列管式换热器型号规格参数 列管式换热器的种类

一、列管式换热器的管径和长度对传热过程产生哪些影响

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管壳式换热器也称列管式换热器，是一种以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低等优点，在炼油、石油化工、医药、化工以及其他工业中广泛运用，他适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各方面［1］。本文通过对影响传热系数的因素－换热器结构、流体物理性质和污垢热阻等进行分析，以便在设计过程中合理调整结构参数使换热器提高化热性能，在换热器使用过程中合理维护防止换热性能恶化。

1·传热系数

传热速率方程式［2］:

Q= AKΔtm( 1)

式中: Q———传热速率(冷、热负荷)，W

A———传热面积，m2

K———总传热系数，W·( m2·℃)－ 1

Δtm———平均温差，℃

在传热量Q和冷、热流体温差确Δtm的情况下，设法提高传热系数K可减小传热面积A，即减小换热器的结构尺寸，这一点在工程应用上有重要经济意义。

在绝大部分的化工操作中，两个传热流体是不相互混合的，两流体间的传热是通过管壁进行的。热流体向冷流体传递热量需经过三个过程。即热量通过层流底层的传热过程，热量通过间壁传热的过程，以及热量通过冷流体的层流底层的传热过程［1］。在化工操作过程中，随着时间的推移，作为冷、热流体的介质往往会在传热间壁的两边结垢，这种污垢的存在会影响传热。由于污垢的厚度和导热系数难以获得，因此，在工程一般用一个系数(污垢热阻)来计污垢对传热的影响。故传热系数可以用下式计算:



2·传热系数的影响因素

Nusselt准数关系式:



对于一定的传热面和流动情况，当Re和Pr确定后，强制对流式的Nu也就被决定。强制湍流下对流传热系数的准数关系式［2］:



2. 1列管换热器结构

对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素(引起流动的原因、流动型态和有无相变化等)必然对对流传热系数有影响［2］。Reynolds准数表示惯性力和粘滞力之比，是表征流动状态的准数。



2. 1. 1换热管规格

换热管可选择外径规格在Φ14～Φ57 mm之间标准管。由于小直径换热管具有单位体积传热面积大，换热器结构紧凑，金属耗量少，传热系数高的特点，在换热器结构设计中，对于管程介质清洁、不易结垢的介质，采用小管径管束能有效增加换热面积。在换热面积相同条件下，采用Φ19 mm管束比采用Φ25 mm管束提高流体流速约30%，从而增加了湍流程度。

2. 1. 2管子布局

标准换热器设计规范中规定了四种排列角度。30°和60°排列紧凑，相同壳径下可获得较大传热面积，具有较高的换热系数，但压降较高，且不利于机械清洗。而45°和90°排列适用于需要机械清洗的场合，且压降较小。从传热效果及压降角度分析90°＞ 45°＞ 60°＞ 30°，其中30°和45°使用较多，采用30°排列可以比45°多排列约17%的换热管［3］。根据换热器设计规范要求，管间距t( mm)不应小于1. 25倍管外径，常用的管间距有25 mm(Φ19)和32 mm(Φ25)。

2. 1. 3管程数



为增加换热面积，必须增加换热管数量N，而介质在管束中的流速随着换热管的增加而下降，结果反而是流体的传热系数降低，故增加换热管不一定达到所需换热要求。因此要保持流体在换热管束中较大流速可将管束分成若干程数，使流体依次通过各程换热管，以增加流体流速，提高对流传热系数［4］。换热器常用推荐流速范围见表1。

2. 1. 4壳程内径

换热器通常采用多管程结构，壳程内径可根据经验计算:



2. 1. 5折流板

为增进对壳程流体的扰动、提高壳程流体的对流传热系数，同时支撑换热管束以防止其挠曲变形，在列管式换热器的壳程通常设置有折流挡板，常见有弓形折流板、矩形折流板和圆盘—圆环形折流板，其中以圆缺形(又称单弓形)的构造最简单、对壳程流体的扰动最剧烈、支撑效果最佳，标准列管换热器中多采用此种。国内换热器设计标准规定折流板间距B( mm)最小为1/5壳程直径，且不小于50 mm。建议切割部分高度在0. 2～ 0. 45倍壳体内径，通常选择切割率为20%～ 25%。



