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1、,管壳式换热器工艺选型,LOGO,目录,管壳式换热器概述,管壳式换热器工艺选型设计,影响管壳式换热效果的因素,1,2,3,在石油化工生产过程中常常需要对物流进行加热或冷却操作，即热量的传递。 导热、对流和辐射是传热的三种基本方式，传热过程通常是两种或三种基本方式的组合。 在各种换热器中，由于管壳式换热器单位体积内能提供较大的传热面积，工作可靠、传热效果比较好、适应性较强，因此是生产应用最广泛的换热设备。 管壳式换热器是最常见的换热设备。管壳式换热器通常有固定管板、U形管、浮头式三种形式。,1. 管壳式换热器概述,1.1 固定管板换热器,主要组成：壳体、管板、管束、管箱（又称封头）,在圆形外壳内
2、，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外壳直接焊接，装有进口或出口管的管箱用螺栓与外壳两端法兰相连。,特点：结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低。,缺点：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。,适用场合：这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。,1.2 U形管换热器,主要组成：壳体、管板
3、、U形管束、管箱（又称封头）,由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。U 形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。,特点：管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。,缺点：管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。,适用场合：仅宜用
4、于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。,1.3 浮头式换热器,主要组成：壳体、管束、固定管板、浮头管板、钩圈、浮头盖、管箱等,特点：管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450，压力小于等于6.4MPa；浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况，在安装时要特别注意其密封。（钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。）,缺点： （1）小浮头易发生内漏； （2）金属材料耗量大； （3）结构复杂，成本最高.,适用场合：适用面广泛，管内外均可承受高温高压，常用于管壳壁温相
5、差较大、管内外都需要清洗的情形。,目录,管壳式换热器概述,管壳式换热器工艺选型设计,影响管壳式换热效果的因素,1,2,3,2.1 设计考虑的因素,设备结构的选择 管壳程流动的确定 换热终温的确定 流速的选择 允许压力降的选择,换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最合适的设备型号。如果将这个型号的设备使用到其他工况，则传热效果可能有很大的改变。因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。对于管壳式换热器，有以下因素值得考虑。,2.1.1 设备结构的选择,对于一定的工艺条件（造价、清洗、维护等），首先应确定设备的形式，如选择固定管板、U形管或浮头式。当形式
6、确定后，需要确定换热设备的具体结构。,管子类型：光 管 适用于任何条件. 螺纹管适用于管外膜传热系数相当于管内膜传热系数1/3-3/5. 波纹管适用于管内膜传热系数低于管外膜传热系数 3/5以下， Re低的 场合. 管子排列方式：30 、（60 ）、（90） 、45 （布管多17%；易清洗） 管长及管径：国家标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中 以3m和6m 更为普遍（壳径较大的换热器采用较长的管子更为经 济）。碳钢：25*2.5 不锈钢：19*2.0 、25*2.0 壳径：325-1800mm,2.1.2 管壳程流动的确定,主要依据两流体的操作压力和温度、可以利用
7、的压力降、结垢和腐蚀特性，以及所需设备材料的选择等方面，考虑流体适宜走哪一程。下面的因素可供选择时考虑：,(1)不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。对于直管管束，宜走管程；对于U形管管束，宜走壳程。 (2)压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。 (3)腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 (4)两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走壳程，以减小管壁和壳体的温差，减小热应力。 (5)为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一般比壳程的小，且做成多管程也叫容易。 (6)黏度大或者流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低
