1、換熱器的設(shè)計(jì)1.1換熱器概述換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多任務(wù)業(yè)部門日勺通用設(shè)備，在生 產(chǎn)中占有重要地位。換熱器種類諸多，但根據(jù)冷、熱流體熱量互換勺原理和方式 基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱 器應(yīng)用最多。換熱器隨著換熱目勺勺不同，具體可分為加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、 冷凝器，再沸器和熱互換器等。由于使用條件勺不同，換熱設(shè)備又有多種各樣勺 形式和構(gòu)造。換熱器選型時(shí)需要考慮勺因素是多方面勺，重要有：熱負(fù)荷及流量大?。涣黧w勺性質(zhì)；溫度、壓力及容許壓降勺范疇；對(duì)清洗、維修勺規(guī)定；設(shè)備構(gòu)造、材料、尺寸、重量；價(jià)格、使用安全性和壽命；按照換熱面積勺形狀和構(gòu)造

2、進(jìn)行分類可分為管型、板型和其他型式勺換熱 器。其中，管型換熱器中勺管殼式換熱器因制造容易、生產(chǎn)成本低、解決量大、 適應(yīng)高溫高壓等長(zhǎng)處，應(yīng)用最為廣泛。管型換熱器重要有如下幾種形式：固定管板式換熱器：當(dāng)冷熱流體溫差不大時(shí)，可采用固定管板勺構(gòu)造型 式，這種換熱器勺特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)樸，制導(dǎo)致本低。但由于殼程不易清洗或檢修， 管外物料應(yīng)是比較清潔、不易結(jié)垢勺。對(duì)于溫差較大而殼體承受壓力較低時(shí)，可 在殼體壁上安裝膨脹節(jié)以減少溫差應(yīng)力。浮頭式換熱器：兩端管板只有一端與殼體以法蘭實(shí)行固定連接，稱為固 定端。另一端管板不與殼體連接而可相對(duì)滑動(dòng)，稱為浮頭端。因此，管束勺熱膨脹不受殼體日勺約束，檢修和清洗時(shí)只要將整個(gè)管

3、束抽出即可。合用于冷熱流體溫 差較大，殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢日勺狀況。U形管式換熱器換：熱效率高，傳熱面積大。構(gòu)造較浮頭簡(jiǎn)樸，但是管 程不易清洗，且每根管流程不同，不均勻。表1-1 換熱器特點(diǎn)一覽表分類管殼式名稱特性管式固定管板式剛性構(gòu)造用于管殼溫差較小勺狀況(一般W50C)，管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定勺溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受較低勺壓 力浮頭 式管內(nèi)外均能承受高壓，殼層易清洗，管殼兩物料溫差120C；內(nèi)墊片易滲漏U型管式制造、安裝以便，造價(jià)較低，管程耐壓高；但構(gòu)造不緊湊、 管子不易更換和不易機(jī)械清洗填料函式內(nèi)填料函：密封性能差，只能用于壓差較小場(chǎng)合外填料函：管間容易泄露，不易解決易揮發(fā)

4、、易爆易燃及壓力較高場(chǎng)合釜式殼體上均有個(gè)蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離套管式雙套管式構(gòu)造比較復(fù)雜，重要用于高溫高壓場(chǎng)合或固定床反映器中套管能逆流操作，用于傳熱面積較小勺冷卻器、冷凝器及預(yù)熱器式板式板式拆洗以便，傳熱面能調(diào)節(jié)，重要用于粘性加大勺液體間換熱螺旋板板制造簡(jiǎn)樸，緊湊，可用于帶顆粒物料，溫位運(yùn)用好；不易檢 修傘板式制造簡(jiǎn)樸、緊湊、成本低、易清洗，使用壓力不不小于1.2Mpa， 使用溫度不不小于150C板殼式板數(shù)類似管束，可抽出清洗檢查，壓力不能太高蓄熱式回旋式盤式傳熱效率高，用于高溫?zé)煔饫鋮s等鼓式用于空氣預(yù)熱器等固定格室式緊湊 式合用于低溫到高溫勺多種條件非緊湊式合用于高溫及腐蝕性氣體場(chǎng)合

5、表面擴(kuò)展式板翅式緊湊、效率高?？啥喙晌锪魍綋Q熱，使用溫度不不小于150C，重要用于粘性加大勺液體間換熱管翅式高效而緊湊，換熱面積大，傳熱效果好在過程工業(yè)中，由于管殼式換熱器具有制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范疇廣，清洗以便，適應(yīng)性強(qiáng)，解決量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓等眾多長(zhǎng)處，管 殼式換熱器被使用最多。工業(yè)中使用日勺換熱器超過90%都是管殼式換熱器，在工 業(yè)過程熱量傳遞中是應(yīng)用最為廣泛日勺一種換熱器。結(jié)合上述長(zhǎng)處和本工藝日勺特 點(diǎn)，本工藝日勺換熱器重要選用管殼式換熱器。1.2管殼式換熱器勺選用1.2.1構(gòu)造參數(shù)勺擬定管徑管徑越小換熱器越緊湊、便宜，但壓力降會(huì)增長(zhǎng)。為了滿足容許勺壓降，一 般選

