列管换热器设计Word文档下载推荐.doc

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论文类型：

工程设计

III

Thedesignoftheshellandtubeheatexchanger

ABSTRACT

Heatexchangeriswidelyusedinchemical,petroleum,refrigeration,foodandmanyotherindustriesastheheatexchangeequipment.Withtherapiddevelopmentofthechemicalindustryandenergyprices,improvetheinvestmentproportionofheatexchangerwillbefurtherincreased.Becauseofitshavesolidstructure,largeapplicabilityandgreatmaterialrange,inallheattransmissionequipment,theinvestmentofthetubularheatexchangeris50-70%.

Thisdesignismainlydirectedagainsttheheattransfertasksandoperatingconditionsofheatexchangerchoosingdeterminethestructuresize.Thepurposeistotrytograspthebasicchemicaltechnology,thecalculationmethodofsuchheattransmissionequipment,acquaintthestructureprinciple,andacquaintCADsoftwaretodrawingequipmentpicture.

Inthethesis,usingdifferentmethods,preliminarypresumetheconductivity,theappropriateassumptionsabouttheheatexchangertypethenaccountingandcalculation,finallydeterminedthestructureoftheequipmentandthesizeofheatexchanger,andthroughthebasicparametersofthefixedtubularheatexchanger,makethestructuresizeandcanmeettherequirementsforhottask.

Keywords:

Tubeheatexchanger,Design,Calculation,Drawing

Thesis:

Engineeringdesign

目录

1绪论 1

1.1换热器概述 1

1.1.1列管换热器的分类 1

1.1.2列管换热器结构与主要附件 3

1.2换热器相关技术研究内容及发展动向 4

1.3本课题的研究内容及意义 4

2工艺条件的选择 7

2.1列管换热器类型的选择 7

2.2流体流径管程和壳程的选择 7

2.3流体流速的选择 7

2.4加热剂和冷却剂的选择 8

2.5适宜出口温度的选择 8

2.6设备材质与规格的选择 8

3列管式换热器的化工计算 9

3.1确定物性数据 9

3.2估算传热面积 9

3.2.1热流量 9

3.2.2平均传热温差 9

3.2.3冷却水用量 9

3.2.4估算传热面积 10

3.2.5平均传热温差矫正 10

3.3工艺结构计算 11

3.3.1管径和管内流速 11

3.3.2管程数和传热管数 11

3.3.3传热管排列和分程方法 11

3.3.4管壳内径 12

3.3.5折流板 12

3.3.6接管 12

4列管式换热器的核算 13

4.1热量核算 13

4.1.1壳程对流传热系数 13

4.1.2管程对流传热系数 13

4.1.3传热系数K 14

4.1.4传热面积S 14

4.2换热器内流体的流动阻力核算 15

4.2.1管程流动阻力 15

4.2.2壳程阻力 15

4.3换热器主要结构尺寸和计算结果及设备图 17

5总结 19

参考文献 20

致谢 21

榆林学院本科毕业设计（论文）

1绪论

1.1换热器概述

换热器是化工、石油、制冷、食品、动力等其他许多工业部门中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占重要的地位[1]。

并伴随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大。

换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。

在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。

此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。

1.1.1列管换热器的分类

常见的列管式换热器类型很多，目前在工业中广泛使用的主要有以下四种：

（1）固定管板式换热器

这类换热器的主要特点是它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，而且紧凑排列，因此壳程检修和清洗困难，所以壳程中走的必须是易清洗，不易产生垢层和腐蚀的介质。

当管束和壳体之间温差较大时会产生热膨胀，导致管子和管板之间脱开，从而发生介质泄露。

为此常在外壳上焊膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。

所以这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合[1]。

图1-1固定板式换热器

（2）浮头式换热器

该类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束间不会由于膨胀量而产生热应力，而且清洗容易，所以它通常适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀或结垢的场合。

该类换热器结构复杂且笨重，造价比固定管板式高20%左右，材料消耗量大，而且浮头的端盖在操作时无法检查。

所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生泄漏，管束和壳体的间隙较大，在设计是要避免短路。

壳程的压力也会受滑动接触面的密封限制。

图1-2浮头式换热器

（3）U型管式换热器

该类换热器的管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；

管程为双管程，流程较长，流速高，传热性能好，且结构简单便于检修，但管内清洗不便。

又因其管束中间部分存在空隙，使壳程流体易于短路而影响换热。

此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用管壁较厚的管子。

所以该类换热器仅适用于管壳壁温相差大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢、高温、高压的场合。

