列管式換熱器

1、蘇州科技學(xué)院化學(xué)生物與材料工程學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 列管式換熱器設(shè)計(jì)年級(jí)11 級(jí)專業(yè)應(yīng)用化學(xué)設(shè)計(jì)者姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師完成日期目錄第一章 文獻(xiàn)綜述第一節(jié) 概述一、 換熱器的概念二、 換熱器的分類三、 列管式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介四、 列管式換熱器選型的工藝計(jì)算步驟五、換熱器設(shè)備應(yīng)滿足的基本要求第二節(jié) 列管式換熱器結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)一、 管束及殼程分程二、 傳熱管三、 管的排列及管心距四、 折流板和支撐板五、 旁路擋板和防沖擋板六、 其他主要附件七、 列管式換熱器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)第三節(jié) 設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)選擇一、 冷卻劑和加熱劑的選擇二、 冷熱流體通道的選擇三、 流速的選擇四、 流向的選擇第二章 列管式換熱器的設(shè)

2、計(jì)計(jì)算第一節(jié) 換熱面積的估算一、計(jì)算熱負(fù)荷二、 估算傳熱面積第二節(jié) 換熱器及主要附件的試選一、試選管型號(hào)二、換熱器結(jié)構(gòu)一些基本參數(shù)的選擇第三節(jié) 換熱器校核一、核算總傳熱系數(shù)二、核算壓強(qiáng)降第四節(jié) 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表第三章 設(shè)計(jì)總結(jié)、感想及有關(guān)問(wèn)題分析討論參考文獻(xiàn)第一章 文獻(xiàn)綜述第一節(jié) 概述一、換熱器的概念換熱器（英語(yǔ)翻譯：heat exchanger），是將熱流體的部分熱量給冷流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)的熱量交換設(shè)備，又稱熱交換器。二、換熱器的分類根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。 （1） 固定管板式換熱器 這類換熱器如圖1

3、-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)余構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)式殼測(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏（2）U型管換熱器 U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器(見圖1-2)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難；喲由于

4、管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高。此外，其造價(jià)比管定管板式高10%左右。（3）. 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。（4）.填料函式換熱器 其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采

5、用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過(guò)填料函外樓，對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用三、列管式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收必須遵循中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) “鋼制管殼式（即列管式）換熱器” (GB 151)執(zhí)行。按該標(biāo)準(zhǔn)，換熱器的公稱直徑做如下規(guī)定：卷制圓筒，以圓筒內(nèi)徑作為換熱器公稱直徑，mm;鋼管制圓筒，以鋼管外徑作為換熱器的公稱直徑，mm。換熱器的傳熱

6、面積：計(jì)算傳熱面積，是以傳熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算所得到的管束外表面積的總和（m2)。公稱傳熱面積，指經(jīng)圓整后的計(jì)算傳熱面積。換熱器的公稱長(zhǎng)度：以傳熱管長(zhǎng)度（m)作為換熱器的公稱長(zhǎng)度。傳熱管為直管時(shí)，取直管長(zhǎng)度；傳熱管為U型管時(shí)，取U管的直管段長(zhǎng)度。該標(biāo)準(zhǔn)還將列管式換熱器的主要組合部件分為前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu) (包括管束）三部分，詳細(xì)分類及代號(hào)見文獻(xiàn)3，5。該標(biāo)準(zhǔn)將換熱器分為I、兩級(jí)，I級(jí)換熱器采用較高級(jí)冷拔傳熱管，適用于無(wú)相變傳熱和易產(chǎn)生振動(dòng)的場(chǎng)合。級(jí)換熱器采用普通級(jí)冷拔傳熱管，適用于再沸、冷凝和無(wú)振動(dòng)的一般場(chǎng)合。列管式換熱器型號(hào)的表示方法如下：- - - -

7、- - 1. 1第一個(gè)字母代表前端管箱形式 2第二個(gè)字母代表殼體形式 3第三個(gè)字母代表后端結(jié)構(gòu)形式 2 公稱直徑（mm） 對(duì)于釜式重沸器用分?jǐn)?shù)表示，分子為管箱內(nèi)直徑，分母為圓筒內(nèi)直徑3 管/殼程設(shè)計(jì)壓力（Mpa）。壓力相等時(shí)只寫Pt4 公稱換熱面積（） 5 當(dāng)采用Al,Cu,Ti 換熱管時(shí)，應(yīng)在LN/d 后面加材料瓊等號(hào)，如LN/D Cu LN - - -公稱長(zhǎng)度 ，m d - - -換熱管外經(jīng) mm6 管/殼程數(shù)。單殼程時(shí)只寫Nt 7 I-I級(jí)（換熱器）管束 采用較高級(jí)冷拔換熱管，適用于無(wú)相變傳熱和易產(chǎn)生振動(dòng)場(chǎng)合 II-II級(jí)（換熱器）管束 采用普通級(jí)冷拔換熱管，適用于受沸、冷凝傳熱和無(wú)振動(dòng)

