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  无相变热交换器绘制 本章重点知识分析 本章导引 热交换设备，顾名思义就是用来进行热量交换的设备，而这个热量的概 念是一个广义的概念，也包括冷量。因为站在不同的角度，热量和冷量这个 概念是可以相互转化的。 根据热量交换的形式不同，热交换设备能分为间壁式换热器、混合式 换热器以及蓄热式换热器。间壁式换热器在其热量交换过程中需要通过某一 个介质壁，这个介质壁使用最多的是金属，也有使用非金属材料的，两个需 要互相交换热量的流体通过这个介质壁交换热量，而两个流体之间并不直接 接触。常见的问壁式换热设备有管壳式换热器和板面式换热器两类，化工企 业中应用最广泛的列管式换热器是属于间壁式换热设备的一种。混合式换热 器是两种需要交换热量的流体直接混合接触，使两者温度趋于相同，如冷水 塔，用冷水直接喷淋需要冷却的气体。蓄热式换热器是利用一种蓄热介质， 使需要交换热量的流体交替流过蓄热介质，从而达到交换热量的目的，利用 蓄热器可同收高温炉气中的热能，也可用于太阳能的同收利用O 根据交换热量的门的不同，换热设备可大致分为加热器、蒸发器、再沸器、 冷凝器、冷却器。加热器、蒸发器、再沸器交换热量的目的是使我们的目标 物体温度提高或由液态变成气态，如加热器的日的是使日标物体温度提高， 蒸发器的目的是使目标物体由液体变成气体，该二种换热设备均需由公用工 程提供热量给目标物体;而冷凝器、冷却器交换热量的目的是使目标物体的 温度降低或山气态变成液态，这两种换热设备均需山公用工程提供冷量给门 标物体。 本章导引 换热设备是化工、轻工、炼油等企业中普遍应用的典型化工设备。在一 般的化工厂换热设备的费用约占总设备费用的10%-20%，而在炼油企业则占 到总费用的35lJ毛-40%。换热设备在原子能、动力、食品、冶金、交通、家电、 环保等行业或部门都有着广泛的应用，因此在工艺设计计算的基础上，学会 用计算机正确地绘制换热设备具有十分重要的意义o 本章主要介绍化工和炼油企业中最常用的列管式换热器的绘制。列管式 热交换器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座、接管等组成，而 换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管一 般为普通光管，但也可采用各种强化管，如带翅片的翅片管、螺旋槽管、横 纹管、多孔表面管等各种强化管。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有 椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质 分成多程，以满足工艺需要。列管式换热器常采用的材料有碳制、低合金钢、 不锈钢、铜材、铝材、铁材等。 根据列管式换热器的主要组成部分可知，其大部分元器件的绘制我们己 在前面的章节中介绍过，如壳体相当于容器中的简体(包括壳体的法兰)、 支座、接管、管箱(相当于各种封头)等，因此对于这部分内容的绘制，我 们在具体的介绍过程中不再对所有的命令进行解释，只在绘制前先说明这些 器件的规格及具体绘制尺寸的大小，当然其空间位置的确定还是会解释说明 的。对于一些新出现的器件，我们会详细解释说明，希望读者在学习本章的 过程中引起注意。 本章目录 列管式热交换器的一些标准及规范 列管式热交换器设计实例 列管式热换器的设计基础 根据前面的介绍，列管式热交换器是属于间壁式管壳类的换热器， 根据管束、管板、壳体、管箱等不同结构，又可以分为以下5种不同的结 构形式。 列 (1)固定管板式热放飞 生率 该热交换器的两端管收米用焊接方法与壳体固定连接。换热管可为 圣 光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管 我 程可分成多程，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程 斗 中广泛应用o 2去 该换热器壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于 ;需 较脏或对材料有腐蚀性的介质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大， 争扩 当温差应力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力。 H、『 (2) 浮头式热交换器 分 该换热器一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由 升会 ~ 浮动。