换热器设计（幻灯片） .ppt

化工原理课程设计,徐宏建（主讲） 上海电力学院能源与环境工程学院 跃进楼108气体净化实验室 tel:目录,一、换热器概述 二、设计基础 2.1热力设计 2.2流动设计 2.3结构设计 2.4强度设计 2.5换热器校核 三、课程设计要求,一、换热器（概述）,换热器， 在不同温度的冷、热流体间传递热能的装置称为换热器。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。 工业生产中所用的换热器按其用途可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。换热器的种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类： 间壁式 直接接触式（混合式） 蓄热式 其中间壁式换热器应用最多，本次课程设计重点讨论此类换热器的类型、计算等。,换热器的用途分类,1.间壁式换热器的类型,（1） 夹套式换热器 结构：夹套式换热器主要用于反应过 程的加热或冷却，是在容器外壁安装 夹套制成。 优点：结构简单。 缺点：传热面受容器壁面限制，传热 系数 小， 为提高传热系数且 使釜内液体受热均匀，可在釜内安 装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。,(2) 沉浸式蛇管换热器 结构：这种换热器多以金属 管子绕成，或制成各种与容 器相适应的情况，并沉浸在 容器内的液体中。 优点：结构简单，便于防腐，能承受 高压。 缺点：由于容器体积比管子的体积大得 多, 因此管外流体的表面传热系数较小。 为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。,(3) 喷淋式换热器 结构：多用于冷却管内 的热流体。将蛇管成排 地固定于钢架上，被冷却的流 体在管内流动，冷却水由管上 方的喷淋装置中均匀淋下，故 又称喷淋式冷却器。 优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。 缺点：喷淋不易均匀。,（4）套管式换热器, 结构：将两种直径大小 不同的直管装成同心套 管，并可用u形肘管把管段串联 起来，每一段直管称作一程。 优点：进行热交换时使一种流体在内管 流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。 缺点：处理大流量流体换热，需要较大的换热面积。,套管式换热器,重点介绍,（5）列管式换热器 重点：固定管板式 浮头式 u型管式 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。 优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。, 固定管板式（单管程）,它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。 其结构特点是，两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。整个换热器分为两部分：换热管内的通道及与其两端相贯通处称为管程； 换热管外的通道及与其相贯通处称为壳程。 冷、热流体分别在管程和壳程中连续流动， 流经管程的流体称为管（管程）流体，流经壳程的流体称为壳（壳程）流体。,单管程与多管程,1）若管流体一次通过管程，称为单管程。当换热器传热面积较大，所需管子数目较多时， 2）为提高管流体的流速，常将换热管平均分为若干组，使流体在管内依次往返多次， 则称为多管程。管程数 可为2、4、6、8， 若管程数太大，虽提高了管流体的流速，从而增大了管内对流传热系数， 3）但同时会导致流动阻力增大。因此，管程数不宜过多，通常以2管程最为常见。,(一）单程列管式换热器 1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7折流挡板,（二）双程列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体,流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体,单壳程与多壳程,壳流体一次通过壳程，称为单壳程。为提高壳流体的流速，也可在与管束轴线平行方向放置纵向 隔板使壳程分为多程。壳程数 即为壳流体在壳程内沿壳体轴向往、返的次数。 分程可使壳流体流速增大，流程增长，扰动加剧，有助于强化传热。但是，壳程分程不仅使流动阻力增大，且制造安装较为困难，故工程上应用较少。 为改善壳程换热，通常采用折流挡板，通过设置折流挡板，以达到实现强化传热的目的。,折流挡板, 折流挡板：为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。,常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。,温度补偿,列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为： 带有补偿圈的固定管板式换热器 浮头式换热器 u形管式换热器,双管程单壳程的固定管板式换热器,优点：结构简单,成本低； 缺点：壳程不易机械清洗,可能产生较大的热应 力； 应用场合： 1、壳程流体不易结垢或容易化学清洗, 2.壳体与传热管壁温度之差小于50，否则加膨胀节(低于6070,压力低于7kg/cm) 总结：固定管板式换热器适用于壳程流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或虽然温差较大，但壳程压力不高的场合。, 浮头式换热器,其结构特点： 两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。 优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。 