换热器课程设计3

1、换热器课程设计目录1 设计任务书41.1 设计任务41.2 设计项目41.3 设计图42 设计说明书42.1换热器的选型42.1.1 列管式换热器42.1.2 固定管板式换热器52.1.3 浮头式换热器52.1.4 u型管式换热器62.1.5 填料函式换热器62.2换热器内冷热流体通道的选择62.3流体流速的选择72.4换热管的选择72.5流体进出口温度的初步确定83工艺计算93.1确定总传热量93.2确定冷却剂的流量103.3有效平均温差103.4管内空气侧传热系数hi的计算103.5管外水侧传热膜系数的计算113.6总的传热系数的计算123.7换热器所需要的管子数n123.8设计计算的校核

2、124设备计算及选型144.1管子在管板上的固定方式144.2管程分布与管子排列144.3分程隔板的连接144.4管板与壳体的连接144.5折流挡板144.6拉杆155 机械设计5.1壳体壁厚155.2水压校核155.3管板参数165.4折流板的计算165.5接管与管法兰175.6封头设计185.7支座设计186设计计算结果汇总表187设计总结19参考文献20符号说明 211设计任务书1.1设计任务 原始数据： 1）空气处理量 ：体积流量vh=20000 m3/h 操作压强 ：1.3mpa（绝对压）空气进口温度 ：270 出口温度 ：50 2）冷却剂 ：常温下的水水进口温度： 25 出口温度：

3、 75 1.2设计项目1)确定设计方案，确定冷却器型式，流体流向和流速选择，冷却器的安装方式等。2)工艺设计：冷却器的工艺计算和强度计算，确定冷却剂用量，传热系数，传热面积，换热管长，管数，管间距，校对压降等。3)结构设计：管子在管板上的固定方式，管程分布和管子排列，分程隔板的连接，管板和壳体的连接，折流挡板等。4)机械设计：确定壳体，管板壁的厚度尺寸，选择冷却器的封头、法兰、接管法兰、支座等。5)附属设备选型。1.3 设计图 1）主体设备图 2）平面布置图 3）工艺流程图2 设计说明书2.1换热器的选型本设计任务是利用冷流体（水）给热空气降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生

4、产需要。 选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。不同的换热器适用于不同的场合。换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检修与清洗要求等。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。2.1.1 列管式换热器 在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具

5、有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和u型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。2.1.2 固定管板式换热器 这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具

6、有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置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。壳程压强超过6105pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。2.1.3 浮头式换热器 用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。2.1.4 u型管式换热器 此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是u型管的

7、更换及管内清洗困难。 考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 ，而且应用广泛，操作简单、方便。用水冷却氨气不易结垢，所以选择带有补偿圈的固定管板式换热器。2.1.5 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封。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。2.2 换热器内冷热流体通道的选择 冷

8、、热流体流动通道的选择的一般原则： 1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 3）压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。 4）饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速 无关，而且冷凝液容易排出。 5）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。 6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。 7）需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。 综上所述本冷

9、却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。 （1）因为热空气的操作压力达到1.3mpa，而冷却水的操作压力取0.2mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量； （2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。 （3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。2.3流体流速的选择 流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，

10、从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。表31列管式换热器内常用的流速范围 表32不同粘度液体流速 查阅化工原理（上）1p201表49 可得到，热空气的流速范围为530 ms-1；冷却水的流速范围为0.21.5 ms-1。初步选择：热空气的流速为10.0 ms-1， 冷却水的流速为0.5 ms-1。2.4换热管的选择 选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，

11、设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。 我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径壁厚，常用的换热管的规格：192，252.5，383。在此项目设计中选择换热管的规格为252.5碳钢管2.5流体进出口温度的初步确定 管内流体（空气）： 体积流量：vh=20000m3/h=5.56m3/s（标准状态） 进口温度：t1=270 出口温度：t2=50 操作压力：ph=1.3mpa 设计压力：pdh=1.4mpa 管外流体（冷却水）： 进口温度：t1=25 出口温度：t2=75 操作压力：pc=0.2mpa

12、设计压力：pdc=0.3mpa 空气物性： （1）空气的定性温度 ： （2）空气的设计压力：pdh=1.4mpa 查阅化工原理（上）1的附录三（p268）：干空气的物理性质（101.33kpa）和附 录七，运用内插法： （3）导热系数：h=0.03637 wm-1-1 （4）粘度：h=2.45x10-5pas （5）定压比热容：cp，h=1017j/（k） （6）密度校正h=1.2931.293(1.4mpa/0.101mpa)273/(273+160)11.30 kgm-3 冷却水的物性: （1）冷却水的定性温度 ： （2）冷却水的设计压力：pdc=0.3mpa 查阅化工原理（上）1的附录二

