列管式换热器课程设计

PAGE化工原理课程设计列管式换热器学生姓名黄艳英专业过程装备与控制工程学号110331138指导教师杨立峰学院机电工程学院二〇一四年六月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章绪论 -1-1.1换热器的发展背景 -1-1.2换热器的基本概念及应用 -1-1.3换热器的分类 -2-1.4换热器在设计或选型时应满足的基本要求 -5-第2章化工原理课程设计任务书 -7-第3章确定设计方案 -8-3.1选择换热器的类型 -8-3.2管程安排 -8-第4章确定物性数据 -9-4.1定性温度 -9-4.2物性数据 -9-第5章估算传热面积 -10-5.1热流量 -10-5.2平均传热温差 -10-5.3传热面积 -10-5.4冷却水用量 -10-第6章工艺结构尺寸 -11-6.1管径和管内流速 -11-6.2管程数和传热管数 -11-6.3传热管排列和分程方法 -12-6.4壳体内径 -13-6.5筒体直径校核计算 -14-6.6折流挡板 -14-6.7其他附件 -14-6.8接管 -15-第7章换热器核算 -17-7.1热流量核算 -17-7.2壁温计算 -19-7.3换热器内流体的流动阻力 -20-第8章总结 -23-8.1换热器主要结构尺寸 -23-8.2设计体会 -24-参考文献 -25-16-11-第1章绪论1.1换热器的发展背景二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。1.2换热器的基本概念及应用用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量（或焓）传递的装置称为换热设备，简称为换热器。它是化工、石油、动力、轻工等许多工业部门中应用最广泛的设备之一。在换热器中至少要有两种温度不同的流体（固体），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。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。在工业生产中，换热器的主要作用是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。

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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。1.3换热器的分类换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。

换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表1-1所示。表1-1换热器的分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管板式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合其中主要介绍一下列管式换热器。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，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，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，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。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，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

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1-1所示。固定管板式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；由于这种结构式壳内程清洗困难，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的热膨胀时，使用管子与管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。图1-1固定管板式换热器

1-折流挡板2-管束3-壳体4-封头5-接管6-管板

(2)U型管换热器

U型管换热器结构如图1-2所示。其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；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%左右。

图1-2U型管换热器

(3)浮头式换热器

浮头式换热器的结构如图1-3所示。其结构特点是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。浮头式换热器的优点是换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽出，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。图1-3浮头式换热器

1-壳盖2-固定管板3-隔板4-浮头勾圈法兰5-浮头管板6-浮头盖(4)填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。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。其缺点是填料函密封不高，壳程介质可能通过填料函外漏，对于易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。

图1-4填料函式换热器1-活动管板2-填压材料3-填料4-填料函5-纵向隔板1.4热器在设计或选型时应满足的基本要求1.合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。

（1）增大传热系数。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。

（2）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。

（3）妥善布置传热面。例如在管壳式换热器中，采用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，检查孔与否设保温层。

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，而流速的提高又有利于传热，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2章化工原理课程设计任务书设计条件：某生产过程流程如下图所示，已知反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为216400kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。

第3章确定设计方案TC"确定设计方案"\fC3.1选择换热器的类型两流体温度的变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。3.2管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

参考标准：

(1)

不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗的管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

(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，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。(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)

被冷却的流体宜走壳程，便于散热，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，宜走壳程，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Re>100下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

(8)

若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。

综合考虑以上标准，确定混合气体应走壳程，循环水走管程。

第4章确定物性数据TC"确定物性数据"\fC4.1定性温度对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为：T=管程流体的定性温度为：t=4.2物性数据根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说,最可靠的物性数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合气体各组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容热导率粘度循环水在34℃下的物性数据：密度定压比热容 =/热导率粘度第5章估算传热面积TC"估算传热面积"\fC5.1热流量TC"热流量"\fCQ1=5.2平均传热温差TC"平均传热温差"\fC先按照纯逆流计算，得=5.3传热面积TC"传热面积"\fC由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设，则估算的传热面积为Ap=5.4冷却水用量TC"冷却水用量"\fCm==第6章工艺结构尺寸TC"工艺结构尺寸"\fC6.1管径和管内流速TC"管径和管内流速"\fC选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢）。由于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。故综合考虑以上因素根据表6-1拟取管内流速u1=1.3m/s。

