换热器开题报告

丙烯冷凝器(E-301)设计————摘要：本文先简单阐述了换热器的研究背景，并附带介绍了换热器的重要作用及其型式的发展过程。

然后结合课题设计方向，由于本次设计方向为丙烯冷凝器（E-301）的设计，该冷凝器属于浮头式换热器的一种；在介绍浮头式换热器常见通用结构过程中，讲述一些用于该丙烯冷凝器的元件结构。

最后，简单讲述了本次设计所用的技术路线，大致介绍了冷凝器设计的相关步骤和方法。

关键字：浮头式换热器，冷凝器，技术路线1研究背景换热设备是化工、炼油工业、医药、冶金、制冷等工业中普遍应用的典型工艺设备，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传送给低温流体。

在实际生产过程中，为了满足工艺的要求，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、冷凝、蒸发等。

一般换热器需要满足如下的基本条件：合理地实现所规定的工艺条件；安全可靠；利于安装、操作、维修；经济合理[1]。

管壳式换热器的使用已有很悠久的历史；在二十世纪30年代，开始出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

近年来，由于能源消耗引起了人们的广泛重视，能源价格的逐渐上升，循环回收再利用观念已开始深入人心，工厂中废热回收也越来越具有吸引力。

通过换热器的使用，回收生产过程中产生的废热来提高工厂的效率以减少国家的能源需求，节省资源，对于国家长久的发展来说具有重要的意义。

同时，通过对换热器的优化设计，提高各类换热器的工作效率，减少因工作而造成的更多的能源浪费，也是设计换热器的重中之重。

2文献综述常见换热器种类：按传热方式的不同，换热器大致可分为三类，主要有混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。

其中，间壁式换热器的工业应用最为广泛，它的原理是将冷、热流体用一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。

其优点是避免了介质间的直接接触而导致介质的污染。

在间壁式换热器中，由于管壳式换热器具有成本低，清洗方便，适用性强，工作可靠等优点，所以它的应用范围较广，在换热设备应用过程中仍处于主导地位。

冷凝器属于换热器的一种，常用于空调系统中，在化工行业的应用也较为常见。

冷凝器可用液体（例如水）或气体（如空气）来冷却，冷凝蒸汽可用来加热流体。

一般冷凝流体的流动路线为：（1）在水冷式凝气器中走管外；（2）在气冷式凝气器中走管内[2]。

本文介绍的丙烯冷凝器结构属于浮头式换热器。

浮头式换热器：浮头式换热器的结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在沿壳体内轴向自由移动，该端称为浮头。

当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时互不约束，当两种介质温差较大时，管束与壳体间不会产生温差应力。

浮头端可设计为拆结构，使管束可以容易的插入或抽出（也有设计成不可拆的），这样为检修、清洗提供了方便[3]。

所以，它适用于壳体与管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

浮头式换热器的主要元件：换热管、管板、管箱、壳体、折流板、封头、法兰、接管等。

图2-1浮头式换热器2.1换热管2.1.1换热管常见类型换热管常用形式为光管，该类型管制造方便，较为经济，但是传热效率较低。

为了强化传热，换热管还可采用强化传热管，如波纹管、螺旋槽管、螺纹管等。

强化传热管的主要原理是通过改变管表面或内部形貌，从而改变流体的湍动程度，来达到强化传热的目的。

由于换热器中的传热在管子的表面，从性能角度来考虑管子几何变量的选择显得重要。

管子应该能承受两侧的操作温度与压力、壳体和管束之间不同的热膨胀引起的热应力、管程和壳程流体的腐蚀性[2]。

管子的大小由管外径和管壁厚度决定。

从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热器也较紧凑。

但大管径的管子易于清洗，更强固，当允许的管侧压降很小时需要用到这种管子。

其具体尺寸需参照相关设计手册进行选择[2]。

换热管材料，管材的选择主要是根据工况条件来进行，常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等，此外还有一些如石墨、聚四氟乙烯、陶瓷等非金属材料。

2.1.2换热管排列方式换热器管的布管原则是：无论采用哪种排列，都必须使管束周围的弓形空间尽可能多布管，增大传热面积，防止壳程流体短路[1]。

图2-2为几种常见的换热管排列方法，其形式主要有正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形。

正三角形排管方法在同样的管板面积上可以排最多的管，故而应用最为普遍，其缺点为清洗较困难。

为了便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。

正三角形转角正三角形（P为管正方形转角正方形中心距）图2-2换热管排列方式2.2管板管板主要用于分布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，也将冷热流体分开，避免他们混合，同时有受管程、壳程压力和温度的作用。

