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金涛：1985年本科、1989年硕士、2000年博士、2003年博士后毕业于浙江大学化工机械专业。研究方向：故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、CAD/CAE/CAM）地点：教四-108电话：87952821，13857192581E-mail:cejintao@zju.edu.cn任课教师•什么是换热设备？•作用及应用场合？•换热设备的类型？•各种换热设备的特点？•如何设计及选用？•未来发展？提出问题6.1.1换热设备的应用热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备广泛应用于化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等。在化工厂中，换热设备投资占10%-40%。6.1概述按作用原理或传热方式直接接触换热器蓄热式换热器间壁式换热器中间载热体式换热器6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述直接接触换热器传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜，但仅适合工艺上允许两种流体混合的场合。热流体冷流体热流体冷流体6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔、气压冷凝器等。蓄热式换热器又称回热式换热器，它是借助于由固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。热流体冷流体热流体冷流体载热体6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述间壁式换热器又称表面式换热器，它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。是工业中应用最为广泛的换热器。热流体冷流体热流体冷流体6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器，载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述间壁式换热器管式换热器板面式换热器其他形式换热器蛇管式换热器套管式换热器管壳式换热器：应用最广缠绕管式换热器沉浸式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器螺旋板式换热器：不易结垢板式换热器板翅式换热器：效率最高板壳式换热器伞板式换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器这是什么？6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述螺旋管式换热器折流杆换热器浮头式外导流筒换热器U型管式换热器折流杆换热器6.1.2换热设备的分类及特点6.1概述考虑因素（流体的性质）压力热导率腐蚀性温度允许压降范围清洗维修要求材料价格使用寿命种类粘度热敏性6.1.3换热器选型6.1概述按结构特点结构简单、紧凑造价低固定管板式承受较高压力清洗、更换方便浮头式U形管式填料函式釜式重沸器产生热应力温差不大不易结垢清洗方便无热应力结构复杂造价高制造时密封要求高结构简单无热应力布管少报废率高承压能力强轴向自由伸缩无热应力产生泄露物料有限制结构简单承受高温、高压无热应力成本高结构复杂清洗方便6.2.1基本类型6.2管壳式换热器型式材料换热管尺寸管排列形式及中心距管板管箱管束分程换热管与管板连接平面形椭圆形蝶形管板结构光管球形绕性薄管板强度胀强度焊管程结构管板材料翅片管螺旋槽管螺纹管6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器胀焊并用单双三弓形圆盘-圆环旁路挡板挡管壳体折流板或折流杆纵向隔板壳程结构防短路结构拉杆防冲挡板中间挡板6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器换热管排列形式正三角形转角三角形正方形转角正方形30º60º90º45º6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器换热管管板材料选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢、铜、铝、钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀材料，造价很高。工程上常采用不锈钢+钢、钛+钢、铜+钢等复合板，或堆焊衬里。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管板结构薄管板结构形式（a）（b）（c）（d）6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管板结构在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板是指相对采用标准、规范（如GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA）计算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度为8-20mm。目前薄管板主要有平面形、椭圆形、蝶形、球形、挠性薄管板等形式，最为常用的是平面形薄管板。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管箱壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地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决定。管束分程在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换热器。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器1.强度胀强度胀是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。常用的胀接有非均匀胀接（机械滚珠胀接）和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接和爆炸胀接等）两大类。换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。换热管与管板连接的好坏，直接影响换热器的使用寿命。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。强度胀接主要适用于设计压力小于等于4.0MPa；设计温度小于等于300ºC；操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器2.强度焊强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。此法目前应用较为广泛。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。除有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器2.胀焊并用采用胀焊并用，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。因此，此法得到广泛应用。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需要用复合管板等的场合。胀焊并用方法，从加工工艺看，主要有强度胀+密封焊、强度焊+胀接、强度焊+强度胀等几种形式。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器壳体壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等元件组成。设置折流板的目的是未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，以改善传热，增大壳程流体传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管。折流板常用的折流板有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形有单弓形、双弓形和三弓形三种。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板最小间距应不小于壳体内直径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体内直径。折流杆折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起。在大直径的换热器中，如折流板间距较大，容易形成“死区”。宜采用多弓形折流板。新型管束支撑结构——折流杆支撑结构。该支撑结构又折流圈和焊接在折流圈上的支撑杆（杆可以水平、垂直或其他角度）所组成。支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般4块折流圈为一组。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器防短路结构（1）旁路挡板（2）挡管挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆代替。挡管应每隔3-4排换热管设置一根，但不应设置在折流板缺口处。（3）中间挡板在U形管式换热器中设置，中间挡板一般与折流板点焊固定，中间挡板的数量不宜多于4块。6.2.2管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管板设计的三种基本假设1.将管板看承为周边支承条件下承受军部载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。2.将管子当作管板的固定支承而管板是受管子支承着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。3.将管板视为在广义弹性基础上承受军部载荷的多孔圆平板，即把实际的管板简化为规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。这种假设既考虑了管子的加强作用，又考虑了管子的削弱作用，比较全面，为多数国家采用。6.2.3管板设计6.2管壳式换热器管板设计的基本考虑1.管束对管板绕度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用2.管束周边不布管区对管板应力的影响，划管板为两个区。3.不同结构的换热器，管板边缘连接结构不同，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板应力的影响。6.2.3管板设计6.2管壳式换热器管板设计思路1.管板弹性分析，将换热器分解成封头、法兰、管板、螺栓、垫片等元件组成的弹性系统，各元件之间的相互作用用内力表示，管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板。但忽略管束对管板转角的约束作用2.危险工况，壳程压力和管程压力不能同时作用时。3.管板应力校核4.管板应力调整5.管板计算软件6.2.3管板设计6.2管壳式换热器薄管板设计1.薄管板主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体压力引起的应力与挠度相对来说是不大的。中低压条件的薄管板厚度可直接查表或通过规范计算得到。2.因为薄管板本身的刚度小，载荷主要由管子承担，需要验算管子的稳定性。可减小折流板或支持板的间距。6.2.3管板设计6.2管壳式换热器6.2.3管板设计6.2管壳式换热器降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉脱力。起到补偿轴向变形的作用。根据设计条件、换热器各元件的实际应力状况，判断是否需要膨胀节。参见GB16749《压力容器波形膨胀节》。6.2.4膨胀节设计6.2管壳式换热器1.膨胀节的作用2.是否设置膨胀节的判断3.膨胀节设计计算1.流体诱导振动（1）卡曼旋涡（2）流体弹性振动（3）湍流颤振（4）声振动（5）射流转换2.管子固有频率3.防振措施（1）改变流速；（2）改变管子固有频率；（3）增设消声板；（4）抑制周期性旋涡；（5）设置防冲板或导流筒。6.2.5管束振动与防止6.2管壳式换热器6.2.6设计方法和工艺计算6.2管壳式换热器换热器设计的主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。设计主要包括壳体型式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道、工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。换热器的工艺设计计算依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包括计算换热面积和选型两个方面。6.2管壳式换热器（1）计算换热器的热负荷Q（2）确定冷热流体物性参数（3）初选换热器的尺寸规格（4）计算管程压降与传热系数（5）计算壳程压降与传热系数（6）计算总传热系数K、校核传热面积（7）对设计结果进行评估及优化6.2.6设计方法和工艺计算换热面积计算在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，使其占据过多的空间。计算换热面积的一个重要参数是总传热系数，它包括冷热介质的给热系数、介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给热系数不仅与介质的