列管式換熱器的設計和選課件

列管式換熱器的設計和選用

編輯課件列管式換熱器的設計和選用編輯課件1冷、熱流體流動通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。

b)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。

c)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。

d)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關，而且冷凝液容易排出。

e)流量小而粘度大（）的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達到湍流。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結構，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

f)若兩流體溫差較大，對于剛性結構的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應力。

g)需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。編輯課件冷、熱流體流動通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結垢的2流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導致管路堵塞，嚴重影響到設備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗，表1及表2列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。

編輯課件流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)?傳熱總系數(shù)Ｋ的確定計算Ｋ值的基準面積，習慣上常用管子的外表面積。當設計對象的基準條件（設備型式、雷諾準數(shù)Re、流體物性等）與某已知Ｋ值的生產(chǎn)設備相同或相近時，則可采用已知設備Ｋ值的經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為自己設計的Ｋ值。表3為常見列管式換熱器Ｋ值的大致范圍。由表3選取大致Ｋ值。編輯課件傳熱總系數(shù)Ｋ的確定編輯課件4用下式進行Ｋ值核算。

式中：－給熱系數(shù)，W/m2.℃；R－污垢熱阻，m2.℃／W；δ－管壁厚度，mm；λ－管壁導熱系數(shù)，W/m.℃；下標ｉ、ｏ、ｍ分別表示管內(nèi)、管外和平均。當時近似按平壁計算，即：

在用上式計算Ｋ值時，污垢熱阻、通常采用經(jīng)驗值，常用的污垢熱阻大致范圍可查《化工原理》相關內(nèi)容。

式中的給熱系數(shù)，在列管式換熱器設計中常采用有關的經(jīng)驗值公式計算給熱系數(shù)，工程上常用的一些計算的經(jīng)驗關聯(lián)式在《化工原理》已作了介紹，設計時從中選用。

編輯課件用下式進行Ｋ值核算。編輯課件5流動方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復雜流動。當流量一定時，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導致流體阻力損失，即輸送流體的動力費用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時，需權衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。

當采用多管程或多殼程時，列管式換熱器內(nèi)的流動形式復雜，對數(shù)平均值的溫差要加以修正。編輯課件流動方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、6換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結垢的流體，管徑應取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過多。目前我國試行的系列標準規(guī)定采用25×2.5和19×2兩種規(guī)格，對一般流體是適應的。此外，還有38×2.5，φ57×2.5的無縫鋼管和25×2,38×2.5的耐酸不銹鋼管。

按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長度。實際所取管長應根據(jù)出廠的鋼管長度合理截用。我國生產(chǎn)的鋼管長度多為6m、9m，故系列標準中管長有1.5，2，3，4.5，6和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時，管子的長度又應與管徑相適應，一般管長與管徑之比，即L/D約為4～6。

編輯課件換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大7換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖a，圖b）。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對易結垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝（圖c），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

編輯課件換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖8折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當。

對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。由圖3可以看出，弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生"死區(qū)"，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。

擋板的間距對殼體的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍。我國系列標準中采用的擋板間距為：

固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七種

浮頭式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八種。

編輯課件折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為9流體通過換熱器時阻力的計算

換熱器管程及殼程的流動阻力，常常控制在一定允許范圍內(nèi)。若計算結果超過允許值時，則應修改設計參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗，對于液體?？刂圃?04～105Pa范圍內(nèi)，對于氣體則以103～104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。換熱器操作允許壓降△P換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降△P<105(絕對壓力)

0～105(表壓)

>105(表壓)0.1Pa

0.5Pa

>5×104Pa編輯課件流體通過換熱器時阻力的計算

換熱器管程及殼程的流動阻力，10管程阻力損失編輯課件管程阻力損失編輯課件11殼程阻力損失

編輯課件殼程阻力損失編輯課件12編輯課件編輯課件13圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關系

編輯課件圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關系編輯課件14列管式換熱器的設計和選用的計算步驟

