管壳式换热器的工艺设计
孙兰义教授新作《换热器工艺设计》第3章 管壳式换热器ppt
特性
适用范围
ϕ25×2.5
325~1Байду номын сангаас00
2，4
3，6
ϕ19×2 ϕ25×2.5
△
浮头 式
GB/T 28712.1 —2012
325~1900
2，4， 3， 4.5， 6， ϕ19×2 6 9
◇
ϕ25×2.5
3.1 管壳式换热器的特点
管壳式换热器的主要组合部件
TEMA标准中规定的管壳式换热器的主要组合
图3-3 GB/T 151-1999 管壳式 换热器中的主要部件和部件代号图
⑤ F型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多 台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。
3.1 管壳式换热器的特点
前端管箱和后端管箱
前端管箱有封头管箱和平盖管箱两种基本型式。封头管箱（B）最常用，一 般是在管侧流体较清洁的情况下使用。平盖管箱可以是可拆式（A）也可以与 管板做成一个整体（C）。对于水冷却器，当管侧需要定期清洗且管侧设计压 力小于1 MPa时，前封头可选A型，对于高压换热器前封头宜选择D型。各管箱 详细介绍见书p6~p7。 可参考的一般选型指导：
（a）竖缺形折流板
（b）横缺形折流板
图3-11 折流板缺口方向
3.2 管壳式换热器结构参数选择
折流板换热器间隙 折流板管孔与管壁之间的间隙 根据TEMA标准，对于未受支承的管子的最大长度为36 in（914.4 mm）
或更小，或者对于外径大于1.25 in（31.8 mm）的管子，该孔隙为1/32 in （0.80 mm）；对于未受支承的长度超过36 in，外径为1.25 in或更小的 管子，该孔隙为1/62 in（0.40 mm）。
管壳式换热器的分类及工艺设计应用概述
中 图分类 号 ： Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． ５
文 献标 志码 ： Ｃ
文章 编号 ： １ ０ ０ ８ — １ ２ ６ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ６ ０ — ０ ３
（ ２ ） 管、 壳程温差不大 ， 压力 较高的工况 ； （ ３ ） 壳程 １ 管 壳式 换热器 的主 要结构 型 式及使 用 条 况 ； 介 质干净 ； 或虽 会结 垢 ， 但 通过 化学 清洗能 去除 的工 件
该换热器的特点是结构简单 、 紧凑、 没有壳程密
封的问题 ， 而且往往是管板兼做法兰。
其适用于 ： （ １ ） 管、 壳程温差较大 ， 压力不高的工
¨
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ １ －１ ２
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一 一
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一 — — 一 － － ＋ 一 － — － ● 一一 十 一 — ＋ 一 － — — 一 ＋
１ ． １ 管壳 式换热 器 的分类
况； ｆ ４ ） 布管 多 ， 锻 件少 ， 一次性 投 资低 的工况 。
常见 的管壳 式换 热器 （ 以下 简称 换热 器 ）主要 有： （ １ ） 固定管 板 式换 热器 ； （ ２ ） 浮 头式换 热 器 ； （ ３ ） ｕ形 管式 换热 器 ； （ ４ ） 釜式重沸 器 ； （ ５ ） 填料 函式换 热器 。
差 的情况 。
４ ． ３ 采取 不 同地基
４ 地下室不均匀沉降
解决不均匀沉降问题大致有以下几种方法 。
４ ． １ 沉 降 缝
在设计 中不设沉降缝 ，而采取一定 的措施 ， 调
整 地 基反 力 ，尽 量减 少不 同部分 的 地基 反 力差 ， 从 而减少 沉降差 。 这 是所谓 “ 调” 的方 法 。 如： 裙 房部 分 采 用 天然 地基 ， 主楼 部分 采用 复 合地 基 或 桩基 。裙 房 和 主楼 部分 采 用不 同的基 础形 式 ， 主楼 采用 筏 基 或 箱基 ， 裙房 采用 独立基 础或 条形基 础 。
管壳式换热器的设计
管壳式换热器的设计管壳式换热器是一种常用的换热设备，广泛应用于石油化工、冶金、电力、制药、食品等行业。
它由壳体、管束、管板、管箱等组成，能够有效地将两种介质之间的热量传递。
下面将从换热原理、设计要求和结构设计等方面进行详细介绍。
一、换热原理管壳式换热器通过管壳两侧的介质进行热量传递。
其中，一个介质在管内流动，被称为"壳侧流体"，另一个介质在管外流动，被称为"管侧流体"。
壳侧流体通过壳体流动，而管侧流体则通过管束流动。
热量传递主要通过壳侧流体和管侧流体之间的传导和对流传热方式进行。
二、设计要求1.热量传递效果好：要求在换热器内两种介质之间实现高效的热量传递，以满足工艺要求。
2.压力损失小：为了保证介质流动的稳定性和降低能源消耗，设计时需要尽量减小换热器内的动能损失。
3.适应不同工艺条件：换热器的设计要能适应不同的流量、温度和压力等工艺条件的变动。
4.安全可靠：要求在设计中考虑到换热器的安全性和可靠性，尽量减少故障率。
三、结构设计1.壳体：壳体是换热器的外壳，一般采用钢质材料制造。
壳体的选择应考虑到介质的性质、压力和温度等参数，并采取相应的增强措施。
2.管束：管束是由多根管子组成的，一般采用金属材料或塑料制造。
管束的设计要考虑到介质对管材的腐蚀性、温度和压力等参数，同时也要考虑到换热面积的要求。
3.管板：管板位于管束两端，起到支撑和固定管束的作用，一般采用钢质材料制造。
管板的设计要考虑到壳侧和管侧流体的流动特性，并采用合适的孔洞布置，以保证流体的均匀流动。
4.管箱：管箱是安装在管板上的设施，主要用于集流壳侧流体并将其引导出换热器。
