列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選課件

列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用

編輯課件列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用編輯課件1冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。

b)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。

c)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。

d)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無(wú)關(guān)，而且冷凝液容易排出。

e)流量小而粘度大（）的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類(lèi)流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

f)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。

g)需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。編輯課件冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結(jié)垢的2流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過(guò)低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表1及表2列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。

編輯課件流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)?傳熱總系數(shù)Ｋ的確定計(jì)算Ｋ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Ｋ值的生產(chǎn)設(shè)備相同或相近時(shí)，則可采用已知設(shè)備Ｋ值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的Ｋ值。表3為常見(jiàn)列管式換熱器Ｋ值的大致范圍。由表3選取大致Ｋ值。編輯課件傳熱總系數(shù)Ｋ的確定編輯課件4用下式進(jìn)行Ｋ值核算。

式中：－給熱系數(shù)，W/m2.℃；R－污垢熱阻，m2.℃／W；δ－管壁厚度，mm；λ－管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.℃；下標(biāo)ｉ、ｏ、ｍ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：

在用上式計(jì)算Ｋ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)，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)，工程上常用的一些計(jì)算的經(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。

編輯課件用下式進(jìn)行Ｋ值核算。編輯課件5流動(dòng)方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對(duì)傳熱過(guò)程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。

當(dāng)采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動(dòng)形式復(fù)雜，對(duì)數(shù)平均值的溫差要加以修正。編輯課件流動(dòng)方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、6換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體管徑可取小些。但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過(guò)多。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用25×2.5和19×2兩種規(guī)格，對(duì)一般流體是適應(yīng)的。此外，還有38×2.5，φ57×2.5的無(wú)縫鋼管和25×2,38×2.5的耐酸不銹鋼管。

按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長(zhǎng)度。實(shí)際所取管長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長(zhǎng)度合理截用。我國(guó)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6m、9m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5，2，3，4.5，6和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長(zhǎng)度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長(zhǎng)與管徑之比，即L/D約為4～6。

編輯課件換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大7換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖a，圖b）。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝（圖c），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

編輯課件換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖8折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。

對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。由圖3可以看出，弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生"死區(qū)"，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。

擋板的間距對(duì)殼體的流動(dòng)亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過(guò)管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍。我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：

固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七種

浮頭式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八種。

編輯課件折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為9流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算

換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，常常控制在一定允許范圍內(nèi)。若計(jì)算結(jié)果超過(guò)允許值時(shí)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體?？刂圃?04～105Pa范圍內(nèi)，對(duì)于氣體則以103～104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。換熱器操作允許壓降△P換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降△P<105(絕對(duì)壓力)

0～105(表壓)

>105(表壓)0.1Pa

0.5Pa

>5×104Pa編輯課件流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算

換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，10管程阻力損失編輯課件管程阻力損失編輯課件11殼程阻力損失

編輯課件殼程阻力損失編輯課件12編輯課件編輯課件13圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系

編輯課件圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系編輯課件14列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟

1初選換熱器的規(guī)格尺寸

◆初步選定換熱器的流動(dòng)方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應(yīng)改變流動(dòng)方式，重新計(jì)算。

◆計(jì)算熱流量Q及平均傳熱溫差△tm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。

◆選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長(zhǎng)度及排列。2計(jì)算管、殼程阻力

在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算管、殼程流速和阻力，看是否合理?；蛘呦冗x定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計(jì)算壓力降是否合理。這時(shí)NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進(jìn)行計(jì)算，直到合理為止。

編輯課件列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟1初選換熱器的規(guī)格尺寸153核算總傳熱系數(shù)

分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù)K估進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。

4計(jì)算傳熱面積并求裕度

根據(jù)計(jì)算的K計(jì)值、熱流量Q及平均溫度差△tm，由總傳熱速率方程計(jì)算傳熱面積A0，一般應(yīng)使所選用或設(shè)計(jì)的實(shí)際傳熱面積AP大于A020%左右為宜。即裕度為20%左右，裕度H的計(jì)算式為

編輯課件3核算總傳熱系數(shù)

分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定16推薦的設(shè)計(jì)程序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。7、按經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選取或估算Ｋ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Ｋ。10、校核平均溫度差。11、校核傳熱量，要求有15－25％的裕度。12、管程和殼程壓力降的計(jì)算。編輯課件推薦的設(shè)計(jì)程序編輯課件17列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1某合成廠的乙醇車(chē)間在節(jié)能改造中，為回收精餾系統(tǒng)內(nèi)塔釜液的熱量，用其釜液將原料液從95℃預(yù)熱至125℃，原料液及釜液均為乙醇水溶液，其操作條件列表如下：

物料流量kg/h組成（含乙醇量）mol%溫度℃操作壓力MPa進(jìn)口出口釜液1200003.3145

0.9原料液1050007951250.53編輯課件列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1某合成廠的乙醇車(chē)間在節(jié)能改造中，為182苯－甲苯精餾塔頂冷凝器設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力（精餾塔進(jìn)料量）

