化工原理换热器课程设计—丁兆鹏

1、安徽工程大学化工原理课程设计设计题目：换热器的设计学生姓名：丁兆鹏指导老师：王翀学院：生物与化学工程学院专业班级：牛物工程112班学号：_31104022011.1概述 312换热器设计任务书 3错误！未定义书签。1.3换热器的结构类型 41.4换热器材质的选择 61.5设计方案简介 72.1设计参数 102.2计算总传热系数 102.3工艺结构尺寸 112.4换热器核算 132.4.1.热流量核算 13242.换热器内流体的流动阻力153.1设计结果一览表 173.2主要符号说明 184.1设计心得 185.1参考文献 191.1概述列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，

2、历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封 头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管 外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大， 传热效果好，结构 坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压 和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳 体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。 折流挡板不仅可防止 流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束， 使湍流程度大为增加。列管式换热器中，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。

3、若两流体温差较大（50C 以上）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。1.2设计任务及操作条件1.2.1处理能力：356000kg/h的混合气体122.设备形式：列管式换热器1.2.3.操作条件1.2.4混合气体：入口温度103C出口温度42C1.2.5冷却介质：自来水 入口温度21 C出口温度32C1.2.6允许压降：不大于100Kpa1.2.7混合气体定性温度下的物性数据：密度 90kg/m3 粘度 1.5*10-5pa.s比热容 3.297kj/(kg. C)导热系数 0.0279W/m. 1.2.8选择适宜的列管换热器并核算1.2.8.1

4、传热计算1.2.8.2管，壳程流体阻力的计算1.2.8.3计算结果表1.2.8.4 总结1.3换热器的结构类型换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各 不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。 根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热 式、间壁式。1）间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换 热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过 壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场 合。间壁式换热器的应用

5、广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体 相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高， 适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、 洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。2）蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借 助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热 体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与 冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的 目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全

6、避免两种流体的混合。 工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热 器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。3）紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。4）管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传 统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特 点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟， 选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备 的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板 上，而管板则安装在壳体内。因此，这

7、种换热器也称为管壳式换热器。 常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头 式和U形管式等几种类型。1.4换热器制材的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备 的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能 等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了 满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考 虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复 杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用 寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与 换热器的具体结构有着密切关系。一

8、般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。141.1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。 如一般换热器用 的普通无缝钢管，其常用的材料为 10号和20号碳钢。141.2不锈钢奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体 不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。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，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列 居多，也有正三角形排列。(B)(C)(D)(E)换

9、热管在管板上的排列方式（A）正方形直列（B）正方形错列（C）三角形直列（D）三角形错列（E）同心圆排列1.3.2管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩 胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的 目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设 计压力不超过4MPa设计温度不超过350C的场合。1.5设计方案简介1.5.1换热器类型的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本 次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1.5.1.1固定管板式换热器这类换热器如图1

10、-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为 一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内， 排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用 于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同 的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。4( 1-1 阖定書板武换热辭一折流？*i扳 2恃冼 3一壺怵 4封头妾性 6轉板1.5.1.2U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩， 当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。 U型管式换热 器的优点是结构简单，

11、只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可 以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一 定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易 短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右1-2 U型瞥武换瑕將1.5.1.3浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。 浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管 膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便 与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头

12、盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。囲浮头式换热器1充韵戈一罔宦悟板 3尿扳 4一浮头钩卿法兰 3浮凰J管板占一厚头盖1.5.1.4填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密圭寸。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结 构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低;管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点 是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用图1-4 垃料骑武换热瞎1 活功竹楓 2 塡

13、料川離加塡料 4- 料出 5纵向附板2.1设计参数混合气体的定性温度:103 42 二 72.5 C水的定性温度:T221 322= 26.5 C定性温度下流体的物性P (kg /m3 )C kJ/(kg -C)讥 Pa - s)入(W/m - C)混合气体903.2970.0150.0279水996.94.1780.90270.6082.2计算总传热系数221热流量的计算(103-32) - (42-21),103 32In 42-21QO=m0Cpo A to=356000 3.297 103 103-42 ；=19888.2kw 3600IU= 41.0456 C2.2.2冷却水的用量m

14、iCpjt19888.24.178 (32 -21)=528.91kg2.2.3计算传热面积求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350 W/(川C )左右，先取 K值为300W/( m2C )计算由 Q=KA tm 得19890.75300 41.05=1614.96m22.3工艺结构尺寸231 .管径和管内流速选用 25X 2.5较高级冷拔传热管（碳钢）取管内流速u=0.5m/s。2.3.2管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=V 528.91/996.952-.20.785 0.022 0.5di u4 i按单程管计算，所需的传热管长度为L=

15、Apdons1614.963.14 0.025 33796.1m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为Np=L 6.1一 2l 4.5传热管总根数Nt=3379X 2=67582.3.3平均传热温差校正及壳程数R=103-425.54532 -21P=32 -210.136103-21按单壳程，双管程结构得:；t =0.97平均传热温差:tm 二；.t ：tm塑二 0.97 41.05 = 39.8142 C由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大, 故取单壳程合适。2.3.4传热管排列和分