8、一般場(chǎng)合四、列管式換熱器選型的工藝計(jì)算步驟1、計(jì)算熱負(fù)荷(不考慮熱損失)，由熱量守恒可計(jì)算柴油出口溫度T22、計(jì)算逆流平均溫差3確定流體走向 4換熱面積估算A估=Q/(K估tm逆) 取換熱管的規(guī)格為252.5mm碳素鋼管(8.3kg/6m)。估算單管程的管子根數(shù) 根據(jù)傳熱面積A估計(jì)算管子的長(zhǎng)度L， 5、管程數(shù)Nt的確定由于L數(shù)值太大，換熱器不可使用單管程的形式，必須用多管程。我們選擇管程的長(zhǎng)度為6m，則Nt=L/6 (管程數(shù)通常選擇偶數(shù))R=(T1-T2)/(t2-t1)P=(t2-t1)/(T1-t1) 根據(jù)R，P的值，查化工原理教材中圖6-55(a)，得溫度校正系數(shù)tm=tm逆6、求實(shí)際換

9、熱面積A實(shí)際換熱管數(shù)為n=n Nt=A實(shí)際=L(d0) n Nt7、選擇換熱器殼體尺寸選擇換熱管為三角形排列，換熱管的中心距t=32mm。最外層換熱管中心線距殼體內(nèi)壁距離：b=(11.5)d0 殼體內(nèi)徑：圓整后，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為D=550mm，殼體厚度選擇8mm。長(zhǎng)度定為5996mm。殼體的標(biāo)記：筒體 DN550 =8 L=5910。筒體材料選擇為Q235-A，單位長(zhǎng)度的筒體重110kg/m,殼體總重為110*(5.910-0.156)= 632.94kg。 （波形膨脹節(jié)的軸向長(zhǎng)度為0.156m ）8、確定折流擋板形狀和尺寸9、波形膨脹節(jié)10、傳熱系數(shù)K的計(jì)算11、壓強(qiáng)降的計(jì)算五：列管式換

10、熱器應(yīng)滿足的基本要求。（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過(guò)程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。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(dòng)的前提下，盡量選擇高的流速。提高平均溫差。對(duì)于無(wú)相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時(shí)，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。妥善布置傳熱面。例如在

11、管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，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(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。（3）有利于安裝、操作與維修直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、

12、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。（4）經(jīng)濟(jì)合理評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。動(dòng)力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。傳熱面上垢層的產(chǎn)生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無(wú)法傳遞熱量，還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。嚴(yán)格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算以確定適宜的操

13、作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問(wèn)題難度很大，當(dāng)影響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。第二節(jié)：列管式換熱器結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)一：管束及殼程分程1、管束分程：為了解決管束增加引起管內(nèi)流速及傳熱系數(shù)降低的問(wèn)題即將管束分程。在換熱器的一端或兩端的管箱中安置一定數(shù)量的隔板，一般每程中管束大致相等。注意溫差較大的流體應(yīng)避免緊鄰，以免引起較大的溫差應(yīng)力。管程分程的方案參見圖1.從制造、安裝、操作的角度考慮，偶數(shù)管程有更多的方便之處，因此用得最多。但程數(shù)不宜太多，否則隔板本

14、身占去相當(dāng)大的布管用的面積，且在管程中形成旁路，影響傳熱。2、殼程分程：殼程分程的型式見圖2，E型最為普通，為單殼程。F型與G型均為雙殼程，它們的不同之處在于殼側(cè)流體進(jìn)出口位置不同。G型殼體又稱為分流殼體。當(dāng)它用作水平的熱虹吸式再沸器時(shí)，殼程中的縱向隔板起著防止輕組分的閃蒸與增強(qiáng)混合的作用。H型和G型相似，只是進(jìn)出口接管與縱向隔板均多一倍，故稱之為雙分流殼體。G型與H型均可用于以壓力降作為可控制因素的換熱器中?？紤]到制造上的困難，一般的換熱器殼程數(shù)很少超過(guò)2倍。二、傳熱管傳熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體，管徑可取小些。但對(duì)于不潔凈活易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取的大些

