列管式换热器设计心得

列管式换热器设计心得（精选7篇）

列管式换热器设计心得 篇1

食品工程原理课程设计

设计题目：列管式换热器的设计

班级：

设计者：

学号：

设计时间：2013 年 5 月 12 日~19 日

指导老师： 食品工程原理课程设计

目录

1.1 概述.............................................................................................................................................3

1.2 换热器的结构与类型..................................................................................................................3

1.2.1 列管式换热器的基本构型与流体行程.....................................................................................4

1.2.2 列管式换热器的类型.................................................................................................................5

1.3 列管式换热器的主要部件...........................................................................................................7

1.3.1 换热管.........................................................................................................................................7

1.3.2 管板.............................................................................................................................................9

1.3.3 封头、管箱、分程隔板.............................................................................................................9

1.3.4 折流挡板的选用.......................................................................................................................10

1.3.5 其他主要部件...........................................................................................................................10

1.4 固定管板式换热器的优点.........................................................................................................11

1.5 确定设计方案............................................................................................................................12

1.5.1 选择换热器的类型...................................................................................................................12

1.5.2 流体流动途径的选择...............................................................................................................12

1.6 传热过程工艺计算....................................................................................................................13

1.6.1 冷热流体的物理性质...............................................................................................................13

...............................................................................................................14 1.6.2 传热面积的初步计算

1.7 核算...........................................................................................................................................16

.......................................................................................................................16 1.7.1 传热系数的计算 1.7.2 核算传热面积 A0......................................................................................................................19 1.7.3 核算压力降...............................................................................................................................20 1.6.3 结构设计及计算........................................................14

1.8 主要附属件的选定....................................................................................................................23

1.8.1 接管直径...................................................................................................................................23

1.8.2 封头的选用...............................................................................................................................24

1.8.3 管板的选择...............................................................................................................................24

1.8.4 管板与管子连接.......................................................................................................................25

1.8.5 管箱的选择...............................................................................................................................25

1.8.6 定距管.......................................................................................................................................26

1.8.7 拉杆的选择及数量...................................................................................................................26

1.8.8 各零件的选用...........................................................................................................................27

1.9 主题装置图的绘制（见 A1 图纸）...........................................................................................27

2.0 附表...........................................................................................................................................27

2.1 收获及感想.........................................................................................................错误!未定义书签。

2.2 主要参考文献............................................................................................................................30 / 32

食品工程原理课程设计

《食品工程原理及单元操作》课程设计任务

班级：

姓名：

设计一台用饱和水蒸气（表压 400～500kPa）加热水的列管式固 定管板换热器，水流量为 80（t/h），水温由20℃ 加热到 60℃。

1、设计项目：

①热负荷

②传热面积 ④外壳直径及长度 ⑤接管直径

2.设备图主视图、左视图（部分剖）。0 号、1 号或 A4 纸（4 号）画图 3.设备管口表零部件明细表，标题栏表。

管子排列 外壳及管板厚度 ③⑥2 / 32

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1.1 概述

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。35％～40％。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。按用途不同可分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式，列管式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一种换热设备。按其结构类型分，有列管式、板面式、版壳式、螺旋板式、板翅式、管翅式等。

列管式换热器发展 较早，设计资料和技术数据较完整，目前在许多国家都已有系列化标准产品。虽然在换热效率、紧凑性材料消耗等方面还不及一些新型换热器，但它具有结构简单、牢固、耐用，适应性强，操作弹性大，成本较低等优点，因此仍是化工、石化、石油炼制等工业中应用最广泛的换热设备。

1.2 换热器的结构与类型 / 32

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1.2.1 列管式换热器的基本构型与流体行程

列管式换热器主要由壳体、换热管束、管板、封头等部件组成，图 2-1 为它的基本构型，此式为卧式换热器，此外还有立式的。在圆

筒形的壳体内装有换热管束，管束安装固定在壳体内两端的管板上。

封头用螺丝钉与壳体两端的法兰连接，如需检修或清洗，课将封头盖

拆除。

图 2-1 列管式换热器的基本构型

冷热流体在列管式换热器内进行热交换时，一种流体在管束与壳

体间的环隙内流动，其行程称为壳程；另一种流体在换热管内流动，其行程成为管程。如需换热器较大传热面积时，则应排列较多的换热

管束。为提高管程流体流速，强化传热，可将换热管分为若干组，称

为多管程。同样，为提高壳程流体的涡流程度，以提高对流传热系数，强化传热，可在壳体内安装横向式或纵向式的折流挡板。这样，壳程

流体的流速和流向可不断发生改变，使雷诺数在较低时

就 能达到湍流。/ 32

列管式换热器设计心得 篇2

石化行业各种物料间的换热很普遍, 作为该行业使用最为广泛的换热设备, 列管式换热器发挥了巨大的作用。其中水作为通用的换热介质被大量使用。众所周知, 随着工业、生活用水量的急剧增长、水源污染、水资源紧缺等各种问题的出现, 合理利用水源、节约用水成为今后各行业发展的重要策略之一。

我国沿海地区的石化厂区利用丰富的海水资源, 不仅可以缓解用水紧张, 且经济效益十分可观。海水腐蚀环境复杂, 离子浓度大, 尤其是C l-含量高, 换热设备材质耐海水腐蚀的性能是关键问题, 针对所选材质的特点对设备合理设计、检验、制造及维护, 才能保证设备安全稳定的运行。

2 海水腐蚀性

海水是一种含有多种盐类的电解质溶液, 以3~3.5%的氯化钠为主盐, p H值为8左右, 并溶有一定量氧气, 大部分金属材料在海水中都会氧去极化腐蚀。本文所讨论的换热设备是炼油厂内冷却油品的列管式换热器, 考虑海水腐蚀特性, 管程介质为海水, 壳程介质为油品。

海水对换热器管束的腐蚀类型主要有以下几种:

