换热器的总体设计_换热器设计的说明

换热器的总体设计由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“换热器设计的说明”。

第一章

换热器总体设计

间壁式换热器在各个工业部门中应用最为广泛。按照传热间壁的结构形状可分为管式和板式两大类，管式中又有管壳式（列管式）、套管式、蛇管式以及翅片式等多种形式；板式中又有波纹板式、螺旋板式、板翅式、板壳式等多种形式。

1.1 换热器的设计步骤

（1）收集原始数据。

原始数据是设计计算的基本依据，应根据设计任务，收集尽可能多的有关数据，并力求准确。

（1）确定物性参量。

安排管、壳程流体，确定定性温度，计算或查得换热介质物性参量：密度、粘度、比热等。

（3）初步决定换热器流型，计算平均温差。（4）计算热负荷（热传量）。

利用热平衡计算换热器的热负荷，为估算热量损失，需要确定热损失系数或热效率。（5）初选传热系数K0，根据换热介质，流速及流态确定K0，初算传热面积A0，利用A0选择标准型号换热器或自行设计换热器结构，确定管、壳程的主要结构尺寸。（6）管程传热及压降计算。

选定允许压降ΔP，假定管壁温度t'w，根据初选结构计算管侧对流换热系数和压降。当换热系数远大于K0，且压降小于允许压降值时，方能进行壳程计算，否则，重选K0或进行结构调整。

（7）壳程压降及传热计算。

根据初选结构和假设的壁温t'w计算壳程流通截面、流速和换热系数，若不符合要求，可变动壳程结构，调整折流板尺寸、间距乃至壳体直径直至满意。（8）核算总传热系数。

根据管、壳两侧流速和温度决定污垢热阻，最后计算传热系数Kj，当计算值与初选值满足：Kj/K01.10~1.20即符合要求。也可计算传热量Qj或传热面积Aj，并与Q0、A0比较，有（10～10）%的过余即符合要求。（9）计算壳程压降。

管、壳程压降均应小于允许压降，否则调整结构重算直至满意。

1.1 设计任务书

表1-1 为设计一管壳式换热器的原始数据

Table 1-1 for the design of a shell heat exchanger of the original data 介质 入口温度℃

出口温度℃

工作压力MPa 氨气 水

10

30

1.47 0.1

9.5 150

逆 流

流量(t/h)

流动方式

1.3 确定设计类型、结构形式及流程

（1）本设计选用固定管板式换热器。（1）流体流径的选择

哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考。①不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

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。

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被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。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，宜走管间，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。

在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。

本设计由于两流体温差大，而冷却水的换热系数大，结垢性较氨气强、工作压力高，用泵输送允许的压降较大，故使冷却水走管程较合适。氨气的流量较小、粘度较小、壳体强度不会产生问题，允许压降小，因而使其走壳程合适。

1.4 工艺计算

工艺计算包括初选结构、传热计算和压降计算，工艺计算所得的传热面积是下一步结构设计的前提。

1.4.1 原始数据

（1）冷却水进口温度：t'220C；

（1）冷却水出口温度：t''230C；

（3）冷却水工作压力：P20.2MPa；（4）冷却水流量：G1150000kg/h；

（5）氨气进口温度：t'1145C；（6）氨气出口温度：t''140C；

（7）氨气流量：G19500kg/h；（8）氨气工作压力：P11.47MPa； 1.4.1 定性温度和物性参数计算[1]

（1）水的定性温度tt''2t'22030252，t222C；（1）水的密度2，查物性表2997kg/m3；（3）水的比热C2查物性表C24.18kJ/kgC；（4）水的导热系数2，查物性表20.609W/mC；（5）水的粘度μ62，查物性表μ2893.710PaS；（6）水的柏朗特数Pr1，计算或直接查得

Pr1(1000CP1μ1)10004.18893.7106k10.6096.13 3

1-1）

（（7）氨气的密度31，查物性表1595kg/m；（8）氨气的比热C1，查物性表C12.863kJ/kgC；（9）氨气的导热系数1，查物性表10.33W/mC；（10）氨气的粘度μ1，查物性表μ11.21105PaS；（11）氨气的柏朗特数r1，PrCP1μ110002.8631.211051(1000k)10.330.11.4.3 传热量及水流量

