换热器的设计项目说明指导书

换热器设计

1.1换热器概述

换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多任务业部门通用设备，在生产

中占有重要地位。换热器种类诸多，但依照冷，热流体热量互换原理和方式基木

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。换热器随着换热目不同，详细可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器,

再沸器和热互换器等。由于使用条件不同，换热设备又有各种各样形式和构造。

换热器选型时需要考虑因素是多方面，重要有：

①热负荷及流量大小；

②流体性质；

③温度、压力及容许压降范畴；

④对清洗、维修规定；

⑤设备构造、材料、尺寸、重量；

©价格、使用安全性和寿命；

按照换热面积形状和构造进行分类可分为管型、板型和其他型式换热器。其

中，管型换热器中管壳式换热器因制造容易、生产成本低、解决量大、适应高温

高压等长处，应用最为广泛。

管型换热器重要有如下儿种形式：

(1)固定管板式换热器：当冷热流体温差不大时，可采用固定管板构造型式,

这种换热器特点是构造简朴，制导致本低。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。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。因而，管束热影胀

不受壳体约束，检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。合用于冷热流体温差较

大，壳程介质腐蚀性强、易结垢状况。

（3）U形管式换热器换：热效率高，传热面积大。构造较浮头简朴，但是管

程不易清洗，且每根管流程不同，不均匀。

表1T换热器特点一览表

分

名称特性

类

刚性构造用于管壳温差较小状况（普通W50°C）,管间不能

固定

清洗

管板

式带膨胀节：有一定温度补偿能力，壳程只能承受较低压力

管浮头管内外均能承受高压，壳层易清洗，管壳两物料温差＞120℃；

壳式内垫片易渗漏

式

U型管制造、安装以便，造价较低，管程耐压高；但构造不紧凑、

式管了•不易更换和不易机械清洗

管

内填料函：密封性能差，只能用于压差较小场合

式

填料

函式外填料函：管间容易泄露，不易解决易挥发、易爆易燃及压

力较高场合

釜式壳体上均有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离

双套

构造比较复杂，重要用于高温高压场合或固定床反映器中

套管式

管

式套管

能逆流操作，用于传热面积较小冷却器、冷凝器及预热器

式

板式拆洗以便，传热面能调节，重要用于粘性加大液体间换热

制造简朴，紧凑，可用于带颗粒物料•，温位运用好；不易检

螺旋板板

修

板

式

制造简朴、紧凑、成本低、易清洗，使用压力不不不大于

伞板式

1.2Mpa,使用温度不不不大于150℃

板壳式板数类似管束，可抽出清洗检查，压力不能太高

盘式传热效率高，用于高温烟气冷却等

回旋式

蓄鼓式用于空气预热器等

热

紧凑

合用于低温到高温各种条件

式式

固定格室式

非紧

合用于高温及腐蚀性气体场合

凑式

表紧凑、效率高。可多股物流同步换热，使用温度不不不大于

板翅式

重要用于粘性加大液体间换热

面150℃,

扩

展管翅式高效而紧凑，换热面积大，传热效果好

式

在过程工业中，由于管壳式换热器具备制造容易，生产成本低，选材范畴广,

清洗以便，适应性强，解决量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多长处，管

壳式换热器被使用最多。工业中使用换热器超过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一种换热器。结合上述长处和本工艺特点，本工

艺换热器重要选用管壳式换热器。

管程数增长，管内流速增长，传热系数增长。管程数普通有1、2、4、6、8、

10、12等七种。但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相称大

布管面积。

⑹折流板

折流板可以变化壳程流体方向，使其垂直于管束流动，提高流速，从而增长

流体流动湍流限度，获得较好传热效果。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「3折流板间距惯用数值

管长（mm）折流板间距（mm）

W3000100

200300450600—

4500〜6000——

1500-6000150200300450600——

W6000200—

—300450600

7500,9000—750

6000300

——450600750

7500,9000—

6000-9000———450600750

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），这里咱们

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的

温度，冷却物流为循环冷却水0

由Aspen软件得到冷热工艺物流数据:

表-4工艺操作参数

参数

操作参数

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）343740.084194.9

入口温度（C）20.00138.00

出口温度（℃）30.0034.00

入口压力（bar）3.002.87

出口压力（bar）2.872.7413

初步选取换热器形式后，依照任务规定运用AspenExchangerDesign&

RatingV7.2进行模仿计算，模仿出来换热器工艺参数如图IT所示:

1Company:

2Location:

3ServiceofUnit:OurReference:

4ItemNo.:YourReference:

5Date:RevNo.:JobNo.:

6Size750-5850mmTypeBETHorConnectedin1parallel1series

7Surf/unitfeff.)1736m?Shells/un*1Surf/shell(eff.)173.6

8PERFORMANCEOFONEUNIT

9FluidallocationShellSxieTubeSide

10Fluidname泠却水甲笨塔塔底去一级结晶

11Fluidquantity,Total95.483323.3593

12Vapor(In/Out)0000

13Liqud95.483595.483523.369323.3693

14Noncondensable0000

15

16Temperature(In/Out)203013430

17Dew/Bubblepoint

18DensityVapor/Liquid/998.86/989.22/759.9/857.77

19Viscosity/10214/8196/.2272/.5748

20MolecularM,Vap

21Molecularwt.NC

22SpecificheatkJ/(kgK)/4.839/4.832/2.12/1.681

23Thermalconductivity/.5991/.6132/.1042/.1286

24Latentheat

25Pressure(abs)bar32.72586287258626

26Velocity.851.35

27Pressuredrop,alow./calc.bar.5,274144.28374

28Foulingresist,(min)m?K/W.00017.00017.00022Aooased

29Heatexchanged4614.7kWMIDcorrected34.97

30Transfwrate,Setvice760.1Dirty767.3Clean1097.8

31CONSTRUCTIONOFONESHELLSketch

32ShellSideTubeSide

33Design/vac/testpressure:gban4//4//

34Designtemperature65170

35Numberpassespershel14(⑴I

36Corrosionallowancemm3.183.18一-BUlUiI

▼▼D

37ConnectionsInmm1304.8/1152.4/

38Size/rabngOut1254/1152.4/

39NominalIntermediae/•f•

40TubeNo.514OD19TksAvg2mmLength5850mmPitch25mm

41TubetypePlain#/mMaterialCarbonSteel|Tubepattern30

42ShellCarbonSteelID750OD774ShellcoverCarbonSteel

43ChannelorbonnetCarbonSteelChannelcovetCarbonSteel

44Tube$hee陵tabonaryCarbonSteelTubesheeMloatingCarbonSteel

45FloatingheadcoverCarbonSteelImpingementprotectionNone

46Baffle-ctossingCarbonSteelTypeSinglesegmentalCut[%d|39.15HSpacing:c/c525mm

47Baffle-long•Sealtype|Inlet466.48mm

48Supports-tubeU-bendType

49BypasssealTube-tubesheetjointExp.

