列管式換熱器設(shè)計(jì)方案

1、列管式換熱器設(shè)計(jì)方案第一節(jié) 推薦的設(shè)計(jì)程序一、工藝設(shè)計(jì)1、作出流程簡(jiǎn)圖。2、按生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算換熱器的換熱量 Q。3、選定載熱體，求出載熱體的流量。4、確定冷、熱流體的流動(dòng)途徑。5、計(jì)算定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等）。6、初算平均傳熱溫度差。7、按經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選取或估算K值，初算出所需傳熱面積。8、根據(jù)初算的換熱面積進(jìn)行換熱器的尺寸初步設(shè)計(jì)。包括管徑、管長(zhǎng)、管 子數(shù)、管程數(shù)、管子排列方式、殼體內(nèi)徑（需進(jìn)行圓整）等。9、核算K。10、校核平均溫度差 Tm 。11、校核傳熱量，要求有 1525的裕度。12、管程和殼程壓力降的計(jì)算。二、機(jī)械設(shè)計(jì)1、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算

2、。2、換熱器封頭選擇。3、換熱器法蘭選擇。4、管板尺寸確定。5、管子拉脫力計(jì)算。6、折流板的選擇與計(jì)算。7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。8、接管、接管法蘭選擇及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等。9、繪制主要零部件圖。三、編制計(jì)算結(jié)果匯總表四、繪制換熱器裝配圖五、提出技術(shù)要求六、編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書第二節(jié) 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)一、換熱終溫的確定換熱終溫對(duì)換熱器的傳熱效率和傳熱強(qiáng)度有很大的影響。 在逆流換熱時(shí)， 當(dāng)流體出口終溫與熱流體入口初溫接近時(shí)， 熱利用率高，但傳熱強(qiáng)度最小，需要的 傳熱面積最大。為合理確定介質(zhì)溫度和換熱終溫，可參考以下數(shù)據(jù)：1、熱端溫差（大溫差）不小于 20 C。2、冷端溫差（小溫差）不小于 5C。3、在冷卻器或

3、冷凝器中，冷卻劑的初溫應(yīng)高于被冷卻流體的凝固點(diǎn)；對(duì)于含有不凝氣體的冷凝，冷卻劑的終溫要求低于被冷凝氣體的露點(diǎn)以下5C。二、平均溫差的計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)初算平均溫差tm，均將換熱過(guò)程先看做逆流過(guò)程計(jì)算。對(duì)于逆流或并流換熱過(guò)程，其平均溫差可按式（t1 t2trIn1、21）進(jìn)行計(jì)算:tm(2 1)式中,tmh、tit1t2分別為大端溫差與小端溫差。當(dāng)t2t- 2。2時(shí)，可用算術(shù)平均值t22、（2 2） 式中t逆是按逆流計(jì)算的平均溫差，校正系數(shù)t可根據(jù)換熱器不同情況由化工對(duì)于錯(cuò)流或折流的換熱過(guò)程，若無(wú)相變化，則要進(jìn)行溫差校正，即用公式 （2 2）進(jìn)行計(jì)算。t mt t 逆原理教材有關(guān)插圖查出。一般要求t 0

4、.8,否則應(yīng)改用多殼程或者將多臺(tái)換熱器串聯(lián)使用。三、傳熱總系數(shù)K的確定計(jì)算K值的基準(zhǔn)面積，習(xí)慣上常用管子的外表面積A。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象的基準(zhǔn)條件（設(shè)備型式、雷諾準(zhǔn)數(shù) Re、流體物性等）與某已知K值的生產(chǎn)設(shè)備相同或 相近時(shí)，貝U可采用已知設(shè)備K值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的K值。表21為常見(jiàn)列管式換熱器K值的大致范圍。由表 21選取大致K值，表2-1列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值冷流體熱流體總傳熱系數(shù)W/m2. C水水850-1700水氣體17-280水有機(jī)溶劑280-850水輕油340-910水重油60-280有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑115-340水水蒸汽冷凝1420-4250氣體水蒸汽冷凝30-300水

