換熱器結構設計的案例
PPT│管殼式換熱器的結構與設計
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換熱面積在板式換熱器設計中的重要性是什么？
在現代工業系統中，能源效率與設備性能的平衡始終是工程師關注的核心，而在眾多熱交換設備中，板式換熱器因緊湊的結構、高效的傳熱能力和靈活的配置，廣泛應用于暖通空調、食品加工、化工、電力等多個領域，然而在設計和選型過程中，一個看似基礎卻相當重要的參數——換熱面積，往往決定了整個系統的成敗，它不僅僅是圖紙上的一個數字，更是決定換熱效率、運行成本乃至設備壽命的關鍵因素。
艾克森板式換熱器：https://www.accessen.cn/
那么換熱面積到底意味著什么？簡單來說，它是所有換熱板片有效傳熱表面的總和，想象一下，熱量就像水流，需要通過一塊塊“橋梁”從一種介質傳遞到另一種介質，這些“橋梁”的總面積越大，熱量傳遞的通道就越寬，換熱過程也就越順暢，因此換熱面積直接決定了設備的熱負荷能力，面積不足，系統可能無法達到預期的溫度變化，導致生產效率下降；面積過大，則可能造成材料浪費、設備體積臃腫，增加初期投資和運行阻力。
在實際設計中，換熱面積的選擇并非孤立進行，而是與流體特性、溫差、流量、板片材質和波紋結構等參數緊密關聯，例如在溫差較小的工況下，為了達到相同的換熱量，就必須增大換熱面積來補償傳熱推動力的不足，同樣，對于高粘度或低導熱系數的流體，也需要更大的面積來保證足夠的熱交換效率，這就要求設計人員在計算時，不僅要依據標準公式，更要結合實際運行條件進行精細優化。
值得一提的是，板式換熱器的模塊化設計為換熱面積的調整提供了極大便利，通過增減板片數量，可以在一定范圍內靈活調節總面積，以適應不同的工況需求，這種靈活性不僅提升了設備的適應性，也降低了用戶在不同項目中的選型難度，然而這也帶來了一個難題：如何在滿足性能要求的同時避免過度設計？這就需要制造商具備深厚的工程經驗和精準的模擬分析能力。
展開 列管式固定床反應器的換熱結構都有哪些？其應用又有哪些？
纏繞管式反應器實際是對分管束式反應器的一種結構變形，這種結構設計包含了對分管束式反應器管束結構的裝配難度大和溫差應力問題的綜合考慮，纏繞管束的制造過程具備獨特的便捷性，且纏繞管換熱結構應用于高溫工況時能夠有效解決溫差應力問題，因此該結構反應器的開發成為當前研究的熱點。
該反應器設計在管外裝填催化劑，換熱介質在纏繞管內流動換熱，換熱管兩端通過自由彎曲匯總連接到管箱，分別連接換熱介質進、出口。在纏繞管束所處位置從內向外方向依次設置有中心進料分布器、催化劑筐、纏繞管和外收集器，中心分布器同時作為纏繞管束的中心承載結構。纏繞管式反應器的多層繞管結構有利于提高反應介質沿徑向流動的均勻性，間接優化了流體在反應器內的分布效果。
多數纏繞管式反應器設計均需采用超長換熱管（相對于12m以下的常用換熱管長度），因此制造過程中對換熱管的質量控制和檢測要求較高。由于纏繞管束的位置也是裝填催化劑的反應空間，管束纏繞的尺寸精度直接影響催化劑裝填均勻性，因此管束纏繞過程的制造工藝控制對于反應器使用性能至關重要。
展開 浮頭式換熱器結構詳解
新型浮頭式換熱器浮頭端結構，它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成。
浮頭式換熱器的詳細結構
新型浮頭式換熱器浮頭端結構，它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側法蘭內側面設凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通。
浮頭式換熱器結構示意圖
鉤圈式浮頭的結構
浮頭式換熱器浮頭端結構由圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成。鉤圈式浮頭的詳細結構見下圖所示。
鉤圈式浮頭的詳細結構
鉤 圈
鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質間的串漏起著重要的作用。鉤圈一般都是對開式結構，要求密封可靠，結構簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。
GB151 給出了兩種型式的鉤圈，即A 型鉤圈和B 型鉤圈。見下圖。
A 型鉤圈特點
A 型鉤圈的底部距浮動管板較遠，使得浮頭端殼程介質的死角增大，減少管束的有效傳熱面積。且A 型鉤圈的厚度比B 型鉤圈厚，上緊雙頭螺柱也比B 型長，穩定性差。
展開 
CFD專欄丨基于Inspire Fluid的隱式建模換熱器設計和熱仿真
