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

热负荷及流量大小;

流体的性质;

温度、压力及允许压降的范围;

对清洗、维修的要求；

设备结构、材料、尺寸、重量;

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。

双套

结构比较复杂，主要用于高温高压场合或固定床反应器中

能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器及预热器

（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

名称 特性

刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般W 50° C ），管间不

固定 管板

浮头 U 型管 填料 函式

釜式 能清洗

带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低的压

管内外均能承受高压，壳层易清洗，管壳两物料温差＞120C ；

内垫片易渗漏

制造、安装方便，造价较低，管程耐压高；但结构不紧凑、

管子不易更换和不易机械清洗

内填料函：密封性能差，只能用于压差较小场合

外填料函：管间容易泄露，不易处理易挥发、易爆易燃及压

力较高场合

壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离

管式

套管

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, 般选用19mr的管子；对于物流流量较大的，采用25m m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）。

换热管管心距

表

⑸管程数

1、2、4、6、8、

管程数增加，管内流速增加，传热系数增加。管程数一般有

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As pen Excha nger 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：

⑴结构设计

利用As pen Excha nger Desig n & Rati ng 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

T Libes

Tyfjft

Plain Total numfcei

514

□ utside diameter mm 19 Humber erf tubes plugged

Inside diameter mm 15

Tube length dclud mm 5S5D Wail thickness

mm

2

Tube length effective

mm

5658

Area ratio Ao?/ki

畑

Tubesheet thickness

mm

44.52

Pitch

mm

25

Material

Carbon Steel

Pallern

30

Thefmjl conTuetivity W?(m K]

50.7045

E xternal enhancement

Internal erhancement

图1-2换热管基本参数

53 54 更 56

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图1-1

换热器工艺参数

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