50Expansionjoint-TypeNone

51RhoV2-lnletnozzle1714Bundleentrance863Bundleexi(2394

52Ga$ke($•ShellsideFlaiMetalJacketFibeTubeSideFlatMetalJacketFibe

53FloatingheadHalMetalJacketFibe

54CoderequirementsASMECodeSecVIIIDiv1TEMAclassR•refineryservice

55Weighb^hell5229.7Filledwithwater7758.8Bunde2974.1kq

56Remarks

57

58

图IT换热器工艺参数

⑴构造设计

运用AspenExchangerDcsign&RatingV7.2软件也可以对换热器进行陶造

设计，模仿出来成果如下：

①换热管设计

Tubes

TypePlainTotalnumber514

Outsidediametermm19Numberoftubesplugged0

Insidediametermm15Tubelengthactualmm5850

Wallthicknessmm2Tubelengtheffectivemm5658

ArearatioAo/Ai1.27Tubesheetthicknessmm44.52

Pitchmm25MaterialCarbonSteel

Pattern30ThermalconductivityW/(mK)507845

ExternalenhancementInlernalenhancement

图1-2换热管基本参数

图1-3换热管排列方式

换热管为平滑管，外径19画，壁厚为2mm,管间距为25mm,管长

5850mm。换热管根数5：4根。管子排列方式为正三角形排列。

②折流板和管口设计

折流板设立重要是为了提高壳程流速，增长扰动，改进传热。这里选取单弓

形折流板，并且圆缺方向高度为壳体公称直径0.15〜0.45,折流板间距普通不不

大于圆筒内径1/5。折流板数目及厚度等基本参数见图1-4所示

Baffles

TypeSinglesegmentalBafflecut:inner/outer/interm

TubesinwindowYesActual\%diameter)/39.15/

Number10Nomind(%diameter)/40/

Spacing(center-center)525Actual\%area)/36.3/

Spacingatinletmm466.48CutorientationH

Spacingatoutletmm466.48Thicknessmm9.52

Spacingatcentralin/outforG,卜」/shellsmmTuberowsinbaffleoverlap6

SpacingatcenterofHshellmmTuberowsinbafflewindow11.5

Endlengthatfronthead514Bafflehole■tubeoddiamclearancemm.4

Endlengthatrearhead611Shellid-baffleoddiamclearancemm4.76

图「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距离）为466.48mm

两块板间隔为525.00mno

ShellSideTubeSide

NozzletypeInletOutletInletOutlet

Numberofnozzles1111

Actualoutsidediameter323.85273.05168.28168.28

Insidediameter304.8254.51154.05154.05

Heightundernozzle110.9445.99

图1-5管口基本参数

管程进、出口管口各有一种。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

有一种，壳程进口管口外径为32工85mm,内径304.8mm；壳程出口管口外径

273.05mm,内径254.51mm。

③管束

Bundle

ShellIDtocenter1sttuberowmmTubepassss4

Fromtop45.99TubepasslayoutMixed(H)

Frombottom110.94Tubepassorientationndard(horizontal)

Fromright71.47U-bendorientationundefined

FromLeft71.47Horizontaloasslanewidthmm19.05

ImpingementprotectionNoneVerticalpasslanewidthmm19.05

ImpingementdistancemmInterpasstubealignmentNo

ImpingementplatediametermmDeviationintube$/pa$$8.56

ImpingementplatewidthmmOutertubelimitmm619

ImpingementplatelengthmmShellid■bundleoildiamclearancemm131

ImpingementplatethicknessmmTierodnumber6

Grosssurfaceareapershellm?179.5Tieroddianetermm12.7

Effectivesurfaceareapershellm?173.6Sealing$Up$(pairs)3

Baretubeareapershellm?173.6TubetotubesheetjointExp.

