中南大学化工原理课程设计说明书设计题目列管式换热器的设计指导老师:孔江榕学院:化学化工学院专业班级:化工1202:亮学号:1505120711设计日期:2014-9-17目录一、概述 (2)二、设计题目及原始数据 (13)三、换热器的类型和特点 (14)四、论述本换热流程结构的选择和材料选择 (15)五、有关换热器计算 (15)六、设计结果一览表 (21)七、后记 (23)八、参考资料 (24)九、主要符号说明 (25)一、概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
35％～40％。
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。
换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
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，不同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，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。
换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。
其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。
表2-1 传热器的结构分类完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。
（1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。
设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间传递尽可能多的热量。
其具体做法如下。
①增大传热系数? 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。
②提高平均温差? 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。
因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。
在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。
③妥善布置传热面? 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间的传热面积，还可以改善流体的流动特性。
错列管束的传热方式比并列管束的好。
如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。
（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。
（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。
（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。
在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。
动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。
传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。
在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。
严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。
但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。
1.2换热器的结构形式1.管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。
管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa 的情况。
浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。
浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。
填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。
2.蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。
3.套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。
此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。
1.3换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。
流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然，最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。
在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。
（1）碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。
如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。
（2）不锈钢奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。
我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。
（2）管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。
胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。
（3）封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
①封头当壳体直径较小时常采用封头。
接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
②管箱换热器管流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。
由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。
③分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。
对于多管程换热器，在管箱应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。
这样可提高介质流速，增强传热。
管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。
在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。
1.4管板式换热器的优点(1) 换热效率高,热损失小在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。
设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。
完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 3～1/ 4。
(2) 占地面积小重量轻除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。
换热所用板片的厚度仅为0. 6～0. 8mm。
同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。
(3) 污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。
(4) 检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。
(5) 产品适用面广设备最高耐温可达180 ℃, 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。
各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。
当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。
同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。
1.5列管式换热器的结构介质流经传热管的通道部分称为管程。
（1）换热管布置和排列间距常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。
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，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。
（A）（B）（C）（D）（E）图1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列（B）正方形错列(C) 三角形直列（D）三角形错列（E）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。
我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。
（2）管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。