第六章 换热设备的设计
6.1 换热设备的分类和总体结构
6.1.1 换热设备的分类
按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：
1.混合式换热器——利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状。
2.蓄热式换热器——在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。这类换热器的结构紧凑，价格便宜、单位体积传热面大，故较适合于气—气热交换的场合。
3.间壁式换热器——是工业中最为广泛应用的一类换热器。冷—热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：
（1）管式换热器——如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。 （2）板面式换热器——如板式、螺旋板式、板壳式等。
（3）扩展表面式换热器——如板翅式、管翅式、强化的传热管等。 其中以管式换热器应用作为广泛，其特点见表6-1所示。
表6-1 管壳式换热器的主要类型及特点
类型 固定管式换热器 换热器的管端以焊接或胀接的方法固结构特点 定在两块板上，管板以焊接的方法与壳体相连 浮头式换热器 换热器中一块管板与壳体固定，另一块管板能自由移动 U型管式换热器 换热管被弯成U形，管的两端固定在同一管板上
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当壳体直径相同时便于排更多的管子， 设备性能 管内不易积垢 壳程难以清洗 在壳体与管中产生很大的温差应力 管束可抽取 管内、外都能清洗 一块管板可自由移动 在壳体与管中不会产生温差应力 只有一块管板 管束可以从壳体中抽出 管外清洗方便 管内清洗困难 在壳体与管中不会产生温差应力 6.1.2 管壳式换热器的总体结构
管壳式换热器的总体结构均包括：管箱、管板、壳体、折流板或支承板、定距管、拉杆、分程隔板、接管、支座等。如图6-1所示。
图6-1 常见管壳式换热器结构
1—平盖；2—平盖管箱（部件）；3—接管法兰；4—管箱法兰；5—固定管板；6—壳体法兰；7—防冲板； 8—仪表接口；9—补强圈；10—壳体（部件）；11—折流板；12—旁路挡板；13—拉杆；14—定距管；
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15—支持板；16—双头螺柱；17—螺母；18—外头盖垫片；19—外头盖侧法兰；20—外头盖法兰； 21—吊耳；22—放气口；23—椭圆形封头；24—浮头法兰；25—浮头垫片；26—无折边球形封头； 27—浮头管板；28—浮头盖（部件）；29—外盖头（部件）；30—排液口；31—钩圈；32—接管； 33—活动鞍座；34—换热管；35—假管；36—管束（部件）；37—固定鞍座；38—滑道；39—管箱垫片； 40—管箱短节；41—封头管箱；42—分程隔板；43—悬挂式支座；44—膨胀节（部件）；45—中间挡板；
46—U形换热器；47—内导流筒；48—纵向隔板；49—填料；50—填料函；51—填料压盖；
52—浮动管板；53—部分剪切环；54—活套法兰。
6.2管壳式换热设备设计的内容和步骤
6.2.1 管壳式换热设备设计的内容
管壳式换热设备设计的内容包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对换热设备进行强度、刚度及稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。
换热设备设计任务书内容和格式按表6-2所示。 6.2.2 管壳式换热设备设计的步骤
在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行换热设备的机械设计。
1了解设计条件； ○2选材； ○
3按设计压力计算壳体和管箱壁厚； ○
4管子与管板连接结构设计； ○
5壳体与管板连接结构设计； ○
6管板厚度计算； ○
7折流板、支持板等零部件的结构设计； ○
8换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算； ○
9管子拉脱离和稳定性校核； ○
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10判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构型式并进行有关的计算； ○
11接管、接管法兰、支座等的选择及开孔补强设计等。 ○
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表6-2 换热设备设计任务书
比例
条件内容修改 修改标记 单位名称 工程名称 设计项目 条件编号 设备图号 位号/台数 提出人 备注 修改内容 签字 日期 接管表
符号 a b c d e 公称尺寸DN 400 250 250 400 1/2” 连接面形式 凹面 凹面 凹面 凹面 螺纹 日期 设计参数及要求 壳程 1.43 1.57 310 310 碱洗气 16MnR 1 70 800 38 3 205 微弱 管程 1.53 1.68 420 420 变换气 20钢 1 工作压力，MPa 设计压力，MPa 工作温度，℃ 设计温度，℃ 介质 推荐材料 管/壳程数 传热面积，m2 公称直径，mm 传热管直径，mm 传热管长度，m 传热管根数，根 腐蚀情况 设计寿命 用途 变换气 碱洗气 碱洗气 变换气 排水口
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换热设备的设计
