换热器设计2013
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适用范围
A 适用于固定管板换热器、浮头式、U形管 式和填料函式换热器。 DN≤2600mm PN≤35MPa
下列不适用：
直接火焰加热；受核辐射；作疲劳分析的； 其它行业管理的，如制冷、制糖、造纸、饮料行
业的换热器。
35
B 主要内容
1 范围 2 引用标准 3 总则 4 材料 5 设计 6制造、检验与验收 7安装、试车和维护
31
管壳式 换热器设计
结构 设计
机械 设计
1工艺结构：隔板、折流板、 拉杆、挡板、接管等 2机械结构：各种连接与结构
3其它结构 管板 壳体与封头
法兰、浮头盖、钩圈 32
第二节 换热器设计要点 1 设计步骤
33
（16）项以前主要是工艺计算 (17)(18)项化机专业的事
34
2 GB151内容简介
管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强，可靠性高，
设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使 用的一种换热设备。
管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本 要求：
（1）换热效率高；
（2）流体流动阻力小，即压力降小；
省去一个管板和管箱，无温差应力，壳程 流体对管束的冲击大，管内清洗较难。
29
2流程安排
不仅设计用，选型也要用
确定壳程与管程流体的安排原则：
A 结垢－易结垢，易清洗；
B 流速高走管程；
C 腐蚀介质走管程；
D 压力高走管程；
E 饱和蒸汽冷凝走壳程；
F 粘度大走壳程。
？
30
3 注意事项
A 流体流动空间选择 压力、洁净度、温度、流量、腐蚀性 B 流速选择 传热有利与操作费用 C 程数的选择 D 必须遵守GB151及其它标准的规定 E 正确确定金属温度和设计温度。
（3）结构可靠，制造成本低；
（4）便于安装、检修。
3
垂 直 热 虹 吸 式 再 沸 器
液体在自下而上通过换热器 管程时部分汽化，由在壳程 内的载热体供热。
优点是液体循环速度快,传 热效果好,液体在加热器中 的停留时间短；但，为产生 液体循环所需的压头，这种 精馏塔的底座较高。
釜 式 再 沸 器
在釜内进行汽液分离，可降 低塔座高度；但加热管外的 液体是自然对流的，传热效 果较差，液体在釜内停留时 间也长，因而不适于粘度较 大或稳定性较差的物料。
2
换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备。根据不同的目的，换热器可以是
热交换器（Heat exchanger） 加热器（Heater） 冷却器（Cooler）
蒸发器（Evaporator） 冷凝器（Condenser）等
结构型式也多种多样，常用的换热器有板式换热器（Plate heat exchanger）、管壳式 换热器（Shell and tube heat exchanger）。
再沸器-换热器设计
1wk.baidu.com
设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达 出来的活动过程。
反映在具体的设计上是指一种设想通过校核的方式用 图、软件或语言表达出来。
如何合理地表达-计算、校核。
成功的设计师应具备以下几点：
A、强烈敏锐的感受能力 B、发明创造的能力 C、对作品的美学鉴定能力 D、对设计构想的表达能力 E、具备全面的专业智能
9
混合式换热器
蓄热式换热器
10
间壁式换热器 A 套管式换热器
高压、价格高、小流量
11
B 螺旋管（板）式换热器
螺线管：无温差应力，管内无 法清洗。
结构紧凑，传热效率高，单位 体积传热面积大，承压较差 （<1MPa），温度低于500℃。
12
13
C 热管式换热器
热管工作原理：真空中介质的蒸发、冷凝循环 用途广泛，单管失效对整体影响不大，适合低品位 能量回收。
F1 At
F3
式中，F1为由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N；
F1
t
tt
t0 1
s
ts
1
t0
Et At Es As
F2由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；
F2
Q AsEs AsEs At Et
其中，
Q
4
Di2
nd
2 0
ps
n
d0
2St
2
pt
F3由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；
F3
Q At Et AsEs At Et
26
B 浮头式
无温差应力，管束可拆，便于维修。 填料函式与浮头类似，但密封较差，直径应小于700mm。
27
钩圈对开便于安装，封头为球缺，浮头管板小于壳体 直径，尽量小，但不小于10mm。 填料函式与浮头类似，但易泄漏，用于小换热器。
28
C. U形管式
22
23
高强度膨胀节 用于压力3.75MPa.
