换热器的设计说明书

换热器的设计
1.1 换热器概述
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

换热器随着换热目的的不同，具体可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器，再沸器和热交换器等。

由于使用条件的不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。

换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:
①热负荷及流量大小；
②流体的性质；
③温度、压力及允许压降的范围；
④对清洗、维修的要求；
⑤设备结构、材料、尺寸、重量；
⑥价格、使用安全性和寿命；
按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热器。

其中，管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、适应高温高压等优点，应用最为广泛。

管型换热器主要有以下几种形式：
（1）固定管板式换热器：当冷热流体温差不大时，可采用固定管板的结构
型式，这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。

但由于壳程不易清洗或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。

对于温差较大而壳体承受压力较低时，可在壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力。

（2）浮头式换热器：两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，称为固定端。

另一端管板不与壳体连接而可相对滑动，称为浮头端。

因此，管束的热膨胀不受壳体的约束，检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。

适用于冷热流体温差较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。

（3）U形管式换热器换：热效率高，传热面积大。

结构较浮头简单，但是管程不易清洗，且每根管流程不同，不均匀。

表1-1 换热器特点一览表
在过程工业中，由于管壳式换热器具有制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多优点，管壳式换热器被使用最多。

工业中使用的换热器超过90%都是管壳式换热器，在工业过程热量传递中是应用最为广泛的一种换热器。

结合上述优点和本工艺的特点，本工艺的换热器主要选用管壳式换热器。

1.2 管壳式换热器的选用
1.2.1 结构参数的确定
⑴管径
管径越小换热器越紧凑、便宜，但压力降会增加。

为了满足允许的压降，一般选用19mm的管子；对于物流流量较大的，采用25mm 以上的管子。

⑵管长
无相变传热时，管子长则换热系数增加，对于相同的换热面积，管子长则管程数减小，使得压力降减小，每平方米传热面积比降低。

我国生产的标准钢管长度为6m，故系列标准中管长有1.5 m，2 m，3 m，6 m和9 m五种。

因此，一般管长取4-6m，对大面积，无相变换热器管长可取至8～9m。

⑶管子配布
换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。

正三角形排列形式最为普遍，由于管距都相等，可以在同样的管板面积上排列最多的管数。

但因管外不易清洗，其适用场合受到限制，主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。

而采用正方形和转角正方形排列的管束，能够使管间小桥形成一条直线通道，便于管外机械清洗。

⑷管心距
管心距小设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。

故一般选用范围为1.25～1.5d（d为管外径）。

表1-2 换热管管心距
⑸管程数
管程数增加，管内流速增加，传热系数增加。

管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等七种。

但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相当大的布管面积。

⑹折流板
折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。

折流板型式可分为圆缺形（弓形）折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。

表1-3 折流板间距常用数值
1.3 换热器详细设计
本工艺共有41台换热设备（换热器、再沸器、冷凝器、预热器），这里我们以浮头式换热器（E0602）详细设计为例。

热物流经该换热器换热温度降至目标温度，冷却物流为循环冷却水。

由Aspen软件得到冷热工艺物流数据：
表1-4 工艺操作参数
初步选择换热器的形式后，根据任务要求利用Aspen Exchanger Design＆Rating V7.2进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图1-1所示：
图1-1 换热器工艺参数
⑴结构设计
利用Aspen Exchanger Design＆Rating V7.2软件也可以对换热器进行结构
设计，模拟出来的结果如下：
①换热管设计
图1-2 换热管基本参数
图1-3 换热管排列方式
换热管为平滑管，外径19mm，壁厚为2mm，管间距为25mm，管长5850mm。

换热管根数514根。

管子排列方式为正三角形排列。

②折流板和管口设计
折流板的设置主要是为了提高壳程的流速，增加扰动，改善传热。

这里选
择单弓形折流板，并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的0.15～0.45，折流板间距一般不小于圆筒内径的1/5。

折流板的数目及厚度等基本参数见图1-4 所示
图1-4 折流板基本参数
折流板数目为6，折流板型式为单弓形，切割率为39.15%。

折流板朝向为水平，与进出口间隔（第一块与进口或最后一块与出口端面的距离）为466.48mm，
两块板间隔为525.00mm。

图1-5 管口基本参数
管程进、出口管口各有一个。

其中，管程进口管口外径为168.28mm，内径154.05mm；管程出口管口外径168.28mm，内径154.05mm。

壳程进、出口管口亦各有一个，壳程进口管口外径为323.85mm，内径304.8mm；壳程出口管口外径273.05mm，内径254.51mm。

③管束
图1-6 管束基本参数
如图为管束信息，主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图进行详细设置。

图1-7 换热器结构尺寸
根据《JB/T4715-1992固定管板式换热器形式与基本参数》和《GB151-1999
管壳式换热器》对模拟的数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量，选定换热器的基本参数如下：
表1-5 换热器基本参数
⑵换热器的机械设计及校核
①选材
由于热流体和冷却水温度都不是太高，冷、热流体腐蚀性不大，故壳体材料
选用Q235-B，管子材料选用Q235-B无缝钢管。

②管板的选择
管板用来固定换热管并起着分隔管程和壳程的作用,根据选定的换热器公称直径及操作压力查表可得管板数据，这里选用其默认的管板类型为标准单管板。

表1-6 管板结构数据
③管子与管板的连接
因为操作压力小于4Mpa，且温度低于300℃，所以管子与管板的连接采用胀接。

④管板与壳体的连接
管板与壳体的连接采用焊接，,该结构在管板上开槽，壳体嵌入后焊接。

壳体对中容易，适用于壳体压力不太高的场合。

⑤换热器的校核
表1-7 固定管板式换热器设计计算
表1-8 前端管箱筒体计算
表1-9 前端管箱封头计算
表1-10 后端管箱筒体计算
表1-11 后端管箱封头计算
表1-12 筒体计算
表1-13筒体法兰计算
表1-14后端筒体法兰计算
表1-15前端管箱法兰计算
表1-16后端管箱法兰计算
表1-17开孔补强计算
⑶选型结果
经过修正校核，最终选定换热器型号：BES-800-0.4-189.8-4.5/19-4Ⅱ，其各自代表意义为：封头管箱，800—换热器公称直径（mm），0.4—管程、壳程设计压力（MPa），189.8—换热面积（m2），4.5—换热管长（m），19—换热管外径（mm），4—四管程，1-单壳程，Ⅱ—碳钢较高级冷拔钢管。

其它
.. . .. . .. 换热器采用同样的方法计算选型。

选型结果详见附录：设备一览表。

1.4 选型依据
《换热器设计手册》钱颂文编
《管壳式换热器》GB 151-1999
《热交换器设计手册》下册，尾花英朗[日]
《腐蚀数据与选材手册》左景伊、左禹编
《斧头式换热器和冷凝器型式与基本参数》JB/T 4714-92
《固定管板式换热器与基本参数》JB/T 4715-92
《压力容器》GB 150.1-2011
《化工设备机械基础》俞建良、王立业、刁玉玮编著
. 专业学习资料 .。