化工原理课程设计热交换器

换热器 1/25 热交换设备 换热器 2/25 换热器 1 换热器的类型 一 . 夹套式 用于反应器的加热或冷却 ， 加热剂或冷却剂在夹套内通过 间壁与反应器内的物料进行换热 。 用蒸汽进行加热时，蒸汽高进低出。当冷却时，冷却水从下 部进入，而由上部流出。 为提高器内物料一侧的给热系数 ， 可在器内设置搅拌器 ， 使 容器内的流体作强制对流 。 二 . 管式换热器 1.蛇管式换热器 1.直接混合； 2.蓄热式； 3.间壁式 换热器 3/25 1） . 沉浸式蛇管换热器 结构： 由肘管连接的直管 ， 或由盘成螺旋状的弯管所组成 。 蛇管形状主要决定于容器形状 。 将蛇管浸没于容器中 ， 即 构成蛇管式换热器 。 当管内通入液体载热体时 ， 应从蛇管的下部通入 ， 当管内通 入蒸汽加热时 ， 应从蛇管的顶部通入 ， 冷凝水经蛇管下部的 疏水器排出 。 优点： 结构简单 ， 能承受高压； 缺点： 管外流体给热系数小 ， 为强化传热 ， 可在器内安装 搅拌器 。 换热器 4/25 2） .喷淋式换热器 喷淋式换热器的 最大优点 是便于检修和清洗 ， 对冷却水水 质可以适当降低 。 用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在 管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀 喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。 2.套管式换热器 优点： 构简单 ， 能承受较高压力 ， 应用灵活； 缺点： 耗材多 ， 占地面积大 ， 难以构成很大的传热面积 ， 故 一般适合于流体流量不大 、 传热负荷较小的场合 。 结构： 直径不同的金属管装配成的同心套管 。 可根据换热要求 串联使用 。 程数可依传热面积的大小而增减 ， 并可数排并列 。 冷 、 热流体一般呈逆流流动 ， 平均传热温差大 ， 并可达到较高 的流速 ， 形成湍流 ， 具有较高的传热系数 。 换热器 5/25 3.列管式 1). 固定管板式 列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点： 单位体积的传热面积 、 处理能力和操作弹性大 ， 适应 能力强 ， 尤其在高温 、 高压和大型装置中采用更为普遍 。 结构： 管束与焊接在壳体的两端管板连接 。 在壳体内 ， 沿管 长方向装置有若干块折流挡板； 优点： 结构简单 、 紧凑 、 造价便宜； 缺点 ： 管外不能机械清洗 ， 管板 、 管子和壳体都是刚性连 接 ， 当管壁和壳壁的温度相差较大时 ， 会产生很大的热应 力 ， 甚至将管子从管板上拉脱 。 解决方法补偿圈 (或称膨 胀节 )。 换热器 6/25 2).U型管式 优点 ：管子受热受冷可以自由伸缩 ， 而与壳体无关 。 结构比 较简单 ， 管束可以拔出清洗 。 缺点 ：管内的机械清洗困难 ， 只能走清洁流体 。 结构： 管子弯制成 U型 ， U型管的两头固定在同一块管板上 ， 与管板连接的封头内用隔板隔成两室 。 3).浮头式 结构： 一块管板与壳体固定 ， 另一块管板可以在壳体内来回 活动 ， 并连接一浮头 ， 当管束受热受冷时即可自由伸缩 。 浮 头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头 。 优点： 有良好的热补偿性能 ， 管束可从壳体中拔出清洗； 缺点： 结构复杂 ， 造价较高 。 换热器 7/25 4-7-2 列管换热器的设计和选用 一 . 列管换热器设计时应考虑的问题 1.流体流道的选择 (1) 不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧 ， 对 于直管管束 ， 一般通过管内 ， 直管内易于清洗； (2) 需通过增大流速提高 h 的流体应选管程 ， 因管程流 通截面积小于壳程 ， 且易采用多程来提高流速； (3) 腐蚀性流体宜走管程 ， 以免管束和壳体同时受腐蚀； (4) 压力高的流体宜选管程 ， 以防止壳体受压； (5) 饱和蒸汽宜走壳程 ， 冷凝液易于排出 ， 其 h 与流速 无关； (6) 被冷却的流体一般走壳程 ， 便于散热； (7) 粘度大 、 流量小的流体宜选壳程 ， 因壳程的流道截面 和流向都在不断变化 ， 在 Re100 即可达到湍流 。 换热器 8/25 2.流体流速选择 安全性 ；强化传热 ()；结垢；压降 (操作费用 )。 换热器 9/25 3.流体两端温度的确定，确定热负荷 冷热流体进出口温度由工艺条件给定。 加热剂：由产生加热剂设备情况及能量利用确定 冷却水：进口由当地气候条件估算，通常 t2-t1=510 ，具 体值根据 水源 情况确定。 4.估算传热面积 K0的估算 换热器 10/25 5.管程数，管子规格和排列方式 管子规格 ：直径有 19 2mm、 25 2.5mm；选用长度： 1.5m、 2m、 3m、 6m等。 换热管与壳径 (L/D)之比： L/D=46。 换热管排列 ：正三角形、正方形直排、正方形错排、同心圆 排列。 管间距 ：胀接法， t=(1.31.5)d0,且 t(d0+6)；焊接法， t=1.25d0。 