列管式换热器的设计

Yibin University

环境工程原理课程设计

题 目 列管式换热器的设计 专 业 资环 学生姓名 陈皓 年 级 化工12级4班 指导教师 徐慎颖

化学与化工学院

2014.12

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任务书

一、设计目的

培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力 二、设计目标

设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的

三、设计题目

列管式换热器设计 四、设计任务及操作条件

煤油 16万吨/年 4*4万吨/年 121.2吨/天 原料温度

煤油： 入口132℃，出口47℃ 地点： 宜宾 煤油物性数据

c825kg/m3c7.05104Pascpc2.22kJ/kgCo

c0.14W/moC允许压降：不大于0.1MPa 冷却介质任选

五、设计内容

1、概述

2、设计方案的选择 3、确定物理性质数据 4、设计计算 计算总传热系数 计算传热面积

需考虑设备与环境之间热交换，保温等条件 5、主要设备工艺尺寸设计 管径尺寸和管内流速的确定

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传热面积、管程数、管数和壳程数的确定 接管尺寸的确定 6、设计结果汇总

7、设计心得

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目录

任务书 ....................................................................................................................................... 2 概述与设计方案简介 ............................................................................................................... 8 一、换热器的类型 ............................................................................................................... 8 二、换热器 ........................................................................................................................... 8 三、换热器类型 ................................................................................................................... 9 1.固定管板式换热器 ........................................................................................................ 9 2.U型管换热器 ................................................................................................................ 9 3.浮头式换热器 ................................................................................................................ 9 4.填料函式换热器 .......................................................................................................... 10 四、换热器类型的选择 ..................................................................................................... 10 五、流径的选择 ................................................................................................................. 10 六、材质的选择 ................................................................................................................. 11 七、管程结构 ..................................................................................................................... 11 设计计算 ................................................................................................................................. 12 一、确定设计方案 ............................................................................................................. 12 1.选择换热器的类型 ...................................................................................................... 12 2.流动空间及流速的确定 .............................................................................................. 12 二、确定物性数据 ............................................................................................................. 12 三、计算总传热系数 ......................................................................................................... 12 1.热流量 .......................................................................................................................... 12 2.平均传热温差： .......................................................................................................... 13 3.冷却水用量 .................................................................................................................. 13 4.总传热系数K ............................................................................................................... 13 四、计算换热面积 ............................................................................................................. 14 五.工艺结构尺寸 ............................................................................................................... 14 1.管径和管内流速 .......................................................................................................... 14 2.管程和传热管数 .......................................................................................................... 14 3.平均传热温差校正及壳程数 ...................................................................................... 14 4.传热管的排列和分程方法 .......................................................................................... 15

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5.壳体内径 ...................................................................................................................... 15 6.折流板 .......................................................................................................................... 15 7.接管 .............................................................................................................................. 16 六、换热器核算 ................................................................................................................. 16 1.热量核算 ...................................................................................................................... 16 1.1壳程对流传热系数 ................................................................................................... 16 1.3总传热系数K。 ........................................................................................................ 17 1.4传热面积校核 ........................................................................................................... 17 2.换热器内流体的流动阻力 ............................................................................................. 18 2.1管程阻力 ................................................................................................................... 18 2.2壳程阻力 ................................................................................................................... 18 七、换热器的主要结构尺寸和计算结果表 ..................................................................... 19 参考文献 ................................................................................................................................. 20

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概述与设计方案简介

一、换热器的类型

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，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。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，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，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。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，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

二、换热器

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。

间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。

直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。

蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。

工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。

紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。 管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。

使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。

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三、换热器类型

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。

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。

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。

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4.填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。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。

四、换热器类型的选择

选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。

五、流径的选择

在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 参考标准：

(1) 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。

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(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系

不大。

(5) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，

且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于

流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 (8) 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较

大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。 综合考虑以上标准，由于循环冷却水较易结垢且煤油粘度大并且泄露后危险性大，水的体积小，所以为便于水垢清洗和安全适用，应使水走管程，煤油走壳程的碳钢管。

六、材质的选择

列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。

七、管程结构

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。

(a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列

（d）三角形错列 （e）同心圆排列

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。

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设计计算

一、确定设计方案

1.选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体（煤油）进口温度132℃，出口温度47℃；冷流体（江水）入口温度35℃，出口温度45℃。 两流体的定性温度： 煤油T=（132+47）/2=89.5℃ 自来水T=(35+45)/2=40℃ 流体温差T1-T2=89.5-40 =49.5℃

该换热器用自来水冷却，冬季操作时进出口温度会降低，换热器的管壁温和壳体壁温相差大，因此选用带膨胀节的列管式换热器。

2.流动空间及流速的确定

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使水走管程，煤油走壳程的碳钢管，选用

252.5的碳钢管，管内流速取ui0.5m/s

二、确定物性数据

物性 流体 煤油 自来水 定性温度 ℃ 89.5 40 密度 粘度 Pa·s 0.000705 0.000727 导热系数w/(m·℃) 0.14 0.627 比热容kj/(kg·℃) 2.22 4.174 kg/m3 825 994 三、计算总传热系数

1.热流量

QWct01.22105/242.2289.51.01106(KJ/h)280.6(kw)

 12

2.平均传热温差：

tm(13247)(4535)35℃(13247)ln(4535)

3.冷却水用量

wmQTCp1.0110624198(kg/h)t4.174(4535)

