高压U形管式换热器的管箱设计探讨
1设备概述某装置中有一台高压U形管式换热器,其设计参数见表1。表1 U形管式换热器设计参数设计参数管程壳程介质丙酮(含0.1%甲酸)水蒸汽设计温度,℃310 320设计压力,MPa 18.9 3.0管板设计压力,MPa 18.9公称直径,mm DN300程数2 1主要受压元件16Mn锻+堆焊316L 16Mn本设备管程介质中含少量甲酸(约0.1%),因此管箱内部需堆焊316L不锈钢做耐蚀层,若采用夹持管板(GB151中的a型管板),不但需要一对法兰,而且法兰轴向长度加上管箱筒体设置物料进出口所必须的长度,将超过700mm,而设备内径仅为Φ304mm。经过方案比较,本设计采用图1的焊接管板(GB151中b型管板)和平盖封头的型式,焊接管板直接与管箱法兰小端焊接,将所有管程开孔均移至平盖上,这样虽然管板厚度较大,但缩短了管箱的轴向长度,便于检修换热管与管板的接头,同时有利于保证分程隔板与管箱的焊接质量,也节省了管箱段的锻件用量。由于...&
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0.绪论对于高压管箱的设计,其结构上必须保证强度的可靠性和密封的严密性。为了保证强度的可靠性,使管箱在确定压力及其他载荷作用下,不导致破坏或过量塑性变形,就必须对各受力元件做详细的应力分析;为了保证密封的严密性,使管箱在操作时不产生泄露,就必须慎重确定密封结构及相关零部件尺寸。本文以在某项目中高压U形管换热器管箱部分的设计为例,阐述高压换热器管箱的设计方法。该U形管换热器通过管程锅炉给水将壳程急冷油冷却以达到工艺所需要的介质温度。1.设计方案1.1管箱密封结构选取平封头在压力容器中使用广泛,特别用于压力较高直径较小的高压容器。其密封结构有:金属平垫密封、双锥密封、伍德密封、卡扎里密封、八角垫和椭圆垫密封、卡箍紧固结构密封等。其中双锥密封的使用范围:设计温度0~400℃;设计压力:6.4~35MPa;内直径400~3200mm。本设备设计参数与此条件吻合,因此本设备管箱密封采用双锥密封。双锥密封较其它高压密封结构具有以下优点:在预...&
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绕管式换热器管板应力的实验研究西安交通大学工程师赵挺高级工程师杨仲民教授丛敬同摘要采用组合式密封层和特制的引出导线密封装置，测定了在较高水压作用下的绕管式换热器的管板应力。测试结果表明，实验值与有限元计算值基本一致。叙词绕管式换热器，管板应力，测试，有限元分析ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆＴｕｂｅｓｈｅｅｔｆｏｒＷｒａｐｐｅｄ－ＴｕｈｅＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒ￥ＥｎｇｉｎｅｅｒＺｈａｏＴｉｎｇ；ＳｅｎｉｏｒＥｎｇｉｎｅｅｒ；ＹａｎｇＺｈｏｎｇｍｉｎＰｒｏｆｅｓｓｏｒＣｏｎｇＪｉｎｇｔｏｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｔｕｂｅｓｈｅｅｔｏｆｗｒａｐｐｅｄ－ｔｕｂｅ－ｅｘｃｈａｎｇｅｒｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｕｓｉｎｇａｃｏｍｂｉｎｅｄｓｅａｌｅｄｌａｙｅｒａｎｄａｓｐｅｃｉａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｏｕｔ－ｗｉｒｅｓｅａｌｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｕｎｄｅｒｈｉｇｈｅｒｐｒｅｓｓｕ...&
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0引言缠绕管式换热器在我国的引入始于20世纪的化肥工业建设。在合成氨装置中,德士古气化、林德甲醇洗、托普索合成是重要的工艺操作单元,其中林德低温甲醇洗工段中的关键换热设备就是缠绕管式换热器。在国家“十五”重大装备研制攻关计划、中国石化重大装备国产化攻关计划、国家“十一五”科技支撑计划和国家高技术研究发展计划的持续支持下,合肥通用机械研究院、镇海石化建安工程有限公司、中石化洛阳工程公司等单位联合攻关,不仅实现了煤炭深加工中大型多股流缠绕管式换热器的国产化,而且在国际上首先开启了炼油装置中应用缠绕管式换热器的先河[1-2]。随着我国煤炭深加工工业的发展,缠绕管式换热器已经在甲醇、化肥多联产、煤制低碳烯烃、煤的间接液化、聚丙烯、乙二醇等行业得到广泛的应用[3]。作为煤炭深加工(煤化工)领域关键换热设备,缠绕管式换热器为装置节能和安全性的和谐统一提供了一条有益的途径。我国在久泰能源内蒙煤炭深加工项目、山东滕州大化肥多联产项目、兖矿新疆煤...&
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绕管式换热器是在与管板相连的中心筒上,以螺旋状交替缠绕数层小直径换热管形成管束,再将管束放入壳体内的一种换热器。其具有结构紧凑,可同时进行多种介质换热、管内操作压力高、传热管的热膨胀可自行补偿、换热器易实现大型化等特点,因此,成为大型煤化工装置低温甲醇洗系统的首选设备[1]。绕管式换热器可使工艺流程简洁,设备布置更趋紧凑,由于换热效率的提高,减少了换热设备数量,使设备运行更趋安全,意义重大[2]。绕管式换热器作为定型设备,由专业厂家负责设备的工艺设计、强度设计和设备制造。笔者以下从工艺设计、设备材质、设备制造、产品验收和包装等环节简述绕管式换热器的制造要求和选型要点。1工艺设计采用工艺模拟试验和计算机对比模拟计算是开展绕管式换热器工艺研究的一种手段,通过试验和计算建立物流传热和流动模型,为设备的设计奠定基础,并通过工业应用试验验证和修正所建立的计算模型,使其工艺计算更加完善和优化。低温甲醇洗装置内绕管式换热器的工艺研究主要包括以...&
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管壳式换热器是石油、化工装置中应用最广泛的换热设备,由于管壳式换热器结构坚固,且能选用多种材料制造,故适应性极强,尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。U形管式换热器是管壳式换热器的一种,它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直径情况下,U形管换热器的换热面积最大;它结构简单、紧凑、密封性能高,在高温、高压下金属耗量最小、造价最低;而且,由于U形管换热器只有一块管板,所以在换热过程中热补偿性能好、承压能力较强,适用于高温、高压工况下操作。1U形管排列原则换热管是换热器中进行换热的元件。换热管排列可采用正三角形排列,通过正三角形排列,在同一直径管板面积上可排列最多的管数。正三角形排列时,流体在垂直流向折流板缺口时正对换热管,冲刷换热管的外表面,提高换热效果。此外,正三角形排列的流体流道截面小,有利于提高流速和换热效率。为了优化设计U形管式换热器,U形管按以下原则排列:①换热管的排列应使整个管束完全对称;②应在规定的范围内全部...&
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绕管式换热器即缠绕管式换热器,是管壳式换热器中的一种,主要由壳程筒体和管束组成。缠绕管式换热器的结构特点是将多层螺旋状的换热管缠绕在管板中部的芯筒上而形成。对于一般管壳式换热器中的固定管板换热器,通常管板计算时需考虑换热管对管板的支承作用和热膨胀引起的管壳膨胀差;对于U形管换热器,由于换热管一端固定,另一端可自由膨胀,其管板计算不考虑换热管对管板的支承作用和管壳膨胀差。绕管式换热器的管板受力状态介于二者之间,由于绕管束具有一定的弹性,即能在壳体内伸缩吸收一定的热膨胀和约束力。目前这种结构管板计算尚无成熟方法和标准,近似等效为U形管式换热器管板的计算模型,既不能反映实际受力情况,也无确定这种结构最大应力产生部位及其应力值,因此导致管板计算厚度过厚而造成锻件成本增加。本文采用有限元方法对某项目绕管式换热器管板建立了合适的有限元模型,并进行了详细的应力分析。1绕管式换热器基本参数某项目绕管式换热器基本设计参数及几何参数见表1和表2。本...&
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换热器管箱长度有限制吗今天一朋友问我一问题，说是有
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换热器管箱长度有限制吗今天一朋友问我一问题，说是有
管箱部分的长度应该没有限制，长度应根据设计工艺要求确定，有接管时根据管径调整。
<img alt="海亚锅炉节煤设备,锅炉节能设备销_五莲县海亚热管换热器厂; 海亚青岛" src="http://file.hi1718.com/productsimage//9709.jpg" />
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<img alt="尿素高压换热器列管,管板,管箱及内件的腐蚀与改造修复" src="http://dlsonghai.com/UploadFile/.jpg" />
<img alt="浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以" src="http://ydhrsb.com/img/cp18.jpg" />
换热器管箱长度有限制吗今天一朋友问我一问题,说是有：
管箱部分的长度应该没有限制,长度应根据设计工艺要求确定,有接管时根据管径调整。
换热器壳体法兰,管箱法兰的选择。：
第一,现在设备法兰最新标准是NB/T
压力容器法兰,jb/t4703被替换掉了...