壳体和管束对热膨胀是白由的，故当两种介质的温差较大时，管 束与壳体之间不会产生温差应力O 汗头端设计成可拆结构，使管束可以 容易地插入或抽出，这给检修和清洗提供了方便。这种形式的热交换器 特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行 清洗的工况O 浮头式热交换器结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无 法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。 列管式热换器的设计某础 (3)U形管式热交换器 该换热器是将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。由 于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。该热交换器 类 分 的 器 换 交 热 式 管 列 仅有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗。 但管内清洗稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢。因弯管时必 须保证一定的曲率半径，所以管束的中心部分存在较大的空隙，在相 同直径的壳体中排列的管子数较固定管板式少，价格较固定管板式高 10%左右。该热交换器一般用于高温高压情况下，尤其适合于壳体与 换热管金属壁温差较大时的场合。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为 两程。 (4) 填料函式热交换器 该换热器的泞头部分伸在壳体之外，换热管束可以白由滑动，泞头 和壳体之间填料密封。对于一些壳体与管束温差较大，腐蚀严重而需 经常更换管束的热交换器，可采用填料函式热交换器。它具有浮头热 交换器的优点，又克服了固定管板式热交换器的缺点，结构简单，制 造方便，易于检修清洗。 填料函式热交换器不适宜在高温、高压条件下使用，同时对壳程介 质也有限制，对易挥发、易燃、易爆、有毒等介质不宜走壳程。 列管式热换器的设计某础 (5) 异形壳体翅片管热交换器 该换热器的壳体可为方箱形、椭圆型、 C形，甚至可以是的， 其换热管为带翅片的翅片管。换热管可根据需要排成为单排或多排换 类 分 的 器 换 交 热 式 管 列 热管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。翅片的翅高、翅 距和翅片厚度可根据实际工况而定。这种形式的热交换器因为采用了 翅片管，可大大强化传热面积，所以特别适用于给热系数较低的流体。 壳程流通面积可设计较大，流动阻力较小，所以对于压力较低和对压 力降要求较小的流体特别适用o 在实际生产中，常常用这种热交换器 来加热或冷却低压空气，如各种空调系统的蒸发器和冷凝器均可认为 是此类的换热器。 20世纪80年代以来，热交换器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。 各种新型、高效热交换器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，随 着能源的口趋紧张、全球气候变暖、环境保护要求的提高都对开发新型高效 热交换器提出了越来越高的要求。国内外各研究机构对强化传热元器件及传 热模式正在进行不断深入的研究，不断推陈出新，各种新型的传热元器件如 表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管以及各种新型换热器形式如板片传 热器、板式热交换器、板壳式热交换器、螺纹管热交换器、折流管热交换器、 外导流筒热交换器等不断推出市场，相信随着科技的发展，热交换器将朝着 传热性能好、节能、增效的方向不断发展。 列管式热换器的设计某础 (1)换热面积的计算 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 换热面积是换热器的一个主要特性指标，也是计算其它关键尺寸 的基础。对于一个己知的换热器，其换热面f9Â可简单地利用所有传 热管的面积和来代替，即: A = n 1rdL (5-1) 其中n为传热管数目， d为传热管外径(也可以是内径或中径，只要和 传热面积对应即可) , L为传热管有效长度。在设计阶段，我们是不 知道具体换热器的有关尺寸的，其换热面积也无法通过式。