15、，以免堵塞。此外，小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；對(duì)于相同的殼徑，可排列較多的管子。因此選擇小直徑的管子單位體積所提供的傳熱面積更大，設(shè)備更緊湊，但管徑小，流動(dòng)阻力大，機(jī)械清洗困難，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)墓軓?。考慮到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過(guò)多。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用252.5和192兩種規(guī)格，對(duì)一般流體是適應(yīng)的。此外，還有572.5的無(wú)縫鋼管和252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(zhǎng)度。實(shí)際所取管長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長(zhǎng)度合理截用。我國(guó)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6m、9m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5,2,3,4.5,6,和

16、9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長(zhǎng)度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長(zhǎng)與管徑之比，即L/D約為46。三、管的排列及管心距1.管的排列：換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列，如圖2-1所示。 (a) 正方形直列（b）正方形錯(cuò)列 (c) 三角形直列（d）三角形錯(cuò)列（e）同心圓排列 圖21傳熱管的排列方式4正三角形排列使用最普遍這是因?yàn)樵谕还馨迳峡梢耘帕休^多的管子，且管外傳熱系數(shù)較高，但管外不易機(jī)械清洗。適用于殼程流體較清潔、不需經(jīng)常清洗管壁的情況。正方形排列的傳熱管數(shù)雖然較正三角形排列得少，傳熱系數(shù)也較低，但便于管外表面進(jìn)行機(jī)械清洗。當(dāng)管子外

17、表面需用機(jī)械清洗時(shí)，采用正方形排列。為了提高管外傳熱系數(shù)，且又便于清洗管外壁面，往往采用正方形錯(cuò)列。同心圓形排列管子緊湊，且靠近殼體處布管均勻，在小直徑的換熱器中，管板上可排的管數(shù)比正三角形還多，這種排列法僅用于空分設(shè)備上。此外，對(duì)于多程列管式換熱器，常采用組合排列的方法，如每一程內(nèi)采用三角形排列，而在各程之間，為了便于安排隔板，則采用正方形排列方法 4。在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)中選擇換熱管的規(guī)格為252.5碳鋼管，管子成正三角形排列。2.管心距：管板上兩管子中心距離稱作管間距。管間距取決于管板的強(qiáng)度、清洗管子外表面時(shí)所需的空隙，管子在管板上的固定方法等。當(dāng)管子采用焊接方法固定時(shí)，相鄰兩根管的焊接太近，會(huì)

18、相互受到影響，使焊接質(zhì)量不易保證，一般取（為管子外徑）。當(dāng)管子采用膨脹固定時(shí)，過(guò)小的管間距會(huì)造成管板在脹接時(shí)由于擠壓力的作用發(fā)生變形，失去管子與管板之間的連接力，故一般采用。常用的與的對(duì)比關(guān)系見表3。表3 管殼式換熱器與的關(guān)系3換熱管外徑/mm1014192532384557換熱管中心距/mm1419253240485772 ：四、折流板和支撐板 列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大，在殼程流體屬對(duì) 流傳熱條件時(shí)，為增大殼程流體的流速，加強(qiáng)其湍動(dòng)程度，提高殼程給熱系數(shù)，需設(shè)置折流板。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類，單殼程的換熱器僅需設(shè)置橫向折流板，多殼程換熱器不但需要設(shè)置橫向折

19、流板，而且需要設(shè)置縱向折流板將換熱器分為多殼程結(jié)構(gòu)。對(duì)于多殼程換熱器，設(shè)置縱向折流板的目的不僅在于提高殼程流體的流速，而且是為了實(shí)現(xiàn)多殼程結(jié)構(gòu)，減小多管程結(jié)構(gòu)造成的溫差損失。橫向折流板同時(shí)兼有支承傳熱管，防止產(chǎn)生振動(dòng)的作用。其常用的型式有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板。弓形折流板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，在實(shí)際設(shè) 計(jì)中最為常用。弓形折流板切去的圓缺高度一般是殼體內(nèi)徑的10%40%，常用值為20%25%。折流板間距，在阻力允許的條件下盡可能小，允許的折流板最小間距為殼體內(nèi)徑的20%或50 mm (取兩者中的較大值）。折流板間距一般不能大于殼體內(nèi)徑，否則會(huì)使殼程流體不是垂直流過(guò)管束，致使殼程給熱系數(shù)有所