其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严，发生内漏，造成两种介质的混合。 浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。, u形管式换热器,特点两者兼顾,其结构特点： 只有一个管板，换热管为 u 型，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与 u 型换热管有温差时，不会产生温差应力。 u 型管式换热器的优点： 结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可以抽出，管间清洗方便。 其缺点是管内清洗比较困难；由于管子需要有一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内层管间距大，壳程易短路；内层管子坏了不能更换， 因而报废率较高。 u 型管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。,二、换热器的设计基础,1、热力设计 2、流动设计 3、结构设计 4、强度设计,热力设计,根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。 计算出总传热系数、传热面积,流动设计,计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数,结构设计,根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸,强度设计,应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计。,2.1列管式换热器的工艺设计,设计主要内容： 1、根据换热任务和有关要求确定设计方案 2、初步确定换热器的结构和尺寸 3、核算换热器的传热面积和流体阻力 4、确定换热器的工艺结构,2.1.1列管换热器的选用和设计思想步骤, 确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。 依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数k估值，估算传热面积a估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。, 计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻rs1和rs2, 计算总传热系数k计，并计算传热面积a计，比较a估和a计，若a估/a计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设k估值，重复以上步骤。,2.1.2换热器设计的具体过程：,1、换热器类型的选择 固定管板式换热器 浮头式换热器 u型管换热器 填料函式换热器,换热器选型,换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有: 1) 热负荷及流量大小 2) 流体的性质 3) 温度、压力及允许压降的范围 4) 对清洗、维修的要求 5) 设备结构、材料、尺寸、重量 6) 价格、使用安全性和寿命,2、流动空间的选择,流体通道的选择可参考以下原则进行： 1 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子； 2 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗； 3 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量； 4 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程； 5 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；,6 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏； 7 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（re100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。 在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便作出合理的选择。,流动空间选择的具体措施,（1）宜于通入管程的流体 易于结垢、不清洁的流体 体积流量小的流体 有压力的流体 腐蚀性强的流体 与外界温差大的流体,（2）宜于通入壳程的流体,当两流体温度相差较大时，值大的流体走管间 需冷却的流体一般走壳程，便于散热 饱和蒸汽走管间 黏度大的流体走管间 泄露后危险性大的流体走管间,3.确定物性参数,（1）壳程流体定性温度 （2）管程流体定性温度 根据定性温度，分别查的冷、热流体的物性参数：如，密度、粘度、定压比热、导热系数等。,4、传热面积的估算（a估）,（1）根据换热器总的热量衡算式（无相变，忽略热损失） 求得热交换速率q及冷流体流量qm2 （2）传热基本方程 采用逆流换热器计算，求得tm,逆 并根据经验参数假设总传热系数k值,综合传热系数k的经验值范围,数据来源：石油化工设计手册 第三 卷 “化工单元过程”,在选用总传热系数推荐值时，应注意以下几点： 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。 设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和状态相一致。 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若需降低设备费可选取较大的k值；若需降低操作费可选取较小的k值,5.