换热器的管箱封头如何计算：
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说明换热器中管板,管箱,折流管的作用：
管板起到加快热量传递的作用 管箱是物料进出的空间 折流板起到1.增加湍流;2.减少死区;3.加长流程...
换热器型号含义是什么,有谁说说看?：
换热器在们生活中用的地方很多,型号也随之增多,那每个换热器型号又代表什么意思呢?下面为做介绍。 换热...
ASME 8-1 规范对换热器管箱热处理有否规定?：
ASME VIII-1 上没有规定管箱是否需要做热处理,但在一些工程公司的项目规定会有要求 查看原帖...
在压力容器中,为什么碳钢制作的换热器管箱若有分程隔板,需做消应力热处理,而奥氏体不绣钢不做要求。：
首先要知道热处理是为什么,对于材质为碳钢或低合金钢带隔板管箱,考虑焊后热处理是为了因焊接分程隔板造成...
求问换热器管箱法兰与壳体法兰的区别：
前端管箱法兰是管程部分,其与管板连接。 筒体法兰是指壳程上连接壳体分段的法兰,一般的换热器上是没有此...
是不是所有换热器带隔板管箱都要热处理：
这个主要看你的材质和工艺要求
（编辑：qq网友）
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立式管壳式换热器
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增值电信业务经营许可证B2-换热器课程设计_甜梦文库
换热器课程设计
热交换器设计任务书东华大学课程设计题目：醋酸热交换器工艺及结构设计学 学 专 班生： 刘松婷 号：
业： 能源与环境系统工程 级： 能环 0801指导教师： 陈小光环境学院能源与环境系二 O 一二 年 一 月-0-热交换器设计任务书课程设计任务书设计（论文）题目：醋酸热交换器工艺及结构设计学院：环境学院 专业：能源与环境系统工程 班级：能环 0801 学号： 学生： 刘松婷 2011 年 12 月 指导教师： 陈小光接受任务时间1．设计（论文）的主要内容及基本要求管程 流体名称 总流量/（K/h） 55%醋酸溶液 26000Kg/h 70/45 工作温度 /进/出 (℃) 70/40 65/40 设计压力/(MPa) 0.6壳程 冷却水20/35 20/35 15/30 0.62．指定查阅的主要参考文献及说明 GB150-98《钢制压力容器》及 GB151-99《钢制管壳式换热器》《换热器》 ， ， 《化工原理》 《换热器设计手册》 ， ，CD130A20-86《化工设备设计文件编制》, HGJ34-90《化工设备，管道外防腐设计规定》-1-热交换器设计任务书醋酸热交换器工艺及结构设计目 录第一章 绪论 ......................................................................................................................... 5 1.1 换热器基本概况 ......................................................................................................... 5 1.2 换热器的分类及特点 ................................................................................................. 6 1.2.1 直接接触式换热器............................................................................................... 8 1.2.2 蓄热式换热器....................................................................................................... 8 1.2.3 间壁式换热器....................................................................................................... 9 1.3 换热器研究及发展 ................................................................................................... 13 1.3.1 换热器的研究...................................................................................................... 13 1.3.2 换热器的发展...................................................................................................... 14 第二章 工艺设计 ............................................................................... 错误！未定义书签。 2.1 估算传热面积，初选换热器型号 ........................................... 错误！未定义书签。 估算传热面积， 错误！未定义书签。 2.1.1 基本物性数据的查取......................................................... 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。 2.1.2 计算热负荷和冷却水流量.................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 2.1.3 确定流体的流径................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 2.1.4 计算平均温度差................................................................................................. 20 2.1.5 选 K 值，估算传热面积 .................................................................................... 20 2.1.6 初选换热器型号................................................................................................. 20 2.2 校核总传热系数 K ................................................................................................... 21 2.2.1 管程对流传热系数............................................................................................. 21 2.2.2 壳程对流传热系数.............................................................................................. 22 2.2.3 污垢热阻 管内、管外污垢热阻...................................................................... 232.3 核算压降 .................................................................................................................. 24 2.3.1 管程压降............................................................................................................. 24 2.3.2 壳程压降............................................................................................................. 25 第三章 换热器结构设计及附件选取 ............................................................................... 27-2-热交换器设计任务书3.1 筒体 ........................................................................................... 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。 3.1.1 材料...................................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 3.1.2 结构尺寸.............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 3.1.3 结构型式.............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 3.2 封头 .......................................................................................................................... 27 错误！未定义书签。 3.3 管箱 ........................................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1 材料...................................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 3.3.2 结构型式.............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。 3.3.3 管箱尺寸.............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 3.4 管箱法兰的选取 ....................................................................... 错误！未定义书签。 