列管式换热器的结构

1、次刑科我学就他号皮物名材哥工程学忧也工原理锦程被叶想告列管式换热器设计年级:专业:设计者姓名:学号:指导老师:完成日期:设计任务1、设计题目：列管式换热器的设计2、设计目的：通过对列管式换热器的设计，达到让学生了解该换热器的结构特 点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流 程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。3、设计任务：某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表，两侧的污垢热 阻均可取xiolk/w,换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度二，要求 两侧的阻力损失均不超过x105pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y:学号后 2位数

2、字)物料比热kj/(kg )密度kg/m3导热系数卬/血)粘度pa s工作压力柴油715x103常压原油815x10-3常压(1)生产能力和载热体用量：原油 42000 +200*1 (2) *ykg/h柴油 35000 +150*1 (2) *ykg/h(2)设备形式 列管式换热器(3)操作条件原油：入口温度=70,出口温度二110c柴油：入口温度=175,出口温度工3.设计内容：(1)设计方案的确定及流程说明(2)换热面积的估算(3)管子尺寸及数目计算(4)管子在管板上的排列（5）壳体内径的确定（6）附件设计（选型）（7）换热器校核（包括换热面积、压力降等）（8）设计结果概要或设计一览表（

3、9）对本设计的评述或有关问题的分析讨论（1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么（2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛（3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同（4）说明列管式换热器的选型计算步骤（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的（6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。（7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的比较其优缺点（10）参考文献图纸要求：用a3图纸绘制换热器一张：一主视图，一剖面图，两个局部放大图。成绩依据：设计说明书（参考工作态度）目录第一章文献综述第一节概述一、换热器的概念二、换热器

4、的分类三、列管式换热器的标准简介四、列管式换热器选型的工艺计算步骤五、换热器设备应满足的基本要求, 第二节 列管式换热器结构及基本参数 一、管束及壳程分程二、传热管三、管的排列及管心距四、折流板和支撑板五、旁路挡板和防冲挡板六、其他主要附件七、列管式换热器结构基本参数第三节设计计算的参数选择一、冷却剂和加热剂的选择二、冷热流体通道的选择三、流速的选择四、流向的选择第二章列管式换热器的设计计算第一节换热面积的估算一、计算热负荷二、估算传热面积第二节 换热器及主要附件的试选一、试选管型号二、换热器结构一些基本参数的选择第三节换热器校核一、核算总传热系数二、核算压强降第四节设计结果一览表第三章设计总

5、结、感想及有关问题分析讨论参考文献第一章 第一节文献综述概述一、换热器的概念换热器（英语翻译：heat exchanger）,是将热流体的部分热量给冷流体,使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，乂称热交换器。二、换热器的分类根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要 求，介绍几种常见的列管式换热器。（1） 固定管板式换热器这类换热器如图1t所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子 则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑; 由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同

6、的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开,从而发生介质的泄漏。b流体a流体图固定管板式换热器（2） u型管换热器u型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为u型，管子的两端固定在 同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与u型环热管由 温差时，不会产生温差应力。u型管式换热器（见图1-2）的优点是结构简单，只 有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管 内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内 程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其 造价比管定管板式高10与左右。图1-2u型管式换热器（3）

7、 浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科 固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是 党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差 应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用 材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质 的混合。1-壳盖；2-固定管板；3-隔板；4-浮头钩圈法兰；5-浮动管板；6-斧头盖 图1-3 浮头式换热器（4） 填料函式换热器其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束 可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差

8、而引起的温差应力。填料函式换热器 的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低； 管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃 严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不 适用。三、列管式换热器的标准简介列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民共和国国家标准 “钢制管壳式（即列管式）换热器”（gb 151）执行。按该标准，换热器的公称直径做如下规定：卷制圆筒，以圆筒内径作为换热 器公称直径，mm；钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。换热器的传热面积：计算传热面积，是以传热管外径为基准，扣除伸

9、入管板 内的换热管长度后，计算所得到的管束外表面积的总和（m2）。公称传热面积， 指经圆整后的计算传热面积。换热器的公称长度：以传热管长度（m）作为换热器的公称长度。传热管为直 管时，取直管长度；传热管为u型管时，取u管的直管段长度。该标准还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结 构（包括管束）三部分，详细分类及代号见文献3, 5k该标准将换热器分为i、【i两级，i级换热器采用较高级冷拔传热管，适用于 无相变传热和易产生振动的场合。h级换热器采用普通级冷拔传热管，适用于再 沸、冷凝和无振动的一般场合。列管式换热器型号的表示方法如下：plnnxxxdna-/ （或）p、dm ,1

