列管換熱器設(shè)計(jì)一般步驟

列管換熱器設(shè)計(jì)一般步驟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D。11、 校核傳熱量，要求有15—25%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、 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)說明書312 列管換熱器設(shè)計(jì)步驟常規(guī)的列管換熱器的設(shè)計(jì)步驟如下。輸入已知條件:如熱流體的生產(chǎn)任務(wù)qm2、T1、T2為已知，確定冷流體，則冷流體進(jìn)口溫度t1也為已知，再優(yōu)化確定t2;確定管材的內(nèi)徑d1、外徑d2、管長(zhǎng)L,管間距l(xiāng)和擋板間距B;根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)確定污垢熱阻Rd1和Rd2。選擇流體流通的通道和方向、管程數(shù)和殼程數(shù)。計(jì)算冷流體流量qm1和熱負(fù)荷。(4)計(jì)算逆流的Atm和平均溫度差修正系數(shù)甲，再計(jì)算實(shí)際Atm。(5)計(jì)算定性溫度tm和Tm,選定流體物性方程,計(jì)算定性溫度下的物性參數(shù):p1,p1,入1,cp1,Pr1,p2川2,入2,cp2,Pr2。(6)設(shè)定K的初值。由傳熱速率式計(jì)算A。由已知管材參數(shù)計(jì)算n,D。計(jì)算S1,S2和Re1,Re2。(10)設(shè)定壁溫tW,計(jì)算M1p1W0D14,M2p2W0D14o(11)計(jì)算a1,a2。(12)計(jì)算tWc,比較tW與tWc,如不符要求，重復(fù)步驟(10)?(12);(13)計(jì)算Kc和Ac,比較A與Ac,考慮一定的安全系數(shù),A>115%Ac,最終設(shè)計(jì)以A為換熱器的傳熱面積。如不符要求，重復(fù)步驟(6)?(13)。在編制程序時(shí)，應(yīng)把有關(guān)通用部分編制成獨(dú)立子程序模塊。物性數(shù)據(jù)庫,必須包括傳熱計(jì)算所需的冷熱流體物性,如密度、黏度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、汽化潛熱等，

飽和蒸汽、過熱蒸汽的溫度和壓強(qiáng)的相關(guān)參數(shù)。由于對(duì)流給熱系數(shù)a的關(guān)聯(lián)式很多，可以建立計(jì)算a的專用模塊。設(shè)備的尺寸模塊，如系列化尺寸,對(duì)計(jì)算得到的設(shè)備尺寸應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)系列進(jìn)行圓整；又如已知列管數(shù)和管間距計(jì)算各種排列的管殼的內(nèi)徑，并圓整列管數(shù)。計(jì)算過程中的試差部分需要有相應(yīng)的迭代計(jì)算子程序。

輸入和輸出模塊，設(shè)計(jì)合適的輸入界面可以提高效率,結(jié)合圖形編程技術(shù)可以輸出換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸圖

形。?3口2列管式換熱器的操作模擬在實(shí)際工作中，換熱器的操作型計(jì)算問題也是經(jīng)常碰到的。例如，判斷一個(gè)現(xiàn)有換熱器對(duì)指定的生產(chǎn)任務(wù)是否

適用，或者預(yù)測(cè)某些參數(shù)的變化對(duì)換熱器換熱能力的影響等都屬于操作型問題，如圖31所示。圖31換熱器操作示意圖常見的操作型問題有以下兩類命題。第一類命題給定條件:換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性，冷、熱流體的流量qm1、qm2和進(jìn)口溫度

t1、T1以及流體的流動(dòng)方式。計(jì)算目的:冷熱流體的出口溫度t2、T2。第二類命題給定條件:換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物性,熱流體的流量qm2和進(jìn)出口溫度T1、T2,

冷流體的進(jìn)口溫度t1以及流動(dòng)方式。計(jì)算目的:所需冷流體的流量qm1及出口溫度t2。3口2口1傳熱單元數(shù)和換熱器效率可以直接由換熱器設(shè)計(jì)用的數(shù)學(xué)模型，確定自由度中的有關(guān)參數(shù),通過解方程組(數(shù)學(xué)模型)，得到冷熱流體的

