列管式換熱器設(shè)計(jì)說明

1、下載可編輯第一章列管式換熱器的設(shè)計(jì)1.1 概述列管式換熱器是一種較早發(fā)展起來的型式，設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國(guó)家中已有系列化標(biāo)準(zhǔn) 。 列管式換熱器在換熱效率，緊湊性和金屬消耗量等方面不及其他新型換熱器 ，但是它具有結(jié)構(gòu)牢固 ，適應(yīng)性大，材料范圍廣泛等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因而在各種換熱器的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展中得以繼續(xù)應(yīng)用下去。目前仍是化工 、石油和石油化工中換熱器的主要類型 ，在高溫高壓和大型換熱器中，仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì) 。例如在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器 、蒸餾操作中蒸餾釜 （或再沸器 ）和冷凝器 、化工廠中蒸發(fā)設(shè)備的加熱室等，大都采用列管式換熱器 3 。1.2 列管換熱器型式的選擇列管式換熱器種類很多

2、 ，目前廣泛使用的按其溫度差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種：（1）固定管板式換熱器 ：這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊，造價(jià)便宜 ，但管外不能機(jī)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(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)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(dāng)管壁與殼壁溫度相差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同 ，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力 ，以致管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞整個(gè)換熱器 。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫度補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí) ，為安全起見 ，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)

3、償裝置。（2）浮頭換熱器 ：換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連.專業(yè) .整理 .下載可編輯接，以便管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上來連接有一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭 ”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。這種型式的優(yōu)點(diǎn)為 ：管束可以拉出 ，以便清洗；管束的膨脹不受殼體的約束，因而當(dāng)兩種換熱介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ，造價(jià)高 。（3）填料函式換熱器 ：這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)與比浮頭式簡(jiǎn)單 ，造價(jià)也比浮頭式低 。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程終不應(yīng)處理易揮發(fā) 、易爆、易燃和有毒的介質(zhì) 。（4） U 型

4、管換熱器 ：這類換熱器只有一個(gè)管板，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(diǎn)式管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難 ，管板上排列的管子少。對(duì)于列管式換熱器 ，一般要根據(jù)換熱流體的腐蝕性及其它特性來選擇結(jié)構(gòu)與材料，根據(jù)材料的加工性能 ，流體的壓力和溫度 ，換熱器管程與殼程的溫度差，換熱器的熱負(fù)荷，檢修清洗的要求等因素決定采用哪一類型的列管式換熱器。1.3 換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇哪一種流體流經(jīng)換熱器的殼程，哪一種流體流經(jīng)管程 ，下列各點(diǎn)可供參考 （以固定管板式為例 ）。（1）不清潔和易結(jié)垢的流體易走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便 。（2）腐蝕性的流體易走管內(nèi) ，以免管子和殼體同時(shí)受腐蝕

5、，而且管子也便于清洗和檢修。（3）壓強(qiáng)高的流體易走管內(nèi) ，以免殼體受壓 ，可節(jié)省金屬消耗量 。（4）飽和蒸汽易走管間 ，以便于及時(shí)排除冷凝液 ，且蒸汽較潔凈 ，它對(duì)清洗無要求 。（5）有毒流體易走管內(nèi) ，使泄露機(jī)會(huì)較少 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯（6）被冷卻的流體易走管間 ，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果 。（7）粘度大的液體或流量較小的流體，易走管間 ，因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流量的不斷改變。在低 Re 值（Re 100）下即可達(dá)到湍流 ，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器 ，若兩流體的溫差較大 ，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者易走管間，因壁面溫度與 大的流體溫度相近