24
25
2、必须设置膨胀节的条件
《换热器标准》中要求：若满足以下条件之一者，必须设置膨胀节
（1）s
2
t s
；（2） t
2
t t
；（3） s 0 且 s B；（4）管子拉脱力 q f q
壳体和管子中的应力按下式计算：
s
F1 F2 As
t
4
除图示复合 设备，大部 分再沸器属 于换热器， 图示设备属 于再沸器 （换热器） 与塔复合的 设备
5
采购
检验 装 备
检验
制造
生产厂
型号
价格
企 业
标准
订 、
制
换
热
器
调研、 选型、
的 途 径
标准资料、
设计、
制造加工、
检验 6
采购选型-GB151
管的
XXXDN pt
A LN N t
级别 Ⅰ或Ⅱ
14
D 板式换热器
组装、拆卸、 清洗除垢方便， 换热面积大， 湍流程度高， 传热动力小。 操作压力、温 度低，不超过 2MPa,250℃。
15
16
石墨换热器
板式
17
E 板翅式换热器
单位体积的传热面积高于6000m2/m3,管式小于300m2/m3。 用于<1MPa,温度视材料与制造方法，最高可达800℃。
ps
d Ns
管壳程数
单壳程Nt
换热管公称长度 与换热管外径
工程换热面积（m2）
管/壳程设计压力，相等写pt 公称直径，分子管箱（内），分母圆筒（内）
1X前端管箱型式、2X壳体型式、3X后端结构型式 7
设计-总装配图 零件图
8
换热设备分类 混合式换热器 蓄热式换热器
间壁式换热器
管式 板式 扩展表面式
18
19
F 列管式换热器
结构、型式多样，适应性强，处 理量大，高温高压下也可应用。 传热效率、结构的紧凑性、金属 消耗量等方面有待于改善。
20
第二节 列管式换热器的设计选型
1 主要型式 A 固定管板式
不加膨胀节温差不得大于50℃，壳程不便于除垢。
21
壳程表压大于0.7MPa，膨胀节制造不便，变形不 佳。
A 适用于固定管板换热器、浮头式、U形管 式和填料函式换热器。 DN≤2600mm PN≤35MPa
下列不适用：
直接火焰加热；受核辐射；作疲劳分析的； 其它行业管理的，如制冷、制糖、造纸、饮料行
业的换热器。
35
B 主要内容
1 范围 2 引用标准 3 总则 4 材料 5 设计 6制造、检验与验收 7安装、试车和维护
31
管壳式 换热器设计
结构 设计
机械 设计
1工艺结构：隔板、折流板、 拉杆、挡板、接管等 2机械结构：各种连接与结构
3其它结构 管板 壳体与封头
法兰、浮头盖、钩圈 32
第二节 换热器设计要点 1 设计步骤
33
（16）项以前主要是工艺计算 (17)(18)项化机专业的事
34
2 GB151内容简介
管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强，可靠性高，
设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使 用的一种换热设备。
管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本 要求：
（1）换热效率高；
（2）流体流动阻力小，即压力降小；
省去一个管板和管箱，无温差应力，壳程 流体对管束的冲击大，管内清洗较难。
29
2流程安排
不仅设计用，选型也要用
确定壳程与管程流体的安排原则：
A 结垢－易结垢，易清洗；
B 流速高走管程；
C 腐蚀介质走管程；
D 压力高走管程；
E 饱和蒸汽冷凝走壳程；
F 粘度大走壳程。
？
30
3 注意事项
A 流体流动空间选择 压力、洁净度、温度、流量、腐蚀性 B 流速选择 传热有利与操作费用 C 程数的选择 D 必须遵守GB151及其它标准的规定 E 正确确定金属温度和设计温度。
（3）结构可靠，制造成本低；
（4）便于安装、检修。
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垂 直 热 虹 吸 式 再 沸 器
液体在自下而上通过换热器 管程时部分汽化，由在壳程 内的载热体供热。
优点是液体循环速度快,传 热效果好,液体在加热器中 的停留时间短；但，为产生 液体循环所需的压头，这种 精馏塔的底座较高。
釜 式 再 沸 器
在釜内进行汽液分离，可降 低塔座高度；但加热管外的 液体是自然对流的，传热效 果较差，液体在釜内停留时 间也长，因而不适于粘度较 大或稳定性较差的物料。
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换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备。根据不同的目的，换热器可以是