图1-3U型管式换热器

（4）填料函式换热器

这类换热器的结构特点是浮头与管壳间被填料函密封的同时，允许管束自由伸长，这种结构特别适用于介质腐蚀性较严重，温差较大且要经常更换管束的冷却器。

因为它有浮头式的优点，又克服了固定管板式的不足，结构比浮头式的简单，制作比浮头式方便，清洗检修比浮头式容易，泄漏时能及时发现。

但这种换热器的填料密封性能较差，故在操作温度压力较高的工况及大直径壳体下很少使用。

壳程内介质具有易挥发、易燃、易爆及剧毒性质时也不宜使用。

图1-4填料函式换热器

1.1.2列管换热器结构与主要附件

管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。

管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要有承受一定温度和压力的能力。

壳程结构的主要附件[9]：

（1）旁通挡板果壳体与管束之间间隙过大，则流体不通过管束而通过这个间隙旁通，为了防止这种情形，往往采用旁通挡板。

（2）假管了减少管程分程所引起的中间穿流的影响，可设置假管。

（3）拉杆和定距管了使折流板能牢靠的保持在一定位置上，通常采用拉杆和定距管。

（4）缓冲板可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的额侵蚀和管束振动，还可使流体沿管束均匀分布的作用。

（5）折流板壳程管束中，折流板用以引导流体横向流过管束，增加流速，以增强传热，增大管程流体的传热系数；

同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。

管程结构的主要附件：

（1）管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程与壳程的流体分隔开来。

管板与客体的连接有可拆和不可拆两种，固定管板常采用不可拆连接。

（2）封头壳体直径较小时采用封头。

（3）管箱壳径较大的换热器采用管箱结构。

管箱卫宇换热器的两端，其作用是把从关东输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起输送出换热器[9]。

（4）分程隔板需要换热面很大时，可采多管程换热器，对于多管程换热器。

在管箱内应设置分程隔板。

1.2换热器相关技术研究内容及发展动向

随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展。

目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。

目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：

采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；

用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；

将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；

将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；

改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。

换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：

防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。

随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展。

1.3本课题的研究内容及意义

本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算。

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。

它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。

本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。

近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。

故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。

换热器的作用可以是以热量交换为目的。

在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；

也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；

也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。

列管式换热器在化工生产中主要作为加热器、蒸发器或再沸器及冷凝器使用。

它与一些新型高效紧凑型换热器相比，有换热效率低、设备结构不紧凑和金属消耗量大等缺点，但这类换热器的制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠而适用于操作温度大且压力范围较大的场合。

在这些不同的传热过程中，有些为无相变的传热，有些为有相变的传热，它们具有不同的传热机理，遵循不同的流体力学和传热规律，因此再设计上存在一些差别。

本次设计研究的是无相变的传热过程，并且是对固定管板式换热器的设计，没有相关的工艺过程设计，其设计步骤如下[3]：

（1）根据生产任务及有关要求确定换热器的设计方案；

（2）根据换热任务选择合适的换热器并估算传热面积；

（3）计算管壳程压力降确定其是否合理其后进行有关数据的核算；

（4）换热器尺寸的确定及有关构件的选择；

（5）绘制固定管板式换热器的设备图；

（6）编写出该设备的设计说明书。

2工艺条件的选择

2.1列管换热器类型的选择

本次设计两流体温度变化情况：

热流体进口温度140，出口温度40；

冷流体（循环水）进口温度30，出口温度40。

该换热器使用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计换热器的壁温和壳体温度之差较大，因此初步选定带膨胀节的固定管板式换热器。

2.2流体流径管程和壳程的选择

在非相变流体传热的列管式换热器中，流体流径管程和壳程的选择主要从以下几方面考虑[4]：

（1）不易结垢的或不洁净的物料应当流经易于清洗的一侧。

（2）温度很高（或很低）的物料宜走管内宜减少热量（冷量）损失的部分，也可减少对特种金属的需求，降低换热器成本；

但要求被冷却的流体宜走壳程，便于散热。

（3）有腐蚀的流体应在管内流过，以避免管束和壳体同时受到腐蚀。

（4）压力高的流体流经管内，因为管直径小，承受高压能力好，同时避免高压外壳和高压密封，也降低了成本[5]。

（5）饱和蒸汽一般通入壳程，因饱和蒸汽比较清洁，传热系数与流速关系较小且又便排除洁净冷凝液。

（6）被冷却物料一般走壳程便于散热。

上述原则可能相互对立，在实际的使用中要根据对实际情况的具体分析来选择流体的流径。

本次设计中，由于循环冷却水较易结垢，以便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。

2.3流体流速的选择

当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热面积减少，结构紧凑成本较低，一般也可抑制污垢的产生，但流速过大也会带来一些不利的影响。

如流速过大会使通过换热器的压力将增大，输送流体的动力消耗增加[6]。

从而提高了操作费用。

可见，要选取比较适宜的流速，需经过全面分析比较才能确定。

换热器常用流速的范围见表2-1[1]。

表2-1换热器常用流速的范围

介质

流速

循环水

新鲜水

一般液体

易结垢液体

低粘度油

高粘度油

气体

管程流速m/s

1.0~2.0

0.8~1.5

0.5~3

>

1.0

0.8~1.8

0.5~1.5

5~30

壳程流速m/s

0.2~1.5

0.5

0.4~1.0

0.3~0.8

2~15

2.4加热剂和冷却剂的选择

可以用作加热剂和冷却剂的物料很多，列管式换热器常用的加热剂有饱和水蒸气、烟道气和热水等，常用的冷却剂有水、空气和氨等。

在选择加热剂和冷却剂时主要考虑来源方便，有足够温差，价格低廉，使用安全等因素。

2.5适宜出口温度的选择

换热器的设计中，工艺流体的进出口温度是由工艺条件决定，加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的，但其出口温度由设计者选定。

