换热器自制课件

1、管壳式换热器管壳式换热器目目 录录 换热器简介 HTFS+简介 物性方法 对流传热 管壳式换热器的结构设计步骤设计步骤如何选择？主要依据是什么？重点计算哪方面？计算过程中涉及的主要因素？完成工艺计算后，与有关的设备人员相配合决定较合适的换热器尺寸工艺专业提条件图，由设备专业绘制换热器结构图换热器原则换热器原则 换热设备应满足以下几个原则：l换热器应完全满足过程的要求（压降、传热能力、检修周期）；l换热器满足工厂环境的使用条件（机械应力）l换热器必须可以维修l设计者应当考虑到具有灵活管路和阀门系统的多个单体配置的优点l换热器造价应尽可能的低换热器的分类换热器的分类按工艺功能分类冷却器 冷却剂多为

2、水，若冷却温度低，可采用氨、氟利昂为冷却剂加热器采用水蒸气为加热介质，温度高时可采用导热油、熔盐再沸器用于蒸发精馏塔底物料的设备冷凝器精馏塔塔顶物流的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备蒸发器用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备 过热器 对饱和蒸汽在加热升温的设备废热锅炉 由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备换热器两种不同温位的的工艺物流相互进行显热交换能量的设备换热器的分类换热器的分类按照传热方式和结构分类间壁传递热量式管壳式板式管式液模式其他形式直接接触传递热量式塔式 蓄热式换热器选用换热器选用间壁式冷却器传热量温度、压力工艺物料空冷器直接接触式冷却器需要急速降低工艺物料的温度伴随

3、有吸收的工艺物料的冷却伴随有除尘的工艺物料冷却大量热水的冷却和大量水蒸气的冷凝冷却冷却器高温情况（500）蓄热式直接火、电加热中温情况（150300）一般采用有机热载体为加热介质：气相、液相低温情况（150）首选管壳式工艺物料特性或者工艺条件特殊时加热器按工艺功能选用换热器换热器选用换热器选用 强制循环式 卧式热虹吸式 立式热虹吸式 凯特尔式再沸器优点缺点比较形式形式优点优点缺点缺点立式热虹吸传热系数大，投资和运转费用最便宜，加热带滞留时间短，结构紧凑，配管容易真空操作时，由于压降的影响需要较大的面积，对粘性液体和带固体物料不适用，由于垂直铺设，要求塔裙的高度较高卧式热虹吸传热系数中等，加热带

4、停留时间短，维护和清理方便，适用于大面积的情况，对塔的液面和流体压降要求不高，适于真空操作占地面积大强制循环适用于粘性流体及悬浊液，适用于长的显热段和低蒸发比的低压降系统，可调节循环速度能量费用大，投资大，在泵的密封处容易泄露凯特尔式维护清理方便，适于污染性强的热媒，相当于一块理论板传热系数小，占地面积大，加热带滞留时间长，易结垢，壳体容积大，设备费用大换热器选用换热器选用型式型式优点优点缺点缺点重力回流卧式冷凝器传热系数大，运转费用小，适于小量生产要求高位安装，很困难重力回流立式冷凝器可做过冷器，运转费用少，结构紧凑，配管容易，适于小量生产传热系数较小，可将其装在塔顶，但整个塔高增加泵送回流

5、式冷凝器安装比较容易，适于大规模生产运转费用大，占地面积大卧式给热系数是立式的0.77（L/D）0.25 倍间壁式换热器的特性间壁式换热器的特性分类分类名称名称特性特性管壳式固定管板式使用比较广泛；壳程不易清洗；管壳两物流温差大于60时应设置膨胀节，最大使用温差不应大于120浮头式壳程易清洗；管壳两物料温差大于120；内垫片易渗漏填料函式优缺点同浮头式，造价高U形管式制造安装方便，造价低，管程耐高压，但结构不紧凑，管子不易更换和不易机械清洗板式板翅式紧凑，效率高，可多股物料同时换热，使用温度不大于150螺旋板式制造简单，紧凑，可用于带颗粒的物料，温位利用好；不易检修伞板式制造简单，紧凑，成本低