3.4.1 材料...................................................................................................................... 30 3.4.2 结构尺寸.............................................................................................................. 30 3.4.3 结构型式.............................................................................................................. 30 3.5 接管 ........................................................................................................................... 31 3.5.1 材料...................................................................................................................... 31 3.5.2 结构尺寸.............................................................................................................. 31 3.5.3 结构型式.............................................................................................................. 31 3.6 接管法兰选取 ........................................................................................................... 31 3.6.1 材料...................................................................................................................... 31 3.6.2 结构尺寸.............................................................................................................. 31 3.6.3 结构型式.............................................................................................................. 32 3.7 垫片选取 ................................................................................................................... 32 3.8 管板 ........................................................................................................................... 32 3.8.1 材料...................................................................................................................... 33 3.8.2 结构尺寸.............................................................................................................. 33 3.8.3 结构型式.............................................................................................................. 33 3.9 换热管 ....................................................................................................................... 33 3.9.1 材料...................................................................................................................... 33 3.9.2 结构尺寸.............................................................................................................. 33-3-热交换器设计任务书3.9.3 排列型式.............................................................................................................. 34 3.10 防冲板 ..................................................................................................................... 34 3.11 拉杆和定管距 ......................................................................................................... 35 3.11.1 材料 .................................................................................................................... 35 3.11.2 结构尺寸 ............................................................................................................ 35 3.11.3 结构型式 ............................................................................................................ 35 3.11.4 定管距 ................................................................................................................ 35 3.12 折流板选取及布置 ................................................................................................. 36 3.12.1 材料.................................................................................................................... 36 3.12.2 结构尺寸............................................................................................................ 36 3.12.3 结构型式............................................................................................................ 37 3.13 鞍座选取及安装位置确定 ..................................................................................... 38 3.13.1 支座结构类型和材料........................................................................................ 38 3.13.3 支座的尺寸........................................................................................................ 39 3.13.4 支座在换热器上的位置尺寸........................................................................... 39 3.14 分程隔板 ................................................................................................................. 39 3.14.1 分程隔板的厚度............................................................................................... 39 3.14.2 程隔板的布置.................................................................................................... 40 3.15 吊耳 ........................................................................................................................ 40 3.15.1 符号说明........................................................................................................... 40 3.15.2 吊耳的材料和结构尺寸................................................................................... 40 3.16 顶丝 ........................................................................................................................ 