换热器的设计说明书.docx
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换热器的设计说明书
换热器的设计
1.1换热器概述
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
换热器随着换热目的的不同，具体可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器，再沸器和热交换器等。
由于使用条件的不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。
换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有
热负荷及流量大小;
流体的性质;
温度、压力及允许压降的范围;
对清洗、维修的要求；
设备结构、材料、尺寸、重量;
价格、使用安全性和寿命;
按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热器。
其中，管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、适应高温高压等优点，应用最为广泛。
管型换热器主要有以下几种形式:
（1）固定管板式换热器：
当冷热流体温差不大时，可采用固定管板的结构型式，这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。
但由于壳程不易清洗或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。
对于温差较大而壳体承受压力较低时，可在壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力。
（2）浮头式换热器：
两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，称为固
定端。
另一端管板不与壳体连接而可相对滑动，称为浮头端。
因此，管束的热膨胀不受壳体的约束，检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。
适用于冷热流体温差较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。
（3）U形管式换热器换：
热效率高，传热面积大。
结构较浮头简单，但是管程不易清洗，且每根管流程不同，不均匀。
表1-1换热器特点一览表
管板
填料
带膨胀节：
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低的压
内填料函：
密封性能差，只能用于压差较小场合
双套
管式
套管
结构比较复杂，主要用于高温高压场合或固定床反应器中
能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器及预热器
板
式
板式
拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性加大的液体间换热
螺旋板板
制造简单，紧凑，可用于带颗粒物料，温位利用好；不易检
修
伞板式
制造简单、紧凑、成本低、易清洗，使用压力不大于1.2Mpa,
使用温度不大于150C
板壳式
板数类似管束，可抽出清洗检查，压力不能太高
蓄
热
式
回旋式
盘式
传热效率高，用于高温烟气冷却等
鼓式
用于空气预热器等
固定格室式
紧凑
式
适用于低温到高温的各种条件
非紧
凑式
适用于高温及腐蚀性气体场合
表面扩展式
板翅式
紧凑、效率高。
可多股物流同时换热，使用温度不大于150C,
主要用于粘性加大的液体间换热
管翅式
高效而紧凑，换热面积大，传热效果好
在过程工业中，由于管壳式换热器具有制造容易，生产成本低，选材范围广,清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多优点，管
壳式换热器被使用最多。
工业中使用的换热器超过90%都是管壳式换热器，在工
业过程热量传递中是应用最为广泛的一种换热器。
结合上述优点和本工艺的特点，本工艺的换热器主要选用管壳式换热器。
1.2管壳式换热器的选用
1.2.1结构参数的确定
⑴管径
管径越小换热器越紧凑、便宜，但压力降会增加。
为了满足允许的压降,般选用19mr的管子；对于物流流量较大的，采用25mm以上的管子。
⑵管长
无相变传热时，管子长则换热系数增加，对于相同的换热面积，管子长则管程数减小，使得压力降减小，每平方米传热面积比降低。
我国生产的标准钢管长
度为6m故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，6m和9m五种。
因此，一般管
长取4-6m,对大面积，无相变换热器管长可取至8〜9m
⑶管子配布
换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。
正三角形排列形式最为普遍，由于管距都相等，可以在同样的管板面积上排列最多的管数。
但因管外不易清洗，其适用场合受到限制，主要适用于壳程
介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。
而采用正方形和转角正方形排列的管束，能够使管间小桥形成一条直线通道，便于管外机械清洗。
⑷管心距
管心距小设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。
故一般选用范围为1.25〜1.5d（d为管外径）。
表1-2换热管管心距
换热管外径/mm
19
25
32
38
换热管中心距/mm
25
32
40
48
分程隔板槽两侧相邻管中心距/mm
38
44
52
60
1、2、4、6、8、
