换热器设计说明书样本文档

1、化工原理课程设计是化学工程与工艺类相关专业学生 学习化工原理课程必修的三大环节之一，起着培养学生运用 综合基础知识解决工程问题和独立工作能力的重要作用。化工原理课程设讯 以换热器、管道设计和选型 为主。主要介绍列管式换热器的设计计算，并就有关流程方 案的确定以及附属设备的选型作了介绍，此外给出了设计时 所使用的现行技术标准和一些基础数据。化工原理课程设计为化工原理课程教学的配套教 材，可作为化工原理课程设计、化工类专业毕业设计的参考 资料，也可作为化工原理课程教学的参考用书。化工原理课程设讯共分2章。化工原理课程 设讯由张渊编写。化工原理课程设讯 在编写过程中得到内蒙古化工 职业学院帮助。史忠

2、斌老师在图表的绘制方面给予了大力帮 助，在此一并表示感谢。由于我们经验不足，水平有限，其中难免有不妥之 处，恳请各位读者批评指正。编者2010年6月22日第一章概述1. 1换热器的结构形式312换热器材质的选择413管板式换热器优点514列管式换热器结构61. 5管板式换热器的类型和工作原理716确定设计方案8第二章传热过程工艺计算及设备结构的设计21设计参数922计算总传热系数102.3 1艺结构尺寸10122. 4换热器核算结束语18主要参考文献19第一章概述LI笫一章前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段，凭借其高效、节能、环 保的优势，在各行业领域中被频繁使用，并被用以替换原有管壳式和翅

3、片式换 热器,取得了很好的效果。1.1换热器的结构形式1. 管壳式换热器管壳式换热器乂称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构 简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为 广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下儿种：（1）固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格 低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50C且壳方流体较清洁及不易 结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这 种补偿方法适用于两流体温差小于70C且壳方流体压强不高于600Kpa的悄况。（2）浮头式换热器浮头式换

4、热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头 可以自山伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗 和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂, 造价高。（3）填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自山膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单， 造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。2. 蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通 常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。3. 套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型

5、时管顺次 连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热而积可根据需要增减, 适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热 器适用于髙温，高压及小流量流体间的换热。1.2换热器材质的选择在进行换热器设汁时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作圧力、操作温度。 流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经 济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑, 是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方而考虑不 周，选材不妥，不仅会影响换热器的使

6、用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制 造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。(1) 碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性 要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20 号碳钢。(2) 不锈钢奥氏体系不锈钢以lCrl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳泄的奥氏 体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径 换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多釆 用

7、正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。(2)管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，黑管子与管板间的挤压力达到密封紧固的U的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MP&,设计温度不超过350C的场合。(3)封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。 封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接， 封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检査和清洗管子。 管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳

8、径较大的换热器大多采 用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。 分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换 热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数忖 大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同 时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。1. 3管板式换热器的优点(1) 换热效率高，热损失小在最好的工况条件下，换热系数可以达到6000W/ m2K,在一般的工况条件下，换热系数也可以在30004000 W/ m2K左右，是管

9、壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路，所有通 过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流，进行充分的换热。完成同一项 换热过程，板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 31/ 4o(2) 占地面积小重量轻除设备本身体积外，不需要预留额外的检修和安装空间。换 热所用板片的厚度仅为0.60. 8mm。同样的换热效果，板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3) 污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流，优秀的板片设计避免了死 区的存在，使得杂质不易在通道中沉积堵塞，保证了良好的换热效果。(4) 检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起，当检修、清洗 时，仅需松开夹紧螺柱即

10、可卸下板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广设备最高耐温可达180C,耐压2. OMPa ,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷 凝以及单元设备食品消毒等方面，在低品位热能回收方面，具有明显的经济 效益。各类材料的换热板片也可适应丄况对腐蚀性的要求。当然板式换热器也存在一定的缺点，比如工作压力和工作温 度不是很高，限制了其在较为复杂工况中的使用。同时山于板片通道较小，也不 适宜用于杂质较多，颗粒较大的介质。1. 4列管式换热器的结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。(1)换热管布置和排列间距常用换热管规格有力 19X2 mm、力25X2 mm(lCrl8Ni9Ti)、25X2. 5m

11、m(碳 钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的 壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属 耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、 三角形错列和同心圆排列。(C)(A)正方形直列(B)正方形错列(C)三角形直列图1-4换热管在管板上的排列方式（D）三角形错列（E）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径 换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采 用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。（2）管板管板的作用是将受热

12、管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的 塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的H的。胀接法一般用在管子 为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa,设计温度不超过 350C的场合。（3）封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。 封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接， 封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多采 用管箱结构。山于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便

13、于装拆。 分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换 热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数U 大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、 4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同 时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。1. 5管板式换热器的类型及工作原理板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式 等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式；按照密 封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求，在 使用中更有针对性。比如同样是人字形

14、波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密 封垫而有所不同，采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子 对板片的腐蚀，并且设备拆装更加方便。乂如焊接式板式换热器的耐温耐圧明 显好于可拆式板式换热器，可以达到250C、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器，因其形式的多样性,可以应用于较 为广泛的领域，在大多数热交换丄艺过程都可以使用。虽然板式换热器有多种形式，但其丄作原理大致相同。板式换热器主要是 通过外力将换热板片夹紧组装在一起，介质通过换热板片上的通孔在板片表面 进行流动，在板片波纹的作用下形成激烈的湍流，犹如用筷子搅动杯中的热 水，加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动，

15、湍流形成的大量 换热面与板片接触，通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热 介质的隔离主要通过密封垫的分割，或者通过大量的焊缝来保证，在换热板 片不开裂穿孔的情况下，冷热介质不会发生混淆。1. 6确定设计方案1选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度140C出口温度40C；冷流 体进口温度30C,出口温度为40C,该换热器用循环冷却水冷却，冬季 操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度 和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。2管程安排从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，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