(1) 点腐蚀:海水是一种高含盐、高电导性的溶液。局部表面腐蚀坑的腐蚀特征判断, 腐蚀类型为点腐蚀, 管束的腐蚀泄漏是管束内点腐蚀引起。海水中含有大量氯离子, 对于大多数金属其阳极阻滞程度很小。由于氯离子的存在, 使钝化膜易遭破坏, 易产生孔蚀, 即使是不锈钢也容易发生局部腐蚀。

(2) 氧腐蚀:海水中富含的氧对换热器管束内表面产生以氧去极化腐蚀为主的电化学腐蚀。金属表面层物理化学性质的微观不均匀性, 如成分不均匀性、相分布的不均匀性、表面应力应变的不均匀性, 以及界面处海水物理化学性质的微观不均匀性, 导致金属一海水界面上电极电位分布的微观不均匀性, 这就形成了无数腐蚀微电池, 电极电位低的区域是阳极区, 发生铁的氧化反应:

而电极电位较高的区域是阴极区, 发生氧的还原反应:

结果阳极区产生电子, 阴极区消耗电子, 导致金属的腐蚀。这种由微电池电化学反应导致的腐蚀称为微电池腐蚀。与海水接触的金属腐蚀大多数以这种方式进行。

(3) 氧化物腐蚀:在海水环境中, 金属表面有氧化铁锈垢时, 氧化物电位高, 成为阴极;金属表面电位低, 成为阳极;因此产生电偶腐蚀。由于管束内表面局部点腐蚀形成了氧化物锈垢, 因此内表面也存在氧化物腐蚀, 反应式如下:

(4) 垢下腐蚀:海水中泥沙含量较多, 管束内长期沉积泥沙, 内表面沉积泥沙部位也容易产生泥沙垢下快速点腐蚀泄漏。

上述多种腐蚀的综合作用, 使换热器管束个别部位出现了快速点腐蚀穿孔泄漏。

3 材质选择

铜、双相不锈钢等材质都具有耐海水腐蚀的特性, 但寿命相对来说较短, 也容易发生缝隙腐蚀。就炼油厂的设备工作状况而言, 工艺条件复杂、设备投产时间较长, 需考虑的不仅仅是耐腐蚀的问题, 比如冲刷问题, 管道清洗问题等等, 综合起来, 最合适的材料还是钛材。

钛熔点为1 6 6 8℃, 比铁的熔点高118℃, 是轻金属中的高熔点金属。钛的比容与奥氏体不锈钢相似, 但由于密度小, 则热容小, 容易加热也容易冷却。

纯净的钛是银白色金属, 具有银灰光泽。高纯钛具有良好的可塑性, 但当有杂质时会变得脆而硬。钛是一种非常活泼的金属, 其平衡电位很低, 在介质中的热力学腐蚀倾向大, 但实际上钛在许多介质中很稳定, 包括在氧化性、中性和弱还原性介质中。钛的抗腐蚀性、稳定性及较其他材质的特殊性能, 管束材质选用钛管更为合适。

4 设计经验

(1) 根据换热器管、壳程压力及温度、操作介质的流量及换热量的需求等选择设备规格。由于海水对钛管腐蚀性很小, 在满足强度的前提下尽量用薄壁管, 一是薄壁管换热效果更好, 二是降低设备造价。

选用壁厚为1.5或1.0m m的钛管较为合适。如果使用更小壁厚钛管, 在搬运、放置、穿管、焊接等过程中都较为困难, 必须轻拿轻放, 因为较薄壁厚的钛管很容易被压扁、压坑、弯曲。这些情况虽然不影响使用, 但后续的穿管等制造、安装过程较为麻烦。

(2) 与海水直接接触的管板、管箱等部件, 在满足强度的前提下, 选择钛-钢复合板。

钛制容器按加工制造角度可分为三类:全钛容器;钢制衬钛;钛-钢复合板。由于造价太高不宜选用全钛制造;钢制衬钛其衬里加工难度大, 且性能不佳, 也不适宜;相比较而言, 钛-钢复合板的综合性能更为突出。

(3) 折流板、支持板等内构件与钛管管束接触, 由于钛材与碳钢的电位差值较大, 在易产生电位腐蚀的介质内, 碳钢材质的折流板、支持板等部件较易腐蚀, 影响换热器的稳定运行。针对这种情况, 与钛管束接触的内部件选用不锈钢较为合适。

(4) 对于设有分程隔板的管箱, 根据具体情况确定是否需要进行热处理。管箱进行焊后热处理的目的是为了减小焊接后产生的结构应力, 以免部件变形, 影响管箱密封性能。而这一目的也可通过控制焊接工艺、机械加工、组装等工作的质量达到。当然, 对于操作压力比较高, 规格比较大的管箱还是应当进行焊后热处理。

5 结束语

海水利用是节约能源、环境保护的一项有效措施, 其中海水换热是典型利用海水资源的一种途径。而海水的腐蚀性是关键问题, 针对这个情况, 换热管束选用具有诸多优良性能的钛管, 可以有效地耐海水腐蚀, 达到预期的效果。选用钛管虽然设备初期投资较高, 但满足工艺要求并稳定运行的同时, 可以获得更好的长期效益。

参考文献

[1]GB151-1999管壳式换热器

[2]JB/T4745-2002钛制焊接容器

[3]有色金属制容器/黄嘉琥编著化学工业出版社, 2008.10

列管式换热器设计心得 篇3

【关键词】列管式换热器结垢原因；解决方案

在化工企业生产中，列管式换热器作为最为典型的间壁式换热器，其由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等部分组成。列管式换热器制造过程中可以利用多种材料，由于其传热面积大，传热效果好，而且结构较为简单，所以利用非常广泛。列管式换热器在使用过程中，由于其传热面积大，所以也极易在传热表面形成沉积物堆积而发生结垢现象，使表面的热阻升高，影响了热量的传递速度。而且一旦出现结垢的情况，则会导致流通面积减小，介质在流动过程中受到较大的阻力，从而增加其运行过程中的能耗。目前很多化工生产企业都是由于列管式换热器在使用中存在结垢问题，而影响了使用效果，从而造成经济上的损失。列管式换热器在运行过程中为了有效的避免和减少结垢问题所带来的影响，则需要从设计及清理方法上来进行预防和解决，及时进行维护和保养，有效的提高列管式换热器的传热能力，增加企业的收益。

