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管壳式换热器的设计 1 绪论
换热器是化工、石油、制冷、食品、动力等其他许多工业部门中广泛使用的热量交换设备。它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占重要的地位[1]。并伴随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重视,从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃,一些新型高效换热器相继问世。换热设备种类很多，一般根据传热方式的不同可分为三类：混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。本次设计的管壳式换热器属于间壁式换热器的一种，这类换热器是目前工业上应用最为广泛的一种换热器。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。但无论是哪种换热设备，高传热效率、低流动阻力、合理紧凑的结构、可靠的强度、低制作成本、安修方便仍然是衡量换热器性能的基本标准[2]。
目前，在换热器中，应用最多的是管壳式换热器，它是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器。虽然管壳式换热器在结构紧凑性、传热强度和单位传热面的金属消耗量方面无法与板式换热器相比，但其适用的操作温度与压力范围较大、制造成本低、清洗方便、处理量大、工作可靠，长期以来，人们已在其设计和加工方面积累了许多经验，使其在工业生产中得到了广泛应用。
管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、折流板和封头等组成。在管壳式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，管壳式换热器可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式等类型。
管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热、研发适应各类腐蚀性介质的新材料以及在结构上向着高温、高压、大型化方向发展。
管壳式换热器作为种传统的标准换热设备，它虽然在换热效率、设备的体积，金属材料的消耗量等力而小如其他新型换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在化工、石油化工、炼油、动力、核能和其他行业装置中得到普遍采用，特别是在高温、高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。
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榆林学院毕业论文 2 工艺条件的选择
2.1管壳式换热器类型的选择
常见的管壳式换热器类型很多，目前在工业中广泛使用的主要有以下四种： （1）固定管板式换热器 这类换热器的主要特点是它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，而且紧凑排列，因此壳程检修和清洗困难，所以壳程中走的必须是易清洗，不易产生垢层和腐蚀的介质。当管束和壳体之间温差较大时会产生热膨胀，导致管子和管板之间脱开，从而发生介质泄露。为此常在外壳上焊膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。所以这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合
[1]
。
（2）浮头式换热器 该类换热器的管束膨胀不受壳体的约束，所以壳体与管束间
不会由于膨胀量而产生热应力，而且清洗容易，所以它通常适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀或结垢的场合。该类换热器结构复杂且笨重，造价比固定管板式高20%左右，材料消耗量大，而且浮头的端盖在操作在无法检查。所以在制造和安装时要特别注意其密封，以免发生泄漏，管束和壳体的间隙较大，在设计是要避免短路。至于壳程的压力也受滑动接触面的密封限制。
（3）U型管式换热器 该类换热器的管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速高，传热性能好，且结构简单便于检修，但管内清洗不便。又因其管束中间部分存在空隙，使壳程流体易于短路而影响换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用管壁较厚的管子。所以该类换热器仅适用于管壳壁温相差大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢、高温、高压的场合。
（4）填料函式换热器 这类换热器的结构特点是浮头与管壳间被填料函密封的同时，允许管束自由伸长，这种结构特别适用于介质腐蚀性较严重，温差较大且要经常更换管束的冷却器。因为它有浮头式的优点，又克服了固定管板式的不足，结构比浮头式的简单，制作比浮头式方便，清洗检修比浮头式容易，泄漏时能及时发现。但这种换热器的填料密封性能较差，故在操作温度压力较高的工况及大直径壳体下很少使用。壳程内介质具有易挥发、易燃、易爆及剧毒性质时也不宜使用。
本次设计两流体温度变化情况：热流体进口温度205，出口温度175；冷流体（甲醇）进口温度40，出口温度60。该换热器使用甲醇冷却，换热器操作时压力4.0MP，考虑到这一因素，估计换热器的操作压力，因此初步选定U型管式换热器。
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管壳式换热器的设计 2.2流体流径管程和壳程的选择
在非相变流体传热的列管式换热器中，流体流径管程和壳程的选择主要从以下几方面考虑[4]：
（1）不易结垢的或不洁净的物料应当流经易于清洗的一侧。
（2）温度很高（或很低）的物料宜走管内宜减少热量（或冷量）的损失，也可减少对特种金属的需求，降低换热器成本；但要求被冷却的流体宜走壳程，便于散热。 （3） 有腐蚀的流体应在管内流过，以避免管束和壳体同时受到腐蚀。
（4） 压力高的流体流经管内，因为管直径小，承受高压能力好，同时避免高压外壳和高压密封，也降低了成本[9]。
（5）饱和蒸汽一般通入壳程，因饱和蒸汽比较清洁，传热系数与流速关系较小且又便排除洁净冷凝液。
（6）被冷却物料一般走壳程便于散热。
上述原则可能相互对立，在实际的使用中要根据对实际情况的具体分析来选择流体的流径。例如，首先从流体的压力，腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出恰当的选择。
2.3流体流速的选择
当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热面积减少，结构紧凑成本较低，一般也可抑制污垢的产生。但流速过大也会带来一些不利的影响。如流速过大会使通过换热器的压力将增大，输送流体的动力消耗增加。从而提高了操作费用。因此，要选取比较适宜的流速，需经过全面分析比较才能确定。换热器常用流速的范围见表2-1[1]和表2-2[1]。 表2.1 换热器常用流速的范围 介质 流速 管程流速m/s 壳程流速m/s 表2.2 管壳式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速 液体名称 安全流速 m/s
乙醚、二氧化硫、 苯
<1
甲醇、乙醚、汽油
<2～3
丙酮 <10
空气 ≤8
一般 液体 0.5～3
易结垢液体 >1.0 >0.5
低粘 度油 0.8～1.8 0.4～1.0
高粘 度油 0.5～1.5 0.3～0.8
循环水 1.0～2.0 0.5～1.5
新鲜水 0.8～1.5
气体 5～30 2～15
0.5～1.5 0.2～1.5
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榆林学院毕业论文 2.4加热剂和冷却剂的选择
可以用作加热剂和冷却剂的物料很多，列管式换热器常用的加热剂有饱和水蒸气、烟道气和热水等，常用的冷却剂有水、空气和氨等。在选择加热剂和冷却剂时主要考虑来源方便，有足够温差，价格低廉，使用安全等因素。
本次设计是热量的一种回收利用，加热介质碳酸丙烯酯，冷却剂甲醇。
2.5适宜出口温度的选择
换热器的设计中，工艺流体的进出口温度是由工艺条件决定，加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的，但其出口温度由设计者选定。该温度直接影响加热剂或冷却剂的耗量和换热器的大小，所以此温度有一个优化问题。
2.6设备材质与规格的选择
换热管的材料要根据操作压力，温度强化传热也可采用异型管，翅片管，螺纹管等。一般换热器常用的材料有碳钢和不锈钢两种。
（1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。
（2）不锈钢 这类材料有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐蚀性和冷加工性能。 本次设计中物料碳酸丙烯酯为产品，甲醇为原料，故该U型管式换热器的管程与壳程均选用不锈钢材料。
换热器的管子构成换热器的传热面，管子的大小和形状对传热有较大影响[8]。针对管子中所流物体情况采用大或小直径管子，若用小直径管子时换热器单位体积的传热面积大，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也稍高，但制造麻烦，且易积污，不易清洗，应用于清洁的流体。大管子则用于粘性大或污浊的流体。常用换热管规格有φ19 ?2mm、φ25 ?2.5mm（不锈钢）。小的管径可以承受更大的压力；且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可以排列较多的管子，因此，单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。结合合设计任务与操作条件分析，我们选用φ25?2.5mm（不锈钢）作为换热器的传热管。
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