换热器基本知识

1设计任务书 1.1设计任务 原始数据： 1）氯苯，二氯苯 处理量 ：体积流量Vh=20000 m3/h 操作压强 ：1.3Mpa（绝对压） 空气进口温度 ：25 ℃ 出口温度 ：140℃ 2）冷却剂 ：常温下的水 水进口温度： 180 ℃ 出口温度： 75 ℃

1.2设计项目 1) 确定设计方案，确定换热器型式，流体流向和流速选择，换热器的安装方式等。 2) 工艺设计：换热器的工艺计算和强度计算，确定加热剂用量，传热系数，传热面积，换热管长，管数，管间距，校对压降等。 3) 结构设计：管子在管板上的固定方式，管程分布和管子排列，分程隔板的连接，管板和壳体的连接，折流挡板等。 4) 机械设计：确定壳体，管板壁的厚度尺寸，选择冷却器的封头、法兰、接管法兰、支座等。 5) 附属设备选型。

1.3 设计图 1）主体设备图 2）平面布置图 3）工艺流程图

2 设计说明书

2.1.1 换热器概述 本设计任务是利用蒸汽给氯苯和二氯苯加热。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。 换热器的类型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，如表2-1所示。 表2-1 传热器的结构分类 类型 特点

间 壁 式

管 壳 式

列 管 式

固定管式 刚性结构

用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间

不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难

填料函式 外填料函

管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力

较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮

双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中

套管式 能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器

螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝

板面式

板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热

螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能

伞板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净

板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触

蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合

选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。不同的换热器适用于不同的场合。换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检修与清洗要求等。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。

2.1.2 列管式换热器 在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。

2.1.3 固定管板式换热器

这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50℃以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6×105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。 2.2设计要求 完善的换热器在设计和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：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。 （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，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。 （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拆卸，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：在一定时间内（通常1年内的）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，这一标准就尤为重要了。

2.3 换热器内冷热流体通道的选择 冷、热流体流动通道的选择的一般原则： 1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 3）压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。 4）饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速 无关，而且冷凝液容易排出。 5）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。 6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。 7）需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。 综上所述本换热器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。 （1）因为热空气的操作压力达到1.3Mpa，而冷却水的操作压力取0.2Mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量； （2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。 （3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。

2.4 流体流速的选择 流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。 表3—1列管式换热器内常用的流速范围 表3—2不同粘度液体流速

2.5 换热管的选择 选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。 我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。 在此项目设计中选择换热管的规格为φ25×2.5碳钢管 2.6 流体进出口温度的初步确定 管内流体（氯苯，二氯苯）： 体积流量：Vh=20000m3/h=5.56m3/s（标准状态） 进口温度：t125℃ 出口温度：t2=140℃ 操作压力：Ph=1.3Mpa 设计压力：Pdh=1.4Mpa 管外流体（蒸汽）： 进口温度：T1=180℃ 出口温度：T2=75℃ 操作压力：Pc=0.2Mpa 设计压力：Pdc=0.3Mpa 3 设计方案

3.1 设计参数 3.2 热量衡算 （1）计算和初选换热器的规格 计算冷流体负荷，蒸汽用量 式中 ：W---流体的质量流量，kg/h； 错误！未找到引用源。----流体的平均定压比热，kJ/(kg•℃); T----热流体温度，℃； t----冷流体温度，℃； （下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2表示热交换器的进口和出口）式3-29是热交换器的热量衡算式，也称为热平衡方程。