<p><strong>基于增材制造的換熱器</strong></p><p><br></p><p>增材制造，即 3D 打印技術，是一種通過逐層堆疊材料的方式構建物體的制造方法。熱交換器的設計通常是最大化表面積和最小化壓降之間的平衡。晶格結構的使用被證明是增強傳熱從而提高熱交換器效率的一種可能方法。由于體積相對較小、重量輕且熱效率高，這些基于增材制造的換熱器已在航空航天、電子設備等領域得到廣泛應用。</p><p><br></p><p><strong>? 增材制造換熱器優勢：</strong></p><p><br></p><ul><li>高比表面積換熱：如基于極小曲面的隱式建模換熱器，能增加冷熱流體的接觸面積，從而提高換熱效率，傳統換熱器在有限的空間內難以達到同等的換熱面積。</li><li>流場均勻性好：隱式建模的一些復雜結構能使流體在換熱器內的流動更加均勻，減少流動死區和渦流現象，讓熱量傳遞更充分、高效，傳統換熱器可能存在流場不均勻，導致局部換熱效率低的問題。</li><li>低熱阻特性：其結構的光滑性和連通性等特點，使得熱量傳遞過程中的熱阻相對較小，能更快速地實現熱量的傳遞和交換。</li></ul><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/x0yLiaf5fF6yoVibTeSqBpqMYyDTicj6spCp9e8ns0aFDn9IRuTzx6qJ3n46ss95KOdXDaCIxv30S3YkqqicjheicGw/640?
展開 板式換熱器優化設計方法
因此，冷熱介質流量比過大時不宜采用熱混合板。
② 采用非對稱型板式換熱器
對稱型板式換熱器由板片兩面波紋幾何結構相同的板片組成，形成冷熱流道流通截面積相等的板式換熱器。非對稱型 (不等截面積型 )板式換熱器根據冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，改變板片兩面波形幾何結構，形成冷熱流道流通截面積不等的板式換熱器，寬流道一側的角孑 L直徑較大。非對稱型板式換熱器的傳熱系數下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質流量比較大時，采用非對稱型單流程比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積 15% 一 3O% 。
③ 采用多流程組合
當冷熱介質流量較大時，可以采用多流程組合布置，小流量一側采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數。大流量一側采用較少的流程，以降低換熱器阻力。多流程組合出現混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的板式換熱器的固定端板和活動端板均有接管，檢修時工作量大。
④ 設換熱器旁通管
當冷熱介質流量比較大時，可在大流量一側換熱器進出口之問設旁通管，減少進入換熱器流量，降低阻力。為便于調節，在旁通管上應安裝調節閥。該方式應采用逆流布置，使冷介質出換熱器的溫度較高，保證換熱器出口合流后的冷介質溫度能達到設計要求。設換熱器旁通管可保證換熱器有較高的傳熱系數，降低換熱器阻力，但調節略繁。
⑤ 板式換熱器形式的選擇
換熱器板間流道內介質平均流速以 0．3～ 0．6m／ s為宜，阻力以不大于100 kPa為宜。
展開 【精選資源】換熱器的設計
【精選資源】換熱器的設計
浮頭式換熱器結構動畫演示
B 型鉤圈和浮動管板的結構及尺寸
B 型鉤圈和浮動管板的結構
B 型鉤圈與浮動管板的結構如圖所示。
B型鉤圈
浮動管板
推薦的B 型鉤圈和浮動管板的尺寸
B 型鉤圈的推薦尺寸與之相配合的浮動管板的尺寸，供設計參考，詳見表1和上圖。
表1 B 型鉤圈和浮動管板的推薦尺寸(mm)
浮頭蓋
浮頭蓋是浮頭式換熱器浮頭端的重要組成部分，浮頭蓋的結構如下圖所示。
浮頭蓋的結構
多管程的浮頭蓋，其最小內側深度應使相鄰管程之間的橫跨流通面積至少等于每程換熱管流通面積的1.3 倍。
單管程的浮頭蓋，其接管中心處最小內側深度為接管內徑的三分之一。
浮頭蓋中分程隔板的最小厚度如下表2所示。
展開 優化設計，提升性能 | 《ANSYS換熱器設計與開發仿真解決方案》現已開放領取
定義和應用
換熱器的種類
使用換熱器面臨的巨大挑戰
換熱器的分析與設計過程
分析方法
仿真對換熱器設計和開發的影響
換熱器設計難點與方案
預測換熱器結垢
換熱器設計和開發的最佳實踐
1 擴散器形狀優化
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· 入口擴散器的形狀優化研究案例
2 導管螺紋形狀優化
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· 波紋管
· 嚙合波紋管
3 共軛傳熱（CHT）
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· Ansys Workbench Meshing 針對CHT繪制網格
