换热器工程设计.doc

化工原理设计说明书 设计题目： 列管式换热器的设计 设计者： 日 期： 2010年12月30日 指导教师： 陈建平 成 绩： 化工原理课程设计任务书1 设计题目：煤油冷却器的设计2 设计任务及操作条件1、处理能力 ：15万吨/年煤油2、设备型号 ：列管式换热器3、操作条件 ：（1）煤油:入口温度130 ，出口温度50（2）冷却介质 ：自来水，入口温度25，出口温度45（3）允许压强降 ：不大于100KPa（4）每年按330天计，每天24小时连续运行三设计项目 1.选择适宜的列管式换热器并进行核算 2.传热计算 3.管、壳程流体阻力计算 4.管板厚度计算 5.U形膨胀节计算 6.管壳式换热器的部件结构目录1 设计任务书12 目录23 引言3 3.1换热器概述3 3.2列管式换热器概述3 3.3列管式换热器的设计原则 3.4传热管排列和分程方法9四工艺计算及主要设备设计104.1确定设计方案104.1.1选择换热器的类型104.1.2流程安排114.2确定物性数据114.3估算传热面积124.3.1计算热负荷和冷却水流量124.3.2计算两流体的平均传热温差134.3.3估算传热面积144.4主体结构的工艺结构尺寸144.4.1管径和管内流速144.4.2管程数和传热管数144.4.3传热管排列和分程方法154.4.4壳体内径154.4.5折流板154.4.6拉杆的直径和数量与定距管的选定164.4.7接管164.4.8换热器的结构基本参数164.5换热器主要传热参数核算174.5.1热流量核算174.5.1.1壳程表面传热系数174.5.1.2管内表面传热系数184.5.1.3污垢热阻和管壁热阻194.5.1.4传热系数K194.5.1.5传热面积裕度204.5.2壁温核算204.5.3换热器内流体的流动阻力214.5.3.1管程流动阻力214.5.3.2壳程流动阻力23五换热器主要结构尺寸和计算结果25六自我评价26七主要参考文献27八主要符号说明28引言3.1换热器概述1 热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。3.2.列管式换热器概述1 列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。 在列管式换热器中，管束的表面积即为该换热器所具有的传热面积。当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的传热膜系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，即采用多管程结构。其方法是在封头内装设隔板，在一端的封头内装设一块隔板，便成二管程；在进口端装两块挡板，另一端装一块隔板，便成四管程；如此，还可以设置其他多管程，但过多使流体阻力增大，隔板占有分布管面积，而使传热面积减小。 列管换热器（又名列管式冷凝器），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，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500m2列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种： 固定管板式换热器： 这类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6070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。 浮头式换热器： 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。 填料函式换热器： 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 U型管式换热器： U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。3.3列管式换热器的设计原则2列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。本次设计主要需完成选择何种列管式换热器来实现煤油的冷却，通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让我们了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。3.3.1 流动空间的选择在管壳式换热器的计算中，首先需要决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需要遵循些一般原则。（1）应该尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。（2）在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。（3）管程、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。（4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。（5）对于有毒的介质和气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密封不仅要可靠还应该要求方便和简单。（6）应尽量避免采用贵金属，以降低成本。3.3.2 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小、结构紧凑、成本降低，一般也可以抑制污垢的产生。但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降P增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲涮。换热器常用流速的范围见表1和表2表1 换热器常用流速的范围液体名称乙醚、二氧化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氢气安全流速，m/s1231.