列管式換熱器設(shè)計正文

摘要在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置成為熱交換器，簡稱為換熱器。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不用類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸 、材料。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器 。關(guān)鍵詞：溫度傳熱面積結(jié)構(gòu)尺寸材料1前言1.1列管式換熱器設(shè)計的意義換熱器是建筑采熱取暖生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，近幾年由于新技術(shù)的發(fā)展，各種類型的換熱器越來越受工業(yè)界的重視，而換熱 器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品飲料、酒精生產(chǎn)、制冷、民用等工藝；因此，無論是從工業(yè)的發(fā)展還是從能源的有效利用，換熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運(yùn)行都具有非常重要的意義。1.2列管式換熱器的工作原理進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動,稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易

結(jié)垢的流體。流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。按換熱方式可分為單殼程單管程換熱器、雙管程、多管程、多殼程換熱器。最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，管殼式換熱器為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。列管式換熱器的優(yōu)點單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍 寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。列管式換熱器的結(jié)構(gòu)殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。1.4.1列管式換熱器的折流擋板為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺盤和圓盤形兩種，前者更為常用。圖1圓缺形列管式換熱器圖2圓盤形列管式換熱器1.4.2列管式換熱器的多殼程換熱器列管式換熱器必須從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取各種補(bǔ)償?shù)霓k法，消除或減小熱應(yīng)力，根據(jù)所采取的溫差補(bǔ)償措施。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差60°C以上時，為了安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置，但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)），只能在殼壁與管壁溫度低于60?70C和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況下。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6MP時才會由于補(bǔ)償圈過厚，難于伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就用考慮其他結(jié)構(gòu)。

1.5列管式換熱器的種類1.5.1 固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。1.5.2浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。圖3浮頭式換熱器U形管式換熱器U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板排列的管子少。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。設(shè)計內(nèi)容已知條件：（1），反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110°C進(jìn)一步冷卻至60°C之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量

為227301kg/h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為29C，出口溫度為39C(2)混和氣體在85C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）：密度p=90kg/m31定壓比熱容c=3.297kJ/(kg?C)p1熱導(dǎo)率A=0.0279W/(m?C)1粘度u=1.5X10-5Pa?s1循環(huán)冷卻水在34C下的物性數(shù)據(jù)：密度p=994.3kg/m32定壓比熱容c=4.174kJ/(kg?c)p2熱導(dǎo)率A=0.624W/(m?c)2粘度u=0.742X10-3Pa?s確定設(shè)計方案選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度lio°c，出口溫度60°C。冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度29C，出口溫度39C。該換熱器冷卻熱的混合氣體，傳熱量較大，可預(yù)計排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作，因此不選用膨脹節(jié)。流動空間及流速的確定單從兩物流的操作壓力看，混合氣體操作壓力高達(dá)6.9MPa,應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應(yīng)使a較大的循環(huán)水（一般氣體a〈液體）走管內(nèi)。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。選用025mmX2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)循環(huán)水流速取1.3m/s。

換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計3.1、管徑和管內(nèi)流速選用①25mmX2.5mm傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速u=1.3m/s。i3.2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。n=s897713.7/(994.3X3600)0.785X0.022X1.3~615(根n=s897713.7/(994.3X3600)0.785X0.022X1.3~615(根)按單程管計算，所需的傳熱管長度為L=三］5803.14X0.025X61512.0(m)按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長L=6.0(m)，則該換熱器管程數(shù)為N=L/l=12.0/6.0=2(管程)P傳熱管總根數(shù)N=615X2=1230(根)傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。因為殼程流體壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距a=1.25d，則oa=1.25X25~32(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離=a/2+6=32/2+6=22mm則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距S=44mm。n圖4隔板橫過管束中心線的管數(shù)n二1.1沢壬=1.1沢予元=42(根)殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7,則殼體內(nèi)徑為：D=1.05a、=1.05X32、二績：〔廣=1408.5(mm) 圓整可取D=1400mm折流板采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25D=0.25X1400=350(mm)