10、、1）第一个字母代表前端管箱形式2第二个字母代表壳体形式3）第三个字母代表后端结构形式2、 公称直径（mm）对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分 母为圆筒内直径3、 管/壳程设计压力（mpa）。压力相等时只写pt4、 公称换热面积（后）5、 当采用al, cu, ti换热管时，应在ln/d后面加材料琼等号，如ln/d cu6、7、ln公称长度，m换热管外经mm管/壳程数。单壳程时只写nti一一i级（换热器）管束采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动场合ii-ii级（换热器）管束采用普通级冷拔换热管，适用于受沸、冷凝传热和无振动一般场合四、列管式换热器选型的工艺计算步骤1、

11、计算热负荷（不考虑热损失），由热量守恒可计算柴油出口温度t22、计算逆流平均温差3确定流体走向4、换热面积估算a估=q/（k估x atm逆）取换热管的规格为25义碳素钢管6m） o估算单管程的管子根数iv-口巾紫汕兀 、 3600 xp柴汕乂丁叫根据传热面积a估计算管子的长度l,5、管程数nt的确定由于l数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选 择管程的长度为6m,则nt = l /6 （管程数通常选择偶数）r=(ti-t2)/(t2-ti)根据r, s的值，查化工原理教材中图6-55（a）,得温度校正系数6a tm= 6 tm 逆6、求实际换热面积a实际换热管数为n=nxn

12、t=a 实际二lx （冗 xdo） x n xnt7、选择换热器壳体尺寸选择换热管为三角形排列，换热管的中心距t=32mmonc-vn最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b=（1一do壳体内径：d= t （ nc - 1 ） + 2b*圆整后，换热器壳体圆筒内径为d=550mm,壳体体的标记：筒体dn5506=8l = 5910。筒体材料选择为q235-a，单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110* 。（波形膨胀节的轴向长度为）8、确定折流挡板形状和尺寸9、波形膨胀节10、传热系数k的计算11、压强降的计算厚度选择8mmo长度定为5996mm。 壳五：列管式换热器应满足的基本要求（1）合

13、理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质 （密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进 行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的 传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量 选择高的流速。提高平均温差。对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为 这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时, 可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。妥善布置传热面。例如在管壳式换热器中，采用

14、合适的管间距或排列方式, 不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的 传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可 在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应 遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定 等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装 拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口

15、， 检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备 的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。 在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重 要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高乂有利于传热，因此存在一最 适宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故 有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部 分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适

16、宜的操作条 件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或 设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍 然是可行的。第二节：列管式换热器结构及基本参数管束及壳程分程1、管束分程：为了解决管束增加引起管内流速及传热系数降低的问题即将管 束分程。在换热器的一端或两端的管箱中安置一定数量的隔板，一般每程中管束 大致相等。注意温差较大的流体应避免紧邻，以免引起较大的温差应力。管程分程的方案参见图1.从制造、安装、操作的角度考虑，偶数管程有更多 的方便之处，因此用得最多。但程数不宜太

17、多，否则隔板本身占去相当大的布管 用的面积，且在管程中形成旁路，影响传热。图2-1平行的与t形的管束分程图2、壳程分程：壳程分程的型式见图2, e型最为普通，为单壳程。f型与g 型均为双壳程，它们的不同之处在于壳侧流体进出口位置不同。g型壳体乂称为 分流壳体。当它用作水平的热虹吸式再沸器时，壳程中的纵向隔板起着防止轻组 分的闪蒸与增强混合的作用。h型和g型相似，只是进出口接管与纵向隔板均多 一倍，故称之为双分流壳体。g型与h型均可用于以压力降作为可控制因素的换热器中。考虑到制造上的困难，一般的换热器壳程数很少超过2倍。 e型(b) f型g型(d) h型图2-2换热器的壳程形式二、传热管传热管直

18、径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体, 管径可取小些。但对于不洁净活易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。此 外，小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；对于相同的壳径，可排 列较多的管子。因此选择小直径的管子单位体积所提供的传热面积更大，设备更 紧凑，但管径小，流动阻力大，机械清洗困难，设计时可根据具体情况选择适当 的管径。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系 列标准规定采用625x和6 19x2两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有 657x的无缝钢管和4)25x2的耐酸不锈钢管。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，

19、求得管子长度。 实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、 9m,故系列标准中管长有,2, 3, , 6,和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时, 管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即l/d约为46。三、管的排列及管心距1、管的排列：换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形 直列、三角形错列和同心圆排列，如图2-3所示。(a)正方形直列(b)正方形用列(。二角形直列(d)二角形错列(e)同心圆持列图2-3传热管的排列方式正三角形排列使用最普遍这是因为在同一管板上可以排列较多的管子，且管 外传热系数较高，但管外不易机械清洗。适用于壳程流