13、（p261）水的物理性质。运用内插法： （3）导热系数：c=0.6473w/m.k （4）粘度：=5.49x10-4pas （5）定压比热容：cp，h=4174j/k （6）密度校正：c=988.1 kg/m3 空气与冷却水的物理性质表：物性密度i（kg/m3）定压比热容cpi j/(kg)粘度i（pas）导热系数i（wm-1-1）空气 11.3010172.4510-5 0.03637水988.1041745.4910-40.64733工艺计算3.1确定总传热量 热负荷分为两种，即工艺热负荷和设备热负荷，工艺热负荷是指工艺上要求的在单位时间内需要对物料加入或取出的热量，用ql表示，单位为w。

14、设备热负荷是热交换器所具备的换热能力，所以设备热负荷也就是热交换器的传热速率q。当热损失不可忽略时，为满足工艺要求，q应大于ql。 由热量衡算得到的是工艺热负荷ql。如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有： 式中 ：w-流体的质量流量，kg/h； -流体的平均定压比热，kj/(kg); t-热流体温度，； t-冷流体温度，； （下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2表示热交换器的进口和出口）式3-29是热交换器的热量衡算式，也称为热平衡方程。若流体在换热过程中有相变，例如饱和蒸汽冷凝成同温度冷凝液时，则有： 式中-饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h； r-饱和蒸汽的冷凝潜热，kj/

15、kg； 为满足工艺要求，应该使热交换器的传热速率等于或略大于工艺热负荷，即：qql ql=wccpc(t2-t1)=vccp，c（t2-t1） 【来自1p214】 空气体积流量：vc=5.56m3/s单位时间的总传热量：q=vhcp，h（t1-t2）=5.56x11.30x1017x（270-50）=1.41x10-7 j3.2确定冷却剂的流量根据上面的公式q=vccp，c（t2-t1）得到vc=1.41x10-7 /988.1x4174x(75-25)=0.068 m3/s3.3有效平均温差 = 【来自1p182（4-124）】（2）温度校正系数：平均传热温差校正系数,查阅传热过程与设备2得

16、 【来自2p61( 3-9)】温度校正系数为查传热过程与设备2p61图3-10得ftx=0.82 于是得传热温差校正值为：t=ftxtm=0.82x82.77=67.87 又因为ft0.8；所以应该采用单壳程ns=1。3.4管内空气侧传热系数hi的计算 （1）选用252.5mm的传热管(碳钢管)；（2）空气流速：uh10m/s（3）空气总的流通截面积：s=vh/uh=5.56/10=0.556m2（4）雷诺数re的计算=92244.89可得，流体流动形态为湍流（5）普兰特准数pr、对流传热系数hi =0.685a1=0.023/dre0.8x=0.023xxx0.03637/0.02=350.

17、01w/(m2)3.5管外水侧传热膜系数的计算（1）由1p226得，管间距：s=32mm（2）换热管长：取管长l=6m（3）依据传热管内径和流速确定单程传热管数 n=vh/（uhr2）=5.56/（10x3.14x0.012）=1770.71771 (根)（4）计算外壳直径由1p203,4-129得di=s（ne-1）+2b管子按正三角形排列时，横过中心管束中心线的管数：ne=1.1=65.4766根b=（11.5）do 取b=1.5do=37.5mm即：di=s（ne-1）+2b=32x（66-1）+2x37.5=2155mm查阅化工设备机械基础4p126，表9-3，采用16mnr钢板(gb

18、3274)，其中钢密度7850kgm3由pc1.2p=1.68mpa， di2155mm，再查阅4p124，表9-6,对壳体与管板采用单面焊，当全部无损探伤时，焊接接头系数0.7。查阅化工设备机械基础p124，表9-4, 碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t=170mpa ，s345mpa（1.68x2.155)/（2x170x0.7-1.68）15.32(mm)查阅化工设备机械基础p127，表9-10,钢板厚度负偏差，取c10.8mm， c21mm。圆整后： n=15.32+0.8+120(mm) 采用公称直径为d=2200x22.5mm (5)当管子为正三角形排列时： de0.0202

19、m 【来自1p106】 两折流挡板距离：h=（0.21.0）d=100500 取h=0.3m板数nb=l/h-1=6/0.3 -1=19 （6）水在两折流挡板间的最大截面积： a=hdi（1-do/s）=0.3x2.2x（1-0.025/0.032）=0.14m2 （7）壳程冷却水的流速： uc=vc/a=0.068/0.14=0.49m/s （8）雷诺数： re=988.1x0.49x0.0202/0.000549=17638.21 2000re105由顾毓珍光滑管公式：i=0.0056+=0.02 【来自1p46（1-105）】直管部分的压降：p1=0.02x(6/0.02)x(10.32