-1 )求 得。但是，我们知道该换热器需要完成的任务:将某一流量为G的目 标流体从温度Tl 变成T2 。要完成这个任务，我们将采用流量为W的公 用工程流体，从温度t1 变成温度t2 ， 从而完成前雨的任务。在完成这 个任务中，需要一个传热面积，这个传热面积的大小，就是我们所需 要设计的换热器的面积，该面积可以通过热负荷和传热速率方程米求 耳又。 对目标流体传热负荷方程有(假定目标流体的温度升高) : QG == GCPG (乓 -T ) (5-2) 1 对公用工程流体: QM == WCp M (t1 - t2 ) (5-3) 如果忽略传递过程中的热量损失及换热器外壳的热量损失，根据能 量守恒可知: QM = Qa 0 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 总传热方程: Q= ι4~Tm (5-4) 其中:Q为传热速率，其值等于QM 或 QG K为总传热系数，在一般计 算中，可根据目标流体及公用工程流体和拟选用的换热器形式确定。在 较精确的计算中，通过上面初步确定的K的基础上，计算出传热面积， 再通过传热面积来校核总传热系数，关于这方面的详细介绍，请参看有 关换热器设计的书籍。 A为总传热面积， ~T~平均温差。 Q值可由式 (5-2) 求得，平均温差的计算公式为: (乓 -t ) 一(~ -t1) Tm= 2中 J !..:. (}I顶流) Jn(子二三) Il-tl (乓 - t ) 一(~ - t ) 、 1 2 Tm= 中 A ~(边流) Jn(子二l) Ii-t2 所以，可以得到传热而积A (以逆流为例) Jn l二 - t 1 A=~一 GCPa(飞一引) 到 -t2 (5-5) K~Tm K (乓 - t ) 一(~ - t ) 1 2 列管式热换器的设计某础 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 (2) 管径、管长及管子数的确定 确定了换热器的传热面积后，换热器中传热管的管径d、管长L、 管子数n就受到式 (5-1 )的约束，但一个方程，三个变量，其自由 度为2 ，仍无法确定该3个变量的具体大小。一般情况下，我们首先 通过确定管子内的适宜流速U及管子内径di来确定管子数目n~ 其计 算公式如下: V n= 一一一一- (5-6) 1[ d?u 4 3 其中V是管程流体的体积流量，单位为m /s 。显然，若要通过式 (5-6) 求取换热器管子数目，必须首先解决两个问题， 一是管内适 宜流速的选定，二是管子内径的确定。对于这两个变量，我们通常 有一些常用的取值规定，对于流速而言，适宜的流速范围见表5-10 列管式热换器的设计某础 列管式换热器管子的适宜流速利用表5-1 中管程流速的数据选定后 (需注意如果流体的勃度较大，适宜的流速应取表5-1 中接近下限值， 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 如液体的动度大于1500mPa.s时，管程的适宜流速应取O.6m1s) ，还需 确定管子内径，才能确定管子数目。而常用的管子规格有 伊16mmX 1.5mm、伊19mmX2mm、 ψ25mmX2.5mm、 ψ38mmX3mm， 其中最常用的是ψ19mmX2mm、 ψ25mmX 2.5mm，我们应该根据实际 情况，选择上面其中管子中的一种。一般来说，小直径的管子可以承受 更大的压力，而且管壁较薄;同时，对于相同的壳径，可以排更多的管 子，相对于大管径而言，单位传热面积的金属耗量更少，单位体积的传 热面积更大。所以，在管程接垢不严重以及允许压力降较高的情况下， 通常采用ψ16mmX 1.5mm、 ψ19mmX2mm的管子。如果管程走的是易 结垢的流体，则应选择较大直径的管子，对于直接火焰加热时，则采用 76mm的管径O 确定了管径和适宜管内流速后，利用式 (5-6) 就可以确定管子数 目，根据管子数门、管径及换热面积，利用式 (5-1 )就可以求得管子 得长度L=A/π时，但实际土换热器管子的长度常常取标准值，常用的标 准管子有1.5m、 2m、 3m、 6m等， 一般根据计算的管子长度，结合标准 管子的长度，选定一个合理的标准长度，同时通过管程数的改变来保证 换热器结构合理。关于管程的问题在下面确定壳体直径时加以讨论。 列管式热换器的设计某础 (3) 管心距、壳体直径及壳体厚度的确定 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 确定了管长、管径、管子数等参数后，接下来尚需进一步确定管心 距t ， 壳体直径D、壳体厚度S等参数，以便确定换热器的具体结构。 