41 3.16.1 符号说明........................................................................................................... 41 3.16.2 顶丝的结构尺寸................................................................................................ 41 3.16.3 顶丝直径和个数............................................................................................... 41 参 考 文 献 ....................................................................................................................... 42 总 结 ................................................................................................................................. 43-4-热交换器设计任务书第一章 绪论1.1 换热器基本概况 使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备， 它是化工、 炼油、 动力、 食品、 轻工、 原子能、 制药、 机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。 在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高， 放出热量；一种流体温度较低，吸收热量。 换热器的应用广泛，日常生活中的取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝 汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它的主要功能是保证工艺过程对 介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 对于迅速发展的化工、石油、和石油化学工业来说，换热器尤为重要。例如 常压、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的 20%。催化重整及加氢脱硫装置中 约占 15%。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的 11%。换热器即可是 一种单独的设备，如加热器、冷凝器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部 分，如氨合成塔内的热交换器。 在制冷工业中，以食品冷藏业常用的以氨为制冷的蒸汽压缩制冷装置为例， 进过压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体； 液化后的高压液态氨在膨胀机或 节流阀中绝热膨胀，使温度下降到远低于周围环境的温度；这种低温氨流体在流 经蒸发器时 （布置在冷藏管中） 吸热蒸发而回复到原先进入压缩机是的氨气状态， 然后再重复心得循环。 在其他各种制冷装置中， 都存在冷凝器和蒸发器等换热器。 在火力发电厂中装有空气预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等 一系列的换热器。实际上蒸汽锅炉本身就可以看作是一个大型复杂的换热器。燃 料在炉膛中燃烧产生的热量，通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤 器加热介质，使工质汽化、过热称为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。 换热器在节能技术改造中具有很重要的作用。表现在两个方面：一是在生产 工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的 消耗；另一方面用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率。 工业余热数量大，分布广，各国均已把余热回收列为节能工作的一个重要方 面。经验表明，换热器是最有效的余热回收设备。以锻造加热炉为例，普通加热 炉每公斤锻造的能耗为 0.7 公斤标准燃料，而装有换热器的加热炉每公斤锻造的-5-热交换器设计任务书能耗只有 0.15 公斤左右标准燃料。烧燃料的工业炉，约有 60%~70%的热量由烟 气带走，被浪费掉了。有段时期国内偏重于用余热锅炉来回收烟气余热，而较少 采用换热器。 余热锅炉的热回收率虽较高， 但它无助于工业炉本身热效率的提高， 因而无助于炉用高质燃料的节省。装设换热器利用烟气余热来预热工业炉的进 风，可使工业炉本身的热效率得到提高，因而可节省炉用高质燃料。用普通换热 器将空气预热至 300~400℃，一般可节约燃料 15%~25%，用高温换热器时可以 取得更好的效果，节约燃料可到 40%以上。烧低热值燃料的加热炉，将空气和煤 气预热至 300℃，可是温度迅速提高 1~2 倍，可是产量提高 20%~30%。对于烧 油的炉子，预热空气有助于燃油雾化质量的改善，使燃料达到充分的燃烧。换热 器的后面再装预热锅炉，可是燃料热量利用率达到 80%~90%。由此可见，工业 炉烟气余热回收， 应首先满足炉内需要以节省炉用高质燃料， 然后考虑外不需要， 争取得到更大的经济效益。对于其他余热的回收，也应遵守以节约燃料为中心进 行综合利用的原则。由于工业余热分布广、形式各种各样，故节能方案也各不相 同，但在各种节能方案中换热器几乎是不可缺少的。 由于实际燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面，各国 都在致力于新能源开发，因而换热器的应用与能源的开发（如太阳能、地热能、 海洋热能）与节约紧密联系。所以，热交换器的应用遍及动力、冶金、化工、炼 油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门。它不但是一种广泛 应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。例如在石油化工工 厂中，它的投资要占到建厂投资的 1/5，它的重量占工艺设备总重的 40%，在年 产 30 万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的 25%，在我国的一些大型炼油企 业中，各式热交换器的装置数达到 300~500 台以上。就其温度、压力来说，国外 的管壳式换热器的最高压力达 84MPa，最高温度达 1500℃，而最大外形尺寸达 33m，最大的传热面积达 6700m2，现有实际情况，还要超过上面给出的数据。1.2 换热器的分类及特点 随着科学和生产技术的发展， 各种工业部门要求热交换器的类型和结构要与 之相适应，流体的种类、流体的运动、设备的压力和温度等也必须满足生产过程 的要求。近代尖端科学技术的发展（如高压、高速、低温、超低温等） ，有促使-6-热交换器设计任务书了高强度、高效率的紧凑热交换器层出不穷。虽然如此，所有的热交换器仍可按 照他们的一些共同特征来加以区分。例如： 1） 按照工艺功能来分：冷却器、预热器（或加热器） 、再沸器、冷却器、蒸发 器、加热器、废热锅炉等。 冷却器：冷却工艺物流的设备。一般冷却剂多采用水，若冷却温度低时，可 采用氨或氟利昂为冷却剂。 预热器（加热器） ：加热工艺物流的设备。一半多采用水蒸汽作为加热介质， 当温度高时可采用导热油，熔盐等作为加热介质。 再沸器：用于蒸发蒸馏塔底物料的设备。热虹吸式再沸器被蒸发的物料依靠 液头压差自然循环蒸发。动力循环式再沸器被蒸发物流用泵进行循环蒸发。 冷凝器：蒸馏塔顶物料的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备。 蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备。 过热器：对饱和蒸汽再加热升温的设备。 废热锅炉：由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备。 2）按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的 等。 3） 按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小及在指定热交换器 区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温 度都随时间改变。 4） 按照热流体与冷流体的流动方向来分： 顺流式（或称并流式）：两种流体平行地向着同一方向流动； 逆流式：两种流体也是平行流动，但他们的流动方向相反； 错流式（或称叉流式）：两种流体的我流动方向互相垂直交叉。当交叉次数 在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成逆流或顺流。 混流式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。 5） 按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类，这是热交换 器最主要的一种分类方法。 间壁式：热流体和冷流体有一固体壁面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另 一种流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。-7-热交换器设计任务书混合式（或称直接接触式）：这种热交换器内依靠热流体与冷流体的直接接 触而进行传热，例如冷水塔以及喷射式热交换器。 蓄热式（或称回热式）：其中也有固体避免，但两种流体并非同时而是轮流 地和壁面接触。当热流体流过时，把热量储蓄与壁面内，壁的温度逐渐升高；而 当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，已达到热 交换的目的。例如炼铁厂的热风炉。 在混合式、间壁式和蓄热式三种类型中，间壁式热交换器的生产经验、分析 研究和计算方法比较丰富和完整， 因而在对混合式和蓄热式热交换器进行分析和 计算时，常采用一些渊源于间壁式换热器的计算方法。 1.2.1 直接接触式换热器 它是利用两种换热流体的直接接触与混合作用来进行热量交换。 混合式换热 器操作的一个主要因素是要是两种流体接触的面积尽可能大， 以促使他们之间的 热量交换。为了获得大的接触面积，可在设备中设置防止搁栅或填料，有事也可 以把液体喷成细滴。此类设备通常做成塔状。 1.2.2 蓄热式换热器 它是让两种温度不同的流体先后通过一种固体填料 （如炼焦炉下方的蓄热室 中放置的多空性格子砖和在制氧装置中所有蓄冷器中的卵石等）的表面，如图 1 ―1 所示。首先让热流体通过，把热量蓄积在填料中，然后，当冷流体通过时， 将热量带走。这样，在填料被加热和冷却的过程中，进行着热流体和冷流体之间 的热量传递。在使用这种换热器时，不可避免地会使两种流体有少量混合，切必 然是成对使用，即当一个通过热流体时，另一个则通过冷流体，并且自动阀进行 交替切换，使生产得以连续进行。