换热器的总体设计

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0K ，根据换热介质，流速及流态确定0K ，初算传热面积0A ，利用0A 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'w t ，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0K ，且压降小于允许压降值时，方能进行壳程计算，否则，重选0K 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'w t 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j K ，当计算值与初选值满足： 1.20~1.10/K K 0j 即符合要求。

也可计算传热量j Q 或传热面积j A ，并与0Q 、0A 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
流量(t/h) 流动方式介质入口温度℃出口温度℃工作压力
MPa
氨气145 40 1.47 9.5 逆
水10 30 0.1 150 流
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：C 20t '2 =；
（1）冷却水出口温度：C 30t '
'2 =；
（3）冷却水工作压力：0.2MPa P 2=； （4）冷却水流量：1G 150000kg/h =；
（5）氨气进口温度：C 145t '1 =； （6）氨气出口温度：C 40t ''1 =；
（7）氨气流量：1G 9500kg/h =； （8）氨气工作压力： 1.47MPa P 1=； 1.4.1 定性温度和物性参数计算[1]
（1）水的定性温度2t ，=2t C 252
30
202t t '
'2'2 =+=+； （1）水的密度2ρ，查物性表32997kg/m ρ=； （3）水的比热2C P 查物性表2C 4.18kJ/kg C P =； （4）水的导热系数2K ，查物性表2K 0.609W/m C =； （5）水的粘度2μ，查物性表62μ893.710Pa S -=⨯； （6）水的柏朗特数1Pr ，计算或直接查得
16
P 1
11
1000C μ1000 4.18893.710Pr (
) 6.13k 0.609
-⨯⨯⨯⨯⨯=== （1-1）
（7）氨气的密度1ρ，查物性表31595kg/m ρ=； （8）氨气的比热1C P ，查物性表1C 2.863kJ/kg C P =； （9）氨气的导热系数1K ，查物性表1K 0.33W/m C =； （10）氨气的粘度1μ，查物性表51μ 1.2110Pa S -=⨯； （11）氨气的柏朗特数1r P ，
15P 1
11
1000C μ1000 2.863 1.2110Pr (
)0.1k 0.33
-⨯⨯⨯⨯⨯=== （1-1）
1.4.3 传热量及水流量
（1）换热器效率，取0.98η=； （1）设计传热量0Q ，
1'''01p 22Q G C (t t )η1000/3600
150000 4.18(3020)0.981000/36001706833.3W =-⨯=⨯⨯-⨯⨯= （1-3）
1.4.4 有效平均温差 （1）逆流平均温差m Δt
m Δt (Δt Δt )/ln(Δt /Δt )14540
[(14540)(3020)]ln()3020
40.4C =--=---÷-=大小大小 （1-4）
（1）参数R
()'''
'''1122R (t t )/(t t )(14540)/30-2010.5=--=-= （1-5） 参数P ，0.0820)20)/(145(30)t )/(t t (t P '2'
1'2''2=--=--= （1-6）
参数ϕ，查取0.89=ϕ
有效平均温差m 'Δt ，C 35.9640.40.89Δt Δt N m '
=⨯=⋅=ϕ
1.4.5 初选结构
（1）试选传热系数0K ，20K 1000W/m C =； （1）初选传热面积0A ，2000m 1706833.3
Q /K Δt 47.46m 100035.96
A ==
=⨯； （1-7）
（3）管子外径0d ，选 2.5φ25⨯无缝钢管，0.025m d 0=； （4）管子内径i d ，i 0d d 2 2.5/10000.02m =-⨯=； （5）管子长度l ，取换热管标准长度 3.0m l =； （6）总管子数，232N i =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c c N N 16.8===， （1-8）取17N c =；
（9）壳体内径s D ，取用0.60m D s =；
（10）折流板数B B n n (l/B)1(3/0.15)119=-=-=，块； （1-9） 1.4.6 传热系数
（1）水侧污垢热阻22r 0.0001m C/W =； （1）煤油侧污垢热阻21r 0.00008598m C/W =； （3）管壁热阻r ，忽略不计； （4）总传热热阻Σr ，
00
Σ121i 2i
2d d 11r r r h d h d 10.02510.025
0.000085980.00012119260.0222860.020.0008849m C/W
=+++=
++⨯+⨯⨯= （1-10）
（5）传热系数j K ，2j ΣK 1/r 1/0.00088491130W/m C ===； （1-11） （6）传热系数比值j 0j 0K /K K /K 1130/1000 1.13==，，合适； （1-11）
1.4.7 管程压降
（1）管程流通面积i A ，222i p πn π232
A d 0.020.036m 4N 42
=
⨯=⨯= （1-13）
（1）管程流速i u ，s i s V 150000
u 1.16m/s A 36009970.036
=
=⨯⨯ （1-14）
（3）管程雷诺数ei R ，i i ei 6
d u ρ0.02 1.16997
R 2588.1μ893.710-⨯⨯=
==⨯ （1-15）
（4）管壁粗糙度0.01m ε=，0.0520
0.1d εi ==，查图得0.028λ=； （5）管子压降∑i ΔP ，
i
1
2
t
p
ΔP (ΔP ΔP )FN =+⨯∑ （1-16）
2817.3Pa 21.169970.0230.0282ρu d l λΔP 2
21=⨯⨯⨯=⨯⨯= （1-17）
22
2ρu 997 1.16ΔP 670.8Pa 22
⨯=== （1-18）
t p F 0.4N 2==，
ΔP (2871.3670.3) 1.429766.68Pa =+⨯⨯=∑
1.4.8 壳程压降
（1）管子为正三角形排列，0.5F =
16.82321.1n 1.1n c === （1-19） （1）取折流板间距0.15m h =
1910.15
31h L N B =-=-=
（1-10） （3）壳程流通面积0A
20c 0A h (D n d )0.15(0.6170.025)0.026m =⨯-=⨯-⨯= （1-11） （4）壳程流速s s V 150000
u u 1.16m/s A 36009970.036
=
==⨯⨯，
（5）壳程雷诺数e R ，i i e 6
d u ρ0.02 1.16997
R 2588.1μ893.710-⨯⨯=
==⨯ 0.182********R f 0.228
0.228e 0=⨯==--
所以，2
'1
5950.170.50.181720263.22
P ⨯∆=⨯⨯⨯⨯=Pa （1-11） 2
2
'
0B ρu 2h 20.155950.17Δp N (3.5)19(3.5)490.2Pa D 20.62⨯⨯=-=⨯-⨯= （1-13）
（6）壳程总压降：'
'012s s ΔP (ΔΔP )F N =P +∑ （1-14）
其中，s s F 1.15N 1==，
Δp 490.2263.2753.4MPa =+=∑
（7）压降校核：]p [p 22∆<∆ 符合要求； ]p [p 22∆<∆ 符合要求；
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 2.5
φ25⨯，钢管标准为GB/T 8163-1987，外径偏差为±，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0.40mm
处，而且 2.5
φ25⨯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。