该温度直接影响加热剂或冷却剂的耗量和换热器的大小，所以此温度有一个优化问题[7]。

2.6设备材质与规格的选择

换热管的材料要根据操作压力，温度强化传热也可采用异型管，翅片管，螺纹管等。

一般换热器常用的材料有碳钢和不锈钢两种。

（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。

（2）不锈钢这类材料有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐蚀性和冷加工性能。

本次设计中物料均为无腐蚀性介质，故该固定管板式换热器的管程与壳程均选用碳钢材料。

换热器的管子构成换热器的传热面，管子的大小和形状对传热有较大影响[8]。

针对管子中所流物体情况采用大或小直径管子，若用小直径管子时换热器单位体积的传热面积大，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也稍高，但制造麻烦，且易积污，不易清洗，应用于清洁的流体。

大管子则用于粘性大或污浊的流体。

一般传热管尺寸以国际规定选用。

国际常用换热管规格有192mm、252mm（1Gr18Ni9Ti）、252.5mm（碳钢）。

结合设计任务与操作条件分析，我们选用252.5mm（碳钢）作为换热器的传热管。

3列管式换热器的化工计算

3.1确定物性数据

定性温度：

可取流体进出口温度的平均值。

壳程油的定性温度为

管程流体的定性温度为

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据[8]。

煤油在90下的有关物性数据如下：

密度

定压比热容

导热系数

粘度

循环冷却水在35下的物性数据：

3.2估算传热面积

3.2.1热流量

（3-1）

3.2.2平均传热温差

（3-2）

3.2.3冷却水用量

（3-3）

3.2.4估算传热面积

由于壳程气体的压力较小，故可取较小的K值。

首先假设K=230W/（m.）。

则估算的传热面积为

（3-4）

3.2.5平均传热温差矫正

平均传热温差校正系数[2]

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查表3-1[1]对数平均温差校正系数

得

平均传热温差

（3-5）

图3-1对数平均温差校正系数

3.3工艺结构计算

3.3.1管径和管内流速

选用252.5mm（碳钢）作为壳程内的传热管

3.3.2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

（3-6）

按单管程计算，所需的传热管长度为

（3-7）

按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，换热器管子的长度与换热器的长径比有关。

相同的传热面积，管子越长，壳体封头的直径和壁厚越小，结构就越经济合理。

但长到一定程度，这种经济效果就不会再显著，会因管子过长给换热器的清洗、运输、安装带来麻烦[8]。

因此我国传热管长度规格定义为1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm等，其中6000mm以上的管长只适用于大传热面积的换热器[2]。

先取传热管长为=6m

（3-8）

传热管总根数

3.3.3传热管排列和分程方法

采用组合排列法，及每程内均按正三角形排列，三角形排列方式适用于壳程介质清洁及不需要进行机械清洗地场合。

正三角形排列法在一定的管板面积上可配置较多的管子数[10]。

隔板两侧采用正方形排列。

这种排列方式最不紧凑，但便于机械清洗。

这两种排列方法结合其目的是便于安排隔板位置。

取管心距，则

横过管束中心线的管数

（3-9）

3.3.4管壳内径

采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为

（3-10）

圆整后可取

3.3.5折流板

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，故可取h=100mm。

由于换热器的功用不同，以及壳程介质的流量黏度等不同，折流板间距亦不同，其系列为[3]：

100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、800mm、1000mm。

所以可取折流板间距，则则可取B为150mm,则可得出

（3-11）

在该设计中将折流板圆缺面上下方向排列，这种排列方式可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数，这种排列方式最为常用。

3.3.6接管

壳程流体进出口接管：

取接管内油品流速为，则接管内直径为

（3-12）

取标准管径为50mm。

管程流体进出口接管：

取接管内循环水流速为。

则接管内径为

取标准直径为80mm。

4列管式换热器的核算

4.1热量核算

4.1.1壳程对流传热系数

当圆缺形折流板（25%），且时可采用克恩公式[9]

（4-1）

特征尺寸为当量直径，由正三角形排列得[4]

（4-2）

壳程流通截面积

（4-3）

壳程流体流速及其雷诺数分别为

（4-4）

普兰特准数[2]

（4-5）

粘度校正

4.1.2管程对流传热系数

管程流通截面积

（4-6）

管程流体流速

（4-7）

普兰特常数

（4-8）

（4-9）

4.1.3传热系数K

（4-10）