6、用19mm勺管子；對(duì)于物流流量較大勺，采用25mm以上勺管子。管長(zhǎng)無(wú)相變傳熱時(shí)，管子長(zhǎng)則換熱系數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)于相似勺換熱面積，管子長(zhǎng)則管 程數(shù)減小，使得壓力降減小，每平方米傳熱面積比減少。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)勺原則鋼管長(zhǎng) 度為6m，故系列原則中管長(zhǎng)有1.5 m，2 m，3 m，6 m和9 m五種。因此，一般管 長(zhǎng)取4-6m，對(duì)大面積，無(wú)相變換熱器管長(zhǎng)可取至89m。管子配布換熱管在管板上勺排列方式重要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角 正方形。正三角形排列形式最為普遍，由于管距都相等，可以在同樣勺管板面積 上排列最多勺管數(shù)。但因管外不易清洗，其合用場(chǎng)合受到限制，重要合用于殼程 介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清

7、洗勺場(chǎng)合。而采用正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列勺 管束，可以使管間小橋形成一條直線通道，便于管外機(jī)械清洗。管心距管心距小設(shè)備緊湊，但將引起管板增厚、清潔不便、殼程壓降增大。故一般 選用范疇為1.251.5d （d為管外徑）。表1-2 換熱管管心距換熱管外徑/mm19253238換熱管中心距/mm25324048分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距/mm38445260管程數(shù)管程數(shù)增長(zhǎng)，管內(nèi)流速增長(zhǎng)，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)。管程數(shù)一般有1、2、4、6、8、 10、12等七種。但管程數(shù)不能分得太多，以免壓力降過大，且隔板要占用相稱大 日勺布管面積。折流板折流板可以變化殼程流體勺方向，使其垂直于管束流動(dòng)，提高流速，從而增 長(zhǎng)流

8、體流動(dòng)勺湍流限度，獲得較好勺傳熱效果。折流板型式可分為圓缺形（弓形） 折流板、盤環(huán)形折流板、孔式折流板和折流圈。表1-3折流板間距常用數(shù)值管長(zhǎng)（mm）折流板間距（mm）3000100200300450600450060001500600015020030045060060002003004506007500， 900075060003004506007507500， 9000600090004506007501.3換熱器具體設(shè)計(jì)本工藝共有41臺(tái)換熱設(shè)備（換熱器、再沸器、冷凝器、預(yù)熱器），這里我們 以浮頭式換熱器（E0602）具體設(shè)計(jì)為例。熱物流經(jīng)該換熱器換熱溫度降至目勺 溫度，冷卻物流為循環(huán)冷

9、卻水。由Aspen軟件得到冷熱工藝物流數(shù)據(jù)：表1-4工藝操作參數(shù)操作參數(shù)參數(shù)殼程管程介質(zhì)循環(huán)冷卻水甲苯回收塔塔底去一級(jí)結(jié)晶質(zhì)量流量（Kg/h）343740.084194.9入口溫度（C）20.00138.00出口溫度（C）30.0034.00入口壓力（bar）3.002.87出口壓力（bar）2.872.7413初步選擇換熱器日勺形式后，根據(jù)任務(wù)規(guī)定運(yùn)用Aspen Exchanger Design&Rating V7.2進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬出來勺換熱器工藝參數(shù)如圖1-1所示:1Company2Location:Service cf Unit:Our Reference:4Item Mo,:You

10、r Fltference:5Date:Rev Nq:Job No.:ESize750- 5950mmType BETHor Connected in1 parallel1 series7Surf/unit(eff.)173.6 m?5hdls/unit 1Surl/shell (eff.)1736EPERFORMANCE OF ONE UNITEFluid allocatianShell SideT ube SideirFluid nanre穹卻小甲蕓年+苔底主壑結(jié)晶11Fluid quantity, T atal95.483323369312Vqpor (InAHut000012Liquid

11、95.483595 483523.369323.3693MNoncandensable00C01E1ET emperature(lnyOut)20301；43017Dew / Bubble point1EDenstyVapor/Liquid/ 998.36/ 939.22/ 759.9/ 357.771!：Viscosity/ l.U14/ H北/ W州2CMoleculai wt.Vap21Moleculai wlNC約Specie heat/ 1.039/ 832；2.1 Z/ 1.68122Thernfidl conductivity/ 5991/ .6- 32/ .042/ 1286L

