1、管殼式換熱器工藝選型LOGO目錄管殼式換熱器概述管殼式換熱器工藝選型設計影響管殼式換熱效果的因素123 在石油化工生產過程中常常需要對物流進行加熱或冷卻操作，即熱量的傳遞。 導熱、對流和輻射是傳熱的三種基本方式，傳熱過程通常是兩種或三種基本方式的組合。 在各種換熱器中，由于管殼式換熱器單位體積內能提供較大的傳熱面積，工作可靠、傳熱效果比較好、適應性較強，因此是生產應用最廣泛的換熱設備。 管殼式換熱器是最常見的換熱設備。管殼式換熱器通常有固定管板、U形管、浮頭式三種形式。1. 管殼式換熱器概述1.1 固定管板換熱器l主要組成：殼體、管板、管束、管箱（又稱封頭）l在圓形外殼內，裝入平行管束，管束兩

2、端用焊接或脹接的方法固定在管板上，兩塊管板與外殼直接焊接，裝有進口或出口管的管箱用螺栓與外殼兩端法蘭相連。l特點：結構簡單，沒有殼側密封連接，相同的殼體內徑排管最多，在有折流板的流動中旁路最小，在各種管殼式換熱器中它的管板最薄，造價最低。l缺點：殼程清洗困難，有溫差應力存在。當冷熱兩種流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料膨脹系數相差較大，熱應力超過材料的許用應力時，在殼體上需設膨脹節，由于膨脹節強度的限制，殼程壓力不能太高。適用場合：這種換熱器適用于兩種介質溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高，及殼程介質清潔，不易結垢的場合。1.2 U形管換熱器l主要組成：殼體、管板、U形管束、管箱（又稱封頭

3、）l由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U 形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。l特點：管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強；管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。l缺點：管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。適用場合：僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介

4、質易結垢而管程介質清潔及不易結垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。1.3 浮頭式換熱器l主要組成：殼體、管束、固定管板、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、管箱等l特點：管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；介質間溫差不受限制；可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450，壓力小于等于6.4MPa；浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況，在安裝時要特別注意其密封。（鉤圈一般都為對開式結構，要求密封可靠，結構簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。）l缺點： （1）小浮頭易發生內漏； （2）金屬材料耗量大； （3）結構復雜，成本最高.適用場合：適用面廣泛，管內外均可承受高溫高壓，常用于管殼壁溫相差較大、管內外都需要清洗的情形。

5、目錄管殼式換熱器概述管殼式換熱器工藝選型設計影響管殼式換熱效果的因素1232.1 設計考慮的因素 設備結構的選擇 管殼程流動的確定 換熱終溫的確定 流速的選擇 允許壓力降的選擇 換熱設備的類型很多，對每種特定的傳熱工況，通過優化選型都會得到一種最合適的設備型號。如果將這個型號的設備使用到其他工況，則傳熱效果可能有很大的改變。因此，針對具體工況選擇換熱器類型，是很重要和復雜的工作。對于管殼式換熱器，有以下因素值得考慮。2.1.1 設備結構的選擇 對于一定的工藝條件（造價、清洗、維護等），首先應確定設備的形式，如選擇固定管板、U形管或浮頭式。當形式確定后，需要確定換熱設備的具體結構。 管子類型：光

6、 管 適用于任何條件. 螺紋管適用于管外膜傳熱系數相當于管內膜傳熱系數1/3-3/5. 波紋管適用于管內膜傳熱系數低于管外膜傳熱系數 3/5以下， Re低的 場合. 管子排列方式：30 、（60 ）、（90） 、45 （布管多17%；易清洗） 管長及管徑：國家標準中管長有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六種，其中 以3m和6m 更為普遍（殼徑較大的換熱器采用較長的管子更為經 濟）。碳鋼：25*2.5 不銹鋼：19*2.0 、25*2.0 殼徑：325-1800mm 2.1.2 管殼程流動的確定 主要依據兩流體的操作壓力和溫度、可以利用的壓力降、結垢和腐蝕特性，以及所需設備材料的選擇等

7、方面，考慮流體適宜走哪一程。下面的因素可供選擇時考慮： (1)不清潔或易結垢的流體宜走容易清洗的一側。對于直管管束，宜走管程；對于U形管管束，宜走殼程。 (2)壓力高的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。 (3)腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時被腐蝕。 (4)兩流體溫差較大時，對于固定管板式換熱器，宜將對流傳熱系數大的流體走殼程，以減小管壁和殼體的溫差，減小熱應力。 (5)為增大對流傳熱系數，需要提高流速的流體宜走管程，因管程流通截面積一般比殼程的小，且做成多管程也叫容易。 (6)黏度大或者流量較小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，在低Re下（Re100）即可達到湍流。 (7)蒸汽冷凝

8、宜在殼程，以減小排除冷凝液。 (8)需要冷卻的流體宜選殼程，便于散熱，以減少冷卻劑用量。但是溫度很高的流體，其熱能可以利用，宜選管程，以減少熱損失。 (9)關鍵壓力降控制的流體宜選殼程。2.1.3 換熱終溫的確定 換熱終溫一般由工藝過程的需要確定。當換熱終溫可以選擇時，其數值對換熱換熱終溫一般由工藝過程的需要確定。當換熱終溫可以選擇時，其數值對換熱器是否經濟合理有很大的影響。器是否經濟合理有很大的影響。如用冷水冷卻一熱流體，冷水的進口溫度可根據當地的氣溫條件作出估計，而其出口溫度則可根據經濟核算來確定：為了節省冷水量，可使出口溫度提高一些，但是傳熱面積就需要增加；為了減小傳熱面積，則需要增加冷

