列管式固定管板热交换器设计说明书

1、列管式固定管板热交换器设计说明书1. 概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 ，简称为换热器。在换热器中 至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低 吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类 型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在 工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器有以下几种：1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成

2、一体， 当两流体的温度差较大时，在外 壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈 发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。翻襯 H東;3趨為4-封丸血;6连扳图卜羅固定管板戎換热器2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧,封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须 是洁净和不易结垢的物料。390国1 U型管换热書的结枸示恵图3、浮头式换热器两端的管

3、板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可 以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。【1】图7T2浮头式换热器L売蓋2.浮头蓋3.浮头修板4.壳体 工传轴管&支持板7.折流板2. 设计标准3. 方案设计和拟订根据任务书给定的冷热流体的温度， 来选择设计列管式换热器中的固定管板式换 热器；再依据冷热流体的性质， 判断其是否易结垢， 来选择管程走什么， 壳程走什么。 在这里，冷水走管程，热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比 热容，导热系数， 黏度。计算出总传热系数， 再计算出传热面积。 根

4、据管径管内流速， 确定传热管数，标准传热管长为 3m算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校 正传热温差以及壳程数。 确定传热管排列方式和分程方法。 根据设计步骤， 计算出壳 体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对 换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最 后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须 是洁净不易结垢的物料。u形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场 合。管程清洗困难， 管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 浮

5、头式特点： 结构复杂、 造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体 是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。根据以下原则： (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内， 以便于清洗管子。 (2) 腐 蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内， 以免壳体受压。 (4) 饱和蒸气宜走管间， 以便于及时 排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5) 被冷却的流体宜 走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6) 需要提高流速以增大 其对流传热系数的流体宜

6、走管内， 因管程流通面积常小于壳程， 且可采用多管程以增 大流速。 (7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的 壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，热水走壳程。流体流速的选择： 增加流体在换热器中的流速， 将加大对流传热系数， 减少污垢 在管子表面上沉积的可能性， 即降低了污垢热阻， 使总传热系数增大， 从而可减小换 热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的 流速要通过经济衡算才能定出。 此外，在选择流速时， 还需考虑结构上的要求。 例如， 选择高

7、的流速， 使管子的数目减少， 对一定的传热面积， 不得不采用较长的管子或增 加程数。 管子太长不易清洗， 且一般管长都有一定的标准； 单程变为多程使平均温度 差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。 在本次设计中， 根据表换热器常用流 速的范围，取管内流速 ui 1.0m/ s。管子的规格和排列方法： 选择管径时， 应尽可能使流速高些， 但一般不应超过前 面介绍的流速范围。 易结垢、 粘度较大的液体宜采用较大的管径。 我国目前试用的列 管式换热器系列标准中仅有 © 25X 2.5mm及© 19X mm两种规格的管子。在这里，选 择 © 25X 2.5mm管子。管

8、长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便 于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为 6m则合理的换热器管长应为1.5、2、 3或6m此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46（对直径小的换热器可大些）。 在这次设计中，管长选择 3m。管子在管板上的排列方法有等边三角形、 正方形直列和正方形错列等， 等边三角 形排列的优点有 : 管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而 对流传热系数较高； 相同的壳径内可排列更多的管子。 正方形直列排列的优点是便于 清洗列管的外壁， 适用于壳程流体易产生污垢的场合； 但其对流传热系数较正三角排 列时为低。正方形错列排列则介于上述两者

9、之间，即对流传热系数 （较直列排列的 ） 可以适当地提高。在这里选择三角形排列。管子在管板上排列的间距 （指相邻两根管子的中心距 ），随管子与管板的连接方 法不同而异。通常，胀管法取 t=（1.3 1.5）do ，且相邻两管外壁间距不应小于 6mm， 即 t > （d+6）。焊接法取 t=1.25do。管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有 时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。 但是程数过多， 导致管程流体阻力加大， 增加动力费用； 同时多程会使平均温度差下 降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少， 设计时应考虑这些问

10、题。 列管式换热 器的系列标准中管程数有 1、 2、 4和 6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子 数大致相等。根据计算，管程为 1 程，壳程为单程。 折流挡板：安装折流挡板的目的， 是为了加大壳程流体的速度， 使湍动程度加剧， 以提高壳程对流传热系数。 最常用的为圆缺形挡板， 切去的弓形高度约为外壳内径的 1040%,般取2025%,过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离（板间距）h 为外壳内径D的（0.21）倍。系列标准中采用的h值为：固定管板式的有150、300 和600mn三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就 难于垂直地流过管束,使对流传热系数下降。