5、低沸點(diǎn)烴類冷凝455-1140水沸騰水蒸蒸汽冷凝2000-4250輕油沸騰水蒸汽455-1020用式（2-3）進(jìn)行K值核算。K= 一 + Ro +01(2 3)屯 + rQ + A dmdiidi式中：一給熱系數(shù)，W/m2C；R污垢熱阻，m2C/ W;S管壁厚度，mm；入一管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m. C； 下標(biāo)i、o、m分別表示管內(nèi)、管外和平均AoA 2當(dāng) A時(shí)近似按平壁計(jì)算，即： 在用式（2 3）計(jì)算K值時(shí)，污垢熱阻Ro、Ri通常采用經(jīng)驗(yàn)值，常用的污垢熱 阻大致范圍可查化工原理相關(guān)內(nèi)容。AiAmAo式中的給熱系數(shù)，在列管式換熱器設(shè)計(jì)中常采用有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值公式計(jì)算給 熱系數(shù)，工程上常用的一些計(jì)算 的

6、經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在化工原理已作了介紹， 設(shè)計(jì)時(shí)從中選用。四、傳熱面積A的確定工程上常將列管式換熱器中管束所有管子的外表面積之和視為傳熱面積，由式（2 4）和式（2 5）進(jìn)行計(jì)算。式中：AQA 0K t m（2 4）A。 n do L（ 2 5）K 基于外表面A。的傳熱系數(shù)，W/m2. Cd。一管子外徑，m;L 每根管子的有效長(zhǎng)度，m;A。 ndo Ln 管子的總數(shù)管子的有效長(zhǎng)度是指管子的實(shí)際長(zhǎng)度減去管板、 擋板所占據(jù)的部分。管子總 數(shù)是指圓整后的管子數(shù)減去拉桿數(shù)。五、主要工藝尺寸的確定當(dāng)確定了傳熱面積A0后，設(shè)計(jì)工作進(jìn)入換熱器尺寸初步設(shè)計(jì)階段，包括以 下內(nèi)容：1、管子的選用。選用較小直徑的管子，可以

7、提高流體的對(duì)流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中 的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管 子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結(jié)垢 的流體。我國(guó)列管式換熱器常采用無(wú)縫鋼管， 規(guī)格為外徑X壁厚，常用的換熱管的規(guī) 格： 19X2， 25X 2.5， 38X 3。管子的選擇要考慮清洗工作的方便及合理使用管材，同時(shí)還應(yīng)考慮管長(zhǎng)與管徑的配合。國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)規(guī)格，長(zhǎng)度一般為：1.5, 2, 2.5, 3, 4.5, 5, 6, 7.5,9, 12m等。換熱器的換熱管長(zhǎng)度與殼徑之比一般在 610，對(duì)于立式換熱器， 其比值以4 6為宜。殼程和殼程壓力降，流

8、體在換熱器內(nèi)的壓降大小主要決定于系統(tǒng)的運(yùn)行壓 力，而系統(tǒng)的運(yùn)行壓力是靠輸送設(shè)備提供的。換熱器內(nèi)流體阻力損失（壓力降） 越大，要求輸送設(shè)備的功率就越大，能耗就越高。對(duì)于無(wú)相變的換熱，流體流速 越高，換熱強(qiáng)度越大，可使換熱面積減小，設(shè)備緊湊，制作費(fèi)低，而且有利于抑 制污垢的生成，但流速過(guò)高，也有不利的一面，壓力降增大，泵功率增加，對(duì)傳 熱管的沖蝕加劇。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中有個(gè)適宜流速的選取和合理壓力降的 控制問(wèn)題。一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體，在壓力降控制在 0.01O.IMPa之間，對(duì)于氣體，控 制在0.0010.01MPa之間。表22列出了換熱器不同操作條件壓力下合理壓降的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參 考。表2