工艺结构尺寸,(1)管径和管内流速 (2)管程数和列管束（数） (3)平均传热温度校正及壳程数 (4)换热管排列及分程方法 (5)壳体内径 (6)折流板 (7)壳（管）程进出、口接管 (8)其他结构尺寸（壳体、管箱、封头、管板、波形膨胀节、鞍座、分程隔板、法兰垫片）,（1）管径的选取,1、直径 小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。 2、规格 常采用无缝钢管规格（外径壁厚）。通常换热管规格：252.5mm， 192mm 。长度按规定选用（1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其中以3米和6米最为普遍。（非标换热器设计时，换热管长取7m也较多）,3、流速的确定,换热器常用流速的范围,（2）管程数和换热管根数,选取管内流体流速u2，则单管程时换热管根数为： 则按单管程计算，所需换热管长为：,管程数：,选取标准换热器管长l0 则换热器管程数npl/l0 （一般，np2较常用） 所以，换热管总根数为：,（3）平均温度校正系数及壳程数,错流和折流时的平均温差： 两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。 1.简单折流： 一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。,2.错流 错流是指两流体在间壁两侧彼此的流动方向垂直； 3.复杂折流 若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称为复杂折流。,错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正 称为温差校正系数，表示为p和r两参数的函数 式中 温差校正系数关系曲线绘于下图中,温差修正系数1，即tmtm逆，换热器设计时值不应小于0.8，否则不经济。增大的一个方法就是改用多壳程，采用换热器串联。,壳程数： 根据温度校正系数，按单壳程双管程换热器结构查图，若0.8，则说明： 壳程数1合适， 且换热器选择逆流计算可行。,（4）换热管排列及分程方法,换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为紧凑, 但正方形排列的管束清洗方便。,通常采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。此时管心距为： t=1.25d0 横过管束中心线的管数：,管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素： 管板强度； 清洗管子外表面时所需要的空隙； 换热管在管板上的固定方法。 一般要求管间距1.25d0，还应符合规定：,（5）壳体内径,经验公式确定壳体直径 1.若单管程结构，则壳体内径d为： 2.若双管程结构，则壳体内径按下经验式 其中，管板利用率,（6）折流板,1、作用 提高壳程内流体的流速； 加强湍流强度； 提高传热效率； 支撑换热管。 （当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形状可与折流板相同。） 2、结构 折流板和支撑板的常用形式有弓形、圆盘圆环形和带扇形切口三种。,3、尺寸 厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按表76选取。 弓形折流板间距：最小间距max0.2di，50mm 最大间距：按表77规定选取，且di。 间隙：折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传效率，详见表78。,一般采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的1/4，则切去圆缺的高度 h0.25d 取折流板间距 b0.3d 折流板数：,（7）接管,1.壳程流体进、出口接管内径按下式计算： （一般接管内混合气体流速可取515m/s) 2.管程流体进、出口接管：（接管内冷却水流速可取13m/s),3.接管外伸长度 除上述计算，接管长度也查表换热器设计（钱讼文，p142),4.接管最小安装位置,参考钢制列管式固定管板换热器结构设计手册p32,（8）其他结构尺寸,1.壳体、封头壁厚 2.管箱结构 l2d接/2+c （c4s，且一般c根据换热器结构可取c=50mm） 管箱长度l0=2l2,3.封头尺寸（参考钢制压力容器用封头jb/t4746-2002）,4.管板结构尺寸(钢制设计手册p120),管板尺寸（壳程压力ps64kgf/cm2),管板尺寸表,壳程设计压力大于管程压力(pspt)，选取管板尺寸表-（钢制手册p148),.接管法兰,参考国标gb/t9112-2000钢制管法兰 类型与参数,(6)膨胀节,参考压力容器波纹膨胀节gb16749-1997,7.鞍型支座 参考鞍式支座jbt4712-92,一般选择型底板。,钢制设计手册173,(8)分程隔板,单壳程双管程换热器可用管箱分程隔板。隔板材质选用碳钢。,.当承受脉动流体或隔板两侧压差过大时，隔板的厚度应适当增厚。 .大直径换热器隔板应设置成双层结构。 .分程隔板必要时，需开设排气孔（即泪孔），泪孔直径宜为mm。 .厚度大于10mm分程隔板的密封面处应楔形削边至10mm。,（9）垫片,dg400mm的换热器，按jb1161-82和jb163-82压力容器法兰用垫片标准选取垫片尺寸。钢制设计手册取为3mm垫片厚度。,10.拉杆及定距管,拉杆定距管结构（适用于换热管外径19mm的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的,材质的选择,六、换热器核算,.热量核算 .壁温校核 . 流动阻力压力降校核 （计算公式举例如下,七、参考文献：,1 贾绍义, 柴诚敬 主编，化工原理课程设计，天津大学出版社，2002年 2 陈敏恒 主编，化工原理（上），化学工业出版社，2005年 3.钱颂文 主编，换热器设计