高的缺陷，它采用经纳米技术处理的不锈钢涡流管作为换热元件，极大提高了换热器的整体性能。

性能特点：

高效节能，该换热器传热系数为6000～8000W/（m2·℃）；全不锈钢制作，使用寿命长，可达20a以上，十年内出现换热器质量问题免费更换；改层流为湍流，提高了换热效率，降低了热阻；换热速度快，耐高温（400℃），耐高压（2.5MPa）；结构紧凑，占地面积小，重量轻，安装方便，节约土建投资；设计灵活，规格齐全，实用针对性强，节约资金；应用条件广泛，适用较大的压力、温度范围和多种介质热交换；维护费用低，易操作，清垢周期长，清洗方便；采用纳米热膜技术，显著增大传热系数；应用领域广阔，可广泛用于热电、厂矿、石油化工、城市集中供热、食品医药、能源电子、机械轻工等领域。

目 录

一、 概述 3

1. 换热器的结构形式 3

2.换热器材质的选择 3

3. 管板式换热器的优点 4

4.列管式换热器的结构 5

5.管板式换热器的类型及工作原理 7

二、 设计任务与操作条件 7

1.设计题目 7

2. 设计任务与操作条件 7

3.确定设计方案 8

4. 计算传热面积并初选换热器型号 8

1.计算苯的流量： 8

2． 确定热流体及冷流体的物理性质： 8

3． 传热量计算： 8

4． 确定流体的温度： 8

5． 计算平均温度： 8

6． 设定管程流速、选择K值并估算传热面积： 9

5. 核算压力降： 10

1． 管程压力降： 10

2． 壳程压力降： 10

6. 核算总传热系数： 11

1、 管程对流传热系数 11

2、 壳程对流传热系数 12

三、 参考文献 13

四、 主要符号说明 13

五、 课程设计感想 14

一、 概述

目前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用, 并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。

1. 换热器的结构形式

管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：

（1） 固定管板式换热器

固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。

（2） 浮头式换热器

浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高；增加了浮头盖以及连接件，在该处一旦发生泄漏不易被发现；管束外缘与壳壁之间间隙较大，减少了排管数目，容易引起壳程流体短路。

（3） 填料涵式换热器

填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。

（4） U型管式换热器

结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。换热管束可以抽出，热应力可以消除。但管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。换热器的内层换热管一旦发生泄漏损坏，只能堵塞而不能更换。壳程内有一个不能排管的条形空间，影响结构的紧凑，而且要安装防短路的中间挡板。

2. 换热器材质的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

（1）碳钢

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

（2）不锈钢

奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

（2）管板

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350℃的场合。

（3）封头和管箱

封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。

3. 管板式换热器的优点

(1) 换热效率高,热损失小

在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 3～1/ 4。

(2) 占地面积小重量轻

除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 6～0. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。

(3) 污垢系数低

流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。

(4) 检修、清洗方便

换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。

(5) 产品适用面广

设备最高耐温可达180 ℃, 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。

当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。

4. 列管式换热器的结构

介质流经传热管内的通道部分称为管程。

（1）换热管布置和排列间距

常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。

（A） （B） （C）

（D）（E）

图 1-4 换热管在管板上的排列方式

(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列

（D）三角形错列 （E）同心圆排列

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

（2）管板

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。

（3）封头和管箱

封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。

5. 管板式换热器的类型及工作原理

板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同, 采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀, 并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器, 可以达到250 ℃、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器, 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。

虽然板式换热器有多种形式, 但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动, 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。

二、 设计任务与操作条件

1. 设计题目

1.5万吨/年石脑油冷却器的设计

2. 设计任务与操作条件

1) 石脑油：入口温度140℃，出口温度40℃

2) 冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度45℃

3) 允许压强降：不大于100kPa

4) 每年按300天24小时连续运行。

两流体在定性温度下的物性数据

物性

流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)

石脑油 825 2.22 0.715 0.140

水 994．0 4.17 0.727 0.626

3. 确定设计方案

1) 选择换热器的类型

两流体温的变化情况：热流体进口温度140℃出口温度40℃；冷体进口温度25℃出口温度为45℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。

2) 管程安排

循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降。但是由于石脑油是一种有毒且易燃易爆具有一定危险性的轻质油品，考虑到安全性和两物流的操作压力方面，应该让石脑油走管程，所以从总体考虑，应使石脑油走管程，循环冷却水走壳程。