9、 2列管式換熱器合理壓降的選取換熱器操作情況負(fù)壓運(yùn)行低壓運(yùn)行中壓運(yùn)行（包括用泵輸送液體）較咼壓運(yùn)行P0.17操作壓力（MPa絕壓）P=0 0.1P=0.1 0.17P= 0.17 1.1P=1.1 3.1P=3.1 8.2合理壓降（MPa）P= P/10P=p /2P=0.035 p =0.035 0.18 p =0.07 0.252、管子總數(shù)n的確定對(duì)于已定的傳熱面積，當(dāng)選定管徑和管長(zhǎng)后便可求所需管子數(shù)n,由式（2 6）進(jìn)行計(jì)算。A0 n(2 6)dL式中A。傳熱面積，m2 ；d。一管子外徑，m；L 每根管子的有效長(zhǎng)度，m； 計(jì)算所得的管子n進(jìn)行圓整3、管程數(shù)m的確定。根據(jù)管子數(shù)n可算出流體

10、在管內(nèi)的流速u，由式（2- 7）計(jì)算Vs2(2 7)式中Vs 管程流體體積流量,0.785di ndi-管子內(nèi)徑，m； n-管子數(shù)。若流速u與要求的適宜流速相比甚小時(shí)，便需采用多管程，管程數(shù)m可按式（28）進(jìn)行計(jì)算。Im= u/ u（2 8）式中u 用管子數(shù)n求出的管內(nèi)流速，m/s;u-要求的適宜流速，m/s;式（2 8）中的適宜流速u要根據(jù)列管式換熱器中常用的流速范圍進(jìn)行選定，參見(jiàn)化工原理相關(guān)內(nèi)容，一般要求在湍流下工作（高粘度流體除外），與此相 對(duì)應(yīng)的Re值，對(duì)液體為5X 103,氣體則為104 -105。分程時(shí)，應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等，生產(chǎn)中常用的管程數(shù)為1、2、4、6四種。4、管子的排

11、列方式及管間距的確定。管子在管板上排列的原則是：管子在整個(gè)換熱器的截面上均勻分布， 排列緊 湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，方便制造并適合流體的特性。其排列方式通常為等邊三角形 與正方形兩種，也有采用同心圓排列法和組合排列法。在一些多程的列管式換熱器中，一般在程內(nèi)為正三角形排列，但程與程之間 常用正方形排列，這對(duì)于隔板的安裝是很有利的，此時(shí)，整個(gè)管板上的排列稱為 組合排列。對(duì)于多管程的換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上的一部分面積， 實(shí)際排 管數(shù)比理論要少，設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際的管數(shù)應(yīng)通過(guò)管板布置圖而得。在排列管子時(shí)，應(yīng)先決定好管間距。決定管間距時(shí)應(yīng)先考慮管板的強(qiáng)度和清 理管子外表時(shí)所需的方法，其大小還與管子在管板上

12、的固定方式有關(guān)。大量的實(shí) 踐證明，最小管間距的經(jīng)驗(yàn)值為：丿焊接法a最小1 .25d oa最小1 .25do脹接法a最小125do，般?。?.31.5）do1 d010 mm管束最外層管子中心距殼體內(nèi)表面距離不小于2。5、殼體的計(jì)算。列管式換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于（對(duì)于浮頭式換熱器）管板的直徑,可由式（2 9）進(jìn)行計(jì)算。Di = a (b 1)+ 2L(2-9)式中Di 殼體內(nèi)徑，mm;a管間距，mm ；b-最外層六邊形對(duì)角線上的管子數(shù)；L 最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取L=(11.5)do , mm；若對(duì)管子分程則Di = f + 2Lf值的確定方法：可查表求取，也可用作圖法。當(dāng)

13、已知管子數(shù)n和管間距a后開(kāi)始按正三角形排列，直至排好n根為止，再統(tǒng)計(jì)對(duì)角線上的管數(shù)。計(jì)算出的殼徑Di要圓整到容器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列內(nèi)。第三節(jié)列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)在化工企業(yè)中列管式換熱器的類型很多， 如板式，套管式，蝸殼式，列管式。 其中列管式換熱器雖在熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器， 但它卻具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣等特點(diǎn)，因此成為石 油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器和U 型管式換熱器，而其中固定管板式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 造價(jià)低，因此應(yīng)用最普 遍。列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)包