-8-热交换器设计任务书图 1-1 蓄热式换热器示意图1.2.3 间壁式换热器 它是利用金属壁面将进行热交换的冷、热流体隔开，使它们通过避免进行传 热。这种形式的换热器使用最广泛。间壁式换热器按照传热面的形状和结构可分 为“套夹式”换热器、 “管壳式”器、 “面板式”换热器。 夹套式 一 “夹套式”换热器 如图 1-2 所示，夹套是用焊接或螺钉的方法，固定安装在容器外部，在加热 时，蒸汽自上而下流经夹套冷凝后流出，在冷却时，冷却水由上而下流经夹套， 吸热后流出。其结构简单，但因传热面记得限制，传热效果不是很好，主要用于 反应器的加热或冷却设备的保温。图 1-2 夹套式换热器示意图管式” 二 “管式”换热器 虽然在换热率，设备结构的紧凑性和金属消耗等方面都不如其他新型换热-9-热交换器设计任务书器，但他具有结构坚固，操作弹性大和使用材料范围广泛等优点。尤其在高温、 高压和大型换热器中，仍占有相当优势。又可以细分为：蛇管式换热器、套管式 换热器、列管式换热器。 1 蛇管式换热器 它是最早出现的一种结构简单和操作方便的传热设备， 它本身又可以分成沉 浸式和喷淋式两种。 （1） 沉浸式蛇管设备 蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器情况的形状，如图 1-3 所示。 内通一种流体，沉浸在盛有另一种流体的容器中，进行热交换。其结构简单，能 耐高压。但因容器中流体流速小，因而给热系数小，传热效率低。如果在容器中 搅拌装置或减少关外空间，则传热效率有所提高。图 1-3 蛇管的形状（2） 喷淋式蛇管换热器 这种形式的换热器多用来冷却管子内的流体，如图 1-4 所示，将蛇管成排固 定在钢架上，被却的流体在管内流动，冷却水从蛇管上方的喷淋装置均匀淋下。 其传热效果较沉浸式为好，切便于检修和清洗。但这种类型换热器体积庞大，有 事喷淋效果不够理想。- 10 -热交换器设计任务书1-4 喷淋式换热器示意图2 套管式换热器 如图 1-5 所示， 是将两种直径不同的直管装成同心套管， 并用 U 型周管把多 段直管串联起来，内管及套管间隙中各有一种流体流过，进行热交换。其结构简 单，能耐高压。这种换热器一般适用于流体流量较小和所需要的传热面积不大的 场合。3 列管式换热器 又称管壳式换热器，主要由壳体、管束、管箱、封头等部件组成，如图所示。 管束两端固定在管板上，管板连同管束都固定在壳体上，封头、壳体上装有流体 的进出口接管。热交换时，一种流体在管束及与其相同的管箱内流动，其所进过 的路程成为管程；为了提高管程流体的流速，可在壳体内装设一定数目与管束相 互垂直的折流挡板，这样既提高壳程流体的流速，同时又迫使壳程流体遵循规定- 11 -热交换器设计任务书的路径流过， 多次地错流流过管束， 有利于提高传热效果。 列管式换热器操作时， 由于管束与壳体的温度不同， 两者所用材料有时也不相同， 导致两者热膨胀不同。若两者的温度差较大时，就可能会引起设备变形、扭弯或破裂。为此，考虑到热 膨胀的影响，需采用各种补偿措施结构。列管式换热器，根据补偿程度不同，常 用的有以下几种结构形式： a) 固定管板式热交换器 管束两端的管板和管壳固定连接，使用广泛，已系列化：对于温度差大于 60℃，而壳体受压不太高时，可在壳体上加上热补偿结构――膨胀节，最大使用 温度不用大于 120℃。他的优点是结构简单、紧凑、造价便宜。缺点是管外不能 进行机械清洗，因此，壳体流体需用不易生垢的清洁流体。 b) 浮头式换热器 管束的一端管板与壳体连接，另一端管板与壳体不连接，受热或受冷时，可 以沿管长方向自由伸缩，成为浮头。浮头有内浮或外浮头，其结构复杂，金属材 料多，制造成本高，但整个管束可以从壳体内拆卸出来，便于检修和清洁。它适 用于管壁和壳壁温差大，管束空间经常清洗的场合。 c) 型管式换热器 每根管子都弯成 U 形，进、出口都安装在同一管板的两侧，再将该侧管箱 用隔板分成两室，由于只有一块管板，管子在受热或受冷时，可以自由伸缩。其 结构简单，能耐高温，高压，但管束不易清洗，拆换管子也不容易。因此要求通 过管内的流体是洁净的。 这种换热器壳用于温差变化大很大， 高温或高压的场合。 d) 填料函式换热器- 12 -热交换器设计任务书它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料函密封， 以保证管子的自由伸缩。当换热器的管子数目很少时，才采用这种结构，但管距 比一般换热器要大， 结构复杂。 另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构， 在浮动处采用整体填料函密封，结构简单，但此种结构不易直径大，压力高的情 况。 我国已制定了列管式换热器系列化标准， 标准中规定了列管式换热器的主要 参数有公称换热面积、公称直径、公称压力、换热管长度、管子外径、管子间距 和排列，可供工程设计时采用。 板面式” 三 “板面式”换热器 “板面式”换热器的传热性能要比“管子”换热器优越，由于采用“板面” 的特殊结构，使流体在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。该设备 采用板材制作，故在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比“管 式”较差。是有熟悉各种形式换热器的特点，设计换热器时才能综合考虑材料、 压力、温度差、结构、流体状态、应用方式、检修和清理等因素，选用最佳的换 热器形式，才能保证达到工艺所规定的换热条件，且强度足够、结构可靠，同时 便于制造、安装、检修又经济合理，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。 1.3 换热器研究其发展 1.3.1 换热器的研究 由于换热器的技术性能直接影响到整个工艺装置的综合技术经济指标，因 此，国外在组织打大规模生产的同时，对于其研究设计工作给与了很大注意。 传热机理和传热设备二者之间是不可分割的。传热机理，其中包括冷凝、蒸 发、对流、辐射和传导，到现在还没有被完全了解，因此传热仍然是一门实验科 学。其理论方面有一种国际性的刊物不断进行报导，最近若干次国际技术会议也 是为传热研究而专门举行的。由于从化学工业到宇宙开发需要换热器，并且愈来 愈对换热器提出各种特殊而往往是极为苛刻的要求，因此，各国对传热及其传热 设备的竞相研究目前仍处方兴阶段。从传热机理的探讨到设备机构的创新，从设 计计算到制造工艺，都有专门的机构从事研究。目前，仅每年发表的传热技术文 献即数千余篇。- 13 -热交换器设计任务书实验室的研究虽然有价值，但用小型设备进行的模拟实验，常常不容易很快 地用在工业装置上。因此，有些国家如美国比较重视现场实验。但现场实验费用 很高，常常超过很多公司的支付能力。为此，美国在 1962 年成立了“换热器研 究公司”HTRI，其费用有五十多个公司分担。到目前为止，根据该公司的报导， 很多换热器设计得过于保守，如果采用 HTRI 的数据，可以节省换热器费用。 在进行换热器最佳设计时，需要进行很多复杂的计算，包括综合计算经济指 标的对比与分析，工艺计算和机械强度计算等。采用人工计算，一般都是经过若 干次反复计算，这不仅很难找出最佳值，而且既费时间又容易出错。因此，采用 电子计算机进行换热器设计，在国外引起了普遍重视，近年来，尤其在美国有了 新的发展。 现代的石油和化工过程经常要求在极其广阔的范围内进行热交换，压力、温 度和腐蚀性都变得难以应付。要求换热条件即使千变万化，换热器也必然是各种 各样的。没有也不可能找到一种“万能”的换热器，每种结构形式都有它自己的 特长和短处。国外在设计换热器时，对于形式的选择是很重视的，他们常常通过 繁杂的计算来进行技术经济对比。换热器选择时，考虑的因素很多，如材料、压 力、温度、温差和压降、结垢、流体状态、应用形式、检修和清理等。有些结构 形式，在一中情况下使用最好的，然而在另外的情况下，却可能完全不能令人满 意。 1.3.2 换热器的发展 随着化学和石油工业以及新兴的石油化学工业的发展， 对换热器的需要也日 益增加。许多国家都组织有若干专业公司或工厂进行大规模生产。 由于制造工艺和科学水平的限制，早起的换热器只能采用简单的结构，而且 换热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形 成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较 好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 换热器在工业中的应用，至少已有 200 余年的历史，大致可分为三个时期： 20 世纪以前的原始时期，20 实际的前 50 年为初步发展时期，近 30 余年的迅速 发展时期。- 14 -热交换器设计任务书原始时期，换热器大都由铸铁管组装而成，主要用于动力、化工、钢铁等工 业部门。19 世纪 50 年代出现了蓄热室，蓄热室预热空气比用单式的金属换热器 所能达到的温度高，因而足见取代了原始的铸铁换热器，成为 19 世纪后 50 年代 中工业炉的主要换热设备。 20 世纪初期，换热器开始能进入了一个新的发展时期。20 世纪 20 年代出现 板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果 好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着 英国用焊接法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器， 用于飞机发动 机的散热。30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在 此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始 注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能 紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到 进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式 换热器也得到了进一步发展。70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管 的基础上又创制出热管式换热器。 目前各种换热器的发展很快，新的结构不断出现，以满足各种工业部门的需 要。国外换热器目前发展的基本状况是：管式换热器的设计没有重大进展，但无 论就其数量或适用场合来看仍居主要地位，最老的管式换热器如蛇管式、盘管式 等在某些场合下仍有应用：各种板式换热器正在逐渐代替管式换热器；制造工艺 获得了改进，新的材料被大量使用；从空间技术发展起来的“热管”引起了很大 重视，最终有可能对某些方面的换热器带来根本的革新。 管式换热器虽然在换热效率、 紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热 器，但它具有结构坚固、弹性大、材料范围广等独特优点，使它在各种换热器的 竞相发展中得以继续存在下去，并且目前仍是化工、石油和石油化学工业中换热 器的“主力军”。在高温高压和大型换热器中，它占据着据对优势。但是近年来， 它的性能没有多大改进，其设计都按照有关标准规定严格进行。很多国家采用了 美国 TEMA 标准或根据 TEMA 标准来修订自己的标准。国外近期的目标已转向- 15 -热交换器设计任务书于改进其制造工艺、采用新的材料和提高劳工效率生产率。