列管式换热器设计正文Word文档格式.docx
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换热器是建筑采热取暖生产中必不可少的设备,近几年由于新技术的发展，各种类型的换热器越来越受工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，广泛应用于化工、医药、食品饮料、酒精生产、制冷、民用等工艺；
因此,无论是从工业的发展还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。
1.2列管式换热器的工作原理
进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动，称为管程流体；
另一种在管外流动，称为壳程流体。
为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。
挡板可提高壳程流体速度,迫使流体ﻫ按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。
换热管在管板上按等边三角形或正方形排列。
等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高，传热分系数大；
正方形排列则管外清洗方便，适用于易ﻫ结垢的流体。
ﻫ流体每通过管束一次称为一个管程；
每通过壳体一次称为一个壳程。
按换热方式可分为单壳程单管程换热器、双管程、多管程、多壳程换热器。
最简单的单壳程单管程换热器,简称为１-１型换热器。
为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。
这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次,这称为多管程。
ﻫ同样， 管壳式换热器为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。
多管程与多壳程可配合应用。
1.3列管式换热器的优点
单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围 宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。
1.4列管式换热器的结构
壳体、管束、管板、折流挡板和封头。
一种流体在管内流动,其行程称为管程；
另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
1.４.1 列管式换热器的折流挡板
为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。
常用的折流挡板有圆缺盘和圆盘形两种,前者更为常用。
图1圆缺形列管式换热器
图2圆盘形列管式换热器
1．4.2 列管式换热器的多壳程换热器
列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响,采取各种补偿的办法,消除或减小热应力,根据所采取的温差补偿措施。
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60℃以上时，为了安全起见,换热器应有温差补偿装置,但补偿装置（膨胀节）,只能在壳壁与管壁温度低于６0～70℃和壳程流体压强不高的情况下。
一般壳程压强超过0.6MP时才会由于补偿圈过厚，难于伸缩,失去温差补偿的作用，就用考虑其他结构。
1.５ 列管式换热器的种类
1．５.１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。
1.5．2 浮头式换热器
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”,所以这种换热器叫做浮头式换热器。
其优点：
管束可以拉出,以便清洗；
管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀的不同而产生温差应力。
其缺点为结构复杂，造价高。
图3浮头式换热器
1.５.３ Ｕ形管式换热器
U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。
1．5.4 填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单,造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能,壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
设计内容
已知条件:
（1）,反应器的混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水将其从１１0℃进一步冷却至60℃之后,进入吸收塔吸收其中的可溶组分。
已知混和气体的流量为２2730１ｋg/h，压力为６．9MPa，循环冷却水的压力为0.4ＭＰa,循环水的入口温度为2９℃，出口温度为３9℃
（2） 混和气体在８５℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度 ρ1=9０kｇ/ｍ３
定压比热容 ｃｐ１=３.29７ｋJ/（kg•℃）
热导率 λ1＝０.0２79W/（m•℃）
粘度 μ１＝１．5×
10-5Pa•s
循环冷却水在34℃下的物性数据:
密度 ρ2 =994.３ kg/m3
定压比热容 cp2=4.174kＪ/（kg•℃）
热导率 λ2 ＝0.６２４Ｗ/（m•℃）
粘度 μ２＝0.74２×
1０-３Pa•s
2确定设计方案
2．1选择换热器的类型
两流体温度变化情况:
热流体进口温度11０℃,出口温度6０℃。
冷流体（循环水）进口温度29℃,出口温度３９℃。
该换热器冷却热的混合气体,传热量较大,可预计排管较多,因此初步确定选用固定管板式换热器。
因气体操作压力为6.９MＰa，属于较高压操作,因此不选用膨胀节。
２.2流动空间及流速的确定
单从两物流的操作压力看，混合气体操作压力高达6.9MPa，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。
但由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降;
且两流体温度相差较大,应使α较大的循环水（一般气体α<
液体）走管内。
所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。
选用Φ2５mm×
２.５ｍm的碳钢管,管内循环水流速取1．3m/s。
3 换热器结构尺寸设计
3.1、管径和管内流速
2．5mm传热管（碳钢）,取管内流速uｉ=1．3m/ｓ。
3.２、管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数。
ｎｓ=
=
≈615 （根）
按单程管计算,所需的传热管长度为L ＝
=
=12.０（m）
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
现取传热管长L＝6.０（m），则该换热器管程数为NＰ=L/l=12.０/６.０ =2（管程）
传热管总根数N=６15×
2=１230（根）
３.３ 传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。
因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。
取管心距ａ =1.2５do，则
a= 1.2５×
25≈３２（mm）
隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/２+6=３２/2+６＝２2mm
则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sｎ=44mｍ。
图４隔板
横过管束中心线的管数ｎ＝ 1.19
＝1.19
＝42（根）
３．4壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为:
D=1．0５a
=1.05×
32
=1408.5（ｍm） 圆整可取Ｄ＝１400mｍ
３.５折流板
采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的2５％,则切去的圆缺高度为
ｈ=0.2５D ＝0.2５×
１4０0=3５０（mm）
取折流板间距B=0.3Ｄ=0.３×
１400= ４20（ｍｍ）
折流板数NB＝传热管长/折流板间距-1 = 6000/420-1＝1４（块）
图5折流板圆缺面水平装配
３.6接管
管程流体进、出口接管:
取接管内循环水流速为3．０ｍ/s,则接管内径为：
d ＝
=0.３26（m）
圆整取3５０mｍ。
壳程流体进、出口接管:
取接管内混合气体流速为10.0m/s,则接管内径为:
d=
＝
=0.２99（m）
圆整取300ｍm。
３.7传热面积S
S=
=
= 4１3.41（ｍ2）
该换热器的实际传热面积Sp=πdoLｎ= 3．14×
0.０25×
（６.0－0.06）×
（1230－42）=5５4．23（m2）
该换热器的面积裕度为:
H=（Sp-Ｓ）/S×
10０%=（5５4.2３－413.41）／413.41×
100%＝３４.１%
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
4换热器的材料设计
换热器的设计，初步确定选用固定管板式换热器。
因气体操作压力为6.９MＰａ，属于较高压操作换热器的制作材料应该根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选取。
在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。
同时具耐热性、高强度及耐腐性的材料是很少的饿,目前,常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、低合金钢、铜和铝等;
非金属性材料有石墨、聚四佛乙烯和玻璃等。
不锈钢和有色金属虽然扛腐蚀性能好，但价价格高且比较缺稀,应尽量少用。
5换热器主要结构尺寸和计算结果
表1
项目 结果
推荐使用材料 碳钢
管子规格 Φ２５×
2.5
管数 12３0
管间距／mm ３２
管长/ｍm ６00０
管体内径/ｍm １４0０ 排列方式 正三角形
折流板形式 上下
间距/ｍm ４20
切高／mm 35０
6设计评述
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体,管子则固定于管板上,结构简单；
在相同的壳
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