己知了管子数目及管子的直径，就可以按一定的规律将管子在某一 直径的圆的管板内排列起来，而该圆的大小不仅跟管子数目、管子直径 有关，同时也和管子的排列方式、管子和管子之间的距离即管心距有关。 管子在管板上的排列方式常用的有正三角形错列、正三角形直列、同心 圆排列、正方形直列、正方形错列等纠中，见图5-10 G0 二。 /G-ø @- 0二7 XGX O二今O ø G)J \;1 $ , \;1 Ø-0 ~CrÞ一­ $-.é- \ 牛? 正方形直列 正方形错列 因5-1 5种管子排列方式 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 正三角形错排是最为普遍的一种排列方式，因为该种排列方式可在 相同的管板面积上排列最多的管子，但管外不易采用机械清洗。而正方 形排列则适宜于采用管外机械清洗。在小直径的换热器中，同心圆排列 比正三角形排列所能排列的管子数要多，具体情况可参见表5-2。 表5-2 不同排列方式的管子数比较 2 3 4 5 6 7 排列层数 7 19 37 61 91 127 187 正二角形排列管子数 7 19 37 62 93 130 173 同心圆排列管子数 由表5-2可知，当排列层数小于等于6层时，同心圆排列的管子数大 于等于正三角形排列的管子数，当排列层数大于6 以后，正三角形排列 的管子数就开始多于同心冈排列。需要注意的是当排列层数大于6 以后， 正三角形排列除按标准的层数排列外，还需在最外层的管子和壳体之间 的弓形排上的管子数。 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 确定了管子的排列方式后，就需要确定管心距，以便进一步确定壳 体直径。管心距是管板上两管子中心之间的距离。管心距的大小和管板 强度、管外清洗方式、管子的固定方式有关，一般情况下，管心距的大 小可采用表5-3 中所给的数据o 表5-3 各种情况下的管心距数据 两管之间有搁板槽时 最外层管，心距壳 管子固定 焊接法 胀接法 小直径管子 方法等 体内表面距离 d/rnrn 19 25 38 1.25d 1.30-1.50d d+l0rnrn O.5d+ 10rnrn 管心距t 38 44 57 有了管心距的数据以及前面己经得到的数据，我们就可以确定壳 体的内径，壳体的内径应等于或大于(对浮头式换热器而言)管板的 直径，所以可以通过确定管板的直径来确定壳体的内径。 列管式热换器的设计某础 除了可以利用前面己知的数据，通过作图法得到外，在初步设计时， 可用下式来计算壳体内径Dio 歹Ú Di = t(nc -1) +2e (5-7) 管 式中 Dr--一壳体内径， mm; 式 t一一管心距， mm，选用数据见表5-3; 安机 nc一一横过管束中心线的管子数，管子正三角形排列其值取1.1 交 管万主方形排列其值取1.19 ; Fn 换 e一一管束中心线上最外层管中心到壳体内壁的距离， 一般e= 器 (1- 1.5) d; 关 d一一管子的外径 mm; 键 n一一换热器的总管数。 尺 利用式(仔5子归-刁7竹)得到的壳体内径， 一般应将其圆整到常用的标准尺寸O 飞I 换热器筒体内径的常用标准尺寸在4钊OOm丑1m以后，以10ωOm丑1m为单位递增，有 的 4唰OωOmn肌I 计 1100mm、 1口20ωOmm、 1η30ωOmm等O 在小于4钊OOmm之却问可有325mm、 2η73mm、 算 159mmo 对于一些特殊场合使用的换热器，其壳体尺寸可根据实际情况选 取，但带来的问题是有关管板、法兰等一些配件将没有标准件可选用，需 重新设计加工，故在大多数情况下，都应选择标准的简体内径，以便于加 工配套。 通过前面的计算，我们得到了管子的长度和筒体的内径，而这两 个数据是否合理，一般可以将管子长度和筒体内径的比值β=L/Di作 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 为一个判断标准，对卧式设备而言， β 的值取为6-10，对立式设备而 言， β 的值取为4-60 如果值小于上述值时，则需增加管子的长度，这 时，可能会适当减少管子数，以保证总换热面积不变，但也可能只增 加管子长度，而不减少管子数目，使换热器具有更多的换热面积:如 果值大于上述值时，则需增加管子的数目，因为增加管子的数目，可 以使壳体直径增大。但是，管子数目的增加，会影响管内流速，进而 影响传热性能，故一般采用对管束的分程方法。该方法是在换热器的 一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板，并且保证每程中的管 子数大致相等。