14、括：1、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。2、換熱器封頭選擇。3、壓力容器法蘭選擇。4、管板尺寸確定。5、管子拉脫力的計(jì)算。6折流板的選擇與計(jì)算。7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。8、接管、接管法蘭選擇及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等。9繪制主要零部件圖和裝配圖。下面分述如下：一、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。1、已知條件：由工藝設(shè)計(jì)知管程和殼程介質(zhì)種類、溫度、壓力、殼與壁溫 差、以及換熱面積。2、計(jì)算管子數(shù)n：列管式換熱器常用無(wú)縫鋼管，規(guī)格如下：碳鋼19X 225X 2.532X 338X 3不銹鋼19X 225X 232X 238X 2.5管子材質(zhì)的選擇依據(jù)是介質(zhì)種類，如果介質(zhì)無(wú)腐蝕，可選碳鋼，而介質(zhì)有腐 蝕則選擇不繡鋼。

15、管長(zhǎng)規(guī)格有 1500, 2000, 2500, 3000, 4500，5000，6000, 7500，9000, 12000mm。n=A/( dmL)，其中A換熱面積(m2)；L換熱管長(zhǎng)度mm； dm管子的平均直徑 mm。由于在列管式換熱器中要安裝4根或6根拉桿。所以實(shí)際換熱管子數(shù)為n-4(6)根。(2) 管子排列方式，管間距確定。管子排列方式一般在程內(nèi)采用正三角形排列，而在程與程之間采用正方形排 列。管間距根據(jù)最小管間距選擇。最小管間距管子外徑(mm)14192532384557最小管間距(mm)16253240485770(3) 換熱器殼體直徑的確定殼體直徑計(jì)算公式：當(dāng)采用正三角形排列時(shí)為

16、Di=a(b-1)+2L式中 Di換熱器內(nèi)徑；a管間距；b正三角形對(duì)角線上的管子數(shù)；L最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離。若對(duì)管子進(jìn)行分程則Di=f+2L式中f殼體同一內(nèi)直徑兩端管子中心距 mm；Di、L同上。計(jì)算出Di后還要圓整到公稱直徑系列中。(4) 換熱器殼體壁厚的計(jì)算計(jì)算壁厚為 S=PDi/(2(TP)式中P設(shè)計(jì)壓力，MPa;當(dāng)PPs,且ttts,則同向 當(dāng)RvPn，且ttvts,貝U同向 當(dāng)PtPs,且ttVts,則反向 當(dāng)Ptts,則反向許用拉脫力 q2.0MPa4.0MPa4、許用拉脫力： MPa 換熱管與管板換熱型式 管端不卷邊管板孔不開(kāi)槽脹接 管端卷邊管板孔開(kāi)槽脹接5、是否設(shè)置膨脹節(jié)判據(jù)：當(dāng)q q時(shí)需設(shè)置膨脹節(jié)，否則不必設(shè)置。六、膨脹節(jié)的選擇1、膨脹節(jié)的補(bǔ)償量為了保證膨脹節(jié)在完全彈性的條件下安全工作, 它的補(bǔ)償量是有限度的。 在 附錄中給出了用不同材料制的單層、 單波具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的膨脹節(jié)的允許補(bǔ)償量 L。根據(jù)換熱器工作時(shí)的殼壁溫度ts,管壁溫度tt，安裝溫度t。，以及殼體和 管子的線膨脹系數(shù),可以算出換熱器所需要的熱變形補(bǔ)償量 Ltc：Ltc= a(tt to)- a(tt-t。) L若 Ltc L ,用兩個(gè)或兩個(gè)以上的膨脹節(jié)。2、膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸波形膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)附錄 3,公稱壓力在 2.5MPa 以下,公稱直徑不 超過(guò)2000mm的膨脹節(jié)，已有標(biāo)準(zhǔn)，