列管式換熱器設計正文14頁

1、 廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 摘 要在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置成為熱交換器，簡稱為換熱器。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不用類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算，并確定換熱器的結構尺寸、材料。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。

2、所需材質 ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。 關鍵詞：溫度 傳熱面積 結構尺寸 材料 1.前言1.1列管式換熱器設計的意義 換熱器是建筑采熱取暖生產(chǎn)中必不可少的設備，近幾年由于新技術的發(fā)展，各種類型的換熱器越來越受工業(yè)界的重視，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關鍵的設備，廣泛應用于化工、醫(yī)藥、食品飲料、酒精生產(chǎn)、制冷、民用等工藝；因此，無論是從工業(yè)的發(fā)展還是從能源的有效利用，換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的

3、意義。1.2列管式換熱器的工作原理進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動,稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。按換熱方式可分為單殼程單管程換熱器、雙管程、多管程、多殼程換熱器。 最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩

4、端管箱內(nèi)設置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣， 管殼式換熱器為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。1.3列管式換熱器的優(yōu)點 單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍 寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。1.4列管式換熱器的結構殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。 一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。1.4.1 列管式換熱器的折流擋板 為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安

5、裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺盤和圓盤形兩種，前者更為常用。 圖1 圓缺形列管式換熱器 圖2 圓盤形列管式換熱器 1.4.2 列管式換熱器的多殼程換熱器列管式換熱器必須從結構上考慮熱膨脹的影響，采取各種補償?shù)霓k法，消除或減小熱應力，根據(jù)所采取的溫差補償措施。為了克服溫差應力 必須有溫差補償裝置 ，一般在管壁與殼壁溫度相差60以上時，為了安全起見，換熱器應有溫差補償裝置，但補償裝置（膨脹節(jié)），只能在殼壁與管壁溫度低于6070和殼程流體壓強不高的情況下。一般殼程壓強超過0.

6、6MP時才會由于補償圈過厚，難于伸縮，失去溫差 補償?shù)淖饔?，就用考慮其他結構。1.5 列管式換熱器的種類1.5.1 固定管板式換熱器 這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。1.5.2 浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與

7、外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹的不同而產(chǎn)生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。圖3 浮頭式換熱器1.5.3 U形管式換熱器 U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。1.5.4 填料函

8、式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。 設計內(nèi)容 已知條件：(1) ，反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量為227301 kg/h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為29，出口溫度為39 (2) 混和氣體在85下的有關物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）：密度 1 = 90 kg/m3定壓比熱容 cp1 = 3.297 kJ/(kg)熱導率 1 = 0.027

9、9 W/(m)粘度 1 = 1.5×10-5 Pas循環(huán)冷卻水在34 下的物性數(shù)據(jù)：密度 2 = 994.3 kg/m3定壓比熱容 cp2 = 4.174 kJ/(kg)熱導率 2 = 0.624 W/(m)粘度 2 = 0.742×10-3 Pas2確定設計方案2.1 選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度110，出口溫度60。冷流體（循環(huán)水）進口溫度29，出口溫度39。該換熱器冷卻熱的混合氣體，傳熱量較大，可預計排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作，因此不選用膨脹節(jié)。2.2 流動空間及流速的確定單從兩物流的

10、操作壓力看，混合氣體操作壓力高達6.9MPa，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應使較大的循環(huán)水（一般氣體<液體）走管內(nèi)。所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。選用25mm×2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)循環(huán)水流速取1.3m/s。3 換熱器結構尺寸設計3.1、管徑和管內(nèi)流速選用25mm×2.5mm傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.3m/s。3.2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。ns = = 615 (根)按單程管計算，所需的傳熱

11、管長度為L = = = 12.0(m)按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長L = 6.0(m)，則該換熱器管程數(shù)為NP = L/l = 12.0/6.0 = 2(管程)傳熱管總根數(shù)N = 615×2 = 1230(根)3.3 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。因為殼程流體壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距a = 1.25do，則a = 1.25×2532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離=a/2+6=32/2+6=22mm 則分程隔板槽兩側相鄰管中心距Sn = 44mm。圖4 隔板橫過