6、 ，可以減少熱應(yīng)力 。1.4 流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流換熱系數(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 ，使傳熱系數(shù)增大 ，動(dòng)力消耗就增多 。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能確定 。此外，在選擇流速時(shí) ，還要考慮結(jié)構(gòu)上的要求 。例如 ，選擇高的流速 ，使管子數(shù)目減少，對(duì)一定的換熱面積 ，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗 ，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變成多程使平均溫度降下來。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)考慮的問題 。表 1-1 至表 1-3 列出了常用的流速范圍 ，可供設(shè)計(jì)參考 。 所選的流速 ，應(yīng)盡可能避免在滯流下流動(dòng) 。表 1-1 常用的流

7、速范圍Table 1-1The scope of common use in current velocity流體種類一般流體易結(jié)垢液體氣體管程流速 m/s0.53 1530殼程流速 m/s0.21.5 0.5315.專業(yè) .整理 .下載可編輯表 1-2 安全允許速度Table 1-2The speed of the safe admission of the liquid液體名稱乙醚、二硫化碳 、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允許速度 /m/s1 21.510表 1-3 不同粘度液體的常用流速Table 1-3The different of the liquidin common use cu

8、rrent velocity液體粘度 /mPa.s15001500 500500 100100351 135最大流速 /m/s0.60.751.11.51.82.41.5 確定設(shè)計(jì)方案的原則滿足工藝和操作的要求 。設(shè)計(jì)出的流程和設(shè)備首先要保證質(zhì)量，操作穩(wěn)定 ，這就必須配置必要的閥門和計(jì)量?jī)x表等，并在確定方案時(shí) ，考慮到各種流體的流量 ，溫度和壓強(qiáng)變化時(shí)采取什么措施來調(diào)節(jié)，而在設(shè)備發(fā)生故障時(shí) ，檢修應(yīng)方便 。滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 。在確定某些操作指標(biāo)和選定設(shè)備型式以及儀表配置時(shí)，要有經(jīng)濟(jì)核算的觀點(diǎn) ，既能滿足工藝和操作要求 ，又使施工建簡(jiǎn)便 ，材料來源容易 ，造價(jià)低廉 。 如過有廢熱可以利用，要盡量

9、節(jié)省熱能 ，充分利用 ，或者采取適當(dāng)?shù)拇胧┻_(dá)到降低成本的目的。保證安全 。在工藝流程和操作中若有爆炸，燃燒、中毒、燙傷等危險(xiǎn)性 ，就要考慮必要的安全措施。又如設(shè)備的材料強(qiáng)度的驗(yàn)算，除按規(guī)定應(yīng)有一定的安全系數(shù)外，還應(yīng)考慮防止由.專業(yè) .整理 .下載可編輯于設(shè)備中壓力突然升高或者造成真空而需要裝置安全閥等。以上所提的都是為了保證安全生產(chǎn)所需要的 。第二章列管式換熱器熱力計(jì)算2.1 穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱的基本方程式為： Q=KA t m（ 1）Q 熱負(fù)荷，W；K 總傳熱系數(shù) ， W/m 2 ? ；A 換熱器總傳熱面積 ，m 2；t m進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度，。熱負(fù)荷當(dāng)忽略換熱器對(duì)周圍環(huán)境的散熱損

10、失時(shí)，根據(jù)能量平衡 ，熱流體所放出的熱量應(yīng)等于冷流體所吸收的熱量 ，即Q=W h(Hh1 -H h2 )=W c(Hc2-H c1)(2)式中Q 換熱器的熱負(fù)荷 ，kJ/h 或 W；W 流體的質(zhì)量流量 ，kg/h ；H 單位質(zhì)量流體的焓 ， kJ/kg ；下標(biāo) c,h 分別表示冷流體和熱流體，下標(biāo) 1 和 2 表示換熱器的進(jìn)出口 。若換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或可取平均溫度下的比.專業(yè) .整理 .下載可編輯熱容時(shí)，即Q=W h Cph (T1-T 2)=W cCpc (t2-t 1 )（3）式中Cp流體的平均比熱容 ， kJ/（ kg ? ）；t 冷流體的溫度 ，；T