在压力较低、温度不 高、 流量不是很大以及处理强腐蚀介质而须用贵金属材料的若干场合， 各种新型、 高效、紧凑性换热器正在逐步取代管式换热器。 换热器基本的发展趋势是，提高紧凑性、降低材料消耗、提高传热效率、保 证互换性和扩大容器的灵活性（采用积木式结构），通过减少污塞和便于除垢来 减少操作事故。在广泛的范围内将向大型化发展。 各种新型高效的紧凑式换热器的应用范围将进一步扩大。在压力、温度、流 量允许范围内，特别是有化学腐蚀而须用贵重材料制作的场合下，紧凑式换热器 将进一步取代管式换热器。 在广泛的领域内，特别是在高温、高压和大型化的场合下，管式（尤其是管 壳式）换热器将继续获得发展。在炼油与化工厂中，管壳式换热器仍将是基本的 换热设备之一。在高压条件下如合成氨中的高压气体冷却，原用的套管式结构将 日益缩小其应用，而代之以管壳式结构，制造工艺的改进将继续置于重要地位。 板式换热器进一步发展的重点是改进垫片材料和密封接触， 改进板片的刚度 设计，一边提高制作温度和使用压力，扩大使用范围。 板壳式换热器将继续扩大使用范围，发展新的制造工艺（主要是成型及环节 工艺）改进结构设计。 螺旋板换热器的压力限制是个问题，但在允许的压力范围内，其应用将进一 步扩大，制造特别是焊接工艺将进一步改进。 板翅式换热器今后的发展目标，主要是采用新的制造特别是钎焊工艺，扩大 使用范围，采用新的材料，板束尺寸和总组合体将向大型发展。预计在石油化学 工业中将进一步得到推广。 翅片管空冷器的使用将更加广泛，用空冷器的水冷的趋势仍将继续。虽然在 设计上还有预料不到的很多大改进，但翅片管将采用更多更新的材料，发展更多 的结构形式，制造工艺将继续获得改进。 由于工业用热的日益增长和处于经济型的考虑，热量回收将更加引起重视。 一些“板式”表面的换热器，将在热回收领域内继续扩大使用范围。新型结构的 各种交流换热器（蓄热器）将获得发展，特别是旋转式蓄热器，但是密封问题有 待进一步解决。 各种新型材料换热器将进一步得到发展， 并将继续扩大材料范围。- 16 -热交换器设计任务书为了节约贵重材料，各种新工艺、新技术如复合、衬里及表面处理等技术将作为 重要课题加以研究和发展。在提高转热率、缩小空间和节约材料方面，还将继续 探讨新的途径，各种新型换热器将继续获得发展。新出现的“热管”，将获得广 泛研究，以便探索在化工与石油工业中具体应用的可能性及其使用场合。- 17 -热交换器设计任务书第二章 工艺设计2.1 估算传热面积，初选换热器型号 估算传热面积， 设计任务 管程 物料 流量（Kg/h） 操作温度/进/出 (℃) 设计压力 2.1.1 基本物性数据的查取 对于 55%的醋酸溶液和水等低粘度流体定性温度可以取流体进出口温度的 平均值。管程热流体 55%的醋酸溶液的定性温度：Tm = 1 (Ti + T0 ) = 1 (65 + 40) = 52.5°C 2 255%醋酸溶液 26000Kg/h 65/40 0.6 15/30 0.6壳程冷却水式中 Tm ――热流体的平均温度， °CTi ――热流体的进口温度， °CT0 ――热流体的出口温度， °C壳程冷流体冷却说的定性温度：tm =1 (t i + t 0 ) = 1 (15 + 30) = 22.5°C 2 2式中 t m ――冷流体的平均温度， °Ct i ――冷流体的进口温度， °C t 0 ――冷流体的出口温度， °C55%的醋酸溶液在定性温度 52.5 °C 下的有关物性数据如下：黏度 密度 导热系数 定压比热容? h = 1.12125mPa ? sρ h = 1032.9kg / m 3λh = 0.1648W / (m ? °C )c ph = 2.273kj / (kg ? °C )- 18 -热交换器设计任务书冷却水在定性温度 25 °C 下的有关物性数据如下： 黏度 密度 导热系数 定压比热容? c = 0.8937mPa ? sρ c = 997 kg / m 3 λc = 0.6W / (m ? °C )c pc = 4.178kj / (kg ? °C )2.1.2 计算热负荷和冷却水流量 热负荷 Q = Wh c ph (Ti ? T0 ) = 26000 × 2.273 × 10 3 × (65 ? 40) / 3600 = W 式中 Q ――热流量， W ；Wh ――热流体的质量流量， kg / s ； c ph ――热流体的定压比热， kj / (kg ? °C ) ；Ti ――热流体的进口温度， °CT0 ――热流体的出口温度， °C冷却水流量Wc =Q
= = / 6.5486kg / s c pc (t 0 ? t i ) 4.178 × 10 3 × (30 ? 15)式中 Q ――热流量， W ；Wc ――冷却水的质量流量， kg / s ； c pc ――冷却水的定压比热， kj / (kg ? °C ) ； t i ――冷却水的进口温度， °C t 0 ――冷却水的出口温度， °C2.1.3 确定流体的直径 从设计条件可以看出，在传热过程中此两流体均不发生相变的传热过程，由 于醋酸溶液有毒，有腐蚀性，所以醋酸溶液走管程，冷却水走壳程。- 19 -热交换器设计任务书2.1.4 计算平均温度差 由设计要求，先按单壳程双管程考虑，逆流进行计算 醋酸溶液 冷却水 ?t m = 65 30 40 15?t 2 ? ?t1 (Ti ? t 0 ) ? (T0 ? t i ) (65 ? 30 ) ? (40 ? 15) = (Ti ? t 0 ) = ln (65 ? 30) = 29.72°C ln ?tt2 ?1 ln 40 ? 15 (T0 ? t i )式中 ?t m ――按逆流计算的对数平均温差， °C?t 2 ――高温段进出口温差， °C ?t1 ――低温段进出口温差， °C而P=t ?t 冷流体温度 30 ? 15 = 0 i = = 0.3 两流体最初温差 Ti ? t i 65 ? 15 热流体温降 Ti ? T0 65 ? 40 = = = 1.67 冷流体温升 t 0 ? t i 30 ? 15R=假设换热器为双壳程查得 ? = 0.88 ，所以有效平均温差?t M = ??t m = 0.88 × 29.72 = 26.15°C2.1.5 选 K 值，估算传热面积 按管壳式换热器用作冷却器时，K 值范围表查得高温为醋酸溶液， 低温为水 的 K 的取值范围，取 K = 350W / m 2 ? °C ，估算传热面积为Ap = Q
= = 44.85m 2 K?t M 350 × 26.15()A p ――估算的传热面积， m 2 ；K ――假设传热系数， W / m 2 ? °C()?t M ――平均温度差， °C2.1.6 初选换热器型号 由于两流体温差小于 50 °C 可选用固定管板式换热器。由固定管板式换热器 的系列标准，主要参数如下：- 20 -热交换器设计任务书项目 壳程/mm 公称压强.Mpa 管程数 壳程数 管子尺寸/mm 中心排管数数据 500 0.6 4 1项目 管长/m 管子总数 管子排列方法 管中心距/mm 实际传热面积/m2 管程流通面积/m2数据 6 144 正三角形排列 3266.7 0.0125φ 25 × 215采用此换热面积的换热器，要求过程的总传热系数为K0 = Q
= = 315W / m 2 ? °C S 0 ?t M 66.7 × 26.15()2.2 校核总传热系数 K 2.2.1 管程对流传热系数 管程流通面积为Si =π4d i2N 144 = 0.785 × 0.0212 × = 0.0125m 2 Np 4式中 N ――管子总数，根；N P ――管程数每一管程流体流速为：ui =Vc 26000 / 3600 / 1032.9 = = 0.559m / s Si 0.0125式中 Vc ――醋酸溶液的体积流量， m 3 / s 管内流动雷诺数：Re1 = d i ui ρ h?=0.021 × 0.559 × 1032.9 = 10814(湍流 ) 1.12125 × 10 ?3普朗特数：Pri = c ph ? hλh=c ph × ? hλh=2.273 × 10 3 × 1.12125 × 10 -3 15.46 0.1648式中 λ ――醋酸溶液的导热系数， W / (m ? °C )- 21 -热交换器设计任务书α i = 0.023 ×λh0.0210 × Rei.8 × Pri0.4 = 0.023 ×0.1648 ×
× 15.46 0.4 = 910.6W / (m ? °C ) 0.0212.2.2 壳程对流传热系数α 0 = 0.36 ×λdeR0.55 eo? ? ? Pr ? ?? ? ? ? w?1 30.14式中 α 0 ――壳程传热系数， W / (m ? °C ) ； d e ――当量直径， m ； Re 0 ――管外流动雷诺数；Pr ――普朗特数，取定性温度下的值；? ――流体在定性温度下的黏度， Pa ? s ； ? w ――流体在壁温下的黏度， Pa ? s 。壳程流通面积为： ? d ? ? 0.025 ? 2 S 0 = zDi ?1 ? 0 ? = 0.2 × 0.5 × ?1 ? ? = 0.0164m t ? 0.032 ? ? ? 式中 t ――管子直径， mm ；d 0 ――管子外径， mm 。壳程流体流速为：u0 =Vh 6.64 = = 0.406m / s S 0 997 × 0.0164式中 Vh ――冷却水的体积流量， m 3 / s 。 管子采用正三角形排列，当量直径为： ? 3 2 π 2? ? 3 ? 3.14 4? S ? d0 ? 4 × ? × 0.032 2 ? × 0.025 2 ? ? 2 ? 2 ? 4 ? 4 ?= ? ? = 0.0175m de = ? πd 0 3.14 × 0.025 管外流动雷诺数：- 22 -热交换器设计任务书Re 0 =d eu0 ρ?=0.0175 × 0.406 × 997 = .0008973普朗特数： Pr = c pc ? = 4.178 × 10 3 × 0.8973 × 10 ?3 = 6.22 0 .6λ式中 λ ――冷却水的导热系数， W / (m ? °C ) 。 黏度校正，壳程中水被加热，故? 可以近似取为 1.05 ?w1α 0 = 0.36 × ?? 0 .6 ? 0.55 ? × 7894.4 × 6.22 3 × 1.05 = 3316.86W / (m ? °C ) 0.0175 ? ?2.2.3 污垢热阻 管内、管外污垢热阻 管内、 查 GB151- 表 F1 壁面污垢的热阻，冷却水采用循环冷却水，则操 作情况下取 管内污垢热阻： Ri = 2 × 10 ?4 m 2 ? °C / W ； 管外污垢热阻： Ro = 2 × 10 ?4 m 2 ? °C / W 。 查 GB151- 表 F3 常用金属材料的热导率，钛在该条件下的热导率λw = 16.3m ? °C / W ，管壁热阻取决于传热管壁厚和材料Rw = bλw=0.002 = 1.23 × 10 ? 4 m 2 ? °C / W 16.3式中 b ――传热管壁厚，m；λ w ――管壁热导率， m ? °C / W 。总传热系数 K c =1 = ? do d o Rw d o 1 ? ? ? α d + Ri d + d + Ro + α ? ? i m o ? ? i i?1? ? 25 × 10 ?3 25 × 10 ?3 1.23 × 10 ? 4 × 25 × 10 ?3 1 ?4 ? ? + 2 × 10 × + + 2 × 10 ? 4 + ? 910.6 × 21 × 10 ?3 3316.86 ? 