列管式固定管板熱交換器設計說明書

1、列管式固定管板熱交換器設計說明書1. 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器 ，簡稱為換熱器。在換熱器中 至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低 吸收熱量。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，它們也是這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。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，不同類 型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在 工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器有以下幾種：1、固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成

2、一體， 當兩流體的溫度差較大時，在外 殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈 發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。翻襯 H東;3趨為4-封丸血;6連扳圖卜羅固定管板戎換熱器2、U形管式U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側(cè),封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須 是潔凈和不易結(jié)垢的物料。390國1 U型管換熱書的結(jié)枸示恵圖3、浮頭式換熱器兩端的管

3、板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可 以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。特點：結(jié)構(gòu)復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍?！?】圖7T2浮頭式換熱器L売蓋2.浮頭蓋3.浮頭修板4.殼體 工傳軸管&支持板7.折流板2. 設計標準3. 方案設計和擬訂根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度， 來選擇設計列管式換熱器中的固定管板式換 熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)， 判斷其是否易結(jié)垢， 來選擇管程走什么， 殼程走什么。 在這里，冷水走管程，熱水走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比 熱容，導熱系數(shù)， 黏度。計算出總傳熱系數(shù)， 再計算出傳熱面積。 根

4、據(jù)管徑管內(nèi)流速， 確定傳熱管數(shù)，標準傳熱管長為 3m算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校 正傳熱溫差以及殼程數(shù)。 確定傳熱管排列方式和分程方法。 根據(jù)設計步驟， 計算出殼 體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對 換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最 后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果在設計范圍內(nèi)就能完成任務。根據(jù)固定管板式的特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須 是潔凈不易結(jié)垢的物料。u形管式特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場 合。管程清洗困難， 管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。 浮

5、頭式特點： 結(jié)構(gòu)復雜、 造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。我們設計的換熱器的流體 是冷熱水，不易結(jié)垢，再根據(jù)造價低，經(jīng)濟的原則我們選用固定管板式換熱器。根據(jù)以下原則： (1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)， 以便于清洗管子。 (2) 腐 蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 (3) 壓強高的流體宜走管內(nèi)， 以免殼體受壓。 (4) 飽和蒸氣宜走管間， 以便于及時 排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。 (5) 被冷卻的流體宜 走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。 (6) 需要提高流速以增大 其對流傳熱系數(shù)的流體宜

6、走管內(nèi)， 因管程流通面積常小于殼程， 且可采用多管程以增 大流速。 (7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的 殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。我們選擇冷水走管程，熱水走殼程。流體流速的選擇： 增加流體在換熱器中的流速， 將加大對流傳熱系數(shù)， 減少污垢 在管子表面上沉積的可能性， 即降低了污垢熱阻， 使總傳熱系數(shù)增大， 從而可減小換 熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的 流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。 此外，在選擇流速時， 還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。 例如， 選擇高

7、的流速， 使管子的數(shù)目減少， 對一定的傳熱面積， 不得不采用較長的管子或增 加程數(shù)。 管子太長不易清洗， 且一般管長都有一定的標準； 單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟?差下降。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。 在本次設計中， 根據(jù)表換熱器常用流 速的范圍，取管內(nèi)流速 ui 1.0m/ s。管子的規(guī)格和排列方法： 選擇管徑時， 應盡可能使流速高些， 但一般不應超過前 面介紹的流速范圍。 易結(jié)垢、 粘度較大的液體宜采用較大的管徑。 我國目前試用的列 管式換熱器系列標準中僅有 © 25X 2.5mm及© 19X mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選 擇 © 25X 2.5mm管子。管

8、長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便 于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為 6m則合理的換熱器管長應為1.5、2、 3或6m此外，管長和殼徑應相適應，一般取L/D為46（對直徑小的換熱器可大些）。 在這次設計中，管長選擇 3m。管子在管板上的排列方法有等邊三角形、 正方形直列和正方形錯列等， 等邊三角 形排列的優(yōu)點有 : 管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而 對流傳熱系數(shù)較高； 相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。 正方形直列排列的優(yōu)點是便于 清洗列管的外壁， 適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合； 但其對流傳熱系數(shù)較正三角排 列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者

9、之間，即對流傳熱系數(shù) （較直列排列的 ） 可以適當?shù)靥岣摺Ｔ谶@里選擇三角形排列。管子在管板上排列的間距 （指相鄰兩根管子的中心距 ），隨管子與管板的連接方 法不同而異。通常，脹管法取 t=（1.3 1.5）do ，且相鄰兩管外壁間距不應小于 6mm， 即 t > （d+6）。焊接法取 t=1.25do。管程和殼程數(shù)的確定 當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有 時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。 但是程數(shù)過多， 導致管程流體阻力加大， 增加動力費用； 同時多程會使平均溫度差下 降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少， 設計時應考慮這些問

