列管式换热器设计

题目 换热器的设计 设计基本参数 处理能力：4000kg/h 设备型式：列管式换热器 操作条件：加热介质：水入口温度：98，出口温度：75 果浆：入口温度：35，出口温度：65。 2 列管式换热器设计 一、 概述 1.概述与设计方案简介 1.1 换热器 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。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换 设计要求及内容 1、设计方案简介 对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。 2、主要设备的工艺设计计算 物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计 计算。 3、辅助设备的选型 典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。 4、编写设计说明书 将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。 应采用简练、准确的文字图表，实事求是地介绍设计计算过程和结果。设计 说明书要求在 6000 字以上，A4 纸打印。 设计说明书内容： （1） 封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间） （2） 目录 （3） 设计任务书 （4） 概述与设计方案简介 （5） 工艺及设备设计计算 （6） 辅助设备的计算机选型 （7） 设计结果汇总表 （8） 设计评述 （9） 参考资料 （10）主要符号说明 （11）致谢 各阶段时间安排（以天为单位） 用一周时间集中进行 1、设计方案选定：0.5 天 2、主要设备的工艺设计计算：2 天 3、辅助设备的选型：0.5 天 4、 编写设计说明书：2 天 3 热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。 换热器是化学工业、石油工业及其它一些行业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有重要地位。由于生产中的换热目的不同，换 热器的类型很多，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。特别是随着化工 工艺的不断发展，新型换热器不断出现。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。虽 然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器， 但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而 在换热设备中仍占有重要的地位。特别是在高温、高压和大型换热设备中仍占 绝对优势。 1.2 列管式换热器的选择 列管式换热器的应用已有很悠久的历史，在化工生产中主要作为加热（冷 却）器，冷凝器、蒸发器和再沸器使用。现在，它被当作一种传统的标准换热 设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用 的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。按材质分为碳钢列管换热器， 不锈钢列管换热器和碳钢与不锈钢混合列管换热器三种。按结构分为单管程、 双管程和多管程，传热面积 1500m。列管式换热器按结构特点，主要分为以 下四种：固定管板式换热器；浮头式换热器；U 形管式换热器；填料 函式换热器 。 列管换热器主要特点： 1耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸， 碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到 100都对其无破坏作用，对几乎 所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使 用。 2耐温性：聚丙烯塑料熔点为 164-174，因此一般使用温度可达 110- 125。 3无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。 4重量轻：对设备安装维修极为方便。 4 二、 设计方案的确定 2.1 列管式换热器类型的选择 因为我们要加热的材料是果浆，流体压力不大，管程与壳层温度差较大， 所以初步确定选用固定管板式换热器。因为这种型式换热器的比较适用于温差 不大或温差较大但壳程压力不高的场合，管束固定于管板上，单位体积的传热 面积大，传热系数大，热损失小，结构简单且坚固，性能可靠。在相同的壳体 直径内，排管最多，比较紧凑，壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清 洁的流体。因为本次所要处理的果浆与加热水的进出口温差都小于 50C，所 以不需要焊接膨胀节。考虑到要进行加热的是果浆，所以选用不锈钢材质的固 定板管式换热器。 2.2 流体流入空间及流速的选择 该设计任务的热流体为水，冷流体为果浆，由于果浆较水易结垢，为便于 提高流速清除污垢，应使果浆走管程，水走壳程。选用 25mm2.5mm 的不 锈钢管，管内流速取 ui=0.5m/s。 三 、列管式换热器的设计计算 3.1.物性参数的确定 3.1.1 定性温度，取流体进口温度的平均值 壳程流体水的定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程水的定性温度为： 5 T = =86.5()27598 管程流体（果浆）的定性温度为： t = =50()63 3.1.2 物性数据 根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，水 在 86.5下的物性数据和果汁在 50下的物性数据如下表： 果浆在 50下的有关物性数据如下： 密度 = 1050 kg/i3m 定压比热容 =3.30 kJ/(kg)ipc 导热系数 = W/(m)i61.0 黏度 =2.108710-3Pasi 水在 86.5下的有关物性数据如下： 密度 =967.6 kg/03m 定压比热容 =4.203 kJ/(kg)cp0 导热系数 = 67.82 W/(m)21 黏度 =33.5 Pas05 四、总传热系数的计算 4.1 热流量 =40003.30(65-35)=3.96105 kJ/h=110(kW)ipiitmQc 4.2 平均传热温差 因为 ，285.03769121 tTt 所以 = = =36.5（ ）逆mt)37()( 4.3 热水用量 kg/h428)759(204.36Wi 6 4.4 总传热系数 K 4.4.1 管 程 传 热 系 数 （ 过 渡 区 ）431051087.26.9ieudR 又 因 为 流 体 黏度 =2.1087mPas 2.0 mPasi 所以 14.04.8.0)()23.0 wipeii ciRd = 05.1)61.08723.(502.61. 