4. 计算传热面积并初选换热器型号

1．计算石脑油的流量：

根据《化工原理课程设计任务书》中的数据可以计算出石脑油的流量

2．确定热流体及冷流体的物理性质：

物性

流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)

石脑油 825 2.22 0.715 0.140

水 994．0 4.17 0.727 0.626

3．传热量计算：

忽略热损失，冷却水耗量为

4．确定流体的温度：

本设计中热流体为石脑油，冷流体为水，故为使石脑油可以尽可能快的通过管壁面向冷却水中散热，可以增加传热面积提高冷却效果，令石脑油走管程而水走壳程。

5．计算平均温度：

按换热器中苯与水逆流来计算平均温度，以单壳程来考虑其温度校正系数 。

石脑油：140℃→40℃

水： 45℃←25℃

: 95℃ 15℃

计算R和P：

由R、P值，查《化工原理（上册）》（天津大学化工学院夏清主编，修订版）（以下所提《化工原理》均指本书）P232页，图5-11（b）

得 =0.85>0.8 , 故可以选用。

6．设定管程流速、选择K值并估算传热面积：

参照P280页表4-14管壳式换热器中易燃,易爆液体的安全允许速度

可取管程的流速为

由此可以确定所需单管程数 ，故取双管程管数为4

根据两流体的情况，取K值为200W/(m2 •℃),则可以计算出单程换热器的管长为

取单管管长为6.0m，则管程 =10,由此可得总管数 =4n=40

且

查找《化工原理（上册）》书后附录十九固定管板式换热器（TB/T 4715—92），

并考虑到两流体温度差 ,为减少温差所引起的热应力，可选用带有膨胀节的固定管板式换热器，初选换热器型号为：G325Ⅳ-1.6-19，主要参数如下：

外壳直径：325mm

公称压力：1.6MPa

公称面积：19m2

管子尺寸：

管子数：40

管长：6m

管中心距：32mm

管程数 ：4

管子排列方式：正三角形

管程流通面积：0.0031

实际传热面积

通过计算可知， ，即采用此换热面积的换热器要求过程的总传热系数为 。

5. 核算压力降：

1．管程压力降：

，其中 =1.4， =1， =2。

管程流速：

雷诺系数为：

对于碳钢管，取管壁粗糙度 ，则相对粗糙度为 。

在《化工原理（上册）》P54页查图1—27知，摩擦系数

，将其带入前式，计算得

管程的压力降满足设计条件。

2．壳程压力降：

管子为正三角形排列，F=0.5

取折流挡板间距z=0.15m，D=0.7m，

折流挡板数为

壳程流通面积

壳程流速

故

计算结果表明，管程和壳程的压力降都能满足设计条件。

6. 核算总传热系数：

1、管程对流传热系数

（湍流）

普朗特数

对流传热系数

2、壳程对流传热系数

管子为正三角形排列，则

壳程中水被加热 （液体被加热时 ）

3、总传热系数K：

管壁热阻和污垢热阻可忽略时，总传热系数K为：

与 ，故所选换热器是合适的，安全系数是

设计结果为：选用带有膨胀节的固定管板式换热器，型号为G325Ⅳ-1.6-19。

三、 参考文献

[1]《化工原理》天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社. （1999）

[2]《换热器》秦叔经、叶文邦等 ，化学工业出版社（2003）

[3]《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社（2006）

[4]《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）

[5]《 化工原理课程设计》贾绍义等，天津大学出版社（2003）

四、 主要符号说明

硝基苯的定性温度 T 冷却水定性温度 t

硝基苯密度 ρo 冷却水密度 ρi

硝基苯定压比热容 cpo 冷却水定压比热容 cpi

硝基苯导热系数 λo 冷却水导热系数 λi

硝基苯粘度 μo 冷却水粘度 μi

热流量 Wo 冷却水流量

热负荷 Qo 平均传热温差

总传热系数

管程雷诺数

温差校正系数

管程、壳程传热系数

初算初始传热面积

传热管数

初算实际传热面积 S 管程数

壳体内径 D 横过中心线管数

折流板间距 B 管心距 t

折流板数

NB 接管内径

管程压力降

当量直径

壳程压力降

面积裕度 H

五、 课程设计感想

经过一个星期的奋战，终于完成了一个还算可以的换热器设计，这几天我过的很充实，是我大学生活里继两次实习后又一次最充实的生活，看着我们小组的劳动成果，心里有种说不出的感觉。毕竟我们的努力还算有所回报，我为自己的努力感到自豪，当然我也认识到了自己学习中的不足。