20、体较清洁、不需经常清洗 管壁的情况。正方形排列的传热管数虽然较正三角形排列得少，传热系数也较低，但便于 管外表面进行机械清洗。当管子外表面需用机械清洗时，采用正方形排列。为了 提高管外传热系数，且乂便于清洗管外壁面，往往采用正方形错列。同心圆形排列管子紧凑，且靠近壳体处布管均匀，在小直径的换热器中，管 板上可排的管数比正三角形还多，这种排列法仅用于空分设备上。此外，对于多程列管式换热器，常采用组合排列的方法，如每一程内采用三 角形排列，而在各程之间，为了便于安排隔板，则采用正方形排列方法4o在此项目设计中选择换热管的规格为625x碳钢管，管子成正三角形排列。2、管心距：管板上两管子中心距离t称

21、作管间距。管间距取决于管板的强度、 清洗管子外表面时所需的空隙，管子在管板上的固定方法等。当管子采用焊接方 法固定时，相邻两根管的焊接太近，会相互受到影响，使焊接质量不易保证，一 般取廿(do为管子外径)。当管子采用膨胀固定时，过小的管间距会造成管板在 胀接时由于挤压力的作用发生变形，失去管子与管板之间的连接力，故一般采用 t= () do。常用的do与t的对比关系见表3。表3 管壳式换热器do与t的关系换热器外径1014192532384557do/mm换热器中心距14192532404857721/mm四、折流板和支撑板列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通截面积大，在壳程流体属对 流传

22、热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高壳程给热系 数，需设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的换热器仅需设置横向折流 板，多壳程换热器不但需要设置横向折流板，而且需要设置纵向折流板将换热器 分为多壳程结构。对于多壳程换热器，设置纵向折流板的目的不仅在于提高壳程 流体的流速，而且是为了实现多壳程结构，减小多管程结构造成的温差损失。横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动的作用。其常用的型式有弓 形折流板和圆盘-圆环形折流板。弓形折流板结构简单，性能优良，在实际设 计 中最为常用。弓形折流板切去的圆缺高度一般是壳体内径的10%s40国,常用值为20%-25%o 折

23、流板间距，在阻力允许的条件下尽可能小，允许的折流板最小间距为 壳体内径的20%或50 mm （取两者中的较大值）。折流板间距一般不能大于壳体 内径，否则会使壳程流体不是垂直流过管束，致使壳程给热系数有所下降。卧式换热器弓形折流板的圆缺面可以水平或垂直装配，如图2-10和图2-11 所示。水平装配，可造成流体的强烈扰动，传热效果好，一般无相变传热均采用 这种排列方法。垂直装配主要用于卧式冷凝器、再沸器或流体中带有固体颗粒的 场合，以有利于冷凝器中的不凝气和冷凝液的排放。图2“0弓形折流板（水平圆缺）图2-11弓形折流板（乖直同缺）具有横向折流板的换热器不需另设支承板，但当工艺上无安装折流板的要求

24、 时，则应考虑设置一定数量的支承板，以防止因传热管过长而变形或发生振动。 一般支承板为弓形，其圆形缺口高度一般是壳体内径的40%-45%0支承板的 最大间距与管子直径和管壁温度有关，也不得大于传热管的最大无支撑跨距（见表 2-5) o表2-5最大无支撑跨距/1nm换热器外径/d。1014192532384557最大无支撑跨距8001112223100500900200500800200五、旁路挡板和防冲挡板1、旁路挡板旁路挡板也称密封条，是化工生产中换热器设备的内件之一。它主要是为了 防止由壳体和管束之间的旁流（c流路）。旁路挡板沿着壳体嵌入到已铳好凹槽 的折流板内，与折流板焊接牢固。它一般是

25、成对设置的，一般只设置一对。它的 厚度可取折流板相同的厚度。旁路挡板的数量推荐如下：公称直径w500mm时，一对挡板；500mmdnc 1000mm 时，两对挡板；dn21000时，不少于三对挡板。防冲挡板蒸汽人口 |2、 防冲挡板在壳程进口接管处装有防冲挡板，可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。一般当壳程介质为气体和蒸汽时，应设置防冲挡板。对于液体物料，则以其 密度和入口管内流速平方的乘积来确定是否设置防冲挡板。非腐蚀性和非磨蚀性 物料当其值大于2230,应设置防冲挡板。一半液体，大于740时则需设置防冲 挡板。六、其他主要附件其它主要附件包括