管箱的设计应考虑到壳侧流体的流动特性和流量等参数，以实现流体的顺畅流动。
在设计过程中，需要进行换热器的热力计算和结构力学计算，以确定壳体、管束和管板等部件的尺寸和选材。
同时，还需要根据不同工艺和使用条件的要求，进行热交换面积的计算和确定。
管壳式换热器工艺设计说明书
管壳式换热器工艺设计说明书1.设计方案简介1.1工艺流程概述由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。
如图1，苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。
两物质在换热器中进行交换，苯从80℃被冷却至55℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。
图1 工艺流程草图1.2选择列管式换热器的类型列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。
其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。
因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。
如下图所示。
1.2.1列管式换热器的分类根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种：⑴固定管板式换热器固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。
两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。
其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。
固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。
固定板式换热器⑵浮头式换热器浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、壳间不产生温差应力。
管束可以抽出，便于清洗。
但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。
浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。
⑶填料函式换热器填料函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。
⑷U形管式换热器U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。
管壳式换热器胀管工艺
1 胀管工艺规程编制审核2管子与管板“焊、胀”连接工艺一、原理及适用条件本工艺的实施步骤是焊-胀。
它巧妙地运用胀接过程的超压过载技术通过对管与管板的环形焊缝进行复胀造成应变递增而应力不增加即让该区域处于屈服状态在焊缝的拉伸残余应力场中留下一个压缩残余应力体系。
两种残余应力相互叠加的结果使其拉伸残余应力的峰值大减二次应变又引起应力的重新分布结果起到调整和均化应力场的效果最终将残余应力的峰值削弱到预定限度以下。
本工艺适用于管子与管板的胀、焊并用连接型列管式换热器的工厂或现场加工。
管板厚度范围为16100mm材质为碳钢者就符合GB150-98第二章2.2条的规定若采用16Mn时就分别符合GB3247—88和GBI51—99中的有关规定换热管束应符合GB8163、GB9948-88、GB6479-86、GB5310-85的规定。
二、焊、胀工艺一准备工作1、对换热管和管板的质量检查1管子内外表面不允许有重皮、裂纹、砂眼及凹痕。
管端头处不得有纵向沟纹横向沟纹深度不允许大于壁厚的1/10。
管子端面应与管子轴线垂直其不垂直度不大于外径的2。
2换热管的允许偏差应符合表1-1要求。
3管孔表面粗糙度Ra不大于12.5μm表面不允许纵向或螺旋状刻痕。
管孔壁面不得有毛刺、铁屑、油污。
4管孔的直径允许偏差应符合表1-2规定。
3 换热管的允许偏差表1-1 Ⅰ级换热器Ⅱ级换热器材料标准外径×厚度mm 外径偏差mm ?诤衿 頼m 外径偏差mm 壁厚偏差mm19×2 25×2 25×2.5 ±0.2 ±0.4 32×3 38×3 45×3 ±0.3 12 10 ±0.45 15 10 碳钢GB8163-87 57×3.5 ±0.8 ±10 ±1 12 10 抽查区域应不小于管板中心角60。
完整版HTRI管壳式换热器设计基础教程讲解
市场前景
随着科技的不断进步和工业的快速发展，管 壳式换热器的应用领域将不断扩大。同时， 随着环保意识的提高和节能减排政策的实施， 高效、节能、环保的管壳式换热器将成为未
来市场的主流产品。
02
HTRI软件简介及功能
HTRI软件发展历程
01
初始开发阶段
HTRI软件最初由美国Heat Transfer Research Inc.公司开发，专注于管
04
HTRI在管壳式换热器设 计中的应用
工艺流程模拟与优化
工艺流程建模
使用HTRI软件对管壳式换热器工艺流程进行 建模，包括输入工艺参数、物性数据和设备尺 寸等。
模拟计算
通过软件内置的算法和模型，对工艺流程进行模拟计 算，得出各物流的温度、压力、流量和物性变化等关 键参数。
优化设计
根据模拟结果，对换热器的结构、尺寸和布局 等进行优化设计，以提高换热效率和降低能耗。
换热器类型选择依据
传热方式
根据工艺要求选择合适的传热方式，如并流、逆 流或错流。
操作条件
根据操作压力、温度、流量等条件选择合适的换 热器类型。
ABCD
流体性质
考虑流体的物理性质（如密度、粘度、比热容等） 和化学性质（如腐蚀性、结垢性等）。
经济性
在满足工艺要求的前提下，考虑换热器的制造成 本、运行费用和维修费用等因素。
壳式换热器的热工水力设计计算。