21 × 10 ?3 23 × 10 ?3 ? ? = 381.5W / m 2 ? °C()- 23 -K计 K选 = 381.5 315 = 1.21热交换器设计任务书故所选择的换热器是合适的，安全系数为 式中 K c ――传热系数， W / m 2 ? °C ；()381.5 ? 315 × 100% = 21.1% 315α o ――壳程表面传热系数， W / (m ? °C ) ；Ro ――壳程污垢热阻， m 2 ? °C / W ；R w ――管壁热阻， m 2 ? °C / W ； Ri ――管程污垢热阻， m 2 ? °C / W ； d o ――管子外径，m； d i ――管子内径，m； d m ――管子平均直径，m；α i ――管程表面传热系数， W / (m ? °C ) 。满足换热器的面积裕度要求大于 15%~25%，且无需重算。 2.3 核算压降 2.3.1 管程压降?Pt = (?Pi + ?Pr )N s N p Fs式中 ?Pi ――单程直管阻力，Pa；?Pr ――局部阻力，Pa；N s ――壳程数， N s =1； N p ――管程数， N p =4 ?Pt ――管程总阻力，Pa； Fs ――管程结垢校正系数，近似取 1.4。 ?Pi = λi l ρu 2 di 2所以 λi = 0.0056 +0.500 Re0.32= 0.0056 +0.5 = 0.035 - 24 -热交换器设计任务书?Pi = λil ρu 2 6 1032.9 × 0.579 2 = 0.035 × × = 968.3Pa 0.021 2 di 2?Pr = ξρu 22= 3×1032.9 × 0.579 2 = 484.1Pa 2其中 ξ 为阻力系数，一般情况下取 3。?Pt = (?Pi + ?Pr )N s N p Fs = (968.3 + 484.1) × 1 × 4 × 1.4 = 8133.7 Pa管程阻力小于 0.4MPa，在允许范围之内。 2.3.2 壳程压力 壳程流体阻力（用埃索法求解）?Ps = (?Po + ?Pi )Fs N s式中 ?Ps ――壳程总阻力；?Po ――流体流过管束阻力； ?Pi ――流体流过折流板缺口阻力； N s ――壳程数， N s =1； Fs ――壳程结垢校正系数，液态 Fs =1.15。流体流过管束阻力?Po = Ff o N TC ( N B + 1)ρu o2式中 F ――管子排列形式对阻力的影响；f o ――壳程流体摩擦因子； N TC ――相对总管数；N B ――折流板数目。管子采用正三角形排列F =0.5 N TC = 1.1 144 =13.2- 25 -热交换器设计任务书f o = 5.0 × R ?0.228 = 5.0 × .228 = 0.6462 取折流板挡板间距 z=0.2m1 D&z&D 5D ――壳径，0.5m。 L 6 ?1= ? 1 = 29 z 0 .2NB =996.35 × 0.559 2 ?Po = Ff o N TC ( N B + 1) = 0.5 × 0.6462 × 13.2 × (29 + 1) × = 17128 Pa 2 2ρu o流体流 5 过折流板缺口阻力2 B ? ρu o 2 × 0.15 ? 997 × 0.4 ? ? = 29 × ? 3.5 ? ?Pi = N B ? 3.5 ? = 10308 Pa ? ?× D? 2 0 .5 ? 2 ? ?2 2总阻力 ?Ps = (?Po + ?Pi )Fs N s = (17328 + 12308) × 1.15 × 1 = 34081Pa & 0.4 MPa 壳程流体阻力在允许范围内。- 26 -热交换器设计任务书第三章 换热器结构设计及附件选取管程和壳程工作压力均为 0.6MPa，取管程设计温度为 100℃，壳程设计温 度为 60℃。 3.1 筒体 3.1.1 材料 由 于 壳 体 公 称 直 径 D N = 500mm & 400mm ， 故 不 能 用 钢 管 制 作 。 按 照 GB150-1998 表 4-1 选取筒体材料为 16MnR，钢板标准为 GB6654，热轧、正火 钢板， σ b = 510 MPa ， σ s = 345MPa ，在设计温度下， [σ ]t = 170 MPa 。 3.1.2 结构尺寸 筒体壁厚的最小值按《列管式固定管板换热器设计手册》表 4-1 所规定，当 D N = 500mm 时不得低于 8 mm ，本设计中根据《列管式固定管板换热器设计手 册》表 4-2 取壳体厚度为 8 mm 。 3.1.3 结构型式 按标准 GB151-1999，选择壳体型式可以选择代号为“E”的单壳程壳体，其 结构类型如图 3-13.2 封头 由于该换热器为单壳程、四管程，故封头选用类型代号为“EHA”的标准椭 圆形封头。材料选用与筒体相同的材料 16MnR，厚度 8mm，其结构如下图 3-2 所示：- 27 -热交换器设计任务书图3 ? 2封头结构简图封头参数： 根 据 《 JBT 钢 制 压 力容 器用 封 头 》 表 B.1 ， 当 H=138mm ， D N = 500mm 时， D N = Di ， 所以h2 = H ? Di 500 = 138 ? = 13mm 4 4h1 = 138 ? 13 = 125mm3.3 管箱 管箱的作用是把由管道来的管程流体平均分布到各传热管和把管内流体汇 集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无 论哪种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求：使连接双程间流体流 动的横截面大于或等于单程管程通过的截面。 3.3.1 材料 选取管箱材料与筒体材料相同为 16MnR，钢板标准为 GB6654，热轧、正火 钢板， σ b = 510 MPa ， σ s = 345MPa ，在设计温度下， [σ ]t = 170 MPa 。 3.3.2 结构型式 管箱的结构型式有 A 型、B 型、C 型、D 型四种。A 型：用于单程和多程管箱。其优点是便于清洗换热器的管程，缺点是管箱盖结构用材较多，尺寸较大时，需要锻件。因此，国内目前所使用的范围较小。B 型：用于单程和多程管箱。其结构优点是结构简单，便于制造；缺点是检修和清洗换热器的管程时，需将管箱上的接管法兰和设备法兰都拆开，并取下整 个管箱。国内目前采用最多。C 型：用于多管程换热器的介质返回管箱。 D 型：用于单管程换热器的管箱。- 28 -热交换器设计任务书由于本设计选用的换热器是单壳程、4 管程，综合考虑各种优缺点，采用 A 型管箱。结构型式如图 3-33.3.3 管箱尺寸 管箱长度，除考虑流通面积、各相邻焊缝之间的距离外，还应考虑管箱中内 件的焊接和清洗。因此，对多管程的管箱，除限制最小长度外，还应考虑最大长 度。 由列管式固定管板换热器设计手册图 4-36，4-37，4-38 查取管箱最大长度取L g max = 600mm，则取L g = 580mm 。 管箱壁厚按 GB151-1999，管箱壁厚不得低于圆筒的最小厚度 8 mm 。3.4 管箱法兰的选取法兰连接是工业生产中使用最广泛的连接方法， 其作用是将拧紧联接螺栓产 生的压紧力传递到密封垫片上，并与密封垫片均匀地紧密接触，形成必要的密封 条件。目前各国均已将法兰做成标准件，实现了标准化、系列化。我国化工设备 设计目前采用的法兰标准为：化工部管法兰标准（HG5001-58-HG5028-58） ，压 力容器法兰标准（JB1157-82-JB1164-82）（HG20592-97） ， 。 根据 《列管式固定管板换热器设计手册》 的规定， 壳体公称直径 D g ≥ 400mm 时，应按 JB1158-82 甲型平焊法兰，JB1159-82 乙型平焊法兰，JB1160-82 长颈对- 29 -热交换器设计任务书焊法兰选用。 3.4.1 材料 考虑焊接问题及经济性问题，选取法兰材料为 16MnR，根据操作情况，又 考虑螺栓材料的硬度一般要比螺母材料的硬度大一些以及经济性问题， 螺栓材料 选用 35 钢，螺母材料选用 15 钢，选用标准均为 GB699，正火处理，工作适应 温度为-20℃~350℃。 3.4.2 结构尺寸 根据使用介质，设计压力、设计温度、公称直径等条件，本换热器的设计压 力仅为 0.6MPa，工作介质对密封要求不高，本设计按《列管式固定管板换热器 设计手册》表 4-1（设备法兰选用表）选用 JB 标准，选用甲型平焊法 兰，采用凸面密封。 表 3-1 管箱法兰参数DN / mm 500 D / mm 630D1 / mm590D2 / mm542b / mm 34d / mm 23螺栓规格M20螺栓数量203.4.3 结构型式 如图 3-4 所示图 3-4 管箱法兰- 30 -热交换器设计任务书3.5 接管 换热器的接管是连接容器与工艺管线的附件， 接管的管径大小是由输送流体 的能力确定的，一般按流体流速估算。 3.5.1 材料 接 管 材 料 选 用 20 号 钢 的 无 缝 钢 管 ， 选 用 标 准 为 GB/T ，σ b= 390MPa，σ s = 245MPa， ] t = 130MPa 。 [σ3.5.2 结构尺寸由于接管的最大公称直径为 d g max = (1 4 ~ 1 3)D N = (125 ~ 166.7 )mm ， 《列 根据 管式固定管板换热器设计手册》表 2-5 查得 d g max = 150mm ，综合考虑工艺计算 中的流速，根据《HG-T》选取 壳程接管： φ 57 × 7 mm ，管程接管： φ108 × 7 mm 接管高度，按设计压力 PN ≤ 4.0MPa，查[3]P142 表 1-6-6 得： 壳程接管伸出长度 l=150mm；管程接管伸出长度 l=150mm。3.5.3 结构型式图 3-5 接管位置3.6 接管法兰选取 3.6.1 材料根据设计压力 Pg = 0.6 MPa ， 选用板式平焊钢制法兰， 采用全平面形式密封， 材料选用 16MnR，选用标准为（HG20592-97） 。3.6.2 结构尺寸管箱接管公称直径为 100mm 所选管箱接管法兰参数如表 3-2：- 31 -热交换器设计任务书表 3-2 管箱接管法兰参数DN / mm 100 D / mm 210 K / mm 170 L / mm 18Th / mmM16n / mm8C / mm18B1 / mm110筒体接管公称直径为 50mm 所选用筒体接管法兰参数如表 3-3： 表 3-3 筒体接管法兰参数 DN / mm50D / mm165K / mm125L / mm18Th / mmM16n / mm4C / mm20B1 / mm593.6.3 结构型式图 3-6 板式平焊法兰3.7 垫片选取 换热器垫片的选择，应根据温度，压力及介质腐蚀性来确定。本设计管程和 壳程设计压力均为 0.6MPa，温度不高，法兰密封形式为凹凸面密封，管程介质 属于较强腐蚀性介质，综合考虑可选用塑料垫，参数见表 3-4 表 3-4 垫片参数 内径/mm 垫片宽度/mm 垫片系数/m 比压力 y/MPa 硬度 材料 垫片厚度/mm 504 18 1.0 1.4 &75塑料垫33.8 管板 管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是 换热器中一个主要受压元件。对管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考- 32 -热交换器设计任务书虑其结构设计。 管板的结构比较复杂， 一台列管式换热器无论从设计的复杂程度， 制造的成本，还是使用的可靠性来讲，都与管板的设计有关。在管板的设计中主 要是选定合适的结构形式后进行结构尺寸的强度确定。 