列管式换热器的结构

苏州科技学院化学生物与材料工程学院《化工原理课程设计》报告列管式换热器设计年级：专业：设计者姓名：学号：指导老师：完成日期：设计任务1、设计题目：列管式换热器的设计2、设计目的：通过对列管式换热器的设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。3、设计任务：某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表,两侧的污垢热阻均可取1.72×10-4m2·K/W，换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度ε=0.1mm，要求两侧的阻力损失均不超过0.4×105Pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y:学号后2位数字)物料比热kJ/(kg·℃)密度kg/m3导热系数W/(m·℃)粘度Pa·s工作压力柴油2.487150.1330.64×10-3常压原油2.208150.1283.0×10-3常压（1）生产能力和载热体用量：原油42000+200*1（2）*ykg/h柴油35000+150*1（2）*ykg/h（2）设备形式列管式换热器（3）操作条件原油：入口温度=70℃，出口温度=110℃柴油：入口温度=175℃，出口温度T23.设计内容：(1)设计方案的确定及流程说明(2)换热面积的估算(3)管子尺寸及数目计算(4)管子在管板上的排列(5)壳体内径的确定(6)附件设计(选型)(7)换热器校核（包括换热面积、压力降等）(8)设计结果概要或设计一览表(9)对本设计的评述或有关问题的分析讨论（1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？（2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？（3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？（4）说明列管式换热器的选型计算步骤？（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？（6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。（7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优缺点？(10)参考文献图纸要求：用A3图纸绘制换热器一张：一主视图，一剖面图，两个局部放大图。成绩依据：设计说明书（参考工作态度）目录第一章文献综述·······································································································第一节概述·····································································································一、换热器的概念二、换热器的分类三、列管式换热器的标准简介四、列管式换热器选型的工艺计算步骤五、换热器设备应满足的基本要求·····················································第二节列管式换热器结构及基本参数·························································一、管束及壳程分程二、传热管三、管的排列及管心距四、折流板和支撑板五、旁路挡板和防冲挡板六、其他主要附件七、列管式换热器结构基本参数第三节设计计算的参数选择·········································································一、冷却剂和加热剂的选择二、冷热流体通道的选择三、流速的选择四、流向的选择第二章列管式换热器的设计计算···········································································第一节换热面积的估算···················································································一、计算热负荷二、估算传热面积第二节换热器及主要附件的试选···································································一、试选管型号二、换热器结构一些基本参数的选择第三节换热器校核···························································································一、核算总传热系数二、核算压强降第四节设计结果一览表···················································································第三章设计总结、感想及有关问题分析讨论·······················································参考文献·······················································································································第一章文献综述第一节概述一、换热器的概念换热器（英语翻译：heatexchanger），是将热流体的部分热量给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。二、换热器的分类根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。（1）固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。图1-1固定管板式换热器（2）U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器(见图1-2)的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。图1-2U型管式换热器（3）浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。1-壳盖；2-固定管板；3-隔板；4-浮头钩圈法兰；5-浮动管板；6-斧头盖图1-3浮头式换热器（4）填料函式换热器其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。三、列管式换热器的标准简介列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民共和国国家标准“钢制管壳式（即列管式）换热器”(GB151)执行。按该标准，换热器的公称直径做如下规定：卷制圆筒，以圆筒内径作为换热器公称直径，mm;钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。换热器的传热面积：计算传热面积，是以传热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算所得到的管束外表面积的总和（m2)。公称传热面积，指经圆整后的计算传热面积。换热器的公称长度：以传热管长度（m)作为换热器的公称长度。传热管为直管时，取直管长度；传热管为U型管时，取U管的直管段长度。该标准还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构(包括管束）三部分，详细分类及代号见文献[3，5]。该标准将换热器分为I、Ⅱ两级，I级换热器采用较高级冷拔传热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合。Ⅱ级换热器采用普通级冷拔传热管，适用于再沸、冷凝和无振动的一般场合。列管式换热器型号的表示方法如下：1、1〉第一个字母代表前端管箱形式2〉第二个字母代表壳体形式3〉第三个字母代表后端结构形式2、公称直径（mm）对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径3、管/壳程设计压力（Mpa）。压力相等时只写Pt4、公称换热面积（㎡）5、当采用Al,Cu,Ti换热管时，应在LN/d后面加材料琼等号，如LN/DCuLN------公称长度，md------换热管外经，mm6、管/壳程数。单壳程时只写Nt7、I----I级（换热器）管束采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动场合II---II级（换热器）管束采用普通级冷拔换热管，适用于受沸、冷凝传热和无振动一般场合四、列管式换热器选型的工艺计算步骤1、计算热负荷(不考虑热损失)，由热量守恒可计算柴油出口温度T22、计算逆流平均温差3、确定流体走向4、换热面积估算A估=Q/(K估×Δtm逆)取换热管的规格为Φ25×2.5mm碳素钢管(8.3kg/6m)。估算单管程的管子根数根据传热面积A估计算管子的长度L’，5、管程数Nt的确定由于L’数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择管程的长度为6m，则Nt=L’/6(管程数通常选择偶数)R=(T1-T2)/(t2-t1)S=(t2-t1)/(T1-t1)根据R，S的值，查化工原理教材中图6-55(a)，得温度校正系数φΔtm=φΔtm逆6、求实际换热面积A实际换热管数为n=n’×Nt=A实际=L×(π×d0)×n’×Nt7、选择换热器壳体尺寸选择换热管为三角形排列，换热管的中心距t=32mm。nc=1.1√n最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b'=(1—1.5)d0壳体内径：D=t(nc–1)+2b’圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=550mm，壳体体的标记：筒体DN550δ=8L=5910。筒体材料选择为Q235-A，单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110*(5.910-0.156)=632.94kg。（波形膨胀节的轴向长度为0.156m）8、确定折流挡板形状和尺寸9、波形膨胀节10、传热系数K的计算11、压强降的计算厚度选择8mm。长度定为5996mm。壳五：列管式换热器应满足的基本要求（1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。①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前提下，尽量选择高的流速。②提高平均温差。对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。③妥善布置传热面。例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，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。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。（2）安全可靠换热器是压力容器，在