1、列管式换热器结垢的原因

列管式换热器最易结垢的部位为管束的内外壁，当该位置形成污垢层后，则会导致换热器热传递能力下降，甚至会导致介质的流道受到阻塞。流体的性质、流速、速度、状态及换热器的参数等都会导致污垢的发生。

1.1流体的性质。列管换热器其主要是以水为其载热体，水作为换热器的流体，其性质不仅指水本身的性质，也包括水中夹带着的各种物质。所以当水在加温过程中，其内所含有的离子或是某些盐类会随着温度的升高而发生结晶，这些结晶会附着在换热管的表面，形成水垢，在水垢刚形成阶段，其还会较为松软，但随着时间的推移、传热效果的恶化，则会使水垢中的结晶开始失去，垢层开始变硬，并在换热管表面形成一层牢固的硬壳。

1.2流体的流速。在列管换热器运行中，流体的流速并不是越快越好，因为当流速增加时，可能会导致结垢的增加，但也会引起沉积物脱卸的速率增加，所以当流速增加时，可能总结垢的速率反而会降低。当处于运行中的列管换热器，其流速增加时，不仅换热器的系数会变大，而且所带来的磨损也会增大，使能耗增大，所以对于列管换热器流体的流速的控制，需要从能耗和污垢两个方面进行综合考虑。

1.3换热器的表面材料对于污垢的形成具有较大的影响。如果表面材料选择不当，则会在污垢形成过程中起到助推的作用。目前换热器表面材料可以选择的种类较多，如铜合金、碳钢、不锈钢、石墨、陶瓷等、这些材料有的对结垢具有抑制作用，同时非金属材料则不易发生结垢，但其导热性能相比于金属材料则要差一些。所以在进行换热器表面材料选择时，则需要综合多方面因素进行考虑。另外，换热器表面构造上存在着一些微小的凸起，这会导致对吸收能力和化学活性增加，极易导致污垢发生沉积。

2、列管式换热器结垢的具体解决方案

2.1设计阶段 列管式换热器结垢的防治措施，需要在设计阶段就进行充分的考虑，以减少运行阶段污垢的形成。设计时需要从以下几个方面进行综合考虑，需要能够在现场进行清洗，减少清洗进对设备的折卸，减少死区和低流速区，确保内流速的均匀、温度分布的均匀性，在保证合理压力及不会产生腐蚀的情况下，利用提高流速来减少污垢的形成，设计时还需要对换热器表面温度进行考虑，以减少污垢的形成。

2.2运行阶段

2.2.1维持设计条件 在运行时，为满足工艺需要，需调节流速和温度，从而与设计条件不同，然而应通过旁路系统尽量维持设计条件（流速和温度）以延长运行时间，推迟污垢的发生。

2.2.2运行参数控制 在换热器运行时，要定期测试流体中结垢物质的含量、颗粒大小和液体的pH值。

2.2.3维修措施良好 换热设备维修过程中产生的焊点、划痕等可能加速结垢过程形成。

2.2.4使用添加剂 针对不同类型结垢机理，可用不同的添加剂来减少或消除结垢形成。

2.2.5减少流体中结垢物质浓度 通常，结垢随着流体中结垢物质浓度的增加而增强，对于颗粒污垢可通过过滤、凝聚与沉淀来去除；对于结疤类物质，可通过离子交换或化学处理来去除；紫外线、超声、磁场、电场和辐射处理紫外线对杀死细菌非常有效。

2.3污垢的清理

2.3.1机械清理

机械清理对于管内污垢的清除还是具有较好效果的，对于管束发生轻微堵塞时，则需要利用不锈钢筋和低碳钢的圆盘从一头捅入，另一头拉的方法来清除污垢，而专用清管刷则可以用来清除轻薄的积垢。而对于管内结垢严重的情况，则需要利用软金属桶管来进行清理，对于管口发生堵塞的情况，则需要利用手工进行铲、削、刮和刷等方法来进行处理。机械清理能够很好的清除污垢，但其处理效率低，工作量大，而且容易对换热管造成伤害。

2.3.2高压水冲洗清理

高压水冲洗清理一是一种强力清洗法，通常用于清洗列管式換热器的管内垢层。它利用高压清洗泵打出的高压水，通过专用清洗枪直接将高压水射在需清洗部位，这种方法比人工清理和机械清理效果好，效率高但，对于设备存在结垢严重、垢层紧硬的换热器，此方法并不可取。

2.3.3化学清理

化学除垢是使用化学药品在列管换热器内进行循环，以溶解并消除污垢。喷淋法、浸泡法、强制循环法是在实际清洗中最基本的化学除垢法。实际应用中通常是两种方法混合使用，可以在不伤及金属和镀层的条件下对设备进行清洗，从而清理掉其他方法不容易去除的污垢。化学除垢法清理污垢对大型的换热器十分有利，不经拆卸列管换热器就可以清理污垢。

2.3.4超声波除垢

超声波除垢就是利用超声波的空化效应、活化效应、剪切效应和抑制效应除垢，成本低廉，操作简易，是一种新型的换热器清洗技术，也是日后防垢技术的发展方向。

2.3.5混合清理

对于在一些恶劣的环境条件下工作的某些列管换热器，例如焦化厂的煤气冷却器，在污垢中由于含有煤粉、碳渣及油性物质等，如果单纯地采用某种方法除垢效果不理想的，可采用先进行化学清洗，再高压水洗的方式进行除垢。

3、结束语

换热器在运行时，导致其结垢形成的较多，为确保换热器的使用寿命及传热效率，需要分析具体结垢原因，以便采取有效措使换热器结垢的问题得到处理。

参考文献

[1]李洁.侯来灵.李多民.换热器的结垢与清洗[J].广东化工，2009，36（1）.