通过式( 8)可以看出减小折流板间距B和壳程内径D可以减小壳程流通截面积So，即在流量一定的条件下提高壳程流速，加强扰动。

2. 1. 6折流杆

传统的装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支承结构—折流杆支承结构。

2. 2换热管材质及厚度

换热管常用材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。由于物质导热系数和物质的组成、结构、密度、压力和温度等有关，在工作压力、温度、介质腐蚀性等条件满足的情况下选择导热系数与壁厚比值较大者，即减小壁间传热导热热阻，提高传热系数。

2. 3流体物理性质

导热系数、粘度、比热、密度等对对流传热系数α的值影响也比较大。



Prandtle准数表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物理性质。

2. 4污垢热阻

污垢热阻表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力，又称污垢系数，指换热器换热表面上积有某种污垢(如水垢、污泥、油污和烟灰等)。污垢热阻的逐步形成，必将导致换热器传热系数的相应减小，促使换热器的传热性能日益恶化。对于容易结垢的介质，尽量提高流体流速，换热器间壁应定期清洗，以防止传热系数K值的明显下降。

3·强化传热技术

对于管壳式换热器，强化传热［5－ 6］方法按是否消耗外加功率可分为有源技术( Active Technology)和无源技术( PassiveTechnology)，前者消耗外加能量，后者不消耗能量。后者主要是使传热壁面的温度边界层减薄或调换传热壁面附近的流体。主要有2种实施途径［7－ 10］:( 1)对传热表面的结构、形状适当加以处理与改造;( 2)在传热面或传热流路上设置湍流增进器，或在流体中加入添加剂，特别是加入适当的固体颗粒，不仅强化传热，还可以防垢和除垢。

4·结论

( 1)合理设计换热器结构，对实现工艺过程、提高传热效率、节省能源及降低设备投资等方面有重要意义。因此，设计换热器时应反复计算，综合分析，不断调整优化换热器结构，从而进一步提高整体传热效果，以获得满足工艺要求的最优结果。

( 2)传热系数K总是接近于α小的流体的对流传热系数，且永远小于α的值。因此传热系数K受α小的一侧控制。

( 3)如传热间壁上的污垢很厚时，污垢热阻会大大降低设备的传热效果。因此容易结垢的介质，换热间壁应定期经常清洗，以防止换热器换热效果恶化。

二、急求列管式换热器的课程设计

某生产过程中，需将6000 kg/h的油从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。 1．确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。（2）流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。 2．确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程油的定性温度为(℃)管程流体的定性温度为(℃)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在90℃下的有关物性数据如下：密度ρo=825 kg/m3定压比热容 cpo=2.22 kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.140 W/(m·℃)粘度μo=0.000715 Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据：密度ρi=994 kg/m3定压比热容 cpi=4.08 kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626 W/(m·℃)粘度μi=0.000725 Pa·s3．计算总传热系数（1）热流量 Qo=WocpoΔto=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)（2）平均传热温差(℃)（3）冷却水用量(kg/h)（4）总传热系数K管程传热系数

W/(m·℃)壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)；污垢热阻Rsi=0.000344 m2·℃/W, Rso=0.000172 m2·℃/W管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)

=219.5 W/(m·℃)

4．计算传热面积(m2)考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。 5．工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s。（2）管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数

按单程管计算，所需的传热管长度为(m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为(管程)传热管总根数 N=58×2=116(根)（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数

第2章换热器设计按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.82平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.82×39=32(℃)（4）传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，则 t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数(根)（5）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为(mm)圆整可取D＝450mm（6）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为h＝0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110 mm。取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)折流板圆缺面水平装配。（7）接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u＝1.0 m/s，则接管内径为

