换热设备CAD系统开发技术

内容介绍

本书主要内容换热设备CAD系统的开发理论、建模、开发方法和过程以及与之先观的数据库技术、系统集成技术和网络技术，收集了换热设备CAD领域的新成就、新成果、新技术、对该领域的发展趋势和需要解决的问题进行了综述和展望。

2100433B

本书共分五个部分：①Solidworks系统实训指导书；②MasterCAM系统实训指导书；③Pro/E系统实训指导书；④UG系统实训指导书；⑤机械CAD/CAM技术实验指导书。该指导书所涉及的内容广泛，包含Solidworks、MasterCAM、Pro/E、UG等多个流行的三维CAD/CAM软件系统，并通过具体实例介绍各软件系统的功能特征，读者可在较短的时间内熟悉系统的主要功能，掌握系统的应用。它具有针对性强、上手快的特点，非常适合初学者的实习训练。

管式换热设备是以管壁为换热间壁的换热设备。这类换热设备常用的有盘管式，套管式，列管式和翅片管式等。

换热设备盘管式

盘管式换热器有沉浸式和喷淋式两种。沉浸式换热器是将盘管浸没在装有流体的容器中，盘管内通以另一种流体进行热交换。盘管可以做成各种形状，有将若干段直管上下并列排列(称排管)。有将长管弯曲成螺旋形 (称盘香管)，此外还有其他的形式。

这种换热器管外空间较大，因而管外流体流速较小，传热系数不高，传热效率低，是较古老的一种设备。其优点是结构简单，制造、维修方便，造价低，能承受较高压力。由于管外有大量液体，故对操作条件的改变并不敏感。

喷淋式是将一种流体分散成液滴从上面喷淋下来，经盘管外表面进行换热，通常用作冷却器。这种换热器常见的有两种用法。一种用法是用于高压液氨的冷却，这时冷却剂在管外喷淋。另一种是常压下牛乳的冷却，冷却剂在管内流动，而牛乳则在盘管外表面上喷淋。

喷淋的方法可将上方喷淋管上钻许多小孔，或采用边缘成锯齿形的小槽。这样喷淋液体便自小孔或齿缘均匀分布到盘管上，并依次向下流动。

喷淋式与沉浸式相比，管外流体传热系数有所提高，因此所需传热面积、材料消耗和制造成本都较低。此外，清洗消毒也较方便。同时，冷却水消耗量只有沉浸式的一半。不过，这种设备占地面积大，操作时管外有水气发生，对环境不利，故常安装在室外。而且，管子氧化快，使用寿命短，喷淋的液体量有变化时，温度反映极为敏感。

换热设备套管式

套管式换热器是用两根口径不同的管子相套而成的同心套管，再将多段套管连接起来，每一段套管称为一程。各程的内管用U形管相连接，而外管则用支管连接。这种换热器的程数较多，一般都是上下排列，固定于支架上。若所需传热面积较大，则可将套管换热器组成平行的几排，各排都与总管相连。

操作时，一种流体在内管中流动，另一种流体则在套管间的环隙中流动。用蒸汽加热时，液体从下方进入套管的内管，顺序流过各段套管由上方流出。蒸汽则从上方进入，冷凝水由最下面的套管排出。

最新的套管式换热器有三层同心套管。在这种换热器中，里、外两层通入加热介质，一般使用过热水，中间一层通入产品。这样做的好处是产品两面都受到加热，大大扩大了传热面积。目前这种三层同心套管式换热器广泛使用于番茄酱无菌包装前的物料杀菌和冷却。

套管式换热器每程的有效长度不能太长，否则管子易向下弯曲，并引起环隙层中的流体分布不均匀。通常采用的长度为4～6m。在安装时，每程管子向上应有一定倾斜度，产品从下方进入，由下而上流过各程管子，从上方流出以避免由产品带入的气泡在管内积聚而影响传热效果。

在套管式换热器中，通过选择合适的管径，可将内、外管间的环隙横截面做得很小，这样便于在载热体用量不大的情况下，也可以获得较高的流速，以保证内管两侧都能获得较高的传热系数，提高传热效率。