11、熱流體的溫度 ，。若換熱器中有熱流體的相變化 ，即Q=W h =W cCpc (t 2-t 1)（4）式中Wh飽和蒸氣 （即熱流體 ）的冷凝速率 ，kg/h ；飽和蒸氣的冷凝熱 ，kJ/kg ?？倐鳠嵯禂?shù)（1） 總傳熱系數(shù)的計(jì)算式兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程4 。a.熱流體在流動(dòng)過程中把熱量傳給管壁的對(duì)流熱。b.通過管壁的熱傳導(dǎo) 。c.管壁與流動(dòng)中的冷流體之間的對(duì)流傳熱。d.換熱器在實(shí)際操作中 ，傳熱表面上常有污垢積存，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻 ，使總傳熱系數(shù)降低 。 在估算 K 值時(shí)一般不能忽略污垢熱阻。由于污垢層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計(jì)，因此通常選用污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值，作為計(jì)算 K 值的

12、依據(jù) ，若管壁內(nèi) 、外側(cè)表面的污垢熱阻分別用Rsi 及 Rso 表示 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯1/K=1/ o +d o / id i+Rso +Rsid o /d i+bd o / d m(5)其中o管外流體傳熱膜系數(shù) ， w/m 2 ·；i管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù) ， w/m 2 ·；Rsi、Rso管壁內(nèi)、外側(cè)表面的污垢熱阻 ，m 2 ·/w ；di、d o、 dm管內(nèi)徑、外徑和內(nèi) 、外徑的平均直徑 ，m ；b管子壁厚 ，mm ；管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù) ， w/m 2 ·；平均溫度變溫傳熱時(shí) ，若兩流體的相互流向不同，則對(duì)溫度差的影響也不同，通常逆流傳熱

13、效果好，以逆流為列 ，推導(dǎo)出計(jì)算平均溫度的通式。+ t 2)/2(6)tm =( t1t1 =T1-t 2t2 = T 2-t 1式中T1, T2熱流體的進(jìn)出口溫度 , ；t1, t 2冷流體的進(jìn)出口溫度 , ；tm = t t m(7)t m按逆流計(jì)算時(shí)的平均溫度差 , ；t溫度差校正系數(shù) ,無量綱；溫度差校正系數(shù) t 與冷熱流體的溫度變化與關(guān),是 P 和 R 兩因素的函數(shù) ,即.專業(yè) .整理 .下載可編輯t=f(P,R)式中 P= (t 2 -t 1)/ (T 1- t 1)= 冷流體溫升 / 兩流體的最初溫度差R= (T 2 -T 1)/ (t 2 -t 1)= 熱流體的溫降 / 冷流體

14、的溫升溫度校正系數(shù) t 值可根據(jù) P 和 R 兩因素從相應(yīng)的圖中查得溫度差校正系數(shù)圖是基于以下假設(shè)作出的。殼程任一截面上流體溫度均勻一致。（ 1）管方各程傳熱面積相等 。（ 2）總傳熱系數(shù) K 和流體比熱容 Cp 為常數(shù) 。（ 3）流體無相變化 。（ 4）換熱器的熱損失可以忽略不計(jì) 。2.2 對(duì)流傳熱膜系數(shù)無相變對(duì)流傳熱的傳熱膜系數(shù)管內(nèi)傳熱膜系數(shù)對(duì)低黏度流體 ， Re10000 ，0.7<Pr 120, L/d 60 時(shí)i=0.023 i/d i Rei0.8 Prin加熱 n 取 0.4；冷卻 n 取 0.3管外傳熱膜系數(shù)0.551/30.14o=0.36( /d m ) ReiPri

