第一章.加热器设计第一节.设计课题换热器是广泛应于化工、油化工、动力、医药、冶金、轻工等行业的一种通用设备。
换热器的种类繁多.若按其传热面的形状和结构分类可分为：管型、板型和其他形式换热器.而管型换热器又可分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器.板式换热器可分为螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器。
其它型式的换热器是为了满足一种特殊要求而出现的换热器，如回转式换热器、热管式换热器等.在众多类型的换热器中，管壳式换热器是用的最多的一种换热设备类型。
管壳式换热器的应用已有很久远的历史，现在，它被作为一种传统的标准换热设备在许多工业部门大量使用，尤其是在化工、石油、能源等行业中使用更为广泛。
一般说来，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适用性强，处理工作量大，工作可靠，且能适应高温高压，虽然它在结构紧凑性，传热强度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比。
但由于它具有前述的一些优点，因而在化工、石油、能源等行业的应用仍处于主导地位.随着新型高效传热管的不断出现，使得管壳式换热器的应用范围不断扩大，更增加了管壳式换热器的新的生命力。
因此，本设计选用管壳式换热器作为设备设计。
传热设备可以按类型命名，也可按它的功能命名，如加热器、冷凝器、再沸器、蒸发器、过热器等。
本设计的课题是：第一节传热设计一．流动空间的选择.要使换热器正常而有效的操作，就必须慎重地选择流动空间。
1. 流动空间的选择：（1）.要尽量地增加控制K值的最小传热系数ａ的数值。
（2）.要尽量减少价格贵的耐蚀材料的消耗。
（3）.要便于清洁。
（4）.要使沉淀物不易析出。
（5）.要减少热应力。
（6）.要减少热损失。
（7）.要使流体的流入，分配与流出都方便。
此外，易析出结晶，沉淀以及其他沉淀物的流体，最好通入比较更容易进行机械清洗的空间。
在管壳式换热器中，一般易清洗的是管内空间，但在U型管、浮头式换热器中，以及在沉淀式和喷淋式换热器中易清洗的都是管外空间。
二.流速的选择.流体流速的选择对换热器的设计和运转效果都具有重要得意义。
为了增大给热系数，进而提高传热系数。
一般都希望参与换热的流体采用高的流速，同时流速高了，可以使结垢程度减轻，降低热阻，而有利于传热。
因此，当传给的热量一定时，采用高的流速，所需的传热面积就可减少，换热器的外型尺寸也较小，从而节约材料和制造费用。
但流速过高，回使通过换热器的压力降增大，使输送流体的动力消耗加大，从而提高操作费用。
可见，要选取比较合适的流速，须经过全面的分析比较才能确定。
选择时，通常从以下几个方面考虑：（1）.所选择的流速要尽量使流体呈稳定的湍流状态（即Re>10000），或至少使流体呈不稳定的过渡流状态（即Re>2300）.这样可以在较大的传热系数下进行交换。
在垂直管束流动下，一般希望流速大于过渡流时的流速，除非流体粘度很高，为避免压力降大，才不得不选用呈层流状态下的流速。
（2）度流体（或在相变中的流体）的摩擦动力消耗（即压力降损失的能量）与传热速率相比，一般是较小的，不起控制作用。
因此，适当提高流速是有利的。
反之，低密度流体（如气体）的热交换，传热系数低，克服流体阻力又较大，在考虑提高流速时，就应注意其合理性。
总之，所选流速所引起的压力降不应超过换热器允许的压力降，通常换热器的压力降不应大于105Pa.(3).流速应当不会导致流体动力冲击，使换热管振动和冲蚀。
否则会大大缩短换热器的使用寿命。
（4）.选流速应使管长或程数恰当。
因为管子长度是有限的，一般在6～7m之内。
管子太长，不但会因冷凝液的积累而降低传热效果，而且不便于拆换和清洗管内污垢，而程数增加则会使结构复杂化，且会使换热温差减小，降低传热效果。
（5）.所选流速还要使换热器有合适的外型尺寸。
由上述可知，要选取适宜的流速，在技术和经济上需要全面的进比较。
在实际工作中，要做到全面的比较并不容易。
因此，通常参考工业生产中所积累的经验数据，选取较为合适的流速。
表1和表2列出部分流速数据：表（1）.管壳式换热器中不同粘度的液体的最大流速表(2).管壳式换热器的常用流速.本设计中流体为自来水,由上述选取数据2m/s.三. 管束分程.在管壳式换热器中最简单的是单管程的换热器,换热器中可以实现逆流的传热方式.如需要加大传热面,可增加管长或管束.但前者受到加工,安装与维修等方面的限制,故常采用后一种方法.为了解决管束增加后会引起管内流速以及传热系束的降低,可以将管束分程.从制造,安装,操作角度考虑,偶数管程有更多方便之处,程数从2, 4, 6以至12.程数不宜太多,符则隔板将占去相当大的布管用的面积,而且在壳程中形成许多旁路,影响传热.本设计中的壳体外径比较小,所以采用单管程.四. 壳程分程.本设计采用单壳程,可在壳程内放入各种形式的折流板,主要是增加流体的流速,强化传热. 本设计由于壳程是蒸汽可以不用折流板. 五. 换热管换热管可采用光管,罗纹管,螺旋槽管等.在换热管的选择中,有以下几个因数.(1)管径.