4 冷熱循環熱機疲勞
· 工程挑戰
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
5 蒸發和冷凝
· 工程挑戰
· Ansys應對挑戰的關鍵功能
· Semi-Mechanistic沸騰模型
· 蒸發和冷凝案例研究
6 系統耦合能力（0D，1D，3D耦合）
· 工程挑戰
· Ansys應對挑戰的關鍵
· 換熱器庫
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展開 換熱器設計與開發仿真解決方案
系統耦合能力（0D，1D，3D耦合）
6.1 工程挑戰
6.2 Ansys應對挑戰的關鍵功能
6.3 換熱器庫
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使用換熱器面臨的巨大挑戰
－ 優化熱交換
－ 提升性能
－ 減少損害
－ 做出更好的材料選擇
－ 承受異常/惡劣的條件
換熱器的分析與設計過程：流體的熱分析
（1）分析和設計：
－ 計算/設計 熱/冷 出口的溫度
－ 計算/設計 熱/冷 質量流速
－ 計算/設計 熱/冷 傳熱面積
（2）優化：
－ 傳熱速率最大
－ 壓降最小
－ 減少溫度的分層（增加均勻性）
－ 形狀優化改善流動的均勻性
－ 成本效率
分析方法
（1）降階的換熱器模型
－ 更關注于換熱器對系統影響而不是本身換熱器的設計
－ 換熱器尺度變化差異大，完全對換熱器進行高精度的模擬不符合實際
－ 需要根據實驗或者經驗關聯式定義一些輸入參數
－ 只能用于某些經典的換熱器
（2）詳細的CFD分析
－ 能應用于任何一種換熱器（不同幾何、構型）
－ 能夠從模擬中獲得更多細節信息
－ 能應用于換熱器本身的設計于優化
－ 能采用較大的網格（因為換熱器本身的特性能夠被網格解析）
－ 更加高級的物理模型
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展開 板式換熱器板片設計的4大特性
板式換熱器是制冷主機上的重要配件，它是由一組波紋金屬板組合而成，板上有四個角孔，供傳熱的兩種液體通過，引導流體交替地流經各自的通道，進行熱交換，它們排列緊密、精度高，體積小，換熱效率高，節省空間，使用環境要求較高，適合在小型制冷機組上使用，廣泛應用與冶金、石油、化工、食品、制藥、船舶、紡織、造紙等行業，是加熱、冷卻、熱回收、快速滅菌的優良設備。
板式熱交換器板片設計的四大特性
一、分流區設計
即使最寬的板片，也能使流體充分均勻地分布在板片的各個角落，使分流區壓力損失最小.板片所有的換熱面積都參與高效換熱，板片的所有物理面積都轉化為有效的換熱面積，無換熱死區，不存在流動死角，不容易發生積垢，不易出現積垢引起的氯離子腐蝕，可以充分利用允許的壓力降，提高對流換熱部分的流速，提高整體的換熱效率。
二、單邊流設計
整臺板式換熱器僅用一種板片，更易配管，更易安裝和設備維護，減少板片和膠墊的備品種類和數量。
三、有H和L兩種波紋角度
通過換熱器板片優化組合，最大限度提高傳熱系數，降低設備造價。
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螺紋鎖緊環換熱器的結構介紹
在石油化工生產裝置中約有40%左右的設備屬于換熱設備，換熱設備是所有工藝流程中不可或缺的重要設備，它在降低能耗、降低生產成本起到了重要的作用。但是，隨著裝置的大型化、節能減排的嚴苛要求和工藝設計條件的越加苛刻，傳統意義上的換熱器已經不能滿足工藝生產要求。小編有幸在工程實際中接觸到了螺紋鎖緊環換熱器，該換熱器具有結構緊湊、泄漏點少、密封可靠、節省材料、可以在線修理等優勢。其特殊之處還在于管箱部分，基本原理是管程內壓引起的軸向力通過管箱壓蓋和螺紋鎖緊環而由管箱本體承受，管箱通過螺紋鎖緊環上的外圈壓緊螺栓來壓緊外密封墊圈來實現密封[1]，對于操作條件苛刻、介質成份復雜的工況來說，選用螺紋鎖緊環換熱器是合適的。
1、 換熱器的設計參數（見表1）
表1 換熱器設計參數
2、 設備選材
根據換熱器的設計參數，依據Nelson曲線，設備本體受壓材質選擇12Cr2Mo1V鍛鋼，內部有不銹鋼堆焊層，堆焊材料為E309L+E347，堆焊層厚度為3+3.5mm，堆焊層能耐硫化氫腐蝕。
3、 設備結構
螺紋鎖緊環換熱器結構示意圖(見圖1)
圖1 螺紋鎖緊環換熱器結構示意圖
螺紋鎖緊環換熱器密封結構示意圖（見圖2）：
圖2 螺紋鎖緊環換熱器密封結構圖
1-管板墊片；2-管板；3-內套筒墊片；4-內套筒；5-頂壓螺栓墊環；6-頂壓螺栓；7-承壓環；8-套筒；9-上分合環；10-大壓環；11-外密封墊圈；12-密封盤；13-外壓圈；14-內壓圈；15-外壓桿；16-內壓桿；17-螺紋鎖緊環；18-外圈壓緊螺栓；19-內圈壓緊螺栓；20-管箱壓蓋。
