T314MP卧式列管换热器结构设计文档格式.docx

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式中Q1——热流量，W；

m1——工艺流体的质量流量，kg/s；

Cp1——工艺流体的定压比热容kJ/（kg.k）

△t1——工艺流体的温度变化，K

对于有相变化的单组分饱和蒸汽冷凝过程则依冷凝量和冷凝蒸汽的冷凝热确定

Q1=D1r1（3-2）

式中D1——蒸汽冷凝质量流量，kg/s；

r1——饱和蒸汽的冷凝热，kJ/kg.

（二）加热剂或冷却剂用量

加热剂或冷却剂用量取决于工艺流体所需的热量及加热剂或冷却剂的出口温度；

此外还和设备的热损失有关。

对于工艺流体被加热的情况，加热剂所放出的热量等于工艺流体所吸收的热量与损失的热量之和，即：

Q2=Q1+Q3（3-3）

式中

Q1——工艺流体所吸收的热量，w；

Q2——加热剂所放出的热量，w；

Q3——损失的热流量，w

若以水蒸气作为加热介质，则水蒸气的用量可用下式确定

W=Q2/rw

式中

W——水蒸气的流量，kg/s；

rW——水蒸气冷凝热,kJ/kg

若以无相变流体作为加热剂，则用量如下

m2=Q2/Cp2△t2（3-4）

式中

m2——加热剂质量流量，kg/s；

Cp2——加热剂定压比热容，kJ/（kg.k）；

△t2——加热剂的进出口温度变化，k。

对于工艺流体被冷却的情况：

工艺流体所放出的热量=冷却剂所吸收的热量+热损失；

在实际设计中，常忽略热损失，

计算冷却水用量公式

m3=Q1/Cp3△t3（3-5）

m3=Q1/Cp3△t3（3-5）

m3——冷却剂质量流量，kg/s

Cp3——冷却剂定压比热容，kJ/（kg·

k）

△t3——冷却剂进出口温度的变化，k

关于换热设备热损失的计算可参考有关文献进行计算，一般近似取换热器热流量的3%～5%

（三）平均传热温差

平均传热温差是换热器的传热推动力。

其与流体的进出口温度和流体的流型有关。

对于列管式换热器，常见的流型有三种：

并流、逆流和折流

对于并流和逆流，平均传热温差均可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示

△tm=（△t1-△t2）/ln（△t1/△t2）

式中△tm——逆流或并流的平均传热温差，k；

图3-6列管式换热器内流型

△t1，△t2可按图3-6所示进行计算

折流情况下的平均传热温差可先按纯逆流情况计算，然后加以校正，即

△tm=ε△t△tm逆

式中△tm——折流情况下的平均传热温差,k

ε△t——温差校正系数

在工程上，若无特殊需求，都普遍采用逆流传热。

（四）估算传热面积

Ap=Q/K△tm

Ap——估算的传热面积，m2；

K——假设的传热系数，w/（m2.k）；

△tm——平均传热温差，k

二、选择管径和管内流速

管径选择基本原则：

若选择较小的管径，管内表面传热系数可以提高，而且对于同样的传热面积来说可减少壳体直径。

但管径小，流动阻力大，机械清洗困难。

设计时可根据具体情况用适宜的管径。

目前国内常用的换热管规格和尺寸偏差见表3-2。

管内流速选择：

要求：

应使流体处于稳定的湍流状态，即Re>

10000。

若流速过大，易引起管子强烈振动；

流速过小，传热系数较小。

三、选择管长、确定管程数和总管数

换热器的单程管子数：

（3-9）

ns——单程管子数目；

v——管程流体的体积流量，m3/s；

di——传热管内径，m；

u——管内流体流速，m/s。

可求得按单程换热器计算所得的管子长度：

（3-10）

式中L——按单程管子计算的管子的长度，m

d0——管子外径，m

如果按单程计算的管子太长，则应采用多管程

若采用多管程，则应按实际情况选择每程管子的长度。

确定了每程管子长度之后，可求得管程数

（3-11）

式中L——按单程换热器计算的管子长度m；

l——选取的每程管子长度，m；