26、封头、接管、导流筒、拉杆、定距管。滑道、膨胀节、法 兰、垫片以及支座等。通常由工艺计算选取 标准换热器后，其具体尺寸（包括 接管、法兰等尺寸一）可由标准图纸查取。值得一提的是，在选取标准换热器时， 需注意接管的尺寸应与输送该流体的管道尺寸保持一致。七、列管式换热器结构基本参数1、固定管板式换热器标准系列jb/t 4715-92标准中规定了固定管板式列管换热器的型式、基本参数、列 管排列形式、折流板的型式和拉杆及定矩管的规格及数量等。其基本参数包括以 下各项。（1）公称直径dn钢管制圆筒：159, 219, 273, 325mm卷制圆筒:400, 450, 500, 600, 700, 800,

27、 900, 1000, （1100）, 1200, （1300）, 1400, （1500）, 1600, （1700）, 1800mm（2）公称压力pn，（3）换热管长度l1500, 2000, 3000, 4500, 6000, 9000mm（4）换热管规格及排列形式（表1-8）表1-8换热器规格及排列形式换热管外径x壁厚（dx 6 ） /mm 排列形式管间距碳素钢、低合金钢不休耐酸钢25 x25x2正三角形3219x219x225(5)折流板间距(表1-9)表1-9 折流板(支承板)间距公称直径dn/mm管长/mm折流板间距/mm=500=300010020030045060045006

28、000600800150060002502003004506009001300=6000200300450600750090007501400160060003004506007507500900017001800600090004506007502、浮头式列管换热器浮头式列管换热器标准系列jb/t 4714-92中的主要参数为：公称直径dn导流筒换热器钢管制圆筒：325, 426mm卷制圆筒：400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, (1300), 1400, (1500), 1600, (1700), 1800mm外导流筒换热器卷制

29、圆筒：500,600,7卷，800,900,1000mm冷凝器钢管制圆筒：426mm冷凝器卷制圆筒：400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200,（1300）, 1400, （1500）, 1600, （1700）, 1800mm（2）公称压力pn换热器：，冷凝器：，一（3）换热管换热管种类：光管和螺纹管换热换长度l： 3, 6, 9m换热管规格和排列形式（见表1-10）表1-10换热器规格和排列形式换热管外径x壁厚（dx 8 ） /mm排列形式管间距/mm碳素钢、低合金钢不休耐酸钢19x219x2正三角形2525 x25x232（4）折流板

30、间距s （见表11）由 于 jb/t 4715-92 和 jb/t 4714-92 是在 gb 150-1998、gb 151-1999以及劳动部压力容器安全技术检测规程颁布之前编写的，所 以在选用该标准系列时应按规程及gb 150、gb 151对技术特性等要求进行补 充。表1t1折流板（支承板）间距l/mdn/ms/m3=70010015020030盐水0c15c用于低温冷却氨蒸汽低于一15c用于冷冻工业除低温及冷冻外，冷却剂应优先选用水。水的初温由气候条件决定，关于水 的出口温度及流速的确定，提出下面几点供参考：（1）水与被冷却流体之间一般应有5 c35 c的温度差；（2）水出口温度一般不

31、超过4 0 c-50 c,在此温度以上溶解于水中的 无机盐将会析出，在壁面上形成污垢。表3-2 常用的加热剂加热剂名称温度范围饱和水蒸汽100即可达到湍流； 但这不是绝对的，如流动阻力损失允许,将这种液体通入管内并采用多管程结构, 反而能得到更高的给热系数。三、流速的选择换热器内液体速度大小必须通过经济核算进行选择。因为流速增加，给热系数 增大，同时亦减少了污垢在管子表面沉积的可能性，降低了垢层的热阻，从而使 传热系数k值提高，所需传热面积减小，设备投资费也减少。但随着流速的增加, 液体阻力也相应增加，动力消耗增大，使操作费增加。因此，选择适宜的流速是 十分重要的，一般应尽可能使管程内流体的104 (同时也要注意其他方面 的合理性)；粘度高的流体常按层流设计。根据经验，在表2-12、表2t3中列 出了 一些工业上常用流速的范围，以供参考。表3-3列管式换热器内常用的流速范围液体种类流速/m/s管程壳程一般液体3易结垢液体1气体530315表3-4不同黏度液体的流速（以普通钢壁为例）液体黏度/最大流速/m/s液体黏度/最大流速/m/s150010035150050035、150010015% a需要63. 48传热面积裕度合适，该换热器能够完成任务。二、压强降的计算1.管程压强降已知管程直管的绝对粗糙度二，则/小二20二，雷诺准数- k/w 4、总传热系数ko取管壁