換熱器的傳熱系數(shù)K

1、介質(zhì)不同，傳熱系數(shù)各不相同我們公司的經(jīng)驗(yàn)是：1、汽水換熱：過熱部分為8001000W/m2.飽和部分是按照公式K=2093+786V(V是管內(nèi)流速）含污垢系數(shù)0.0003。水水換熱為：K=767(1+V1+V2)(V1是管內(nèi)流速，V2水殼程流速）含污垢系數(shù)0.0003實(shí)際運(yùn)行還少有保守。有余量約10%冷流體        熱流體            總傳熱系數(shù)K，W/(m2.)水        水     

2、;        8501700水        氣體             17280水        有機(jī)溶劑             280850水        輕油           

3、 340910水        重油              60280有機(jī)溶劑        有機(jī)溶劑              115340水        水蒸氣冷凝              14204250氣體

4、0;       水蒸氣冷凝              30300水        低沸點(diǎn)烴類冷凝   4551140水沸騰        水蒸氣冷凝              20004250輕油沸騰        水蒸氣冷凝     

5、        4551020不同的流速、粘度和成垢物質(zhì)會(huì)有不同的傳熱系數(shù)。K值通常在8002200W/m2·范圍內(nèi)。列管換熱器的傳熱系數(shù)不宜選太高，一般在800-1000 W/m2·。螺旋板式換熱器的總傳熱系數(shù)（水水）通常在10002000W/m2·范圍內(nèi)。板式換熱器的總傳熱系數(shù)（水（汽）水）通常在30005000W/m2·范圍內(nèi)。1 流體流徑的選擇哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點(diǎn)可供選擇時(shí)參考(以固定管板式換熱器為例)(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2)

6、 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。在選擇流體流徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼

7、顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾，例如首先考慮流體的壓強(qiáng)、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降，以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。2. 流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時(shí)

8、應(yīng)予考慮的問題。3. 流體兩端溫度的確定若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，就不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一個(gè)流體僅已知進(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定。例如用冷水冷卻某熱流體，冷水的進(jìn)口溫度可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì)，而換熱器出口的冷水溫度，便需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定。為了節(jié)省水量，可使水的出口溫度提高些，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。兩者是相互矛盾的。一般來(lái)說，設(shè)計(jì)時(shí)可采取冷卻水兩端溫差為510。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。4. 管子的規(guī)格和排列方法 選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍

9、。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國(guó)目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有25×2.5mm及19×2mm兩種規(guī)格的管子。 管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長(zhǎng)。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為46(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。如前所述，管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等，如第五節(jié)中圖425所示。等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)

10、可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對(duì)流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺?管子在管板上排列的間距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.31.5)do，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25do。5. 管程和殼程數(shù)的確定 當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)

11、力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。 管程數(shù)m可按下式計(jì)算，即: (4-121) 式中 u管程內(nèi)流體的適宜速度， m/s； u管程內(nèi)流體的實(shí)際速度， m/s。 當(dāng)殼方流體流速太低時(shí)，也可以采用殼方多程。如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程，但由于縱向隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難，故一般不采用殼方多程的換熱器，而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。例如當(dāng)需二殼程時(shí)，則將總管數(shù)等分為兩部分，分別安裝在

12、兩個(gè)內(nèi)徑相等而直徑較小的外殼中，然后把這兩個(gè)換熱器串聯(lián)使用，如圖所示。 6. 折流擋板 安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動(dòng)程度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。第五節(jié)的圖426已示出各種擋板的形式。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的1040，一般取2025，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.21)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為:固定管板式的有150、300和600mm三種；浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。

13、擋板切去的弓形高度及板間距對(duì)流體流動(dòng)的影響如圖3-42所示。 7. 外殼直徑的確定 換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，作圖法太麻煩費(fèi)時(shí)，一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走"短路"，可以適當(dāng)增減一些管子。 另外，初步設(shè)計(jì)中也可用下式計(jì)算殼體的內(nèi)徑，即: (4-122) 式中 D殼體內(nèi)徑