15、( / w)Re=2 ×103 1×106有相變對(duì)流傳熱的傳熱膜系數(shù)5(8)(9)蒸汽在水平管外冷凝ao =1.163× 0.945（f3f2 g/ fGg /）1/3.專業(yè) .整理 .下載可編輯（ 10）2.3 流體壓強(qiáng)降的計(jì)算管程流動(dòng)阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對(duì)于多程換熱器 ，其總阻力 Pi等于直管阻力、P2阻力及進(jìn) 、出口阻力之和 。一般進(jìn) 、出口阻力可忽略不計(jì) ，故管程阻力的計(jì)算式為Pi=( P1+P2)Ft Np（ 11）式中P1、P2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；Ft結(jié)垢校正因數(shù) ，無量綱，對(duì) 25 ×2.5

16、mm 的管子，取 1.4， 對(duì) 19 ×2mm 的管子，取 1.5；N p管程數(shù)；P1= (L/d) ×(u2/2)（12 ）P2=3 u2 /2（ 13）殼程流動(dòng)阻力現(xiàn)已提出的殼程流動(dòng)阻力的計(jì)算公式雖然較多，但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，因此使計(jì)算得到的結(jié)果相差很多。下面殼程壓強(qiáng)降P0 的公式，即P0= （ 14）P1+ P2） FsN s式中P1流體橫過管束的壓強(qiáng)降P2流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降，.專業(yè) .整理 .下載可編輯Fs殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，無量綱，液體可取 1.15，氣體可取 1.0P1=Ff 0nc(N B+1)(u 2/2)（15）P2=N B（3.

17、5-2h/D）u2/2（16）式中 F管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列 F=0.5 ，對(duì)轉(zhuǎn)角正方形為0.4，正方形為 0.3。f0殼程流體的摩擦系數(shù) ，當(dāng) Reo 500 時(shí)， f0 =5.0 Re 0-0.228 ；nc橫過管束中心線的管子數(shù) ，管子按正三角形排列 nc=1.1 ×n1/2管子按正方形排列 n c=1.19 ×n1/2N B折流擋板數(shù) ；H 折流擋板間距 ，m ；u0按殼程流通截面積A0 計(jì)算的流速 ， m/s ，而 A0=H(D-n cd 0)一般來說 ，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10 100 kPa ，氣體的為 1 10 kPa 。第三章工

18、藝流程汽提塔（E101）底部的溶液經(jīng)減壓閥LC9202 減壓到 1.76Mpa 進(jìn)入中壓分解分離器（ V102 ），溶液在此閃蒸并分解 ，分離后尿液進(jìn)入中壓分解塔 （E102A/B ），甲銨在此分解 E102A 殼體用 0.5Mpa 蒸汽供熱 ， E102B 用汽提塔蒸汽冷凝液分離器 （ V109 ）的2.5Mpa 蒸汽冷凝供熱 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯從中壓分解塔分離器頂部出來的含有氨和二氧化碳的氣體先送到真空預(yù)濃縮器（ E104）殼程中，被中壓碳銨液泵 （P103A/B ）送來的碳銨液吸收 ，其吸收和冷凝熱用來蒸發(fā)尿液中的部分水份 ，然后進(jìn)入中壓冷凝器 （E106）用冷卻水冷卻 ，最

19、終進(jìn)入中壓吸收塔（C101）。中壓吸收塔為泡罩塔 ，它用氨升泵 （ P105A/B ）來的液氨和氨水泵 （P107A/B ）送來的氨水共同洗滌二氧化碳。中壓吸收塔頂部含有微量惰性氣氨進(jìn)入氨冷器（E109）冷凝成液氨，收集于氨收集器 （V105 ），不凝氣通過氨回收塔 （ C105）進(jìn)入中壓惰性氣體洗滌塔（C103）。惰性氣體放空 ，其吸收熱通過中壓氨吸收塔（E111）用冷卻水帶走 ，氨水通過氨水泵 （P107A/B ）被送到中壓吸收塔 。中壓吸收塔底部溶液通過高壓甲銨泵（P102A/B ）加壓到 15.5Mpa 送到甲銨冷凝器（ E105），返回合成圈 。這里所做的換熱器設(shè)計(jì)就是對(duì)中壓吸收塔出

