列管式换热器的结构.docx

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列管式换热器的结构

科技学院化学生物与材料工程学院

《化工原理课程设计》报告

列管式换热器设计

年级：

专业：

设计者：

学号：

指导老师：

完成日期：

设计任务

1、设计题目：

列管式换热器的设计

2、设计目的：

通过对列管式换热器的设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。

3、设计任务：

某炼油厂用柴油将原油预热。

柴油和原油的有关参数如下表,两侧的污垢热阻均可取1.72×10-4m2·K/W，换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度ε=0.1mm，要求两侧的阻力损失均不超过0.4×105Pa。

试设计一台适当的列管式换热器。

（y:

学号后2位数字）

物料

比热

kJ/（kg·℃）

密度

kg/m3

导热系数

W/（m·℃）

粘度

Pa·s

工作

压力

柴油

2.48

715

0.133

0.64×10-3

常压

原油

2.20

815

0.128

3.0×10-3

常压

（1）生产能力和载热体用量：

原油42000+200*1

（2）*ykg/h

柴油35000+150*1

（2）*ykg/h

（2）设备形式列管式换热器

（3）操作条件

原油：

入口温度=70℃，出口温度=110℃

柴油：

入口温度=175℃，出口温度T2

3.设计容：

（1）设计方案的确定及流程说明

（2）换热面积的估算

（3）管子尺寸及数目计算

（4）管子在管板上的排列

（5）壳体径的确定

（6）附件设计（选型）

（7）换热器校核（包括换热面积、压力降等）

（8）设计结果概要或设计一览表

（9）对本设计的评述或有关问题的分析讨论

（1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？

（2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？

（3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？

（4）说明列管式换热器的选型计算步骤？

（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？

（6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。

（7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？

比较其优缺点？

（10）参考文献

图纸要求：

用A3图纸绘制换热器一：

一主视图，一剖面图，两个局部放大图。

成绩依据：

设计说明书（参考工作态度）

第一章文献综述

第一节概述

一、换热器的概念

二、换热器的分类

三、列管式换热器的标准简介

四、列管式换热器选型的工艺计算步骤

五、换热器设备应满足的基本要求

第二节列管式换热器结构及基本参数

一、管束及壳程分程

二、传热管

三、管的排列及管心距

四、折流板和支撑板

五、旁路挡板和防冲挡板

六、其他主要附件

七、列管式换热器结构基本参数

第三节设计计算的参数选择

一、冷却剂和加热剂的选择

二、冷热流体通道的选择

三、流速的选择

四、流向的选择

第二章列管式换热器的设计计算

第一节换热面积的估算

一、计算热负荷

二、估算传热面积

第二节换热器及主要附件的试选

一、试选管型号

二、换热器结构一些基本参数的选择

第三节换热器校核

一、核算总传热系数

二、核算压强降

第四节设计结果一览表

第三章设计总结、感想及有关问题分析讨论

参考文献

第一章  文献综述

第一节   概述

一、换热器的概念 

换热器（英语翻译：

heat exchanger），是将热流体的部分热量给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。

二、换热器的分类 

根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。

以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。

（1） 固定管板式换热器  

这类换热器如图1-1所示。

固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。

当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏  。

图1-1固定管板式换热器

（2）U型管换热器 

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。

管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。

U型管式换热器（见图1-2）的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。

其缺点是管清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最程管间距大，壳程易短路；程管子坏了不能更换，因而报废率较高。

此外，其造价比管定管板式高10%左右。

图1-2U型管式换热器

（3） 浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。

其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。

浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体抽搐，便与管管间的清洗。

其缺点是结构较复杂，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。

1-壳盖；2-固定管板；3-隔板；4-浮头钩圈法兰；5-浮动管板；6-斧头盖

图1-3浮头式换热器

（4）填料函式换热器

  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；管束可以从壳体抽出，管管间均能进行清洗，维修方便。

其缺点是填料函乃严不高，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。

三、列管式换热器的标准简介

 列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民国国家标准 “钢制管壳式（即列管式）换热器” （GB 151）执行。

按该标准，换热器的公称直径做如下规定：

卷制圆筒，以圆筒径作为换热器公称直径，mm;钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。

换热器的传热面积：

计算传热面积，是以传热管外径为基准，扣除伸入管板的换热管长度后，计算所得到的管束外表面积的总和（m2）。

公称传热面积，指经圆整后的计算传热面积。

换热器的公称长度：

以传热管长度（m）作为换热器的公称长度。

传热管为直管时，取直管长度；传热管为U型管时，取U管的直管段长度。

该标准还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构 （包括管束）三部分，详细分类及代号见文献[3，5]。

该标准将换热器分为I、Ⅱ两级，I级换热器采用较高级冷拔传热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合。

Ⅱ级换热器采用普通级冷拔传热管，适用于再沸、冷凝和无振动的一般场合。

列管式换热器型号的表示方法如下：

1、1〉第一个字母代表前端管箱形式       

  2〉第二个字母代表壳体形式

3〉第三个字母代表后端结构形式 

 2、 公称直径（mm） 

         对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱直径，分母为圆筒直径 

3、 管/壳程设计压力（Mpa）。

压力相等时只写Pt 

4、 公称换热面积（㎡） 

5、 当采用Al,Cu,Ti 换热管时，应在LN/d 后面加材料琼等号，如LN/D Cu         

 LN -- -- --公称长度 ，m          

 d  -- -- --换热管外经  ， mm 

6、 管/壳程数。

单壳程时只写Nt      

 7、 I----I级（换热器）管束 

             采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动场合        

 II---II级（换热器）管束

采用普通级冷拔换热管，适用于受沸、冷凝传热和无振动一般场合

四、列管式换热器选型的工艺计算步骤 

1、计算热负荷（不考虑热损失），由热量守恒可计算柴油出口温度T2 

2、计算逆流平均温差

 3、确定流体走向 

  4、换热面积估算A估=Q/（K估×Δtm逆）  

取换热管的规格为Φ25×2.5mm碳素钢管（8.3kg/6m）。

估算单管程的管子根数 

根据传热面积A估计算管子的长度L’，

5、管程数Nt的确定 

由于L’数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。

我们选择管程的长度为6m，则Nt=L’/6 （管程数通常选择偶数）

 R=（T1-T2）/（t2-t1） 

S=（t2-t1）/（T1-t1）       

根据R，S的值，查化工原理教材中图6-55（a），得温度校正系数φ

 Δtm=φΔtm逆

6、际换热面积A实际换热管数为n=n’ ×Nt= 

A实际=L×（π×d0） × n’ ×Nt 

7、选择换热器壳体尺寸 

选择换热管为三角形排列，换热管的中心距t=32mm。

nc=1.1

最外层换热管中心线距壳体壁距离：

b'=（1—1.5）d0 

 壳体径：

D=t（nc–1）+2b’

圆整后，换热器壳体圆筒径为D=550mm，壳体体的标记：

筒体 DN550 

δ=8 L=5910。

筒体材料选择为Q235-A，单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110*（5.910-0.156）= 632.94kg。

 （波形膨胀节的轴向长度为0.156m ）

8、确定折流挡板形状和尺寸 

9、波形膨胀节 

10、传热系数K的计算 

11、压强降的计算 

厚度选择8mm。

长度定为5996mm。

 壳

五：

列管式换热器应满足的基本要求 

（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（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，在单位时间传递尽可能多的热量。

其具体做法如下。

①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。

②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。

③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的传热面积，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是：

在一定的时间（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