出于制造、安装和操作等因素的考虑，通常采用偶数 管程，管程数不宜太多，常见1 、 2、 4、 6管程的隔板设置形式及流动 顺序如下。 管程数 6 3 f-+-\3 4 流动顺序 10:1 。 。 ~w~êt:@)~llJ( 5 6 。 管箱阳板 0 18 O EDô 。 Q 介质返回侧隔书 。; 0 O 80 C O 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 换热器壳体壁厚的计算公式和第4章中容器壁厚的计算公式 相仿，考虑到换热器一般为内压容器，其壁厚的计算公式如下: S-pDi· 一- (5-8) 2[σJ 功一 p 式中 S一一为壳体厚度， mm; p一一为操作时可能的最大压力， Pa; [σr一一材料在操作温度范围内的许用应力， Pa; 功一一焊缝系数，单面焊取0.65 ，双面焊取0.85 ; C一一腐蚀裕量，可根据壳体材料及介质腐蚀性质在1-8mm之 间选择: Di--壳体内径 mmo 列管式热换器的设计某础 (4) 折流板大小及间距的确定 在列管式换热器壳层安装折流板，不仅可以提高壳程流速，增 算 计 的 寸 尺 键 关 器 换 交 热 式 管 列 加流体漏动，改善壳层侧传热，同时在卧式换热器中还可以起到支 撑管束的作用o 常用的折流板有弓形折流板、圆环-圆盘形折流板两 类。其中弓形折流板又可以分为单弓形、双弓形及三重弓形等几种。 在实际应用中，单弓形折流板是应用最多的一种，其常见结构有下 面3种，其中弓形缺口的高度为壳体内径的159毛-459毛，一般为20%。 弓形的直径略小于壳体的内径，当然，从传热的角度出发，两者之 间的尺寸越接近越好，但两者间隙过小，会给制造和安装带来困难， 故一般应保留一定的间隙。图5-2(b)是用于卧式冷凝器的折流板，底 部有~90。缺口，高度为15-20mm，供停工排除残液用O 而因5-2(c) 具有带堪的单弓折流板用于某些特殊场合的冷凝器，该冷法是器需要 在壳体中保留一部分过冷凝液，使冷凝液泵具有正的吸入压头，其 堪的高度可取弓形折流板直径的259毛-30%。折流板的安装固定需要 利用长拉杆通过焊接或定距管来保持管板之间的距离，关于折流板 和拉杆、定距管之间的安装图将在具体图纸绘制中加以详细讲解。 折流板的厚度及其折流板之间的问距和换热器的功用、壳层流体的 流量及布度有关，常用的折流板间距有100mm、 150mm、 200mm、 300mm、 450mm、 600mm、 800mm、 1000mm等，常用的折流板厚 度和问距及公称直径的关系见下表O 列管式热交换器的一些标准及规范 (1)关于最小管板厚度 管板是一个密布管孔的圆形平板，管板厚度的计算十分复杂，其厚 度与管板上的开孔数、孔径、孔的分布形式及管子和管板的连接方式有 关，一般均采用计算机计算。对于胀接的管板，考虑到胀接的刚度，对 最小厚度有一定要求，其最小厚度可参见表5-5 。考虑到腐蚀裕量、接 头松脱、泄露和引起振动等因素，管板的最小厚度应大于20mmo 常见固定管板的厚度与壳体的公称直径及公称压力之间的关系可参 考表5-6中的数据，在一般的设计中也可采用该表中的管板厚度数据。 (2) 关于管板和管子的连接 管板和换热管子常有3种连接方式，分别是胀接、焊接、胀焊并用。但不 管采用哪种连接方式，都必须满足两个基本条件:一是有良好的密封性，使 管程和壳程流体不互相串流:二是有足够的结合力，避免管子从管板中拉脱。 胀接是用胀管器将管板孔中的管子强行胀大，利用管子的塑性变形来达 到密封和压紧的一种机械连接方式，管子胀接前后的比较示意图见图5-40 由 于胀接利用的是一种残余应力，该应力会随着温度的升高而降低，故胀接不 0 适用于温度大于300 C 、设计压力大于4MPa的场合。对于外径小于14mm的管 子，由于管子太小， 一般也不采用胀接的方法。 图5-4 管子胀接前后示意图 采用胀接方法连接管板和管子时，管板的硬度应大于管子的硬度，以保 证在胀接时，管子发生塑性变形时，管板仅发生弹性变形:管子材料一般选 用10、 20优质碳钢，管板采用25 、 35 、 Q225或低合金钢16Mn， Cr5Mo等o 焊接就将管子直接焊接在管板上，它有多种不同的焊接方式，分别适用 于不同的场合，见图5-5 。图5-5 (a) 中的结构可以减少管口处的流体阻力或 避免立式换热器在管板上方的滞留液体:为了防止焊接时熔融的金属堵住小 直径管子的管口，可采图5-5 (d) 的结构，对于易产生热裂纹的材料，宜采 用图5-5 (c) 的结构。 一般常采用图5-5 (b) 的焊接方式。 