[2]金爱军.卫建军.延缓高压换热器结垢的措施与分析.炼油技术与工程，2010-04-15 .

换热器设计任务书格式要求 篇4

设计工作的重要性：2个学分 工作具体要求：

1所有计算过程要求留草稿（软皮本或信笺纸均可），要检查。2本学期末计算到“传热面积估算”，如有问题及时反映，好调整参数。3下学期开课第一周交“手写版初稿”，内容“3-致谢”。经检查计算无误，进行电子录入。4下学期第6周上交“电子版初稿”完整版。

5第7-8周进行格式修改，第8周周末前交“电子版终稿”。6第17周前交图纸。

电子版格式要求：

1封面：封面包括如下内容

(1)题目

(2)学生：姓名、学号、系别、年级、学科、专业；(3)指导教师：（姓名、职称）；

(4)完成日期：××××年××月××日。

2摘要：摘要要有高度的概括，语言精炼、明确。同时有中、英文摘要及关键词，中英文摘要字数在300字左右。关键词挑选3~5个最能表达主要内容的词或术语。排序如下：

(1)中文摘要、关键词；(2)英文题目、摘要、关键词。

3目录：目录作为论文（设计）提纲，是论文（设计）各组成部分的小标题，文字应简明扼要。目录按论文（设计）顺序用三级标题编写（如：“1„、1.1„、1.1.1„”或“第一章„、第一节„、1.„”或“

一、„ 1.„(1)„”），并标明页码。目录中的标题、页码应与正文中的标题、页码一致。4参考文献：

5致谢：致谢通常以简短的文字，对工作过程中曾给自己以直接帮助的人员，表示自己的谢意。6打印排版

统一用A4纸单面打印装订，上边距为3.0cm，下边距为2.5cm，左边距为2.5cm，右边距为2.5cm。①设计题目为三号黑体字，可以分为1或2行居中打印。设计题目下空一行打印摘要，[摘要]二字（四号黑体，居中），[摘要]二字下空一格打印内容（小四号宋体）。摘要内容下空一行打印[关键词]三字（小四号黑体），其后为关键词（小四号宋体）每两个关键词之间用分号隔开。英文摘要全部用Times New Roman字体，题目四号加粗，摘要内容和关键词均用小四号，Abstract和Key words加粗。中文题目、中文摘要、关键词合打一页；英文题目、英文摘要和关键词另打一页（若中英文摘要较短时，也可合打一页上）。

②目录：[目录]二字（四号黑体，居中），下空一行为章、节、小节（或

一、1.（1）„ „，理工科可用1„、1.1„、1.1.1„编号）及其开始页码，采用小四号宋体。页码放在行末。目录内容和页码之间用虚线连接。目录不与摘要在同一页，要单独成页。

③正文（引言、研究方法、讨论与分析、结论）：正文用小四号宋体字打印（若有标题，章标题以小三

号黑体，居中打印；节标题以四号黑体字左起打印；小节标题以小四号黑体字左起打印）。正文从第1页开始编页码。

④文中图、表：标目采用国家标准的物理量（英文斜体T、P、V）和单位符号（英文正体）的比表示，如kg/m3。表格采用“三横线表”，表的内容切忌与图和文字的内容重复。全部正文中出现的表格按表1，表2，表3等依次编号。【表1】字后空两格。表头及表中文字采用小五号字体。表头加粗。

表1 冷热流体物性数据表

比热/ 物料

密度/kg/m

kJ/(kg·K)煤油 河水

810 994.8

2.3 4.2

0.91 0.76

3导热系数

粘度/10Pa·s

/W/(m·K)

0.13 0.62

⑤公式：公式书写应在文中另起一行，居中书写。公式的编号加圆括号，放在公式右边行末，公式和编号之间不加虚线。公式后应注明编号，该编号按章顺序编排。具体要按下例进行排版：

qm,cQcCp,c(t2t1)

（5—1）

式中：qm,c——低温流量的质量流量，kg/s；

QC——冷流体所吸收的热量，W；

Cp,c——水的定压比热容，kJ/(kg·K)；

。t1、t2——分别为低温流体的进出口温度，℃代入数据得：qm,c8018954.1710(4026)313.7kg/s

⑥致谢：[致谢]二字用小四号仿宋体加黑，内容为小四号仿宋体。⑦特别注意：完整的一段文字，首行缩进2字符。全篇采用1.5倍行距。⑧其他要求

全文内的各章、各节内的标题及段落格式（含顶格或缩进）要一致； 设计说明书装订顺序：

封面→中文摘要→英文摘要→目录→正文→参考文献→致谢。

9.5万吨/年煤油冷却器设计

摘 要

本设计论文介绍了固定管板式换热器的整体结构设计及计算。固定管板式换热器制造方便、单位体积内换热面积大、造价低廉，但是两端都固定在固定管板上，冷热流体温差较大时产生的热应力较大，可能损坏换热器。因此，固定管板式换热器只适用于冷热流体温差低于70℃（高于50℃时加温度补偿）的换热任务。此类换热器壳程流体应选择不易结垢的流体，以解决不易清洗的弊端。固定管板式换热器主要结构包括封头、管箱、换热管、折流挡板、支座及其它附件等。

本设计任务温度和压强要求都不高，由换热器的系列标准选取B E M 400-0.6-46.2-625-1Ⅱ固定管板式换热器。经传热面积、壁温、压降的核算证明此换热器每年可以完成9.5万吨/年的煤油冷却任务。