取标准管径为50 mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为

6．换热器核算（1）热量核算①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式当量直径，由正三角形排列得(m)壳程流通截面积(m)壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正 W/(m2·℃)②管程对流传热系数管程流通截面积(m2)管程流体流速

普兰特准数W/(m2·℃)③传热系数K

=310.2 W/(m·℃)④传热面积S(m2)该换热器的实际传热面积Sp( m2)该换热器的面积裕度为

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（2）换热器内流体的流动阻力①管程流动阻力∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5

由Re＝13628，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037 W/m·℃，流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m3，所以

管程流动阻力在允许范围之内。②壳程阻力∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNsNs＝l，Ft＝l流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口的阻力

总阻力∑ΔPo＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10 kPa壳程流动阻力也比较适宜。③换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-13。表2-13换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器形式：固定管板式管口表换热面积（m2）:48符号尺寸用途连接型式工艺参数 a DN80循环水入口平面名称管程壳程 b DN80循环水出口平面物料名称循环水油 c DN50油品入口凹凸面操作压力，MPa 0.4 0.3 d DN50油品出口凹凸面操作温度，℃ 29/39 140/40 e DN20排气口凹凸面流量，kg/h 32353 6000 f DN20放净口凹凸面流体密度，kg/m3 994 825附图

流速，m/s 0.497 0.137传热量，kW 366.7总传热系数，W/m2·K 310.2传热系数，W/m2·K 2721 476污垢系数，m2·K/W 0.000344 0.000172阻力降，MPa 0.00173 0.00184程数 2 1推荐使用材料碳钢碳钢管子规格ф25×2.5管数116管长mm:6000管间距，mm 32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm 150切口高度25%壳体内径，mm 450保温层厚度，mm热交换设备

三、列管式换热器的种类

列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）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。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。最高可达10000W/m2℃。同时这种结构实现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的流体通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕流，对流换热系数降低。

据【换热设备推广中心】的资料显示，涡流热膜换热器的最大特点在于经济性和安全性统一。由于考虑了换热管之间，换热管和壳体之间流动关系，不再使用折流板强行阻挡的方式逼出湍流，而是靠换热管之间自然诱导形成交替漩涡流，并在保证换热管不互相摩擦的前提下保持应有的颤动力度。换热管的刚性和柔性配置良好，不会彼此碰撞，既克服了浮动盘管换热器之间相互碰撞造成损伤的问题，又避免了普通管壳式换热器易结垢的问题。

涡流热膜换热器性能特点：

1.高效节能，该换热器传热系数为6000-8000W/m2.0C；2.全不锈钢制作，使用寿命长，可达20年以上,十年内出现换热器质量问题免费更换；3.改层流为湍流，提高了换热效率，降低了热阻；4.换热速度快，耐高温（400℃），耐高压（2.5Mpa）;5.结构紧凑，占地面积小，重量轻，安装方便，节约土建投资；6.设计灵活，规格齐全，实用针对性强，节约资金；7.应用条件广泛，适用较大的压力、温度范围和多种介质热交换；8.维护费用低，易操作，清垢周期长，清洗方便。9.采用纳米热膜技术，显著增大传热系数。10.应用领域广阔，可广泛用于热电、厂矿、石油化工、城市集中供热、食品医药、能源电子、机械轻工等领域。

涡流热膜换热器性能对比：对比项目浮动盘管换热器螺纹管换热器涡流热膜换热器适用介质种类蒸汽、水蒸汽、水弱腐蚀性化工原料、蒸汽、水介质的参数范围温度：0-150度

压力：0-1.0MPa温度：0-150度

压力：0-1.6MPa温度：-40-400度

压力：0-10.0MPa热效率热效率=92%热效率=93%热效率=96%防垢性能自动除垢人工除垢具有防垢功能耐震、噪音振动较大，噪音大振动较小，噪音小振动微弱，噪音小试用寿命 7年左右 10年左右 20年左右维修停机维修，更换管束停机维修，拔管再胀管无需维修列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。