3.8.1 材料 材料选用低合金钢，因为它具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐 蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以 减少筒体的厚度，减轻重量，节约钢材，且能解决像这次设计的比较大的换热器 在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的困难。查相关标准得：σ b = 470MPa，σ s = 305MPa， ]t = 153MPa 。 [σ3.8.2 结构尺寸 选择管板兼做法兰的结构，依据所选管箱法兰尺寸，如下表 3-5： 表 3-5 管板参数DN 500（mm）D630D1590D2542D3597D4637D5600c12.5d218螺栓M16 24bf30b 403.8.3 结构形式图 3-7 带法兰管板3.9 换热管 3.9.1 材料 管子选防腐性的钛管。 3.9.2 结构尺寸 表 3-6 管子相关系数- 33 -热交换器设计任务书规格材料外径公差 上偏差壁厚公差 下偏差 －10%?19×2.0 3.9.3 排列型式TA2±0.13＋10%按正三角形排列，间距 t=32mm，排管总数为 144；六角形的层数为 4，不 计弓形部分的管子数为 129，在弓形的第一排的管子数为 6，弓形部分管子总数 为 15.排列型式如下图 3-8 排管形式3.10 防冲板 为了防止壳程物料进口处，流体对换热管表面的直接冲刷，应在壳程进口管 处设置防冲板。而在立式换热器中，为了使气、液介质更均匀地流入管间，防止 流体对进口处的冲刷，并减少远离接管处的死区，提高传热效果，可考虑在壳程 进口处设置导流筒。设置防冲板和导流筒的条件为：对有腐蚀或者磨蚀的气体、 蒸汽及气液混合物，应设置防冲板；对液体物料，当壳程进口处流体的 ρu 2 为下 列数值时，应在壳程进口处设置防冲板或导流筒。 非腐蚀、非磨蚀性的单相流体， ρu 2 ≥ 2300 kg / m ? s 2 者； 其他液体，包括沸点下的液体， ρu 2 ≥ 740 kg / m ? s 2 者。 本设计中壳程流体为循环水，是非腐蚀性的单相液体，其()()ρu 2 = 997 × 0.4 2 = 159.52kg / (m ? s 2 ) & 2300kg / (m ? s 2 )，- 34 -热交换器设计任务书故不需设置防冲板。 3.11 拉杆和定管距 3.11.1 材料 拉杆材料为 20 号钢，选用标准为 GB8163，σ b = 390MPa，σ s = 245MPa， ]t = 130 MPa 。 [σ3.11.2 结构尺寸 拉杆直径和数量，如表 3-7 所示 表 3-7 拉杆的直径和数量 公称直径 D N 拉杆直径 d 拉杆数量 n 单位（mm） 500 10 6拉杆尺寸和重量，如表 3-8 所示： 表 3-8 拉杆尺寸和重量 公称直径DN d La Lb单位（mm）Le LdM重量 kg5001012.56010160.617注：表中 Ld 为管板上拉杆螺孔深度 3.11.3 结构型式图 3-9 拉杆3.11.4 定管距- 35 -热交换器设计任务书定距管的规格，一般与所在换热器的换热管规格相同。对管程是不锈钢，壳 程是碳钢或者低合金钢的换热器， 可选用与不锈钢换热管外径相同的碳钢作为定 距管，所以选定距管的尺寸为 φ 25 × 2 。 3.12 折流板选取及布置 折流板的结构设计主要根据工艺过程及要求来确定， 设置折流板的主要目的 是为了增加壳体流体的流速，提高壳程的传热系数，从而达到提高总传热系数的 目的。同时，设置折流板对于卧式换热器具有一定的支撑作用，当换热管过长， 而管子承受的压应力过大时，在满足换热壳程允许压降的情况下，增加折流板的 数量，减少折流板的间距，对缓解换热管的受力状况和防止流体流动诱发振动有 一定的作用。而且，设置折流板也有利于换热管的安装。 3.12.1 材料 由工艺计算得所需折流板 29 选取折流板材料为 Q235-B。σ b = 375MPa，σ s = 235MPa， ]t = 105MPa 。 [σ3.12.2 结构尺寸 折流板缺边切去部分的高度，一般为取 h0 = (0.25 ~ 0.45)Di ；当用于无相变 的换热器时，取 h0 = 0.25 Di ；当用于壳程沸腾的再沸腾时，取 h0 = 0.45 Di ；当用 于冷却器时，取 h0 = (0.25 ~ 0.45)Di 。此外，换热器排列尽量使折流板缺边通过 换热管排或程间通道的中心线。由以上原则，本换热器中介质均无相变，故 h0 = 0.25 Di = 0.25 × 500 = 125mm 折流板厚度与壳体直径、换热管无支撑长度（即折流板间距）有关，其值由 《列管式固定管板换热器结构设计手册》表 4-8 查得 δ = 6mm 。折流板的外圆直 径和公差，影响到折流板与壳体内壁间隙的大小，而间隙的大小影响换热器的传 热、制造。其值按 JB1147-80 的规定： 表 3-9 折流板外圆直径和下偏差 壳程公称直径DN 500单位（mm） 折流板支承板下偏 差-0.8换热器折流板外径Do D N -3冷却器支承板外径Do D N -4- 36 -热交换器设计任务书则折流板的外圆直径和公差为 φ 447 0 0.8 。 ? 折流板尺寸表图 3-10 折流板尺寸表 3-10 上、下缺边折流板尺寸 DN Do 管程数单位（mm）φ 25换热管d1 n1117.5d211n25hb 121.4500497425.83.12.3 结构型式 折流板有圆缺形、圆盘圆环形式。其中圆缺形使用较多。圆缺形折流板按缺 边的位置分为上、下和左、右缺边折流板（对于立式换热器，上下是指壳程物料 进口管与折流板缺边垂直者，左右是指平行者） 。左、右缺边折流板有单缺边和 双缺边。对于卧式换热器上、下是指壳程物料进口管折流板缺边平行。 卧式换热器，当壳程全是气相或者全是液相的清洁物料时，宜用上、下缺边 折流板。若气体中少量液体，则应在上缺边折流板的下部最低处开小槽；若液体 中有少量气体，则应在下缺边折流板的上部最高处开小槽。 综上所述，本设计由于壳程全是液相物料（循环水） ，宜用上、下缺边折流 板。为排除循环水中可能含有的气体，应在下缺边折流板的上部最高处开小槽。- 37 -热交换器设计任务书图 3-11 折流板3.13 鞍座选用及安装位置确定 3.13.1 支座结构类型和材料 卧式换热器，采用固定型和滑动型鞍式支座各一个。鞍式支座分为轻型（代 号 A）、重型（代号 B）两种。该换热器选用重型支座（代号 B），选用标准为 JB/T7，其结构特征如表 3-11 所示： 表 3-11 重型支座结构特征 型式 重型 焊制 B1 包角 120° 垫板 有 筋板 2 适用公称直径 D N mm 500~900鞍式支座材料为 Q235A，垫板材料与筒体相同为 16MnR。 鞍式支座结构如图 3-17 所示：图 3-12 鞍式支座- 38 -热交换器设计任务书3.13.3 支座的尺寸 根据 JB/T7 表 6 可查得鞍式支座的尺寸如表 3-12 所示： 表 3-12 鞍式支座尺寸 公 称 直 径 DN 允 许 载 荷 Q,KN 鞍 座 高 度 h l1 b1 底板 腹 板 筋板 单位（mm） 垫板 螺 栓 间 距 鞍 座 质 量 带 垫 板 500 159 200 460 150 10 8 250 8 590 200 6 36 330 24δ1δ2b3δ3弧 长b4δ4el23.13.4 支座在换热器上的位置尺寸 卧式支座在换热器上的位置尺寸，如图 3-18 所示：图 3-13 支座位置尺寸3.14 分程隔板 在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的传热系数，通常采 用设置隔板的方法来增加程数以提高流体流速达到目的。 这种分程隔板对管程而 言习惯称为分程隔板，对壳程习惯称为纵向隔板。该换热器为单壳程、四管程结 构，所以必须设置分程隔板。 3.14.1 分程隔板的厚度 壳体的公称直径 D N 为 500mm， 根据 GB151-1999 表 6 选取隔板厚度为 8mm。- 39 -热交换器设计任务书3.14.2 分程隔板的布置 分程隔板的布置应根据换热管的排列图来确定，根据换热管排列图 3-14，其 分程隔板的布置如图 3-14 所示：图 3-14 分程隔板的布置其中，由《列管式固定管板换热器结构设计手册》表 4-37 查得 E=500mm。 3.15 吊耳 管箱或者管箱盖重量超过 30kgf，应设置吊耳。 3.15.1 符号说明 A，B，C，d，S，R――吊耳尺寸。 3.15.2 吊耳的材料和结构尺寸 吊耳 X 1 ― ― X 2X 1 ：吊耳公称吊重 X 2 ：吊耳材料：Q235A吊耳结构形式及尺寸如图：- 40 -热交换器设计任务书图 3-15 吊耳结构形式表 3-13 吊耳尺寸 每个吊耳的公称吊重（t） 1.0 3.16 顶丝 A 120 B 10单位（mm） C 50 d 35 S 16 R 45 质量 1.3为了便于拆卸管箱、管箱盖，应在换热器管板、管箱盖上设置顶丝。 3.16.1 符号说明 T、L、D、Dt――顶丝尺寸，mm。 3.16.2 顶丝的结构尺寸 顶丝的结构如图 3-16 所示，尺寸如表 3-14 所示：图 3-16 顶丝及螺孔的结构尺寸表 3-14 顶丝尺寸 D M16 3.16.3 顶丝直径和个数 顶丝直径和个数如表 3-15 所示： D1 18单位（mm） L 25表 3-15 顶丝直径和个数 DN 500 D M16 个数 4- 41 -热交换器设计任务书参考文献[1] [2] [3] GB150-1998，钢制压力容器[S]． 夏清，陈常贵．化工原理，上册[M]．天津：天津大学出版社，2005．1 秦叔经，叶文邦．化工设备设计全书，换热器[M]．北京：化工工业出版社， 2002 [4] [5] [6] 毛希谰．换热器设计[M]．上海：上海科学技术出版社，1988 钱颂文．换热器设计手册[M]．北京：北京化学工业出版社，2002 燕山石油化学总公司设计院等编．钢制列管式固定管板换热器结构设计手 册[M]．北京：化工部设备设计技术中心站，] [8] 郑津洋， 董其伍， 桑芝富． 过程设备设计[M]． 北京： 化学工业出版， 2005． 5 陈敏，刘晓叙．AutoCAD 2004 机械设计绘图应用教程[M]．成都：西南交 通大学出版社，2005 [9] [10] JB/T ，钢制压力容器用封头[S] ASME B16.5―2003，管法兰和法兰管件（NPS1/2 至 NPS 24）[S]- 42 -热交换器设计任务书设计总结通过这次课程设计，让我对换热器设计这门课程有了进一步的认识，这次课 程设计是对这门课程的总结，对换热器各方面知识的应用。 设计时要有一个明确的设计思路要考虑多种因素包括环境条件和介质的性 质等再选择合适的设计参数，对容器的材料和结构确定之后，还要进行一系列的 校核计算，包括传热系数校核，以及应力校核。校核合格之后才能确定所选设备 型符合要求。 通过这次设计对我们独立解决问题的能力是个很大的提高， 在整个过程中我 查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课程设计中，而且其中有很多 相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。 本次课程设计的设计书格式也有具体要求， 在老师给出的要求及相关指导下 顺利的完成了设计书。 通过多次的课程设计为我们以后的毕业设计打下了良好的 基础。 因为所学和掌握的知识有限，所以做出的设计存在许多缺点和不足，请老师 做出批评和指正。 最后感谢老师对我们这学期课程的辛苦教学和对我这次课程设 计的评阅。- 43 -
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