热交换器（Heat exchanger） 加热器（Heater） 冷却器（Cooler）
蒸发器（Evaporator） 冷凝器（Condenser）等
结构型式也多种多样，常用的换热器有板式换热器（Plate heat exchanger）、管壳式 换热器（Shell and tube heat exchanger）。
再沸器-换热器设计
1wk.baidu.com
设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达 出来的活动过程。
反映在具体的设计上是指一种设想通过校核的方式用 图、软件或语言表达出来。
如何合理地表达-计算、校核。
成功的设计师应具备以下几点：
A、强烈敏锐的感受能力 B、发明创造的能力 C、对作品的美学鉴定能力 D、对设计构想的表达能力 E、具备全面的专业智能
9
混合式换热器
蓄热式换热器
10
间壁式换热器 A 套管式换热器
高压、价格高、小流量
11
B 螺旋管（板）式换热器
螺线管：无温差应力，管内无 法清洗。
结构紧凑，传热效率高，单位 体积传热面积大，承压较差 （<1MPa），温度低于500℃。
12
13
C 热管式换热器
热管工作原理：真空中介质的蒸发、冷凝循环 用途广泛，单管失效对整体影响不大，适合低品位 能量回收。
F1 At
F3
式中，F1为由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N；
F1
t
tt
t0 1
s
ts
1
t0
Et At Es As
F2由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；
F2
Q AsEs AsEs At Et
其中，
Q
4
Di2
nd
2 0
ps
n
d0
2St
2
pt
F3由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；
F3
Q At Et AsEs At Et
26
B 浮头式
无温差应力，管束可拆，便于维修。 填料函式与浮头类似，但密封较差，直径应小于700mm。
27
钩圈对开便于安装，封头为球缺，浮头管板小于壳体 直径，尽量小，但不小于10mm。 填料函式与浮头类似，但易泄漏，用于小换热器。
28
C. U形管式
22
23
高强度膨胀节 用于压力3.75MPa.
24
25
2、必须设置膨胀节的条件
《换热器标准》中要求：若满足以下条件之一者，必须设置膨胀节
（1）s
2
t s
；（2） t
2
t t
；（3） s 0 且 s B；（4）管子拉脱力 q f q
壳体和管子中的应力按下式计算：
s
F1 F2 As
t
4
除图示复合 设备，大部 分再沸器属 于换热器， 图示设备属 于再沸器 （换热器） 与塔复合的 设备
5
采购
检验 装 备
检验
制造
生产厂
型号
价格
企 业
标准
订 、
制
换
热
器
调研、 选型、
的 途 径
标准资料、
设计、
制造加工、
检验 6
采购选型-GB151
管的
XXXDN pt
A LN N t
级别 Ⅰ或Ⅱ
14
D 板式换热器
组装、拆卸、 清洗除垢方便， 换热面积大， 湍流程度高， 传热动力小。 操作压力、温 度低，不超过 2MPa,250℃。
15
16
石墨换热器
板式
17
E 板翅式换热器
单位体积的传热面积高于6000m2/m3,管式小于300m2/m3。 用于<1MPa,温度视材料与制造方法，最高可达800℃。
ps
d Ns
管壳程数
单壳程Nt
换热管公称长度 与换热管外径
工程换热面积（m2）
管/壳程设计压力，相等写pt 公称直径，分子管箱（内），分母圆筒（内）
1X前端管箱型式、2X壳体型式、3X后端结构型式 7
设计-总装配图 零件图
8
换热设备分类 混合式换热器 蓄热式换热器
间壁式换热器
管式 板式 扩展表面式
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19
F 列管式换热器
结构、型式多样，适应性强，处 理量大，高温高压下也可应用。 传热效率、结构的紧凑性、金属 消耗量等方面有待于改善。
20
第二节 列管式换热器的设计选型
1 主要型式 A 固定管板式
不加膨胀节温差不得大于50℃，壳程不便于除垢。
21
壳程表压大于0.7MPa，膨胀节制造不便，变形不 佳。