取折流板間距B=0.3D=0.3X1400=420(mm)折流板數(shù)N=傳熱管長/折流板間距-1=6000/420-1=14(塊)B圖5折流板圓缺面水平裝配接管d=管程流體進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為3.0m/s，則接管內(nèi)徑為:d=0.326(m)4X897713.7/(3600X994.3；)=0.326(m)3.14X3.0圓整取350mm。殼程流體進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)混合氣體流速為10.0m/s，則接管內(nèi)徑為:d=4X227301/(3600X90)=3.14X10.0d=4X227301/(3600X90)=3.14X10.00.299(m)圓整取300mm。傳熱面積SQ10408.5X103 /、S= = =413.41(m2)KAtm549.0X4S.86該換熱器的實際傳熱面積S=ndLn=3.14X0.025X(6.0-0.06)X(1230-42)=po554.23(m2)該換熱器的面積裕度為：H=(S-S)/SX100%=(554.23-413.41)/413.41X100%=p34.1%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器的材料設(shè)計換熱器的設(shè)計，初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作換熱器的制作材料應(yīng)該根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選取。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐性的材料是很少的餓，目前，常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬性材料有石墨、聚四佛乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然扛腐蝕性能好，但價價格高且比較缺稀，應(yīng)盡量少用。

換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表1項目結(jié)果推薦使用材料碳鋼管子規(guī)格①25x2.5管數(shù)1230管間距/mm32管長/mm6000管體內(nèi)徑/mm1400排列方式正三角形折流板形式上下間距/mm420切高/mm350設(shè)計評述固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，本設(shè)計由于換熱任務(wù)較大，故管數(shù)較多。由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程走不易結(jié)垢的混合氣體。在設(shè)計過程中應(yīng)盡量做到：1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的情況下，盡量選擇較高的流速。2、提高平均溫差。對于無相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。3、妥善布置傳熱面。本設(shè)計采用合適的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。并且錯列管束的傳熱方式比并列的好。管殼式換熱器由一個殼體和包含許多管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過管壁進(jìn)行換熱的換熱器。管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在化工、煉油、石油化工、動力、核能和其他工業(yè)裝置中得到普遍采用，特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應(yīng)用占據(jù)絕對優(yōu)勢。通常的工作壓力可達(dá)4兆帕，工作溫度在200°C以下，在個別情況下還可達(dá)到更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800毫米以下，管子長度在9米以下,在個別情況下也有更大或更長的。工作結(jié)構(gòu)及其工作原理，圖為固定管板式換熱器的構(gòu)造（附圖）。A流體從接管1流入殼體內(nèi)，通過管間從接管2流出。B流體從接管3流入，通過管內(nèi)從接管4流出。如果A流體的溫度高于B流體，熱量便通過管壁由A流體傳遞給B流體；反之，則通過管壁由B流體傳遞給A流體。殼體以內(nèi)、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程，通過殼程的流體稱為殼程流體（A流體）。管子和管箱以內(nèi)的區(qū)域稱為管程，通過管程的流體稱為管程流體（B流體）。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。通常殼體為圓筒形;管子為直管或U形管。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn)45°和同心圓形等多種形式，前3種最為常見。按三角形布置時，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機(jī)械方法清洗，流體阻力也較大。管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設(shè)置一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時對管子起支承作用。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內(nèi)縱向設(shè)置分程隔板，將殼程分為2程和將管程分為2程、4程、6程和8程等。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水-水換熱時為1400?2850瓦每平方米每攝氏度〔W/（m（EC）〕；用水冷卻氣體時，為10?

B——折流板間距，m；N——折流板數(shù)；BC——系數(shù)，無量綱；P 壓力，Pa；d——管徑，m；r 半徑，m；D——換熱器外殼內(nèi)徑，m；S（或A）――傳熱面積,m2；f——摩擦系數(shù)；t 冷流體溫度，°C；L——管長，m；a（或t） 官心距，m；m——程數(shù)；P 密度，kg/m3；n——指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)；h 熱流體；N——管數(shù)、程數(shù)；i官內(nèi)280W/（m（E°C）；用水冷凝水蒸汽時，為570?4000W/（m（匚°C）。接管4殼體280W/（m（E°C）；用水冷凝水蒸汽時，為570?4000W/（m（匚°C）。接管4殼體支建A涼體B流悴傳熱管 折流板B流體 A流體怦箱接管3管板接管27符號說參考資料馬江權(quán)，冷一欣.化工原理課程設(shè)計，北京