11、这次设计选用圆缺形挡板。换热器壳体的内径应等于或稍大于 （对浮头式换热器而言 ）管板的直径。初步设计 时，可先分别选定两流体的流速， 然后计算所需的管程和壳程的流通截面积， 于系列 标准中查出外壳的直径。主要构件的选用：（1）封头封头有方形和圆形两种， 方形用于直径小的壳体 （一般小于 400mm，）圆形用于大直径 的壳体。（2） 缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口 装设缓冲挡板。（3） 导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空 间（死角），为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然 经过这个空间。（4）放气孔、排液孔 换热

12、器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性 气体和冷凝液等。（ 5）接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。最后材料选用： 列管换热器的材料应根据操作压强、 温度及流体的腐蚀性等来选 用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。 同时具有耐热性、 高强度及 耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和 铝等；非金属材料有石墨、 聚四氟乙烯和玻璃等。 不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能 好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。【3】4. 设计计算4.1确定设计方案选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度 81C，出口温度60C

13、 ;冷流体(循环水) 进口温度20C，出口温度40C。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为热水，为不 易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁 温之差较小，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。【4】流动空间及流速的测定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，热水走壳程。选用W25X 2.5的碳钢管，根据表三一一管内流速取 u i=1.0m/s。.4.2确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程热水的定性温度为T= 81 60 =70.5 (C)2管程流体的定性温度为t= 30 40 =35 ( C)2根据定性温度，分别查取壳程

14、和管程流体的有关物性数据。水在70.5 C下的有关物性数据如下：密度 0977.8kg/m3定压比热容 cp0 4.187 kJ /(kg C )导热系数0.6676W /(m C )黏度o 4.03 10 4 Pa s循环冷却水在35C下的物性数据：密度i 993.6kg/m3定压比热容 Cpi 4.174kJ/(kg C )导热系数 i 0.627W /(m C )黏度 i 7.25 10 4Pa s【5】4.3计算总传热系数热流量Q0 m0Cp1 T1 T2式中 m02.4 104103 /330 243030.3kg/hQ03030.3 4.1878160266445.5kJ/h74.

15、01kW平均传热温差tmt1 t2In丄t2(81 40) (60 30),81 40 In60 3035.2C冷却水用量W=Q/(C i A ti )=266445.5/4.174X (40-30)=6383.5 kg/h=1.77kg/s4.4计算传热面积S'QK"tm74.008 103800 35.22.63m2考虑15%勺面积裕度,2S 1.15 S' 1.15 2.633.022m24.5工艺结构尺寸管径和管内流速选用25 2.5传热管（碳钢）,取管内流速Ui 1.0m/s管程数和传热管数按单程管设计，Np 1传热管过程现取传热管长L 3m根据公式 N S

16、d0 L其中N-列管式换热器的总管数，必须取整数L选定的换热管有效长度所以由公式得管子数S =3.022d0L 3.14 0.0253平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数p 处卫0.196 R 7吐型2.1T1 t181 30t2 t140 30按单壳程，2管程结构，温差校正系数应查附图六一一对数平均温度校正系数t =0.98 o平均传热温差tm t t'm 0.98 35.234.5C传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角排列，隔板两恻采用正方形排列.取管心距t 1.25d。,则t 1.25 25 31.25 32mm横过管束中心线的管数耳 1.1. N 1.

17、1.134（根）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 0.7,则壳体内径为D 1.05t . N 1.05 32.13 0.7 144.79mm圆整可取D 400 mm折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度h 0.25 400 100mm,故可取h 150mm。取折流板间距B 0.2D，则 B 0.2 400 80mm可取B为100mm折流板数13000129（块）100传热管长NBB 折流板间距折流板圆缺面水平装配接管壳程流体进出口接管：取接管内热水流速为u 1.2m/s，则接管内径为4V：4 63835 3600 977.80.043876(m)3.1

18、4 1.2取标准管径为50mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u 1m/s，则接管内径为4V4 6383.5 3600 993.63.14 10.04768( m)取标准管径为50mm4.6换热器核算热量核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式0.14o 0.36ReO.55Pr13ode当量直径，由正三角形排列得de4t2-do2244 0.0322220.785 0.025d°3.14 0.0250.020(m)plSoBD1 ； o.1壳程流通截面积0.4 1 00250.00875(m)0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为UoRe。6383.5 3600 9