02
逐步完善阶段
随着技术的发展和用户需求的变化，HTRI软件逐步增加了新的功能模
块，如振动分析、腐蚀预测等，并不断优化算法以提高计算精度和效率。
03
广泛应用阶段
目前，HTRI软件已成为全球范围内广泛应用于石油、化工、制冷等领
浅析管壳式换热器工艺设计
管壳式换热器制造工艺
两道冷压和一道热压 水压机,冲头,温度 900-1000
100%射线探伤 立车坡口加工,钻床钻孔
2-20 椭圆封头尺寸
2．筒体 材料为 16MnR，展开的坯料尺寸为 9850X8325X16 (mm)，拼接图如图 2-69
所示。它的制造过程列于表 2-19 2-19 筒体的制造过程
液化石油气储罐示意图一储罐主要构件的加工制造板材成型前的通用工艺流程列于表217序号工作内容要求加工方法加工内容或设备原材料复验外观几何尺寸和理化检验及钢板的超声波探伤钢印标记小于5毫米的板材用风刻电刻和不退色的墨水标记边缘加工气割或等离子弧坡口用机加工方法进行边缘加工二主要受压元件的成型和焊接工艺该封头为标准椭圆形封头材料为16mnr
许偏差分别列于表 2-25 和表 2-28。
3. 折流板等
下图为最常用的 20%DN 圆缺高度的弓形折流板，为保证加工精度和效率，常将圆板
坯以 8～10 块为一叠进行钻孔和切削加工外圆，折流板孔的允许偏差列于表 2-26。
4. 管子 换热器的管表面就是传热面积。常用管子外径 10~57 (mm)；其长度一般用 2000、 3000、6000(mm)等。管子应作下列试验：以管子数的 5％，且不少于 2 根作拉力、硬度 和扩口等抽样检验；进行水压试验（试验压力为设计压力的(1.5~2)倍，合格者才可使 用。 如采用胀接，管子两端应作软化退火处理，使管端的硬度低于管板硬度；另外，还 应对管端两倍于管板厚度的长范围内进行打磨，打磨后的粗糙度，钢管为
<0.5%ＤＮ
＜５
＜７
壳体内径过大或圆度误差会引起壳程介质短路而降低换热效率。
壳体的直线度误差会影响管束的抽装，对其要求列于表 2-24。
管壳式换热器的设计
管壳式换热器的设计
1.传热面积的计算：传热面积决定了热交换效果的好坏，计算传热面
积是设计的第一步。
传热面积的大小受到工艺需求、流体特性和设备尺寸
等因素的影响。
2.流体流速的选择：流体流速对传热效率有重要影响。
流速不宜过大，以免增加流体阻力和泵耗能，但也不宜过小，以免影响传热效果。
需要通
过经验和实验确定合适的流速范围。
3.换热器的参数选择：根据工艺要求和流体性质选择合适的管壳式换
热器参数，如管子和外壳的材料、厚度和长度等。
一般情况下，不同材料
的换热器对不同的流体具有不同的传热效果和抗腐蚀能力。
4.温度和压力的控制：管壳式换热器工作时，内外两种流体通常以不
同的温度和压力运行，因此需要采取相应的措施确保换热器的安全性能。
这包括选择合适的密封材料、加装安全阀和温控装置等。
5.清洗和维护的考虑：管壳式换热器在长期使用过程中会有积垢和堵
塞的问题，因此需要预留清洗口和维护通道，并定期进行清洗和维护工作，以保证换热器的正常运行。
总之，管壳式换热器的设计需要综合考虑传热效率、流体性质、工艺
要求和设备安全性能等因素，确保换热效果良好、运行安全可靠。
通过合
理的设计和选择，可以使管壳式换热器发挥最佳的效果，实现节能降耗的
目的。
管壳式换热器工艺设计
管壳式换热器工艺设计【摘要】介绍换热器的工艺设计程序，特别是管壳式换热器的工艺设计过程，并结合实际工程经验，换热器在化工生产装置中应用十分广泛，是化工操作单元中的重要组成部分。
随着工业装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化。
目前在大型化工生产装置中，各种换热设备的数量占工艺设备数量的30%以上。
因此，换热器设计对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要作用。
【关键词】管壳式换热器传热量介质流量1 选型1.1 初选换热器种类繁多，形式各异，如管壳式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。
为了获得较好的传热效果，由于换热器形式多样，所以在设计换热器时必须先根据温度、压力、温度差、压力降、结垢情况、材料、流体状态、应用方式、检修和清理等实际情况，初步选定符合操作条件的换热器形式，再确定换热器的几何尺寸。
在满足安全性和热负荷的基础上，通过技术经济对比，确定最佳换热器形式。
1.2 强化传热由传热量公式：q=ka t？（1）式中，q为传热量；k为传热系数；a为传热面积；t？为平均温差。
由式（1）可知增加 k、a和t？值，均可提高 q值。
其中最主要的是提高k值，方法是增强两侧流体的湍动，这就构成传统管壳式换热器以外的特殊形式换热器。
1.3 管壳式由于管壳式换热器易于制造、适应性强、处理量大、成本较低以及可供选用的材料范围广泛，仍是当前应用最广，理论研究和设计技术最完善，性能可靠的一类换热器，而且目前关于改善管壳式换热器传热效果的研究仍在进行。
2换热器的几何尺寸在设计过程中可以选择htfs或htri进行设计计算，有时需要使用aspenplus模拟工艺物料的物性数据。
先进行设计性计算，输入基础数据，如换热器形式、流体走向、卧立式、流体温度、压力、流量及物性数据等，进行运算得出比较合适的换热器直径和换热管长，再进行校核型和模拟型计算，核算所选换热器是否满足设计要求。
2.1换热器的直径关于换热器的直径，目前国内已有的标准系列（mm）：150，200，250，300，（350），400，（450），500，（550），600，（650），700，800，900，1000，（1100），1200，（1300），1400，（1500），1600，（1700），1800，（1900），2000，2200，（2300），2400，2600，2800，3000，3200，3400，3600，3800，4000。