10、題。 列管式換熱 器的系列標準中管程數(shù)有 1、 2、 4和 6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子 數(shù)大致相等。根據(jù)計算，管程為 1 程，殼程為單程。 折流擋板：安裝折流擋板的目的， 是為了加大殼程流體的速度， 使湍動程度加劇， 以提高殼程對流傳熱系數(shù)。 最常用的為圓缺形擋板， 切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的 1040%,般取2025%,過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離（板間距）h 為外殼內(nèi)徑D的（0.21）倍。系列標準中采用的h值為：固定管板式的有150、300 和600mn三種，板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就 難于垂直地流過管束,使對流傳熱系數(shù)下降。

11、這次設計選用圓缺形擋板。換熱器殼體的內(nèi)徑應等于或稍大于 （對浮頭式換熱器而言 ）管板的直徑。初步設計 時，可先分別選定兩流體的流速， 然后計算所需的管程和殼程的流通截面積， 于系列 標準中查出外殼的直徑。主要構(gòu)件的選用：（1）封頭封頭有方形和圓形兩種， 方形用于直徑小的殼體 （一般小于 400mm，）圓形用于大直徑 的殼體。（2） 緩沖擋板為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口 裝設緩沖擋板。（3） 導流筒 殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空 間（死角），為了提 高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進、出殼程時必然 經(jīng)過這個空間。（4）放氣孔、排液孔 換熱

12、器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性 氣體和冷凝液等。（ 5）接管尺寸換熱器中流體進、出口的接管直徑由計算得出。最后材料選用： 列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、 溫度及流體的腐蝕性等來選 用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。 同時具有耐熱性、 高強度及 耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和 鋁等；非金屬材料有石墨、 聚四氟乙烯和玻璃等。 不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能 好，但價格高且較稀缺，應盡量少用。這里選用的材料為碳鋼?！?】4. 設計計算4.1確定設計方案選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度 81C，出口溫度60C

13、 ;冷流體(循環(huán)水) 進口溫度20C，出口溫度40C。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，熱流體為熱水，為不 易結(jié)垢和清潔的流體。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁 溫之差較小，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器?！?】流動空間及流速的測定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用W25X 2.5的碳鋼管，根據(jù)表三一一管內(nèi)流速取 u i=1.0m/s。.4.2確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。殼程熱水的定性溫度為T= 81 60 =70.5 (C)2管程流體的定性溫度為t= 30 40 =35 ( C)2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程

14、和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。水在70.5 C下的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度 0977.8kg/m3定壓比熱容 cp0 4.187 kJ /(kg C )導熱系數(shù)0.6676W /(m C )黏度o 4.03 10 4 Pa s循環(huán)冷卻水在35C下的物性數(shù)據(jù)：密度i 993.6kg/m3定壓比熱容 Cpi 4.174kJ/(kg C )導熱系數(shù) i 0.627W /(m C )黏度 i 7.25 10 4Pa s【5】4.3計算總傳熱系數(shù)熱流量Q0 m0Cp1 T1 T2式中 m02.4 104103 /330 243030.3kg/hQ03030.3 4.1878160266445.5kJ/h74.

15、01kW平均傳熱溫差tmt1 t2In丄t2(81 40) (60 30),81 40 In60 3035.2C冷卻水用量W=Q/(C i A ti )=266445.5/4.174X (40-30)=6383.5 kg/h=1.77kg/s4.4計算傳熱面積S'QK"tm74.008 103800 35.22.63m2考慮15%勺面積裕度,2S 1.15 S' 1.15 2.633.022m24.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速選用25 2.5傳熱管（碳鋼）,取管內(nèi)流速Ui 1.0m/s管程數(shù)和傳熱管數(shù)按單程管設計，Np 1傳熱管過程現(xiàn)取傳熱管長L 3m根據(jù)公式 N S

16、d0 L其中N-列管式換熱器的總管數(shù)，必須取整數(shù)L選定的換熱管有效長度所以由公式得管子數(shù)S =3.022d0L 3.14 0.0253平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)p 處衛(wèi)0.196 R 7吐型2.1T1 t181 30t2 t140 30按單殼程，2管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應查附圖六一一對數(shù)平均溫度校正系數(shù)t =0.98 o平均傳熱溫差tm t t'm 0.98 35.234.5C傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角排列，隔板兩惻采用正方形排列.取管心距t 1.25d。,則t 1.25 25 31.25 32mm橫過管束中心線的管數(shù)耳 1.1. N 1.

