第5章 保存.ppt

1、第五章，换热设备系列图。本章指导了管壳式换热器的设计基础，绘制了本章的关键知识分析，本章指导换热设备，顾名思义，是用于换热的设备，而这种热的概念是一个广义的概念，包括冷量。因为从不同的角度来看，热和冷的概念可以相互转化。根据换热形式的不同，换热设备可分为分区换热器、混合换热器和蓄热式换热器。在换热过程中，隔板换热器需要穿过一定的介质壁，介质壁主要由金属和非金属材料制成。两种需要相互交换热量的流体通过介质壁交换热量，但两种流体之间没有直接接触。常见的壁式换热器有两种：管壳式换热器和板式换热器。化工企业中广泛使用的列管式换热器是壁式换热器的一种。混合热交换器是两种需要进行热交换的流体，它们直接混合

2、和接触，因此它们的温度往往是相同的。例如，冷水塔喷射需要用冷水直接冷却的气体。蓄热式换热器是一种蓄热介质，它使需要换热的流体交替流经蓄热介质，从而达到换热的目的。高温炉气中的热能可以通过蓄热器回收，也可以用于太阳能的回收和利用。根据换热目的的不同，换热设备可分为加热器、蒸发器、再沸器、冷凝器和冷却器。加热器、蒸发器和再沸器之间进行热交换的目的是提高目标物体的温度，或者将它们从液体变成气体。例如，加热器的目的是提高目标物体的温度，而蒸发器的目的是将它们从液体变成气体。所有三个热交换设备都需要公共工程来为目标对象提供热量。冷凝器和冷却器之间热交换的目的是降低目标物体的温度或将其从气态变为液态。这两

3、种热交换装置都需要公共工程来向目标物体提供冷能。换热设备是一种典型的化工设备，广泛应用于化工、轻工、炼油等企业。在一般化工厂中，换热设备的成本约占设备总成本的10%，而在炼油企业中，换热设备的成本占总成本的35%。换热设备广泛应用于原子能、电力、食品、冶金、交通、家电、环保等行业或部门。因此，在工艺设计和计算的基础上，学会用计算机正确绘制换热设备图具有重要意义。本章主要介绍化工和炼油企业中最常用的管式换热器的图纸。管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、隔板、支架、喷嘴等组成。换热管束包括换热管、管板、挡板、支撑板、拉杆、间隔管等。换热管一般为普通光滑管，但也可采用各种强化管，如翅片管、螺旋槽

4、管、交叉肋管、多孔表面管等。外壳通常为圆柱形或正方形。管箱包括椭圆形封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱。分体式隔板可将管程和壳程介质分成多条路径，以满足工艺需求。管壳式换热器常用的材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铝和钛。根据管壳式换热器的主要部件，我们在前面的章节中已经介绍了其大部分部件的图纸，如壳体相当于容器中的筒体(包括壳体的法兰)、支架、连接管、管箱(相当于各种封头)等。因此，对于本部分的绘制，我们不再解释具体导入过程中的所有命令，而只是在绘制之前解释这些组件的规格和具体的绘制尺寸，当然还有它们的空间位置。对于一些新设备，我们会详细解释，希望读者能注意到这一章。本章介绍、管壳式换热器的设

5、计依据、本章目录、管壳式换热器关键尺寸的计算、管壳式换热器的一些标准和规范、管壳式换热器的设计依据，根据前面的介绍，管壳式换热器属于带隔墙的换热器，根据管束、管板、壳体和管箱等结构的不同，可分为以下五种不同的结构形式。固定管板换热器换热器两端的管板通过焊接与壳体固定连接。换热管可以是光滑管或低翅片管。其结构简单，制造成本低，可获得较小的壳体内径，管侧可分为多道次，壳体侧也可通过纵向隔板分为多道次，因此在工程中得到广泛应用。换热器的壳程不便于清洗，只能用化学方法清洗，这使得维修困难，并且不能将壳程作为脏的或腐蚀性的介质。壳体与换热管之间的温差应力较大。当温差应力较大时，可以设置单波或多波伸缩缝来