19、77.80.20725( m/s) 0.008750.020 0.20725 977.8100570.000403普兰特准数33Pr 4187 10 °.4。3 102.530.66760.14粘度校正00.36 0.6676 100570.550.022.53132602W / m2 °C4.6.1.2管程对流传热系数i 0.80.40.023Re Prdi管程流通截面积13Si 0.785 0.0220.001361(m2)3管程流体流速及其雷诺数分别为6383.5/(3600 993.6) Ui0.0013611.312 0.995 993.6 Re0.0007251

20、.312( m s)35950普兰特准数Pr4.174 1030.725 10 30.6274.830.023 0.627 359500.8 4.830.45969.9W/ m2 C0.02核算传热系数K污垢热阻&0.000344m2 C /WRs。0.000172m2 C /Wdoidido bdo di di0.0255969.9 0.0200.0003440.0250.0200.0025 0.02545 0.02250.00017212602795.3W/ m2 C与假设的K值相近。4.6.1.4传热面积S74.008 103795.3 33.442.697m2该换热器的实际传热

21、面积SpSp doLN3.14 0.025 3 1323.0615(m )该换热器的面积裕度为S SH 100%S3.06152.6973.0615100%14%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务换热器内流体的流动阻力管程流动阻力P PP2他比Ns 1 , Np 1 , Ft1.4P2lu2id 2由Re 35950，传热管相对粗糙度020.01,查图一一摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得i0.042W/m °C流速 ui 0.2m/ s，993.6kg/m3,所以Pl0.04230.021.3122 993.625383.97PaP29936 业 2563.79PaP2

22、FtNsNp5383.97 2563.791.4 1144130.31Pa 105Pa管程流动阻力在允许范围之内。4.6.2.2壳程阻力RR'P2' FtNsNs1 , Ft 1 .15流体流经管束的阻力R2Ff°nc NB 1 uo2F0.5fo5 448 0.2280.6115nc4NB 29，uo 0.2072P'0.5 0.6115 429 1977.8 0.20722763.96Pa流体流过折流板缺口的阻力P2Nb 3.52B2U。TB 0.1m, D 0.45mP2290.42977.8 0.207222563.79 Pa总阻力Po 763.96

23、2563.79 2590.93Pa 105Pa壳程流动阻力也比较适宜462.3壁温核算因管壁很薄，且壁温热阻很小，则管壁温度可用下式计算Tm /hc t m / hn1/hc 1/hn可取冷却考虑换热器在冬季操作时，冷却水的进口温度将会降低，为确保可靠,水入口温度为15C，出口温度为42C计算传热壁温。液体平均温度tm 0.4 42 0.6 1525.8 CTm 12(81 60)70.5 C入 hi 525.14W. (m2?k)0ho 1366W.(m2?k)传热管平均壁温70.5/525.14 25.8/1366 门“t58.081 1525.14 1366壳程壁温，可近似取为壳程流体的

24、平均温度，即T=70.5 C壳体壁温和传热壁温之差为 t=70.5-58.08=12.4 °C该温差不大，不需要设温度补偿装置，故可选用固定管板式换热器4.624换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见下表换热器型式固定管板式换热面积m22.697名称管程壳程传热量，kW74.01物料名称循环水热水总传热系数，W/mC795.3操作温度C30/4081/60管数13流里,kg/h6383.53030.3管长，mm3000流体密度，kg/m3993.6977.8管心距，mm32流速，m/s1.3120.20725管间距，mm100程数11排列方式正三角形污垢系数，m

25、K/W0.0003440.000172管子规格 25*2.5操作压力，MPa0.50.3拉杆数目16阻力降，Pa44130.312590.93材料碳钢拉杆直径mm165. 设计小结在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 ，它们也是这些 行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类 型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在 工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。 这种换热器 结构较简单，操作

26、可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高 压下使用，是目前应用最广的类型。由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管 箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热 的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流 体。为提高管外流体的传热分系数， 通常在壳体内安装若干挡板。 挡板可提高壳程流 体速度， 迫使流体按规定路程多次横向通过管束， 增强流体湍流程度。 换热管在管板 上可按等边三角形或正方形排列。 等边三角形排列较紧凑， 管外流体湍动程度高， 传 热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高 管内流体速度 , 可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次 只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速， 也可在壳体内安装纵向挡板， 迫使流体多次通过壳体空间， 称为多壳程。 多管程与多 壳程可配合应用。 由于管内外流体的温度不同， 因之换热器的壳体与管束的温度也 不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或 从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过