管壳式换热器工艺流程
管壳式换热器工艺流程管壳式换热器（Shell and Tube Heat Exchanger）是一种常见的换热设备，广泛应用于工业生产和能源系统中。
它通过管道中流动的工作介质进行热量交换，将热量从一个介质传递给另一个介质。
以下是管壳式换热器的工艺流程。
工艺流程主要包括：物料送入管壳式换热器、热量交换、物料排出。
首先，通过物料输送系统将需要进行热量交换的原料送入管壳式换热器。
原料可以是液体、气体或者蒸汽等，具体根据生产工艺和需求而定。
进料口通常位于管壳换热器的上部，以确保物料的顺畅流动。
接下来，物料进入管道系统。
管壳式换热器内部由一系列管子组成，这些管子呈平行排列，并通过管板固定在壳体内部。
物料从管壳式换热器的一端进入，通过管子流动，并与经过管壳换热器壳体内部的冷却介质进行热量交换。
在热量交换过程中，原料的热量会传递给冷却介质，使得原料的温度降低，而冷却介质的温度升高。
热量交换的效率取决于管子和壳体之间的传热系数和传热面积，因此选用合适的管子和壳体材料很重要。
经过换热后，冷却介质被加热，而原料被冷却。
热交换完成后，原料从管壳式换热器的出口排出。
排出口通常位于管壳换热器的下部。
排出的原料可以进行进一步的处理或者直接用于生产过程中。
最后，冷却介质经过冷却后，将其从管壳式换热器中排出。
排出口通常位于管壳换热器的侧面或底部，以便于排出热量交换后的冷却介质。
排出后的冷却介质可以经过再生或再利用，以减少资源浪费和环境污染。
总的来说，管壳式换热器是一种重要的换热设备，通过流动介质进行热量交换，以满足工业生产和能源系统的需求。
工艺流程包括物料送入、热量交换和物料排出，在实际应用中需要根据具体的工艺条件和要求进行合理设计和操作，以提高能源利用效率，并确保安全运行。
换热器的工艺设计
热器工艺设计根据TEMA Class R 选定换热器。
1.1.1换热器的选型管壳式换热器常用型式有：固定管板式、U 形管式和浮头式等。
（1）满足以下列出的条件时可选择固定管板式换热器：●管子和壳体因热膨胀引起的应力不超过设计应力的范围，否则要选择浮头式或U 形管式以保证管束可以自由伸缩；●壳程介质不易结垢，或壳程污垢便于化学清洗；●开、停车或其他工况下临时用的换热器。
（2）满足以下列出的条件时可选择U形管式换热器：●管侧不需要机械清洗或容易实现机械清洗时，可以采用 U形管；●管程污垢便于化学清洗。
（3）对于上述各项条件以外，可选择浮头式换热器。
（4）一般情况，下列介质应走管程：●腐蚀性介质；●有毒介质；●易结垢介质；●温度或压力高的介质（必须增加厚度或由碳钢改合金钢时，否则此条不必作为主要矛盾考虑）。
●循环水、水蒸汽。
（5）当上述情况排除后，介质走管程还是走壳程一般要考虑能够提高传热系数和充分利用压降。
一般情况下列介质走壳程：●塔顶冷凝介质；●烃类的冷凝和重沸；●关键压力降控制的流体；●粘度较大的流体；1.1.2传热计算（1）一般要求管壳式换热器的传热设计和校核计算所采用的计算方法要求是被广泛应用的。
推荐使用HTRI 公司发布的HTRI Xchanger Suite4 .0 / 5 .0 和HTFS 公司发布的TASC 程序。
对于采用中国标准的换热器可以采用国内公司自己的专有计算软件。
（2）设计余量1．一般情况，换热器按初期工况进行设计计算，但要核算末期工况和 110％装置负荷工况。
考虑合理的污垢系数，以初期工况选取换热器的余量，末期工况和110 ％装置负荷工况换热器余量大于零就行。
2．塔顶冷凝器设计余量按操作负荷的 115-130 ％或相应的重沸器负荷的增加值两者中的大者来考虑3．考虑热回收系统（即进料／产物、进料／塔底物）低负荷的危险，一般规定余量如下：●产物冷却器（或进料预热器）：热负荷的10 ％或进料／产物换热器负荷的5% ，取大者；●重沸器：进料／塔底换热器热负荷的 5％或重沸器热负荷的10 -30％，取大者；●塔底冷却器：冷却器热负荷的 10 ％或进料／塔底物换热器热负荷的5 % ，取大者。
换热器工艺设计规定
换热器工艺设计规定SDEP-SPT-PE2004-20061 范围本规定规定了管壳式换热器的选型和设计的工艺要求。
本规定（程序）适用于新建石油化工工艺装置的工艺设计，改建、扩建的工艺装置的设计可参照执行。
适用于单台传热面积大于0.5m2的管壳式换热器、板式换热器、套管式(Double pipe)和多管式套管(Hair-pin)换热器，但不适用于蒸汽表面冷凝器。
2 规范性引用文件下列规范或标准中的条款通过本规定的引用而成为本规定的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用本规定。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规定。
《管壳式换热器》GB151-1999（2002）（附加2002年第1号修改单）TEMA 管壳式换热器制造协会标准《Shell and Tube Heat Exchangers》API 660《Plate Heat Exchangers for General Refinery Service, Petroleum Natural Gas Industries》API 6623 术语与定义换热器用于传递两股工艺物流间的热量。
广义来说，任何用于改变物流焓值的无火换热设备均可称为换热器。
下列术语和定义适用于本规定。
3.1 管壳式换热器(Shell and tube heat exchanger)由壳体和大量换热管子组成，换热管按一定的形式排列，端部固定在管板上，换热介质分别流经管内（管程）和管外（壳程）进行换热。
这种换热器称为管壳式换热器。
3.2 套管式换热器(Double-pipe heat exchanger)套管式在壳内有一根翅片管或一根光管，其基本结构是两个同心圆管、两个连接的壳体支座、一个U型回弯头及法兰等组成。