（1）换热器效率，取η0.98；（1）设计传热量Q0，Q0G1Cp1(t'2t''2)η1000/36001500004.18(3020)0.981000/3600

1706833.3W1.4.4 有效平均温差（1）逆流平均温差Δtm

Δtm(Δt大Δt小)/ln(Δt大/Δt小)[(14540)(3020)]ln(145403020)

40.4C（1）参数R R(t't''11)/(t''2t'2)(14540)/30-2010.参数P，P(t''''2t2)/(t1t'2)(3020)/(14520)0.08

参数，查取0.89

有效平均温差Δt'm，Δt'mΔtN0.8940.435.96C4

1-1）

（1-3）

（1-4）

（1-5）（1-6）

（1.4.5 初选结构

（1）试选传热系数K0，K01000W/m2C；（1）初选传热面积0，0Q0/K0Δtm1706833.347.46m2；

（1-7）

100035.96（3）管子外径d0，选φ252.5无缝钢管，d00.025m；（4）管子内径di，did022.5/10000.02m；（5）管子长度l，取换热管标准长度l3.0m；（6）总管子数，Ni232根；

（7）管程排列方式，传热管采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，取单壳程，1管程结构；

（8）管束中心处一排管数Nc，Nc1.1Ni1.123216.8

（1-8）取Nc17；

（9）壳体内径Ds，取用Ds0.60m；

（10）折流板数nB，nB(l/B)1(3/0.15)119块；

（1-9）1.4.6 传热系数

（1）水侧污垢热阻r20.0001m2C/W；（1）煤油侧污垢热阻r10.00008598m2C/W；（3）管壁热阻r，忽略不计；（4）总传热热阻rΣ，rΣd11d0r1r20h1dih2di10.02510.0250.000085980.0001

（1-10）

2119260.0222860.020.0008849m2C/W（5）传热系数Kj，（1-11）Kj1/rΣ1/0.00088491130W/m2C；（6）传热系数比值Kj/K0，Kj/K01130/10001.13，合适；

（1-11）1.4.7 管程压降

（1）管程流通面积Ai，Aiπ2nπ232 d0.0220.036m（1-13）

4Np42（1）管程流速ui，uiVs150000 1.16m/s

（1-14）

As36009970.036（3）管程雷诺数Rdiuiρei，Reiμ0.021.16997893.71062588.1

（4）管壁粗糙度ε0.01m，εd0.10.05，查图得λ0.028； i20（5）管子压降ΔPi，ΔPi(ΔP1ΔP2)FNtp

ΔPldρu220.02830.029971.1621λ22817.3Pa

ΔPρu29971.162222670.8Pa

Ft0.4，Np2

ΔP(2871.3670.3)1.429766.68Pa

1.4.8 壳程压降

（1）管子为正三角形排列，F0.5

nc1.1n1.123216.8

（1）取折流板间距h0.15m

NLBh130.15119

（3）壳程流通面积A0

A0h(Dncd0)0.15(0.6170.025)0.026m2

（4）壳程流速u，uVsA1500001.16m/s s36009970.0366

1-15）

1-16）

1-17）

1-18）

1-19）1-10）1-11）

（（（（（（（（5）壳程雷诺数Re，Rediuiρ0.021.169972588.1 μ893.71060.2280.228f05Re520898760.18

5950.172263.2Pa

（1-11）所以，P0.50.181720 '12p'N2hρu2020.155950.172ΔB(3.5D)219(3.50.6)2490.2Pa

（6）壳程总压降：ΔPΔ''0(1ΔP2)FsNs

其中，Fs1.15，Ns1

Δp490.2263.2753.4MPa

（7）压降校核：p2[p2]

符合要求；

p2[p2]