14、， m； t管中心距， m； nc橫過管束中心線的管數(shù)； b管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取b=(11.5)do。nc值可由下面的公式計(jì)算。管子按正三角形排列時(shí): (4-123)管子按正方形排列時(shí): (4-124) 式中n為換熱器的總管數(shù)。 按計(jì)算得到的殼徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，見表4-15。 8主要構(gòu)件 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑 的殼體。緩沖擋板 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。 導(dǎo)流筒 殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間(死角)，為了提 高傳熱效果，常在管束外

15、增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間。 放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 接管尺寸 換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算，即: 式中Vs-流體的體積流量， /s； u -接管中流體的流速， m/s。流速u的經(jīng)驗(yàn)值為: 對(duì)液體u=1.52 m/s對(duì)蒸汽u=2050 m/s 對(duì)氣體u=(1520)p/ (p為壓強(qiáng)，單位為atm ；為氣體密度，單位為kg/ ) 9 材料選用 列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的

16、金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。 10 流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算(1) 管程流體阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對(duì)于多程換熱器，其總阻力 pi等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為: （4-125） 式中 p1、p2-分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，N/ ； Ft-結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于25×2.5mm的管子， 取為1.4，對(duì)19×2mm的管子，取為1.5； Np-管程數(shù)； N

17、s-串聯(lián)的殼程數(shù)。 上式中直管壓強(qiáng)降p1可按第一章中介紹的公式計(jì)算；回彎管的壓強(qiáng)降p2由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算，即: (4-126) (2) 殼程流體阻力 現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計(jì)算公式雖然較多，但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，使所得的結(jié)果相差很多。下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)po的公式，即: (4-127)式中 p1-流體橫過管束的壓強(qiáng)降，N/ ； p2-流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降，N/ ； Fs -殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)液體可取1.15，對(duì)氣體或可凝蒸氣 可取1.0而 (4-128) (4-129)式中 F-管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列F=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)4

18、5°為0.4，正方形排列為0.3；fo-殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Reo500時(shí)， nC-橫過管束中心線的管子數(shù)；NB-折流板數(shù)； h -折流板間距，m； uo-按殼程流通截面積Ao計(jì)算的流速，而 。一般來(lái)說，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為 0.11atm，氣體的為0.010.1atm。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以權(quán)衡，使既能滿足工藝要求，又經(jīng)濟(jì)合理。 三、 列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 1 試算并初選設(shè)備規(guī)格 (1) 確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。 (2) 根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。 (3) 確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管式換熱器的型式；計(jì)算定性溫度，并確定

19、在定性 溫度下流體的性質(zhì)。 (4) 計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。 (5) 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總傳熱系數(shù)K選值。 (6) 由總傳熱速率方程 QKStm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 2 計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工 藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。 3 核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管、殼程對(duì)流傳熱

20、系數(shù)i 和o，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K'，比較K得初始值和計(jì)算值，若K'/K1.151.25，則初選的設(shè)備合適。否則需另設(shè)K選值，重復(fù)以上計(jì)算步驟 。 通常，進(jìn)行換熱器的選擇或設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他各項(xiàng)的問題。它們之間往往是互相矛盾的。例如，若設(shè)計(jì)的換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強(qiáng)降(阻力）增大，相應(yīng)地增加了動(dòng)力費(fèi)用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降降低，但卻又要受到安裝換熱器所能允許的尺寸的限制，且換熱器的造價(jià)也提高了。此外，其它因素(如加熱和冷卻介質(zhì)的用量，換熱器的檢修和操作)也不可忽視。總之，設(shè)計(jì)

21、者應(yīng)綜合分析考慮上述諸因素，給予細(xì)心的判斷，以便作出一個(gè)適宜的設(shè)計(jì)。第二章    列管式換熱器設(shè)計(jì)第一節(jié)    推薦的設(shè)計(jì)程序    一、工藝設(shè)計(jì)    1、作出流程簡(jiǎn)圖。    2、按生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算換熱器的換熱量Q。    3、選定載熱體，求出載熱體的流量。    4、確定冷、熱流體的流動(dòng)途徑。    5、計(jì)算定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等）。    6、初算平均傳熱溫度差。 