管径越小的换热器越紧凑,越便宜,且可以获得较好的传热膜系数的比值,一般推荐¢19mm的管子.但设计中由于用蒸汽加热,所以选择¢25mm的管子.(2). 管长.在相同的换热面积下,采用长管则流动截面积小,流速大,管程数少,从而,可以减少流体在换热器中的回弯次数,因而压力降也较小.但设计中的管径较小,故不宜取的管长太大.取2500mm.(3). 管子的排列和管心距.管子在管板上的排列形式主要有,正方形排列,三角形排列两种型式.三角形排列有利于壳程流体达到湍流且排管最多.故用得最为普遍.管间距是两相临管子中间的距离.管间距越小则设备越紧凑,但将引起管板增厚,清洁不便,壳程压降增大.为此,一般选用范围为(1.25~1.5)d(d为管外径).第二节传热面积在稳态下,总的传热系数随温度变化不大时,Q=KAΔtm.用0.4MP的水蒸气加热20ºC的水(3.5Kg/h), 0.4MP时,蒸汽温度为T=143.6ºC,水的汽化热r=40.66KJ/mol=2.258KJ/g.(1).传热量Q:Q=G⨯r(其中G为质量流量).Q=G⨯r=3500⨯2258=7903000KJ/h.(2). 水蒸气出口温度t。
:146.3ºC的水蒸气在出口时变为100ºC的水. t。
=100ºC(3). 选型和确定流体通入空间:由前面分析得知:蒸汽压力稍大,走壳程.料液走管程,容易达到好的换热效果.为了减少占地空间,且此换热器本身尺寸属于小型换热器,因此,采用单程,立式换热器结构.(4).有效平均温度差Δt m:换热器采用逆流Δt1=T1-t2=164.3-100=46.3ºCΔt2=T2-t1=146.3-20=126.3ºCΔt2/Δt1>2∴求对数平均温度差Δt m=(Δt1-Δt2)/(ln(Δt1/Δt2)) : =76.9ºC式中Δt2—较大的温差,Δt1—较小的温差,T1,,T2—为蒸汽的进出口温度t1,t2—为冷流体进出口温度(5).选取传热系数.K:跟据有关图表,取K=1500W/(m2.ºC)⨯(6).初选传热面积A:A’=Q/(K⨯Δt m)=23.78 m2考虑10%的面积裕度.有: A=23.78⨯1.1=24.22 m2.(7).由系列选取换热器结构参数如下:壳体内径 D=a(b-1)+2e=32⨯(15-1)+2⨯1.225=498 ⨯选取D=500mm总管数 n=Q/(π⨯d0⨯L)=126管子规格尺寸φ252500⨯5.2⨯管子排列方式呈正三角形管心距 32传热面积 24.22m2管程数 1壳程数 1(8).校核传热系数:查知, 导热系数λ=45W/(m∙k)管内侧污垢系数Rd1=0.21⨯10ˉ3管外侧污垢系数Rd2=0.09⨯10ˉ3湍流时蒸汽在垂直管外冷凝时ɑ1=125.5ɑ2=6000ɑ1 ɑ2 分别是热冷流体的对流传热系数.1/K m=∴K m=1606W/(m2.ºC)这与原选值相接近,不需重算.第三节换热器结构设计在上述完成热力计算后,其中也已经确定了部分结构尺寸,但在此节的结构设计进一步确定那些尚未知道的尺寸,还要对那些已确定的尺寸做一些校核.1.筒体和封头的设计:查<<换热器设计手册>>,壳体采用20R材料,设计压力0.3MP, 由于用加热蒸汽加热,且蒸汽走壳程,蒸汽在壳程每一处的压力是一样的.所以,可以不用折流板等,因此换热器结构比较简单.封头采用Q253-A材料.计算筒体壁厚:δ==0.892mm查相关手册,取壁厚δ=5mm. 为使制造方便,封头与筒体取相同的壁厚δ=5mm.2.进出口的设计:在换热器的筒体上装加热蒸汽进口管和冷凝水出口管,以及排污口和排气口接管.接管长度均采用150mm,其接管直径见下表:3.管板与换热管:管板是管壳式换热器的一个重要元件,它除了与管子和壳体的相连接外,还是换热器的一个主要的受压元件.对管板的设计,除满足强度要求外,同时应合理的考虑其结构设计.考虑到压力较小,查<<换热器设计手册>>工程直径500的管壳式换热器,工程压力为0.3MP时的管板的尺寸见下图:换热管采用等边三角形排列,热管中心距S=32mm,换热管根数为n=126.因为不需要折流板,所以也不用设计拉杆.4.壳体与管板,管板与发兰及换热管的连接:本设计为固定管板式换热器结构,管板与壳体是用焊接.其焊接形式如下:考虑到操作压力较小，故法兰密封面采用平面密封，管板与法兰的连接形式如下图：管板与换热管的连接形式采用密封焊接，焊接形式如下图所示：第五节开孔补强在完成换热器的结构设计后，还需要对筒体进行开孔补强的计算：1.开孔补强的计算我国容器标准规定当在圆筒上开孔时：①当内径Dｉ≤1500 mm的容器，开孔最大直径d i≦D i/2,且d i≦500mm；当内径Dｉ﹥1500 mm时，开孔的最大直径d i≦Dｉ/3, 且d i≦1000 mm；②球壳或其他凸形封头上最大开孔直径d i≦D i/2,；③锥型封头上开孔的最大直径d i≦Dｉ/3；此处Dｉ为开孔中心处锥体的内直径；④对直径小于50的单个开孔允许不另行补强。
因此，再换热器部分的接管可不进行补强。
附.换热器部分接管尺寸表：第六节主要参考文献1.《化工设备设计全书》编辑委员会编，《化工容器》，化学工业出版社，2002。
2.时均等编，《化学工程手册》，第二版，化学工业出版社1996。
3.贺匡国主编，《化工容器及设备简明设计手册》，化学工业出版社，2002。