化工原理課程設計,徐宏建（主講） 上海電力學院能源與環境工程學院 躍進樓108氣體凈化實驗室 tel:目錄,一、換熱器概述 二、設計基礎 2.1熱力設計 2.2流動設計 2.3結構設計 2.4強度設計 2.5換熱器校核 三、課程設計要求,一、換熱器（概述）,換熱器， 在不同溫度的冷、熱流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。 在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述行業的通用設備，占有十分重要的地位。 工業生產中所用的換熱器按其用途可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用甚為廣泛。換熱器的種類很多，但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類： 間壁式 直接接觸式（混合式） 蓄熱式 其中間壁式換熱器應用最多，本次課程設計重點討論此類換熱器的類型、計算等。,換熱器的用途分類,1.間壁式換熱器的類型,（1） 夾套式換熱器 結構：夾套式換熱器主要用于反應過 程的加熱或冷卻，是在容器外壁安裝 夾套制成。 優點：結構簡單。 缺點：傳熱面受容器壁面限制，傳熱 系數 小， 為提高傳熱系數且 使釜內液體受熱均勻，可在釜內安 裝攪拌器。也可在釜內安裝蛇管。,(2) 沉浸式蛇管換熱器 結構：這種換熱器多以金屬 管子繞成，或制成各種與容 器相適應的情況，并沉浸在 容器內的液體中。 優點：結構簡單，便于防腐，能承受 高壓。 缺點：由于容器體積比管子的體積大得 多, 因此管外流體的表面傳熱系數較小。 為提高傳熱系數，容器內可安裝攪拌器。,(3) 噴淋式換熱器 結構：多用于冷卻管內 的熱流體。將蛇管成排 地固定于鋼架上，被冷卻的流 體在管內流動，冷卻水由管上 方的噴淋裝置中均勻淋下，故 又稱噴淋式冷卻器。 優點：傳熱推動力大，傳熱效果好，便于檢修和清洗。 缺點：噴淋不易均勻。,（4）套管式換熱器, 結構：將兩種直徑大小 不同的直管裝成同心套 管，并可用u形肘管把管段串聯 起來，每一段直管稱作一程。 優點：進行熱交換時使一種流體在內管 流過，另一種則在套管間的環隙中通過。流速高，表面傳熱系數大，逆流流動，平均溫差最大，結構簡單，能承受高壓，應用方便。 缺點：處理大流量流體換熱，需要較大的換熱面積。,套管式換熱器,重點介紹,（5）列管式換熱器 重點：固定管板式 浮頭式 u型管式 列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用。 優點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。, 固定管板式（單管程）,它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。 其結構特點是，兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。整個換熱器分為兩部分：換熱管內的通道及與其兩端相貫通處稱為管程； 換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。 冷、熱流體分別在管程和殼程中連續流動， 流經管程的流體稱為管（管程）流體，流經殼程的流體稱為殼（殼程）流體。,單管程與多管程,1）若管流體一次通過管程，稱為單管程。當換熱器傳熱面積較大，所需管子數目較多時， 2）為提高管流體的流速，常將換熱管平均分為若干組，使流體在管內依次往返多次， 則稱為多管程。管程數 可為2、4、6、8， 若管程數太大，雖提高了管流體的流速，從而增大了管內對流傳熱系數， 3）但同時會導致流動阻力增大。因此，管程數不宜過多，通常以2管程最為常見。,(一）單程列管式換熱器 1 外殼 2管束 3、4接管 5封頭 6管板 7折流擋板,（二）雙程列管式換熱器 1殼體 2管束 3擋板 4隔板,流體流經管間環隙稱為殼程，該流體稱為殼程流體,流體流經管束稱為管程，該流體稱為管程流體,單殼程與多殼程,殼流體一次通過殼程，稱為單殼程。為提高殼流體的流速，也可在與管束軸線平行方向放置縱向 隔板使殼程分為多程。殼程數 即為殼流體在殼程內沿殼體軸向往、返的次數。 分程可使殼流體流速增大，流程增長，擾動加劇，有助于強化傳熱。但是，殼程分程不僅使流動阻力增大，且制造安裝較為困難，故工程上應用較少。 為改善殼程換熱，通常采用折流擋板，通過設置折流擋板，以達到實現強化傳熱的目的。