I ~ lY I 图5-5 四种不同的管子焊接方式 焊接和胀接相比，其气密性和强度均有提高，但当管子破漏需要拆卸更 换时，焊接比胀接更困难，故对于焊接的管子，当发生破漏时，一般将管子 堵死。由图5-5可见，单纯的焊接会在管子和孔板之间形成环隙，为了减少 间隙腐蚀，提高连接强度，改善连接的气密性，可采用胀焊并用的连接方式。 胀焊并用是目前使用比较广泛的一种连接方式，根据对胀、焊所起的作 用不同，可分为强度胀加密封焊和强度焊加贴胀两种。所谓强度胀加密封焊 就是胀接是为了承受管子在载荷，保证连接处的密封，而焊接仅仅起辅助性 的密封作用。而所谓强度焊加贴胀就是用焊接保证强度和密封，用胀接消除 换热管与管板空间的环隙，以防产生间隙腐蚀并增加抗疲劳破坏能力O (3) 关于管板和壳体的连接 管板和壳体的连接方式与换热器的类型有关，在固定管板式换热器中， 管板和壳体的连接均采用焊接。由于管板有兼作法兰和不兼作法兰两种，兼 作法兰的管板与简体的连接方式常见的有图5-6中的两种。其中第一种在管 板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，施工容易，使用于压力不高、物料不易燃、 易爆、有毒的场合。而第二种则可用于高压的场合。不兼作法兰的管板可直 接与壳体及管箱焊接，但也有图5-7所示的几种不同焊接方式，具体采用哪 种焊接方式，需根据壳体直径、管板厚度、管壳程之间的压力差异等因素加 以选择。 ι \ 、 (a) 低压时 (b) 高压时 二 \ ( c) 管板厚度较大时 (b) 壳体厚度和管箱厚度不同 (a) 壳径较小时 时径较小时 列管式热换器的设计某础 (4) 关于管、壳程流体的确定 由于管程和壳层的清洗难易程度及承压能力的不同，一般将高温物流、 较高压的物流、腐蚀性强的物流、较脏的物流及易结垢的物流 (U形管浮头式 换热器除外)、对压力降有特定要求的物流、容易析出结晶的物流安排走管 程;而将勃度较大的流体、流量较小的流体、给热系数较小的流体以及蒸汽、 被冷却的流体安排走壳层。上面的安排，在实际中不可能同时兼顾，对具体 问题，应抓住问题的关键因素进行具体分析。例如，首先从流体的压力、腐 蚀性以及清洗等方面加以考虑，然后再对压力降及给热系数方面加以校核， 以便做出合理的选择。 (5) 关于公用工程流体的选择 换热器中换热的两股物流除采用两股工艺物流直接交换热量外，常用的是 利用公用工程的物流或称热载体来提供或带走热量。提供热量的热载体称为 加热剂，常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、联苯混合物、水银蒸气、矿物油、 甘油、熔盐、四氯联苯等:带走热量的热载体称为冷却剂，常用的冷却剂有 水、盐水、液氮等。公用工程流体用用量的多少及其本身的价格，涉及到换 热器的操作费用问题，所以应选择一种合适的热载体，以完成换热器的换热 任务。在选择公用工程流体时或称热载体时，应从以下几方面加以考虑: ①热载体的温度易于调节; ②热载体能满足工艺上的要求，时目标物流达到冷却(加热)温度: 列管式热换器的设计某础 ③热载体的毒性小，对设备腐蚀性小，不易爆炸: ④热载体的饱和蒸气压小，加热过程不会分解: ⑤热载体来源广泛，价格合理。 (6) 关于换热终极温度的设定 两股物流在换热器在进行换热时，在一般情况下其中一股物流即目标物 流的进出口温度是已经确定的，也就是说目标物流必须达到规定的温度，而 另一股物流其温度规定的情况非常少，一般根据具体情况加以选定。不同的 换热终极温度会影响换热强度及换热效率，进而影响所需的传热面积及公用 工程流体的流量，对换热器的经济性产生影响。例如冷流体出口的终极温度 达到热流的进口温度，这时两股流体达到了最大限度的换热，但所需的传热 面积为最大，在经济上是不合理的， 一般换热器两端的终极温度或两者之差 应符合下面几点O 0 0 ①冷却水的出口温度不宜高于60 C ，以免结垢严重， 一般以4045 C 以 下为宜。 0 ②换热器高温端的温差不小于20 C 0 ③换热器低温端的温差分为二种情况: 一般情况下的两种工艺流体换热， 0 其温差不小于20 C; 两种工艺流体换热后，其中一股流体尚需继续加热，则 0 0 冷端温差不小于15 C; 采用水或其它冷却剂冷却时，冷端温差不应小于5 C 0 冷却或冷凝工艺物流时，冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易 0 结冻组分的冰点，一般高5 C 0 当冷凝带有惰性气体工艺物流时，冷却剂的出口温度应低于工艺 0 物流的露点，一般低5 C 0 (7) 关于拉杆数量的确定 拉杆是用来固定折流板和支持板用的，拉杆所用的数量与换热器壳体直径 和拉杆本身的直径有关，不同壳体直径换热器所需的拉杆数见表5-70 拉杆和管板及折流板之间的连接常有两种方式，见图5-8 。