换热介质分别流经内管内（管程）和环隙（壳程）进行换热。
3.3 多管式套管换热器(Hairpin heat exchanger)多管式套管换热器的结构与套管式基本一致，但是其传热管为二根或两根以上。
管壳式换热器工艺设计
管壳式换热器工艺设计摘要：管壳式换热器是广泛应用于各个领域的工业设备,在国民经济中具有非常重要的作用,管壳式换热器的效率问题是设计工作的核心。
本文利用优化设计原理,建立了以管壳式换热器优化设计模型。
分析了影响年总费用的因素,编制了管壳式换热器优化设计计算机程序。
最后给出了一个计算实例说明优化设计程序的使用。
关键词：换热器;管壳式换热器;优化;优化设计热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。
换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99%。
间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。
近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。
对于完成某一任务的换热器,往往有多个选择,如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题,即采用优化方法使设计的换热器满足最优的目标函数和约束条件。
在换热器设计中,最优目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用最小。
本文主要针对管壳式水冷却器冷却水出口温度的优化问题,利用一般优化设计的原理和方法,以操作费用最小为优化目标,给出相应的目标函数,并用MATLAB语言编写了计算程序,最后给出了一个计算实例。
1目标函数对于以水为冷却介质的管壳式冷却器,进口水温一定时,由传热学的基本原理分析可知,冷却水的出口费用将影响传热温差,从而影响换热器的传热面积和投资费用。
若冷却水出口温度较低,所需的传热面积可以较小,即换热器的投资费用减少;但此时的冷却水的用量则较大,所需的操作费用增加,所以存在使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却水出口温度。
管壳式换热器设计
管壳式换热器设计一、设计原理：二、工艺要点：1.确定热媒：根据工艺要求，选择合适的热媒，包括流体的物性参数（如密度、比热等）、热传导性能等。
2.确定传热面积：根据传热工质的物性、进出口温度差、热媒的传热系数等参数，计算所需的传热面积。
一般情况下，可以根据热传导的基本公式进行计算，也可以通过经验公式进行估算。
3.确定流量与速度：根据热媒的性质及工艺需求，计算出所需的流量和速度。
流量一般通过流量计进行测量，速度通过壳体内径和流量计算得出。
4.确定壳程和管程流体的传热系数：通过经验公式计算出壳程和管程的传热系数，用于后续的热传导计算。
5.确定传热过程：根据实际情况，选择合适的传热过程，包括对流传热、传导传热和辐射传热等。
6.确定材料和结构：根据工艺要求和运行条件，选择合适的材料进行制造。
同时，结构设计要考虑到换热效果、运行安全性和维护方便性。
三、常见设计问题：1.壳程流体和管程流体的温度差：对于壳程和管程，流体的温度差越大，传热效果越好。
设计时需要考虑流体温度差对换热器的尺寸和传热效率的影响。
2.压降：壳程和管程的流体在换热过程中会产生压降。
设计时需要考虑压降对流体流速和传热系数的影响，并在设计中进行合理的折减和控制。
3.热媒的物性参数：热媒的物性参数对换热器的设计和运行有很大影响。
需要考虑热媒的密度、比热、热传导系数等参数，并在设计中进行合理的估算和计算。
4.材料选择：根据工艺要求和运行条件，选择合适的材料进行制造。
必须考虑材料的耐受性和耐腐蚀性，以及对流体和环境的影响。
总结：管壳式换热器设计涉及多个方面的参数和工艺要求，包括热媒选择、传热面积计算、流量和速度确定、传热系数估算、传热过程选择、材料和结构设计等。
在实际设计中，需按照工艺要求和运行条件合理选择参数和材料，并通过模拟计算和经验公式进行设计。
同时，需要注意常见的设计问题，如温度差、压降、热媒物性参数和材料选择等。
通过合理的设计和选择，可以实现管壳式换热器的高效工作和长期稳定运行。
管壳式换热器原理与设计
管壳式换热器原理与设计管壳式换热器是一种常见的换热设备，广泛应用于化工、炼油、石油化工、动力、核能等多个工业领域。
其工作原理和设计要点如下：工作原理：基本构造：管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、折流板、管箱等部件组成。
壳体通常为圆筒形，内部装有平行排列的管束，管束两端固定在管板上。
流体通过管内（管程）和管外（壳程）进行热交换。
热量传递：冷热两种流体分别在管程和壳程中流动，热量通过管壁从高温流体传递给低温流体。
一种流体在管内流动（管程流体），另一种流体在管外，即壳体内流动（壳程流体）。
热量传递遵循热力学第二定律，从高温区自发流向低温区。
强化传热：为了提高传热效率，壳程内常设置折流板，迫使壳程流体多次改变方向，增加流体湍流程度，从而提高传热系数。
管束的排列（如等边三角形或正方形）也会影响传热效率和清洁维护的便利性。
设计要点：流体选择：根据工艺要求决定哪种流体走管程，哪种走壳程。
一般而言，易结垢或腐蚀性的流体走管程便于清洗和更换管束。
材料选择：根据流体的性质（如温度、压力、腐蚀性）选择合适的材料，如不锈钢、碳钢、铜合金等，以确保换热器的耐用性和安全性。
热负荷计算：根据工艺条件计算所需的热负荷，确定换热面积，进而决定管束的数量、长度和直径。
压降考虑：设计时需考虑流体在管程和壳程中的压降，确保泵送能耗合理，避免因压降过大导致系统运行不稳定。
结构设计：包括管板的设计（固定管束的方式）、壳体厚度设计、支撑和悬挂结构设计等，以保证换热器的机械强度和稳定性。