Np——管程数（必须取整数）

换热器的总传热管数为

NT=Npns（3-12）

NT——换热器的总管数。

四、平均传热温差校正及壳程数

若选用多管程换热器，可提高管内表面传热系数，但同时也增加了换热器的阻力，并损失部分传热温差。

这种情况下的平均传热温差下式计算：

△tm=ε△t△tm逆

T1、T2——热流体进出口温度,℃

t1、t2——冷流体进出口温度，℃

五、管子排列

传热管在管板上的排列有三种基本形式：

正三角形、正四边形和同心圆排列。

如图，

六、管心距

管板上两传热管中心距离称为管心距。

胀接时，取管心距

焊接时，取管心距t=1.25d0

一般情况下，隔板中心到离其最近一排管中心的距离用下式计算

于是可求各程相邻管子的管心距为2s

七、管束的分程方法

各程管子数应大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短。

八、壳体内径

换热器壳体内径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。

对于单管程换热器壳体内径由下式确定

D=t（b-1）+（2～3）d0

式中t——管心距，mm；

d0——传热管外径，mm。

b与管子的排列方式有关。

二、列管式换热器机械设计（任义宁06）

一、分程隔板

在换热器中，要提高流体的给热系数，常采用隔板来增加程数以提高流体速度。

（一）管程分程隔板

作用：

将管内流体分程。

一个管程意味着流体在管内走一次。

管程分程隔板装置在管箱内，根据所需分的程数的不同有不同的组合。

选择管程的几个要求：

（1）应使各程管子数目大致相等；

（2）隔板形式要简单；

（3）焊缝尽量少，密封长度要短；

（4）温度不超过28℃左右为宜；

（5）为制造、维修、操作方便，一般采用偶数管程

1、分程隔板结构

分程隔板应采用与封头、管箱短节同等材料，除密封面外，应满焊于管箱上。

设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面、管板密封面与分程槽面必须处于同一基准面。

2、分程隔板厚度及有关尺寸

当承受脉动流体或隔板压差很大时，隔板的厚度应适当增厚。

当厚度大于10mm的分程隔板，在距端部15mm处开始削成楔形，使端部保持10mm。

（二）纵向隔板

在壳侧介质流量较小的情况下，在壳程内安装一平行于传热管的纵向隔板。

隔板和壳体内壁、隔板与管板面接触的部分可能存在空隙，介质容易产生短路，降低传热效率，所以纵向隔板与壳体内壁的密封要求严密。

防止短路的方式：

（a）为隔板直接与筒体内壁焊接，但必须考虑到施焊的可能性；

（b）纵向隔板插入导向槽中；

（c）、（d）分别是单双向条形密封，防止间隙短路，对于需要将管束经常抽出清洗者，采用此结构

管板与隔板的连接形式

（a）为隔板与管板焊接，

（b）是隔板用螺栓联接在焊于管板的角钢上的可拆结构。

（三）分割流板

在壳体上有对称的两个进口及一个出口时（如3-1图中J型壳体），对应出口管中间位置在壳体上安装一整圆形挡板作为分割流板。

作用：

将壳程平均分成两个壳程并联使用。

二、折流板或支撑板

几种常见的折流板形式见图4-5所示

优缺点比较：

弓形：

流动死区较少，结构简单，传热效率好。

盘环形：

制造不方便，流体轴向流动，效率低。

同时要求介质清洁。

（一）弓形折流板的主要几何参数

弓形折流板引导流体以垂直方向横穿过管束，能提供高度的湍动和良好的传热。

主要几何参数是切口尺寸h和挡板间距B。

（二）弓形折流板排列方式确定

1.水平切口（图a、b，缺口上下布置）

一般用于全液相且流体是清洁的。

2.垂直切口（图c，缺口左右布置）

一般用于带悬浮物或结垢严重的流体。

3.倾斜切口（图4-5a，缺口倾斜布置）：

不适用于脏污流体

4.双弓形缺口与双弓形板交替（图4-5b）：

一般在壳体侧压降很小时才考虑使用。

（三）折流板与壳程间隙