我想说：功夫不负有心人，为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。我们一边忙着复习备考，一边还要做课程设计，时间对我们来说一下子变得很宝贵，真是恨不得睡觉的时间也拿来用了。当自己越过一个又一个难题时，笑容在脸上绽放。当我看到设计终于完成的时候，我乐了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。从这次的课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，还学到了许许多多其他的知识。我知道了每一个课程之间是融会贯通的。在化工原理的课程设计中也用到了机械制图基础的知识，可是自己的机械制图基础没有学好，于是就要重新翻书来确定自己的一些设计是否正确。

其次了解到团队合作很重要，每个人都有分工，但是又不能完全分开来，还要合作，所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。

这次设计让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

当然我的设计肯定有不足之处，希望老师批评指正，下次一定会做得更好。

首先需要明确的是内翅片跟外翅片的强化传热机理是一致的，就是将相对弱给热系数的介质（比如相对常规液体，常规气体就是弱给热系数）走翅片侧，[b]所以大多数的气体与液体热交换的工况，都是适合内翅片的，[/b]不过个别介质也有特例，比如常规采用饱和水蒸汽去加热水过程，比如采用气体物料冷凝的热量去加热导热油的过程，这虽然都是气-液热交换工况，但是气体侧冷凝的给热系数要大于液体侧，此时气体走翅片侧进行强化传热已经没有多大意义了。至于提及的流速和压力方面，一般气体流速较高决定了必须在足够大的横截面积以及沿程流道内，降压将控制在合理范围，在这一点上，与常规光管的管壳式换热器设计理念一致。所以流速不存在作为内翅片使用的限制条件。至于压力嘛，与外翅片一样也受到承压能力的限制，不过范围要广泛得多，内展翅片换热管的承压能力范围在真空~40BAR。对于气-气换热，若是两侧都是弱给热系数，一般强化一侧，即采用管内或是管外一侧翅片，此时不如采用两侧进行强化，即管内外双翅片管；这个方面本人曾做过实例项目工程，运行效果还是非理想的，两侧气体物料热能利用率非常理想。另外附属一句，那就是一个很实际的问题，设备投资与回报的问题。以常规光管的管壳式换热器的投资作比较，完成相同的工艺指标，内展翅片换热器的的价格是较低的。

■ 列管式换热器的构造原理、特点：

列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。

■螺旋板式换热器的构造原理、特点：

螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽－汽、汽－液、液－液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。按 结构形式可分为 不可拆式（Ⅰ型）螺旋板式及可拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）螺旋 板式换热器。

换热设备介绍：换热设备是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热设备的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热设备价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。

■ 容积式换热器的构造原理、特点：

自动控温节能型容积式热交换器，它充分利用蒸汽能源、高效、节能，是一种新型热水器。普通热水器一般需要配置水水热交换器来降低蒸汽凝结水温度以便回用。而节能型热交换器凝结水出水温度在45℃左右，或直接回锅炉房重复使用。这样减少了设备投资，节约热交换器机房面积，从而降低基建造价，因此节能型容积式热交换器深受广大设计、用户单位欢迎。钢衬铜热交换器比不锈钢热交换器经济，并且技术上有保证。它利用了钢的强度和铜的耐腐蚀性，即保证热交换器能承受一定工作压力，又使热交换器出水质量好。钢壳内衬铜的厚度一般为1.0mm。钢衬铜热交换器必须防止在罐内形成部分真空，因此产品出厂时均设有防真空阀。此阀除非定期检修是绝对不能取消的。部分真空的形成原因可能是排出不当，低水位时从热交换器，或者排水系统不良。水锤或突然的压力降也是造成压负的原因。