20、下降。臥式換熱器弓形折流板的圓缺面可以水平或垂直裝配，如圖2-10和圖2-11所示。水平裝配，可造成流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，傳熱效果好，一般無(wú)相變傳熱均采用圖2-10 弓形折流板（水平圓缺） 圖2-11 弓形折流板（垂直圓缺） 這種排列方法。垂直裝配主要用于臥式冷凝器、再沸器或流體中帶有固體顆粒的場(chǎng)合，以有利于冷凝器中的不凝氣和冷凝液的排放。具有橫向折流板的換熱器不需另設(shè)支承板，但當(dāng)工藝上無(wú)安裝折流板的要求時(shí)，則應(yīng)考慮設(shè)置一定數(shù)量的支承板，以防止因傳熱管過(guò)長(zhǎng)而變形或發(fā)生振動(dòng)。一般支承板為弓形，其圓形缺口高度一般是殼體內(nèi)徑的40%45%。支承 板的最大間距與管子直徑和管壁溫度有關(guān)，也不得大于傳熱管的最大

21、無(wú)支撐跨距（見表2-5)。表2-5 最大無(wú)支撐跨距/mm換熱管外徑/d01014192532384557最大無(wú)支撐跨距8001 1001 5001 9002 2002 5002 8003 200五、旁路擋板和防沖擋板1、旁路擋板旁路擋板也稱密封條，是化工生產(chǎn)中換熱器設(shè)備的內(nèi)件之一。它主要是為了防止由殼體和管束之間的旁流（C流路）。旁路擋板沿著殼體嵌入到已銑好凹槽的折流板內(nèi)，與折流板焊接牢固。它一般是成對(duì)設(shè)置的，一般只設(shè)置一對(duì)。它的厚度可取折流板相同的厚度。 旁路擋板的數(shù)量推薦如下： 公稱直徑500mm時(shí)，一對(duì)擋板； 500mmDN1000mm時(shí)，兩對(duì)擋板DN1000時(shí)，不少于三對(duì)擋板 防沖擋板

22、2、 防沖擋板在殼程進(jìn)口接管處裝有防沖擋板，可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。一般當(dāng)殼程介質(zhì)為氣體和蒸汽時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。對(duì)于液體物料，則以其密度和入口管內(nèi)流速平方的乘積來(lái)確定是否設(shè)置防沖擋板。非腐蝕性和非磨蝕性物料當(dāng)其值大于2230，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。一半液體，大于740時(shí)則需設(shè)置防沖擋板。六、其他主要附件其它主要附件包括封頭、接管、導(dǎo)流筒、拉桿、定距管。滑道、膨脹節(jié)、法蘭、墊片以及支座等。通常由工藝計(jì)算選取 標(biāo)準(zhǔn)換熱器后，其具體尺寸(包括接管、法蘭等尺寸)可由標(biāo)準(zhǔn)圖紙查取。值得一提的是，在選取標(biāo)準(zhǔn)換熱器時(shí)，需注意接管的尺寸應(yīng)與輸送該流體的管

23、道尺寸保持一致。七、 列管式換熱器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)1、 固定管板式換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列JB/T 4715-92標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了固定管板式列管換熱器的型式、基本參數(shù)、列管排列形式、折流板的型式和拉桿及定矩管的規(guī)格及數(shù)量等。其基本參數(shù)包括以下各項(xiàng)。（1） 公稱直徑DN 鋼管制圓筒：159，219，273，325mm 卷制圓筒：400，450，500，600，700，800，900，1000，（1100），1200，（1300），1400，（1500），1600，（1700），1800mm （2）公稱壓力PN 0.25，0.60，1.00，1.60，2.50，4.00，6.40MPa（3）換熱管長(zhǎng)度L 1500，

24、2000，3000，4500，6000，9000mm（4） 換熱管規(guī)格及排列形式（表1-8） 表1-8 換熱管規(guī)格及排列形式 換熱管外徑壁厚（d）/mm 排列形式 管間距/mm碳素鋼、低合金鋼不銹耐酸鋼 252.5 252 正三角形 32 192 192 25（5）折流板間距（表1-9） 表1-9 折流板（支承板）間距公稱直徑DN/mm 管長(zhǎng)/mm 折 流 板 間 距/mm=500=300010020030045060045006000600800150060002502003004506009001300=60002003004506007500, 900075014001600600030

25、04506007507500, 900017001800600090004506007502、浮頭式列管換熱器浮頭式列管換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列JB/T 4714-92中的主要參數(shù)為： （1）公稱直徑DN 內(nèi)導(dǎo)流筒換熱器 鋼管制圓筒：325，426mm 卷制圓筒：400，500，600，700，800，900，1000，（1100），1200，（1300），1400，（1500)，1600，(1700)，1800mm 外導(dǎo)流筒換熱器 卷制圓筒：500，600，700，800，900，1000mm 冷凝器鋼管制圓筒：426mm 冷凝器卷制圓筒：400，500，600，700，800，900，1000，（1