1初選換熱器的規(guī)格尺寸

◆初步選定換熱器的流動方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應改變流動方式，重新計算。

◆計算熱流量Q及平均傳熱溫差△tm，根據(jù)經(jīng)驗估計總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。

◆選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長度及排列。2計算管、殼程阻力

在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎上，就可以計算管、殼程流速和阻力，看是否合理?；蛘呦冗x定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計算壓力降是否合理。這時NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進行計算，直到合理為止。

編輯課件列管式換熱器的設計和選用的計算步驟1初選換熱器的規(guī)格尺寸153核算總傳熱系數(shù)

分別計算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計，并與估算時所取用的傳熱系數(shù)K估進行比較。如果相差較多，應重新估算。

4計算傳熱面積并求裕度

根據(jù)計算的K計值、熱流量Q及平均溫度差△tm，由總傳熱速率方程計算傳熱面積A0，一般應使所選用或設計的實際傳熱面積AP大于A020%左右為宜。即裕度為20%左右，裕度H的計算式為

編輯課件3核算總傳熱系數(shù)

分別計算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定16推薦的設計程序1、作出流程簡圖。2、按生產(chǎn)任務計算換熱器的換熱量Q。3、選定載熱體，求出載熱體的流量。4、確定冷、熱流體的流動途徑。5、計算定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（密度、比熱、導熱系數(shù)等）。6、初算平均傳熱溫度差。7、按經(jīng)驗或現(xiàn)場數(shù)據(jù)選取或估算Ｋ值，初算出所需傳熱面積。8、根據(jù)初算的換熱面積進行換熱器的尺寸初步設計。包括管徑、管長、管子數(shù)、管程數(shù)、管子排列方式、殼體內(nèi)徑（需進行圓整）等。9、核算Ｋ。10、校核平均溫度差。11、校核傳熱量，要求有15－25％的裕度。12、管程和殼程壓力降的計算。編輯課件推薦的設計程序編輯課件17列管式換熱器設計任務書1某合成廠的乙醇車間在節(jié)能改造中，為回收精餾系統(tǒng)內(nèi)塔釜液的熱量，用其釜液將原料液從95℃預熱至125℃，原料液及釜液均為乙醇水溶液，其操作條件列表如下：

物料流量kg/h組成（含乙醇量）mol%溫度℃操作壓力MPa進口出口釜液1200003.3145

0.9原料液1050007951250.53編輯課件列管式換熱器設計任務書1某合成廠的乙醇車間在節(jié)能改造中，為182苯－甲苯精餾塔頂冷凝器設計生產(chǎn)能力（精餾塔進料量）

90000噸／年操作周期

7200

小時／年進料組成

苯含量25％

（質(zhì)量分率，下同）塔頂產(chǎn)品組成

≥97％

塔底產(chǎn)品組成≤1%

操作條件：塔頂操作壓力

自

選

（表壓）進料熱狀態(tài)

泡點進料

兩側流體的壓降：

≯7kPa

工作地點：蘭州

編輯課件2苯－甲苯精餾塔頂冷凝器設計編輯課件19列管式換熱器的設計和選用

編輯課件列管式換熱器的設計和選用編輯課件20冷、熱流體流動通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。

b)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。

c)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。

d)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關，而且冷凝液容易排出。

e)流量小而粘度大（）的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達到湍流。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結構，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

f)若兩流體溫差較大，對于剛性結構的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應力。

g)需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。編輯課件冷、熱流體流動通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結垢的21流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導致管路堵塞，嚴重影響到設備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗，表1及表2列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。

編輯課件流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)?2傳熱總系數(shù)Ｋ的確定計算Ｋ值的基準面積，習慣上常用管子的外表面積。當設計對象的基準條件（設備型式、雷諾準數(shù)Re、流體物性等）與某已知Ｋ值的生產(chǎn)設備相同或相近時，則可采用已知設備Ｋ值的經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為自己設計的Ｋ值。表3為常見列管式換熱器Ｋ值的大致范圍。由表3選取大致Ｋ值。編輯課件傳熱總系數(shù)Ｋ的確定編輯課件23用下式進行Ｋ值核算。

