管壳式换热器工业设计.pptx

在石油化工生产过程中常常需要对物流进行加热或冷却操作，即热量的传递。导热、对流和辐射是传热的三种基本方式，传热过程通常是两种或三种基本方式的组合。在各种换热器中，由于管壳式换热器单位体积内能提供较大的传热面积，工作可靠、传热效果比较好、适应性较强，因此是生产应用最广泛的换热设备。管壳式换热器是最常见的换热设备。管壳式换热器通常有固定管板、U形管、浮头式三种形式。1.管壳式换热器概述1.1 固定管板换热器l主要组成：壳体、管板、管束、管箱（又称封头）l在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外壳直接焊接，装有进口或出口管的管箱用螺栓与外壳两端法兰相连。l特点：结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低。l缺点：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。适用场合：这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。1.2 U形管换热器l主要组成：壳体、管板、U形管束、管箱（又称封头）l由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。U 形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。l特点：管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。l缺点：管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。适用场合：仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。1.3 浮头式换热器l主要组成：壳体、管束、固定管板、浮头管板、钩圈、浮头盖、管箱等l特点：管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450，压力小于等于6.4MPa；浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况，在安装时要特别注意其密封。（钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。）l缺点：（1）小浮头易发生内漏；（2）金属材料耗量大；（3）结构复杂，成本最高.适用场合：适用面广泛，管内外均可承受高温高压，常用于管壳壁温相差较大、管内外都需要清洗的情形。目录管壳式换热器概述管壳式换热器工艺选型设计影响管壳式换热效果的因素1232.1 设计考虑的因素 设备结构的选择 管壳程流动的确定换热终温的确定流速的选择允许压力降的选择 换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最合适的设备型号。如果将这个型号的设备使用到其他工况，则传热效果可能有很大的改变。因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。对于管壳式换热器，有以下因素值得考虑。2.1.1 设备结构的选择 对于一定的工艺条件（造价、清洗、维护等），首先应确定设备的形式，如选择固定管板、U形管或浮头式。当形式确定后，需要确定换热设备的具体结构。管子类型：光 管 适用于任何条件.螺纹管适用于管外膜传热系数相当于管内膜传热系数1/3-3/5.波纹管适用于管内膜传热系数低于管外膜传热系数 3/5以下，Re低的 场合.管子排列方式：30、（60）、（90）、45（布管多17%；易清洗）管长及管径：国家标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中 以3m和6m 更为普遍（壳径较大的换热器采用较长的管子更为经 济）。碳钢：25*2.5 不锈钢：19*2.0、25*2.0壳径：325-1800mm 2.1.2 管壳程流动的确定 主要依据两流体的操作压力和温度、可以利用的压力降、结垢和腐蚀特性，以及所需设备材料的选择等方面，考虑流体适宜走哪一程。下面的因素可供选择时考虑：(1)不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。对于直管管束，宜走管程；对于U形管管束，宜走壳程。(2)压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。(3)腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。(4)两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走壳程，以减小管壁和壳体的温差，减小热应力。(5)为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一般比壳程的小，且做成多管程也叫容易。(6)黏度大或者流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低Re下（Re100）即可达到湍流。(7)蒸汽冷凝宜在壳程，以减小排除冷凝液。(8)需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但是温度很高的流体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。(9)关键压力降控制的流体宜选壳程。