8、Re下（Re100）即可达到湍流。 (7)蒸汽冷凝宜在壳程，以减小排除冷凝液。 (8)需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但是温度很高的流体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。 (9)关键压力降控制的流体宜选壳程。,2.1.3 换热终温的确定,换热终温一般由工艺过程的需要确定。当换热终温可以选择时，其数值对换热器是否经济合理有很大的影响。如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可根据当地的气温条件作出估计，而其出口温度则可根据经济核算来确定：为了节省冷水量，可使出口温度提高一些，但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，则需要增加冷水量。两者是相互矛盾的。工业冷却用水的出口温
9、度一般不宜高于45，因为工业用水中所含的部分盐类（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4 等）的溶解度随温度升高而减小，如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污垢，而使传热过程恶化。如果是用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。 另外在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉现象，即热流出口温度低于冷流出口温度。如果工艺流程中需要，则必须选择多台串联形式。,2.1.4 流速的选择,增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动
10、力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。 此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。工业上常用的流速范围见右表：,2.1.5 允许压力降的选择,选择较大的压力降可以提高流速，从而增强换热效果减少换热面积。但是较大的压力降也使得泵的操作费用增加。合适的压力降需要以换热器年总费用为目标，反复调整设备尺寸，进行优化计算而得出。换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时
11、，则应修改设计参数或重新选择其他规格大换热器。,2.2 管壳式换热器计算方法,换热器热传递过程一般分为三种方式，即传导、对流和辐射，一般换热器热传递经常是三种方式同时存在，但根据不同场合，往往是一种方式占主导，在工业中使用的换热器无论何材料和结构一般三者并存。主要的传热是热介质通过壁传递给冷介质，即热介质先传递给壁，再由壁传递 给冷介质，这一过程既有对流又有传导传热，这就是换热器传热的基本理论。 作为换热器传热计算方法的理论根据是从热传递量化发展而来的。目前传热计算方法通常采用柯恩法（Kern）和贝尔法（Bell）两种。柯恩法是五十年代发展起来的，主要是把换热器作为一个整体处理，除了传热以外，
12、同时将流动、温度分布、污垢及结构等问题一并在计算方法中考虑，同时还将两项流理论包括到计算方法中。 贝尔法是六十年代初期，经过大量试验基础上引入流路校正系数而研究的一种传热计算方法，是一种半分析方法，贝尔法更精确的解决了换热器壳程的传热计算方法。,（一）传热计算的基本方程式,（二）基本关系式中各项数值的计算,2.有效平均温差,Tm对数平均温差 (t1- t2)/ln(t1/ t2) P温度效率 (t2-t1)/(T1-t1) R温度相关因数 (T1-T2)/(t2-t1) FT温差校正系数,FT值不得小于0.8，否则一方面换热面积增加较多，另一方面在低于0.7时，操作温度略有变化就可以使FT值急
13、剧降低，影响操作的稳定性。如果FT值低于0.8后，应该增加壳程串联数，或者重新调整冷热物流的出口温度。,（二）基本关系式中各项数值的计算,3.总传热系数,（二）基本关系式中各项数值的计算,4.换热面积,按 A=Q/ (KTm) 计算。 按照就近的原则从国家标准系列里选取，然后根据K的计算方法进行校核计算。,（二）基本关系式中各项数值的计算,（3）一般工艺设计步骤,1、确定工艺设计条件,（3）一般工艺设计步骤,2、初步选型和详细计算 计算热负荷Q: 当介质为非油品时，按给定的进出口比热、进出口温度和流量求出热负荷;当介质为油品时，参考下表计算进出口温度下的焓差。 计算对数平均温差Tm. 根据冷热
14、物流的特性，选取经验的传热系数K. 根据传热基本方程式，求出总传热面积A. 根据总传热面积A和用户要求的换热器类型，在换热器标准系列里选择合适的设备型号；进行有效平均温差校正系数、传热系数和压力降的详细计算。 检查计算总传热系数与选用总传热系数的相对误差，如果大于25%，调整总的传热系数的经验选用值，返回重新计算；检查管壳程压力降结果，如果超过给定的允许压力降，则调整相应的几何参数。 对于无相变换热过程，一般面积余量在20%即可，对于有相变换热过程（冷凝或沸腾），一般要求在30%以上。 分析传热和压降结果，优化结构参数。（如压降过大，可增加折流板间距）。,难点计算总的传热系数 流体流动状态不同（层流、紊流），传热准则关联式不同； 无相变流和有相变流，传热准则关联式不同； 冷凝传热中重力控制和剪力控制，传热准则关联式不同； 沸腾传热中池式沸腾和垂直管内沸腾，传热准则关联式不同；,谢谢观看,这里输入演示者的名称,2019/7/21,
