广东石油化工学院本科毕业设计：浮头式渣油换热器的设计（250㎡）
第一章 概述
1.1 何为换热器
换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜、压力容器、冷凝器、反应锅、螺旋板式换热器、波纹管、换热器、列管换热器、板式换热器、螺旋板换热器、管壳式换热器、容积式换热器、浮头式换热器、管式换热器、热管换热器、汽水换热器、换热机组、石墨换热器、空气换热器、钛换热器、换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。
1.2 换热器的应用
换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来,各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。据统计，在现代石油化工生产中，换热器的投资约占总投资的3O％～40％，正因如此设计投资省，能耗低，传热系数高，维修方便的换热器是大势所趋，在研究投人大、人力资源配备足的情况下,一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T 形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。
其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备，已作为一种标准换热设备。这种换热器的特点是易于制造，生产成本较低，选用的材料范围广，换热表面的清洗比较方便，适应性强，处理能力大，高温和高压下亦能应用。与各种换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好；此外，结构简单，操作弹性也较大等，因此在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器。
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第一章 概述
1.3 换热器分类
换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，以下列举其中的几种分类:
1.3.1 按传热原理分类
1）直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。
2）蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。
3）板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。换热器的种类繁多，每种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。
1.3.2 按结构分类
分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函换热器、U 形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。
1.3.3 按传热种类分类
(1)无相变传热 一般分为加热器和冷却器。
(2)有相变传热 一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。
1.3.4 按强化传热元件分类
分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热螺旋绕管式换热器、T 形翅片管换热器、新结构器、内插物换热器、锯齿管换热器。
1.3.5 按材料分类
主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金
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广东石油化工学院本科毕业设计：浮头式渣油换热器的设计（250㎡） 属等。
1.4 换热器的结构和使用特点
换热器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用。换热器的结构决定了换热器的性能，一种性能能否发挥作用取决于设计者如何选择合理结构，任何一个场合都有适应于这个场合特点的换热结构。
在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适用性较强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计，必须考虑诸多因素，如：材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。
管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其它新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。
管壳式换热器在炼油、石油化工、医药、化工以及其它工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等，通过各种因素的综合考虑及比较来选择某一种适合的结构形式。
对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，按工艺特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。
管壳式换热器把换热管与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管壳式换热器、外填料函式换热器、填料函滑动管板式换热器、釜式重沸器等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其它条件，管板与壳体的连接方式，换热管的形式与传热条件，造价，维修检查方便等情况，根据各种结构形式的特点来选择设计制造各种管壳式换热器。为了要使传热效率提高、能耗下降，就必须了解管壳式换热器的结构特点。下面着重介绍典型的管壳式换热器的结构及使用特点。
1.4 .1 浮头式换热器
浮头式换热器（见图1.1）是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。它的最大的特点是管板一端的管束可以自由浮动，在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，即其不受温差应力的困扰，但其结构复杂，内浮头密封困难，锻件多，造价高。维修时可只更换管束，适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况。它在相同的壳体直径下，布管数越多，换热面积越大。
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第一章 概述
其优点是：
① 管束可以抽出，以方便清洗管、壳程； ② 介质间温差不受限制；
③ 可在高温、高压下工作，一般温度≤ 450 oC ，压力≤ 6.4 MPa； ④ 可用于结垢比较严重的场合； ⑤ 可用于管程易腐蚀场合。 缺点：
① 小浮头易发生内漏；
② 金属材料耗量大，成本高20%； ③ 结构复杂。
1.4.2 固定管板式换热器
固定管板式换热器（见图1.2）是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，但最后一道壳体与管板的焊缝无法用无损检测。其两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定，管程可分成多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。它适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。在热膨胀之差较大时，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。 其优点是：
① 传热面积比浮头式换热器大20%-30%； ② 旁路漏流较小；
③ 锻件使用较少，成本低20％以上； ④ 没有内漏。 缺点：
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广东石油化工学院本科毕业设计：浮头式渣油换热器的设计（250㎡） ① 壳体和管子壁温差一般易小于等于50，大于50 时应在壳体上设置膨胀节； ② 管板与管头之间易产生温差应力而损坏； ③ 壳程无法机械清洗；
④ 管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低；
⑤ 不适用于壳程易结垢场合。
1.4.3 U形管换热器
U 形管换热器（见图1.3）是由管箱、壳体、管束等零部件组成。它是将换热管弯成U 形，并将换热管两端固定在同一块管板上，因此密封面较少。由于壳体与换热管分开，管束可自由伸缩，可以不考虑热膨胀。因U 形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器低。管束可以从壳体内抽出，换热管外壁便于清洗。
但换热管内清洗困难，所以换热管内的介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管的结构形式关系，换热管的更换除外侧一层外，内部换热管大部分不可能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易短路，影响传热效率。而且管板上排列的换热管较少，结构不紧凑。U 形管的弯管部分曲率不同，换热管长度不一致，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。换热管因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。
U 形管式换热器一般用于高温高压的情况下。壳程里需要清洗的管束，则要求采用正方形排列，管程为偶数程。
壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板等。折流板用于提高换热器的传热效率。纵向隔板是安装在平行于换热管方向的矩形平板上，以增加壳侧介质流速。 其优点是：
① 管束可抽出来机械清洗； ② 壳体与管壁不受温差限制；
③ 可在高温、高压下工作，一般适用于温度，压力（10MPa）；
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