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.82153.4 传热管排列和分程方法13换热器管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如图。正方形直列 正方形错列 三角形直列 三角形错列同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。管间距（管中心的间距）t与管外径d0的比值，焊接时为1.25，涨接时1.31.5.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=1.25do四、 工艺计算及主要设备设计4.1确定设计方案 4.1.1选择换热器的类型4在本次设计任务中，两流体温度变化情况：热流体（煤油）进口温度130，出口温度50；冷流体(自来水)进口温度25，出口温度45。该换热器用自来水冷却介质，受环境影响，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，且管束与管壳之间的温差较大会产生不同热膨胀，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。 4.1.2流程安排在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点： (1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于 清洗和检修。 (3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，冷却水走壳程。但由于冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使自来水走管程，煤油走壳程。4.2 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程流体煤油的定性温度为 管程流体水的定性温度为 3根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油1在90的有关物性数据如下：物性密度o（kg/m3）比热容Cpo(kJ/(kg0C)粘度o(Pas)导热系数o(W/(m20C)煤油8252.220.0007150.14水在35的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）比热容Cpi(kJ/(kg0C)粘度i(Pas)导热系数i(W/(m20C)水9944.1740.0007250.6264.3估算传热面积 4.3.1计算热负荷和冷却水流量煤油流量根据化工原理1（上）P216，公式（4-31a）得热负荷为冷却水流量4.3.2计算两流体的平均传热温差按单壳程多管程进行计算，对逆流传热温度差进行校正根据化工原理1（上） P213，公式（4-45）得逆流传热温差为而 所以修正后的传热温度差为 化工原理3（上）P232，图4-194.3.3估算传热面积 由常用化工单元设备设计表1-6，查得水与煤油之间的传热系数在290-698w/(m2.oC)，初步设定K=300w/(m2.oC)。根据化工原理（上）P235，公式（4-44a）估算的传热面积为 4.4主体构件的工艺结构尺寸4.4.1管径和管内流速 选用252.5的传热管（碳钢管），管内径di=0.025-0.00252=0.02，取管内流速ui=1m/s4.4.2管程数和传热管数 根据化工原理课程设计7P62，公式3-9可依据传热内径和流速确定单程传热管数 按单管程计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=4.5，则该换热器管程数为 传热管总根数 N=366=216(根）4.4.3传热管的排列和分程方法 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。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。由化工过程及设备课程设计图3-13取管心距t=1.25d0，则t=1.2525=31.2532(mm)。 由化工原理2（上）P282，公式（4-119），得横过管束中心线的管数为 由化工单元过程及设备课程设计P67页，公式（3-16），隔板中心到离其最近一排中心距离，取各程相邻管的管心距为44mm。其前后箱中隔板设置和介质的流通顺序按化工过程及设备课程设计图3-14选取。4.4.4壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，由流体力学与传热P206，公式4-115，得壳体内径为 圆整可取 D=600mm。4.4.5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取折流板间距 B=0.4D，则B=0.4600=240mm 取板间距B=300mm折流板数 根据常用化工单元设备设计P34，表格1-13，选取折流板与壳体间的间隙为3 . 5mm, 因此折流板直径Dc = 500 - 2 3 . 5 = 493mm4.4.6 拉杆的直径和数量与定距管的选定 根据常用化工单元设备设计P35，表格1-17，选用12mm 钢拉杆, 数量4条。定距管采用与换热管相同的管子, 即25mm2 . 5mm 钢管。4.4.7接管 壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 d=0.090m经圆整采用108mm4mm 热轧无缝钢管(GB8163-87) ,取标准管径为108mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为d=0.098m 经圆整采用108mm4mm 热轧无缝钢管( GB8163-87) ,取标准管径为108mm.4.4.8换热器的结构基本参数外壳内径: D = 600mm 换热面积: S =74.6m 2换热管数量: N = 216根管长: L =4500mm管子规格:25mm2 . 