列管式换热器设计正文.doc

广西农业职业技术学院毕业论文
摘 要
在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不用类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算，并确定换热器的结构尺寸、材料。
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。
关键词：温度 传热面积 结构尺寸 材料

1.前言
1.1列管式换热器设计的意义
换热器是建筑采热取暖生产中必不可少的设备，近几年由于新技术的发展，各种类型的换热器越来越受工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，广泛应用于化工、医药、食品饮料、酒精生产、制冷、民用等工艺；因此，无论是从工业的发展还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。
1.2列管式换热器的工作原理
进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体
按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易
结垢的流体。
　 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。按换热方式可分为单壳程单管程换热器、双管程、多管程、多壳程换热器。
最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。
同样， 管壳式换热器为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。
1.3列管式换热器的优点
单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围 宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。
1.4列管式换热器的结构
壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
1.4.1 列管式换热器的折流挡板
为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺盘和圆盘形两种，前者更为常用。

图1 圆缺形列管式换热器

图2 圆盘形列管式换热器
1.4.2 列管式换热器的多壳程换热器
列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。为了克服温差应力 必须有温差补偿装置 ，一般在管壁与壳壁温度相差60℃以上时，为了安全起见，换热器应有温差补偿装置，但补偿装置（膨胀节），只能在壳壁与管壁温度低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过0.6MP时才会由于补偿圈过厚，难于伸缩，失去温差 补偿的作用，就用考虑其他结构。
1.5 列管式换热器的种类
1.5.1 固定管板式换热器
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

1.5.2 浮头式换热器
换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。

图3 浮头式换热器
1.5.3 U形管式换热器
U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。
1.5.4 填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

设计内容
已知条件：(1) ，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301 kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口温度为39℃
(2) 混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度 ρ1 = 90 kg/m3
定压比热容 cp1 = 3.297 kJ/(kg•℃)
热导率 λ1 = 0.0279 W/(m•℃)
粘度 μ1 = 1.5×10-5 Pa•s
循环冷却水在34℃ 下的物性数据：
密度 ρ2 = 994.3 kg/m3
定压比热容 cp2 = 4.174 kJ/(kg•℃)
热导率 λ2 = 0.624 W/(m•℃)
粘度 μ2 = 0.742×10-3 Pa•s
2确定设计方案
2.1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃。冷流体（循环水）进口温度29℃，出口温度39℃。该换热器冷却热的混合气体，传热量较大，可预计排管较多，因此初步确定选用固定管板式换热器。因气体操作压力为6.9MPa，属于较高压操作，因此不选用膨胀节。
2.2 流动空间及流速的确定
单从两物流的操作压力看，混合气体操作压力高达6.9MPa，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；且两流体温度相差较大，应使α较大的循环水（一般气体α<液体）走管内。所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。选用Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内循环水流速取1.3m/s。

3 换热器结构尺寸设计
3.1、管径和管内流速
选用Φ25mm×2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui=1.3m/s。
3.2、管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数。
ns = = ≈615 (根)
按单程管计算，所需的传热管长度为L = = = 12.0(m)
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L = 6.0(m)，则该换热器管程数为NP = L/l = 12.0/6.0 = 2(管程)
传热管总根数N = 615×2 = 1230(根)

3.3 传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距a = 1.25do，则
a = 1.25×25≈32(mm)
隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/2+6=32/2+6=22mm
则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。

图4 隔板
横过管束中心线的管数n = 1.19 = 1.19 = 42(根)

3.4 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η= 0.7，则壳体内径为：
D = 1.05a = 1.05×32 = 1408.5(mm) 圆整可取D = 1400 mm

3.5 折流板
采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为
h = 0.25D = 0.25×1400 = 350(mm)
取折流板间距B = 0.3D = 0.3×1400 = 420(mm)
折流板数NB = 传热管长/折流板间距-1 = 6000/420-1 = 14(块)