2.1.3 换热终温的确定 换热终温一般由工艺过程的需要确定。当换热终温可以选择时，其数值对换热换热终温一般由工艺过程的需要确定。当换热终温可以选择时，其数值对换热器是否经济合理有很大的影响。器是否经济合理有很大的影响。如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可根据当地的气温条件作出估计，而其出口温度则可根据经济核算来确定：为了节省冷水量，可使出口温度提高一些，但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，则需要增加冷水量。两者是相互矛盾的。工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45，因为工业用水中所含的部分盐类（如CaCO3、CaSO4、MgCO3和MgSO4 等）的溶解度随温度升高而减小，如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污垢，而使传热过程恶化。如果是用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。另外在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉温度交叉现象，即热流出口温度低于冷流出口温度。如果工艺流程中需要，则必须选择多台串联形式。2.1.4 流速的选择 增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。工业上常用的流速范围见右表：2.1.5 允许压力降的选择 选择较大的压力降可以提高流速，从而增强换热效果减少换热面积。但是较大的压力降也使得泵的操作费用增加。合适的压力降需要以换热器年总费用年总费用为目标，反复调整设备尺寸，进行优化计算而得出。换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格大换热器。操作情况操作压力合理的压力降减压操作P0100Kpa(绝)P/10低压操作P070Kpa(表)P/2P70 1000Kpa(表)35Kpa中压操作(包括用泵)P1000 3000Kpa(表)35180Kpa较高压操作P3000 8000Kpa(表)70 250Kpa2.2 管壳式换热器计算方法 换热器热传递过程一般分为三种方式，即传导、对流和辐射，一般换热器热传递经常是三种方式同时存在，但根据不同场合，往往是一种方式占主导，在工业中使用的换热器无论何材料和结构一般三者并存。主要的传热是热介质通过壁传递给冷介质，即热介质先传递给壁，再由壁传递 给冷介质，这一过程既有对流又有传导传热，这就是换热器传热的基本理论。作为换热器传热计算方法的理论根据是从热传递量化发展而来的。目前传热计算方法通常采用柯恩法（Kern）和贝尔法（Bell）两种。柯恩法柯恩法是五十年代发展起来的，主要是把换热器作为一个整体处理，除了传热以外，同时将流动、温度分布、污垢及结构等问题一并在计算方法中考虑，同时还将两项流理论包括到计算方法中。贝尔法贝尔法是六十年代初期，经过大量试验基础上引入流路校正系数而研究的一种传热计算方法，是一种半分析方法，贝尔法更精确的解决了换热器壳程的传热计算方法。（一）传热计算的基本方程式（一）传热计算的基本方程式（二）基本关系式中各项数值的计算（二）基本关系式中各项数值的计算2.有效平均温差有效平均温差Tm对数平均温差 (t1-t2)/ln(t1/t2)P温度效率 (t2-t1)/(T1-t1)R温度相关因数 (T1-T2)/(t2-t1)FT温差校正系数 FT值不得小于0.8，否则一方面换热面积增加较多，另一方面在低于0.7时，操作温度略有变化就可以使FT值急剧降低，影响操作的稳定性。如果FT值低于0.8后，应该增加壳程串联数，或者重新调整冷热物流的出口温度。（二）基本关系式中各项数值的计算（二）基本关系式中各项数值的计算3.总传热系数总传热系数（二）基本关系式中各项数值的计算（二）基本关系式中各项数值的计算4.换热面积换热面积按 A=Q/(KTm)计算。按照就近的原则从国家标准系列里选取，然后根据K的计算方法进行校核校核计算。（二）基本关系式中各项数值的计算（二）基本关系式中各项数值的计算（3）一般工艺设计步骤）一般工艺设计步骤1、确定工艺设计条件、确定工艺设计条件（3）一般工艺设计步骤）一般工艺设计步骤2、初步选型和详细计算、初步选型和详细计算计算热负荷Q:当介质为非油品时，按给定的进出口比热、进出口温度和流量求出热负荷;当介质为油品时，参考下表计算进出口温度下的焓差。计算对数平均温差Tm.根据冷热物流的特性，选取经验的传热系数K.根据传热基本方程式，求出总传热面积A.根据总传热面积A和用户要求的换热器类型，在换热器标准系列里选择合适的设备型号；进行有效平均温差校正系数、传热系数和压力降的详细计算。检查计算总传热系数与选用总传热系数的相对误差，如果大于25%，调整总的传热系数的经验选用值，返回重新计算；检查管壳程压力降结果，如果超过给定的允许压力降，则调整相应的几何参数。对于无相变换热过程，一般面积余量在20%即可，对于有相变换热过程（冷凝或沸腾），一般要求在30%以上。分析传热和压降结果，优化结构参数。（如压降过大，可增加折流板间距）。难点计算总的传热系数流体流动状态不同（层流、紊流），传热准则关联式不同；无相变流和有相变流，传热准则关联式不同；冷凝传热中重力控制和剪力控制，传热准则关联式不同；沸腾传热中池式沸腾和垂直管内沸腾，传热准则关联式不同；谢谢观看这里输入演示者的名称2024/8/12 周一人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。