有效地设计壳管式换热器

Southwest Petroleum University G r a d u a t i o n D i s s e r t a t i o nTitle Effectively DesignShell-and-Tube HeatExchangersName ShenWeiSchool Southwest Petroleum UniversityInstructor Raojiyang2011-6-8有效地设计壳管式换热器设计壳管式换热器（STHEs）需要通过先进的计算机软件。

然而，对换热器设计的基本原则，还是需要更好地了解并有效的使用这个软件。

本文阐述器热设计的基本知识，包括以下主题：壳管式换热器元件；根据施工条件和服务对壳管式换热器的分类；管程设计；壳程设计，包括管布局，节流，和壳程压力降；以及平均温差。

管程与壳程的换热与压力降基本方程是很有名的；在这里，我们着眼于这些相关应用的换热器优化设计。

先进的主体关于管壳式换热器设计，如壳程和管程液体的分配，使用多壳程，超标准的污染，将在下一期的随访文章。

壳管式换热器的组成设计师具有良好的知识关于壳管式换热器的机械特性和他们如何影响散热的设计是必不可少的。

壳管式换热器的重要组成部分包括：·外壳；·壳罩；·管；·通道；·通道罩；·管板；·挡板；·喷嘴。

其他组件包括拉杆和垫片，通过分区板，冲击板，纵向挡板，密封条，支持板和基础板。

壳管式换热器制造协会(TEMA)的标准详细描述了这些不同的组成。

壳管式换热器被分为：前部，壳，后部。

图一说明了各项建设的可能性和壳管式换热器制造协会的命名。

换热器是由字母代码描述为三个部分-例如，一个BFL式的换热器具有盖罩，挡板与纵向两通外壳，以及固定管板的后部。

基础设备的分类固定管式一个固定管换热器（图2）有许多直管固定在管板的两端焊接到外壳。

设备具有可拆卸的通道盖(例如，机场快线)，帽型通道盖(例如，边界元)，或者积分管板（例如，荷兰国家标准）。

固定管板结构的主要优点是它的结构简单，成本低。

事实上，固定管板式是最便宜的建造类型，只要无伸缩缝要求。

图1. 壳管式换热器及壳管式换热器的名称其他优点有，去除发动机和通道盖后容易清理管道，而且因为没有法兰接头，这种壳程液泄漏量降到了最低。

这种设计的缺点是由于管束被固定在壳上而且不能拆卸，管道外层不能被机械清洗。

因此，这种方式限制了清洗外壳。

不过，如果有一个令人满意的化学清洗方案可以被采用，则固定管板设备可以被选择清洗外壳上的污垢。

在管和壳之间温差大的情况下，管板无法吸收较大的压力，从而使其纳入了必要的伸缩缝。

这在很大程度上带走了成本低的优势。

U型管式正如其名称所示，U型管式换热器的管被弯曲成U型。

只有一个管壳在U 型换热器里。

不过，对于单管板成本低，抵消了弯曲的管和壳径(最小的U型弯曲半径) 略大引起的额外费用，使得一个U型管换热器的成本比固定管板式换热器高。

该U型管设备的缺点是，该管的内侧不能有效地进行清洗，因为U型弯将需要灵活高端的钻轴来清洗，因此，U型管换热器不应使用于管内液体比较脏的场合。

浮头式浮头式换热器是最多种类型的壳管式换热器，也是最昂贵的。

在这个设计中，管板是相对固定的外壳，另一种是自由地“浮”在外壳上。

这允许自由膨胀的管束，以及管内外的清洗。

因此，浮头式换热器可用于管程和壳程流体比较脏的场合，使这个标准的设备类型在肮脏的环境下可以使用，例如在石油精炼厂。

浮头式结构有不同的类型。

两种最常见的是拉通（TEMA T）的后背设备和拉通（TEMA T）的设计。

TEMA S 的设计（图4）是在化学过程工业（CPI）的最常见的配置。

浮头盖是对浮动管板通过螺栓固定一个巧妙的分开支持环。

这个浮头法兰位置超出了外壳并在一直径较大的壳盖内。

拆换热器，先拆除壳盖，然后再分开支持环，然后浮动顶盖在管束可以静止结束后拆除。

在TEMA T设备中，整个管束，包括浮动磁头组件，可以移出平稳结束，因为外壳直径大于浮头法兰大。

浮头盖螺栓直接焊接到浮动管板以便于不分开支撑环。

这个设备的优点是管束可以从外壳上被移除而不用拆除外壳或者浮头盖，因此缩短了维修时间。

这种设计特别适合于U型管不能工作的地方，加热介质比较污浊的地方。

由于扩大了外壳，这个设备是成本最高的换热器形式。

图2. 固定管板式换热器图3. U型管换热器还有两种类型的包装浮头结构—外装填料式（TEMA P）和外装套环式（TEMA W）（见图1）。

然而，因为他们很容易泄漏，其使用仅限于壳液是无毒，无害并具有适度的压力和温度（40kg/cm2 和300℃）。

基于适用介质的分类基本上，介质可能是单相（如冷却或加热的液体或气体）或者两相（如冷凝或蒸发）。

由于双方有一个STHE，这可能导致几种组合的介质。

从广义上讲，服务可分类如下：·单相（包括壳程和管程）；·冷凝（一边冷凝和其他单相）；·汽化（一种汽化和另一边单相）；·冷凝/蒸发（一边冷凝和另一边蒸发）。

下列通常用于：换热器：两边单相和过程流（即不实用）。

冷却器：过程流体和其他冷却水或空气。

加热器：过程流体和其他实用程序，如热蒸汽或热油。

冷凝器：一个冷凝蒸汽和冷却水或空气等。

冷水机组：过程是在流体分大气温度和沸腾的制冷剂或其他浓缩过程。