22、60; 7、按經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選取或估算值，初算出所需傳熱面積。    8、根據(jù)初算的換熱面積進(jìn)行換熱器的尺寸初步設(shè)計(jì)。包括管徑、管長(zhǎng)、管子數(shù)、管程數(shù)、管子排列方式、殼體內(nèi)徑（需進(jìn)行圓整）等。    9、核算。    10、校核平均溫度差D 。    11、校核傳熱量，要求有1525的裕度。    12、管程和殼程壓力降的計(jì)算。    二、機(jī)械設(shè)計(jì)    1、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。    2、換熱器封頭選擇。 

23、60; 3、換熱器法蘭選擇。    4、管板尺寸確定。    5、管子拉脫力計(jì)算。    6、折流板的選擇與計(jì)算。    7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。    8、接管、接管法蘭選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)等。    9、繪制主要零部件圖。    三、編制計(jì)算結(jié)果匯總表    四、繪制換熱器裝配圖五、提出技術(shù)要求六、編寫設(shè)計(jì)說明書第二節(jié)    列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)    一、換熱終溫的確定    換

24、熱終溫對(duì)換熱器的傳熱效率和傳熱強(qiáng)度有很大的影響。在逆流換熱時(shí)，當(dāng)流體出口終溫與熱流體入口初溫接近時(shí)，熱利用率高，但傳熱強(qiáng)度最小，需要的傳熱面積最大。    為合理確定介質(zhì)溫度和換熱終溫，可參考以下數(shù)據(jù)：    1、熱端溫差（大溫差）不小于20。    2、冷端溫差（小溫差）不小于5。    3、在冷卻器或冷凝器中，冷卻劑的初溫應(yīng)高于被冷卻流體的凝固點(diǎn)；對(duì)于含有不凝氣體的冷凝，冷卻劑的終溫要求低于被冷凝氣體的露點(diǎn)以下5。    二、平均溫差的計(jì)算    設(shè)計(jì)時(shí)初算平均溫差Dt，

25、均將換熱過程先看做逆流過程計(jì)算。    1、對(duì)于逆流或并流換熱過程，其平均溫差可按式（21）進(jìn)行計(jì)算：                                           （21）式中， 、 分別為大端溫差與小端溫差。當(dāng) 時(shí)，可用算術(shù)平均值 。   2、對(duì)于錯(cuò)流或

26、折流的換熱過程，若無(wú)相變化，則要進(jìn)行溫差校正，即用公式（22）進(jìn)行計(jì)算。                                              （22）式中 是按逆流計(jì)算的平均溫差，校正系數(shù) 可根據(jù)換熱器不同情況由化工原理教材有關(guān)插圖查出。一般要求 0.8，否則應(yīng)改用多殼程或者將

27、多臺(tái)換熱器串聯(lián)使用。    三、傳熱總系數(shù)的確定    計(jì)算值的基準(zhǔn)面積，習(xí)慣上常用管子的外表面積 。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象的基準(zhǔn)條件（設(shè)備型式、雷諾準(zhǔn)數(shù)Re、流體物性等）與某已知值的生產(chǎn)設(shè)備相同或相近時(shí)，則可采用已知設(shè)備值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的值。表21為常見列管式換熱器值的大致范圍。由表21選取大致值，         表2-1    列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值冷流體熱流體總傳熱系數(shù)W/m2.水水850-1700水氣體17-280水有機(jī)溶劑280-850水輕油340-91

28、0水重油60-280有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑115-340水水蒸汽冷凝1420-4250氣體水蒸汽冷凝30-300水低沸點(diǎn)烴類冷凝455-1140水沸騰水蒸蒸汽冷凝2000-4250輕油沸騰水蒸汽455-1020用式（23）進(jìn)行值核算。                             （23）式中：a給熱系數(shù)，W/m2.；      R污垢熱阻，m2.W；&