符合要求；

1-13）

1-14）

（（第三章

结构设计与强度计算

结构设计的任务是根据热力计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核。最后绘成图纸，现综述如下：

3.1 换热器流程设计

管箱是管程流体进口均匀分流和出口汇流的空间，本设计采用壳方单程，管方二程的1-1型换热器，它还起着改变流体流向的作用。由于换热器尺寸不太大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用。

分程隔板选用：

（1）本设计分程隔板的厚度为8mm，材料为Q135-B(GB/T 700-1988)；

（1）承受脉动流体或隔板两侧压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，或改变隔板的结构；

（3）大直径换热器隔板可设计成双层结构；

（4）必要时，分程隔板上可开设排净孔，排净孔的直径一般为6mm；（5）厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边至10mm；

3.1 换热管设计

本设计采用光管，光管是管壳式换热器换热管的传统形式，它廉价，易于制造，安装，检修，清洗方便。管径采用标准管径φ252.5，钢管标准为GB/T 8163-1987，外径偏差为0.40mm，厚度上偏差为+15%，下偏差为-10%。采用标准管径在结构上和经济上均有好处，而且φ252.5属于小管径，管径小，单位体积传热面积大，结构紧凑性高，金属耗量少，传热系数也高。而且循环水不属于粘度大或污浊流体，不会造成太多的沉淀。

根据计算管长采用3m，壳径为0.6m，管长与壳径之比为，换热管材料采用10钢，标准为GB/T 699-1988。

换热管排列形式如图3-1所示。

流向

图3-1 正三角形排列 Figure 3-1 With triangular 这样使得布管比较紧凑，传热系数较高，便于管板划线及钻孔。

换热管中心距采用常用的方式，当管径为15mm时，换热管中心距31mm。换热管总数为131根，其传热面积为：51.8m

3.3 进、出口管设计

（1）管程进、出口管

2按ρ2ω2N23000，取ρ2ωN21750，得进、出口流通截面积为：

aN2G2324000.00514m（3-1）

3600ρ2ωN236001750进、出口管道内径：

DN244aN20.005140.081m

（3-1）ππ取用φ896mm的输送流体用无缝钢管：10钢（GB/T 8163-1987），L=50mm。（1）壳程进、出口管

按ρ1ω2N12000取壳程进出口管处质量流速ρ1ωN11000则流通截面积应为：

aN1G1120000.00333m（3-3）

3600ρ1ωN136001000进出口管内径为：

DN144aN10.003330.065m

（3-4）ππ9 取用φ766mm的输送流体用无缝钢管：10钢（GB/T 8163-1987），L=50mm。（3）接管或接口的一般要求 ①接管应与壳体内表面平齐；

②接管应尽量沿壳体的径向或轴向设置； ③接管与外部管线可采用焊接连接；

④设计温度高于或等于300C时，必须采用整体法兰； ⑤必要时可设置温度计接口、压力表接口及液面计接口；

⑥对于不能利用接管或接口进行排气和排液的换热器，在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，最小公称直径为10mm。

3.4 筒体设计

筒体内径为Di600mm；材料为Q235—B(GB/T 700-1988)； 筒体计算厚度：δ[σ]tpcDi

（3-5）

2[σ]tφpc235146.9MPa

φ0.8 51.6 aC10.8mm，C22mm

pcp10.3MPδ0.36000.72mm

2146.90.850.3设计厚度：δdδC20.7222.72mm

名义厚度：δnδC1C2Δ0.720.820.64.12mm 按GB151-1999标准，实际取δn8mm。（最小厚度）

3.5 封头设计

根据压力容器设计规范采用材料为16MnR（GB 6654-1996）的标准椭圆形封头。（1）标准椭圆形封头设计计算： 封头内径为：Di600mm。封头计算厚度：δpcDi

（3-6）t2[σ]φ0.5pc10 [σ]t345215.6MPa

φ0.8 51.6C10mm，C22mm

pcp20.6M Paδ0.66000.98mm

2215.60.850.50.6设计厚度：δdδC20.9822.98mm

名义厚度：δnδC1C2Δ0.98021.184.16mm 按GB151-1999标准，实际取δn8mm。（最小厚度）曲面高度：h1Di600150mm 44直边高度：h225mm 各尺寸如图3-1所示。