在管板材料的选择中，主要需要考虑材料的力学性能，还要考虑在管程、壳程中流动介质的腐蚀性，以及管板和换热管之间的点位差对腐蚀性的影响[1]。

管板的设计准则为在满足强度要求的前提下，尽量减小管板的厚度，薄管板换热器可以节约管板材料。

2.3管箱壳体直径较大的换热器多采用管箱结构。

管箱位于管壳式换热器两端，管箱的作用是把从管道输送出来的流体均匀的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确定[1]。

图2-3为管箱几种常见的结构型式。

图2-3管箱结构型式2.4壳体壳体常为一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。

P201小尺寸的壳体通常用标准尺寸的管子加工而成，大尺寸的壳体则用平板卷合而成。

用于壳体的费用要远比管子的花费高，因此设计人员在设计时一般只使用一个壳体来满足要求的换热面积。

比较经济的换热器通常是壳体直径小但尽可能长，只要满足整个工厂的布局、安装以及使用等现场条件即可[2]。

2.5折流板设置折流板的目的是为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，以改善加热，增大壳程流体的传热系数，减小结垢。

在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。

常用的折流板型式有弓形和圆盘-圆环形两种。

图2-4描绘了部分弓形和圆盘-圆环型折流板的样图。

图2-4弓形板及圆盘-圆环形折流板2.6管内流动的分程管束分程，在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个行程。

在管壳式换热器中，最简单常用的是单管程的换热器。

为使流体在管束中保持较大流速，可将管束分成若干程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数[1]。

下表2.1列出了管程的几种管束分程布置型式。

表2.1管程管束分程布置表2.7.换热器中的其它结构2.7.1封头选择封头时有两点主要考虑的因素；（1）是否容易接近传热管，以便于清洗和更换；（2）管道安装是否方便。

如果容易结垢或经常需要检查，最好选择容易移动的封头和端盖[2]。

2.7.2排液口和排气口所有换热器都要设置排液口和排气口，所以，要确定排液口和排气口的合适位置和大小。

可能还须设置其他的孔，以供安装压力表和热电偶等用[2]。

3技术路线3.1初步设计管壳式换热器的整个设计步骤非常繁琐，所以有必要分解为一下几个不同的步骤：a)初步估算管壳式换热器的尺寸大小；b)几何参数的计算，亦即辅助计算；c)传热和压降的校正因子；d）壳侧传热膜系数和压降；e)管侧传热膜系数和压降；设计的评价，即设计结果与设计规格比较[2]。

3.2各设计参数3.2.1设计压力设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。

对于同时受管、壳程压力作用的原件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。

按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步进程序。

计算压力：计算压力指在相应的设计温度下，用以确定换热器原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。

当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略不计[4]。

3.2.2载荷设计时应考虑以下载荷；内压、外压或最大压差；膨胀量不同引起的作用力；液柱静压力。

3.2.3腐蚀裕量为防止换热元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：a.对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；b.换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；c.介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。

换热器主要元件腐蚀裕量的考虑原则：a.管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；b.平盖，凸形封头、管箱和圆筒的内表面应考虑腐蚀裕量；c.管板和平盖上开槽时，可把高出隔板槽底面的金属作为腐蚀裕量，当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值；d.压力容器的法兰和管法兰的内径表面上应考虑腐蚀裕量；e.换热管不考虑腐蚀裕量；拉杆、定距杆、折流板和支持板等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量[4]。

3.2.4设计温度考虑设计温度主要是考虑环境温度对材料性能的要求。

在GB_150—2011中，通常将设计温度低于或等于-20℃称为低温。

由于低温环境对材料性能有较为特殊的要求，所以相关选材及计算设计也要按相关规定进行，以满足工况要求。

3.3换热管与管板的连接3.3.1强度胀接胀接是最早采用的方法，它在温度和压力不高时可以满足要求，但在高温高压时胀接无法满足需要。

胀接的原理是，当管子被胀大后，管子发生塑性变形使其管外径比板孔径更大，造成孔与管的过盈配合，因此能承受拉脱力；当过盈面上互相挤压而把间隙填满时，就形成了密封。

图3-1表示出了不同管板厚度的焊接形状。

用于厚度≦25mm的场合用于厚度>25mm的场合用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合图3-1强度胀接管孔结构3.3.2强度焊接焊接在目前用得比较广泛，且加工简便，连接强度好，在高温高压时也能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力。

管子焊接处如有渗漏可以补焊或利用专用工具拆卸后予以更新。