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
按222N ρω3000<，取22
2N ρω1750=，得进、出口流通截面积为：
2222N 2N G 32400
a 0.00514m 3600ρω36001750
=
==⨯ （3-1）
进、出口管道内径：
2N D 0.081m =
== （3-1） 取用6mm φ89⨯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121N ρω2000<取壳程进出口管处质量流速11N ρω1000=则流通截面积应为：
1121N 1N G 12000
a 0.00333m 3600ρω36001000
=
==⨯ （3-3）
进出口管内径为：
1N D 0.065m =
= （3-4） 流向
取用6mm φ76⨯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300C 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600mm D i =；材料为B —Q235(GB/T 700-1988)； 筒体计算厚度：c i
t c
p D δ2[σ]φp =
- （3-5）
t 235
[σ]146.9MPa 1.6
=
= 0.85φ= 0.8mm C 1=，2mm C 2= 0.3M P
a p p 1c == 0.72mm 0.3
0.85146.92600
0.3δ=-⨯⨯⨯=
设计厚度： 2.72mm 20.72C δδ2d =+=+=
名义厚度： 4.12mm 0.620.80.72ΔC C δδ21n =+++=+++= 按GB151-1999标准，实际取8mm δn =。

（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：600mm D i =。

封头计算厚度：c i
t
c
p D δ2[σ]φ0.5p =
- （3-6）
t 345
[σ]215.6MPa 1.6
=
= 0.85φ= 0mm C 1=，2mm C 2= 0.6M P a
p p 2c == 0.98mm 0.6
0.50.85215.62600
0.6δ=⨯-⨯⨯⨯=
设计厚度： 2.98mm 20.98C δδ2d =+=+=
名义厚度： 4.16mm 1.18200.98ΔC C δδ21n =+++=+++= 按GB151-1999标准，实际取8mm δn =。

（最小厚度） 曲面高度：150mm 4
600
4D h i 1===
直边高度：25mm h 2= 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L D 为：
457mm 5)13.5(32500b)b 2(b D D 21i L =++⨯-=++-= （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i h h 0.2D 0.2600120mm =⨯=⨯=，。

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：19
n
块；
B
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a b c L 15mm L 60mm L 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L B =（0.4~0.6）L ； ②当L> 3000 mm 时，取L B =（0.5~0.7）L ； ③尽量使C L 和C L '相近。

本次设计1500mm L =
表3-1设计值汇总
Table 3-1 Aggregate value of design
名称尺寸/mm 材料
筒体壁厚8 Q135-A
短节厚8 Q135-A
封头厚8 16MnR
分程隔板厚8 Q135-A
拉杆11 Q135-A
定距管15 10
法兰1000 16MnR
折流板 6 Q135-A
管程接管φ76⨯6 10
壳程接管φ89⨯6 10
固定管板厚18 16MnR
封头厚8 16MnR
折流板厚 6 Q135-A
支持板厚10 16MnR
表3-1设备结构参数
Table 3-1 Equipment structural parameters
形式固定管板式壳程数 1
壳体内径/mm 600 台数 1
管径/mm φ15⨯1.5 管心距/mm 31
管长/mm 3000 换热管排列方式正三角形管数目/根131 折流板数/块19
传热面积/m151.8 折流板间距/mm 300
管程数 1 材质碳钢
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。

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