列管式换热器设计步骤

1、陈 振 指导教师 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第1页 列管式换热器设计列管式换热器设计 化工原理课程设计化工原理课程设计 陈 振 指导教师 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第2页 设计题目 拟用200Kpa的饱和水蒸气将常压下 20的苯加热到80， 苯的质量流量为50t/h单号 苯的质量流量为40t/h双号 试设计一列管式换热器。 已知仓库中现有252.5mm，长 6m的碳钢钢管 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第3页 设计内容 设计说明书设计说明书 布管图布管图 187187 169169

2、 114114 装配图装配图 187187 169169 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第4页 设计步骤 一、确定定性温度、物性数据一、确定定性温度、物性数据 二、换热器的类型及流体走向二、换热器的类型及流体走向 三、工艺计算三、工艺计算 四、换热器尺寸的初步确定四、换热器尺寸的初步确定 五、校核计算五、校核计算 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第5页 六、进出口管径六、进出口管径 七、校核流体压力降七、校核流体压力降 八、换热器尺寸及附属部件八、换热器尺寸及附属部件 九、参考资料九、参考资料 十、对一些

3、问题的说明十、对一些问题的说明 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第6页 一、确定定性温度、物性数据 苯的物性数据苯的物性数据 t t1 1 、t t2 2 、t tm m 、 、 、C CP2 P2 、 、2 2 、2 2 水蒸汽的物性数据水蒸汽的物性数据 Ts 、 、 、 同温度下水的物性同温度下水的物性 、 、 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第7页 二、换热器的类型及流体走向 卧式固定管板式换热器卧式固定管板式换热器 水蒸汽走壳程，苯走管程水蒸汽走壳程，苯走管程 不需要进行热补偿不需要进行热补偿 不需

4、要加折流挡板不需要加折流挡板 P269-271P269-271 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第8页 三、工艺计算 1 1、热负荷即传热速率、热负荷即传热速率Q Q 2 2、平均温度差、平均温度差ttm m 3 3、选、选K K值，估算传热面积值，估算传热面积A A初 初 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第9页 1、热负荷即传热速率Q 21111222 TTcmttcmQ PSPS m tKAQ rmQ s1 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第10页 2、平均温

5、度差ttm m 由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把 两流体的平均温度差看作是逆流来计算两流体的平均温度差看作是逆流来计算 （双管程）（双管程） 2 1 21 ln t t tt tm 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第11页 3、选K值，估算传热面积A初 根据条件根据条件K K值在值在5805801160 1160 W/mW/m2 2 （K K 680680W/mW/m2 2） m tK Q A 初 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第12页 四、换热器尺寸的初步确定 确定管

6、程结构尺寸确定管程结构尺寸 壳程设计数据壳程设计数据 换热器长径比换热器长径比 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第13页 1、确定管程结构尺寸 管子规格管子规格 初步设计总管数初步设计总管数 校核流速、确定管程校核流速、确定管程 管间距及排列方式管间距及排列方式 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第14页 （1 1）管子规格）管子规格 库存库存25252.5mm2.5mm，L L3.0m3.0m的光滑碳钢的光滑碳钢 钢管钢管 取管内苯的流速为取管内苯的流速为u u2 2 （ （0.60 m/s0.60 m/s

7、） 苯系易燃易爆物苯系易燃易爆物 流速一般低于流速一般低于1 1 m/sm/s 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第15页 （2 2）初步设计总管数）初步设计总管数 dL A n 初 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第16页 （3 3）校核流速、确定管程）校核流速、确定管程 2 2 4 i s dn m u u u m 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第17页 （4 4）管间距及排列方式）管间距及排列方式 管间距管间距t t（1.251.251.31.3）d d0

8、0 采用三角型排列采用三角型排列 根据总管数根据总管数n n”确定层数确定层数a， 是否弓形排管，确定是否弓形排管，确定N NT T 最外层六角形对角线上管数最外层六角形对角线上管数 N NTb Tb 2a+1 采用胀管法排列采用胀管法排列 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第18页 2、壳程设计数据 壳体内径壳体内径 D Dt t（N NTb Tb 1 1）+ 2 b+ 2 b t t 管间距管间距 N NTb Tb 最外层六角形对角线上管数最外层六角形对角线上管数 b b 六角形最外层管中心到壳体内六角形最外层管中心到壳体内 壁距离，取壁距离，取b

9、 b（1 11.51.5）d d0 0 壳体内径标准圆整到壳体内径标准圆整到DDmmmm 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第19页 中心拉杆中心拉杆n n3 3根根 直径直径1212mmmm 双管程隔板少排双管程隔板少排N NTb Tb根 根 实际管数实际管数n nN NT TN NTb Tb n n3 3 双管程，每程双管程，每程n/2n/2根排列管子根排列管子 实际流速实际流速 ，与初设苯流速，与初设苯流速u u2 2 校核校核 2 0 2 42 d n m u s 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第2

10、0页 3、换热器长径比 确定长径比的取值范围确定长径比的取值范围 64 D L 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第21页 五、校核计算 1 1、校核总传热系数、校核总传热系数K K值值 2 2、校核壁温、校核壁温T TW W 3 3、校核传热面积、校核传热面积A A 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第22页 1、校核总传热系数K值 管内对流传热系数管内对流传热系数2 2 管外对流传热系数管外对流传热系数1 1 污垢热阻及管壁热阻污垢热阻及管壁热阻 1 1 1 2 1 2 22 1 11 S m S R d

11、bd d d R d d K 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第23页 （1 1）管内对流传热系数）管内对流传热系数2 2 4 . 08 . 0 2 PrRe023. 0 d du Re P C Pr 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第24页 （2 2）管外对流传热系数）管外对流传热系数1 1 25.0 0 3 2 32 1 725.0 tdn gr WS TTt 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第25页 （3 3）污垢热阻及管壁热阻）污垢热阻及管壁热阻 苯侧污垢