Finnedareapershellm?0Tubeprojectionfromfronttshtmm3

U-bendareapershellm?0Tubeprojectionfromreartshtmm3

图1-6管束基本参数

如图为管束信息，重要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图

进行详细设立。

Wtsonan^iA

图-7换热器构造尺寸

依照《JB/T4715-：992固定管板式换热器形式与基本参数》和《GB151W999

管壳式换热器》对模仿数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量，

选定换热器基本参数如下：

表-5换热器基本参数

项目参数

公称直径/mm800

管子规格/mm019X2

排列方式正三角形

管中心距/mm25

管长/mm4500

公称压力/MPa0.6

换热面积/Of189.8

管程数4

壳程数1

折流板间距/制】600

折流板数6

折流板形式单弓形

⑵换热器机械设计及校核

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管板选取

管板用来固定换热管并起着分隔管程和壳程作用，依照选定换热器公称直径

及操作压力查表可得管板数据，这里选用其默认管板类型为原则单管板。

表1-6管板构造数据

DNDD1D2D3D4D5d2bfb

800930890855797842800233848

③管子与管板连接

由于操作压力不大于4Mpa,且温度低于300℃,因此管子与管板连接采用

胀接。

④管板与壳体连接

管板与壳体连接采用焊接，，该构造在管板上开槽，壳体嵌入后焊接。壳体

对中容易，合用于壳体压力不太高场合。

⑤换热器校核

表『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

士工口管程

设计压力0.4MPa设计压力0.4MPa

设计温度65℃设计温度170C

壳程圆筒内径800.00mm管箱圆筒内径800.00mm

材料名称Q235-B材料名称Q235-B

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

前端管箱筒体计算成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Pc0.40MPa_-.—、

设计温度t170.00°C

内径〃800.00mm

一I)i一

材料Q235-B(板.材）1

1

I

实验温度许用应力［同113.00MPa

---—

设计温度许用应力109.80MPa

实验温度下屈服点5235.00MPa

钢板负偏差G0.80mm

腐蚀裕量C3.00mm

焊接接头系数。0.85

厚度及重量计算

*

计算厚度3=2团“-匕=L72mm

有效厚度5e=8.,~C\-G-8.20mm

名义厚度=12.00mm

重量100.44Kg

压力实验时应力校核

压力实验类型液压实验

片=1.25尸粤=0.5000（或由顾客输入）

实验压力值MPa

压力实验容许通过

回£0.905=211.50MPa

应力水平[c]r

实验压力下

3二〃「屹+之）=28.99

MPa

圆筒应力2瓦

校核条件。区[a]r

校核成果合格

压力及应力计算

RR2JC[<7]7

最大容许工作压力㈤]一（4^c）-L89385MPa

?（*■）°

设计温度下计算应力a=2现=19.71MPa

93.33MPa

校核条件叵。2（J

结论合格

表1-9前端管箱封头计算

前端管箱封头计算成果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件椭圆封头简图

计算压力Pc0.40MPa

设计温度t170.00°C

内径队800.00mm

曲面高度h,200.00mm8c

-、-—,TJ

材料Q235-B（板材）

H----------------E

实验温度许用应力［同113.00MPai----------------

设计温度许用应力

109.80MPa

钢板负偏差G0.80mm

腐蚀裕量C3.00mm

焊接接头系数。0.85

厚度及重量计算

K=1=1.0000

形状系数6

KPQ、

计算厚度8=29r0—0.52=L72mm

有效厚度8,.-8：,~Ci-G-8.20mm

最小厚度&访—1.20mm

名义厚度=12.00mm

结论满足最小厚度规定

重量77.54Kg

压力计算

29r限

最大容许工作压力［对二町+0.54=1.90351MPa

结论合格

表1-10后端管箱筒体计算

后端管箱筒体计算成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Pc0.40MPa

__

设计温度t65.00°C

内径仄900.00mm

Sn

材料Q235-B（板材））i.

实验温度许用应力［司113.00MPa

J

---------1---------

设计温度许用应力113.00MPai

实验温度下屈服点5235.00MPa

钢板负偏差G0.80mm

腐蚀裕量C3.00mm

焊接接头系数。0.85

厚度及重量计算

5

计算厚度=2[a]^-Pc=L88mm

有效厚度3,、=8n~C\-C尸8.20mm

名义厚度8n=12.00mm

重量87.44Kg

压力实验时应力校核

压力实验类型液压实验

片=1.25〃号二0.5000（或由顾客输入）

实验压力值MPa

压力实验容许通过

MW0.905=211.50MPa

应力水平［c］.

实验压力下

Or=。「（-+仇）=32.58

MPa

圆筒应力

校核条件[c]r

校核成果合格

压力及应力计算

rr

最大容许工作压力㈤-（R+/）-1.73444MPa

设计温度下计算应力W=2瓦=22.15MPa

[司。96.05MPa

校核条件[o]'。

结论合格

表1-11后端管箱封头计算

后端管箱封头计算成果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件椭圆封头简图

计算压力P,0.40MPa

设计温度t65.00°C

内径〃900.00mm

曲面高度A200.00mm

材料Q235-B（板材）

实验温度许用应力[G]113.00MPa

设计温度许用应力!•------------Di---------------1

113.00MPa

[a]1

钢板负偏差G0.80mm

腐蚀裕量G3.00mm

焊接接头系数。0.85

厚度及重量计算

二轲=1.1771

形状系数

KPM

计算厚度B0.5=2.21mm

有效厚度3.~C\-C)=8.20mm

最小厚度

8nin=2.70mm

名义厚度&,=12.00mm

结论满足最小厚度规定

重量91.59Kg

压力计算

291t苑e

最大容许工作压力[R]=KOj+0.5瓦=L48120MPa

结论合格

表1-12筒体计算

浮头式换热器筒体计算成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P.0.40MPa

设计温度t65.00°C

内径〃800.00mmI

材料Q235-B（板材）

实验温度许用应力口］113.00MPaIL

设计温度许用应力113.00MPa

实验温度下屈服点6235.00MPaLUJ

钢板负偏差G0.80mm

腐蚀裕量G3.00mm

焊接接头系数。0.85

厚度及重量计算

叫一

计算厚度§=2[cr],^-^=L67mm

有效厚度81?=8n~C\~C=8.20mm

名义厚度标=12.00mm

重量1081.33Kg