浮头式换热器设计说明书设计者：徐凯指导教师：张玲张亚男秦敏系别：机械工程系专业：热能与动力工程日期：2009.11宁夏理工学院前言换热器是非常重要的换热设备。

在国民生产的各个领域得到了广泛的应用。

本设计说明书主要介绍浮头式换热器的原理和设计思路及整个设计过程。

在浮头式换热器中，浮头式换热器的两端的管板，一端不与壳体相连，该端亦称浮头。

管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

浮头式换热器主要有如下特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场就能清楚地看出来。

这种换热器的壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。

其缺点是结构复杂造价高，一般比固定管板高20%左右，在运行中浮头处发生泄漏不易检查处理。

浮头式换热器适应于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的工作条件下。

本书内容系统、完整，理论与实际并重。

书中对浮头式换热器设计中所需的各学科知识均有简要的介绍和解释。

同时该书对换热器在编写时注重介绍的方法简明扼要，条理清楚，深入浅出，紧密结合工程实际。

期间得秦敏、张春兰、张亚男、张玲等老师的悉心指导。

在此表示真挚的感谢！由于编者水平有限，其中难免不妥之处，恳请各位读者批评指正。

编者：徐凯2009-11-26目录第一章绪论第二章设计任务和设计条件 (1)第三章确定设计方案 (3)3.1 换热器类型的确定 (3)3.2 管程及壳程的流体安排 (3)第四章确定物性数据 (4)4.1定性温度的确定 (4)4.2列表 (6)第五章传热面积的估算 (7)第六章工艺结构尺寸的确定 (9)6.1 管径和管内流速的确定 (9)6.2 管程数和传热管数的确定 (9)6.3 平均传热温差的校正 (10)6.4 传热管排列和分程方法确定 (10)6.5 壳体内径的确定 (11)6.6 折流板的确定 (11)6.7 其它附件的确定 (12)第七章所设计换热器的校核算 (13)7.1 传热热流量的核算 (13)7.2 壁温的校核计算 (15)7.3 换热器内流体的流动阻力的核算 (17)参考文献 (19)换热器原理课程设计心得体会 (21)第一章绪论1.1换热器课程设计的目的和要求课程设计是《换热器原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。

在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。

课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。

通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：(1)查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；(2)树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)迅速准确的进行工程计算的能力；(4)用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

1.2换热器课程设计的基本内容和基本要求（1）课程设计的基本内容：①设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；②设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、传热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；③主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；（2）换热器课程设计的基本要求完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。

说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容：①封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间）；②目录；③设计任务书；④设计方案简介；⑤工艺设计计算；⑥设计结果汇总表；⑦设备装配图及必要的零件图；⑧参考资料。

（3）换热器课程设计的总流程①布置任务；②阅读指导书和查阅资料；③设计计算，绘图和编写说明书；④考核和答辩。

第二章管壳式换热器的设计思路2.1前言换热器分类：管壳式换热器根据结构特点可分为下列两类。

（1）刚性结构的管壳式换热器：这种换热器又成为固定管板式，通常可分为单管程和多管程两种。

它的优点是结构简单紧凑、造价便宜和应用较广；缺点是管外不能进行机械清洗。

（2）具有温差补偿装置的管壳式换热器：它可使受热部分自由膨胀。

该结构形式又可分成以下三类：①浮头式换热器：这种换热器的一端管板能自由伸缩，即所谓“浮头”。

他适用于管壁和壳壁温差大，管束空间经常清洗。

但它的结构较复杂，加工制造的费用较高。

② U形管式换热器：它只有一块管板，因此管子在受热或冷却时，可以自由伸缩。

这种换热器的结构简单，但制造弯管的工作量较大，且由于管子需要有一定的弯曲半径，管板的利用率较差，管内进行机械清洗困难，拆换管子也不容易，因此要求通过管内的流体是清洁的。