20、來的氣氨進(jìn)行冷凝成液氨的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以下是氨冷凝器所在工藝流程中的位置（見附圖 3-1 ）。.專業(yè) .整理 .下載可編輯第四章?lián)Q熱器工藝過程計(jì)算4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和條件物料： NH 3、循環(huán)水等 。其中循環(huán)水走管程 。工藝條件 ：殼程：操作壓力 ：1.62 MP a溫度 43 38（入/ 出）管程：操作壓力 ：0.4 MP a溫度 3236（入/ 出）其中： NH 3：流量：580 m 3 /h密度 13 Kg/m34.2 設(shè)計(jì)過程列管式換熱器的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟試算并初選設(shè)備規(guī)格(1)確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。(2)根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。(3)確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管

21、換熱器的形式 ；計(jì)算定性溫度 ，并確定在定性溫度下的流體物性。(4)計(jì)算平均溫度差 ，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8 的原則，決定殼程數(shù) 。(5)依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況 ，選定總傳熱系數(shù) K 值。(6)由總傳熱速率方程Q=KSt m ,初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸（如d 、L、n 及管子在管板上的排列等），或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。計(jì)算管程 、殼程壓強(qiáng)降.專業(yè) .整理 .下載可編輯根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格 ，計(jì)算殼程 、管程流體的流速和壓強(qiáng)降。檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求 。若壓強(qiáng)降不符合要求 ，要調(diào)整流速 ，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換

22、熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。核算總傳熱系數(shù)計(jì)算管程 、殼程對(duì)流傳熱系數(shù) ，確定污垢熱阻 Rsi 和 Rso ，再計(jì)算總傳熱系數(shù) K/ ，比較 1.2530%，則初選的換熱器K 的初設(shè)值和計(jì)算值 ，若 K /K=1.15或（K -K ）/K=15.5%合適 。否則需另設(shè) K 值，重復(fù)以上計(jì)算步驟 6。4.3 工藝計(jì)算過程4.3.1 定性溫度下流體物性NH 3：=13kg/m 3 =0.918 ×10 -5Pa·s =0.0215W/M · =1373kJ/kgCp=0.67kJ/kg ·V=580 m3 /h循環(huán)水：=995.7 kg/m 3=8

23、0.07×10 -5 Pa·s =0.6176 W/M ·Cp=4.174 kJ/kg ·液氨：f=583 kg/m3f=0.432kcal/m ·h·f=0.306kg/m ·hg=12.7 ×107本設(shè)計(jì)中涉及到氨的相變化傳熱過程，根據(jù)兩流體的情況 ，循環(huán)水走管程 ，氨走殼程進(jìn)行計(jì)算 。試算和初選換熱器的型號(hào)(1)計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量Q=Q 1 (顯熱 )+Q 2 (潛熱 )Q1=WCp(T 1 -T2)=V Cp(T1 -T2)=(580 ×13/3600) ×0.67 ×10

24、3 ×(43-38)=7016.4wQ2=W =V =(580 ×13/3600) ×1373 ×103 =2875672.2w.專業(yè) .整理 .下載可編輯Q= Q 1+ Q 2 =7016.4+2875672.2=2882688.6wWH20 =Q/Cpt=2882688.6/(4.174 ×103 ×(36-32)=172.657kg/sVH2O = W H20 / =172.657/995.7=0.173m3/s(2)計(jì)算兩流體的平均溫度差暫按單殼程 、多管程進(jìn)行計(jì)算 。逆流時(shí)平均溫度差為NH 34338 水 36 32 t 7

25、6t 2)/2=6.5 tm =( t1+而R=(T1-T2 )/ （t2 - t 1 ）=1.25P= （t 2- t 1） / （T1 - t 1 ）=0.364由 P、R 值查圖 417 查得 t=0.92所以t m =t×tm =0.92 ×6.5=5.98 （3）初選換熱器型號(hào)根據(jù)兩流體的情況 ，假設(shè) K=1100 W/M ·故 S=Q/K ×tm=2882688.6/1100/5.98=438.2m2由于 Tm -t m =5-4=1 50 因此不需要考慮熱補(bǔ)償 。 據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn) ，有關(guān)參數(shù)如下表4-1 ：表 4-1 換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)