⑸管程数
管程数增加，管内流速增加，传热系数增加。
管程数一般有
10、12等七种。
但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相当大
的布管面积。
⑹折流板
折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，提高流速，从而增
加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。
折流板型式可分为圆缺形（弓形）
折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。
表1-3折流板间距常用数值
管长（mm）
折流板间距（mm）
<3000
100
200
300
450
600
——
4500〜6000
——
1500〜6000
150
200
300
450
600
——
<6000
——
200
300
450
600
——
7500,9000
——
750
6000
——
——
300
450
600
750
7500,9000
——
6000〜9000
——
——
——
450
600
750
1.3换热器详细设计
本工艺共有41台换热设备（换热器、再沸器、冷凝器、预热器），这里我们
以浮头式换热器（E0602）详细设计为例。
热物流经该换热器换热温度降至目标
温度，冷却物流为循环冷却水。
由Aspen软件得到冷热工艺物流数据:
表1-4工艺操作参数
操作参数
参数
壳程
管程
介质
循环冷却水
甲苯回收塔塔底去一级结晶
质量流量（Kg/h）
343740.0
84194.9
入口温度「C）
20.00
138.00
出口温度「C）
30.00
34.00
入口压力（bar）
3.00
2.87
出口压力（bar）
2.87
2.7413
初步选择换热器的形式后，根据任务要求利用AspenExchangerDesign&
RatingV7.2进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图1-1所示：
1
Ccmpanj/
2
Localion:
T
ServicerfUnitOurRefersncs:
4
ItemMo：
■YofjrReference：
5
Date：
RevNt:
JobNo.:
E
See750-5S50mnTypeBETHor
Connectedin
1narallel
1sefie?
7
Surf/unWeff]1736nPShdlsAinit1
Surl/sWI[sff.l
173.6m?
E
PERFORMANCEOFONEUNIT
:
FIjiddlloWm
SbollSido
TuboSide
1C
FLidnanre
冷齣K
甲去塔塔底去一碾鋪晶
11
FLiJqudiitky.Tutdlky/s
954833
223693
12
Vapof〔ln/0训kg/s
0
0
C
0
Liquidkg/s
954835
954835
23.3693
23.36=3
14
Ncncflndensablekg/s
0
0
C
0
IE
IE
Tempetahjie[InyOutJ奇
2D
20
1^4
30
17
Dew/Bubblepent裔
ie
DsnsityVapoi/Liquidkg/n?
/ggp.ac
/909.22
/7S3L9
/eS7.?
7
VECOEitymPas
/1.0214
/0196
/.2272
/E7iS
2L
Mjleculaiwt.Vap
21
Mjleculaiwt,NC
狂
Spec^ich&atkJ/（kgK）
Z4S39
/4.832
/212
/1691
23
ThermalcoTidM俪如W/（mKI
/5391
/.6132
/.1042
/1286
L^tehtkteatkJ/kg
2E
P'etTurw[dbf]bar
3
2.725Se
2.97
2田E丕
2E
Velootym/s
.35
1.35
27
Ptssiuredrop,jlt>w7cac.Itm
51
.27414
¥1
12837J
Fflulii^gresist[mh]（n?
K/W
.000^7
.OOC17
.00022Aobased
W
l-lsalBHChanged46147fcW
MIDcorreced
3C
T（ar>3fe）lale.Servioft760.1Oir”
7673
Cl&sn1037.0
W/lmOK]
⑴结构设计
利用AspenExchangerDesign&RatingV7.2软件也可以对换热器进行结构
设计，模拟出来的结果如下:
1换热管设计
TLibes
Tyfjft
Plain
Totalnumfcei
514
□utsidediameter
mm
19
Humbererftubesplugged
0
Insidediameter
mm
15
Tubelengthdclud
mm
5S5D
Wailthickness
mm
2
Tubelengtheffective
mm
5658
ArearatioAo?
/ki
畑
Tubesheetthickness
mm
44.52
Pitch
mm
25
Material
CarbonSteel
Pallern
30
ThefmjlconTuetivity
W?
（mK]
50.7045
Externalenhancement
Internalerhancement
图1-2换热管基本参数
&aJ•>■・■■
一II0
—A
*
TdruB*i*二MW
m
rwH>£4^
1山
T^c—T.
U
■Tm>■■>■"
4
*
-A-DddHK-
MV
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1-
•>Fihfiw
t<11■■
hn.