换热器 11/25 换热器 12/25 管程和壳程数的确定 在标准系列中管程数有 1、 2、 4、 6。采用多管程时，通常应 使每程的管数大致相等，管程数 m=u/u。 u：适宜流体； u：相同传热面积下单管程换热器内的流速。 温差校正系数 t0.8。 由于制造、安装、检修的原因，通常不采用多壳程，可采用 换热器串联代替。 6.外壳直径的确定 2)1( bntD n 1 .1 1 .1 9 n n nn nn 正三角形排列： 正方形排列： b：最外层管的中心与外壳内壁的距离，通常 b=11.5d0。 t：管心距， mm nn：最外六角对角线上的管数； 换热器 13/25 壳体标准尺寸 壳体外径 ,mm 325 400,500,600,700 800,900,1000 1100,1200 最小壁厚 ,mm 8 10 12 14 7.主要附件 主要附件： 管板、封头、分程隔板、导流筒、排气孔、排液 孔、 接管 、阀兰、支座、 折流挡板 、防冲板、膨胀节等。 换热器 14/25 8.材料选用 根据操作压强、操作温度、流体性质等来选用材料。常用 材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜、铝、石墨、聚四氟 乙烯、玻璃等。 10.流体流动阻力的计算 管程流体阻力 对于多管程换热器 ， 流体总阻力应等于各程直管阻力 、 回弯 阻力及进 、 出口阻力之和 （ 通常忽略进 、 出口阻力 ） ： 换热器 15/25 p1 流体流经直管的压力降 ， N/m2； p2 流体流经回弯管时的压力降 ， N/m2； Ft 结垢修正系数 ， 25 2.5mm1.4， 19 2mm1.5； Ns 串联的壳程数； Np 管程数 。 psti NNFppp 21 1)直管压力降 p1 可按流体力学的一般公式进行计算； 23 2 2 up 2)回弯管中的压力降 p2 由下面的经验公式估算： 壳程流体阻力 壳程流体阻力的计算公式很多 ， 但由于壳程流体的流动状况 十分复杂 ， 由不同的公式计算的结果相差较大 。 埃索法 计算壳程压降 p0 的公式： 换热器 16/25 p1 流体横过管束的压力降 ， N/m2； p2 流体通过折流板园缺时的压力降 ， N/m2； Fs 壳程压力降的结垢修正系数 ， 对于液体取 1.5, 对于 气体或可凝蒸汽取 1.0。 ss NFppp 210 通常 ， 液体流经换热器的压力降为 0.1 1atm, 气体为 0.01 0.1atm, 设计时 ， 换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积 之间予以权衡 ， 使既能满足工艺要求 ， 又经济合理 。 二 . 列管换热器的选用和设计计算步骤 1.试算并初步选设备规格 1）确定流体在换热器中的流道； 2）根据任务计算热负荷； 3）选择辅助流体，选换热器型式，确定冷热流体进出口温 度，计算定性温度，查取物性参数； 4）计算平均温度差； 5） 选定 K； 6）计算 S，根据初步计算的 S选换热器。 换热器 17/25 2.计算管程、壳程压降 由初选设备规格计算管程、壳程压降，并检查计算结果是否 满足工艺要求。若不，调整流速、确定管程数和折流挡板， 或选择另一规格的设备，再重新计算。 3.校核 由选定设备计算 i、 0，确定 垢阻 Rsi、 Rs0，计算 K0；计算 tm；计算所需要的传热面积 S0；计算富裕度（换热器实际 的传热面积 ndL / 需要的传热面积 S0） =1.051.1。 流速 安全流速； Tw-Tw 3; 长径比： L/D=46，最大不超过 10. 4.附属设备 1）接管： 按标准系列取整。 0 .5 4 / ( ) d V s u 换热器 18/25 主要参考资料 化学工程手册，换热器设计 ； 钢制列管式固定管板换热器结构设计手 册 ； 化工设备设计全书 ； 化学化工物性数据手册 ； 石油化工设备设计选用手册 ； 化工原理课程设计 换热器 19/25 要 求 固定地点：汇北食堂； 任务书交回； A1图纸一张； 说明书：右侧留空栏标注主要公式和经验 参数选取依据； 换热器 20/25 夹套换热器 换热器 21/25 浸没蛇管换热器 换热器 22/25 喷淋换热器 换热器 23/25 套管换热器 换热器 24/25 固定管板换热器 换热器 25/25 固定管板换热器 换热器 26/25 U形管式换热器 换热器 27/25 浮头换热器 换热器 28/25 折流挡板 作用： 提高管外的给热系数； 形状： 园缺型 、 园盘型 、 分流型等； 挡板的形状和间距必须适当 ， 方能取得良好效果 。 以弓形为 例 ， 缺口的高度一般取为壳体内径的 10-40%， 常见的是 20- 25%。 缺口方向可水平和垂直排列 。 挡板间距过大 ， 流速小 ， 不能保证流体垂直流过管束 ， 管外 h ；间距过小 ， 流动阻力增加 ， 且不便于检修 。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式： 150、 300 和 600 mm 三种规格； 浮头式： 150、 200、 300、 480 和 600 mm 五种规格 。 换热器 29/25 接 管 4 sV d u 计算公式： 计算结果按标准选取！ 换热器 30/25 污垢热阻 系数： 1.163 m2 /W