清洗与维护：设计时应考虑换热器的可维护性，如管束的可拆卸性，以及便于清洗壳程内部的结构设计。
综上所述，管壳式换热器的设计是一个综合考虑热工性能、机械强度、材料选择、经济性和可维护性的复杂过程，需要精确的计算和细致的工程设计。
管壳式换热器的设计规范
D=t(nc-1)+2b′
式中：D —— 壳体内径，m；
t —— 管中心距，m；
b′
管壳式换热器的设计规范(转载)
管壳式换热器一般用于气—液、液—液之间的热量交换，常用来制作冷凝器和加热器，用途非常广泛。管壳式换热器设计时一般要遵守以下设计规范：
1、工艺设计：在列管换热器中，哪种流体在什么条件下走管程(或壳程)，选择的一般原则为：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(1)不洁净和易结垢的流体宜走管程，因管内清洗方便；
(2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，且清洗、检修方便；(3)压强高的流体宜走管程，以免壳体同时受压；
(4)有毒流体宜走管程，使泄漏机会减少；
(5)被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果；
(6)饱和蒸汽宜走壳程，便于排出冷凝液和不凝气，且蒸汽洁净不污染；
(7)流量小或粘度大的流体宜走壳程，因折流档板的作用可使在低雷诺数(Re＞100)下即可达到湍流，但也可在管内采用多管程；
挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍，我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有150，300和600mm三种；浮头式有150，200，300，480和600mm五种。
管壳式换热器设计毕业设计
管壳式换热器设计毕业设计目录1 引言 (1)1.1 管壳式换热器的研究 (1)1.2 管壳式换热器的研究趋势 (1)1.3 螺旋板式换热器的研究 (2)1.3.1 螺旋板式换热器国内研究进展 (2)1.3.2 螺旋板式换热器国外研究进展 (2)1.4 本课题的目的和意义 (2)2管壳式换热器的工艺计算 (3)2.2 确定管程软水的物性参数 (3)2.2.1 定性温度 (3)2.2.2 热容 (4)2.2.3 黏度 (4)2.2.4 导热系数 (4)2.2.5 密度 (4)2.3 确定壳程气氨的物性参数 (4)2.3.1 定性温度 (4)2.3.2 热容 (4)2.3.3 黏度 (4)2.3.4 导热系数 (4)2.3.5 密度 (4)2.4 估算传热面积 (4)2.4.1 热负荷Q按大的传热量 (4)： (5)2.4.2 平均有效温差tm2.4.3 传热面积 (5)2.5 工艺结构尺寸 (5)2.5.1 决定通入空间，确定管径 (5)2.5.3 确定管程(数)、传热管数n、管长L及壳体内径 (5)2.5.4 拉杆 (5)2.5.5 折流板 (5)2.5.6 画布管图 (6)2.5.7 接管 (6)2.6 换热器核算 (7)2.6.1 传热能力的核算 (7)2.6.2 换热器内流体阻力计算 (9)3 管壳式换热器的结构设计及强度计算 (12)3.1 换热器筒体及封头的设计 (12)3.1.1 筒体设计 (12)3.1.2 封头与管箱设计 (12)3.2 换热器水压试验及其壳体应力校核 (13)3.2.1 压力试验的目的 (13)3.2.2 试验压力及应力校核 (13)3.3 开孔补强 (13)φ管程接管的补强计算 (13)3.3.1 对mm9219⨯φ壳程接管的补强计算 (15)3.3.2对mm480⨯103.4 法兰的选用 (17)3.4.1 筒体法兰的选用 (17)3.4.2 管法兰的选用 (17)3.5 折流板设计 (17)3.6 管板设计 (17)3.6.1换热气的设计条件 (17)3.6.2结构尺寸参数 (17)3.6.3各元件材料及其设计数据 (19)3.6.4设计计算 (19)3.7 支座形式的确定 (30)3.7.1 已知条件 (30)3.7.2 校核 (31)3.7.3 计算支座承受的实际载荷Q (31)M (31)3.7.4 计算支座处圆筒所受的支座弯矩L4 螺旋板式换热器的设计 (31)4.1 传热工艺计算 (31)4.1.1 传热量计算 (32)4.1 .2 冷却水的出口温度 (32)4.1.3 螺旋通道截面积与当量直径de的计算 (32)4.1.4 雷诺数Re和普朗特数P (32)r4.1.5 给热系数α的计算 (33)4.1.6 总传热系数K (33)4.1.7 对数平均温差t∆ (34)m4.1.8 换热器传热面积F (34)4.1.9 螺旋通道长度L (34)4.1.10 螺旋圈数n与螺旋体外径D (34)4.2 流体压力降ΔP计算 (35)4.2.1 按直管压力降的计算公式 (35)4.2.2 按大连工学院等单位推荐的公式计算 (36)4.3 螺旋板的强度、挠度与校核 (36)4.3.1 强度计算 (36)4.3.2 螺旋板的挠度 (37)4.3.3 螺旋板式换热器的稳定性 (38)4.4 螺旋板式换热器的结构尺寸 (38)4.4.1 密封结构 (38)4.4.2 定距柱尺寸 (38)4.4.3 换热器外壳 (38)4.4.4 进出口接管直径 (39)4.4.5 中心隔板的尺寸 (39)4.4.6 水压试验时应力校核 (40)结束语 (41)致谢 (42)参考文献 (43)1 引言换热设备是化工、炼油、动力、能源、冶金、食品、机械、建筑工业中普遍应用的典型设备。
管壳式换热器的工艺设计方法
会产生热应力 。浮头式换热器 的特点是管间 和管 内清洗 方便 ， 不会产生 热应力 ； 但 其结构 复杂 ， 造价 比固
定管板式换热器 高， 设备笨重 ， 材料消耗量大 ， 且 浮 头 端 小 盖 在 操 作 中无 法 检 查 ， 制 造时对 密封要求 较高 。
