一、选题的依据及意义：换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的20%，其中固定管板式换热器约占换热器的70%。

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。

当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。

固定管板换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热器的长度设置了若干块折流板。

这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。

壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。

当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。

本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计固定管板式换热器产品。

熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中区，为以后的工作和学习打下扎实的基础。

二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：2.1换热器的概念及意义在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程在、需要一种传热设备。

这种设备统称为换热器。

在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。

换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。

它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。

换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的，任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。

2.2管壳式换热器结构由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列的管壳式换热器则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。

图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。

为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。

多管程与多壳程可配合应用。

由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。

如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。

因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。

根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：（1）固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。

当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。

（2）浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。

浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。

（3） U型管换热器每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。

此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。

非金属材料换热器化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。

其中以碳化硅为主要材质的陶瓷换热器具有以下特点：陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。

它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450℃时，烟道出口的温度应是1000-1300℃，陶瓷换热器回收余热可达到450-750℃，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节约能源25%－45%，这样直接降低生产成本，增加经济效益。

陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。

经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。

它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。

寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。

是目前回收高温烟气余热的最佳装置。

目前，陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉，正在为世界的节能减排事业作出了巨大的贡献。

流道的选择：进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。

操作强化：当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间的换热），应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。

如果管外传热分系数小，可采用外螺纹管（低翅片管），以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。

如果管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。

1、主要控制参数管壳式换热器的主要控制参数为加热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。

2、选用要点1）、根据已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容决定所需的换热面积。

初步估计换热面积，一般先假定传热系数，确定换热器构造，再校核传热系数K值。

2）、选用换热器时应注意压力等级，使用温度，接口的连接条件。

在压力降，安装条件允许的前提下，管壳式换热器以选用直径小的加长型，有利于提高换热量。

3）、换热器的压力降不宜过大，一般控制在0.01～0.05MPa之间；4）、流速大小应考虑流体黏度，黏度大的流速应小于0.5～1.0m/s；一般流体管内的流速宜取0.4～1.0m/s；易结垢的流体宜取0.8～1.2m/s。

5）、高温水进入换热器前宜设过滤器。

6）、热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站的总供热负荷及调节的要求。

在满足用户热负荷调节要求的前提下，同一个供热系数中的换热器台数不宜少于2台，不宜多于5台。

2.3换热器的发展历史二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板式管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为各种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翘式换热器，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。

从此，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。

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。

由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。

例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

蓄热式换热器是利用冷、热流体交替经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。

这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。

以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。

间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。

管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等：板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翘式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求面设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。

顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。

逆流时，沿传热表面两流体的温度分布较均匀。

在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。

在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。

前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

当冷、热流体两者或其中一种有物相变化（沸腾或冷凝）时，由于相变时只放出或吸收气化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。

除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。

在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。

热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。