20、2/2)x11.30 = 3610.43pa 弯管回路中的压降：p2=3x10.322/2x11.30902.16 pa 【来自1p204（4-133）】 总压降：pi（p1+p2）ft ns np（3610.43+902.16）1.51212636.51pa 1.3mpa（符合设计要求） 其中， ft为结垢校正系数，取1.5；ns为串联壳程数，取1；np为管程数，取2。 （3）壳程压降p1=ffonc(nb+1) 【来自1p204（4-135）】其中：f=0.5fo=5.0（17638.21）-0.228=0.54nc=66nb=19uo=0.49m/sp1=0.50.5466(19+1)(

21、988.10.492)/2 42276.67pap2nb（3.5） 【来自1p205(4-136)】19（3.52x0.3/2.155）(988.10.492)/27260.81pa总压降：po（p1p2）fs ns（42276.67+7260.81）1.15156968.10pa 1.3mpa（符合设计要求） 其中，fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取1.15；ns为串联的壳程数，取1。4设备计算及选型4.1管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子，其优点是：焊接连接能保持连接的紧密性；管板孔加工要求低，可节省孔的加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力不太高可使用较薄的管板。由换

22、热器设计手册5p172，表1-6-20，管子伸出长度约为3+2=5mm，管子与管孔间保留2mm的距离，防止管子受热膨胀，使管板受压变形。4.2管程分布与管子排列 管束分程时主要依据：要尽量采用偶数管程（单管程除外）；各程换热管数应大致相等；相邻程间平均壁温差一般不应超过28；各种程间的密封长度应最短；分程隔板的形式应简单。本设计中选用双管程。 管子的排列方式选正三角形排列，其优点如下：三角形排列紧凑，传热效果好，同一板子上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。管间距：s=32mm总管数：1716根拉杆数：m=4根开孔数：1720个4.3分程隔板的连接 查阅化工单元过程及设备课程设计

23、【3】p127，表4-1，可知 当设计换热器的公称直径di=2200mm时，隔板最小厚度bmin=8mm，取b=10mm。4.4管板与壳体的连接 管板兼做法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰连接。4.5折流挡板 本次设计的冷却器采用弓形折流板。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，即h=0.25x2200=550mm，h=300mm，nb=6000/300-1=19块4.6拉杆 本换热器壳体内径为500mm，查阅化工单元过程及设备课程设计p135，表4-7，表4-8，得： 拉杆直径：d=16mm； 拉杆螺纹公称直径：dn=16mm； 前螺纹长：la=20mm；后螺纹长lb=

24、60mm； 拉杆数：45 机械设计5.1壳体壁厚 查阅化工设备机械基础4p126，表9-3，采用16mnr钢板(gb3274)，其中钢密度7850kgm3由pc1.2p=1.56mpa， di500mm，再查阅4p124，表9-6,对壳体与管板采用单面焊，当全部无损探伤时，焊接接头系数0.7。查阅化工设备机械基础p124，表9-4, 碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t=170mpa ，s345mpa（1.56x0.5/（2x170x0.7）-1.56）3.3(mm)查阅化工设备机械基础p127，表9-10,钢板厚度负偏差，取c10.8mm， c21mm。圆整后： n=3.3+0.8+110

25、(mm) 5.2水压校核 由化工设备机械基础p130，公式（9-8），（9-10），得： =79.92mpa 而0.9s=0.90.85345=263.93mpa因为0.9s，所以水压试验时强度足够。5.3管板参数根据壳体内径尺寸，以及壳程压力小于管程压力，查阅换热器设计手册p154，表1-6-11（a） 管板尺寸表具体参数列于下表： 参数名称参数值管板直径da/mm500管板外径d/mm640管板厚度ba/mm42螺栓孔直径d2/mm23螺栓规格m20螺栓数量n2/个24螺栓孔高度bf/mm32管板法兰直径df /mm640管板螺栓内侧边间距d4/mm552管孔直径d1/mm25.4管孔数/

26、个132换热管外伸长度/mm5管板体积/m30.0125管板质量/kg98.125注：管板体积=0.0125m3单块管板质量：m=0.0125785098.125kg5.4折流板的计算查阅热换器设计手册p181-182，表1-6-26和表1-6-33得：折流板直径：da=500-4.5-0.5（允许偏差0.5）=495mm折流板切去面积的弓形高度：ha=0.25x500=125折流板厚度：查表可知其最小值为5mm，故取=8mm圆缺部分面积：=c=0.156150.49520.03826 【来自5p184】其中c由ha/da=0.253查表1-6-35得c=0.15615。.折流板体积： x=0