90000噸／年操作周期

7200

小時(shí)／年進(jìn)料組成

苯含量25％

（質(zhì)量分率，下同）塔頂產(chǎn)品組成

≥97％

塔底產(chǎn)品組成≤1%

操作條件：塔頂操作壓力

自

選

（表壓）進(jìn)料熱狀態(tài)

泡點(diǎn)進(jìn)料

兩側(cè)流體的壓降：

≯7kPa

工作地點(diǎn)：蘭州

編輯課件2苯－甲苯精餾塔頂冷凝器設(shè)計(jì)編輯課件19列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用

編輯課件列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用編輯課件20冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。

b)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。

c)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。

d)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無(wú)關(guān)，而且冷凝液容易排出。

e)流量小而粘度大（）的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類(lèi)流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

f)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。

g)需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。編輯課件冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇的一般原則：

a)不潔凈或易結(jié)垢的21流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過(guò)低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表1及表2列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。

編輯課件流速的選擇

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)?2傳熱總系數(shù)Ｋ的確定計(jì)算Ｋ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Ｋ值的生產(chǎn)設(shè)備相同或相近時(shí)，則可采用已知設(shè)備Ｋ值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的Ｋ值。表3為常見(jiàn)列管式換熱器Ｋ值的大致范圍。由表3選取大致Ｋ值。編輯課件傳熱總系數(shù)Ｋ的確定編輯課件23用下式進(jìn)行Ｋ值核算。

式中：－給熱系數(shù)，W/m2.℃；R－污垢熱阻，m2.℃／W；δ－管壁厚度，mm；λ－管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.℃；下標(biāo)ｉ、ｏ、ｍ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：

在用上式計(jì)算Ｋ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)，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)，工程上常用的一些計(jì)算的經(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。

編輯課件用下式進(jìn)行Ｋ值核算。編輯課件24流動(dòng)方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對(duì)傳熱過(guò)程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。

當(dāng)采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動(dòng)形式復(fù)雜，對(duì)數(shù)平均值的溫差要加以修正。編輯課件流動(dòng)方式的選擇

除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、25換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體管徑可取小些。但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過(guò)多。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用25×2.5和19×2兩種規(guī)格，對(duì)一般流體是適應(yīng)的。此外，還有38×2.5，φ57×2.5的無(wú)縫鋼管和25×2,38×2.5的耐酸不銹鋼管。

按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長(zhǎng)度。實(shí)際所取管長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長(zhǎng)度合理截用。我國(guó)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6m、9m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5，2，3，4.5，6和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長(zhǎng)度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長(zhǎng)與管徑之比，即L/D約為4～6。

編輯課件換熱管規(guī)格

換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大26換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖a，圖b）。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝（圖c），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

編輯課件換熱管的排列

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖27折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。

對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。由圖3可以看出，弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生"死區(qū)"，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。

擋板的間距對(duì)殼體的流動(dòng)亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過(guò)管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍。我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：

固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七種

浮頭式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八種。

編輯課件折流擋板

安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為28流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算

換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，常?？刂圃谝欢ㄔ试S范圍內(nèi)。若計(jì)算結(jié)果超過(guò)允許值時(shí)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體?？刂圃?04～105Pa范圍內(nèi)，對(duì)于氣體則以103～104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。換熱器操作允許壓降△P換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降△P<105(絕對(duì)壓力)

0～105(表壓)

>105(表壓)0.1Pa

0.5Pa

>5×104Pa編輯課件流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算

換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，29管程阻力損失編輯課件管程阻力損失編輯課件30殼程阻力損失

編輯課件殼程阻力損失編輯課件31編輯課件編輯課件32圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系

編輯課件圖4.殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系編輯課件33列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟

1初選換熱器的規(guī)格尺寸

◆初步選定換熱器的流動(dòng)方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應(yīng)改變流動(dòng)方式，重新計(jì)算。

◆計(jì)算熱流量Q及平均傳熱溫差△tm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。

◆選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長(zhǎng)度及排列。2計(jì)算管、殼程阻力

在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算管、殼程流速和阻力，看是否合理?；蛘呦冗x定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計(jì)算壓力降是否合理。這時(shí)NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進(jìn)行計(jì)算，直到合理為止。

編輯課件列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟1初選換熱器的規(guī)格尺寸343核算總傳熱系數(shù)

分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù)K估進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。

4計(jì)算傳熱面積并求裕度

根據(jù)計(jì)算的K計(jì)值、熱流量Q及平均溫度差△tm，由總傳熱速率方程計(jì)算傳熱面積A0，一般應(yīng)使所選用或設(shè)計(jì)的實(shí)際傳熱面積AP大于A020%左右為宜。即裕度為20%左右，裕度H