图5-8(a) 采用的 是定距管结构，适用与换热管外径大于等于19mm的管束。图5-8(b)采用点焊结 构，适用于换热管外径小于等于14mm的管束。 t { 、 「 (a) (b) 图5-8 管板.拉杆.折流板连接 拉杆布置以尽量少占用传热管位置为准则。故对于壳体直径较小的换热 器，拉杆一般均匀布置在管柬边缘:而对于的壳体直径大的换热器，在管束 内部及靠近折流板的缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3 个支承点， ep3根拉杆。 (8) 关于适宜的换热器压降 流体在流过换热器时，会产生压力降，压力降应在一个合理的范围之内， 否则将会对换热器的经济性能产生影响，合理的压力降可参考表5-80 列管式热换器的设计某础 列管式热交换器设计实例计算 下面通过一个具体的实例，来说明列管式换热器的设计过程，并确定一些 关键尺寸。 (1)目标要求 将常压下1.5kg/s的纯苯蒸气冷凝成饱和液体排出换热器。 (2) 基本己知条件 0 常压下纯苯的冷凝温度为T 80.1 C; 冷凝潜热为口394kJ/kg; 0 公用公程为20 C 的冷水，要求压降不超过O.OlMPao (3) 管壳程流体确定 根据前面的一些情况，结合管、壳和流体确定的原则，蒸气一般走壳程， 0 故本设计中纯笨蒸气走壳程，出米为饱和冷凝液，其进出口温度均为80.1 C; 0 冷却水走管程，其进口温度为25 C 0 (4) 终极温度及用水量确定 在本换热器设计中，由于两股流体的进出口4个温度中，己经有3个确 定下来，故终极温度的确定，主要是确定冷却水的出口温度，根据前面的 0 介绍，冷却水的出口温度一般以40-45 C 以下为宜，本例考虑到纯苯的冷凝 0 温度不高及用水量的考虑，选取其出口温度为 35 C 。这样水的定性温度为 0 30 C ，此时，水的密度为约为996kg/m3 ，比热为4. 178kJ/(kg.OC) ，根据守恒 原理可得冷却水量W为: 1.5 x 394 = 14. 15kQ/s w 二 4.178 x (35 - 25) 换算成体积流量V为: 14.15 _ _ . . _ . 1 v= 一一一= O.OI42lm~/s 996 (5)传热面积的确定 由于两股流体的进出口温度己经确定，故其传热推动力为: (乓 -t ) 一(1..一 t ) _ (80.1- 25) 一 (80.1-35) 1 2 0 ~l， rl/ ~l r l,/ ,, - •., ,, --/ 49.93 C 80.1- 25 ln(~2 ~1) ln(::.~ :~) 1.. - t2 80.1- 35 苯蒸气-水系统冷凝操作的传热系数范围为300-1OOOW/ (m2 OC) ，本设 0 计中取传热系数K=550W/(m2 C) ，所以传热而不只A为: Q 1.5x394 x1αm A= 一一一一= =21.52m2 K~Tm 550 x 49.93 (6) 管径、适宜管速及管子数的确定 从腐蚀性、传热面积和价格等多方面因素考虑，传热管选用ψ25X2.5mm 的无缝钢管，此管内径为di=20mm， 外径为do=25mm， 管壁度为2. 5mmo 综合考虑管内流动状态、压力降及单程管子数等因素，选择管内流速 u=1.0m/s ， 根据公式 V 4xO.01421 n = = _. - ~ . - ~ = 45.25 1r 12 3.14x O.02L x 1 TIf-,P.it..U; 将管子数圆整为整数，取单肯程肯子数为46根。 列管式热换器的设计某础 (7) 管长、管程、壳体内径的确定 有了前面计算得到的传热面积及管子数，很容易得到管子的长度，根据 式 (5-1 )可得: L= A/πndo=21.25/(3.14 X46 X 0 .025)=5 .88m 考虑到常用管子的长度有3m和6m，根据现在的计算值，管子长度取为 6m，那么管子长度6m是否合理呢?一定要通过长径比UD的计算来判断。本设 计冷凝器为卧式，合理的长径比为6-10之间，现在，长度已经有了，需要计 算壳体直径。根据前面介绍，壳体直径可按下式计算: Di = t(nc -1) + 2e = 32 x (1.1 x -J46 一 1) + 2 x 35 = 276.7nm 其中:取管心距t=32mm， 最外层管心距壳体内壁距离e=35mm刑c = 1. 1Fn 0 根据常用壳径，实际可取为300mm，这时该冷凝器的长径比 UD=6/0.3=20， 不符合要求，故应将管子长度缩短，管子数目增加O 原管子 长度取为6m，现在取为3米，双管程。