,折流擋板, 折流擋板：為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。,常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。,溫度補償,列管式換熱器必須從結構上考慮熱膨脹的影響，采取各種補償的辦法，消除或減小熱應力，根據所采取的溫差補償措施，列管式換熱器可分為： 帶有補償圈的固定管板式換熱器 浮頭式換熱器 u形管式換熱器,雙管程單殼程的固定管板式換熱器,優點：結構簡單,成本低； 缺點：殼程不易機械清洗,可能產生較大的熱應 力； 應用場合： 1、殼程流體不易結垢或容易化學清洗, 2.殼體與傳熱管壁溫度之差小于50，否則加膨脹節(低于6070,壓力低于7kg/cm) 總結：固定管板式換熱器適用于殼程流體清潔且不易結垢，兩流體溫差不大或雖然溫差較大，但殼程壓力不高的場合。, 浮頭式換熱器,其結構特點： 兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。 優點：當換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可從殼體內抽出，便于管內和管間的清洗。 其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴，發生內漏，造成兩種介質的混合。 浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。, u形管式換熱器,特點兩者兼顧,其結構特點： 只有一個管板，換熱管為 u 型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當殼體與 u 型換熱管有溫差時，不會產生溫差應力。 u 型管式換熱器的優點： 結構簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。 其缺點是管內清洗比較困難；由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內層管間距大，殼程易短路；內層管子壞了不能更換， 因而報廢率較高。 u 型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢，而管程介質清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質走管內，可使高壓空間減小，密封易解決，并可節約材料和減少熱損失。,二、換熱器的設計基礎,1、熱力設計 2、流動設計 3、結構設計 4、強度設計,熱力設計,根據使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數，并進行傳熱計算。 計算出總傳熱系數、傳熱面積,流動設計,計算壓降，為換熱器的輔助設備提供選擇參數,結構設計,根據傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸,強度設計,應力計算。考慮換熱器的受力情況，特別是在高溫高壓下換熱器的受壓部件應按照國家壓力容器的標準設計。,2.1列管式換熱器的工藝設計,設計主要內容： 1、根據換熱任務和有關要求確定設計方案 2、初步確定換熱器的結構和尺寸 3、核算換熱器的傳熱面積和流體阻力 4、確定換熱器的工藝結構,2.1.1列管換熱器的選用和設計思想步驟, 確定流動路徑，根據任務計算傳熱負荷，確定流體進、出的溫度，選定換熱器形式，計算定性溫度，查取物性，計算平均溫差，根據溫度校正系數不小于0.8的原則，確定殼程數。 依據總傳熱系數經驗值范圍，或按生產實際選定總傳熱系數k估值，估算傳熱面積a估。選定換熱器的基本尺寸，如管徑、管長、管數及排列等；若選用，在標準中選擇換熱器型號。, 計算管程和殼程的壓降，根據初選設備規格，計算管、殼程流體壓降，檢查結果是否滿足工藝要求，若壓降不合要求，要調整流速，再確定管程數或擋板間距，或選擇另一規格的設備，重新計算壓降至滿足要求。 計算總傳熱系數，核算傳熱面積，計算管、殼程的給熱系數h1和h2，確定污垢熱阻rs1和rs2, 計算總傳熱系數k計，并計算傳熱面積a計，比較a估和a計，若a估/a計=1.151.25，則初選的設備合適，否則需另設k估值，重復以上步驟。