出口溫度或所需的流量；也可以用傳熱單元數(shù)的方法求解,使用傳熱單元數(shù)方法求解換熱器模擬計(jì)算比較簡(jiǎn)

單。有關(guān)傳熱單元數(shù)和換熱器熱效率的計(jì)算公式如下?！?f(NTU,R)(329)R=(qmcp)min(qmcp)max(330)NTU=KA(qmcp)min(331)式中￡——換熱器的熱效率；NTU——傳熱單元數(shù)。對(duì)于單程并流￡=1-exp[-NTU(1+R)](1+R)(332)對(duì)于單程逆流￡=1-exp[-NTU(1-R)]1-R-exp[-NTU(1-R)](333)對(duì)于單殼程多管程換熱器￡=21+R+1+R21+exp(-NTU1+R2)1-exp(-NTU1+R2)(334)對(duì)于雙殼程偶數(shù)管程換熱器￡n=1-￡1R1-￡12-11-￡1R1-￡12-R-1(335)式中￡1一一單殼程多管程換熱器的傳熱效率；￡n——n殼程多管程換熱器的傳熱效率。根據(jù)￡NTU法，即可計(jì)算流體的出口溫度，避免了用對(duì)數(shù)平均溫度差求解所需的反復(fù)試算。若熱流體為比熱容

流量較小的流體，其傳熱效率￡=T1-T2T1-t1(336)T2=T1-￡(T1-t1)(337)若冷流體為比熱容流量較小的流體，則傳熱效率：￡=t2-t1T1-t1(338)t2=t1+￡(T1-t1)(339)已知冷、熱流體的入口溫度和傳熱效率即可以求出出口溫度。假設(shè)換熱器熱損失可以忽略，換熱器中兩流體無相變化，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱

量，即

Q=qm2cp2(T1-T2)=qm1cp1(t2-t1)(340)3口2口2第一類命題換熱器模擬計(jì)算的步驟假定比熱容流量較小流體的出口溫度，例如冷流體的出口溫度t2;由熱量衡算式計(jì)算熱流體的出口溫度T2;由冷熱流體進(jìn)出口溫度計(jì)算冷熱流體的定性溫度tm,Tm;根據(jù)定性溫度計(jì)算有關(guān)物性；由冷熱流體的流量和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算管程和殼程的流速；計(jì)算冷熱流體的給熱系數(shù)al,a2;計(jì)算傳熱系數(shù)K;計(jì)算傳熱單元數(shù)和換熱器效率；由換熱器效率計(jì)算冷流體的出口溫度：t2c=t1+￡(T1-t1)比較t2與t2c,采用某種迭代方法修正t2,重復(fù)步驟⑴?(9),直至收斂。3口2口3第二類命題換熱器模擬計(jì)算的步驟已知熱流體的流量和進(jìn)、出口溫度,冷流體的進(jìn)口溫度；假定冷流體的出口溫度為t2;由熱量衡算式計(jì)算冷流體的流量qm2;由冷熱流體進(jìn)出口溫度計(jì)算冷熱流體的定性溫度tm,Tm;根據(jù)定性溫度計(jì)算有關(guān)物性；根據(jù)冷熱流體的流量和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算管程和殼程的流速；計(jì)算冷熱流體的給熱系數(shù)a1,a2;計(jì)算傳熱系數(shù)K;計(jì)算傳熱單元數(shù)和換熱器效率；由換熱器效率計(jì)算冷流體的出口溫度：t2c=t1+￡(T1-t1)比較t2與t2c,采用某種迭代方法修正t2,重復(fù)步驟⑴?(10),直至收斂。列管式換熱器列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算【關(guān)鍵詞】列管式換熱器【論文摘要】列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算?1.流體流徑的選擇?哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點(diǎn)可供選擇時(shí)參考(以固定管板式換熱器為例)?(1)不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。

壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。?在選擇流體流徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾，例如首先考慮流體的壓強(qiáng)、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降，以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn);單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問題。流體兩端溫度的確定若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，就不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一個(gè)流體僅已知進(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來確定。例如用冷水冷卻某熱流體，冷水的進(jìn)口溫度可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì)，而換熱器出口的冷水溫度，便需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來決定。為了節(jié)省水量，可使水的出口溫度提高些，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。兩者是相互矛盾的。一般來說，設(shè)計(jì)時(shí)可采取冷卻水兩端溫差為5?10°C。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。管子的規(guī)格和排列方法？選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有◎25x2.5mm及^19^mm兩種規(guī)格的管子。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長(zhǎng)。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4?6(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。如前所述，管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等，如第五節(jié)中圖4-25所示。等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對(duì)流傳熱系麴較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣?。？管子在管板上排列的間距(指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.3?1.5)do,且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t>(d+6)0焊接法取t=1.25do。5.管程和殼程數(shù)的確定？當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。管程數(shù)m可按下式計(jì)算，即：? (4-121)?式中？u 管程內(nèi)流體的適宜速度，m/s；?u， 管程內(nèi)流體的實(shí)際速度，m/s。?圖4-49串聯(lián)列管換熱器 當(dāng)殼方流體流速太低時(shí)，也可以采用殼方多程。如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程，如前述的圖4-47和圖4-48所示。但由于縱向隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難，故一般不采用殼方多程的換熱器，而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。例如當(dāng)需二殼程時(shí)，則將總管數(shù)等分為兩部分，分別安裝在兩個(gè)內(nèi)徑相等而直徑較小的外殼中，然后把這兩個(gè)換熱器串聯(lián)使用，如圖4-49所示。6.折流擋板？安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動(dòng)程度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。第五節(jié)的圖4-26已示出各種擋板的形式。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10?40%，一般取20?25%，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2?1)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為:固定管板式的有150、300和600mm三種；浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。?擋板切去的弓形高度及板間距對(duì)流體流動(dòng)的影響如圖3-42所示。?7.外殼直徑的確定？換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，作圖法太麻煩費(fèi)時(shí)，一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走短路"，可以適當(dāng)增減一些管子。？另外，初步設(shè)計(jì)中也可用下式計(jì)算殼體的內(nèi)徑，即:??（4-122）式中？D 殼體內(nèi)徑，m；?t 管中心距，m；?nc 一橫過管束中心線的管數(shù)；?b， 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取b'=（1?1.5）do。nc值可由下面的公式計(jì)算。管子按正三角形排列時(shí)： （4-123）管子按正方形排列時(shí)： （4-124）式中n為換熱器的總管數(shù)。?按計(jì)算得到的殼徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，見表4-15。?8.主要構(gòu)件？封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體（一般小于400mm），圓形用于大直徑的殼體。緩沖擋板為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。?導(dǎo)流筒殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間。？放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。?接管尺寸換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算，即：??式中Vs--流體的體積流量，/s；??u--接管中流體的流速，m/s。流速u的經(jīng)驗(yàn)值為:?對(duì)液體u=1.5?2m/s對(duì)蒸汽u=20?50m/s?對(duì)氣體u=（15?20）p/p（p為壓強(qiáng)，單位為atm；p為氣體密度，單位為kg/）?9.材料選用？列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。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(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。?10.流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算?(1)管程流體阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對(duì)于多程換熱器，其總阻力Api等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為：??(4-125)??式中？Ap1、Ap2------分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，N/；?? Ft-----結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對(duì)于^25x2.5mm的管子， 取為1.4，對(duì)?19x2mm的管子，取為1.5；??Np-----管程數(shù)；??Ns-----串聯(lián)的殼程數(shù)。？上式中直管壓強(qiáng)降A(chǔ)p1可按第一章中介紹的公式計(jì)算；回彎管的壓強(qiáng)降A(chǔ)p2由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算，即：????(4-126)(2)殼程流體阻力現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計(jì)算公式雖然較多，但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，使所得的結(jié)果相差很多。下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)Apo的公式，即:??(4-127)式中ApT——流體橫過管束的壓強(qiáng)降，N/；?Ap2,——流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降，N/；??Fs 殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對(duì)液體可取1.15，對(duì)氣體或可凝蒸氣可取1.0而 (4-128)(4-129)式中F----管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列F=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45°為0.4,正方形排列為0.3；?fo----殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Reo>500時(shí)，nC----橫過管束中心線的管子數(shù)；??NB----折流板數(shù)；？？h----折流板間距，m；?uo----按殼程流通截面積Ao計(jì)算的流速，而。一般來說，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為0.1?1atm，氣體的為0.01?0.1atm。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以權(quán)衡