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1、第5章 热交换设备系列绘制, 本章导引 列管式热交换器的设计基础 无相变热交换器绘制 本章重点知识分析,本章导引,热交换设备，顾名思义就是用来进行热量交换的设备，而这个热量的概念是一个广义的概念，也包括冷量。因为站在不同的角度，热量和冷量这个概念是可以相互转化的。 根据热量交换的形式不同，热交换设备可以分为间壁式换热器、混合式换热器以及蓄热式换热器。间壁式换热器在其热量交换过程中需要通过某一个介质壁，这个介质壁使用最多的是金属，也有使用非金属材料的，两个需要互相交换热量的流体通过这个介质壁交换热量，而两个流体之间并不直接接触。常见的间壁式换热设备有管壳式换热器和板面式换热器两类，化工企业中应用
2、最广泛的列管式换热器是属于间壁式换热设备的一种。混合式换热器是两种需要交换热量的流体直接混合接触，使两者温度趋于相同，如冷水塔，用冷水直接喷淋需要冷却的气体。蓄热式换热器是利用一种蓄热介质，使需要交换热量的流体交替流过蓄热介质，从而达到交换热量的目的，利用蓄热器可回收高温炉气中的热能，也可用于太阳能的回收利用。 根据交换热量的目的不同，换热设备可以分为加热器、蒸发器、再沸器、冷凝器、冷却器。加热器、蒸发器、再沸器交换热量的目的是使我们的目标物体温度提高或由液态变成气态，如加热器的目的是使目标物体温度提高，蒸发器的目的是使目标物体由液体变成气体，该三种换热设备均需由公用工程提供热量给目标物体；而
3、冷凝器、冷却器交换热量的目的是使目标物体的温度降低或由气态变成液态，这两种换热设备均需由公用工程提供冷量给目标物体。,换热设备是化工、轻工、炼油等企业中普遍应用的典型化工设备。在一般的化工厂换热设备的费用约占总设备费用的10%20%，而在炼油企业则占到总费用的35%40%。换热设备在原子能、动力、食品、冶金、交通、家电、环保等行业或部门都有着广泛的应用，因此在工艺设计计算的基础上，学会用计算机正确地绘制换热设备具有十分重要的意义。 本章主要介绍化工和炼油企业中最常用的列管式换热器的绘制。列管式热交换器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座、接管等组成，而换热管束包括换热管、管板、折流板、支
4、持板、拉杆、定距管等。换热管一般为普通光管，但也可采用各种强化管，如带翅片的翅片管、螺旋槽管、横纹管、多孔表面管等各种强化管。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。列管式换热器常采用的材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。 根据列管式换热器的主要组成部分可知，其大部分元器件的绘制我们已在前面的章节中介绍过，如壳体相当于容器中的筒体（包括壳体的法兰）、支座、接管、管箱（相当于各种封头）等，因此对于这部分内容的绘制，我们在具体的介绍过程中不再对所有的命令进行解释，只在绘制前先说明这些器件的规格及具
5、体绘制尺寸的大小，当然其空间位置的确定还是会解释说明的。对于一些新出现的器件，我们会详细解释说明，希望读者在学习本章的过程中引起注意。,本章导引,列管式热换器的设计基础,本章目录,列管式热交换器的分类 列管式热交换器关键尺寸的计算 列管式热交换器的一些标准及规范 列管式热交换器设计实例,列管式热换器的设计基础,根据前面的介绍，列管式热交换器是属于间壁式管壳类的换热器，根据管束、管板、壳体、管箱等不同结构，又可以分为以下5种不同的结构形式。 固定管板式热交换器 该热交换器的两端管板采用焊接方法与壳体固定连接。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多程，壳
6、程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。 该换热器壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于较脏或对材料有腐蚀性的介质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大，当温差应力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力。 浮头式热交换器 该换热器一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这给检修和清洗提供了方便。这种形式的热交换器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。 浮头式热交换器结构复杂，
7、价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器的分类,U形管式热交换器 该换热器是将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。该热交换器仅有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗。但管内清洗稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢。因弯管时必须保证一定的曲率半径，所以管束的中心部分存在较大的空隙，在相同直径的壳体中排列的管子数较固定管板式少，价格较固定管板式高10%左右。该热交换器一般用于高温高压情况下，尤其适合于壳体与换热管金属壁温差较大时的场合。壳程
8、可设置纵向隔板，将壳程分为两程。 填料函式热交换器 该换热器的浮头部分伸在壳体之外，换热管束可以自由滑动，浮头和壳体之间填料密封。对于一些壳体与管束温差较大，腐蚀严重而需经常更换管束的热交换器，可采用填料函式热交换器。它具有浮头热交换器的优点，又克服了固定管板式热交换器的缺点，结构简单，制造方便，易于检修清洗。 填料函式热交换器不适宜在高温、高压条件下使用，同时对壳程介质也有限制，对易挥发、易燃、易爆、有毒等介质不宜走壳程。,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器的分类,异形壳体翅片管热交换器 该换热器的壳体可为方箱形、椭圆型、C形，甚至可以是裸露的，其换热管为带翅片的翅片管。换热管可根据需要