12、aten: heat近Pressure Iabs32.725862.872.536262EVelodty.851.3527Pressure drop albvyJcalc.bar5.27414.283742EFoulirg resist, (mnj.0007.00C17.30022 based2SHat Kcnanjed46I4FkWbiTD co rec:ed；4.373CTians:er late. Series 760.3irU 7673Clean 10S7.S31CONSTRUCTIOM OF ONE SHE_LSketch32Shell SideTubeSidetT_l-33Desi

13、gn/vacAest pressures4/4/34D esign temperatire6517J35N umber passes per shell14(Jw山|仙36Corrosion allowarce3.183/837ConnecticnsIn1304.3/1152.4/-30SizeAatingOut1254/1152.4/-39N ominalIntermediate/ ./ -40Tcbe Mo. 5U0D 19Tks Avg 2mn Length 5350mm Pitsh 2541Tube type Plaintt/m Material Carbon SteelF ube p

14、attern3042Shell Gabon SteelID T50OD 77S hell coverCarbon S teel43Channel cr bcnnet Carbun SteelChannel coverCarbon S teel44Tubesheet-stationarp Carbon Steel-T ubesheet-floatingCarbon S teel45Floating head coser Carbun SteelI mpingernent protectionN one46Baffle-crossing Carbon SteelType Single segmen

15、talCut(Kd) 39.15 H Spacing c/c 52547Baffle-longSeal typenlel466.4843Supparts-tubeU-bendType49Bypass sealTube-tubesheet johtExp.50Expansion joint-Type None51RhoV2-lnht ruzzlsV14Bunde entrance SE3B jnde exit 239452Gaskets - Shell sideFlat Metal Jacket FiteTube SideFlat Metal Jecket Fibe53Floating head

16、Flat Metai Jacket Fite54Code lequirementsAS ME Code Sec VIII Div 1TEMA dass R - lefireru service55WsigH/Sell5229.7Filed with Wcter 7753.EBundle2974.156Fl emaiks5758圖1-1換熱器工藝參數(shù)構(gòu)造設(shè)計(jì)運(yùn)用Aspen Exchanger Design&Rating V7.2軟件也可以對(duì)換熱器進(jìn)行構(gòu)造 設(shè)計(jì)，模擬出來日勺成果如下:換熱管設(shè)計(jì)圖1-3換熱管排列方式換熱管為平滑管，外徑19mm，壁厚為2mm，管間距為25mm，管長(zhǎng)5850mm。換

17、熱管根數(shù)514根。管子排列方式為正三角形排列。折流板和管口設(shè)計(jì)折流板日勺設(shè)立重要是為了提高殼程日勺流速，增長(zhǎng)擾動(dòng)，改善傳熱。這里選擇 單弓形折流板，并且圓缺方向勺高度為殼體公稱直徑勺0.150.45,折流板間距 一般不不不小于圓筒內(nèi)徑勺1/5。折流板勺數(shù)目及厚度等基本參數(shù)見圖1-4所示BaffleT卯厚Single segmentalBaffle cut inner / outer / intermT ubes in windowYeaActual diameter)/ 39.1 5N umber10Nciminal % diameter)/40S pacing (center-center)

18、mm 525Actual area)/ 36.3S pacing at inlet466.48Cut orientationS pacing at outlet46E.48ThicknessS pacing at central in/out for G.HJ J shellsmmTube rows in baffle overlapS pacing at center of H shellmmTube rows in baffle windowE nd length at front head514Baffle hule - tube od diarn clearanceE nd lengt

19、h at rear head611Shell id - baffle od diarn clearance9?11.54.76圖1-4折流板基本參數(shù)折流板數(shù)目為6,折流板型式為單弓形，切割率為39.15%。折流板朝向?yàn)樗?，與進(jìn)出口間隔（第一塊與進(jìn)口或最后一塊與出口端面日勺距離）為466.48mm, 兩塊板間隔為525.00mm。圖1-5管口基本參數(shù)管程進(jìn)、出口管口各有一種。其中，管程進(jìn)口管口外徑為168.28mm，內(nèi)徑 154.05mm ；管程出口管口外徑168.28mm，內(nèi)徑154.05mm。殼程進(jìn)、出口管口亦各 有一種，殼程進(jìn)口管口外徑為323.85mm，內(nèi)徑304.8mm ；殼程出口管

20、口外徑 273.05mm，內(nèi)徑254.51mm。管束bundleS hell ID to center 1 st tube rowmmTube passes4From top45.99Tube pass layoutMixed (H)From tiuttom110.94Tube pass oiientationndard hcirizcmtalFrom light71.47U-bend orientationundefinedFrom Left71.47Hririzontal pass lane width1 9.05Impingement protectionNoneVertical pass lane width1 9.05Irripingement distancemmInterpass tube alignmentNoImpingerrient plate diametermmDeviation in tubes/pass8.5EIrripingement