,2.1.2換熱器設計的具體過程：,1、換熱器類型的選擇 固定管板式換熱器 浮頭式換熱器 u型管換熱器 填料函式換熱器,換熱器選型,換熱器選型時需要考慮的因素是多方面的，主要有: 1) 熱負荷及流量大小 2) 流體的性質 3) 溫度、壓力及允許壓降的范圍 4) 對清洗、維修的要求 5) 設備結構、材料、尺寸、重量 6) 價格、使用安全性和壽命,2、流動空間的選擇,流體通道的選擇可參考以下原則進行： 1 不潔凈和易結垢的流體宜走管程，以便于清洗管子； 2 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕，而且管內也便于檢修和清洗； 3 高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節省殼體金屬的消耗量； 4 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程； 5 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強冷卻效果；,6 有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏； 7 粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數（re100）下即可達到湍流，可提高對流傳熱系數。但是有時在動力設備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對流傳熱系數。 在選擇流體通道時，以上各點常常不能兼顧，在實際選擇時應抓住主要矛盾。如首先要考慮流體的壓力、腐蝕性和清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數和阻力系數等，以便作出合理的選擇。,流動空間選擇的具體措施,（1）宜于通入管程的流體 易于結垢、不清潔的流體 體積流量小的流體 有壓力的流體 腐蝕性強的流體 與外界溫差大的流體,（2）宜于通入殼程的流體,當兩流體溫度相差較大時，值大的流體走管間 需冷卻的流體一般走殼程，便于散熱 飽和蒸汽走管間 黏度大的流體走管間 泄露后危險性大的流體走管間,3.確定物性參數,（1）殼程流體定性溫度 （2）管程流體定性溫度 根據定性溫度，分別查的冷、熱流體的物性參數：如，密度、粘度、定壓比熱、導熱系數等。,4、傳熱面積的估算（a估）,（1）根據換熱器總的熱量衡算式（無相變，忽略熱損失） 求得熱交換速率q及冷流體流量qm2 （2）傳熱基本方程 采用逆流換熱器計算，求得tm,逆 并根據經驗參數假設總傳熱系數k值,綜合傳熱系數k的經驗值范圍,數據來源：石油化工設計手冊 第三 卷 “化工單元過程”,在選用總傳熱系數推薦值時，應注意以下幾點： 設計中管程和殼程的流體應與所選的管程和殼程的流體相一致。 設計中流體的性質（粘度等）和狀態（流速等）應與所選的流體性質和狀態相一致。 設計中換熱器的類型應與所選的換熱器的類型相一致。 總傳熱系數的推薦值一般范圍很大，設計時可根據實際情況選取中間的某一數值。若需降低設備費可選取較大的k值；若需降低操作費可選取較小的k值,5.工藝結構尺寸,(1)管徑和管內流速 (2)管程數和列管束（數） (3)平均傳熱溫度校正及殼程數 (4)換熱管排列及分程方法 (5)殼體內徑 (6)折流板 (7)殼（管）程進出、口接管 (8)其他結構尺寸（殼體、管箱、封頭、管板、波形膨脹節、鞍座、分程隔板、法蘭墊片）,（1）管徑的選取,1、直徑 小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，傳熱系數稍高，但容易結垢，不易清洗，用于較清潔的流體；大直徑管子用于粘性大或污濁的流體。 2、規格 常采用無縫鋼管規格（外徑壁厚）。通常換熱管規格：252.5mm， 192mm 。長度按規定選用（1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其中以3米和6米最為普遍。（非標換熱器設計時，換熱管長取7m也較多）,3、流速的確定,換熱器常用流速的范圍,（2）管程數和換熱管根數,選取管內流體流速u2，則單管程時換熱管根數為： 則按單管程計算，所需換熱管長為：,管程數：,選取標準換熱器管長l0 則換熱器管程數npl/l0 （一般，np2較常用） 所以，換熱管總根數為：,（3）平均溫度校正系數及殼程數,錯流和折流時的平均溫差： 兩種流體在列管式換熱器中流動并非是簡單的并流和逆流，而是比較復雜的多程流動，既有折流又有錯流。 1.簡單折流： 一種流體作折流流動，另一種流體不折流，或僅沿一個方向流動。,2.錯流 錯流是指兩流體在間壁兩側彼此的流動方向垂直； 3.