适用 于壳体 和管束之 间壁 温差较 大或壳程介质 易结垢 的场合 。
换热器又称热交换器 ， 在现代石油化工 企业 中， 换 热 器 的 投 资 占全 部 投 资 的 ３ ０ ％～４ ０ ％ 。管 壳 式 换 热 器 具 有 单 位 体 积 内 能 够 提 供 较 大 的换 热 面 积 、 换 热效 果 好 、 适应性强 、 操作弹性大 、 易制造 、 成本 低 、 易 于 检修和清洗等优点 ， 因此常被用作原油加热器 、 燃 料气预热 器 、 海水 冷却器 、 天然 气压缩 冷却器 、 空 气 冷 却 器等广泛应用在石油化工领域 。
二、 设 计 方 案 的确 定 １ ． 资 料 收 集
管 壳 式 换 热 器 工 艺 设 计 计 算 前 需 要 收集 的 资料 和基 本 参 数 有 ： 换 热 器 的功 率 或热 负 荷 （ 冷 或热流体 的
热 器 中设 置 柔 性 元 件 （ 如膨胀节 、 挠性管板等） ， 来吸收热膨胀差 。
２ ． 浮 头 式 换 热 器
浮 头 式 换 热 器 的两 端 管 板 中 只有 一 端 与 壳 体 固定 ， 另 一 端 可 相 对 壳 体 自 由移 动 ， 称 为 浮 头 。浮 头 由浮
头管板 、 钩 圈和 浮 头 端 盖 组 成 ， 是可拆连接 ， 管 束 可 从 壳 体 内抽 出 。管 束 与 壳 体 的 热 变 形 互 不 约 束 ， 因 而 不
管壳式换热器工艺流程
管壳式换热器工艺流程
《管壳式换热器工艺流程》
管壳式换热器是一种常见的换热设备，通常用于工业生产中的热交换过程。
它通过管壁将热量从一种流体传递到另一种流体，实现能量的转移和利用。
下面将介绍管壳式换热器的工艺流程。
1. 设计和选型
首先，根据使用场合的需要和工艺要求，对管壳式换热器进行设计和选型。
需要考虑的因素包括换热面积、流体流速、温度和压力范围等。
选择合适的材料和类型的管壳式换热器，以满足工艺需求。
2. 安装和连接
在确认好选型和设计后，进行管壳式换热器的安装和连接工作。
这包括确定换热器的位置、固定方式、管道连接和密封。
确保安装的牢固和连接的可靠，以避免漏气或渗漏。
3. 启动和调试
安装完成后，对管壳式换热器进行启动和调试。
包括通水测试、检查管道和阀门的开闭情况、调整流体流量和温度等。
确保换热器的正常运行和性能稳定。
4. 运行和监测
一旦启动和调试完成，管壳式换热器即可投入正常运行。
在运行过程中需要不断监测换热器的工况和性能，包括流体温度、压力、流量等数据。
及时发现并处理异常情况，确保换热效果
和生产安全。
5. 维护和维修
管壳式换热器作为关键设备，在使用过程中需要进行定期的维护和维修。
包括清洗管道和换热器表面、更换损坏的零部件、检查密封性能和进行性能测试等工作。
通过以上工艺流程，管壳式换热器可以正常运行并发挥换热效果，为工业生产提供稳定的热交换服务。
同时，也需要注意定期进行设备的维护和检修，确保长时间稳定的运行。
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管壳式换热器的工艺设计
芮胜波李峥王克立李彩艳
兖矿鲁南化肥厂
芮胜波：（1974-），山东枣庄人，工程师，工程硕士，从事煤化工项目研发及建设工作。
第一作者联系方式：山东滕州木石兖矿鲁南化肥厂项目办（277527），电话：0632-2363395
摘要：管壳式换热器在各种换热器中应用最为广泛，为了使换热器既能满足工艺过程的要求，又能从结构、维修、造价等方面比较合理，在设计中要从各个方面综合考虑。
本文着重从换热器程数的选择以及如何降低换热器的压力降方面进行了比较详细的论述，对于换热器的工艺设计起到一定的指导作用。
关键词：管壳式换热器，程数，压降
在化工、石油、动力、制冷以及食品等行业中，换热器都属于非常重要的工艺设备，占有举足轻重的地位。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强，特别是换热器的设计必须满足各种特殊工况和苛刻操作条件的要求。
大致说来，随着换热器在生产中的地位和作用不同，对它的要求也不同，但都必须满足下列一些基本要求：首先是满足工艺过程的要求；其次，要求在工作压力下具有一定的强度，但结构又要求简单、紧凑，便于安装和维修；第三，造价要低，但运行却又要求安全可靠。
许多新型换热器的出现，大大提高了换热器的传热效率。
比如板式换热器和螺旋板式换热器具有传热效果好、结构紧凑等优点，在温度不太高和压力不太大的情况下，应用比较有利；板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效换热器，广泛应用于石油化工、天然气液化、气体分离等部门中；此外，空气冷却器以空气为冷却剂在翅片管外流过，用以冷却或冷凝管内通过的流体，尤其适用于缺水地区，由于管外装置了翅片，既增强了管外流体的湍流程度，又增大了传热面积，这样，可以减少两边对流传热系数过于悬殊的影响，从而提高换热器的传热效能。
尽管各种各样的新型换热器以其特有的优势在不同领域得以应用，但管壳式换热器仍然在各种换热器中占有很大的比重，虽然它在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不占优势，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在工程中仍得到普遍使用。
目前我们在各种工程中应用最多的换热器就是管壳式换热器，其中又以固定管板式为最常见，除了波纹管换热器等可选用标准系列产品外，其它光管换热器都由工艺专业自行设计，尽管专用计算软件HTFS的应用使设计人员从繁琐的手工设计计算中解脱出来，但是为了使设计出来的换热器能更好的满足各种要求，仍然有许多方面需要在设计时充分加以考虑。
首先，程数的选择。
管程程数的选择：关键要比较管程与壳程的给热系数，如果单管程时管程流体的给热系数小于壳程流体给热系数，则可选用双管程，管程给热系数会因此显著增大，并且总传热系数也会有大幅提高。