16、快污垢增长速度，使换 热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。2. 1设计参数煤油的定性温度:1密度定压比热容热导率粘度水的定性温度：1密度定压比热容第二章传热过程工艺计算及设备结构的设计竺凹= 90C2P 0=825kg/ m3Cp0=2. 20kJ/kgC入 0 = 0. 14W/mC卩 0 = 0. 715mPa s30 + 40=35C2P i = 994. 4kg/m3Cpi = 4. 143kJ/kgC热导率A i = 0. 601W/mC粘度U i=0 955m Pa s22计算总传热系数1、热流量= m)cp0AT = 5976 x 2.20 x (14

17、0 - 40) = 1314720 kJ/h二365. 68 KW 平均传热温差Atml=(Atl-At2)/ln (Atl/At2) = (100-10)/ln (100/10) 式中：=140-40 = 100 C , AG =40-30 = 10 C求得= 39 C2、冷却水用量闿=鸟-=1314720 = 31505 (kg/h)cut 473x(40-30)3计算传热面积求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350 W/(m2. C)左右，先取K值为300W/(m2. C)计算由 Q=KAAtm 得=365168 =32.5 (Of)300x37.442. 3

18、工艺结构尺寸1. 管径和管内流速选用25X2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 Ui=5. 5m/So2. 管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数二 V _ 31505/(3600x994.3) _ 龙20.785xO.O22 x5.5汕11按单程管计算，所需的传热管长度为 32.5宀加 tnx3.14x 0.025 x 44按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据木设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7m,则该换热器的管程数为NT L 42 rp_ =6/7传热管总根数Nt 二 44X6二2643.平均传热温差校正及壳程数店竺二1040 30140-30

19、按单壳程，双管程结构得:Sf = 0.96平均传热温差= 曲蚀=96 x 39 = 37.44 C由于平均传热温差校正系数大于0. 8,同时壳程流体流量较大， 故取单壳程合适。4. 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。取管心距 t=l. 25d0,则 1=1.25X25=31. 2532 mm隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算S二t/2+6二32/2+6二22 mm各程相邻管的管心距为44mmo5. 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率H =0. 75 ,则壳体内径为：D二 1. 05t、/%/ = 1.05x 32J104

20、/0.75 = 400按卷制売体的进级档，可取D二400mm6. 折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为：H二0.25X400二 100m,故可 取 h=100mm取折流板间距 B二0. 3D,贝lj B二0. 3 X 400二 120mm,可取 B 为 150mm。传热管长折流板间距亠罟亠572. 4换热器核算1.热流量核算(1) 壳程表而传热系数 用克恩法计算得:当量直径:壳程流通截而积:Ic Vs = BZXl-y) = 450x400(1-) = 0.0096壳程流体流速及其雷诺数分别为:0.02x0.21x901.5x10-5= 25185普

21、朗特数:Pr =3.297 xl03x 1.5 xlO50.02791.773粘度校正:“M址辔25肿5.773% =925.5皿K（2）管内表面传热系数：a, =O.O23RePr04管程流体流通截而积：a 264S. = 0.785x O.O22 x = 0.0396( 2管程流体流速：31505/(3600x994.3) cc* zIL = 0.046/72/50.0396Re =0.02x1.306 x 994.3/(0.742 xl03) = 35002普朗特数:,4.174 xlO3 x 0.742 xlO3” 心Pr = 4.960.624a, = 0.023xx350028 x

22、4.964 =58S7w/m2.k0.02（3）污垢热阻和管壁热阻:管外侧污垢热阻=0.0004/2-k/w管内侧污垢热阻R, = 0.0006nr-k/w管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为50w/（mK）。 所以：R = 0 0025 = 0.00005/h2 -k/w50（4）传热系数Kj（5）传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积Ac为:t Q365168“ ，A = 20 nreKAJ 400 x 39该换热器的实际传热而积为ApAp =应“叫=3.14 x 0.025 x 7 x 264 = 24/?2该换热器的而积裕度为：传热而积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2. 壁温

23、计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为30C, 出口温度为40C计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻 较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在 操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算 中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计 算传热管壁温。于是有式中液体的平均温度g和气体的平均温度分别计算为r, =0.4X39+0. 6X15=24. 6CT, = (140+40)/2=90Cac -at =5887w/m2 kah = a。=925. 5w/m2 k传热管平均壁

24、温f*. =35.4 C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T二90C。壳体壁温和传热管壁温之差为A/ =90-35.4 = 54.6 C。3. 换热器内流体的流动阻力(1) 管程流体阻力I2= 1 , Np = 2 , N人=& 4 2由Re二25185,传热管对粗糙度0.01,查莫狄图得= O.(M，流速 u=0 55m/s,p = 9943kg/m 所以：Ap = 0.04 x x（小】W 2129 gpa1 0.02 2994.3x0.55?2= 454 Pa从=(2129.8 + 454)x2x1.5 = 7722 Pi/所以:7722兀小于10000兀管程流体阻力在允许范围之内。换热器主要结构尺寸和计算结果见下表:换热器型式：固定管板式换热器面积(nf)： 32.5工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，MPa0. 10. 03操作温度，C30/4040/140流量，kg/h315055976流体密度,kg/m3997. 7825流速，m/s0. 550. 06传热量，kw1038.8总传热系数，w/m7k400对流传热系数，w/nf k5240494污垢系数，nVk/w0. 000210. 00018阻力将，Pa6523012841程数41使用材料碳钢碳钢管子规格 25x2管数120管长，mm7000管间距，mm32排列