26、100），1200，（1300），1400，（1500)，1600，(1700)，1800mm（2）公稱壓力PN 換熱器：1.0，1.6，2.5，4.0，6.4MPa 冷凝器：1.0，1.6，2.5，4.0MPa（3）換熱管 換熱管種類：光管和螺紋管 換熱換長(zhǎng)度L：3，4.5，6，9m 換熱管規(guī)格和排列形式（見表1-10） 表1-10 換熱管規(guī)格和排列形式換熱管外徑壁厚（d）/mm 排列形式管間距/mm碳素鋼、低合金鋼不銹耐酸鋼192192正三角形 正方形正方形旋轉(zhuǎn)45 25252.5252 32 （4）折流板間距S（見表11）由于JB/T 4715-92和JB/T 4714-92是在GB 1

27、50-1998、GB 151-1999以及勞動(dòng)部壓力容器安全技術(shù)檢測(cè)規(guī)程頒布之前編寫的，所以在選用該標(biāo)準(zhǔn)系列時(shí)應(yīng)按規(guī)程及GB 150、GB 151對(duì)技術(shù)特性等要求進(jìn)行補(bǔ)充。 表1-11 折流板（支承板）間距L/m DN/mm S/mm3=700100150200 4.530 C鹽水0 C一 15 C用于低溫冷卻氨蒸汽低于一 15 C用于冷凍工業(yè)除低溫及冷凍外，冷卻劑應(yīng)優(yōu)先選用水。水的初溫由氣候條件決定，關(guān)于水的出口溫度及流速的確定，提出下面幾點(diǎn)供參考：（1）水與被冷卻流體之間一般應(yīng)有5C35 C的溫度差；（2）水的出口溫度一般不超過(guò)40C50 C，在此溫度以上溶解于水中的無(wú)機(jī)鹽將會(huì)析出，在壁面

28、上形成污垢。常用的加熱劑列于表3-2。表3-2 常用的加熱劑加熱劑名稱溫度范圍飽和水蒸氣100即可達(dá)到湍流；但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這種液體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，反而能得到更高的給熱系數(shù)。三、流速的選擇換熱器內(nèi)液體速度大小必須通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算進(jìn)行選擇。因?yàn)榱魉僭黾?，給熱系數(shù)增大，同時(shí)亦減少了污垢在管子表面沉積的可能性，降低了垢層的熱阻，從而使傳熱系數(shù)K值提高，所需傳熱面積減小，設(shè)備投資費(fèi)也減少。但隨著流速的增加，液體阻力也相應(yīng)增加，動(dòng)力消耗增大，使操作費(fèi)增加。因此，選擇適宜的流速是十分重要的，一般應(yīng)盡可能使管程內(nèi)流體的 104 (同時(shí)也要注意 其他方面的合理性）；粘度高的流體常按

29、層流設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在表2-12、表2-13 中列出了 一些工業(yè)上常用流速的范圍，以供參考。表3-3 列管式換熱器內(nèi)常用的流速范圍液體種類流 速/ m / s管 程殼 程一般液體0. 530. 21. 5易結(jié)垢液體10. 5氣 體530315表3-4 不同黏度液體的流速（以普通鋼壁為例）液體粘度/mPa s最大流速/m/s液體粘度/mPa s最大流速/m/s1 5000. 6100 351. 51 5005000. 753511. 85001001. 1 0.9,說(shuō)明換熱器采用單殼程，四管程的結(jié)構(gòu)是合適的。tm=tm逆=0.9763.35=61.45。(7)、求實(shí)際換熱面積A實(shí)際換熱管數(shù)為n=

30、nNt=394=156根。A實(shí)際=L(d2) n Nt =6(3.140.025)394=73.48m2.實(shí)際換熱面積為73.48m2.(8)、選擇換熱器殼體尺寸選擇換熱管為三角形排列，換熱管的中心距t=32mm。 15最外層換熱管中心線距殼體內(nèi)壁距離：b=(11.5) d2 取b=1.25 d2 =1.2525=31.25mm殼體內(nèi)徑：3214+2 31.25=510.5mm圓整后，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為D=550mm，殼體厚度選擇8mm。長(zhǎng)度定為5996mm。殼體的標(biāo)記：筒體 DN550 =8 L=5910。筒體材料選擇為Q235-A，單位長(zhǎng)度的筒體重110kg/m,殼體總重為110*(5.