29、#160;     管壁厚度，mm；      管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.；下標(biāo)、分別表示管內(nèi)、管外和平均。當(dāng) 時(shí)近似按平壁計(jì)算，即：在用式（23）計(jì)算值時(shí)，污垢熱阻 、 通常采用經(jīng)驗(yàn)值，常用的污垢熱阻大致范圍可查化工原理相關(guān)內(nèi)容。    式中的給熱系數(shù)a，在列管式換熱器設(shè)計(jì)中常采用有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值公式計(jì)算給熱系數(shù)a，工程上常用的一些計(jì)算a的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在化工原理已作了介紹，設(shè)計(jì)時(shí)從中選用。    四、傳熱面積A的確定    工程上常將列管式換熱器中管束所有管子的外表面積之和

30、視為傳熱面積，由式（24）和式（25）進(jìn)行計(jì)算。                                                （24）               

31、;                                   （25）式中： 基于外表面 的傳熱系數(shù)，W/m2.      管子外徑，；      L每根管子的有效長(zhǎng)度，；       n管子的總數(shù)    管子

32、的有效長(zhǎng)度是指管子的實(shí)際長(zhǎng)度減去管板、擋板所占據(jù)的部分。管子總數(shù)是指圓整后的管子數(shù)減去拉桿數(shù)。    五、主要工藝尺寸的確定    當(dāng)確定了傳熱面積 后，設(shè)計(jì)工作進(jìn)入換熱器尺寸初步設(shè)計(jì)階段，包括以下內(nèi)容：    1、管子的選用。    選用較小直徑的管子，可以提高流體的對(duì)流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結(jié)垢的流體。    我國(guó)列管式換熱器常采用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為外徑

33、×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：19×2，25×2.5，38×3。    管子的選擇要考慮清洗工作的方便及合理使用管材，同時(shí)還應(yīng)考慮管長(zhǎng)與管徑的配合。國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)規(guī)格，長(zhǎng)度一般為：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12等。換熱器的換熱管長(zhǎng)度與殼徑之比一般在610，對(duì)于立式換熱器，其比值以46為宜。    殼程和殼程壓力降，流體在換熱器內(nèi)的壓降大小主要決定于系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，而系統(tǒng)的運(yùn)行壓力是靠輸送設(shè)備提供的。換熱器內(nèi)流體阻力損失（壓力降）越大，要求輸送設(shè)備的功率就越大，能耗就越高。對(duì)于無(wú)相變的換熱，流體

34、流速越高，換熱強(qiáng)度越大，可使換熱面積減小，設(shè)備緊湊，制作費(fèi)低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速過高，也有不利的一面，壓力降增大，泵功率增加，對(duì)傳熱管的沖蝕加劇。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中有個(gè)適宜流速的選取和合理壓力降的控制問題。    一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體，在壓力降控制在0.010.1MPa之間，對(duì)于氣體，控制在0.0010.01MPa之間。    表22列出了換熱器不同操作條件壓力下合理壓降的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參考。        表22    列管換熱器合理壓降的選取換 熱 器操

35、作情況負(fù)壓運(yùn)行低壓運(yùn)行中壓運(yùn)行（包括用泵輸送液體）較高壓運(yùn)行P<0.17P>0.17操作壓力（MPa絕壓）P=00.1P=0.10.17P0.171.1P=1.13.1P=3.18.2合理壓降（MPa）DPP/10DP/2DP=0.035=0.0350.18=0.070.25    2、管子總數(shù)n的確定。對(duì)于已定的傳熱面積，當(dāng)選定管徑和管長(zhǎng)后便可求所需管子數(shù)，由式（26）進(jìn)行計(jì)算。                     &

36、#160;                              （26）式中 傳熱面積， ；     管子外徑，m；     L每根管子的有效長(zhǎng)度，m； 計(jì)算所得的管子n進(jìn)行圓整     3、管程數(shù)m的確定。    根據(jù)管子數(shù)n可算出流體在管內(nèi)的流速 ，由式（27）計(jì)算。 

37、                                              （27）式中 vs管程流體體積流量，      管子內(nèi)徑，   m；     n管子數(shù)。若流速 與