6、减小温差应力。浮头换热器一端的管板与壳体固定，另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管束没有热膨胀，因此当两种介质之间的温差较大时，管束和壳体之间不会产生温差应力。浮动头端设计为可拆卸结构，便于管束插入或抽出，便于维护和清洗。这种换热器特别适用于壳程和换热管温差应力大，壳程和管程都需要清洗的情况。浮头式换热器结构复杂，价格昂贵，在运行中无法得知浮头端小盖的泄漏情况，因此在装配时必须注意密封性能。列管式换热器的设计基础，列管式换热器的分类，U型列管式换热器，它将换热管弯成U型，并将换热管的两端固定在同一管板上。由于换热管可以自由伸缩，所以壳体和换热管之间没有温差应力。该换热器只有一个管板，结构简

7、单，管束可以从壳体中抽出，壳体侧易于清洗。然而，清洗管道是困难的，所以管道中的介质必须是干净的并且不容易结垢。因为弯曲时必须保证一定的曲率半径，所以在管束的中心部分有一个很大的间隙。在相同直径的壳体内设置的管子数量少于固定管板，价格比固定管板高10%左右。热交换器通常在高温高压下使用，特别是当热交换管的外壳和金属壁之间的温差较大时。壳侧可以设置有纵向挡板，以将壳侧分成两个通道。填料箱换热器换热器的浮头伸出壳体，换热管束可以自由滑动，浮头与壳体之间的填料是密封的。对于一些管壳式温差大、腐蚀严重的换热器，可以采用填料函换热器。它具有浮头换热器的优点，克服了固定管板换热器的缺点。它结构简单，制造方便

8、，易于维护和清洗。填料函换热器不适合在高温高压条件下使用，而且对壳程介质也有限制，因此不适合挥发性、易燃、易爆和有毒介质。管壳式换热器的设计依据，管壳式换热器的分类，换热器的壳体可以是方形、椭圆形、C形甚至是裸露的，其换热管为翅片管。热交换管可以根据需要排列成单排或多排热交换管。翅片材料可以是碳钢、不锈钢、铝或铜。手指高度，20世纪80年代以来，换热器技术的快速发展带来了能效的提高。各种新型高效换热器的相继开发和应用带来了巨大的社会效益和经济效益。随着能源日益短缺、全球变暖和环保要求的提高，对新型高效换热器的开发提出了越来越高的要求。国内外各研究机构正在对强化传热元件和传热方式进行深入研究，并

9、在不断创新。各种新型传热元件如表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、垂直和水平管以及各种新型热交换器形式如板式热交换器、板式热交换器、板壳式热交换器、螺纹管热交换器、折流管热交换器和外引流管热交换器不断引入市场。相信随着科学技术的发展，换热器将会有更好的传热性能和节能效果。管壳式换热器的设计依据、分类和传热面积的计算是换热器的主要特性指标，也是计算其它关键尺寸的依据。对于已知的热交换器，热交换面积A可以简单地由所有传热管的面积之和代替，即：(5-1)其中n是传热管的数量，d是传热管的外径(内径或中间直径，只要它对应于传热管的面积)，l是传热管的有效长度。在设计阶段，我们不知道具体换热器的相关尺寸，其换

10、热面积不能用公式(5-1)计算。然而，我们知道热交换器需要完成什么：将目标流体从温度T1改变为T2，并具有一定的流速g。为了完成这一任务，我们将使用流量为W的实用流体从温度t1变为温度t2，从而完成前面的任务。在完成这项任务时，我们需要一个传热面积，这是我们需要设计的热交换器的面积，它可以通过热负荷和传热率的方程来计算。目标流体的传热负荷方程为(假设目标流体的温度上升):(5-2)对于公用流体：(5-3)，管壳式换热器的设计基础和管壳式换热器关键尺寸的计算。如果忽略传热过程中的热损失和换热器壳体的热损失，可以从能量守恒中得知。总传热方程：(5-4)其中：q为传热速率，等于或，k为总传热系数，可

11、根据目标流体、公用流体和一般计算中选择的换热器类型确定。在更精确的计算中，传热面积是基于上面预先确定的k计算的，然后总传热系数由传热面积来检查。关于这方面的详细介绍，请参考关于热交换器设计的书籍。a是总传热面积和平均温差。q值可由公式(5-2)得到，平均温差的计算公式如下：管壳式换热器的设计依据，管壳式换热器关键尺寸的计算，由此可得到传热面积A(以逆流为例)(5-5)。在通过确定管道直径、长度和数量来确定热交换器的传热面积之后，确定热交换器中的传热管的管道直径D和长度L。通常，我们首先通过确定合适的流速u和管道内径di来确定管道的数量n，计算公式如下：(5-6)其中v是管道侧流体的体积流量，单