12、热阻苯侧污垢热阻R RS2 S2 1.761.761010-4 -4m m2 2/W /W 蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小，蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小， 水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计， 碳钢钢管的导热系数碳钢钢管的导热系数45 W/m45 W/m2 2 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第26页 （4 4）校核）校核K K值值 以外表面计算：以外表面计算： 12 11 22 1 11 d d R d bd d d K S m 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第27页 2、校核壁温TW

13、 结果与原假设值结果与原假设值T TW W校核校核 （T TW W115.6115.6） W TTAQ 1 A Q TTW 1 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第28页 3、校核传热面积A 水蒸汽侧水蒸汽侧TsTs 不变，一壳不变，一壳 程双管程换程双管程换 热器平均温热器平均温 度差与逆流度差与逆流 平均温度差平均温度差 相等。相等。 T t2 t1 0 2L L t2 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第29页 实际所需面积实际所需面积 m tK Q A LndA 0 %20 A AA 化工原理教研室 山

14、东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第30页 六、进出口管径 苯进口管、出口管苯进口管、出口管 水蒸汽进口管径水蒸汽进口管径 冷凝水排出口冷凝水排出口 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第31页 1、苯进口管、出口管 取进口流速取进口流速u u0 01m/s 1m/s 进口直径进口直径 u V d 4 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第32页 2、水蒸汽进口管径 蒸汽用量蒸汽用量 03. 01 r Q G 4 1 u V D 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式

15、换热器设计步骤第33页 3、冷凝水排出口 选用水煤气管选用水煤气管 42.25 42.253.25mm3.25mm，长长100100mmmm 2 1 1 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第34页 七、校核流体压力降 管程总压力降管程总压力降 壳程压力降壳程压力降 壳程是饱和水蒸汽冷凝，壳程是饱和水蒸汽冷凝， 阻力很小，不校核其压力降。阻力很小，不校核其压力降。 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第35页 q管程总压力降 （P272） 总压力降总压力降计算公式计算公式 pstrit NNFPPP 2 2 u d

16、 l P i i 232 22 uuP r 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第36页 管内径管内径; ; 管长管长 管程结垢校正系数，管程结垢校正系数， 三角形为三角形为1.51.5， 正方形为正方形为1.41.4； 壳程数，壳程数，1 1； 一壳程的管程数，一壳程的管程数，2 2 。 t F s N p N l i d 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第37页 q 计算计算 du Re 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第38页 八、换热器尺寸及附属部件 管间距：

17、管间距： t t32.5mm 32.5mm 壳体直径：壳体直径：60060010mm10mm，内径内径D D 580mm 580mm 壳体材料：碳素钢壳体材料：碳素钢A A3 3F F，钢板卷焊钢板卷焊 管子尺寸：管子尺寸：25252.5mm2.5mm，L L3.0m3.0m， n n164164根，双管程根，双管程 布管图布管图 见图纸见图纸2-22-2。 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第39页 6、管板 (1)(1)管板材料：选用碳素钢管板材料：选用碳素钢A A4 4。 (2)(2)管子在管板上的固定方法：焊接管子在管板上的固定方法：焊接 (3

18、)(3)管板尺寸管板尺寸：PgPg16kgf/cm16kgf/cm2 2， （见讲义见讲义P66P66表表4-84-8） (4)(4)管板与壳体的连接：管板与壳体的连接： 采用法兰连接，拆开顶板可检修或清采用法兰连接，拆开顶板可检修或清 理管内污垢，理管内污垢，法兰尺寸法兰尺寸见讲义见讲义P111P111 115115图图4 46363及表及表4 42727。 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第40页 （5 5）管板与分程隔板的连接）管板与分程隔板的连接: :采用单层隔板，隔采用单层隔板，隔 板材料与封头材料一致，厚度板材料与封头材料一致，厚度s s

19、10mm10mm。（见（见 讲义讲义P77P77表表4 41919） S 隔板 管板 S2 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第41页 7、封头与管箱 封头与管箱位于壳体的两端。封头与管箱位于壳体的两端。 （1 1）封头的选择：选用椭圆形封头，）封头的选择：选用椭圆形封头， Dg600Dg60010mm GB115410mm GB11547373 （2 2）封头尺寸封头尺寸：曲面高度：曲面高度150150mmmm，直边高直边高 度度4040mmmm。（。（讲义讲义P142P142附表附表1 12 2） 管程接口管与封头为焊接，封头与壳体管程接口管与封头

20、为焊接，封头与壳体 为法兰连接，法兰尺寸与上同。为法兰连接，法兰尺寸与上同。 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第42页 管程进出口接管直径：选用无缝热管程进出口接管直径：选用无缝热 轧钢管（轧钢管（YB231-64YB231-64）1521524.5mm 4.5mm 长长200200mmmm。 支座的公称直径支座的公称直径Dg600mmDg600mm，每个支每个支 座承受的载荷为座承受的载荷为36.836.8吨，材料采用吨，材料采用 A A3 3F F碳素钢；采用鞍形安装。（尺寸碳素钢；采用鞍形安装。（尺寸 见讲义见讲义P117P117图图4 42828b b，表表4 42828） 整个换热器采用卧式安装，安装图整个换热器采用卧式安装，安装图 见图纸见图纸2 21 1。 化工原理教研室 山东轻工业学院 2021年5月4日星期二列管式换热器设计步骤第43页 九、参考资料 列管式换热器及其设计（讲义）列管式换热器及其设计（讲义） 山东轻工业学院，化工原理教研山东轻工业学院，化工原理教研 室编，室编，19871987年。年。 化工原理上册