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1、一流动空间及流速的确定2二传热面积A 的确定 3三主要工艺尺寸的确定3（一）管子的选用 3（二）壳程和壳程压力降3（三）管子总数N 的确定 4（四）管子的排列方式及管间距的确定4（五）壳体的计算 5四换热器参数的确定 5（一）换热终温的确定 5（二）平均温差的确定 5（三）容器法兰的选择 6（四）拉脱力计算 6（五）膨胀节的补偿量 7（ 六） 开孔补强 7（ 七） 支座 7五换热器基本结构图 7六流体通过换热器时阻力的计算8七换热器强化传热的方式 9（一）扩展传热面积9（二）加大传热温差A T9（三）增强传热系数（K） 9八设计总结 10致 谢 10参考文献 10列管式换热器设计焦多瑞（酒泉职
2、业技术学院生物工程系 甘肃 酒泉 邮编 :735200 ）摘要 : 在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头填函式换热器和 U 型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。关键词 : 列管式换热器管程或壳程折流挡板一流动空间及流速的确定流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻
3、，从而影响传热系数的大小，特别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，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的， 流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约，下面以列式换热器为例，介绍一些选择的原则。（ 1）不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。（ 2） 腐蚀性的流体宜走管程， 以免管子和壳体同时被腐蚀， 且管子便于检修与更换。（ 3）压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。（ 4）被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。（ 5）饱和蒸汽宜走壳程
4、，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。（ 6）有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。（ 7）流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低 Re （Re10。下即可达到湍流，以提高传热系数。（ 8）若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁 面温度与a大 的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力二传热面积A 的确定关于传热面积A 的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的尺寸来加大传热面积A,而是通过对传热面的改造，如开槽及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强化传热过程。常将列管式换热器中管束所
5、有管子的外表面积之和视为传热面积。传热面积A的计算公式A=Q/（ Atm.K）根据传热要求，计算传热量，确定流体在换热器两端的温度，计算定性温度并确定流体物性，计算传热温度差，根据温差校正系数At的原则，决定壳程数，选择两流体流动通道，根据两流体温差，选择换热器型式，依据总传热系数的经验范围，初选总传热系数K值，由总传热速率方程计算传热面积，由传热面积确定换热器具体型号 （若为设计时应确定换热器基本尺寸） ，按照对流传热系数关联式，计算管内、外对流传热系数，选定污垢热阻，核算总传热系数值。根据该计算K 值校核实际需传热面积，若选用换热器提供的传热面积比所需传热面积大1020%寸，所选换热器合适
6、。否则需另选K 值，重复以上步骤，直至符合为止。三主要工艺尺寸的确定（一）管子的选用选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径X壁厚，常用的换热管的规格：小 19X2,小25X 2.5,（|）38X3。管子的选择要考虑清洗工作的方便及合理使用管材，同时还应考虑管长与管径的配合。国内管材生产规格，长度一般为： 1.5 ， 2， 2.5 ， 3， 4.5 ， 5， 6，7.5, 9, 1
7、2m等。换热器的换热管长度与壳径之比一般在610,对于立式换热器，其比值以4 6 为宜。（二）壳程和壳程压力降流体在换热器内的压降大小主要决定于系统的运行压力，而系统的运行压力是靠输送设备提供的。换热器内流体阻力损失（压力降）越大，要求输送设备的功率就越大，能耗就越高，对于无相变的换热，流体流速越高，换热强度越大，可使换热面积减小，设备紧凑，制作费低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速过高，也有不利的一面，压力降增大，泵功率增加，对传热管的冲蚀加剧。因此，在换热器的设计中 有个适宜流速的选取和合理压力降的控制问题。一般经验，对于液体，在压力降控制 在0.010.1MPa之间，对于气体，控制在 0