■ 管壳式换热器的构造原理、特点：

管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。换热器的型式。

■ 管式换热器的构造原理、特点：

DLG型列管式换热器利用热传导和热辐射的原理，烟道气通过管程与逆流通过壳程的空气进行能量交换，从而达到输出洁净热空气的目的。该换热器结构紧凑，运行可*，列管采用耐高温的薄壁波纹管，增加发传热面积和换热效率。广泛应用于化工、制药、轻工等行业废气余热利用和空气加热。

■ 浮头式换热器的构造原理、特点：

浮头式换热器其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。

■ 汽水换热器的构造原理、特点：

该换热器是在板式换热器的基础上加装降温与降压器而组成的，利用调节器对高蒸汽或高温水进行一级换热使之降之150℃以下。进入板式换热器进行换热，适用于高温蒸汽及高温水(150℃以上)。这种装置集板式换热器同时具有降温与降压器的优点。使换热器更加充分地进行热量交换。

■热管换热器的构造原理、特点：

热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小、热响应迅速等特点，而且还具有安装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏等特点。热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（轧）翅片管经清洗并抽成高真空后注入最佳液态工质而成，随注入液态工质的成分和比例不同，分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端受热时管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。

将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。

热管是由美国发明的，最初被用于航天技术和核反应堆，以解决向阳面和背阴面受热不均匀。20世纪90年代被用于民用空调，由于其优越的导热性，受到越来越广泛的重视，目前在计算机、雷达等高科技领域被广泛应用。

■ 波纹管换热器的构造原理、特点：

产品特点一种新型的强化传热节能型高效换热设备，在传统列管式换热器的基础上，采用强化传热技术，是对传统各类换热器的重大突破。公称通径DN325～2000mm；公称压力P0.6～.4Mpa；换热管规格Ф19,Ф25,Ф32,Ф42.壁厚0.5～1.0；工作介质水－水、汽－水、油－水、油－油等多种换热介质。总传热系数水－水K＝2000～3500w/㎡；汽－水K＝2500～4000w/㎡；其它介质视介质物理性能及工况而定。优性能传热效率高，防腐能力好，不污、不堵、不易结垢，无需维护，密封可*，运行平稳，占地少，节省投资。

■ 空气换热器的构造原理、特点：

加热炉窑为了降低能耗，在烟道中设置空气换热器，以回收烟气中的大量余热，达到节约燃料、降低生产成本，提高燃烧温度、增加炉子的产量。空气换热器是余热利用的理想设备，在轧钢加热炉、热处理炉、煅造加热炉等各种工业炉窑上得到广泛应用。炉用空气换热器的种类很多， 目前国内外绝大多数采用的是金属换热器，空气换热器是利用炉窑排出的尾气热量将空气预热至一定的温度后返回炉内助燃或用于其它设备。金属换热器具有体积小、热交换效率高、严密性好、结构简单等特点。

■换热机组的构造原理、特点：

换热机组是一次热网与用户之间的直接桥梁，从一次热网得到热量，自动连续地转换为用户需要的生活用水及采暖用水，适用于空调（供暖供冷），采暖，生活用水（洗浴）或其他换热回路（如地板供热，工艺水冷却等）。换热机组与中华人民共和国建设部发布的板式换热机组城镇建设行业标准保持高度一致，也可根据客户的具体要求和实际工况设计加工非标准机组。换热机组由板式换热器、循环水泵、补水泵、过滤器、阀门、机组底座、热计量表、配电箱、电子仪表及自控系统等组成。热源的蒸汽或高温水从机组的一次侧供水口进入板式换热器，二次侧的低温回水经过过滤器除污，通过循环泵也进入板式过滤器，两种不同温度的水经过热交换，二次侧将热量输送给热用户

■石墨换热器的构造原理、特点：

圆块孔式石墨换热器由柱形不渗透性石墨换热块、石墨上下盖和其间的氟氧橡胶（或柔性石墨）O型圈及金属外壳、压盖等组装而成。是目前较先进、性能较优越的一种石墨换热器。圆柱形石墨换热块有较高的结果强度，并易与解决密封问题；在密封中采用氟橡胶（或柔性石墨）O型圈密封介质，加装压力弹簧作为热胀冷缩的自动补偿，以起到密封保持作用；采用短通道提高紊流程度使设备结构度高、耐温耐压性能强、抗热冲击性能好、体积利用率高、传热效果好并便于装拆检修。设备纵向孔走腐蚀性介质，横向孔走非腐蚀性介质。