38、要求的適宜流速相比甚小時(shí)，便需采用多管程，管程數(shù)可按式（28）進(jìn)行計(jì)算。                  u                                          

39、60;      （28)式中 用管子數(shù)n求出的管內(nèi)流速，；    u要求的適宜流速，；式（28）中的適宜流速u要根據(jù)列管換熱器中常用的流速范圍進(jìn)行選定，參見化工原理相關(guān)內(nèi)容，一般要求在湍流下工作（高粘度流體除外），與此相對(duì)應(yīng)的Re值，對(duì)液體為5×103，氣體則為 - 。分程時(shí)，應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等，生產(chǎn)中常用的管程數(shù)為1、2、4、6、四種。    4、管子的排列方式及管間距的確定。    管子在管板上排列的原則是：管子在整個(gè)換熱器的截面上均勻分布，排列緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，方便制造并適合流體

40、的特性。其排列方式通常為等邊三角形與正方形兩種，也有采用同心圓排列法和組合排列法。    在一些多程的列管換熱器中，一般在程內(nèi)為正三角形排列，但程與程之間常用正方形排列，這對(duì)于隔板的安裝是很有利的，此時(shí)，整個(gè)管板上的排列稱為組合排列。    對(duì)于多管程的換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上的一部分面積，實(shí)際排管數(shù)比理論要少，設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際的管數(shù)應(yīng)通過管板布置圖而得。    在排列管子時(shí)，應(yīng)先決定好管間距。決定管間距時(shí)應(yīng)先考慮管板的強(qiáng)度和清理管子外表時(shí)所需的方法，其大小還與管子在管板上的固定方式有關(guān)。大量的實(shí)踐證明，最小管間距的經(jīng)驗(yàn)值為：焊接

41、法                        脹接法          ，一般取(1.31.5) 管束最外層管子中心距殼體內(nèi)表面距離不小于 。    5、殼體的計(jì)算。    列管換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于（對(duì)于浮頭式換熱器）管板的直徑，可由式（29）進(jìn)行計(jì)算。      Dia（b1）2L&

42、#160;                                    （29）式中Di殼體內(nèi)徑，mm；    a管間距，mm；    b最外層六邊形對(duì)角線上的管子數(shù)；    L最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取L=(11.5) ，mm；若對(duì)管子分程則Dif2Lf值的確定方法：可查表求取，也可用

43、作圖法。當(dāng)已知管子數(shù)n和管間距a后開始按正三角形排列，直至排好根為止，再統(tǒng)計(jì)對(duì)角線上的管數(shù)。    計(jì)算出的殼徑Di要圓整到容器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列內(nèi)。第三節(jié)  列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)    在化工企業(yè)中列管式換熱器的類型很多，如板式，套管式，蝸殼式，列管式。其中列管式換熱器雖在熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但它卻具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣等特點(diǎn)，因此成為石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。    列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱

44、器和U型管式換熱器，而其中固定管板式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，因此應(yīng)用最普遍。    列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)包括：    1、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。    2、換熱器封頭選擇。    3、壓力容器法蘭選擇。    4、管板尺寸確定。    5、管子拉脫力的計(jì)算。    6、折流板的選擇與計(jì)算。    7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。    8、接管、接管法蘭選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)等。    9繪制主要零部件

45、圖和裝配圖。下面分述如下：    一、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。    1、已知條件：由工藝設(shè)計(jì)知管程和殼程介質(zhì)種類、溫度、壓力、殼與壁溫差、以及換熱面積。    2、計(jì)算    (1)管子數(shù)n：               列管換熱器常用無(wú)縫鋼管，規(guī)格如下：碳鋼f19×2f25×2.5f32×3f38×3不銹鋼f19×2f25×2f32×2

46、f38×2.5    管子材質(zhì)的選擇依據(jù)是介質(zhì)種類，如果介質(zhì)無(wú)腐蝕，可選碳鋼，而介質(zhì)有腐蝕則選擇不繡鋼。管長(zhǎng)規(guī)格有1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000mm。n=A/(pdmL)，其中             A換熱面積(m2)；                       &

