列管式固定管板热交换器设计说明书

1 列管式固定管板热交换器设计说明书 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 ,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体 ,一种流体温度较高 ,放出热量 ;另一种流体则温度较低 ,吸收热量。 在化工 、 石油 、 动力 、 制冷 、 食品等行业中广泛使用各种换热器 ,它们也是这些行业的通用设备 ,并占有十分重要的地位。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。 列管 式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占 据主导地位。 列管式换热器有以下几种： 1、固定管板式 固定管板式 换热器 的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 2、 U 形管式 2 U 形管式 换热器 每根管子均弯成 U 形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成 两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。 3、 浮头式 换热器 两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。 【 1】 3 根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列 管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，冷水走管程，热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为 3m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数， 传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。 根据固定管板式的特点 ：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 U 形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。 我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。 根据以下原则： (1) 不洁净和易结垢的流体宜 走管内，以便于清洗管子。 (2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流 向的不断改变，在低 e100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 我们选择冷水走管程，热水走壳程。 流体流速的选择 ： 增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢 4 在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长 都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。 在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围， 取管内流速 。 管子的规格和排列方法： 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有 25 19种规格的管子。 在这里，选择 25子 。 管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为 原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为 6m，则合理的换热器管长应为 2、3或 6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取 L/D 为 4 6(对直径小的换热器可大些 )。在这次设计中，管长选择 3m。 管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有 :管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低 。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数 (较直列排列的 )可以适当地提高。 在这里选择三角形排列。 管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距 )，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取 t=(1.5)相邻两管外壁间距不应小于 6 t(d+6) 。焊接法取 t= 管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费 用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有 1、 2、 4和 6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子 5 数大致相等。 根据计算，管程为 1程，壳程为单程。 折流挡板 ： 安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10 40，一般取 20 25，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离 (板间距 ) 的 (1)倍。系列标准中采用的 h 值为 :固定管板式的有 150、 300和 600 板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。 这次设计选用 圆缺形挡板 。 换热器壳体的内径应等于或稍大于 (对浮头式换热器而言 )管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。 主要构件 的选用： （ 1） 封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体 (一般小于 400圆形用于大直径 的壳体。 （ 2） 缓冲挡板 为防止壳 程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 （ 3） 导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间 (死角 )，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。 （ 4） 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。 （ 5） 接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径 由计算得出。 最后 材料选用 ： 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时 具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。 这里选用的材料为碳钢。【 3】 6 定设计方案 择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度 81，出口温度 60；冷流体（循环水）进口温度 20，出口温度 40。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为热水，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温 和壳体壁温之差较小，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。【 4】 动空间及流速的测定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，热水走壳程。选用 25 碳钢管，根据表三 管内流速取 u i=s。 . 定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程热水的定性温度为 T=26081=） 管程流体的定性温度为 t=24030=35 ( ) 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 水在 的有关物性数据如下： 密度 30 /定压比热容 /( 导热系数 ） /(7 黏度 40 环冷却水在 35下的物性数据： 密度 3/定压比热 容 /( 导热系数 ） /(度 5】 算总传热系数 流量 21100 p 式中 3 0 3 0 . 3 k g / 40 m 6 4 4 560811 8 3 00 Q 均传热温差 060()4081( 却水用量 C i 40=6383.5 kg/h=s 算传热面积 假设总的传热系数 2/800K 8 23 考虑 15%的面积裕度， 20 2 5.1 艺结构尺寸 径和管内流速 选用 传热管 (碳钢 ),取管内流速 程数和传热管数 按单程管设计 , 1p 根据公式 LN 其中 N 列管式换热器的总管数，必须取整数 L 选定的换热管有效长度 所以由公式得管子数 为LN = 均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 2 管程结构 ,温差校正系数应查附图六 对数平均温度校正系数t= 9 平均传热温差 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排列 ,隔板两恻采用正方形排列 则 横过管束中心线的管数 （根） 体内径 采用多管程结构 ,取管板利用率 ,则壳体内径为 圆整可取 00 流板 采用弓形折流板 ,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%,则切去的圆 缺高度为 0 04 0 , 故可取 50 。 取折流板间距 ， 则 可取 00 折流板数 （块）折流板间距 传热管长 2911 0 03 0 0 01 0 折流板圆缺面水平装配 。 管 壳程流体进出口接管 :取接管内热水流速为 ，则接管内径为 ）（ 4 3 8 7 取标准管径为 50 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 1 ，则接管内径为 ）（ 4 7 6 取标准管径为 50 热器核算 量核算 程对流传热系数 对圆缺形折流板 ,可采用克恩公式 d 当量直径 ,由正三角形排列得 )(442 34 22022 壳程流通截面积 )( 壳程流体流速及其雷诺数分别为 11 )/(3830 1 0 05 70 0 04 0 72 普兰特准数 7 04 0 粘度校正 w 程对流传热系数 d 管程流通截面积 )(2 mS i 管程流体流速及其雷诺数分别为 ) 1 36 su i （ 普兰特准数 07 2 算传热系数 K 污垢热阻 W0 0 0 3 4 12 W0 0 0 1 7 11 2/与假设的 热面积 S 23 该换热器的实际传热面积0 6 1 该换热器的面积裕度为 p 141 0 00 6 1 9 1 0 传热面积裕度合适 ,该换热器能够完成生产任务 热器内流体的流动阻力 程流动阻力 1 1, 1, 4.1 13 221 , 2 22 由 35950e R ，传热管相对粗糙度 ，查图 摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得 /流速 3/ ， 所以 8 32 33 1 0 4 6 32 21 管程流动阻力在允许范围之内。 程阻力 21 11流体流经管束的阻力 21 21 6 1 1 85 N ， 2072.0 32 2 0 7 712946 1 1 流体流过折流板缺口的阻力 14 2 ， 2 总阻力 9 6 壳程流动阻力也比较适宜 温核算 因管壁很薄，且壁温热阻很小，则管壁温度可用下式计算 hh 1/1 /t 考虑换热器在冬季操作时，冷却水的进口 温度将会降低，为确保可靠，可取冷却水入口温度为 15，出口温度为 42计算传热壁温。 液体平均温度 )(1 3 6 6)( 081(传热管平均壁温 6 6 6/近似取为壳程流体的平均温度，即 T= 壳体壁温和传热壁温之差为 t= 该温差不大，不需要设温度补偿装置，故可选用固定管板式换热器。 15 热器主要结构尺 寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 换热器型式 固定管板式 换热面积 2m 称 管程 壳程 传热量， 料名称 循环水 热水 总传热系数， W/ 作温度 30/40 81/60 管数 13 流量 , 长， 000 流体密度， kg/心距， 2 流速， m/s 间距， 00 程数 1 1 排列方式 正三角形 污垢系数， *作压力 ,杆数目 16 阻力降， 料 碳钢 拉杆直径 6 在化工 、 石油 、 动力 、 制冷 、 食品等行业中广泛 使用各种换热器 ,它们也是这些行业的通用设备 ,并占有十分重要的地位。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。 列管 式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。 16 列管式换热器 是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组 成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。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。换热管在管板上可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，适用于易结垢的流体。 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。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。同样，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。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50 时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道： 不洁净和易结垢流体宜 走管程，因管内清洗较方便； 腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀； 压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力； 饱和蒸 汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关 ,且冷凝液容