管壳式换热器的设计.pdf

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1、754化工机械2014年管壳式换热器的设计王萌萌+4李彩霞‘许世峰8王斯民8文键“(西安交通大学，a．化学工程与技术学院；b．能源与动力工程学院)摘要介绍了管壳式换热器的设计步骤，包括传热设计和结构设计。解决了壳程压力为负压时需要注意的相变时传热系数的确定及静电板的设计等问题。通过分析，使换热器的设计更加规范化而且可以有效提高换热器的换热性能，为换热器的设计和发展提供了指导性的意见。关键词管壳式换热器传热设计壳程负压静电板中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2014)06-0754-04管壳式换热器的应用历史悠久，

2、具有选材范围广、清洗较方便、适应性强、处理能力大、易制造、成本低及能承受高温、高压等特点。因此在化工、石油、能源、冶金、机械及建筑等行业的应用中仍处于主导地位⋯，达到换热器使用总量的90％。长期以来，国内外学者对管壳式换热器做了大量研究，分析了影响管壳式换热器性能的各种设计过程和几何结构因素，如管板间隙、支座的设置、折流板间距、折流板开口率及换热管排列方式等问题。但是在设计过程中依然存在很多问题是标准中不常提到的，这些也需要引起注意。换热器设计的好坏直接影响到它是否可以长期安全稳定的操作。笔者介绍了管壳式换热器设计的基本步骤和设计过程中几个需

3、要注意的问题。1管壳式换热器的设计步骤1．1传热设计传热设计首先应该根据已知的工艺条件(管壳程的流动介质、进出口温度及流体流量等)确定冷热流体的物性参数，即由介质的定性温度查取密度、定压比热、热导率和动力粘度。初步确定换热器的换热面积和结构尺寸，并对换热器的管程换热系数和壳程换热系数分别进行计算。然后是工艺数据的确定：如未知流体流量、流径、流速、污垢热阻、总的换热系数及允许的压力降等。由热负荷的确定计算出未知流体的流量。流径的选取要考虑到压力、温度、结垢和清洁性的问题。压力、温度较高和易结垢的流体走管程，可以减少壳体的厚度，节省材料，便于控制

4、和清洗，且高温流体会降低材料的许用应力，高温流体走管程可节省保温层、减少壳体的厚度。对于流速的选择，不同的流体与相应的流速范围，可参考相关书籍"-。一般来说，流速越高，换热系数越高且可以防止结垢。但是流速越高会引起相应的压力降增大，设备的动力消耗增大，同时在高流速横向流的冲击下，管子容易发生振动。因此应结合各侧的换热系数和压力降情况进行综合考虑。污垢热阻可参考GB151-1999附录F中污垢热阻的值确定∞J。传热系数的确定可根据查取的物性参数按照设计手册上相关的公式进行计算核对，有相变的传热膜系数可参考有相变换热器壳程介质换热系数来确定，这里

5、不再详述。进一步需要确定换热器的结构数据：壳体形式、管程数、管子排列及折流板形式等。这些参数的确定在GB151．1999和设计手册中都有明确的标准。在管程流量较小的情况下，可以增加管程数，增大管程流体流速，得到更好的换热效果。布管方式主要有等边三角形、正方形及同心圆布管等，等边三角形布管时管子数目更多，相应换热面+王萌萌，女，1991年4月生，硕士研究生。陕西省西安市，710049。第4l卷第6期化工机械755积更大，而正方形布管时，管子数量相对较少，便于清洗。折流板的形式有单弓形、双弓形及三弓形等，在工程中一般换热器用单弓形折流板的较多‘引

6、。1．2结构设计根据传热设计的结果进行换热器结构的确定，主要包括：管箱、管板、接管、支座、膨胀节及静电板等的设计”1。主要依据GB151．1999和钱颂文主编的<换热器设计手册》中的相关标准来进行设计。管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管并把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。管箱主要结构形式有：A型(平盖管箱)、B型(封头管箱)、C型管箱(用于可拆管束与管板做成一个整体)和N型管箱(与管板制成一体的固定管板管箱)。其中B型管箱方便制造，适于高压、清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和

7、几十对螺栓，且椭圆型封头受力情况要比平端盖好得多。所以在一般设计过程中，DN。<400mm时选取平盖管箱，500ram≤DN≤800ram时为平盖管箱和封头管箱，推荐使用封头管箱。DN，>900mm时为封头管箱¨1。管板的设计中，管孔中心距的设计一般不得小于1．25倍的换热管外径。对于分程隔板槽两侧相邻管孔中心距要求不小于中心距加上隔板槽宽度。布管区的最大直径必须小于布管限定圆的要求，以便于安装和制造。膨胀节是由一个或几个波纹管及结构件组成的用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的设备尺寸变化的部件。在管板的计算中，按有温差的各种工况计算出的壳体轴向

8、力、换热管轴向应力、换热管和管板之间的连接拉脱力中，有一个不能满足强度条件时，就需要设置膨胀节。对于立式换热器，膨胀节应尽量设置于支座的下方，使设备重心尽量低于支座