为保证管内流速不变，总管子数增加 到92根，此时的壳体内径的计算值为375.6mm，实际可圆整为400mm，此时 的长径比UD=3/0.4=7.5 ， 符合实际要求，这时，冷凝器的实际计算而积为: A=92 X 3.14 X 0.025 X 3=21.67m2 (8) 选择正真适合换热器 根据前面的各项计算，已经初步得到冷凝换热器的基本数据，管子长度 为3m，管子规格为ψ25X2.5mm，壳体公称直径(内径)为400mm，换热面 积为21.67m2。如果我们将这一些数据和现有换热器的标准相对照，我们就会 发现G400-2-16-22的换热器基本符合我们的要求，我们大家可以选择该型号的换 热器作为我们的设计换热器，可省去许多有关机械设计方面的计算，该换热 器的主要指标如下o 表5-9 G400-2-16-22换热器主要指标 从指标上可知，该换热器共有102根管子，双管程，壳体内径为400mm， 那么，在直径为400mm的圆内，如何布下102根管子呢?请参看图5-90 从图中可知，管束呈对称布 置，每一管程布置51根管子，除 了按正常的布管外，在管板的弓 形部分也布置了一定的管子。共 分6层，从靠近隔板数起，第一 层排11 根管子，第二层排10根管 子，第3层排11 根管子，第4层排 10根管子，第5层排7根管子，第 6层排4根管子，这样共有53个根 管子可排下，但其中2根管子的 位置用于安装拉杆，故实际只能 排51 根管子O 图5-9 管板上管子布置图 任何一个换热器图纸，管板的开孔情况均市详细绘制出来，图5-9 的 绘制虽说有多种方法，但我们大家都认为采用下面的方法较简单实用: ①绘制管板上布管范围的圆(其直径为换热器壳体内径)及其两条互 相垂直的中心线; ②以水平中心线mm，向上作偏移线，和垂直 中心线交于A点O ③以垂直中心线条垂直线条垂直线和在前面偏移得到的水平偏移相交，共有10个 交点，包括前面得到的A交点，共有11 个交点，该11 个点就是第一管排管心 的位置。 ④过第一管排11 个管心点，分别作两条直线。直线采用相对极坐标绘制， 在选定第一排管心作为直线第一点后，直线) 实现，共得到22条直线，这些直线的交点就是可能管心位 置。 ⑤根据布管范围圆和可能管心位置的距离，确定最外层的管心位置，最 后确定第一排为11 根。第二排为10根，第三排为11 根，第4排为10根，第5排 为7根，第6排为4根，共53根，其中2根用于拉杆，实际布管51 根。在此基础 上，利用修剪工具，将多余的线段剪去。 ⑥利用镜像技术，绘制管板土管子布置图的下半部分，标上必要的尺寸， 完成管板上管子布置图的绘制。 总之，在绘制管板上管子布置图的时候，尽量采用偏移、相对坐标、镜 像及修剪等工具，加快绘制速度，读者也能够准确的通过白己的水平，选者适合自 己的绘制方法O (9)校核工作 选择了上面型号的换热器以后，还有一些校核工作要做，如传热系数的 校核、压力降的校核、传热面积的安全系数等计算工作，这些不是本教材的 重点，在此不再讲述，望读者参考本书所列的参考文献。 局部视图的绘制 尺寸表注、指引线的绘制 写技术说明、绘管口表、标题栏、明 细栏、技术特性表等 无相变热交换器绘制 绘制前的一些准备工作 本次要绘制的和在前面5.2节实例计算中相仿的换热器，所不同的是实 例中是双管程， 102根管子，而本次绘制的是单管程， 109根管子，其它条件 均一样。如图5-10所示，该换热器主要由换热器壳体、管箱筒节、封头、管 板、法兰、支座、折流板、接管、折流板、拉杆及传热管等组成，在利用计 算机在绘制换热器设备图前，必须对每一零件的结构尺寸知道，并确定 它们的安装的地方及表达方式。下面我们先将主要零件的结构尺寸及表达方式 加以确定，以便在计算机绘制中集中精力在计算机绘制方法上而不是在有关 化工设备设计的知识上O (1)关于壳体 壳体主要确定3个尺寸，它们分别是长度、内直径和厚度。壳体的内直 径前面确定为400mm，厚度采用8mm，而长度Ll 需根据传热管的长度L、管 板厚度b及其它一些小结构确定。管子和管板的连接方式选用焊接，管子高 于管板平而为hl=3mm， 管板厚度为b=40mm， 管板和管子焊接处的凹槽深度 也为3mm，故壳体的长度为Ll=2920mm， 其计算公式为Ll=L-2b-2hl+2h2o 壳 体具体尺寸见图5-10，在具体绘制中可利用中心线偏移及打断等功能绘制最 后的壳体轮廓线O CCH Cb, 。 A N 4@O

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