例如，有一台单管程换热器，管程给热系数为990W/(m2.℃), 壳程给热系数为5010 W/(m2.℃),总传热系数为794 W/(m2.℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后，管程给热系数变为1680 W/(m2.℃)，增大了70%，，总传热系数变为1176 W/(m2.℃)，增大了48%，显然此时选用双管程换热器有利。
反之，如果单管程时管程的给热系数大于壳程给热系数，虽然改用双管程时，管程给热系数也会显著增大，但是总传热系数则增幅不明显，例如，一单管程换热器，管程给热系数为2276 W/(m2.℃), 壳程给热系数为2104 W/(m2.℃),总传热系数为1040 W/(m2.℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下
改为双管程后，管程给热系数变为4147 W/(m2.℃)，增大了82%，，总传热系数变为1280 W/(m2.℃)，只增大了23%。
另一方面，由于双管程换热器中分程挡板的存在，减少了换热管的排管数量，所以，有时传热系数增大的幅度尚不足以补偿因换热管的减少而损失的换热面积，所以这种情况下就更不宜采用双管程结构了；同时从结构上看，双管程要比单管程复杂，制造难度大，所以即使在换热面积相当的情况下，仍然考虑单管程换热器为首选。
壳程程数的选择：应从两个方面考虑，首先，对于换热管很长的换热器，如果为了减少占地面积，可以采用双壳程结构以减短换热管长度，例如一台单管程、单壳程的换热器外形尺寸为φ1000×6000，若改用双管程双壳程结构，则φ1400×3000可满足要求，长度方向减少了一半，从占地角度考虑是很有意义的。
其次，如果壳程流体流量较小，造成壳程给热系数较小，单纯靠扩大壳体直径虽然会增大传热面积，但是由于流速降低而导致总传热系数的减小，甚至不能补偿增大的传热面积，此时，除了可以选用几台小直径的换热器串联外，也可以考虑选用双壳程结构。
但是双壳程设计需要在壳程设置纵向隔板，大大增加了换热器本身结构的复杂性，增加制造成本，而且壳程介质容易发生短路而降低换热效率，一般推荐采用。
第二，压力降的设计。
换热器的压力降不仅受到动力消耗的限制，有时工艺过程也要求压力降不能太大，例如热虹吸式再沸器，其工作原理就是靠再沸器与塔之间的静压差，使工艺物料在蒸馏塔与再沸器之间构成循环，如果工艺流体流经再沸器的压力降过大，会使静压差不足以克服压力降从而导致精馏塔不能正常操作。
影响压力降的因素很多，其中物料流速关系较大，增加物料流速，可增大传热系数，使换热器结构紧凑，但增加流速同时增大了换热器的压力降。
管程压力降的减小主要就是靠减小流体流速即增大换热管的流通面积，如减少管程数、选用大直径的壳体从而增加换热管数等措施。
壳程压力降除了与壳体直径有关外，换热器的内部结构比如折流板的形式及切口宽度、换热管的间距及排列方式等也会对压力降造成不同程度的影响，如果选择得当，将会大大降低壳程的压力降，壳程为气相冷凝时常遇到这种情况。
为了提高壳程流体的流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板，这样可使流体沿规定路径多次横向流过管束，增加湍流程度，提高管间对流传热系数。
常用的折流板有以下两种形式：1）圆缺形折流板，大部分换热器采用此种形式。
又可分为单圆缺和双圆缺，单圆缺形折流板的缺口宽度可为直径的15~45%，其在卧式壳程内的放置形式有两种，一种是上下方向排列，可造成液体剧烈扰动，以增大传热系数，另一种是左右方向排列，当设备中伴随有气相冷凝时，就必须采用左右方向排列，便于冷凝液与气体的流动。
对双圆缺形折流板，每块圆缺的缺口宽度可为直径的15~25%；2）环盘形折流板，此种折流板允许通过的流量大，压降小，但传热效率不如圆缺形折流板，因此这种折流板多用于要求压降小的情况。
对于壳程为气相冷凝的冷凝器，折流板的具体形式对壳程压降有很大影响，为了减小压降，在满足换热效果的前提下，可以增大单圆缺折流板的切口宽度，也可以选用双圆缺折流板或者环盘形折流板。
此外调整折流板之间的间距以及第一块折流板与管板之间的距离，也会减小壳程压降。
一般情况下，对同一台换热器，我们都习惯于采用相同切口宽度的折流板，对壳程没有相变的换热器来说，这样做没有问题，但是对壳程为气相冷凝的冷凝冷却器来讲，就会存在一定的弊病，如果采用较小的圆缺切口宽度，则在壳程进口处的几块折流板处必然会产生较大的压降；反之，如果为了减小压降而采用很大的圆缺切口宽度，那么经过一定数量的折流板后，大部分气体冷凝造成流体体积急剧减小，从而导致液体通道相对太大而影响换热效果。
实际上，为了解决这个问题，我们可以对壳程进口处的几块折流板采用较大的切口宽度，而后逐渐减小切口宽度，这样既能满足压降的要求，又能使冷凝液也能有较大的传热系数，但是HTFS计算软件中没有提供这种计算模式，所以，折流板的切口宽度将如何渐
变，渐变后壳程内不同部位流体的给热系数如何分布，计算起来将比较复杂，有待于在实际工作中进一步寻求经验。
此外，在管壳式换热器的设计中，还有一些常规问题需要考虑。
比如在物流的安排上，一般应遵循以下原则：（1）不洁净或易于结垢的物料应流经易清洗的一侧；（2）需要提高流速以增大对流传热系数的流体应当走管内；（3）具有腐蚀性的物料走管内；（4）压力高的物料走管内，以使外壳不承受高压，降低设备成本；（5）温度很高（或很低）的物料走管内，以减少热量（或冷量）的散失，如果为了更好地散热，则应让高温物料走壳程；（6）蒸汽一般通入壳程，以便于排除冷凝液，而且蒸汽较清洁，其对流传热系数又与流速关系较小；（7）粘度大的流体[μ＞（1.5×10-3—2.5×10-3）Pa.s]一般走壳程，因为在设有挡板的壳程中流动时，流道截面和流向都在不断改变，在低Re数（Re＞100）下即可达到湍流，有利于提高管外流体的对流传热系数。