表6-1换热器常用流速的范围介质流速循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油气体管程流速，m/s1.0~2.00.8~1.50.5~3>1.00.8~1.80.5~1.55~30壳程流速，m/s0.5~1.50.5~1.50.2~1.5>0.50.4~1.00.3~0.82~156.2管程数和传热管数TC"管程数和传热管数"\fC(1)依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为：L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长。则该换热器的管程数为:Np=传热管总根数:(2)平均传热温差校正及壳程数TC"平均传热温差校正及壳程数"\fC的确定平均温差校正系数：R=P=按单壳程，双管程结构，查图6-1得平均传热温差K由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。图6-1温差校正系数6.3传热管排列和分程方法TC"传热管排列和分程方法"\fC管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。每程内换热管采用正三角形排列,因为这种排列比较紧凑，可以在同样的管板面积上排列最多的管，且传热效果好。具体排列形式如图6-2所示。图6-2正三角形排列取管心距，则隔板中心到离其最近一排管中心距离：各程相邻管的管心距为。管数的分程方法：每程各有传热管根，其前后管程中隔板设置和介质的流动方向按表6-2选取。表6-2管束分程布置图6.4壳体内径TC"壳体内径"\fC采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率，则壳体内径为：D取。6.5筒体直径校核计算壳体的内径D应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：D=因管子按正三角形排列：取则D6.6折流挡板TC"折流板"\fC在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：，故可取。取折流板间距B=0.3D，则B，可取B为。折流板数目折流板圆缺面水平装配，见图6-3。图6-3圆缺形折流板6.7其他附件TC"其他附件"\fC折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，其结构如图6-4所示。图6-4拉杆-定距管结构查表6-3和表6-4进行拉杆数量与直径的选取，本换热器壳体内径为，故其拉杆直径为拉杆数量，其中长度的六根，的两根。表6-3拉杆直径选取表6-4拉杆数量选取壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，故在壳程入口处，应设置防冲挡板。6.8接管TC"接管"\fC壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为圆整后取内径为。第7章换热器核算TC"换热器核算"\fC7.1热流量核算TC"热流量核算"\fC(1)壳程表面传热系数（用克恩法计算）TC"（1）壳程表面传热系数"\fC（7-1）当量直径：=壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：粘度校正： 则根据式（7-1）(2)管内表面传热系数TC"（2）管内表面传热系数"\fC（7-2）管程流体流通截面积：管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数：根据式（7-2）(3)污垢热阻和管壁热阻TC"（3）污垢热阻和管壁热阻"\fC根据表7-1取：管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻表7-1常见流体的污垢热阻管壁热阻：按表7-2查得碳钢在该条件下的热导率为50/(m·K)，所以表7-2常见材料的热导率（4）传热系数TC"（4）传热系数"\fC（5）传热面积裕度TC"（5）传热面积裕度"\fC计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。7.2壁温计算由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15℃，出口温度为39℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：（7-3）式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为：根据式（7-3）计算传热管平均壁温31.67℃壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85。壳体壁温和传热管壁温之差为。该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。7.3换热器内流体的流动阻力TC"换热器内流体的流动阻力"\fC(1)管程流体阻力TC"（1）管程流体阻力"\fC,,由Re=38861，传热管相对粗糙度0.01，查图7-1得，流速,,所以：管程流体阻力在允许范围之内。图7-1摩擦系数与Re及的实验关系（2）壳程阻力（7-4）其中,流体流经管束的阻力：流体流过折流板缺口的阻力：,Pa总阻力根据式（7-4）计算得：由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。第8章总结8.1换热器主要结构尺寸换热器的主要结构尺寸和计算结果见表8-1。表8-1换热器主要结构尺寸参数管程壳程流率855294.97216400进/出口温度/℃29/39110/60压力/MPa0.46.9物性定性温度/℃3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/[]4.1743.297粘度/（）0.742×1.5×热导率0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/㎜1400台数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜44管长/㎜8