12、位为。显然，如果要用公式(5-6)计算换热器中的管数，必须首先解决两个问题，一是选择合适的管内流量，二是确定管的内径。对于这两个变量，我们通常有一些常用的值。对于速度，合适的速度范围如表5-1所示。管壳式换热器的设计依据、管壳式换热器关键尺寸的计算，在利用表5-1中的管侧流量数据选择出管壳式换热器合适的管流量后(应注意，如果流体粘度较大，合适的流量应接近表5-1中的下限值， 如果液体的粘度大于1500兆帕，管侧的合适流速应为0.6米/秒)，在确定之前还应确定管的内径。 常用的管道尺寸有16毫米1.5毫米、19毫米2.5毫米、25毫米2.5毫米和38毫米3.5毫米，其中最常用的有19毫米2.5毫

13、米和25毫米2.5毫米。我们应根据实际情况选择上述管道中的一种。一般来说，小直径管道可以承受较大的压力，管壁较薄；同时，对于相同的壳体直径，可以布置更多的管。与大直径相比，单位传热面积的金属消耗更少，单位体积的传热面积更大。因此，在管程结垢不严重、允许压降高的情况下，通常采用16毫米1.5毫米和19毫米2毫米的管道。如果管侧流体容易结垢，应选择直径较大的管道，直接火焰加热应采用直径76毫米的管道。在确定管道直径和管道中合适的流速后，可以通过公式(5-6)确定管道的数量。根据管子的数量、管径和换热面积，长度L=/nd可由公式(5-1)求得。但实际上，换热管的长度往往取标准值，常用的标准管有1.5

14、m、2m、3m、6m等。在确定下面的壳体直径时，将讨论有关管侧的问题。管壳式换热器的设计依据、管壳式换热器关键尺寸的计算以及管中心距、壳径和壳厚的确定，决定了管的长度、直径和管数等参数，因此有必要进一步确定管中心距t、壳径d和壳厚s等参数，以确定换热器的具体结构。已知管子的数量和直径，管子可以按照一定的规则排列在一定直径的圆管板中，圆的大小不仅与管子的数量和直径有关，还与管子的排列和管子之间的距离有关，即管子之间的距离。管板上常见的管子排列有五种：正三角形交错排列、正三角形直列排列、同心圆排列、正方形直列排列和正方形交错排列，如图5-1所示。列管式换热器的设计依据，列管式换热器关键尺寸的计算，

15、正三角形交错排列，正三角形直列同心圆排列，正方形直列正方形交错排列，图5-1五种列管排列，正三角形交错排列是最常见的排列方式，因为这种排列方式可以将大部分列管排列在同一管板区域，但不容易使用机械清洗管外。而方形排列适合于管道外的机械清洗。在小直径换热器中，同心圆排列的管数多于正三角形排列的管数。详见表5-2。根据表5-2，当行数小于或等于6时，同心圆排列的管数大于或等于正三角形排列的管数。当行数大于6时，排列成正三角形的管数开始多于排列成同心圆的管数。应该注意的是，当层数大于6时，除了标准层数之外，正三角形布置还需要在最外面的管和外壳之间的弓形排中的管的数量。表5-2不同布置方式的管道数量对比

16、。管道布置方式确定后，需要确定管道中心距，以便进一步确定壳体直径。管中心距离是管板上两个管中心之间的距离。管中心距与管板强度、管外清洗方式和管的固定方式有关。一般来说，表5-3中给出的数据可用于管中心距离。、管壳式换热器的设计依据、管壳式换热器关键尺寸的计算、表5-3各种条件下的管中心距数据，利用管中心距数据和以前获得的数据，可以确定壳体的内径，该内径应等于或大于(对于浮头式换热器)管板的直径，因此可以通过确定管板的直径来确定壳体的内径。在初步设计中，除了可以通过绘图方法获得的先前已知的数据之外，壳体的内径di可以通过以下公式计算。(5-7)Di外壳的内径，mm；t管中心距离，mm，所选数据见表5-3；Nc穿过管束中心线的管道数量，正三角形排列为1.1，正方形排列为1.19。e管束中心线上最外层管中心到壳体内壁的距离，一般为e=(11.5)d；管道外径，毫米；换热器主管的数量。一般来说，通过公式(5-7)获得的壳体内径应四舍五入到常用的标准尺寸。热交换器圆筒内径的常用标准尺寸为400毫米、500毫米、600毫米、7