6、、易清洗；使用压力不大于1.2MPa，使用温度不大于150波纹板式紧凑、效率高、易清洗，使用温度不大于150，使用压力不大于1.5MPa管式空冷器投资和操作费用一般较水冷低，维修容易，但受周围空气温度影响大套管式制造方便，不易堵塞，耗金属多，使用面积不宜大于20喷淋管式制造方便，可用海水冷却，造价较套管式低，对周围环境有水雾腐蚀箱管式制造简单，占地面积大，一般作为出料冷却间壁式换热器的特性间壁式换热器的特性分类分类名称名称特性特性液膜式升降模式接触时间短，效率高，无内压降，浓缩比不大于5刮板薄膜式接触时间短，适于高粘度，易结垢物料，浓缩比1122离心薄膜式受热时间短，清洗方便，效率高，浓缩比不

7、大于15其他形式板壳式热管结构紧凑，传热好，成本低，压降小，较难制造管壳式换热器选用管壳式换热器选用优点结构坚固、易于制造、成本较低、材料范围广、清洗方便、处理能力大，适应性强，可用于高温高压。缺点 传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属消耗量不 如新型高效的紧凑型换热器。选用工艺条件（温度、压降、物流安排）结构参数（平滑管、翅片管、程数、折流板等）换热器设计标准管壳式换热器选用管壳式换热器选用工艺条件：温度： 冷却水的出口温度不宜高于60，以免结垢。高温端的温差不 应小于20，低温端的温差不应小于5。采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出

8、口温度。压力降： 增加工艺物流流速，可增加传热系数，使换热器结构紧凑，但增加流速将关系到换热器的压力降，使磨蚀和振动破坏加剧。同时造成动力消耗增加。工艺物料的压力状况工艺物料的压力状况允许压力降允许压力降KPa工艺气体真空3.5常压3.514低压1525高压3570工艺液体70170管壳式换热器选用管壳式换热器选用 物流安排高温物流一般走管程较高压力的物流走管程粘度较大的物流走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数腐蚀性较强的物流应走管程对压力降有特定要求的工艺物流应走管程较脏和易结垢的物流应走管程，以便清洗和控制结垢。若必须走壳程，应采用正方形管子排列，并采用可拆式换热器。流量较小的物流应走壳程

9、传膜系数较小的物流应走壳程，易于提高传热膜系数管壳式换热器选用管壳式换热器选用 结构参数平滑管结构参数管径管长管子的配布和管心距管程数和壳程形式管程数水和相似液体的流速1-2.5m/s气体和蒸汽的流速可在8-30m/s壳程形式单壳程双壳程分流式壳程折流板折流板形式圆缺形的折流板环盘形折流板孔式折流板折流板间距折流板间距为壳径的3060%缓冲挡板非腐蚀性液体壳程入口处的动能2230腐蚀性液体740气体、饱和蒸汽、气液混合物钢管无支撑板最大折流板间距为171d0.74铜、铝或其合金材料，间距为150d0.74HTFS历史历史HTFS (Heat Transfer and Fluid Flow Se

10、rvices)系列软件创始于1967 年，在世界同行业中始终处于领先地位，具有 30 多年的发展史。 HTFS 原是英国AEA工程咨询公司的一个子公司，1997年AEA公司和加拿大Hyprotech公司合并，原 HTFS 公司由 Hyprotech 接管。 HTFS+软件软件 2002年7月，Hyprotech公司被AspenTech 公司收购，之前被收购的还有B-JAC 公司。流程模拟软件 ASPEN PLUS与 HTFS 系列软件进行了集成，称作HTFS+ 。HTFS+采用了B-JAC 的窗口模式，而计算内核主要移植HTFS的引擎并同时结合了B-JAC 计算的优点。 原B-JAC和HYSY