26、Tab.4-1 Heat exchange is related to data參數(shù)殼徑 D/mm1000公稱面積 S0/m 2446.2.專業(yè) .整理 .下載可編輯公稱壓強(qiáng) /MPa1.62管子尺寸 /mm19×2管子總數(shù)1267管長(zhǎng) /m6管子排列方法三角形管程數(shù)1實(shí)際傳熱面積 S0=×××2 。若采用此換熱面積的ndL=12673.140.019(6-0.1) =446 m換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為1100 W/M ·。4.3.3 核算壓強(qiáng)降（1）管程壓強(qiáng)降Pi=(P1 +P2 )FtN p其中 Ft=1.5N p =1管程流通面積

27、 Ai=( /4)d i2n/N p =0.785 ×0.015 2 ×1267/2=0.2239m 2ui =V s/A i=0.173/0.2239=0.8m/sRei=d iu i/ =0.019 ×0.8×995.7/(80.07 ×10 -5)=14922.4設(shè)管壁粗糙度 =0.1mm,/d=0.1/15=0.0067,由第一章中的 -Re 關(guān)系圖中查得=0.039所以P1 = (L/d) ×(u2 /2)=0.039 ×(6/0.015) ×(995.7 ×0.82/2)=4970.5PaP2

28、 =3 u2 /2=3 ×995.7 ×0.82 /2=955.9 Pa則Pi= （ 4970.5+955.9 ）×1.5×1=29839.35 Pa 100Kpa（2）殼程壓強(qiáng)降P0= （P1 +P2 ） FsN s.專業(yè) .整理 .下載可編輯其中 Fs=1.0N s=12/2)P1 =Ff 0 nc(NB+1)( u管子為三角形排列 ， F=0.5nc=1.1 n1/2=1.1×1/2=391267取折流擋板間距 h=0.3mN B=L/h-1=6/0.3-1=19殼程流通面積 A0=H(D-n cd 0 )=0.3 ×(1-39

29、 ×0.019)=0.0777 m 2u0=V 0/A 0=580/3600/0.0777=2.07m/sRe0 = d 0u 0/=0.019 ×2.07×13/(0.918 ×10-5 )=55696.1 500f0=5.0 Re 0 -0.228 =5.0 ×55696.1 -0.228 =0.414所以P1×0.414×392=0.5×（19+1 ）×13 ×2.07 /2=4497 PaP2）u2/2=19 ×(3.5-2 ×0.3/1)13 ×2.072

30、 /2=1534.6Pa= N B（ 3.5-2h/DP0=(4497+1534.6) ×1×1=6031.6 Pa 10kPa計(jì)算表明 ，管程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足題設(shè)的要求。核算總傳熱系數(shù)（1）管程對(duì)流傳熱系數(shù) iRei =14922.4Pri= Cp/ =80.07 ×10-5 ×4.174 ×103 /0.6176=5.41i=0.023 /d Re i0.8 Pr i0.4=0.023 ×(0.6176/0.02) ×14922.4 0.85.410.4=4061.6 W/m 2 ·(2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)

31、032 1/3由于發(fā)生相變傳熱可有公式 0 =0.945（ffg/ fGg ）×1267 2/3 )=10.7kg/sGg =W/(L(N t)2/3 )=V /(L(N t)2/3 )=580 ×13/(632 1/30 =0.945（ffg/ fGg ）.專業(yè) .整理 .下載可編輯=0.945 ×(0.4323×583 2×12.7 ×107 /(0.306 ×10.7)1/3 =9635.2kcal/m 2·h·×9635.2=11205.7 W/m2·0=1.163 0 =1.