图5 折流板圆缺面水平装配

3.6 接管
管程流体进、出口接管：取接管内循环水流速为3.0m/s，则接管内径为：
d = = = 0.326(m)
圆整取350mm。
壳程流体进、出口接管：取接管内混合气体流速为10.0m/s，则接管内径为：
d = = = 0.299(m)
圆整取300mm。

3.7 传热面积S
S = = = 413.41(m2)
该换热器的实际传热面积Sp = πdoLn = 3.14×0.025×(6.0-0.06)×(1230-42) = 554.23(m2)
该换热器的面积裕度为：H = (Sp-S)/S×100% = (554.23-413.41)/ 413.41×100% = 34.1%
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
4换热器的材料设计
换热器的设计，初步确定选用固定管板式换热器。因气体操作压力为6.9MPa，属于较高压操作换热器的制作材料应该根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选取。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具耐热性、高强度及耐腐性的材料是很少的饿，目前，常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、低合金钢、铜和铝等；非金属性材料有石墨、聚四佛乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然扛腐蚀性能好，但价价格高且比较缺稀，应尽量少用。
5 换热器主要结构尺寸和计算结果
表1
项目 结果
推荐使用材料 碳钢
管子规格 Φ25×2.5
管数 1230
管间距/mm 32
管长/mm 6000
管体内径/mm 1400 排列方式 正三角形
折流板形式 上下
间距/mm 420
切高/mm 350

6设计评述
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程走不易结垢的混合气体。
在设计过程中应尽量做到：
1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选择较高的流速。
2、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。
3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。并且错列管束的传热方式比并列的好。
管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。
工作结构及其工作原理，图为固定管板式换热器的构造（附图）。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/(m(℃)〕;用水冷却气体时,为10～280W/(m(℃)；用水冷凝水蒸汽时,为570～4000W/(m(℃)。
图6固定管板式换热器

7符号说明
14

B——折流板间距，m；
C——系数，无量纲；
d——管径，m；
D——换热器外壳内径，m；
f——摩擦系数；
L——管长，m；
m——程数；
n——指数、管数、程数；
N——管数、程数；
NB——折流板数；
P——压力，Pa；
r——半径，m；
S（或A）——传热面积，m2；
t——冷流体温度，℃；
a(或t)——管心距，m；
ρ——密度，kg/m3；
h——热流体；
i——管内；

参考资料
[1] 马江权，冷一欣.化工原理课程设计，北京：中国石化出版社，2009
[2] 柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，1995
[3] 姚玉英等.化工原理(上、下册).天津：天津科学技术出版社，2001
[4] 上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986
[5] 尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，1981
[6] 时钧，汪家鼎等.化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996。

致 谢
在论文完成之际，我首先向关系和帮助我的指导老师熊慧英老师表示感谢并致以崇高的敬意！历时两个多月的努力，我的毕业设计终于接近尾声，随之而来的是大学生涯的满结束。在这次设计过程中不仅把以前三年的知识巩固复习了一下，还学到了一些新的东西，可以说即有喜又有辛酸，喜得是在工作之前能再有一次这样的机会来把三年的理论知识运用到实际上，可以说这是走向社会的一次实战模拟，能完成它就是对我三年学习的一种肯定。
本次设计的内容是列管式换热器的设计，虽然在设计过程遇到很多困难，但毕竟给我们带来了很多有价值的东西，培养了团结合作的意识，锻炼了运用资料及查阅文献和设计手册的能力，这些也就是此次设计的最大收获。
通过本次毕业设计，我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高，因此，是在我即将工作之前它是一次重要的演练。我想，通过这次毕业设计到了工作单位后，我将能够更快的适应工作岗位和工作要求。我对自己充满信心。
毕业设计是大学里最后一次正真学习的机会，在设计中几乎用到了大学里所有的基础知识，再次感谢熊慧英老师对我们孜孜不倦的指导和教诲。