关键词：固定管板式换热器；设计计算；煤油冷却器

9.5 Million tons/year kerosene Cooler Design

Abstract: This paper introduces the design of fixed tube heat exchanger overall structure design and calculation.Fixed tube heat exchanger easy fabrication, unit volume heat-exchange area big, low cost, but both fixed in fixed tube sheet heat fluid, produced when large temperature difference is larger, the thermal stress may damage the heat exchanger.Therefore, fixed tube heat exchanger only applies to the cold heat fluid under 70℃ temperature(more than 50℃ temperature compensation)added when the heat transfer task.Such heat exchanger should choose not easy process fluid shell scaling fluid, and to solve the disadvantages of not easy clean.Fixed tube heat exchanger main structure include sealing head, tube box, heat exchange tube, baffle, bearings and other accessories etc.This design task temperature and pressure by demands are not high, the series standard heat exchanger selecting B E M 400-0.6-46.2-625-1Ⅱ fixed tube heat exchanger.By heat transfer area, wall temperature, pressure drop of accounting proof this heat exchanger can accomplish the cooling task kerosene of 9.5 million tons/year.Key words: Tube heat exchanger;Design calculation;Kerosene cooler

目 录

管式炉蒸氨在宁钢焦化厂的应用 篇5

管式炉法无蒸汽蒸氨新工艺在宁钢的实践

王玉萍,曹友宝，卢元俭

(宁波钢铁有限公司焦化厂 浙江 宁波15807)摘要: 宁波钢铁五丰塘焦化厂应用了一种新的节能环保技术,即管式炉法无蒸汽蒸氨生产技术。该技术利用煤气在管式炉中加热蒸氨废水。再回到蒸氨塔内进行闪蒸,产生蒸汽,实现蒸氨过程。通过此方法可以不再使用直接蒸汽,避免了蒸汽蒸馏中废水的增加。项目投产后,各项参数运行稳定,产品质量指标合格,年减少污水约10万t,年经济效益647万元。

前 言

焦化厂的污水主要包括剩余氨水、粗苯分离水、煤气水封冷凝水、部分地面收集水和直接蒸汽冷凝水等,其中80%以上为配煤所含水分和炼焦时生成的剩余氨水。该水中含有多种化合物(如酚、氨、硫化物、氰化物、油类及机械杂质等),其成分复杂,处理难度大,处理设备易腐蚀。传统的焦化厂多采用直接蒸汽馏法处理含多种废水的剩余氨水,工艺相对落后,蒸氨效率低、能耗高、操作环境差,且每处理1t废水需要使用约300kg蒸汽,会多产生约300kg废水。在生产过程中通入的是蒸汽,排出的是冷凝下来的废水,能源使用很不合理。因此,研究开发新蒸氨工艺技术,提高焦化行业化产生产水平,实现高效、低耗、清洁节能生产意义重大。目前在用的蒸氨工艺主要有:蒸汽法蒸氨和无蒸汽法蒸氨,其中无蒸汽法蒸氨又以济钢焦化厂为代表的导热油法蒸氨和目前宁钢使用的管式炉法蒸氨工艺为主。

1、蒸氨工艺简介 1.1蒸汽法蒸氨工艺

冷鼓工段送来的剩余氨水经过废水换热器与废水换热后,进入蒸氨塔上部；从塔底向塔内送入蒸汽作为热源和塔内的气相介质,使剩余氨水在塔内蒸馏进行氨的分离；塔顶设分缩器实现塔内回流,提高塔顶氨气质量。

工艺流程见图1。

1.2导热油法无蒸汽蒸氨工艺

冷鼓送来的剩余氨水,经过烟道气换热、废水换热器换热后,进入蒸氨塔上部。塔底的部分废水进入再沸器,在再沸器内与导热油进行换热,用导热油加热后的水蒸汽返回蒸氨塔底作为热源,其余废水进入废水槽送出。导热油的生产工艺为:经过滤器滤除杂质后,新导热油经补油泵、膨胀槽、导热油循环泵送到加热油炉,在加热油炉内被加温后送至蒸氨再沸器,温度降低后由回油总管经脱除杂质及轻组分后回导热油循环泵而完成一个循环过程。该流程不使用直接蒸汽,利用导热油加热废水产生的蒸汽蒸馏,节省蒸汽,减少废水产生,导热油闭路循环,供热稳定,基本实现了清洁生产。工艺流程见图2。

1.3管式炉法无蒸汽蒸氨工艺

冷鼓工段送来的剩余氨水经过废水换热器与废水换热后,进入蒸氨塔上部。塔底设蒸氨废水循环泵将塔底的蒸氨废水送入管式炉内,在管式炉内加热后的废水进入塔底的闪蒸水槽,进行一次闪蒸,形成蒸汽作为塔的热源。液相循环使用,多余的作为处理后废水外排。工艺流程见图3。

2、宁钢管式炉法蒸氨工艺特点：

(1)以煤气代替蒸汽加热实现无直接蒸汽蒸氨。管式炉法工艺首先以焦炉煤气为燃料,加热蒸氨废水,提高废水温度,以废水在蒸氨塔内闪蒸形成蒸汽,从而避免工艺过程废水的产生,提高焦化厂清洁生产的水平,并解决了蒸氨能耗高、生产不稳定、废水量大和环境污染问题。

(2)利用煤气直接加热蒸氨废水,简化能源使用流程,使能源利用率得以提高。相比传统的蒸汽法蒸氨和导热油法蒸氨,管式炉法利用能源更直接,能源利用流程更简化,利用率更高。

(3)利用带蒸发水槽的蒸氨塔。为确保加热后的过热水能够顺利地在塔内形成蒸汽,在塔底设置了蒸发水槽,增大了蒸发面积,确保了蒸发过程中形成足够的蒸汽。(4)管式炉进液采用高进低出的设计思路。随着废水在炉管内的加热,废水的气化率会增加。为减少因废水气化造成对炉管的腐蚀,采用上进下出,利用位差增加热水的压力,减小废水在炉管内的气化率。

3、管式炉法蒸氨与传统蒸氨工艺相比的优缺点：

(1)环保效益:由于管式炉利用煤气加热蒸氨废水在塔内闪蒸形成蒸汽,避免了蒸汽直接蒸氨时蒸汽冷凝废水的产生。采用无蒸汽蒸氨后每小时可为宁钢焦化厂减少污水产生量11.4,t年降低污水产生量约10万t。