11、S 流体物性计算系统作为 HTFS+内置的物性计算系统，可直接用。ASPEN PLUS 作为HTFS+外置物性系统，通过用户界面调用，也可在ASPEN PLUS中直接调用HTFS+ 。HTFS+包含的应用程序包含的应用程序主程序： Shell&Tube-管壳式换热器传热计算 Shell&TubeMech-管壳式换热器机械计算 AirCooled_空冷器传热计算 FiredHeater-加热炉燃烧和传热计算 Plate-板式换热器传热计算 PlateFin-板翅式换热器（冷箱）传热计算 Hetran-B-JAC管壳式换热器传热计算 Aerotran-B-JAC空冷器传热计算HTF

12、S+包含的应用程序包含的应用程序附加程序： Component Mechanical design-零部件设计 Props_化学组份物性计算 Metals_材料性质库 Ensea-管板布置程序 Qchex-价格预算程序HTFS-TASC TASC (Thermal Design for Tube and Shell Heat Exchanger)是世界上非常优秀的管壳式换热器计算软件，将传热和机械强度计算融为一体。TASC-计算模式计算模式计算模式给定条件得出结果Design设计模式工艺压降限制、热负荷。设计出一台能满足规定的换热器。Rating/Checking校核模式热负荷、物流入口条件、

13、压降估计值。核算换热器是否有足够的换热面积满足用户要求；同时计算物流的实际压降。Simulation模拟模式对于一台指定的换热器，用户提供物流的入口条件。确定工艺过程的热负荷，压力变化及物流的出口条件。Maxmium fouling最大污垢模式热负荷、物流入口条件、压降估计值。确定该热负荷下的最大污垢热阻数值；同时计算物流的实际压降。TASC-计算模式计算模式 四种计算模式根据Q=UAT不同的求解过程。lQ-热负荷；U 为传热系数，与污垢热阻、换热器结构有关；A 为换热面积，和换热器尺寸类型相关；T是传热温差，和物流条件密切相关。 换热器的求解实际就是基于以上公式由已知变量求未知变量的过程。大

14、致上Design 就是已知Q 和T 求UA 的过程，而simulation 则反之。流体的分配流体的分配 无相变流体：l流量大的一般走管程；l高压，腐蚀性强，危险性高，要求特殊材质的一般走管程；l因错流的传热效果较好，所以传热膜系数小的一般走壳程。 有相变流体：l发生相变化的一般走壳程；l冷凝器中热流一般走壳程；l再沸器中工艺介质一般走管程(尤其是立式)。 若无明显优势，可两边都试一下。物性方法物性方法物性方法是一批方法和模型，用于计算热力学物性（包括逸度系数K值、焓、熵、吉布斯自由能、体积）和迁移性质（包括粘度、热导率、扩散系数、表面张力）。状态方程法&活度系数法。状态方程模型状态方

15、程模型 T,P的应用范围宽，包括亚临界和超临界状态。 适用于带有诸如CO2,N2,H2S等轻气体的烃类系统。 为了最好的描述非理想体系，必须通过回归VLE(气液平衡)实验数据，获得二元交互作用参数。 基本的状态方程不适用与描述高度非理想体系。 高压下的非理想体系，可用灵活的、具有预测功能的状态方程。状态方程模型状态方程模型最简单的状态方程：理想气体状态方程两种主要的工程类型：l三次状态方程 RK-Soave, Peng-Robl基于SRK,PR方程改进的三次状态方程：引入了一个与温度相关的吸引力参数；MHV2,WS,预测性的SRK方法，融入了混合规则。l维里状态方程 体积幂次高，更精确，但不推

16、荐用于极性化合物。最原始的最原始的状态方程法状态方程法常用状态方程的适用范围如下：SRK 气体、炼油过程的烃类物系SRKKD 炼油过程的烃水物系，尤其高温、高压的气液液过程SRKM 烃/醇等极性/非极性物系SRKH 酮/水等极性和高压物系PR 气体、炼油过程的烃类物系PRM 烃/醇等极性/非极性物系的气液液过程PRH 酮/水等极性和高压物系BWRS 气体、炼油过程的烃类物系GS 常压以上的炼油物系IGS 炼油体系的气液液过程BK10 原油常压、减压蒸馏过程活度系数模型活度系数模型 是描述低压下高度非理想液体混合物的最好方法。 只能用于低压系统，10atm. 必须由经验数据获得或估计二元参数，且