16、程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列取管心距a=1.25doa=1.25X 25=31.25 32mm横过管中心线管数 b=1.1 N =1.1X 6758 =90.1 取91壳体内径采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径：D =a(b -1) 2e式中D壳体内径,mm;a管心距，mm;b最外层的六角形对角线上的管数；e六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取 e=(11.5)d,取 29mm。D =a(b -1) 2e =0.032 (91 -1)2 0.029 二 2.758m2.3.5折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度为：h=

17、0.25X 2.758=00.6895m，故可取 h=0.690m折流板数目NB=传热管长折流板间距取折流板间距 B=0.4D,则 B=0.4 X2.758=1.1032m4 5-11=3.079： 31.10322.4换热器核核算2.4.1热流量核算241.1壳程表面传热系数:10.55130.14:-0 =0.36Re0Pr ()0d 0ew当量直径:3 + 2 4 t d =2j eJI-do24=0.02m do壳程流通截面积:d25$ = BD(1 一亠)=1.1032 2.738(1) = 0.6375 m2t32壳程流体流速及其雷诺数分别为:356000(3600 90L.72m

18、/s0.63750.02 1.72 901.5 10-206400普朗特数:Pr3.297 103 1.5 10*0.02791.773粘度校正:u(严W巾36 签 2064000.55 1.773 -5049.04w/m2 K2.4.1.2管内表面传热系数：:i =0.023Re0.8 Pr0.4di管程流体流通截面积：S =0.785 0.022 6758 =1.0610 m22管程流体流速:Ui432.75/996.951.061=0.409m/ sRe =0.02 0.409 996.9/(0.9027 10；) =9033.61普朗特数:4.178如03 X 0.9027 x10，P

19、r6.20310.608:i =0.0239033,6108 6.20310 2119.99W/m2.k0.022.4.1.3污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻 尺=0.00021m2 k/w管内侧污垢热阻 R -0.00053m2 k/w管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/(m K)0.00252Rw0.00005556 m k /w45Rid o . Rv do,. r ,. 1di02.4.1.4传热系数Ke :Kedm2二 289.02w/m )：o2.4.1.5传热面积裕度传热面积Ac为：AQ11988800 cc” 2A-1728.52 m2Ke tm 289.02 39.8

20、1换热器的实际传热面积为 ApAp hMdINT =3.14 0.025 4.5 6758 = 2387.26m2该换热器的面积裕度为：2387.26 -1728.522387.26结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务2.4.2换热器内流体的流动阻力2.4.2.1管程流体阻力换热器压降的计算巾二(P ：P2)FtNsNp邛1,邛2 为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；Ft结垢校正因数，量纲为1,对：=25mm 2.5mm的管子，取1.4；Np 管程数Ns串联的壳程数查表得= 0.030=324.5 996.9 (0.409)0.02 2= 562.82Pa996.9 (0.409

21、)22= 250.14PaPi =( pP2)FtNsNp = ( 562.82+250.14) X 1.4 X 1 X2=2276.29Pa500时，fo=5Reog28;b横过管束中心线的管子数；Nb折流挡板数；h折流挡板间距（m）;uo 按壳程流通截面积计算的流速（m/s）;”A。=h（D -bd。）而Ao 二 h(D-bdo) = 1.06 (2.758-91 0.0 2)5= 0.5 3 2Wh0.5328uo 且=356000 (90 360叭 2.062m/sAoP 二 Ffb(NB1)乎_o 228= 0.5 5 (206400) .91 (3 1)90 (2.062)22-7

22、698.05PaNB(3.5 -=3 (3.5 -2 1.1032、90 (2.062)2.758 )= 149.24Pa 卩0 =(卩1 ：P2)FsNs=(7698.05+149.24) 1.15 1 =9024.38Pa ： 100kPa结论：壳程流动阻力也比较适宜。3.1设计结果一览表换热器型式：固定管板式换热器面积(卅)：2387.26工艺参数名称管程壳程物料名称循环水混合气体操作压力，MPa100100操作温度，C21/32103/42流量，kg/h528.9198.89流体密度，kg/ m3996.990流速，m/s0.4091 1.72传热量，kw19888.2总传热系数，w/ m2 k289.02对流传热系数，w/ m2 k2120509.04污垢系数，m2 k/w0.000530.00021阻力将，Pa2276.299024.38程数21使用材料碳钢碳钢管子规格25 7管数7758管长，mm4500管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距1103mm壳体内径/mm2758切口高度690mm3.2主要符号说明P 压力，Pa ;Q -传热速率，WR热阻，mK/WRe雷诺准数；q m-质量流速，kg /h;h-表面传热系数W/(rf- K);有限差值；k 导