9、水量。兩者是相互矛盾的。工業冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45，因為工業用水中所含的部分鹽類（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4 等）的溶解度隨溫度升高而減小，如出口溫度過高，鹽類析出，將形成傳熱性能很差的污垢，而使傳熱過程惡化。如果是用加熱介質加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質的出口溫度。 另外在確定物流出口溫度時，不希望出現溫度交叉溫度交叉現象，即熱流出口溫度低于冷流出口溫度。如果工藝流程中需要，則必須選擇多臺串聯形式。2.1.4 流速的選擇 增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻污垢熱阻，使總傳熱系數增大，從而

10、可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經濟衡算才能定出。 此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的要求。選擇高的流速，使管子的數目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變為多程使平均溫度差下降。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。工業上常用的流速范圍見右表：2.1.5 允許壓力降的選擇 選擇較大的壓力降可以提高流速，從而增強換熱效果減少換熱面積。但是較大的壓力降也使得泵的操作費用增加。合適的壓力降需要以換熱器年總費用年總費用為目標，反復調整設備尺寸，進行優化計算而得出。換熱器管程及

11、殼程的流動阻力，常常控制在一定允許范圍內。若計算結果超過允許值時，則應修改設計參數或重新選擇其他規格大換熱器。操作情況操作壓力合理的壓力降減壓操作P0100Kpa(絕)P/10低壓操作P070Kpa(表)P/2P70 1000Kpa(表)35Kpa中壓操作(包括用泵)P1000 3000Kpa(表)35180Kpa較高壓操作P3000 8000Kpa(表)70 250Kpa2.2 管殼式換熱器計算方法 換熱器熱傳遞過程一般分為三種方式，即傳導、對流和輻射，一般換熱器熱傳遞經常是三種方式同時存在，但根據不同場合，往往是一種方式占主導，在工業中使用的換熱器無論何材料和結構一般三者并存。主要的傳熱是

12、熱介質通過壁傳遞給冷介質，即熱介質先傳遞給壁，再由壁傳遞 給冷介質，這一過程既有對流又有傳導傳熱，這就是換熱器傳熱的基本理論。 作為換熱器傳熱計算方法的理論根據是從熱傳遞量化發展而來的。目前傳熱計算方法通常采用柯恩法（Kern）和貝爾法（Bell）兩種。柯恩法柯恩法是五十年代發展起來的，主要是把換熱器作為一個整體處理，除了傳熱以外，同時將流動、溫度分布、污垢及結構等問題一并在計算方法中考慮，同時還將兩項流理論包括到計算方法中。 貝爾法貝爾法是六十年代初期，經過大量試驗基礎上引入流路校正系數而研究的一種傳熱計算方法，是一種半分析方法，貝爾法更精確的解決了換熱器殼程的傳熱計算方法。（一）傳熱計算的

13、基本方程式（一）傳熱計算的基本方程式（二）基本關系式中各項數值的計算（二）基本關系式中各項數值的計算2.有效平均溫差有效平均溫差Tm對數平均溫差 (t1- t2)/ln(t1/ t2) P溫度效率 (t2-t1)/(T1-t1) R溫度相關因數 (T1-T2)/(t2-t1) FT溫差校正系數 FT值不得小于0.8，否則一方面換熱面積增加較多，另一方面在低于0.7時，操作溫度略有變化就可以使FT值急劇降低，影響操作的穩定性。如果FT值低于0.8后，應該增加殼程串聯數，或者重新調整冷熱物流的出口溫度。（二）基本關系式中各項數值的計算（二）基本關系式中各項數值的計算3.總傳熱系數總傳熱系數（二）基

14、本關系式中各項數值的計算（二）基本關系式中各項數值的計算4.換熱面積換熱面積按 A=Q/ (KTm) 計算。 按照就近的原則從國家標準系列里選取，然后根據K的計算方法進行校核校核計算。（二）基本關系式中各項數值的計算（二）基本關系式中各項數值的計算（3）一般工藝設計步驟）一般工藝設計步驟1、確定工藝設計條件、確定工藝設計條件（3）一般工藝設計步驟）一般工藝設計步驟2、初步選型和詳細計算、初步選型和詳細計算計算熱負荷Q: 當介質為非油品時，按給定的進出口比熱、進出口溫度和流量求出熱負荷;當介質為油品時，參考下表計算進出口溫度下的焓差。計算對數平均溫差Tm.根據冷熱物流的特性，選取經驗的傳熱系數K.根據傳熱基本方程式，求出總傳熱面積A.根據總傳熱面積A和用戶要求的換熱器類型，在換熱器標準系列里選擇合適的設備型號；進行有效平均溫差校正系數、傳熱系數和壓力降的詳細計算。檢查計算總傳熱系數與選用總傳熱系數的相對誤差，如果大于25%，調整總的傳熱系數的經驗選用值，返回重新計算；檢查管殼程壓力降結果，如果超過給定的允許壓力降