8、.0010.01MPa之间。表2-1列出了换热器不同操作条件压力下合理压降的经验数据，供设计参考。换热器操作情况负压运行低压运行中压运行（包括用泵 输送液体）较高压运行操作压力（MPa 绝压）合理压降（MPaDP= P/10DP= p /2P（三）管子总数n的确定换热管直径越小，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。考虑到制 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和两种 规格，对一般流体是适应的。止匕外，还有，小 57X小25X2，的耐酸不锈钢管，按选定 的管径和流速确定管子数目，再
9、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6m3 9nl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。对于已定的传热面积，当选定 管径和管长后便可求所需管子数n ,管子总数 n的计算式：（n=A/（pdmL） 式中：A传热面积。dm-管子外径。L 每根管子的有效长度。计算所得的管子n进行圆整。（四）管子的排列方式及管间距的确定管子在管板上排列的原则是：管子在整个换热器的截面上均匀分布，排列紧凑， 结构设计合理，方便制造并适
10、合流体的特性。具排列方式通常为等边三角形与正方形 两种，也有采用同心圆排列法和组合排列法如图所示。tl）正三角形排列 （2）正方形排列（3）正方形错列在一些多程的列管换热器中，一般在程内为正三角形排列，但程与程之间常用正 方形排列，这对于隔板的安装是很有利的，此时，整个管板上的排列称为组合排列， 对于多管程的换热器，分程的纵向隔板占据了管板上的一部分面积，实际排管数比理 论要少，设计时实际的管数应通过管板布置图而得，在排列管子时，应先决定好管问 距。决定管间距时应先考虑管板的强度和清理管子外表时所需的方法，其大小还与管 子在管板上的固定方式有关。（五）壳体的计算列管换热器壳体的内径应等于或稍大
11、于（对于浮头式换热器）管板的直径，直 径计算式：（Di =a （b 1） + 2L）式中：Di 壳体内径，mm a 管间距，mm b 最外层六边形对角线上的管子数；L最外层管子中心到壳体内壁的距离，一般取L=（11.5） , mm若对管子分程则Di=f+2Lf值的确定方法：可查表求取，也可用 作图法。当已知管子数n和管间距a后开始按正三角形排列，直至排好n根为止，再 统计对角线上的管数，计算出的壳径 Di要圆整到容器的标准尺寸系列内。四.换热器参数的确定（一）换热终温的确定换热终温对换热器的传热效率和传热强度有很大的影响。在逆流换热时，当流 体出口终温与热流体入口初温接近时，热利用率高，但传热
12、强度最小，需要的传热面 积最大。为了合理确定介质温度和换热终温，可参考以下数据，热端温差（大温差） 不小于20Co冷端温差（小温差）不小于 5C。在冷却器或冷凝器中，冷却剂的初温 应高于被冷却流体的凝固点；对于含有不凝气体的冷凝，冷却剂的终温要求低于被冷 凝气体的露点以下5C。（二）平均温差的确定冷热流体温差处处相等, 且不随换热器位置而变的情况. 如间壁的一侧液体保持恒定的沸腾温度t 下蒸发 ; 而另一侧饱和蒸汽在温度T 下冷凝过程, 此时传热面两侧的温度差保持不变, 称为恒温 （差）传热。换热的两种流体沿传热面平行且反向流动的传热过程 ; 逆流 并流错流折流指换热的两种流体沿传热面平行且同
13、向流动的传热过程。换热的两种流体的流向垂直交叉的传热过程, 工程计算时, 若曲折次数超过4 次 , 就可作为纯逆流或纯并流处理; 指换热的一种或两种流体反复改变流动方向的传热过程;在前述各种流动排布型式中，并流和逆流是两种极端情况。两流体作变温传热时，在进出口温度条件相同时，逆流的平均温差最大，并流的平均温差最小，对于其他的流动排布型式，其平均温差介于两者之间。因此，就提高传热温差推动力而言，逆流优于其他型式的流动。逆流的另一优点是可以节省加热或冷却介质的用量。因为并流时，冷流体的出口温度tc 2总是低于热流体的出口温度th 2，而在逆流时，冷流体的出口温度tc 2可以高于热流体的出口温度th
14、 20因此，在逆流冷却时，冷流体的温升可比并流时的大，由热量衡算方程可知，相应的冷流体的流量可以少些。与此类似，在逆流加热时，热流体的温降可比并流时的大，所需的热流体流量较少。因此，在实际的换热器中应尽量采用逆流流动，而避免并流流动。但是在一些特殊场合下仍采用并流流动，以满足特定的生产工艺需要，例如要求冷流体被加热时不能超过某一规定温度，或者热流体被冷却时不能低于某一规定温度，则采用并流流动较容易控制。此外，在高温换热器中，如果采用逆流流动，则热流体和冷流体的最高温度均集中在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高，将导致管壁处产生较大的热应力和热变形，这种情况也不宜采用逆流流动。当换热器中有一侧
15、流体发生相变，由于发生相变流体的温度保持不变，无论何种流动排布型式，只要另一侧流体的进、出口温度保持恒定，则传热过程的平均温差均相同。这时也就没有并流和逆流之分了。（三）容器法兰的选择根据容器接触介质和温度、压力条件确定，法兰的材质来确定法兰类型：可供选择的容器法兰有三种，即甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。其标准号为 JB4700470792。（四）拉脱力计算管子每平方米胀接周边上所受到的力为拉脱力。对于管子与管板是焊接联接的接头，实验表明，接头的强度高于管子本身与金属的强度，拉脱力不足以引起接头的破坏；但对于管子与管板是胀接的接头，拉脱力则可能引起接头处和密封性的破坏，或使管子拉脱，为保证管端与管板牢固地连接和良好的密封性能，必须进行拉脱力的校 核。（五）膨胀节的补偿量为了保证膨胀节在完全弹性的条件下安全工作，它的补偿量是有限度的。用不 同材料制的单层，单波具有标准尺寸的膨胀节的允许补偿量DL o根据换热器工作时的壳壁温度ts,管壁温度tt ,安装温度to,以及壳体和管子的线膨胀系数