32、163(3)污垢熱阻查閱資料 ，管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為Rsi=0.00017 m 2·/WRs0=0.00017 m 2 ·/W(4)總傳熱系數(shù) K0管外側(cè)熱阻忽略時(shí) ，總傳熱系數(shù) K0 為K0=1/ （1/ 0+ R so+ Rs id 0/d i+d 0/d i/ i）=1/(1/11205.7+0.00017+0.00017×0.019/0.015+0.019/(0.015×4061.6)=1272.3 W/m 2·由前面的計(jì)算可知 ，選用該型號(hào)的換熱器時(shí)要求過程的總傳熱系數(shù)為1100W/m 2 ·。在規(guī)定的流動(dòng)條件下 ，計(jì)

33、算出的 K0 為 1272.3 W/m 2·，故所選擇的換熱器是合適的，安全系數(shù)為 （K）/K×（1272.3-1100）/1100×。0-K100%=100%=15.7%.專業(yè) .整理 .下載可編輯第五章?lián)Q熱器主體設(shè)備工藝尺寸的確定5.1 管子的規(guī)格和排列方法選擇管徑時(shí) ，應(yīng)盡可能使流速高些 ，但一般不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(guó)目前試用的列管換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅為25mm×2.5mm 及 19mm ×2mm 兩種規(guī)格的管子 7 。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便即合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗 ，且容易彎曲

34、。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)為6m ，則合理的換熱管長(zhǎng)應(yīng)為1.5m 、2m 、 3m 和 6m 。 系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長(zhǎng) 。此外管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般去 L/D 為 46（對(duì)直徑小的換熱器可取大些 ）。如前所述 ，管子在管板上的排列方法有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形等 。正三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有 ：相同殼程內(nèi)可排列更多的管子；管板的強(qiáng)度高 ；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大 ，因而對(duì)流傳熱系數(shù)高 。正方形排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管外壁，使用與殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)所；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角形排列時(shí)低。轉(zhuǎn)角正方形排列則介于上述兩者之間，與直列排列相比 ，對(duì)流傳熱系數(shù)可適當(dāng)?shù)奶岣摺?專業(yè) .整理

35、 .下載可編輯管子在管板上排列的間距t（指相鄰兩管子的中心距），隨管子和管板的連接方法的不同而異 。 通常，脹管法取 t=(1.3 1.5)d 0，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm, 即 t (d0 +6) 。焊接法取 t=1.25d 0。5.2 管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速降低 ，因而對(duì)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)過多時(shí) ，導(dǎo)致管內(nèi)流動(dòng)阻力增大 ，增加動(dòng)力費(fèi)用 ；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用面積減少 。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題 。 列管換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4 和 6程等四

36、種 。 采用多程時(shí) ，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等8 。管程數(shù) m 可按下式計(jì)算 ，即m=u/u 其中u 管程內(nèi)流體的適宜流速 m/s ；u管程內(nèi)流體的的實(shí)際流速m/s 。當(dāng)溫度差校正系數(shù)t 低于 0.8 時(shí)，可采用殼方多程 。如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程 。 但由于殼程隔板在制造 、安裝和檢修等方面都有困難 ，故一般不采用殼方多程的換熱器，而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)起來使用，以代替殼方多程 。例如當(dāng)需殼方兩程時(shí) ，即將總管數(shù)等分為兩部分，分別裝在兩個(gè)內(nèi)徑相同而直徑較小的外殼中 ，然后把兩個(gè)換熱器串聯(lián)使用。5.3 折流擋板安裝折流擋板的目的 ，是為加大殼程流體的

37、速度，是湍流程度加劇 ，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 9 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯最常用的為圓缺型擋板 ，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10% 40%，一般取20% 25% ，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰檔板的距離 （板間距）h 為外殼內(nèi)徑 D 的（ 0.2 1）倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為：固定管板的有 150 、 300 和 600 三種，單位均為 mm ；浮頭的有 150、200 、300 、480 和 600 五種，單位均為 mm 。板間距過小 ，不便于制造和檢修 ，阻力也較大 。板間距過大，流體就難于垂直的流過管束 ，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降 。5.4 外殼直徑的確定換熱器的殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于