31、910-0.156)= 632.94kg。 （波形膨脹節(jié)的軸向長(zhǎng)度為0.156m ）(9)、確定折流擋板形狀和尺寸選擇折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為540mm,厚度為6mm。缺口弓形高度為圓形板直徑的約1/4，本設(shè)計(jì)圓整為120mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.6mm，共有184-22-13/2=155.5個(gè)，拉桿管孔直徑為16.6mm，每個(gè)折流擋板上有4個(gè)。折流擋板上的總開孔面=155.5*514.7185+4*216.4243=80904.2395mm2。折流擋板的實(shí)際面積=191126.3264-80904.2395 = 110221.9025 mm2，重量為5.1kg。選擇折流

32、擋板間距h=400mm。折流擋板數(shù)NB =L/h-1=6000/400-1=14塊.。換熱管排列的橫截面如下圖所示:圖中圓環(huán)形的剖切面表示換熱器殼體的剖面.換熱管分為四個(gè)管程,每個(gè)管程47根換熱管(圖中各個(gè)小菱形的頂點(diǎn)表示換熱管橫截面的中心).圖中8個(gè)”十”字形表示拉桿的開孔,拉桿直徑為16mm.(10)、波形膨脹節(jié)冷流體原油為黏度較高的流體 冷熱流體的定性溫度差50,換熱器殼體上要安裝波形膨脹節(jié)。波形膨脹節(jié)的壁厚與殼體相同，為8mm。根據(jù)換熱器殼體的公稱直徑550mm，可知波形膨脹節(jié)的公稱直徑也是550mm，根據(jù)公稱直徑，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(化學(xué)工業(yè)出版社，2008)書中表16-9的對(duì)應(yīng)條目

33、，獲得波形膨脹節(jié)的具體尺寸(見換熱器設(shè)備圖)。單個(gè)波形膨脹節(jié)的質(zhì)量=4579586.3154mm37.810-310-3kgmm-3=35.721kg第二節(jié)、 換熱器及主要附件的試選試選管型號(hào)主要附件的選擇1、接口及法蘭的選型（1）管口A 管口A為柴油出口 管管徑的確定：流量為37400kg/h，密度為715 kg/m3，相當(dāng)于q= 37400/715/3600=0.0145m3/s。柴油為低粘度流體，在接管中的合理流速u=12m/s。本設(shè)計(jì)取u=1.2m/s。則接管的內(nèi)徑=0.124m=124mm。接管的外徑選擇為159mm，壁厚選擇為4.5mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量17.14kg（

34、GB-T 17395-1998 無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差）。 接管長(zhǎng)度的選擇：接管的長(zhǎng)度L選擇150mm，則重量為2.6kg。接管的標(biāo)記：接管 1594.5 L=150 接管法蘭的選擇： 查大學(xué)工程制圖（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑dH=159mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=150mm。選擇公稱壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592 法蘭 PL 150(B)-0.6 RF Q235-A。重量為5.14kg。 該法蘭有8個(gè)均布在外周的螺孔，使用8個(gè)M16螺栓、螺母、墊片與工藝管道連接。（2）管口B 管口B為原油出口。原

35、油的流量為45600kg/h，密度為815 kg/m3，所以q=45600/815/3600=0.01554m3/s,原油在接管中的合理流速為1.2m/s，則接管的內(nèi)徑=128mm，選擇接管的外徑、壁厚、材質(zhì)、長(zhǎng)度和接口法蘭都與管口A的相同。（3）管口C管口C為排氣口。 接管管徑的確定：接管的外徑選擇32mm，壁厚選擇為3.5mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量2.46kg（GB-T 17395-1998 無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差）。 接管長(zhǎng)度的選擇：接管的長(zhǎng)度L選擇150mm，則重量為0.369kg。接管的標(biāo)記：接管 323.5 L=150 接管法蘭的選擇： 查大學(xué)工程制圖（華東理工

36、大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑dH=32mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=25mm。選擇公稱壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592 法蘭 PL 25(B)-0.6 RF Q235-A。 該法蘭有4個(gè)均布在外周的螺孔，使用4個(gè)M10螺栓、螺母、墊片與配套的法蘭蓋裝配。（4）管口D 管口D 為原油進(jìn)口。 接管、法蘭與管口A和B的完全相同。（5）管口E 管口E為排污口 接管管徑的確定： 接管的外徑選擇57mm，壁厚選擇為3.5mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量4.62kg。接管長(zhǎng)度的選擇： 接管的長(zhǎng)度L選擇150mm，則重量為0.693kg。