17、1.134（根）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 0.7,則殼體內(nèi)徑為D 1.05t . N 1.05 32.13 0.7 144.79mm圓整可取D 400 mm折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度h 0.25 400 100mm,故可取h 150mm。取折流板間距B 0.2D，則 B 0.2 400 80mm可取B為100mm折流板數(shù)13000129（塊）100傳熱管長NBB 折流板間距折流板圓缺面水平裝配接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)熱水流速為u 1.2m/s，則接管內(nèi)徑為4V：4 63835 3600 977.80.043876(m)3.1

18、4 1.2取標準管徑為50mm管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u 1m/s，則接管內(nèi)徑為4V4 6383.5 3600 993.63.14 10.04768( m)取標準管徑為50mm4.6換熱器核算熱量核算殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用克恩公式0.14o 0.36ReO.55Pr13ode當量直徑，由正三角形排列得de4t2-do2244 0.0322220.785 0.025d°3.14 0.0250.020(m)plSoBD1 ； o.1殼程流通截面積0.4 1 00250.00875(m)0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為UoRe。6383.5 3600 9

19、77.80.20725( m/s) 0.008750.020 0.20725 977.8100570.000403普蘭特準數(shù)33Pr 4187 10 °.4。3 102.530.66760.14粘度校正00.36 0.6676 100570.550.022.53132602W / m2 °C4.6.1.2管程對流傳熱系數(shù)i 0.80.40.023Re Prdi管程流通截面積13Si 0.785 0.0220.001361(m2)3管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為6383.5/(3600 993.6) Ui0.0013611.312 0.995 993.6 Re0.0007251

20、.312( m s)35950普蘭特準數(shù)Pr4.174 1030.725 10 30.6274.830.023 0.627 359500.8 4.830.45969.9W/ m2 C0.02核算傳熱系數(shù)K污垢熱阻&0.000344m2 C /WRs。0.000172m2 C /Wdoidido bdo di di0.0255969.9 0.0200.0003440.0250.0200.0025 0.02545 0.02250.00017212602795.3W/ m2 C與假設的K值相近。4.6.1.4傳熱面積S74.008 103795.3 33.442.697m2該換熱器的實際傳熱

21、面積SpSp doLN3.14 0.025 3 1323.0615(m )該換熱器的面積裕度為S SH 100%S3.06152.6973.0615100%14%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務換熱器內(nèi)流體的流動阻力管程流動阻力P PP2他比Ns 1 , Np 1 , Ft1.4P2lu2id 2由Re 35950，傳熱管相對粗糙度020.01,查圖一一摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關系得i0.042W/m °C流速 ui 0.2m/ s，993.6kg/m3,所以Pl0.04230.021.3122 993.625383.97PaP29936 業(yè) 2563.79PaP2

22、FtNsNp5383.97 2563.791.4 1144130.31Pa 105Pa管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。4.6.2.2殼程阻力RR'P2' FtNsNs1 , Ft 1 .15流體流經(jīng)管束的阻力R2Ff°nc NB 1 uo2F0.5fo5 448 0.2280.6115nc4NB 29，uo 0.2072P'0.5 0.6115 429 1977.8 0.20722763.96Pa流體流過折流板缺口的阻力P2Nb 3.52B2U。TB 0.1m, D 0.45mP2290.42977.8 0.207222563.79 Pa總阻力Po 763.96

23、2563.79 2590.93Pa 105Pa殼程流動阻力也比較適宜462.3壁溫核算因管壁很薄，且壁溫熱阻很小，則管壁溫度可用下式計算Tm /hc t m / hn1/hc 1/hn可取冷卻考慮換熱器在冬季操作時，冷卻水的進口溫度將會降低，為確?？煽?水入口溫度為15C，出口溫度為42C計算傳熱壁溫。液體平均溫度tm 0.4 42 0.6 1525.8 CTm 12(81 60)70.5 C入 hi 525.14W. (m2?k)0ho 1366W.(m2?k)傳熱管平均壁溫70.5/525.14 25.8/1366 門“t58.081 1525.14 1366殼程壁溫，可近似取為殼程流體的

24、平均溫度，即T=70.5 C殼體壁溫和傳熱壁溫之差為 t=70.5-58.08=12.4 °C該溫差不大，不需要設溫度補償裝置，故可選用固定管板式換熱器4.624換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表換熱器型式固定管板式換熱面積m22.697名稱管程殼程傳熱量，kW74.01物料名稱循環(huán)水熱水總傳熱系數(shù)，W/mC795.3操作溫度C30/4081/60管數(shù)13流里,kg/h6383.53030.3管長，mm3000流體密度，kg/m3993.6977.8管心距，mm32流速，m/s1.3120.20725管間距，mm100程數(shù)11排列方式正三角形污垢系數(shù)，m

25、K/W0.0003440.000172管子規(guī)格 25*2.5操作壓力，MPa0.50.3拉桿數(shù)目16阻力降，Pa44130.312590.93材料碳鋼拉桿直徑mm165. 設計小結(jié)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 ，它們也是這些 行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。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，不同類 型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在 工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。 這種換熱器 結(jié)構(gòu)較簡單，操作

26、可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高 壓下使用，是目前應用最廣的類型。由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管 箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。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 上可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(jié)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。為提高 管內(nèi)流體速度 , 可在兩端管箱內(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，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。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同， 因之換熱器的殼體與管束的溫度也 不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或 從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過