(2)直接经济效益:宁钢焦化厂蒸氨处理量按38t/h,蒸汽价格按120元/,t年生产时间按8760h计,每年可减少蒸汽使用量99864,t节省蒸汽消耗1198.4万元,减少蒸氨废水99864,t降低废水处理及外排水费用149.8万元(按照废水处理综合费用为15元t进行计算)。

(3)运行成本费用:年消耗煤气费用约665.76万元(按照950m3/h的煤气耗量,焦炉煤气单价按照0.8元/m3进行计算),增加电耗约35.3万元(90kW循环水泵,按照0.7的利用系数,电费按照0.64元/kWh)。因此,110万t管式炉蒸氨工艺年总经济效益达到了647万元。如果按照设计的220万t焦炭规模,管式炉的能力发挥得更好,其煤气消耗将会进一步降低。

(4)管式炉法与导热油法相比,都是利用煤气加热介质,管式炉法蒸氨节省了利用导热油作为二次换热的介质,降低了多次换热过程中的损失,使用更直接,流程更简单,操作难度更低。(5)操作稳定性:传统的蒸汽法蒸氨,因为蒸汽管网泄漏或检修等诸多原因,蒸氨被迫进行停工,造成操作强度加大,同时因为蒸氨的检修也给后续的酚氰带来生产的不均衡。利用煤气加热蒸氨废水后,稳定性大大加强,异常停工的次数大大减少。

绕管式换热器的制造 篇6

1 绕管体的结构及特点

绕管体在结构分布上比较紧凑, 其换热效率也非常高, 还有一定的稳定自补能力。该产品是在芯子与筒体之间的间隙内将换热管成螺旋线形式交替缠绕而成, 根据层数的多少, 上下两层换热管的缠绕方向分为左旋和右旋, 在绕制过程中应当先将异型垫条点焊在平垫条上, 将其换热管绕制在异型垫条的槽里, 以增强绕管体的传热系数[1]。绕管式换热器绕管体部分换热管一般采用管径为￠8~￠21的换热管子进行绕制, 其中￠15、￠19这两种类型的换热管子用得较为普遍。

2 绕管式换热器的制造过程及实际生产中遇到的问题及建议

2.1 制作过程:

(1) 将两端配有管板的预制心轴 (中心管) 在绕管机上旋转

(2) 利用分隔垫条逐层缠绕管路 (每层管路的缠绕方向有所不同)

(3) 利用不锈钢薄板制作包扎筒 (避免出现壳体侧旁流和套装时碰伤外层管路)

(4) 换热管管端和管板实施强度胀接加焊接

(5) 将管束体套入预制壳体

(6) 安装壳体的锥体以及接管等

(7) 壳程耐压试验和气密性试验

(8) 壳程氨检漏

(9) 组装管箱零部件

(10) 管程试压

(11) 酸洗、钝化处理

2.2 实际生产过程中遇到的问题及建议:

2.2.1 我厂加工制造的绕管式换热器都是只有两端配有管板, 而未来发展方向是具有侧管板的绕管式换热器。这就引出了一系列问题。首先是侧管板在绕管子时的固定问题, 其次是侧管板管束的束管问题, 紧接着就是套装时侧管板干涉问题。侧管板结构主要优点是可以有效地减小主管板的尺寸, 节省材料并减轻设备自重。

如图1所示, 图中下半部分是绕制完成管束示意图。序3和序8临时直接焊接在中心管上可代替两端主管板在绕管机上支撑、旋转。序4和序7是外壳一部分, 有开孔装侧管板, 与中心管由圆钢或槽钢焊接连接, 保证同轴度;序4为套装时穿过预制筒体一端, 序7直径尺寸与预制筒体一致。图中上半部分是预制筒体示意图。序1为预制锥体, 装配前为两个半锥形式, 套装之后组合成完整的锥体。序2为预制筒体, 长度较长, 没有开孔, 便于制作。

利用图中所示结构, 可以完美解决套装时干涉和绕制时侧管板的固定等问题。并且序4和序7两端可以设计成图中所示形式从而可以不用主管板, 这也为以后绕管式换热器的壳程串联提供了方便;当然也可以设计有主管板, 这时可以在序4和序7与各自管板之间添加一个短筒或封头, 这样可以预留出侧管板束管的操作空间。

2.2.2 管束体绕制时由工人将换热管子放在绕管机小车上, 每一根换热管跟随绕管机的旋转一根根地绕制在中心管上, 现在的绕管换热器动辄几十米长, 每台几千根换热管, 绕制这个环节是最耗时耗力的。生产制造的绕管换热器, 其换热管数量不等, 最多的换热器管子数量达到4 000多根, 绕管机小车是用来配合绕管机绕制换热管的一台辅助设备, 其目的是将整盘的换热管放在绕管机小车圆盘上进行换热管的输送, 但是由于原始的绕管机小车只能在原始方位角度, 不能旋转, 工人们都是将换热管子放在地上用手拉着管子很费力, 而且换热管还存在刮伤磕碰的现象, 影响了产品的质量。针对绕管机小车的弊端, 我们将原始的绕管机小车进行改进, 将绕管机小车底部加装可以360°旋转的, 并且可以定位的法兰用螺栓定位, 这样换热管就可以放在绕管机小车上面进行换热管的输送, 也提高换热管绕制的外观质量, 并且工人们也不用手拉着换热器管子了, 同时也减少了工人们的劳动强度。

2.2.3 为保证绕管换热器中绕管体的产品质量, 绕管体特制定了如何加制管箍方案:

2.2.3. 1 所有绕管体必须在有效长度范围内进头方向和出头方向保证有管箍, 与管板相对进出头必须有管箍, 每层中第一根换热管必须加满管箍 (保证下一层垫条焊接与生根) 。