9、排成为单排或多排换热管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。翅片的翅高、翅距和翅片厚度可根据实际工况而定。这种形式的热交换器因为采用了翅片管，可大大强化传热面积，所以特别适用于给热系数较低的流体。壳程流通面积可设计较大，流动阻力较小，所以对于压力较低和对压力降要求较小的流体特别适用。在实际生产中，常常用这种热交换器来加热或冷却低压空气，如各种空调系统的蒸发器和冷凝器均可认为是此类的换热器。 20世纪80年代以来，热交换器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效热交换器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，随着能源的日趋紧张、全球气候变暖、环境保护要求的提高都对开发新型高效热
10、交换器提出了越来越高的要求。国内外各研究机构对强化传热元器件及传热模式正在进行不断深入的研究，不断推陈出新，各种新型的传热元器件如表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管以及各种新型换热器形式如板片传热器、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、外导流筒热交换器等不断推出市场，相信随着科技的发展，热交换器将朝着传热性能好、节能、增效的方向不断发展。,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器的分类,换热面积的计算 换热面积是换热器的一个主要特性指标，也是计算其它关键尺寸的基础。对于一个已知的换热器，其换热面积A可简单地利用所有传热管的面积和来代替，即： （5-1） 其中n为传热管
11、数目，d为传热管外径（也可以是内径或中径，只要和传热面积对应即可），L为传热管有效长度。在设计阶段，我们是不知道具体换热器的有关尺寸的，其换热面积也无法通过式（5-1）求得。但是，我们知道该换热器需要完成的任务：将某一流量为G的目标流体从温度T1变成T2。要完成这个任务，我们将采用流量为W的公用工程流体，从温度t1变成温度t2，从而完成前面的任务。在完成这个任务中，需要一个传热面积，这个传热面积的大小，就是我们所需要设计的换热器的面积，该面积可以通过热负荷和传热速率方程来求取。 对目标流体传热负荷方程有（假定目标流体的温度升高）： （5-2） 对公用工程流体： （5-3）,列管式热换器的设计基
12、础,列管式热交换器关键尺寸的计算,如果忽略传递过程中的热量损失及换热器外壳的热量损失，根据能量守恒可知： 。 总传热方程： （5-4） 其中：Q为传热速率，其值等于 或 ，K为总传热系数，在一般计算中，可根据目标流体及公用工程流体和拟选用的换热器形式确定。在较精确的计算中，通过上面初步确定的K的基础上，计算出传热面积，再通过传热面积来校核总传热系数，关于这方面的详细介绍，请参看有关换热器设计的书籍。A为总传热面积， 为平均温差。 Q值可由式（5-2）求得，平均温差的计算公式为：,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器关键尺寸的计算,所以，可以得到传热面积A（以逆流为例） （5-5）,管径、管长
13、及管子数的确定 确定了换热器的传热面积后，换热器中传热管的管径d、管长L、管子数n就受到式（5-1）的约束，但一个方程，三个变量，其自由度为2，仍无法确定该3个变量的具体大小。一般情况下，我们首先通过确定管子内的适宜流速u及管子内径di来确定管子数目n，其计算公式如下： （5-6） 其中V是管程流体的体积流量，单位为 。显然，若要通过式（5-6）求取换热器管子数目，必须首先解决两个问题，一是管内适宜流速的选定，二是管子内径的确定。对于这两个变量，我们通常有一些常用的取值规定，对于流速而言，适宜的流速范围见表5-1。,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器关键尺寸的计算,列管式换热器管子的适宜流
14、速利用表5-1中管程流速的数据选定后（需注意如果流体的黏度较大，适宜的流速应取表5-1中接近下限值，如液体的黏度大于1500mPas时，管程的适宜流速应取0.6m/s），还需确定管子内径，才能确定管子数目。而常用的管子规格有16mm1.5mm、19mm2mm、25mm2.5mm、38mm3mm，其中最常用的是19mm2mm、25mm2.5mm，我们应该根据实际情况，选择上面其中管子中的一种。一般来说，小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可以排更多的管子，相对于大管径而言，单位传热面积的金属耗量更少，单位体积的传热面积更大。所以，在管程接垢不严重以及允许压力降较高
15、的情况下，通常采用16mm1.5mm、19mm2mm的管子。如果管程走的是易结垢的流体，则应选择较大直径的管子，对于直接火焰加热时，则采用76mm的管径。 确定了管径和适宜管内流速后，利用式（5-6）就可以确定管子数目，根据管子数目、管径及换热面积，利用式（5-1）就可以求得管子得长度L=A/nd，但实际上换热器管子的长度常常取标准值，常用的标准管子有1.5m、2m、3m、6m等，一般根据计算的管子长度，结合标准管子的长度，选定一个合理的标准长度，同时通过管程数的改变来保证换热器结构合理。关于管程的问题在下面确定壳体直径时加以讨论。,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器关键尺寸的计算,管心距
16、、壳体直径及壳体厚度的确定 确定了管长、管径、管子数等参数后，接下来尚需进一步确定管心距t，壳体直径D、壳体厚度S等参数，以便确定换热器的具体结构。 已知了管子数目及管子的直径，就可以按一定的规律将管子在某一直径的圆的管板内排列起来，而该圆的大小不仅跟管子数目、管子直径有关，同时也和管子的排列方式、管子和管子之间的距离即管心距有关。管子在管板上的排列方式常用的有正三角形错列、正三角形直列、同心圆排列、正方形直列、正方形错列等5种，见图5-1。,列管式热换器的设计基础,列管式热交换器关键尺寸的计算,正三角形错列 正三角形直列 同心圆排列,正方形直列 正方形错列,图5-1 5种管子排列方式,正三角形错排是最为普遍的一种排列方式，因为该种排列方式可在相同的管板面积上排列最多的管子，但管外不易采用机械清洗。而正方形排列则适宜于采用管外机械清洗。在小直径的换热器中，同心圆排列比正三角形排列所能排列的管子数要多，具体情况可