38、或稍大于（對(duì)浮頭式換熱器而言 ）管板的直徑 。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù) 、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可采用作圖的方法確定殼體內(nèi)徑。但是 ，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，用作圖法就太麻煩了 。一般在初步設(shè)計(jì)中 ，可先選定兩流體的流速 ，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，與系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑 。 待全部設(shè)計(jì)完后 ，仍用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子均勻排列 ，防止流體走 “短途 ”，可適當(dāng)增減一些管子 10。另外，初步設(shè)計(jì)中也可用下式計(jì)算殼體的內(nèi)徑，即D=t(n c-1)+2b其中D 殼體內(nèi)徑 ，m；t 管中心距 ，m；nc橫過管束中心線的管數(shù) ；b管束中心線上最外層的中心至殼體內(nèi)壁的

39、距離，一般取 b=(1 1.5)d 0；m 。 nc 值可用下面公式估算 ，即管子按正三角形排列nc=1.1n 1/2.專業(yè) .整理 .下載可編輯管子按正方形排列nc=1.19n 1/2式中 n 為換熱器的總管數(shù) 。表 5-1 殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸Table 5-1 Hull stock size殼體外徑 /mm325400 500 600 700800 900 10001100 1200最小壁厚 /mm81012145.5 主要附件封頭：封頭有方形和圓形兩種 ，方形用于直徑小 （一般小于 400mm ）的殼體，圓形用于大直徑的殼體 11。緩沖擋板 ：為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可以在進(jìn)料

40、口裝設(shè)緩沖擋板。導(dǎo)流筒：殼程流體的進(jìn) 、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），為了提高傳熱效果 ，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒 ，使流體進(jìn) 、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間。放氣孔、排液孔：換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。換熱器中流體進(jìn) 、出口的接管直徑按下式計(jì)算，即D=(4V s/ u) 1/2式中Vs流體的體積流量 ，m3 /s ；u 流體在接管中的流速 ，m/s ；流速 u 的經(jīng)驗(yàn)值可取為對(duì)液體u=1.5 2m/s.專業(yè) .整理 .下載可編輯對(duì)蒸汽u=20 50m/s對(duì)氣體u=(0.15 0.2)p/ (為壓強(qiáng) ，KPa；為氣體密度 ，Kg/m 3)。5.6

41、 材料選用列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及腐蝕性能下降。同時(shí)具有耐熱性 、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少有的。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耐腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺 ，應(yīng)盡量少用 12 。表 5-2 列管換熱器各部件的常用材料Table 5-2 The common material for each parts of the tube heat exchanger部件或零件名稱材料牌號(hào)碳素鋼不銹鋼殼體、法蘭A3 、3 、nR16MN+FAR 1

42、6M0Cr18 Ni 9Ti法蘭、法蘭蓋16M n 、A316M N +1C rNi 9 Ti管板A4r9Ti1C Ni膨脹節(jié)A3 、16MnRr9TiF1C Ni擋板和支撐板A3F1CrNi 9Ti螺栓16M n 、40M n、 40 M nB.專業(yè) .整理 .下載可編輯換熱管10 號(hào)螺母A3、40Mnr 9Ti1C Ni墊片石棉橡膠板支座A3F5.7 管板尺寸的確定管板受力情況分析列管換熱器的管板 ，一般采取平板管 ，在圓平板上開孔裝設(shè)管束，管板又與殼體相連。管板所受載荷除管程和殼程壓力外，還承載管壁和殼壁的溫差引起的變形不協(xié)調(diào)作用等 13。 管板受力情況較為復(fù)雜 ，影響管板應(yīng)力大小又如下因素：（1）