再沸器：从蒸馏塔和其他热点的公物（蒸汽或热油）或一个过程底流。

本文将具体侧重于单相的应用。

设计数据在讨论实际的散热设计之前，让我们看看数据，在设计开始之前必须通过过程提供数据：1.同时流量流。

2.同时进口和出口温度流。

3.操作两个压力来源。

这是必要的气体，尤其是如果不提供气体密度；它不是真的有必要为了液体，作为它们的物体与压力无关。

4.允许压降流。

这是一个非常重要的换热器设计参数。

一般而言，对于液体每个外壳为0.5-0.7kg/cm2 的允许值。

较高的压降一般为粘性液体，尤其是在管程。

对于气体，允许的值一般为0.05-0.2 kg/cm2 ，典型的为0.1 kg/cm2 。

5.污垢对于两个电阻流。

如果这是不得出，设计者应采取指定的TEMA标准或根据过去的经验。

6.物理性能平均流。

其中包括粘度，导热系数，密度，最好在两个入口和出口温度比热。

粘度数据必须提供进口和出口温度，特别是液体，因为随温度的变化可能会相当打，是不规则的（既不线性或对数）。

7.热负荷。

规定应该是壳程和管程保持一致。

8.换热器方式。

如果不能选择，设计者可以选择基于此如前所述的各类设备的特点。

事实上，设计师通常在一个更好的位置比工程师。

9.行的大小。

这是可以选取的，以配合喷嘴口径大小，以避免扩张器或缩影。

然而，对于喷嘴尺寸通常比标准的线路严格，特别是对壳程入口。

因此喷嘴大小有时必须是一个大小（或在特殊情况下甚至更多），比相应的线路，尤其是规模较大的线路。

10.首选管大小。

被指定为管外径尺寸“厚”的长度。

一些工厂的业主有一个首选外径的厚度（通常是基于库存的考虑），并可用绘图区将决定最高管长度。

许多使用者喜欢规范所有三个方面，是对库存的考虑。

11.最大壳程直径。

这是根据管束删除要求，由于起重机的能力有限。

这种限制只使用语带有可拆卸管束，即U型管和浮头交换。

对于固定管板式换热器，唯一的限制是制造商的制造能力，例如管尾和法兰。

因此，浮头换热器往往局限于外壳的I.D.的1.4-1.5米，和6米或9米长度的管，而固定管板换热器，管壳长度可以有高达3米，管长度可达12米或更大。

12.结构材料。

如果管和外壳都是相同的材料制成，则所有元件应该对这种材料。

因此，只有设计管壳材料需要更加以明确。

但是，如果外壳和管道是不同的材料，所有主要部件的材料应当指明，以避免任何含糊之处。

主要成分是外壳（壳盖），管，通道（通道盖），管板和挡板。

管板可能内衬或包装。

13.特殊的考虑。

这些包括运输，条件，物色新的营运情况，以及是否连续或间歇操作。

管程设计管程计算很简单，因为管程流代表了一个圆形管道流过简单的例子。

传热系数和压力降均与管程速度不同，后者也更强烈。

一个好的设计将在允许的压降尽其所用，因为这会产生更高的传热系数。

如果所有的管程流体流过了有的管（单通管），它会产生一定的速度。

通常情况下，这个速度是低的无法接受的，因此不得不增加速度。

通过在通道上设置分区板（包括适当的衬垫），使得管程流体流过管子综述的一小部分许多次。

因此，在换热器里有两百根管子和两个通道，流体一次流过一百根管子，如果只有一个通道换热器速度将变为两倍。

通道管的数量通常是一，二，四，六，八等。

传热系数管程的传热系数是一个雷诺数常数，普朗特常数和管径的函数。

这些可以被分解成一下的基本（即：物理特性粘度、热导率、比热）；管径以及非常重要的最大速度。

液体粘度变化是相当可观的；因此这个物理性质对传热系数有戏剧性的影响。

对内管湍流传热的基本方程：0.80.330.027(Re)(Pr)u N = (1)a0.80.3(/)0.027(/)(/)h D k D G c k μμ= (1)b 整理得：0.80.33h = 0.027(DG/m)(cm/k)(k/D) (1)c粘度影响传热系数通过两种对立的方式，作为雷诺常数的一个参数，并作为普朗特常数的一个参数。

因此，来自Eq.1c:0.330.8h ()αμ- (2)a0.47h ()αμ- (2)b 换句话说，传热系数反比于粘度0.47倍。

同样，传热系数正比于导热系数0.67倍。

这两个现象导致一些关于热量转移的有趣共性。

高导热促进更高的传热系数。

因此，冷却水（导热系数约为0.55千卡/h ·m ·℃）有一个极高的传热系数通常有6000千卡/h ·m 2·℃，其次是碳氢化合物（导热系数介于0.08至0.12千卡/h ·m ·℃）250-1300千卡/h ·m 2·℃，然后烃气体（导热系数 0.02至0.03千卡/h ·m ·℃）在50-500千卡/h ·m 2·℃。

氢是一种不寻常的气体，因为它有一个特别的优良的热传导性（比碳氢化合物液体的好）。

因此，它是的传热系数是油气液体的范围的上限。

图4.通过浮头式换热器的支持设备（TEMA S ）图5.通过浮头换热器（TEMA T）传热系数的范围相当大的油气是由于液体的粘度发生大的变化，由少于0.1cP对乙烯和丙烯，超过1000或更多的cP沥青。

传热系数变化大的碳氢化合物气体归因于操作压力的变化大。

操作压力上升时，气体密度增大。

压降正比于第二基本形式模长平方的质量成反比的速度和密度。

因此，出于同样的压降，高速可以维持较高的密度。