37、接管的標(biāo)記：接管 573.5 L=150 接管法蘭的選擇： 查大學(xué)工程制圖（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑dH=57mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=50mm。選擇公稱壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592 法蘭 PL 50(B)-0.6 RF Q235-A。重量為1.51kg。 該法蘭有4個(gè)均布在外周的螺孔，使用4個(gè)M12螺栓、螺母、墊片與配套的法蘭蓋裝配。（6）管口F 管口F為柴油進(jìn)口 接管、法蘭與管口A、B和D的完全相同。2左管板的選型（1）管板厚度：化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(化學(xué)工業(yè)出版社，2008)中有表16-8 管板厚度表。管

38、板的設(shè)計(jì)壓力為管、殼程設(shè)計(jì)壓力中的大者。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力小于1MPa時(shí)，取為1MPa；表中的設(shè)備殼體內(nèi)徑壁厚最接近本課程設(shè)計(jì)值的是6008；管、殼程的溫度差=151.66-86=65.66；根據(jù)上述的設(shè)計(jì)壓力、殼體內(nèi)徑壁厚以及溫度差，查表得管板的厚度=42mm。管板材料為16Mn（鍛件）。（2）管板形狀：管板同時(shí)起到法蘭的作用，密封面為凸面，可以和管箱的法蘭(密封面為凹面)連接。管板直徑與管箱法蘭的相同，為665mm。外周均布24個(gè)18螺孔，管板重量約為：=82kg。管板的大致形狀如下圖.3）管板的開孔 開孔和管程隔板密封槽分布情況：左管板共有192個(gè)安裝換熱管的開孔和8個(gè)拉桿安裝孔以及2道管程隔板

39、密封槽（見設(shè)備圖）。 安裝換熱管的開孔尺寸：為了便于在管板上焊接換熱管，開孔的孔徑比換熱管的外徑大0.4 mm,即25.4 mm。開孔形狀見設(shè)備圖。（或者:為了便于在管板上脹接換熱管，開孔的孔徑比換熱管的外徑大0.3 mm,即25.3mm。開孔內(nèi)表面有兩道環(huán)向的槽，槽深0.5mm。管板開孔形狀和內(nèi)表面環(huán)向槽的位置、尺寸見下圖：拉桿安裝孔和管程隔板密封槽的尺寸見設(shè)備圖。3換熱管的選擇：1) 選擇20鋼材質(zhì)的無(wú)縫鋼管，規(guī)格：252.5。2) 換熱管的長(zhǎng)度為6000mm。3) 換熱管與管板連接采用焊接。(或者:換熱管與管板連接采用脹接。)具體見設(shè)備圖。4左管箱短節(jié)的選擇：1）左管箱短節(jié)的內(nèi)徑與壁厚：

40、左管箱短節(jié)為圓柱筒體，內(nèi)徑與壁厚選擇與設(shè)備殼體相同。2）左管箱短節(jié)的長(zhǎng)度： 左管箱短節(jié)連接A和F管口。選擇左管箱短節(jié)的長(zhǎng)度為管口接管公稱直徑的兩倍，即1502=300mm。選擇Q235-A材料制作，單位長(zhǎng)度的短節(jié)重110kg/m,總重約為1100.300=33kg。左管箱短節(jié)的標(biāo)記：筒體 DN550 =8 L=300。3）左管箱短節(jié)的材質(zhì)選擇材質(zhì)選擇與換熱器殼體相同：Q235-A5左管箱封頭的選擇：選擇公稱直徑為550mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。壁厚與殼體相同，也是8mm。材質(zhì)也是Q235-A。重量約24kg。標(biāo)記：EHA 5508-Q235-A JB/T 4746-2002。6左管箱隔板的選擇：1）

41、材質(zhì)選擇普通的碳素鋼：Q235-A。2）管箱隔板厚度的選擇：由于管程壓強(qiáng)降較小，用公式計(jì)算隔板厚度會(huì)小于GB151規(guī)定的隔板最小厚度（換熱器公稱直徑=600時(shí)，碳鋼隔板的最小厚度為8mm），所以直接選擇隔板厚度為10mm。3）數(shù)量：左管箱需要2塊相同的隔板。4）形狀：見下圖。面積: 217977.2468mm2，厚度：10mm。5）重量：?jiǎn)蝹€(gè)左管箱隔板重=（217977.2468mm210mm）7.810-310-3kgmm-3=17kg。7左管箱法蘭和密封墊片的選型：1)法蘭：根據(jù)公稱直徑，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(化學(xué)工業(yè)出版社，2008)書中表10-3。選擇甲型平焊容器法蘭，公稱直徑550mm