4.38. =1787W/( )m 校正系数 96.0518.f 1732 W/( ).7faii2m 4.4.2 壳 程 传 热 系 数 假 设 壳 程 的 传 热 系 数 W/( )02 污垢热阻 ( ) / W051.siR2m ( ) / W7so 管壁的导热系数 W/(m)，. 000 11smisi RdbdK = 2017.25.17.2.501.2.1735 = 455.1 W/( ) 五、传热面积的计算 7 S= （ ）6.531.40逆mitKQ2m 考虑 15%的面积裕度，S=1.15S=1.156.6=7.6（ ）2 六、工艺结构尺寸 6.1 管径和管内流速 选用 25mm2.5mm 的不锈钢管，管内流速取 ui=0.5m/s。 6.2 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 = = =6.74 根 7 根sniudV245.02.78.0)361/( 按单管程计算，所需的传热管长度为： L= = =13msndS07025.136 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实 际情况，采用非标设计，现取传热管长 =6m，则该换热器的管程l 数为: N = 4(管程)p613lL 传热管总根数为：N=7 )(284根 6.3 平 均 传 热 温 差 校 正 及 壳 程 数 平 均 传 热 温 差 校 正 系 数 P = =0.4763598612tT R = =0.767-712t 按双壳程，2n（n=2）管程结构，温度校 正 系 数 查表得： =0.93t 平 均 传 热 温 差 = Cm345.69.0逆t 6.4 传热管排列和分程方法 8 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 ，则0d t=1.25 25=31.25 mm32 （mm） 横过管束中心线的管数 723.6819 Nnc )(根 6.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 =0.6，则壳体内径为： D=1.05t =1.05 32 =229（mm）/6.0 圆整可取 D=325mm。 6.6 折流板数 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=0.25 325=81.25（mm） ， 故可取 h=80mm 。 取折流板间距 B=0.3D,则 B=0.3 325=97.5（mm） ，可取 B 为 100mm 。 折流板数 N = -1= -1=59（块）B折 流 板 间 距传 热 管 长 106 折流板圆缺面水平装配。 6.7 接管内径 壳程流体进出口接管:取接管内流速为 u=1.0 m/s,则接管内径为： =0.039（m）4Vd=u0.143)697(28 取标准管径为 40mm 。 管程流体进出口接管:取接管内流速为 u=1.5 m/s,则接管内径为： 0.030（m）5.143)6/(0d 取标准管径为 30mm 七 、 换 热 器 核 算 7.1 热 量 核 算 7.1.1 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板,可采用克恩公式： =0.36014.03/15.0)(PrRewd 9 当量直径，由正三角形排列得 d = = =0.020（m）eo dt)423(2025.143).78.( 2 壳程流通截面积： =BD(1- )=0.1 0.325 (1- )=0.00710（m ）0Std0 032.52 壳程流体流速及其雷诺数分别为 = =0.173（m/s）0u710.)8.963/(428 = =11216Re5 普兰特准数 Pr= =2.086782.0313.4 黏度校正（ ） 1w14. =0.36 =2116W/( )03/15.08262.782m 7.1.2 管程对流传热系数 14.04.8.0)()3. wipeii ciRd 管 程 流 通 截 面 积 =0.785 =0.0022（m ）iS4280.2 管程流体流速 = =0.481（m/s）iu2.)1536/(4 Re= =48103087 普兰特准数 Pr= =11.5761.235. 3 10 黏度校正 05.1)(4.w =0.023 =1738 W/( )i05.17.82.642m 校正系数 96.0481.5f W/( )1748.73faii2m 7.1.3 传热系数 K 000 11smisi Rdbd = 21607.25.17.2.501.2.1745 =444.1W/( ) 7.1.4 传热面积 S S= （m ）28.714303mtKQ 该换热器的实际传热面积 pS （m ）04.9)728()06.(25.0143)(0 cpnNLdS 2 该换热器的面积裕度为 H= %2.128.749%Sp 该换热器的面积裕度在 15-25之间，则所设计换热器能够完 成生产任务。 7.2 换热器内流体的流动阻力 7.2.1 管程流动阻力 psti NFP)(21 11 4.1,1tpsFN ， 21iiudlP2iuP 由 Re=4810，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得05.1 ，流速 =0.481（m/s） ， kg/ ，所以03.i iui3m = Pa1P12048.02.6.2 = Pa2iu364532 Pa 10 Kpa.8794.1)610(iP 管程流动阻力在允许范围之内。 7.2.2 壳程阻力 stNFP)(2105.,tsN 流体流经管束的阻力 2)1(001unFfPBc F=0.5 596.00.5Re.528.28.00 f )/(173,9,7smuNnBc Pa3.18227.56.051 P 流体流过折流板缺口的阻力 2)5.3(02uDBN B=0.1m ，D=0.325 m 12 Pa1.2450173.069)325.01(592 P 总阻力 stNF)(210 Pa 10 Kpa8.4915.403.8 所以壳程流动阻力也比较适宜。 八、换热器的主要结构尺寸和计算结果表 换热器形式：固定管板式 换热面积（m 2）：9.04 工艺参数 名称 管程 壳程 物料名称 果汁 循环水 操作压力，Mpa 0.4 0.3 操作温度， 35/65 98/75 流量，kg/h 4000 4282 流体密度，kg/m 3 1050 967.6 流速，m/s 0.481 0.173 传热量，kW 110 总传热系数，W/m 2. 444 对流传热系数，W/m 2. 1738 2116 污垢系数，m 2./W 0.000510 0.000172 阻力降，Mpa 0.8769 0.004901 程数 4 1 推荐使用材料 不锈钢 不锈钢 管子规格 25*2.5 管数，28 管长，6000mm 管间距，mm 32 排列方式 正三角形 折流板形式 弓形上下 间距，100mm 切口高度 25% 壳体内径，mm 325 保温程厚度，mm 2.5 13 B 折流板间距， m； R 热阻，( ) / 2m W； C 系数，无量纲； Re 雷诺准数； d 管径，m； S 传热面积，m