这种换热器可用于温差变化大，高温或高压的场合。

③填料函式换热器：它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料密封，以保证管子的自由伸缩，当换热器内的管子数目很少时，才采用这种结构，但管距比一般换热器要大，结构复杂。

另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构，在浮动处采用整体填料函密封，结构较简单，但此种结构不易用在直径大、压力高的情况。

填料函式换热器现在很少采用。

2.2、壳管式换热器的设计2.2.1设计条件的审查1、换热器的设计，用户应提供的设计条件（工艺参数）①管、壳程的操作压力（作为判定设备是否上类的条件之一，必须提供）②管、壳程的操作温度（进口/出口）③金属壁温（工艺计算得出（用户提供））④流体种类及特性（⑤腐蚀裕量⑥程数⑦换热面积⑧换热管规格，排列形式（三角形或正方形）⑨折流板或支撑板数量）2.几个重点设计条件①操作压力：作为判定设备是否上类的条件之一，必须提供。

②物料特性：如用户不提供物料名称则必须提供物料的毒性程度。

因为介质的毒性程度关系到设备的无损监测、热处理、锻件的级别，对于上类设备，还关系到设备的划分（a）GB150 图样注明盛装毒性极度危害或高度危害介质的容器100%RT.（b）图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器，应进行焊后热处理（奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处理）（c）锻件，使用介质的毒性为极度或高度危害性的锻件应符合Ⅲ级或Ⅳ级要求。

2.2.2设计和选用时应考虑的问题1、冷热流体流动通道的选择（1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但U 形管式的不宜走管程；（2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀；（3）压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；（4）饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出；（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热；（6）若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力；（7）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程100Re>即可达到湍流。

但这不是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给热系数。

以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛盾，故应根据具体情况，抓住主要方面，作出适宜的决定。

2、流动方式的选择除逆流和顺流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。

当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程越有利。

但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。

因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。

当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。

3、换热管规格和排列选择换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。

因此对于洁净的流体可将管径取得小些。

但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。

为了制造和维修的方便，常用的管规格：碳钢：φ19×2，φ25×2.5，φ32×3，φ38×5不锈钢：φ19×2，φ25×2，φ32×2.5，φ38×2.5换热管的排列形式：三角形，转角三角形，正方形，转角正方形。

我国目前试行的系列标准规定采用φ19×2mm和φ25×2.5mm两种规格，管长有1.5、2.0、3.0、6.0m，排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列，见图2-1。

图2-1 换热管排列方式各种排列方式的优点：⎪⎩⎪⎨⎧，给热系数大，管外流体湍流程度高等边三角形：排列紧凑热系数正方形错列：可提高给但给热效果较差正方形排列：易清洗， 换热管间需要机械清洗时，应采用正方形排列。

布管的原则：①在布管限定圆内应布满管。

②多管程的各管程数应尽量相等。

③ 换热管应对称排列。

材料：强调以下两点：①换热器圆筒的碳素钢、低合金钢钢管应采用无缝钢管。

4、折流挡板安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。

对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。

由图2-2可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。

挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。

间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。

一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。

a.切除过少b.切除适当c.切除过多图2-2挡板切除对流动的影响2.2.3管壳式换热器的给热系数给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过，而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。

壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当100>Re 即可达到湍流状态。

1、流体在圆形直管内的强制湍流kNu Pr Re 023.08.0=k p c du d )()(023.08.0λμμρλα=使用范围：Re>10000，0.7<Pr<160，μ<2×10-5Pa.s ，l/d>50 注意事项：（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值t m ； （2）特征尺寸为管内径d i ；（3）流体被加热时，k ＝0.4，流体被冷却时，k ＝0.3； （4）特征速度为管内平均流速。

以下是对上面的公式进行修正： a ．高粘度14.033.08.0)()()(027.0wp c du d μμλμμρλα= 要考虑壁面温度变化引起粘度变化对α的影响（μ是在t m 下；而μW是在t w 下）。