2.2.3. 2 根据中心筒实际长度及换热管每层圈数确定: (1) 中心筒长度在5~10m之间的, 可在除两端外中间位置加一圈管箍;在10~15m之间的可在除两端外均分三等分, 加两圈管箍;以此类推, 在15~20m之间的可四等分, 加三圈管箍。 (2) 换热管每层圈数在5~10圈之间时, 可在中间位置加一圈管箍;在10~20圈之间时, 可三等分, 加两圈管箍;在20圈以上时, 四等分, 加三圈管箍。

2.2.4 每一台绕管换热器绕制完毕后都要与壳体进行套装, 其绕管体重量自5T至200T不等, 传统套装方法先将芯子一端套入筒体后放稳换用专用吊带一端用行车吊起, 另一端用3 0 T钢丝绳缓缓拉动至工艺图纸要求位置。该套装方法存在安全系数差, 吊带造价高, 钢丝绳与筒体磨损后一次性报废等弊端, 鉴于上述弊端, 设计了一套新型的套装工装, 现套装方法为, 在筒体上端加装套装定滑轮, 将芯子一端放入筒体后, 两行车同时用钢3 0 T钢丝绳起吊, 一端将钢丝绳放入定滑轮轮槽中再缓缓拉动至工艺要求位置。该套装方法优点是安全系数高, 节约吊带及钢丝绳费用 (钢丝绳可以反复使用) , 同时也解决了有些筒体壁厚薄被钢丝绳拉变形等问题, 有效地解决了实际生产中遇到的难题, 保证了生产的顺利进行。此工装成本低, 简单实用。适用于所有绕管换热器, 冷却器绕管体套装的使用。按照每年生产3 0台冷却器计算, 3 0 T钢丝绳单价按照4 000元/根计算, 仅钢丝绳一项费用便可节约10多万余元。

目前, 我国已经基本掌握了绕管式换热器的设计、工艺制定及制造过程, 实现了国产化。但是国外生产制造的绕管式换热器的技术还是比较先进的[2]。相信在不久的将来, 我国生产制造的绕管式换热器技术一定能够超越国外的技术, 并能够进一步推动绕管式换热器技术的发展。

摘要：本文介绍了绕管换热器的技术特点及应用。从结构设计、技术等方面阐明了绕管换热器的设计制造的问题。

关键词：绕管换热器,制造过程,技术要领,结构

参考文献

[1]阚红元.绕管式换热器的设计[J].大氮肥, 2008 (3) :11-12.

列管式换热器设计心得 篇7

管式空气换热器作为高温烟气余热回收的重要设备, 其换热性能的好坏直接影响了过程工业热经济性的高低。近年来, 国内外对各种空气换热器进行了大量的研究。同时CFD广泛应用于分析换热管内流场、换热管外流场的传热特性研究。

本文利用数值模拟软件ANSYS CFX, 以空气换热器的实际工作参数作为依据, 模拟分析流场区域的温度变化和压力变化, 通过模拟的结果与实际情况对比, 以此来确定流场模型的合理性。应用强化传热理论对空气换热器结构参数提出改进方案, 通过CFX分析出新的空气换热器传热特性, 确定空气换热器在运行时最佳的工作参数, 以此来得到合理的换热器结构, 为空气换热器在高温烟气余热回收时提供理论指导。

1 模拟分析求解

1.1 模拟对象

该模拟对象来自于某工厂用于工业炉窑烟气回收的管式空气换热器, 图1为管式空气换热器的实体图, 烟气横向流过换热管外, 管内流体为空气, 烟气的热量通过换热管管壁传递给管内的空气, 以此达到余热回收的目的。图2展示了换热器管束的排列方式, 可以看出换热器前半部分管束排列呈现错位排列而后半部分呈现顺排, 这种排列方式能有效的提高空气换热器的换热性能。换热器的主要结构参数如表1所示。

1.2 几何模型和基本设定

本文采用CFX进行数值分析, 考虑到空气换热器内部结构的复杂性和对称性, 对空气换热器的物理模型进行简化。根据截取3排换热管和周围的烟气作为研究对象, 由于管束结构的对称计算区域如图3所示。

在模拟过程中作如下基本假设:

(1) 流体为不可压缩性流体、流体物性参数为常数、忽略重力;

(2) 管束材料的物性参数为常数;

(3) 流体为湍流;

(4) 传热过程中忽略辐射, 流体在壁面无滑移。

1.3 网格的划分及边界条件的确定

有限元模型的网格是由ANSYS Workbench软件划分的。CFX采用的离散化计算方法是基于有限元的有限体积法, 划分网格时采用自动网格划分, 如图4所示。整体网格质量范围在0~0.56之间, 即网格的质量良好可以进行下一步的计算。最后检验网格独立性, 得到计算区域整体的网格单元数为845838, 整体的节点数为4200999。

2 数值模拟结果及分析

2.1 流场的温度分布

图5所示为烟气的温度分布图。由图可知, 流场中烟气温度的变化范围在493.2K-1003K之间, 烟气温度的变化会随着烟气的流动方向逐渐降低, 图中换热管上下两侧的烟气温度率低于中间的烟气温度, 离换热管管壁越近烟气的温度变化越明显。

2.2 流场的压力分布

图6所示为烟气速度在2.16m/s时的压力分布云图, 从图中可以看出, 随着烟气的流动, 流场区域的压力在不断的减弱。

2.3 模拟结果与实际情况的比较

通过上述分析可知, 烟气速度为2.16m/s时换热器排出的烟气温度为673K (400℃) , 而空气换热器实际工作中烟气的出口温度为654K (381℃) , 其相对误差为4.9%;数值分析出的压降为50pa, 而实际工作时的压降为51.2pa, 它的相对误差为2.34%。由此可知模拟的结果能够较准确地反映空气换热器的实际工作状况, 但还存在一定的误差, 产生误差的主要原因有:

(1) 用CFX软件模拟时, 对流场区域进行了简化处理, 这样可使模拟计算的时间缩短, 但是可能会出现一定的误差。

(2) 模拟时对换热管管壁的温度设定存在一定的理想化, 忽略了实际工作中管壁热阻。

(3) 模拟时烟气的物性参数是恒定的, 而实际工作中烟气的物性参数是跟着温度、压力等因素的变化而改变的。

(4) 模拟时只考虑了对流换热的传热过程, 而忽略了辐射传热等别的传热方式。

3 空气换热器的改进

3.1 换热器的强化传热方法

传热的基本方程[5]:

式中, Q为传热量, W;K为换热器的传热系数, W/m2·℃;A为传热面积, m2;Δtm为对数平均温差, ℃。

提高换热器的传热一般有3种方法公式, (1) 已经给出, 分别是平均传热系数K, 传热面积A以及平均传热温差Δtm, 通过提高 (K、A、Δtm) 中任何一项都可以增强换热器的换热效果。

通过对换热器的结构特点分析发现, 换热器管束间距较宽, 可以通过增加传热面积来提高空气换热器的传热效率。采用在换热管外增加圆形翅片来增大换热管的传热面积是可行的。

3.2 换热器的强化传热方法

翅片式换热器的中翅片管主要的参数有:翅片的高度、翅片的厚度、翅片的间距;文中涉及对管式换热器的改进, 这3个参数都是变量, 整体而言, 是一个多变量优化的问题。为简化计算, 忽略各因素之间的交互作用;用数值法优选各参数。考虑到翅片厚度受管壁厚度的影响, 为简化计算, 先确定翅片厚度。

(1) 翅片厚度的确定

高温翅片式换热器中翅片厚度一般在:0.8~2 mm。因此, 为了确定翅片的厚度, 对换热器做以下的模拟测试:

选取翅片的厚度分别为0.8mm、1.2mm、1.6mm、2mm, 步长为0.4mm;翅片的高度为2.5mm;翅片的间距为3mm;设置烟气的进口速度为2.16m/s, 同时保持其它参数不变。建立流场区域模型如图7所示。以上述的参数为边界和初始条件在不同的翅片厚度下计算烟气的温度分布和压力分布。结果分析如下:

图8所示为翅片厚度与表面换热系数的关系曲线图。由图可知, 随着翅片的厚度增加, 烟气的表面换热系数在提高但上升的幅度很小, 翅片厚度超过1.2mm厚时对表面换热系数影响不大。同时, 从设备的整体造价方面考虑, 翅片厚度的增加会提高制造的成本。因此, 选用厚度为0.8mm的翅片最佳。

(2) 翅片间距的确定

改变翅片的间距, 它的变化范围从3mm到9mm, 步长为2mm, 其他参数保持不变, 得到翅片在不同间距下对换热器传热特性的影响。

如图9所示为表面换热系数随翅片间距的变化图, 由图可知, 随着翅片间距的增加, 表面换热系数在减小。这是因为翅片间距能影响单位长度的换热面积, 故减小翅片间距能相应的提高表面换热系数, 使换热效果增强。

(3) 翅片高度的确定

改变翅片的高度, 它的变化范围从5mm到12.5mm, 步长为2.5mm, 其他参数保持不变, 得到翅片在不同高度下对换热器传热特性的影响。

图10到图11中翅片高度有5mm增加到12.5mm时, 烟气的表面换热系数和它的压降都在增大;说明换热器的换热性能一直在增强, 当翅片高度增加到12.5mm时, 空气换热器的换热性能达到最大。

3.3 改进的评价结果

通过上述的模拟分析可知, 只改变单一参数而其他参数不变的情况下, 烟气进口速度V=2.16m/s、翅片厚度tf=0.8mm、翅片间距s=3mm、翅片高度hf=12.5mm, 换热器的换热性能均达到最佳效果。

因此以表3所示的参数为边界和初始条件模拟分析此时换热器的传热特性。其结果分析表4。

由表4可知改进后的换热器在工作时烟气流动明显增强, 并且换热效果要远远好于改进前的换热器, 同时烟气的流动阻力也增大很多。

4 结论

以实际工作参数为依据, 对空气换热器管外烟气的换热特性进行了数值模拟。模拟得出的结果与实际情况相比基本吻合, 但还存在一定的误差。这是由于在模拟过程中对流体进行参数设定时产生的。

应用强化传热理论和方法对管式换热器提出改进方案, 即在光管的外壁添加圆形翅片来增加换热管的传热面积以此来换热器的换热效果。通过对翅片厚度、翅片间距、翅片高度、烟气进口速度的数值模拟结果可以发现, 4个参数对换热器的换热性能都有一定的影响。其中翅片厚度、翅片高度、烟气进口速度的增加使得换热器的换热性能增大, 翅片间距的增加使得换热器的换热性能减弱。

本文的研究结果为管式空气换热器在高温烟气余热回收的应用提供理论依据。

摘要：通过对换热器结构特点的分析, 提出在换热管外壁添加圆形翅片以此来提高管式空气换热器的余热回收。利用CFX软件模拟分析新型换热器的传热特性, 通过分析翅片厚度、翅片间距、翅片高度得出, 翅片厚度为0.8mm、翅片间距为3mm、翅片高度为12.5mm, 换热器的换热性能最佳。

关键词：管式空气换热器,余热回收,CFX数值模拟,有限元分析

参考文献

[1]周建新, 宋秉棠, 陈韶范等.板式空气换热器的推广应用[J].石油化工设备, 2007, 36 (1) :68-70.

[2]Petr Stehlik.Heat transfer as an important subject in waste-to-energy systems[J].Applied Thermal Engineering, 2007, (27) :1658-1670.

[3]于志英.间壁式空气换热器的研究进展[J].浙江化工, 2007, 38 (7) :20-22.

[4]Fakheri, Ahmad.Efficiency and effectiveness of heat exchanger series[J].Journal of Heat Transfer, 2008, 130 (8) :115-118.