47、#160;      L換熱管長(zhǎng)度mm；                              dm管子的平均直徑mm。    由于在列管式換熱器中要安裝4根或6根拉桿。所以實(shí)際換熱管子數(shù)為n-4(6)根。    (2)管子排列方式，管間距確定。    管子排列方式一般在程內(nèi)采用正三角形排列，而

48、在程與程之間采用正方形排列。管間距根據(jù)最小管間距選擇。                       最小管間距管子外徑（mm）14192532384557最小管間距（mm）16253240485770    (3)換熱器殼體直徑的確定    殼體直徑計(jì)算公式：當(dāng)采用正三角形排列時(shí)為Di=a(b-1)+2L式中  Di換熱器內(nèi)徑；      

49、;a管間距；      b正三角形對(duì)角線上的管子數(shù)；      L最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離。    若對(duì)管子進(jìn)行分程則Di=f+2L式中  f殼體同一內(nèi)直徑兩端管子中心距mm；      Di、L同上。    計(jì)算出Di后還要圓整到公稱直徑系列中。    (4)換熱器殼體壁厚的計(jì)算    計(jì)算壁厚為 S=PDi/(2tP)式中 P設(shè)計(jì)壓力，MPa；當(dāng)P0.6 MPa時(shí)，

50、取P=0.6 MPa；     Di殼體內(nèi)徑，mm；     焊縫系數(shù)，根據(jù)焊縫情況選取=0.85-1.0；     t殼體材質(zhì)在設(shè)計(jì)溫度時(shí)的許用應(yīng)力，MPa。    材質(zhì)選取原則同管子的選取原則一樣。    計(jì)算出S后還要根據(jù)鋼板厚度負(fù)偏差表選取鋼板厚度負(fù)偏差C1；根據(jù)腐蝕情況選取腐蝕裕量C2，C2=KaB 其中Ka為腐蝕速度(mm/a)，B為容器的設(shè)計(jì)壽命。    當(dāng)材料的腐蝕速度為0.050.1mm/a 時(shí)，單

51、面腐蝕取C2=12mm，雙面腐蝕取C2=24mm。    當(dāng)材料的腐蝕速度小于或等于0.05mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=2mm。    對(duì)于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時(shí)可取C2=0。最后將S+C1+C2圓整到鋼板厚度系列中去，所以總厚度Sn=S+C1+C1+C'，       C'圓整值。    二、換熱器封頭選擇    各種封頭型式均可選用，但應(yīng)用最多的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，目前已有標(biāo)準(zhǔn)系列。使用時(shí)可查JB-1154-73標(biāo)準(zhǔn)。見附錄1。

52、    三、容器法蘭的選擇    1、材質(zhì)：根據(jù)容器接觸介質(zhì)和溫度、壓力條件確定。    2、法蘭類型：可供選擇的容器法蘭有三種，即甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。其標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為JB4700470792，見附錄2。    四、管板尺寸確定    選用固定式換熱器管板，并兼作法蘭。推薦采用鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)內(nèi)容。 見附錄3。    五、拉脫力計(jì)算    拉脫力的定義是管子每平方米脹接周邊上所受到的力。對(duì)于管子與管板是焊接聯(lián)接的接

53、頭，實(shí)驗(yàn)表明，接頭的強(qiáng)度高于管子本身與金屬的強(qiáng)度，拉脫力不足以引起接頭的破壞;但對(duì)于管子與管板是脹接的接頭，拉脫力則可能引起接頭處和密封性的破壞，或使管子拉脫，為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能，必須進(jìn)行拉脫力的校核。    1、在操作情況下管子或殼體中的溫差軸向力為      F=at(ttto)as(tsto)/1/EtAt1/EsAs式中 At、As-換熱器管、殼體壁截面積；     at管材線膨脹系數(shù) 1/；      as殼材線膨脹系數(shù)

54、1/；      to安裝時(shí)溫度 ；      tt操作狀態(tài)下溫度 。      在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：st=F/At；                                  ss=F/As2、在操作壓力下，每平方米脹接周邊上所受到的力Qq=Pf/(pdoL)式中 P=管程壓力Pt或殼程壓力Ps中大者   &