列管式换热器设计模板

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1、1目 录一设计任务书2二设计方案简介 31.概述32.选择换热器类型43.管程安排84.流向的选择95.流速的选择96.材质的选择97.管程结构 98壳程结构10三工艺计算及主要设备设计121.确定物性数据122.估算传热面积133.选择管径和管内流速144.选取管长、确定管程数和总管数155.平均传热温差校正及壳程数156.传热管的排列和分程方法167.壳体内径168.折流板17四换热器主要传热参数核算171.热流量核算172.壁温核算203.换热器内流体的流动阻力21五换热器主要结构尺寸和计算结果24六 .附图 25七 主要符号介绍 26七自我评价 262八 参考资料27列管式换热器设计任

2、务书 （一）设计题目 列管式换热器设计（二）设计任务及操作条件1、处理能力 2.0104 吨/年2、设备型式 e 列管式换热器3、操作条件（1）釜残液：重油，入口温度 102，出口温度 40（2）冷却介质：井水（3）换热器的管程和壳程压强降：不大于 50k Pa（4）重油平均温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp (kJ/.)（Pa.s ）(W/m.)重油 986 1.99 2.910-3 0.136（5）一年工作时间按 330 天计算，每天工作 24 小时二、设计方案简介1 概述完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（

3、温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下： 增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差。对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面。例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面

4、积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。（2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标

5、是在一定的时间内（通常为 1 年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。 动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。 严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对

6、象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。2、选择换热器的类型1.换热器在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。在食品、化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生

7、产中占有重要地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。2.换热器的选择换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为 3 种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固

8、耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。在列管式换热器中，管束的表面积即为该换热器所具有的传热面积。当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的传热膜系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，即采用多管程

9、结构。其方法是在封头内装设隔板，在一端的封头内装设一块隔板，便成二管程；在进口端装两块挡板，另一端装一块隔板，便成四管程；如此，还可以设置其他多管程，但过多使流体阻力增大，隔板占有分布管面积，而使传热面积减小 列管换热器主要特点：(1) 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到 100都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。(2) 耐温性：聚丙烯塑料熔点为 164-174，一般使用温度可达 110-125。(3) 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。(4) 重量轻：对设

10、备安装维修极为方便。列管换热器（又名列管式冷凝器），按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器、填料函式换热器。分别如下：固 定 管 板 式 换 热 器 ： 这 类 换 热 器 的 结 构 比 较 简 单 、 紧 凑 、 造 价 便 宜 ， 但 管 外 不 能 机 械 清 洗 。此 种 换 热 器 管 束 连 接 在 管 板 上 ， 管 板 分 别 焊 在 外 壳 两 端 ， 并 在 其 上 连 接 有 顶盖 ， 顶 盖 和 壳 体 装 有 流 体 进 出 口 接 管 。 通 常 在 管 外 装 置 一 系 列 垂 直 于 管 束 的挡 板 。 同 时 管 子 和 管 板 与 外 壳 的 连

11、 接 都 是 刚 性 的 ， 而 管 内 管 外 是 两 种 不 同 温度 的 流 体 。 因 此 ， 当 管 壁 与 壳 壁 温 差 较 大 时 ， 由 于 两 者 的 热 膨 胀 不 同 ， 产 生了 很 大 的 温 差 应 力 ， 以 至 管 子 扭 弯 或 使 管 子 从 管 板 上 松 脱 ， 甚 至 毁 坏 换 热 器 。为 了 克 服 温 差 应 力 必 须 有 温 差 补 偿 装 置 ， 一 般 在 管 壁 与 壳 壁 温 度 相差 50 以 上 时 ， 为 安 全 起 见 ， 换 热 器 应 有 温 差 补 偿 装 置 。 但 补 偿 装 置 （ 膨 胀节 ） 只 能 用 在

12、 壳 壁 与 管 壁 温 差 低 于 60 70 和 壳 程 流 体 压 强 不 高 的 情 况 。一 般 壳 程 压 强 超 过 0.7Mpa 时 由 于 补 偿 圈 过 厚 ， 难 以 伸 缩 ， 失 去 温 差 补 偿 的作 用 ， 就 应 考 虑 其 他 结 构 。 浮 头 式 换 热 器 ：图 2换 热 器 的 一 块 管 板 用 法 兰 与 外 壳 相 连 接 ， 另 一 块 管 板 不 与 外 壳 连 接 ， 以使 管 子 受 热 或 冷 却 时 可 以 自 由 伸 缩 ， 但 在 这 块 管 板 上 连 接 一 个 顶 盖 ， 称 之 为“浮 头 ”， 所 以 这 种 换 热

13、器 叫 做 浮 头 式 换 热 器 。结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。U 型 管 式 换 热 器 ：图 3U 形 管 式 换 热 器 ， 每 根 管 子 都 弯 成 U 形 ， 两 端 固 定 在 同 一 块 管 板 上 ， 每根 管 子 皆 可 自 由 伸

14、 缩 ， 从 而 解 决 热 补 偿 问 题 。 管 程 至 少 为 两 程 ， 管 束 可 以 抽出 清 洗 ， 管 子 可 以 自 由 膨 胀 。 其 缺 点 是 管 子 内 壁 清 洗 困 难 ， 管 子 更 换 困 难 ，管 板 上 排 列 的 管 子 少 。 优 点 是 结 构 简 单 ， 质 量 轻 ， 适 用 于 高 温 高 压 条 件 。填料函式换热器填料函式换热器的结构如图 4 所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。