图3-1 标准椭圆形封头 Figure 3-1 Standard elliptical head 3.6 管板设计

（1）本设计管板厚度按标准选取为：b=18mm。材质为16MnR（GB 6654-1996）。

固定管板结构尺寸为：A566mm；B490mm；C490mm；如图3-3所示。（1）管板孔直径为19.40mm，上偏差+0.10mm，下偏差0mm。

图3-3 固定管板结构尺寸

Figure 3-3 Fixed structure size of the board（3）布管限定圆直径DL为：

DLDi2(b1b2b)5002(313.55)457mm

（3-7）3.7 法兰设计

（1）容器法兰选用按照JB 4703-1991《压力容器法兰》的规定选取：壳体法兰600-0.60；（1）接管法兰选用按照GB/T 9115.1-1000管法兰的规定选取： ①水进口接管法兰PN0.6DN80； ②水出口接管法兰PN0.60DN80； ③氨气进口接管法兰PN1.60DN65； ④氨气出口接管法兰PN1.60DN65。

3.8 折流板和支持板设计

（1）折流板和支持板的形式

常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘—圆环形两种。弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种；

本次设计折流板选用单弓形水平形式。（1）折流板材料

折流板材料为Q135-B(GB/T 700-1988)。（3）折流板尺寸 ①弓形折流板缺口高度

弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束的流速相近。本次设计缺口弦高h，h0.2Di0.2600120mm。②折流板的厚度为：6mm。

③折流板的管孔直径为：16mm，管孔直径允许偏差为：+0.40mm。④折流板名义外直径为：16mm，外直径允许偏差为：-0.8mm。（4）折流板的布置

折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管。本次设计折流板缺口水平上下布置，在缺口朝上的折流板的最低处开通液口，在缺口朝下的折流板的最高处开通气口。（5）折流板间距

折流板间距为：0.30m，数量为：nB19块； 本次设计折流板结构尺寸如图3-4所示。

图3-4 折流板结构尺寸 Figure 3-4 Baffled structure size 3.9 拉杆、定距管设计

（1）拉杆的结构形式

本次设计拉杆的结构形式为拉杆定距管结构，如图3-5所示。

图3-5 拉杆定距管结构

Figure 3-5 Away from the structure of the tension bar（1）拉杆的直径和数量

拉杆的直径为：11mm，数量为：6根。（3）拉杆的尺寸拉杆的尺寸按GB151-1999表45和图3-10确定。拉杆的长度L按需要确定。

本次设计La15mm，Lb60mm，Lc5746mm（4）拉杆的布置

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。

本次设计拉杆的布置方位按固定管板零件图（10-1603-01）。

图3-6拉杆 Figure 3-6 Drawbars 3.10支座设计

本次设计采用鞍式支座；鞍式支座如图3-11所示。鞍式支座在换热器上的布置应按下列原则确定：

①当L≤3000mm时，取LB=（0.4~0.6）L； ②当L> 3000 mm时，取LB=（0.5~0.7）L； ③尽量使LC和LC相近。本次设计L1500mm

表3-1设计值汇总

Table 3-1 Aggregate value of design 名

称 筒体壁厚 短节厚 封头厚 分程隔板厚 拉杆 定距管 法兰 折流板 管程接管 壳程接管 固定管板厚 封头厚 折流板厚 支持板厚

尺寸/mm 8 8 8 8 11 15 1000 6

材

料 Q135-A Q135-A 16MnR Q135-A Q135-A 10 16MnR Q135-A 10 10 16MnR 16MnR Q135-A 16MnR

表3-1设备结构参数

Table 3-1 Equipment structural parameters 形式 壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数目/根 传热面积/m1 管程数