折留板与壳程间隙依据制造安装调节，在保证顺利的装入前提下，越小越好，以减少壳程中旁路损失。

一般浮头式和U型管式换热器可允许比固定管板式大1mm。

折流板外圆直径和下偏差见表4-2。

（四）折流板厚度

折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关,其数值不得小于表4-3规定。

（五）折流板的管孔

1.折流板的管孔直径与公差按GB151规定：

Ⅰ级换热器，管孔直径与允许差按表4-4规定；

Ⅱ级换热器按表4-5规定。

2.管孔中心距

折流板上管孔中心距见表3-7，公差为相邻两孔±

0.03，任意两Ⅳ±

1.00mm。

3.管孔加工

折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5×

450

（六）支持板

换热器壳程介质有相变时，无需设置折流板；

换热器无支承跨距超过表4-6规定时，应设置支持板；

浮头式换热器浮头端必须设置支持板，支持板可采用加厚的环板。

三、拉杆、定距管

（一）、拉杆的结构形式

折流板与支持板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定方式包括：

（1）采用全焊接方法如图4-9（c）。

（2）拉杆定距管结构最常见的形式如图4-9（b）、（d）

（3）螺纹与焊接相结合如图4-9（a）

（4）定距螺栓拉杆如图4-9（e）

拉杆的结构形式（图4-9）

（二）、拉杆直径、数量和尺寸

（1）拉杆直径和数量

按表4-7和表4-8选取

（2）拉杆尺寸

按图4-10和表4-9决定

（3）拉杆布置

应尽量均匀布置在管束的外边缘

四、旁路挡板、防冲板

（一）旁路档板

主要作用：

增大旁路的阻力，防止壳程物料从旁路大量短路，提高传热效率。

（二）防冲板

1.防冲板的用途及其设置条件

用途：

为了防止壳程物料进口流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动。

设置条件：

（1）对有腐蚀或磨蚀的气体和蒸汽应设置防冲板。

（2）对于流体物料，当其值超过下列值，设置防冲板。

①非腐蚀、非磨蚀的单相流体

ρv2>

2230kg/m.s2

②其他流体、包括沸点下的流体，其中ρv2>

740kg/m.s2

防冲板的安装形式

防冲板

五、接管

1.接管的一般要求：

1）接管不应凸出壳体内表面。

2）接管应尽量沿径向或轴向布置，以方便配管和检修。

3）设计温度在3000C以上时用整体法兰。

4）对利用接管仍不能放气和排液，应设置放气口和排液口。

5）操作允许时，接管与外部管线的连接也可采用焊接。

6）必要时可设置温度计接口、压力表及液面计接口

2、接管直径的确定

接管直径的选择取决于：

1）适宜的流速、处理量，

2）结构协调，

3）强度要求

3、接管直径的确定

在选取时常综合考虑如下几种因素：

（1）使接管内的流速为相应管、壳程流速的1.2～1.4倍。

（2）在压降允许的条件下，使接管内流速为下值：

管程接管ρv2〈3300kg/m.s2

壳程接管ρv2〈2200kg/m.s2

（3）管、壳程接管内的流速参考表4-10、表4-11选取。

4.接管位置最小尺寸如图

壳程接管最小尺寸：

带补强圈L1≥B/2+（b-4）+C；

无补强圈L1≥d0/2+（b-4）+C；

管箱接管最小尺寸估算：

带补强圈L2≥B/2+hf+C；

无补强圈L2≥d0/2+hf+C

5、接管法兰的要求：

（1）凹凸或榫槽密封面的法兰，密封面向下，一般应设计成凸面或榫面，其他朝向，则设计成凹面或槽面。

（2）接管法兰螺栓通孔不应和壳程主轴中心线相重合，应对称地分布在中心线两侧。

6、排气、排液管

排液的换热器应在壳程的最高，最低点，分别设置排气、排液接管

排气、排液接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐。

其结构如图:

列管式换热器设计图（任义宁06）

六、管板强度计算（刘维东22）

（1）把管板当作承受均布载荷且放置在弹性基础上的圆板，计入孔削弱的影响，计算最大弯曲应力。

（2）把管板当作承受均布载荷的圆板计入孔削弱的影响，根据强度理论计算其最大弯曲应力，而把边缘支承情况分为简支和固支。

（3）把管板简化为四管简支的棱形面积受均布载荷用弹性理论校核最大弯曲应力。

（4）按弹性理论为基础的极限载荷法，求最大弯曲应力。

（一）B.S法

1.假定一管板厚度b

2.根据公式计算K值

3.决定管板边缘形式

（1）夹持：

压力在10MPa以上的高压换热器

（2）简支:

中低压换热器

4.根据K值在图4-45、4-46、4-47中分别查出相应的G1、G2、G3值

5.按表4-27中公式计算σr和σt

6.若σr和σt均大于[σ],则校核通过。

否则必须增大b值，重新试算，知道满足校核要求

7.加上厚度附加量C，即为管板的厚度。

8.管子拉脱力校核q≦[q]

（二）管板TEMA设计法

适于浮头，填料函，U型管式及带膨胀节的固定板式换热器。

管板的设计应满足：

必需的弯曲强度

必需的剪切强度

胀接所必需的管板厚度一般的对小于25mm的换热管,管板最小厚度为3d0/4mm.

设计管板厚度应以以上三者中最大的值，然后加上厚度附加量。

（三）管板厚度表的使用

表4-30为常用的延长部分兼作法兰的管板厚度表。

表中计算条件有以下几条：

（1）换热管材料10号钢[σ]=108MPa

（2）管板材料16Mn[σ]＝147MPa

（3）设计温度为2000C

（4）壳体、管箱短节的纵向焊缝系数为

DN≦700mm时Φ=0.7；

DN>

700mm时Φ=0.85

（5）换热管与管板采用胀接连接，对6.4MPa及带*者，采用焊接。

在选用厚度后，仍需对管子与管板拉脱力进行校核。

采用以下过程校核。

1.管、壳壁温差引起的拉脱力

管子上热应力

在热应力下每平方厘米连接周

边上产生的拉脱力

2.操作压力引起的拉脱力

式中P——可比与管壁温差影响产生的力，N

qt，qp——热应力，操作压力产生拉脱力，MPa

di，d0——传热管内、外径，mm

ft——管程金属截面积，mm2

p——操作压力，MPa

f——每四根管子之间管板面积，mm

t——管间距，mm

3.校核准则

当热应力产生对管子胀接周边的作用力与由操作压力产生的对管子胀接周边作用力方向相同时，

反之

当满足q≤[ｑ]时，拉脱力校核为合格。

七、壳体、封头强度计算（郁宗祥32）

在换热器中壳体、封头及管箱短节的厚度应按GB150计算,但圆筒的最小厚度按GB151《钢制管壳式换热器》规定确定，不得小于表4-31或表4-32。

八、法兰、浮头盖、钩圈（郁宗祥32）

法兰按GB150设计计算；

浮头式换热器中的浮盖的计算，按GB151和GB150要求进行；

钩圈分A型和B型两种：

A型钩圈材料需确定后按GB151设计钩圈厚度

B型钩圈的材料与浮头管板材料相同，这种钩圈的设计厚度为：

浮头管板厚度+16mm。

三、总结（郁宗祥32）

（1）掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力；

（2）树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；

（3）培养了迅速准确的进行工程计算的能力；

（4）学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

参考文献：

（1）《化工原理》天津大学化工原理教研室编天津：

天津大学出版社。

（1990）

（2）《换热器》秦叔经、叶文邦等，化学工业出版社（2003）

（3）《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社（2006）

（4）《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）

（5）《化工原理课程设计》贾绍义等，天津大学出版社（2003）