12、管束中心線的管數(shù)n = 1.19 = 1.19 = 42(根)3.4 殼體內(nèi)徑采用多管程結構，取管板利用率= 0.7，則殼體內(nèi)徑為：D = 1.05a = 1.05×32 = 1408.5(mm) 圓整可取D = 1400 mm3.5 折流板采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h = 0.25D = 0.25×1400 = 350(mm)取折流板間距B = 0.3D = 0.3×1400 = 420(mm)折流板數(shù)NB = 傳熱管長/折流板間距-1 = 6000/420-1 = 14(塊) 圖5 折流板圓缺面水平裝配3.6 接管

13、管程流體進、出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為3.0m/s，則接管內(nèi)徑為：d = = = 0.326(m)圓整取350mm。殼程流體進、出口接管：取接管內(nèi)混合氣體流速為10.0m/s，則接管內(nèi)徑為：d = = = 0.299(m)圓整取300mm。3.7 傳熱面積SS = = = 413.41(m2)該換熱器的實際傳熱面積Sp = doLn = 3.14×0.025×(6.0-0.06)×(1230-42) = 554.23(m2)該換熱器的面積裕度為：H = (Sp-S)/S×100% = (554.23-413.41)/ 413.41×100%

14、 = 34.1%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。4換熱器的材料設計換熱器的設計，初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作換熱器的制作材料應該根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選取。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具耐熱性、高強度及耐腐性的材料是很少的餓，目前，常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬性材料有石墨、聚四佛乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然扛腐蝕性能好，但價價格高且比較缺稀，應盡量少用。5 換熱器主要結構尺寸和計算結果 表1 項目 結果 推薦使用材料 碳鋼 管子規(guī)格 25×2.5

15、管數(shù) 1230 管間距/mm 32 管長/mm 6000 管體內(nèi)徑/mm 1400 排列方式 正三角形 折流板形式 上下 間距/mm 420 切高/mm 350 6設計評述固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結構簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，本設計由于換熱任務較大，故管數(shù)較多。由于這種結構使殼側清洗困難，所以殼程走不易結垢的混合氣體。在設計過程中應盡量做到：1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的情況下，盡量選擇較高的流速。2、提高平均溫差。對于無相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。3、妥善布

16、置傳熱面。本設計采用合適的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。并且錯列管束的傳熱方式比并列的好。管殼式換熱器由一個殼體和包含許多管子的管束所構成，冷、熱流體之間通過管壁進行換熱的換熱器。管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在化工、煉油、石油化工、動力、核能和其他工業(yè)裝置中得到普遍采用，特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應用占據(jù)絕對優(yōu)勢。通常的工作壓力可達4兆帕，工作溫度在200以下，在個別情況下還可達到更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800毫米以下，管子長度在9米以下,在個別情況下也有更大或更長的。工作結構及其工作原理，圖為固定管板式換熱器的構造（

17、附圖）。A流體從接管1流入殼體內(nèi)，通過管間從接管2流出。B流體從接管3流入,通過管內(nèi)從接管4流出。如果A流體的溫度高于B流體,熱量便通過管壁由A流體傳遞給B流體；反之，則通過管壁由B流體傳遞給A流體。殼體以內(nèi)、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程，通過殼程的流體稱為殼程流體 (A流體)。管子和管箱以內(nèi)的區(qū)域稱為管程,通過管程的流體稱為管程流體(B流體)。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構成。通常殼體為圓筒形;管子為直管或U形管。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置有等邊三角形、正方形、正方形斜轉45°和同心圓形等多種形式，前3 種最為常見。按三角形布

18、置時，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機械方法清洗，流體阻力也較大。管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設置一些折流板，引導殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時對管子起支承作用。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內(nèi)縱向設置分程隔板，將殼程分為2程和將管程分為2程、4程、6程和8程等。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水-水換熱時為14002850瓦每平方米每攝氏度W/(m();用水冷卻氣體時,為10280W/(m()；用水冷凝水蒸汽時,為5704000W/(m()。 圖6固定管板式換熱器 7符號說明14 B折流板間距，m； C系數(shù)，無量綱； d管徑，m； D換熱器外殼內(nèi)徑，m； f摩擦系數(shù)； L管長，m； m程數(shù)； n指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)； N管數(shù)、程數(shù)； NB折流板數(shù)；P壓力，Pa；r半徑，m； S（或A）傳熱面積，m2；t冷流體溫度，；a(或t)管心距，m；密度，kg/m3；h熱流體；i管內(nèi)； 參考資料1 馬江權，冷一欣.化工原理課程設計，北京：中國石化出版社，20092 柴誠敬，劉國維，李阿娜.化工原理