4.总传热系数K

（内径）...............di0.020m（外径）...............d00.025m其中

（平均直径）.......dm0.225m（换热器壁厚）...b0.0025m管程对流传热系数：

Redu0.020.59941367330.72710

du0.8Cpni0.023()()（其中被加热介质n=0.4)

di330.6270.84.179100.727100.023(13673)()0.42759(w/m2℃）0.020.627

自选壳程传热系数0290W/m2·C 碳钢的导热系数45W/mC

污垢热阻

（内侧）Rsi0.000344(m2℃/w)（外侧）Rs00.000172(m℃/w)2

K1

d0d0bd01RsiRs0idididm01

0.0250.0250.00250.02510.0003440.00017227590.020.02450.022529013

219(W/m2℃）四、计算换热面积

Q280.6103S估36.6(m2)Ktm21935

1.1536.642.09m2考虑15%的面积裕度S1.15S估

五.工艺结构尺寸

1.管径和管内流速

选用φ25*2.5mm的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s

2.管程和传热管数

24198360099443根20.7850.020.5

Nsqv4diu2按单程管计算，所需的传热管长度为

LS估36.611(m)d0Ns3.140.02543

112（管程） 6按单管程设计，传热管过长，现取管长为6m则Np（根）则传热管数总根数n43286

3.平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数计算如下：

t125℃t245℃T1132℃T247℃

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Pt2t145350.118T1t113247 =0.235

RT1T2132478.5

t2t14525但R=4的点很难在图上读出，因而以相应1/R代替R，PR代替P，按一壳程，二管程结构，查表知t0.7 平均传热温差tmttm0.73524.5℃

4.传热管的排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距=1.25d,则t=1.252531.2532mm 横过管束中心线的管数

nc1.19N1.198611根

5.壳体内径

取管板利用率0.7则壳体内径为

D1.05Ptn/1.053286/0.7373mm

计算得到的壳体直径应按换热器的系列标准进行圆整。可取D=380mm。

6.折流板

采用弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为

h0.2538095mm，故可取h=90mm。

取折流板间距B0.3D，则

B0.3380114mm,可取B为120mm

折流板数目NB

传热管长60001149块折流板圆面缺水平安装。

折流板间距120 15

7.接管

壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为u11m/s，则接管内径为

D14qvu41.21105/(243600825)圆整后可取管内径0.047m，

3.141为50mm。

管程流体进出口接管：取接管内流体流速为u21.5m/s ，则接管内径为

D2424198/(3600994)0.0505m ，圆整后可取管内径为50mm。

3.141.5六、换热器核算

1.热量核算

1.1壳程对流传热系数

管子按正三角形排列，传热当量直径为

4(de3223Ptd0)4(0.03220.025)24240.02(m)

d00.025壳程流通截面积

S0BD(1d00.025)0.120.38(1)0.00997(m2) Pt0.032壳体流体流速及其雷诺数分别为

u01.21105/(243600825)0.241m/s

0.009970.020.241825564130.70510

Re00.7051032.2210311.18普朗特数Pr00.14

黏度校正(0.14)1 w则壳程传热膜系数

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00.361deRe00.550.14Pr()0.140.3656410.5511.1831651.3(w/m2℃）w0.02131

1.2管程对流传热系数

管程流通截面积Si0.7850.022管程流体流速和雷诺数分别为

860.0135(m2)2

ui24198/(3600994)0.5(m/s)0.0135

Re0.020.5994/(0.727103)13673

4.1741030.7271034.84普朗特数 Pr0.627

管程传热膜系数

i0.023

0.627Re0.8Pr0.40.023136730.84.840.42758(w/m2℃）di0.021.3总传热系数K。

K1d0dbd1Ri00R0idididm0si

10.0250.0250.00250.02510.0003440.00017227580.020.02450.0225651.3377(w/m2℃）

1.4传热面积校核

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Q280.6103S30.4(m2)Ktm37724.5

实

际

传

热

面

积

Sd0lNnc3.140.02560.06861135(m2)

换热器的面积裕度为

SS'3530.4H100%100%15.2%

S30.4传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.换热器内流体的流动阻力

2.1管程阻力

P(PP)NNi12spFt

2Ns1,Np

Ns=,Np=7,

lui2,P1d2

由Re13673，传热管相对粗糙度0.005，参考图Re双对数坐标图得0.036，流速

ui0.5m/s，994kg/m3，所以

60.52994P10.0361342(Pa)0.022

P2ui229940.523372.8(Pa)

2Pi(1342372.8)21.55144.25(Pa)10kpa管程流体阻力在允许范围之

内。

2.2壳程阻力

按下式计算

P0(P1P2)FtNs，

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其中Ns1,Ft1 流体流经管束的阻力

P1Ff0nc(NB1)u022

F0.5,f05.0Re00.2285.056410.2280.6977

nc11，折流板数NB49，u00.241m/s

则P18250.24120.50.697711(491)4597(Pa)

2流体流过折流板缺口的阻力

2Bu0，其中 B0.12m,D0.38m， P2NB(3.5)D2则P2总阻力

220.128250.241249(3.5)3367.4(Pa)

0.382P45973367.47964.4(Pa)10kpa

该换热器的管程与壳程压降均满足要求，才所设计的换热器合适。

七、换热器的主要结构尺寸和计算结果表

附表1 换热器主要结构尺寸和计算结果 名称 物料名称 操作温度C 流体密度kg/m3 流量kg/h 壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数目/根 传热面积/m2 380 Φ25*2.5 6000 86 35 台数 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 折流板间距/mm 管程 自来水 35/45 994 24198 4 32 正三角形 49 120 壳程 煤油 132/47 825 5041.7 19

对流传热系数W/m2K 流速/（m/s） 污垢热阻/(m2*℃/W） 阻力/Pa 程数 热流量/kW 总传热系数/[W/m2*℃] 使用材料

2758 0.5 0.000344 5144.25 2 280.6 377 碳钢 615.3 0.241 0.000172 7964.4 1 参考文献

1.夏清、陈常贵.化工原理（上册）.天津:天津大学出版社，2005 2.贾绍义 柴诚敬.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社，2002

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