復雜折流 若兩種流體都作折流流動或既有錯流又有折流，稱為復雜折流。,錯流或折流時的平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據流動型式加以修正 稱為溫差校正系數，表示為p和r兩參數的函數 式中 溫差校正系數關系曲線繪于下圖中,溫差修正系數1，即tmtm逆，換熱器設計時值不應小于0.8，否則不經濟。增大的一個方法就是改用多殼程，采用換熱器串聯。,殼程數： 根據溫度校正系數，按單殼程雙管程換熱器結構查圖，若0.8，則說明： 殼程數1合適， 且換熱器選擇逆流計算可行。,（4）換熱管排列及分程方法,換熱管的排列方式有等邊三角形和正方形兩種，等邊三角形排列比正方形排列更為緊湊, 但正方形排列的管束清洗方便。,通常采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。此時管心距為： t=1.25d0 橫過管束中心線的管數：,管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確定需要考慮以下幾個因素： 管板強度； 清洗管子外表面時所需要的空隙； 換熱管在管板上的固定方法。 一般要求管間距1.25d0，還應符合規定：,（5）殼體內徑,經驗公式確定殼體直徑 1.若單管程結構，則殼體內徑d為： 2.若雙管程結構，則殼體內徑按下經驗式 其中，管板利用率,（6）折流板,1、作用 提高殼程內流體的流速； 加強湍流強度； 提高傳熱效率； 支撐換熱管。 （當工藝上無折流板要求而管子較細長時，應考慮有一定數量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。） 2、結構 折流板和支撐板的常用形式有弓形、圓盤圓環形和帶扇形切口三種。,3、尺寸 厚度與殼體直徑和折流板間距有關；折流板最小厚度按表76選取。 弓形折流板間距：最小間距max0.2di，50mm 最大間距：按表77規定選取，且di。 間隙：折流板外徑與殼體之間的間隙要適當，因為過小給安裝帶來困難，過大又影響傳效率，詳見表78。,一般采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的1/4，則切去圓缺的高度 h0.25d 取折流板間距 b0.3d 折流板數：,（7）接管,1.殼程流體進、出口接管內徑按下式計算： （一般接管內混合氣體流速可取515m/s) 2.管程流體進、出口接管：（接管內冷卻水流速可取13m/s),3.接管外伸長度 除上述計算，接管長度也查表換熱器設計（錢訟文，p142),4.接管最小安裝位置,參考鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊p32,（8）其他結構尺寸,1.殼體、封頭壁厚 2.管箱結構 l2d接/2+c （c4s，且一般c根據換熱器結構可取c=50mm） 管箱長度l0=2l2,3.封頭尺寸（參考鋼制壓力容器用封頭jb/t4746-2002）,4.管板結構尺寸(鋼制設計手冊p120),管板尺寸（殼程壓力ps64kgf/cm2),管板尺寸表,殼程設計壓力大于管程壓力(pspt)，選取管板尺寸表-（鋼制手冊p148),.接管法蘭,參考國標gb/t9112-2000鋼制管法蘭 類型與參數,(6)膨脹節,參考壓力容器波紋膨脹節gb16749-1997,7.鞍型支座 參考鞍式支座jbt4712-92,一般選擇型底板。,鋼制設計手冊173,(8)分程隔板,單殼程雙管程換熱器可用管箱分程隔板。隔板材質選用碳鋼。,.當承受脈動流體或隔板兩側壓差過大時，隔板的厚度應適當增厚。 .大直徑換熱器隔板應設置成雙層結構。 .分程隔板必要時，需開設排氣孔（即淚孔），淚孔直徑宜為mm。 .厚度大于10mm分程隔板的密封面處應楔形削邊至10mm。,（9）墊片,dg400mm的換熱器，按jb1161-82和jb163-82壓力容器法蘭用墊片標準選取墊片尺寸。鋼制設計手冊取為3mm墊片厚度。,10.拉桿及定距管,拉桿定距管結構（適用于換熱管外徑19mm的管束）折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實現的,材質的選擇,六、換熱器核算,.熱量核算 .壁溫校核 . 流動阻力壓力降校核 （計算公式舉例如下,七、參考文獻：,1 賈紹義, 柴誠敬 主編，化工原理課程設計，天津大學出版社，2002年 2 陳敏恒 主編，化工原理（上），化學工業出版社，2005年 3.錢頌文 主編，換熱器設計