17、只有在获得参数的T,P范围内有效。活度系数法活度系数法液相活度系数法主要用于化工、石油化工物系气液、液液、气液液平衡及相关物性参数计算的。常用活度系数法的适用领域：NRTL 有液相活度系数可以利用的化工、石油化工极性物系UNIQUAC 没有提供气液、液液平衡数据的化工、石油化工极性物系WILSON 极性物系的气液过程UNIFAC 任何已知组分结构的物系VANLAAR 化工、石油化工极性物系的气液、液液过程FLORY 化工、石油化工极性物系的气液、液液过程MARGULES 化工、石油化工极性物系的气液、液液过程有水的体系一般用有活度系数的热力学模型，像Wilson和NRTL都很好 。基团贡献法基

18、团贡献法二元交互作用参数二元交互作用参数R？ij？可采用的交互参数？E E？P？极性真实或虚拟组分电解质压力液-液LLLL?物性数据来源物性数据来源 用户直接输入 在Aspen plus中导入 内置的数据库lAspen Properties (Aspen plus数据库，约18000种组份）lCOMThermo(Hysys数据库 )lB-JAC (B-JAC数据库)对流传热对流传热Th 污垢层污垢层 管壁管壁污垢层污垢层TcTUAQioiiwtoxxDDrrAArU111 T = 平均温差对数平均温差对数平均温差 12211221lntTtTtTtTTLM对数平均温差的应用基于以下三点假设：

19、流体的比热容不随温度而变化(纯逆流/并流)； 传热系数恒定； 温-焓曲线为线性关系。非纯逆流非纯逆流 FT - 对数平均温差修正系数。 纯逆流、并流，FT = 1; 其他情况，封头FT 1.传热系数恒定；温-焓曲线为线性关系。TFTTLMTempT1T2t1t2T-H曲线非线性曲线非线性 分区考虑，每个区内接近线性关系。 每个区分别计算平均温差，加权获得整个换热器的平均温差。Enthalpy TempTLMH1/Tm =(H1/ T1 + H2/ T2 + .) /(Hin - Hout)壳程流体的流动形式壳程流体的流动形式11122344561 = 管束间错流 2 = 旁流3 = 分程隔板处

20、漏流 4 = 折流挡板缺口处的流动5 = 换热管和折流挡板间的漏流6 = 壳体和折流挡板间的漏流 壳程流体的处理方法壳程流体的处理方法 估计流体的流动形式； 计算每股流体的压降； 调整各股流体的分率，以满足压降要求； 计算每股流体的给热系数。 对于有相变的流体，处理方式类似，更为复杂。管壳式换热器的结构管壳式换热器的结构 基于1988年的第7版TEMA标准。 TEMA对ASME压力容器标准进行了增补。壳体前端固定管箱后端管箱壳体型式壳体型式E,F,G,H,J,I,X,K,M,D.EF单程壳体单程壳体具有纵向隔板的双程壳体具有纵向隔板的双程壳体 E - 首选； F 与双管程接近纯逆流，可避免多E型串联；纵向隔板和壳体间的密封性不好。 壳体型式壳体型式 压降小，一般只应用与卧式热虹吸再沸器（壳程流体下进上出）。GH分流壳体分流壳体双分流壳体双分流壳体壳体型式壳体型式 J (一进两出)； I (两进一出)；X (n进n出)。 J,I,X - 压降小，可用于真空冷凝系统，或壳体体积流量很 大的情况。 K 气液两相可充分分离，液体夹带少。因再沸器要求一定的液体夹带量，所以目前常用于废锅、冷剂。J无隔板分流壳体X错流壳体K釜式再沸器壳体型式的选择壳体型式的选择 塔顶冷凝器，尤其是真空系统，压降要求较高。 E型