—L.
uu
9«fedu*Hin^uixuHitu"th—"
■
VH.£
Aofl、da、“11■rKd*JiM*i*
.■tapfhe星Tua?
rjCHuyouC
00000OOOOCOpOOOCOOOOOOOQJ
OOOCOC-OOOOO-OOOOCOOOOCOt
\\oc-o0000-^0oococ
It
图1-3换热管排列方式
换热管为平滑管，外径19mm壁厚为2mm管间距为25mm管长
5850mm换热管根数514根。
管子排列方式为正三角形排列。
2折流板和管口设计
折流板的设置主要是为了提高壳程的流速，增加扰动，改善传热。
这里选择
单弓形折流板，并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的0.15〜0.45,折流板间距
一般不小于圆筒内径的1/5。
折流板的数目及厚度等基本参数见图1-4所示
Baffles
Tyg
Singleseemenial
BflffleCut：
rner/ckiter/intertn
Tubesinvjindcwj
Yes
Actual[Zdiametef]
/
39.15/
Number
10
Nominal[镒diameter）
/
40/
Spacing（centercenter）
mri
525
Aclbjalarea）
/
3e.3/
Spacingatinlet
mn
4Qe.4B
Cutorientation
H
SpKingatoutlet
m-uPTii
46E4S
Thkiknef?
r'lfi1111
3.52
Spacingatcentralin/outForGKIJshells
rjm
Tube（oiA*sinbaffleoveilap
18
SpacinggtcenterofNshell
mm
TubelovjsinbaFflewindow
U.S
Endleriattatfronthead
mRi
514
Bafflehole-lubeoddiamclearance
IniIlli
4
EndlenglJhrearhead
niitM
eii
Shellid-fcalFleoddi^mclMrince
HlIII
4.7I&
图1-4折流板基本参数
折流板数目为6,折流板型式为单弓形，切割率为39.15%。
折流板朝向为水
平，与进出口间隔（第一块与进口或最后一块与出口端面的距离）为466.48mm
两块板间隔为525.00mm
ShellSide
IubeSide
Nozzle
Inlet
Oulbt
InM
Outlet
Numberofnozzles
1
1
1
oursidediameter
mm
323.85
273.05
ies.23
168.2S
Insidediameter
■nm
304.S
25451
154.05
154.05
Heightundernozzle
mm
11094
45.99
图1-5管口基本参数
管程进、出口管口各有一个。
其中，管程进口管口外径为168.28mm内径
154.05mm管程出口管口外径168.28mm内径154.05mm壳程进、出口管口亦各
有一个，壳程进口管口外径为323.85mm内径304.8mm壳程出口管口外径
273.05mm内径254.51mm
3管束
Bundle
ShellIDtooenler15lluberow
mm
Tubepasses
4
Fromlap
45.99
Tubepasslayout
Mixed（H）
Frombottom
110.94
Tubepassorientalion
rdafd[hcMizontal]
Fromri^ht
71.47
U^bendoiierttdticn
undefined
FromLeft
71.47
Horcoritalpasslanewidth
r'T
19.05
Impingenwntprotection
Nont
Verlicalpj曲lanewidth
iiriifNi
19.05
Impingementdrstance
mm
IntelpasstuSealigrrnenl
Mo
fmpingenien*pl耳tediamelei
mm
Deviationintubeg/pas?
S.56
ImpingerrwntwkJth
mm
Outertubelimit
mm
613
Irmpingerrientpletelenglli
mm
Shellid-bundleoUdiamclearance
mTi
131
Impingenientpim佗thickriess
mm
Tierodnumber
E
Grosssuifaceareaper?
hell
m?
179.5
Tieroddiameter
FHiirth
12.7
Effectivesuifacearear»rshell
m?
173.e
Sealingstrips[pairs）
3
Baretubeareapershell
m?
173.6
Tube（otubesheetjoiit
Exp.
Finnedareapershell
m?
0
TubepoiechonfromfrontUht
mfrJ
3
U-bendaeapershel
m?