展開 板式換熱器優化設計方法
因此，冷熱介質流量比過大時不宜采用熱混合板。
② 采用非對稱型板式換熱器
對稱型板式換熱器由板片兩面波紋幾何結構相同的板片組成，形成冷熱流道流通截面積相等的板式換熱器。非對稱型 (不等截面積型 )板式換熱器根據冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，改變板片兩面波形幾何結構，形成冷熱流道流通截面積不等的板式換熱器，寬流道一側的角孑 L直徑較大。非對稱型板式換熱器的傳熱系數下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質流量比較大時，采用非對稱型單流程比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積 15% 一 3O% 。
③ 采用多流程組合
當冷熱介質流量較大時，可以采用多流程組合布置，小流量一側采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數。大流量一側采用較少的流程，以降低換熱器阻力。多流程組合出現混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的板式換熱器的固定端板和活動端板均有接管，檢修時工作量大。
④ 設換熱器旁通管
當冷熱介質流量比較大時，可在大流量一側換熱器進出口之問設旁通管，減少進入換熱器流量，降低阻力。為便于調節，在旁通管上應安裝調節閥。該方式應采用逆流布置，使冷介質出換熱器的溫度較高，保證換熱器出口合流后的冷介質溫度能達到設計要求。設換熱器旁通管可保證換熱器有較高的傳熱系數，降低換熱器阻力，但調節略繁。
⑤ 板式換熱器形式的選擇
換熱器板間流道內介質平均流速以 0．3～ 0．6m／ s為宜，阻力以不大于100 kPa為宜。
展開 常見管殼式換熱器的型式與結構介紹
浮頭端設計成可拆結構，使管束可以容易地插入或抽出（也有設計成不可拆的），這樣為檢修、清洗提供了方便。但結構較復雜，而且浮頭端小蓋在操作時無法知道泄漏情況，所以在安裝時要特別注意其密封。
浮頭式換熱器適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結垢的場合。但這類換熱器結構復雜，笨重，造價約比固定管板式高20%左右，材料消耗量大。管束和殼體的間隙較大，故流體易走短路而影響傳熱效果，在設計時要盡量避免這一短路。至于殼程的壓力也受到滑動接觸面的密封限制。
圖3 AES、BES浮頭式換熱器
3.U型管式換熱器
U型管式換熱器如圖4和圖5所示，U型管式換熱器僅有一塊管板。它是將管子彎成U型，管子兩端固定在同一塊管板上。由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，不會因管壁、殼壁之間的溫度差而產生熱應力，熱補償性能好。管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能好，承壓能力強。因U型管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡單，造價比其他換熱器便宜，管束可以從殼體內抽出，管外便于清洗，但管內清洗困難，所以管內的流體必須是清潔及不易結垢的物料。由于傳熱管的結構型式關系，管子的更換除外側管了外，內部管子大部分不可能更換，管束中心部分存在間隙，所以流體易走短路，影響傳熱效果，故通常在此處設有假管或中間擋板（見圖4）以減少這一流動死區。而且管板上排列的管子較少，結構不緊湊。U型管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。管子因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。
圖4 BIU U型管式換熱器
圖5 雙売程U型管式換熱器（AFU）
1一盤環形折流板環板；2一盤環形折流板盤板；3一縱向隔板；
4一換熱管；5一管箱；6-分程隔板；7一定距管；8一拉桿
U型管式換熱器，一般使用于高溫高壓的情況下。
展開 換熱器設計軟件中的扛把子：ExDesigner
為整合換熱器設計知識與方法，降低對設計人員的專業要求，開發針對核電換熱器的專用設計軟件，通過集成核電行業換熱器常用材料數據、熱工計算方法與強度校核標準、參數化結構模型等內容，整合用戶長期的設計經驗，形成針對核電行業U型換熱器的專用設計工具，支持設計師快速完成在設計
工況下的熱工參數與結構強度校核分析，為用戶提供了設計依據，指導用戶以更快速度完成更高質量的換熱器設計產品，滿足核電換熱器的特定設計需求。
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