列管式换热器设计正文

摘要

在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,且它们是上述这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。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。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样,不用类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中,首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算，并确定换热器的结构尺寸、材料。

列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时,一种流体由封头的连结管处进入,在管流动,从封头另一端的出口管流出,这称之管程;另-种流体由壳体的接管进入,从壳体上的另一接管处流出,这称为壳程列管式换热器。

关键词:温度传热面积结构尺寸材料

１．前言

１.１列管式换热器设计的意义

换热器是建筑采热取暖生产中必不可少的设备,近几年由于新技术的发展，各种类型的换热器越来越受工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，广泛应用于化工、医药、食品饮料、酒精生产、制冷、民用等工艺；因此,无论是从工业的发展还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

1.2列管式换热器的工作原理

进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体ﻫ按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易ﻫ结垢的流体。ﻫ流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。按换热方式可分为单壳程单管程换热器、双管程、多管程、多壳程换热器。

最简单的单壳程单管程换热器,简称为１-１型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次,这称为多管程。ﻫ同样，管壳式换热器为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。

1.3列管式换热器的优点

单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。

1.4列管式换热器的结构

壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动,其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

1.４.1 列管式换热器的折流挡板

为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺盘和圆盘形两种,前者更为常用。

图1 圆缺形列管式换热器

图2 圆盘形列管式换热器

1．4.2 列管式换热器的多壳程换热器

列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响,采取各种补偿的办法,消除或减小热应力,根据所采取的温差补偿措施。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差60℃以上时，为了安全起见,换热器应有温差补偿装置,但补偿装置(膨胀节）,只能在壳壁与管壁温度低于６0～70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过0.6MP时才会由于补偿圈过厚，难于伸缩,失去温差补偿的作用，就用考虑其他结构。

1.５列管式换热器的种类

1．５.１固定管板式换热器

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此,当管壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同，产生很大的温差应力,以至管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器。

1.5．2 浮头式换热器

换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”,所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点：管束可以拉出,以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。

图3 浮头式换热器

1.５.３Ｕ形管式换热器

U形管式换热器,每根管子都弯成U形,两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难,管子更换困难,管板排列的管子少。优点是结构简单,质量轻,适用于高温高压条件。

1．5.4 填料函式换热器

这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单,造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能,壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

设计内容

已知条件:(1) ,反应器的混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水将其从１１0℃进一步冷却至60℃之后,进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为２2730１ｋg/h，压力为６．9MPa，循环冷却水的压力为0.4ＭＰa,循环水的入口温度为2９℃，出口温度为３9℃

(2) 混和气体在８５℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：

密度ρ1 = 9０ kｇ/ｍ３

定压比热容ｃｐ１ = ３.29７ｋJ/(kg•℃）

热导率λ1＝０.0２79 W/(m•℃）

粘度μ１＝１．5×10-5 Pa•s

循环冷却水在34℃ 下的物性数据:

密度ρ2= 994.３kg/m3

定压比热容c p2 = 4.174 kＪ/(kg•℃)

热导率λ2＝ 0.６２４Ｗ/(m•℃)