5mm(碳钢)管中心距: t = 32mm管子排列方式: 正三角形壳程数: 1管程数:6折流板数量: NB = 14(块)折流板间距: B= 300mm拉杆数量: 4根 拉杆直径: 12mm定距管: 与换热管相同规格(25mm2 . 5mm(碳钢)通过管板中心的管子数: nc = 13 根4.5换热器主要传热参数核算4.5.1热流量核算4.5.1.1 壳程对流传热系数可采用克恩公式，由化工原理3（上）P253，公式（4-77a）得 其中：取当量直径de，由于是正三角形排列，由化工原理（上）P253，公式（4-79）得 壳程流通截面积A0，由化工原理（上）P253，公式（4-80），得 壳程流体流速及其雷诺系数分别为 普朗特准数Pr由化工原理（上）P247，表4-8中准数式得 故壳程对流传热系数 4.5.1.2管程对流传热系数由化工原理（上）P248，公式（4-70a），水在管程中是被加热，所以公式中的n=0.4，得 其中：管程流通截面积 管程流体流速以及其雷诺数分别为 普朗特准数 故管程对流换热系数 4.5.1.3污垢热阻和管壁热阻查阅化工原理（上）P354，附录20，得煤油侧的热阻 R0=0.000172 m2oC/w自来水侧的热阻 Ri=0.000344 m2oC/w钢的导热系数为 =454.5.1.4传热系数K根据化工原理2（上）P227，公式（4-41） 解得K=353.6 W/(m2.OC)传热面积所选用的换热器的实际传热面积 4.5.1.5传热面积裕度根据化工单元过程及设备课程设计P76，公式（3-36）该换热器的面积裕度为 处于要求的15%20%的范围内，连换热器符合实际生产要求。4.5.2壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按化工单元过程及设备课程设计P77，公式（3-42）计算。该换热器用自来水冷却水，设定冷却水进口温度为25，出口温度为45来计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是按式（3-42）有式中，液体的平均温度tm和气体的平均温度Tm分别按化工单元过程及设备课程设计P77，公式（3-44），（3-45）计算tm=0.445+0.625=33（） Tm=0.5（130+50）=90（）hc=hi=5833W/ (m2K) hh=h0=806.6W/ (m2K)传热管平均壁温tw=39.9（）壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即Tm=90。壳体壁温和传热管壁温之差为-t=90-39.9=50.1（）50该温差较大，故需设温度补偿装置。选用带膨胀节的固定管板式式换热器。 4.5.3换热器内流体的流动阻力（压强降）4.5.3.1管程流动阻力根据化工原理3（上）P284，公式（4-121）得 pi（p1+p2）Ft Ns Np其中：Pi管程总压力降, Pa; P1 、P2 分别为单程直管阻力与局部阻力, Pa ;Ft污垢校正系数,对于25mm2 . 5mm 管子,取Ft = 1 . 4;对于 19mm2mm 管子, 取Ft = 1 . 5;这里取Ft = 1 . 4；Ns壳程数，Ns=1 ;Np 管程数， Np=6 。其中流体流过直管段由于摩擦所引起的压力降可由下式计算: 流体流过回弯管(进、出口阻力忽略不计)因摩擦所引起的压力降可由下式计算: 式中：摩擦阻力系数; l传热管长度, m;di 传热管内径, m;ui 管内流速, m s;流体密度, kg m3 。=0.5+1+0.5+1=3由Re=27421 500 时, f0 = 5 . 0 Re - 0 . 2 2 80 ;其中, Re0 = ( de u0) 。nc横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列: nc = 1 . 1 N ;管子按正方形排列: nc = 1 . 19 ;u0 壳程流体横过管束的最小流速, m /s , Vs壳程流体的体积流量, m3 s。 根据管子排列方法（这里是正三角形），取F=0.5Re=3785 f0=5.0Re0-0.228=0.76 B=300mm D=600mm =825kg/m3 u0=0.164m/s总压强降： 符合设计要求。5、 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式： 带膨胀节的固定管板式工艺参数管程（自来水）壳程（煤油）质量流量（kg/h）4030018940进/出口温度（）25/45130/50设计压力（MPa）0.10.1物性参数定性温度（）3590密度（kg/m3）994825比热容(kJ/(kg0C)4.1742.22粘度(Pas)0.72510-30.71510-3导热系数(W/(m20C)0.6260.14普朗特准数4.8311.3工艺主要计算结果流速（m/s）1.00.164污垢热阻（m2oC/w）0.0003440.000172阻力（压降）（MPa）0.0440.002对流传热系数(W/(m20C)4800.8525.2总传热系数(W/(m20C)353.6平均传热温差（）41.1热流量（KW）934400传热面积裕度%16.0设备结构设计程数61推荐使用材料碳钢台数1壳体内径（mm）600传热面积/m274.6管径（mm）252.5折流板形式上下管数（根）216折流板数/个14管长（mm）4500折流板间距/mm300管子排列方式正三角形切口高度/mm150管间距（mm）32封头2个DN=600mm封头法兰DN=600隔板b=10mm拉杆4根d=12mm支座JB/T 4712-92管箱DN=600U型膨胀节R=35mm定距管252.5管板b=42mm壳程接管1084壳程接管法兰DN=100mm管程接管1084管程接管法兰DN=100mm六、自我评价 化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。这次化工原理课程设计是以小组为单位，然后组员各自进行相应的确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分