式中：－給熱系數(shù)，W/m2.℃；R－污垢熱阻，m2.℃／W；δ－管壁厚度，mm；λ－管壁導熱系數(shù)，W/m.℃；下標ｉ、ｏ、ｍ分別表示管內(nèi)、管外和平均。當時近似按平壁計算，即：

在用上式計算Ｋ值時，污垢熱阻、通常采用經(jīng)驗值，常用的污垢熱阻大致范圍可查《化工原理》相關內(nèi)容。

式中的給熱系數(shù)，在列管式換熱器設計中常采用有關的經(jīng)驗值公式計算給熱系數(shù)，工程上常用的一些計算的經(jīng)驗關聯(lián)式在《化工原理》已作了介紹，設計時從中選用。

編輯課件用下式進行Ｋ值核算。編輯課件24流動方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復雜流動。當流量一定時，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導致流體阻力損失，即輸送流體的動力費用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時，需權衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。

當采用多管程或多殼程時，列管式換熱器內(nèi)的流動形式復雜，對數(shù)平均值的溫差要加以修正。編輯課件流動方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、25換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結垢的流體，管徑應取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過多。目前我國試行的系列標準規(guī)定采用25×2.5和19×2兩種規(guī)格，對一般流體是適應的。此外，還有38×2.5，φ57×2.5的無縫鋼管和25×2,38×2.5的耐酸不銹鋼管。

按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長度。實際所取管長應根據(jù)出廠的鋼管長度合理截用。我國生產(chǎn)的鋼管長度多為6m、9m，故系列標準中管長有1.5，2，3，4.5，6和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時，管子的長度又應與管徑相適應，一般管長與管徑之比，即L/D約為4～6。

編輯課件換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大26換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖a，圖b）。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對易結垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝（圖c），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

編輯課件換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖27折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當。

對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。由圖3可以看出，弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生"死區(qū)"，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。

擋板的間距對殼體的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍。我國系列標準中采用的擋板間距為：

固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七種

浮頭式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八種。

編輯課件折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為28流體通過換熱器時阻力的計算

換熱器管程及殼程的流動阻力，常?？刂圃谝欢ㄔ试S范圍內(nèi)。若計算結果超過允許值時，則應修改設計參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗，對于液體?？刂圃?04～105Pa范圍內(nèi)，對于氣體則以103～104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。換熱器操作允許壓降△P換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降△P<105(絕對壓力)

0～105(表壓)

>105(表壓)0.1Pa

0.5Pa

>5×104Pa編輯課件流體通過換熱器時阻力的計算

換熱器管程及殼程的流動阻力，29管程阻力損失編輯課件管程阻力損失編輯課件30殼程阻力損失

編輯課件殼程阻力損失編輯課件31編輯課件編輯課件32圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關系

編輯課件圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關系編輯課件33列管式換熱器的設計和選用的計算步驟

1初選換熱器的規(guī)格尺寸

◆初步選定換熱器的流動方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應改變流動方式，重新計算。

◆計算熱流量Q及平均傳熱溫差△tm，根據(jù)經(jīng)驗估計總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。

◆選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長度及排列。2計算管、殼程阻力

在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎上，就可以計算管、殼程流速和阻力，看是否合理?；蛘呦冗x定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計算壓力降是否合理。這時NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進行計算，直到合理為止。

編輯課件列管式換熱器的設計和選用的計算步驟1初選換熱器的規(guī)格尺寸343核算總傳熱系數(shù)

分別計算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計，并與估算時所取用的傳熱系數(shù)K估進行比較。如果相差較多，應重新估算。

4計算傳熱面積并求裕度

根據(jù)計算的K計值、熱流量Q及平均溫度差△tm，由總傳熱速率方程計算傳熱面積A0，一般應使所選用或設計的實際傳熱面積AP大于A020%左右為宜。即裕度為20%左右，裕度H