套管式换热器的优点是结构简单，能耐高压，可保证逆流操作，排数和程数可任意添减调节，伸缩性很大。它可用于加热、冷却或冷凝。特别适用于载热体用量小或物料有腐蚀性时的换热。缺点是管子接头多，易泄漏，每单位管长的传热面积有限，因此往往设备体积较大，同时每平方米传热面积的金属消耗量也是各种换热器中最大的，可达150kg/m，而列管式换热器的金属消耗量只有30kg/m，因此，设备成本较高。套管式换热器适合于传热面积不需要太大的情况。

换热设备列管式

列管式换热器又称为管壳式换热器。这种换热器在工业上应用最为广泛，型式也比较多。

列管式换热器由管束、管板、外壳、封头，折流板等组成。管束两端固定在管板上，管子可以胀接(将管子内孔用机械方法扩张，使管壁由内向外挤压而固定在管板上)或焊接在管板上。管束置于管壳之内，两端加封头并用法兰固定。这样，一种流体从管内流过，另一种流体从管外流过。两封头和管板之间的空间即作为分配或汇集管内流体之用。两种流体互不混合，只通过管壁相互换热。

如果列管换热器两端封头分别设流体的进口和出口，同时封头内不另设隔板，则流体自一端进入后，一次通过全部管子从另一端流出。这种列管换热器称为单程式。为了使管内有一定流速，可将管束分为若干组，并在封头内加装隔板，即成为多程式。例如国产列管式换热器的系列有两程、四程、六程等。对于程数为偶数时，流体进出口在同一端。

对于管外壳间的流体，也有同样的情况。为了使流体在管外分布均匀，或者为了当流量小时提高流速，以保持较高的传热系数，就在管外装设折流板(或挡板)。折流板形式常用的有两种，一为弓形，另一为圆盘环形。折流板对较长的列管换热器来说也同时起着中间支架的作用，以防止管子弯曲与震动。这对卧式换热器来说尤为重要。

列管式换热器是一种简单的刚性结构。管子紧密地固定在管架上，两块管架又分别焊在外壳的两端，然后再用螺栓与封头的法兰相连。这种结构称为固定管架式。

由于换热器内管内、外温度不同，管壁温度和壳壁温度也就不同，致使管束与壳体的热膨胀程度不同。这种热膨胀作用所产生的应力往往使管子发生弯曲，或管子从管架上脱落，甚至会使换热器毁坏。所以当壳壁和管壁温差大于50℃时，应考虑补偿措施以消除这种应力。

常用的补偿措施有浮头补偿、补偿圈补偿和U形管补偿。

浮头补偿是换热器两端的管架之一不固定在外壳上，此端称为浮头。当管子受热或受冷时，浮头一端可以自由伸缩，不受外壳膨胀的影响。

补偿圈补偿是在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性变形，达到补偿目的。

U形管补偿是将管子弯成U形，管子两端均固定在同一管架上。因此，每根管子都可自由伸缩，而与其他管子及外壳无关。其缺点是弯管内面清洗困难。

列管式换热器是目前食品厂使用最多的换热器。其优点是易于制造，生产成本低，适用性强，可以选用的材料较广，维修、清洗都较为方便，特别是对高压流体更为适用。在食品工业中常用作制品的预热器、加热器和冷却器，在冷冻系统中可以用作冷凝器和蒸发器。在用蒸汽加热时，蒸汽在管外流动。在考虑食品的卫生要求时，可采用不锈钢作为管子、封头的材料。其缺点是结合面较多，易造成泄漏现象。

换热设备翅片管式

在生产中常常会遇到这种情况，换热器间壁两侧流体的传热系数相差颇为悬殊，这时可考虑采用翅片管式换热器。例如食品工业中常见的干燥和采暖装置中用蒸汽加热空气时，管内的传热系数要比管外的大几百倍，管外传热成了传热过程的主要阻力。这时采用翅片管式是很有利的。一般来说，当两种流体的传热系数相差 3倍以上时，就应考虑采用翅片管式换热器。

翅片管的形式很多，常见的有纵向翅片、横向翅片和螺旋翅片三种。

翅片管式换热器的安装，务必使空气能从两翅片之间的深处穿过，否则翅片间的气体会形成死区，使传热效果低下。

翅片管式换热器既可以用来加热空气或气体，也可利用空气来冷却其他流体。后者称为空气冷却器。采用空气冷却比用水冷却经济，而且可避免废水处理和水源不足等问题，所以翅片管式空气冷却器的应用十分广泛。