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1、目录1引言 12. 设计方案的确定 32.1 冷、热流体流动通道的选择 32.2 流速的选择 42.3 流动方式的选择 42.4 换热管的选择 52.5 管子的排列方式 52.6 管间距的选择 62.7 折流挡板间距的选择 73.1 估算传热面积，初选换热器型号 73.1.1基本物性数据的查取 73.1.2 热负荷计算 83.1.3确定流体的流径 83.1.4计算平均温度差 83.1.5 选 K 值，估算传热面积 93.1.6初选换热器型号 103.2 核算压降 103.2.1 管程压降 103.2.2壳程压降 113.3 核算总传热系数 123.3.1管程对流传热系数i 123.3.2壳程对
2、流传热系数 0 133.3.3 污垢热阻133.3.4总传热系数K 134. 设计结果一览表15设计小结16参考文献171引言列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。因管 束与壳体的温度不同会引起膨胀程度的差异，若两流体的温差相差较大时，就可 能由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱，因此必须考虑这种热膨胀 的影响。根据热补偿方法的不同，列管式换热器有以下几种型式：固定管板式换热器、 浮头式换热器、u形管式换热器和填料函式换热器。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成（如图1 -1）， 其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。它的的结
3、构特 点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上， 两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周 和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热 管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多 程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难， 对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀 节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。IS 1-1 固走管板武按热器1折流搏板 2管束 3壳体 4
4、封头 5接臂 6曾板固定管板式换热器的优点是1 、旁路渗流较小2、锻件使用较少，造价低；3、无内漏；4、传热面积比浮头式换热器大20%30%。 固定管板式换热器的缺点是：1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t50C,当tN50C时必须在壳 体上设置膨胀节；2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 C,而且应用广泛，操作简单、方 便。用水冷却苯不易结垢，所以选择带有补强圈的固定管板式换热器。U型管式换热器（如图1-2） 1只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清
5、洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是 U 型管的更换 及管内清洗困难。IS 1-2 U型窗武挾热器浮头式换热器（如图 1- 3）1是用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端， 另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的 优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自 由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。填料函式换热器的结构如图 1-4 所示1。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
6、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。其缺点是填料函耐压不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对 于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.设计方案的确定2.1 冷、热流体流动通道的选择在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，下列几点可作为选择 的一般原则：a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀，且管程便于检修 与更换。c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力，可节省壳体金属消耗量。d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关， 而且冷凝液容易排出。e) 流量小而粘度
7、大的流体一般以壳程为宜，因在壳程 Re100 即可达到湍 流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程 结构，亦可得到较高的表面传热系数。f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热，增强冷却效果。h) 有毒或易污染的流体宜走管程，以减少泄露。以上各点常常不可能同时满足，应抓住主要方面，例如首先从流体的压力、 防腐蚀及清洗等要求来考虑，然后再从对阻力降低方面考虑。2.2 流速的选择提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上 沉积的可能性，即降低了污垢热阻，
8、所需传热面积减少，设备费用降低。同时流 速增加，流体阻力相应增加，操作费用增加。但是对于含有泥沙等较易沉积颗粒 的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用。因此选择适 宜的流速是十分必要的。适宜的流速应通过经济核算来确定。一般尽可能使管程 内流体的 R e 10000(同时也要注意其他方面的合理性)，高粘度的流体按层流 计算。根据经验，表 1 及表 2 列出了工业上常用的流速范围。表1 列管换热器内常用的流速范围1流体的种类一般液体易结垢液体气体管程流速/(m/s)0.531530壳程流速/(m/s)0.21.50.5315表 2 液体在列管换热器中流速(在钢管中)1液体粘度/
9、mPa s15001500500500100100353511最大流速/(m/s)0.60.751.11.51.82.42.3 流动方式的选择流向有逆流、并流、错流和折流四种类型。在流体进出口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，因此，若无其他工艺要求，一般 采用逆流操作。但在列管式换热器设计中，为了增加传热系数或使换热器结构合 理，冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或 壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程 必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数 时，需权衡传热和流体输送两方面
10、的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的 温差要加以修正，此时需要根据逆流的平均推动力和修正关系t来计算实际推 动力,甲口t的数值应大于0.8，否则应改动流动方式。本次设计选择逆流。2.4 换热管的选择换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体 管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。此 外，小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；对于相同的壳径，可排 列较多的管子。因此选择小直径管子单位体积所提供的传热面积更大，设备更紧 凑，但管径小，流动阻力大，机械清洗困难，设计时可根据具体情况选用适宜的 管径。考
11、虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列 标准规定采用申25x2.5和申19x2两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有， 申57x2.5的无缝钢管和25x2,的耐酸不锈钢管3按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。 实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为 6m、 9m，故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其中以3m和6m更 为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即 L/D 约为46。2.5 管子的排列方式换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和
12、同心圆排列，如图 2-1 所示。（a）正方形直列（b）正方形错列（c）三角形直列（d）三角形错列（e）同心圆排列图2-1传热管的排列方式4正三角形排列使用最普遍这是因为在同一管板上可以排列较多的管子，且管 外传热系数较高，但管外不易机械清洗。适用于壳程流体较清洁、不需经常清洗 管壁的情况。正方形排列的传热管数虽然较正三角形排列得少，传热系数也较低，但便于 管外表面进行机械清洗。当管子外表面需用机械清洗时，采用正方形排列。为了 提高管外传热系数，且又便于清洗管外壁面，往往采用正方形错列。同心圆形排列管子紧凑，且靠近壳体处布管均匀，在小直径的换热器中，管 板上可排的管数比正三角形还多，这种排列法仅
13、用于空分设备上。此外，对于多程列管式换热器，常采用组合排列的方法，如每一程内采用三 角形排列，而在各程之间，为了便于安排隔板，则采用正方形排列方法 4。在此项目设计中选择换热管的规格为 0 25x2.碳钢管，管子成正三角形 排列。2.6 管间距的选择管板上两管子中心距离t称作管间距。管间距取决于管板的强度、清洗管子 外表面时所需的空隙，管子在管板上的固定方法等。当管子采用焊接方法固定时， 相邻两根管的焊接太近，会相互受到影响，使焊接质量不易保证，一般取 t二1.25d0（ d0为管子外径）。当管子采用膨胀固定时，过小的管间距会造成管板 在胀接时由于挤压力的作用发生变形，失去管子与管板之间的连接
14、力，故一般采 用t = （1.3 口 1.5）d0。常用的d0与t的对比关系见表3。表3管壳式换热器d 0与t的关系3换热管外径d 0 /mm1014192532384557换热管中心距 t /mm1419253240485772该设计的换热管直径是25 mm,故管间距为32 mm。2.7 折流挡板间距的选择安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的湍流速度，使湍流程度程度，提 高管外表面传热系数。在卧式换热器中，折流板还起到支撑管束的作用。为取得 良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。常用的折流板是圆缺形折流板。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。挡板的间距对壳体的流
15、动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束， 使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。当换热器内流体 无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不垂直于 管子，从而使膜传热系数降低。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。我国系列标准中 采用的挡板间距为：固定管板式有 100, 150, 200, 300, 450, 600, 700 mm 七种浮头式有 100, 150, 200, 250, 300, 350, 450 （或 480）, 600 mm 八种。本次设计中折流挡板间距取150 mm3换热器的设计计算3.1 估算传热面积，初选换热器型号3.1.1 基本物性数据的查取苯的定性温度=82.1 + 35 = 58.55 C2查得苯在定性温度下的物性数据：P h =837.48