φ766 φ8968 6 10

固定管板式 600

壳程数 台数 管心距/mm 换热管排列方式 折流板数/块 折流板间距/mm 材质1 31 正三角形 19 300 碳钢

φ151.5

3000 131 51.8 1

结 论

换热器是重要的化工设备，其产品种类繁多、形式各异、使用广泛、技术成熟，产品的设计标准完善，同系列产品图形结构相同，尺寸变化跨度较大。开发换热器辅助制造系统，对配合换热器的技术改造，普及CAM技术，缩短产品加工和技术改造周期，提高投标反应速度和市场竞争能力有着重要的意义。

本文完成的工作有以下几个方面：

1.简要介绍了国内外管壳式换热器的发展和近期的研究状况；对换热器在工业中的应用以及换热器的分类作了简明扼要的介绍。

1.对换热器进行总体设计，确定设计类型、结构形式及流程，然后进行工艺计算。壳体形式为：单程壳体；工艺计算，包括初选结构、传热计算和压降计算，热工计算所得的传热面积是下一步结构设计的前提。

3.对换热器进行结构设计与强度计算；结构设计的任务是根据工艺计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核，最后绘成图纸。

4.根据GB151-1999第6章和GB150-1998第10章的有关规定，对换热器进行制造、检验与验收。参考文献：

[1] 秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书[M]．北京：化学工业出版社，1004：1-14 [1] 朱聘冠．换热器原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987：150-383 [3] 中华人民共和国国家标准．钢制管壳式换热器[M]．北京：中国标准出版社，1989：36-41 [4] 中华人民共和国国家标准．管壳式换热器[M]．北京：中国标准出版社，1000：15-35 [5] 郑津洋，董其伍，桑芝富等．过程设备设计[M]．北京：化学工业出版社，1005：107-183 [6] 中华人民共和国国家标准．钢制压力容器[M]．北京：中国标准出版社，1998：45-49 [7] 王睿，张小宁．Mastercam实用培训教程[M]．北京：清华大学出版社，1001：175-167 [8] 魏崇光，郑晓梅．化学工业部属五院校合编，化工工程制图[M]．北京：化学工业出版社，1994：3-73 [9] 成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，1004：1-111 [10] 黄振仁，魏新利．过程装备成套技术[M]．北京：化学工业出版社，1004：38-155 [11] 钱颂文．换热器设计手册[M]．北京：化学工业出版社，1001：136-190 [11] 潘继红, 田茂诚．管壳式换热器分析与计算[M]．北京：科学出版社，1996：49-56 [13] 杨筑宁，鲍吉鹏．换热器设计几个问题的分析[J]．北京：现代化学工业，1006(8)：11-15

[14] Muralikrshna K,Shenoy U V.Heat exchanger design targets for minimum area and cost[J].Trans, 1998(5):1-4 [15] 周志安．化学化工物性参数手册[M]．北京：化学工业出版社，1004：11-35 [16] 易华杰．化工容器设计[M]．北京：化学工业出版社，1001：6-13 [17] 刘光奇．化工设备[M]．北京：化学工业出版社，1994：78-85 [18] 马连翔．化工设备[M]．北京：设计化学工业出版社，1001：135-141 [19] 方子风．化工设备设计基础[M]．北京：化学工业出版社，1998：78-95 [10] 柴成敬．化工原理[M]．天津：天津大学出版社，1003：137-143 [11] Tubular Exchanger Manufacturers Aociation Standards, New York, 1988：16-36 [11] Centry C C, Young R K.and Small W M.The 1985 National Heat Transfer Conference[J].Power Technology, 1985(1):5-8.[13] ASME Boiler and Preure Veel Code, Section Ⅷ, DIV.Drum granulation of NPK[J].New York, 1005(3):3-6.[14] ASME Boiler and Preure Veel Code, Section Ⅷ, DIV.Rules for the Design of TubeSheets[J].Power Technology, 1000(6):7-11.[15] 刘传宝．换热器管板胀接变形的原因分析及建议代机械[J]．北京：现代化学工业，1004(5)：11-16 [16] 压力容器设计技术问答[J]．武汉：《氮肥设计》编辑部，1006(8)：1316