0
TubeptojeclionfromisattsW
mm
3
图1-6管束基本参数
如图为管束信息，主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图
进行详细设置。
图1-7换热器结构尺寸
根据《JB/T4715-1992固定管板式换热器形式与基本参数》和《GB151-1999
管壳式换热器》对模拟的数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量,选定换热器的基本参数如下:
表1-5换热器基本参数
项目
参数
公称直径/mm
800
管子规格/mm
©19X2
排列方式
正三角形
管中心距/mm
25
管长/mm
4500
公称压力/MPa
0.6
换热面积/rf
189.8
管程数
4
壳程数
1
折流板间距/mm
600
折流板数
6
折流板形式
单弓形
⑵换热器的机械设计及校核
1选材
由于热流体和冷却水温度都不是太高，冷、热流体腐蚀性不大，故壳体材料选用Q235-B,管子材料选用Q235-B无缝钢管。
2管板的选择
管板用来固定换热管并起着分隔管程和壳程的作用，根据选定的换热器公称
直径及操作压力查表可得管板数据，这里选用其默认的管板类型为标准单管板。
表1-6管板结构数据
DN
D
D1
D2
D3
D4
D5
d2
bf
b
800
930
890
855
797
842
800
23
38
48
3管子与管板的连接
因为操作压力小于4Mpa且温度低于300r，所以管子与管板的连接采用胀接。
4管板与壳体的连接
管板与壳体的连接采用焊接，，该结构在管板上开槽，壳体嵌入后焊接。
壳体对中容易，适用于壳体压力不太高的场合。
5换热器的校核
表1-7固定管板式换热器设计计算
浮头式换热器筒体设计计算
计算单位全国化工设备设计技术中心站
设计计算条件
设计压力
0.4
MPa
设计压力
0.4
设计温度
65
设计温度
170
壳程圆筒内径
800.00
mm
管箱圆筒内径
800.00
材料名称
Q235-B
材料名称
Q235-B
壳程
管程
MPa
mm
计算内容
壳程圆筒校核计算
前端管箱圆筒校核计算
前端管箱封头（平盖）校核计算
后端管箱圆筒校核计算
后端管箱封头（平盖）校核计算
管板校核计算
表1-8前端管箱筒体计算
前端管箱筒体计算结果
计算单位
全国化工设备设计技术中心站
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
0.40
MPa
设计温度t
170.00
内径D
800.00
mm
材料
Q235-B（板材）
试验温度许用应力
113.00
MPa
设计温度许用应力
109.80
MPa
试验温度下屈服点s
235.00
MPa
钢板负偏差C
0.80
mm
腐蚀裕量C2
3.00
mm
表1-9前端管箱封头计算
表1-10后端管箱筒体计算
后端管箱筒体计算结果
计算单位
全国化工设备设计技术中心站
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
0.40
MPa
设计温度t
65.00
内径D
900.00
mm
材料
Q235-B（板材）
试验温度许用应力
113.00
MPa
设计温度许用应力
113.00
MPa
试验温度下屈服点
235.00
MPa
钢板负偏差C
0.80
mm
腐蚀裕量C2
3.00
mm
焊接接头系数
0.85
厚度及重量计算
计算厚度
PcDi
—PC一1.88
mm
有效厚度
G-C2=8.20
mm
名义厚度
n一12.00
mm
重量
87.44
Kg
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
Pt一1.25P帯一0.5000（或由用户输入）
MPa
压力试验允许通过
的应力水平T
T0.90s一211.50
MPa
试验压力下
PT.（Di亠一32.58
圆筒的应力
MPa
校核条件
TT
校核结果
合格
压力及应力计算
最大允许工作压力
2e[]t
[Pw]=W^=1.73444
MPa
设计温度下计算应力
tPc（Die）
=2e=22.15
MPa
t
96.05
MPa
校核条件
t>t
结论
合格
表1-11后端管箱封头计算
形状系数
2
K=12Di=1.1771
62hi
计算厚度
KPcDi
=ITl__05K=2.21
mm
有效厚度
e=n-Cl-C2=8.20
mm
最小厚度
min=2.70
mm
名义厚度
n=12.00
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
91.59
Kg
压力计算
最大允许工作压力
2[]te
[P]=KDi0.5e=1.48120
MPa
结论
合格
表1-12筒体计算
浮头式换热器筒体计算结果
计算单位
全国化工设备设计技术中心站
计算条件
筒体简图
焊接接头系数10
升级会员 