27、.000633m3折流板质量：9x0.000633x7850=44.72kg由国家标准【gb151-1999】，表17，管孔直径d1=25+0.4=25.4mm；由国家标准【gb151-1999】，5.6.5.1（15），拉杆孔直径d2=16+1=17mm；n1：管孔数量,132；n2：拉杆孔数量，4。5.5接管与管法兰根据1p204 接管公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.21.4倍，得（1）壳程流体进出口接管：取接管内的水流速ui=1.8m/s，则=（4x0.0138/3.14/1.8）1/2=98.8mm取标准管径为125mm，查材料与零部件（上）6p123无缝钢管

28、（yb231-70）表1-1-86，外径=108mm，管厚=4mm；p655表2-8-1，伸出高度=150mm进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅材料与零部件（上）p384，表2-2-23，取法兰直径205 mm厚度b=18mm螺栓孔间距d1170mm孔直径18mm法兰重量：凹法兰6.04kg凸法兰=6.9kg，螺栓规格：m16螺栓数量：4。（2）管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 15 m/s，则=（4x0.2/3.14/15）=130.33mm取标准管径为125mm，查材料与零部件p123无缝钢管（yb231-70）表1-1-86，外径=159mm，管厚=4.5mm；p6

29、55表2-8-1，伸出高度=150mm进气口采用凹法兰，出气口采用凸法兰，查阅材料与零部件(上)p384，表2-2-23，取法兰直径280 mm厚度b=28mm螺栓孔间距d1240mm孔直径23mm法兰重量：凹法兰7.34kg凸法兰=8.5kg，螺栓规格：m16螺栓数量为8。5.6封头设计（1）封头本换热器采用椭圆型封头（jb1154-73）两个，材料使用高合金钢，以内径为公称直径，d=500mm。查阅传热传质过程设备设计p307，总附表3，得： 曲面高度h1=125直边高度h2=25内表面积a=0.309m2（2）管箱 管箱长度l=360，管箱外径=500壁厚=10mm 管箱质量：m=3.1

30、4x0.5x0.3x0.008x7850=29.58kg管的总长=3682mm（3）法兰 查阅材料与零部件（上）p386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力为1.0-1.6mpa范围内，选取的法兰参数d=640mm，公称直径=500，孔间距d1=600。孔直径d2=23mm，厚度b=42mm，所用螺栓规格m20，螺栓数目24。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。5.7支座设计查阅材料与零部件（上）p627-628，表2-7-1鞍式支座尺寸，得当公称直径=500mm时，l=460，b=120，b=90，m=200，质量=14.84kg换热器总长=3682m

31、m6 计算结果汇总表换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：工艺参数管程壳程体积流量/（m3/s)0.0685.56进/出口温度/25/75270/50操作压力/mpa0.21.3物性参数定性温度/50160密度/(kg/m3)988.111.3定压比热熔/kj/(kgk)4.1741.017粘度/(pas)5.4910-42.4510-5热导率/w/(mk)0.03170.6129普朗特准数0.6895.8工艺主要计算结果流速/(m/s)9.650.421污垢热阻/m2k/ w0.000350.00017阻力（压降）/mpa8594.876107.94对流传热系数/w/(m

32、2k)331.83255.8总传热系数/w/(m2k)263.54平均传热温差/50.49热流量/kw286.92设备结构设计程数21推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式固定管板式台数1壳体内径/mm500传热面积/m224.8管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根136折流板数/个9管 长/mm3000折流板间距/mm300管子排列方式圆切高度/mm125管间距/mm32封头2个do=500mm封头法兰dh=640mm隔板b=8mm拉杆4根d=16mm支座(jb1167-81)a型管箱（非标准）do=500mm管箱法兰dh=640mm定距管252.5管板请参阅说明书壳程接管1084壳程接管

33、法兰dh205mm管程接管1594.5管程接管法兰dh=280mm排气液管1084排气液管法兰dh=205mm备注设备总长为3682mm总重取整为1018kg7 设计总结当初此当初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的，听课的时候也一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。 尤其是做过化工设计之后，觉得换热器设计挺简单的，可实际上当我真的开始做设计的时候，才发现自己的知识有多么的不充实。所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了好久的时间，终于把计算部分完成了。再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同，果真用这设计的话，也是谋财害命。在整个设计过程中，遇见了很多的困难，不知道怎样开始，不知道怎样根据老师的模板设计，尤其是做到了工艺计算中的物料衡算和热量衡算的时候完全不知道怎么样开始，只有自己开始琢磨，想了好久好久查阅了化工原理等资料，才知道怎样设计。因此，有花了好多的时间在计算上。那么接下来就是画图了，由于学过机械制图还有auto cad，以为画图比较简单，一天左右可以完成，谁知道，画图更难，这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑到画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。最终，只好把管数安排