42、，公稱壓力0.6MPa，密封面為凹面(FM)，與凸密封面的左管板連接。外周均布24個(gè)16螺孔，用M16雙頭螺柱與左管板連接。標(biāo)記：法蘭FM 5500.6 JB47012000。重量為26.4 kg。2)密封墊片:選擇甲型平焊容器法蘭用非金屬軟墊片,公稱直徑550mm,公稱壓力0.6MPa。 標(biāo)記：墊片 5500.6 JB 47042000。重量略。左管箱總重量：33+24+17*2+26.4+(2.6+5.14)*2=132.9kg。8右管板 右管板沒(méi)有拉桿開孔，只有一道管程隔板密封槽，其他與左管板相同。9. 右管箱設(shè)計(jì)：1)右管箱封頭：與左管箱封頭相同。2）右管箱短節(jié)的選擇：右管箱短節(jié)的內(nèi)徑

43、與壁厚：右管箱短節(jié)為圓柱筒體，內(nèi)徑與壁厚選擇與設(shè)備殼體相同。右管箱短節(jié)的長(zhǎng)度：長(zhǎng)度選擇50mm。選擇Q235-A材料制作，單位長(zhǎng)度的短節(jié)重110kg/m,總重約為110*0.05=5.5kg。右管箱短節(jié)的標(biāo)記：筒體 DN550 =8 L=50。3）右管箱隔板的選擇：材質(zhì)選擇普通的碳素鋼：Q235-A。右管箱隔板厚度的選擇：厚度與左管箱隔板相同，為10mm。數(shù)量：右管箱需要1塊隔板。重量：?jiǎn)蝹€(gè)右管箱隔板重=(100645.7361mm210mm)7.810-310-3kgmm-3=7.9kg。形狀：如下圖4) 右管箱法蘭和密封墊片的選型：法蘭：與左管箱的相同。法蘭密封墊片: 與左管箱的相同。長(zhǎng)寬

44、厚：550*12*4mm。重量略。右管箱總重量：5.5+7.9+24+26.4=63.8kg。10. 鞍座的選型根據(jù)換熱器殼體的公稱直徑550mm，可知鞍座的公稱直徑也是550mm。選擇焊制的有墊板的鞍座：左鞍座標(biāo)記：鞍座 BI 550S JB47121992，右鞍座標(biāo)記：鞍座 BI 550F JB47121992。第三節(jié) 換熱器校核一傳熱系數(shù)K的計(jì)算1管程對(duì)流傳熱系數(shù)i換熱管內(nèi)柴油流速：雷諾數(shù)，普蘭德數(shù)，柴油的黏度小于常溫水黏度的兩倍，是低黏度液體，且是被冷卻，所以w/(m2)2殼程對(duì)流傳熱系數(shù)o殼程流通截面積：m2殼程流速：換熱管為三角形排列，殼程的當(dāng)量直徑為雷諾數(shù)，普蘭德數(shù)，原油被加熱，

45、所以w/(m2)3.污垢熱阻根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，兩側(cè)的污垢熱阻Rso=Rsi=1.7210-4m2/W。4總傳熱系數(shù)Ko;取管壁w = 45w/(m)=299.6w/( m2) A需要=Q/(K2tm)= 40128001000/(3600299.661.45)=60.55m2.面積裕量：15%符合換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。二、壓強(qiáng)降的計(jì)算1管程壓強(qiáng)降已知管程直管的絕對(duì)粗糙度=0.1mm，則/d1=0.1/20=0.005，雷諾準(zhǔn)數(shù)，查摩擦系數(shù)圖1-28，得到=0.035，所以，每程直管的壓降：Pa；柴油在每管程中局部阻力導(dǎo)致的壓強(qiáng)降按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下：Pa；一般地，流體流經(jīng)換熱器進(jìn)出口導(dǎo)致的壓強(qiáng)降可以忽略。對(duì)于252.5的換熱管，結(jié)垢校正系數(shù)Ft=1.4；因?yàn)槭菃螝こ獭⑺墓艹痰膿Q熱器，所以Ns=1，Np=4；Pa 2殼程壓強(qiáng)降流體橫過(guò)管束的壓強(qiáng)降：管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)F=0.5(正三角形排列)；殼程流體的摩擦系數(shù)fo，當(dāng)Re2500時(shí)，fo=5.0Re2-0.228=5.01943-0.228=0.89；橫過(guò)管束中心線的管子數(shù)nc=15；折流板數(shù)NB=14；殼程流速u2=0.348m/s；原油=815kg/m3=4941Pa；流體通過(guò)折流板缺口的壓強(qiáng)降: 折流板間距