U型管换热器课程设计说明书2

1、U型管换热器课程设计说明书设计题目U 型管换热器设计专业班级 建环 1001 学生 xxxxx 学 号 xxxxxx 指导教师xxxxx日 期2013.5.4一、化工原理课程设计任务书（换热器的设计）（一）设计题目：煤油冷却器的设计（二）设计任务及操作条件：1. 处理能力： 15 万吨/年煤油2. 设备型式：列管式换热器3. 操作条件：（ 1） 煤油入口温度 125，出口温度 40；（ 2） 冷却介质循环水，入口温度 25，出口温度 45；（ 3） 允许压强降不大于 105Pa;（ 4） 煤油定性温度下的物性数据：密度为 825kg/m3；粘度为：7.15 10-4Pa.S;比热容为： 2.2

2、2kJ/（kg. ）；导热系数为：0.14W/（ m. ）（5） 每年按 330天计，每天 24 小时连续运行。（三）设计项目1 传热计算2 管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算3 管板厚度计算4 U 形膨胀节计算（浮头式换热器除外）5 管壳式换热器零部件结构（四）绘制换热器装配图（ A2 图纸）二、换热器的选用换热器的选用 （ 即选型 ） 的过程大体如下 , 具体计算可参看列管式换热器设 计中有关容。 根据设计任务要求计算换热器的热负荷 Q。 按所选定的流动方式 , 计算出平均温度差 （ 推动力 ） tm 及查出温差校 正系数 ?。若? 0.8 ，可行。所以修正后的传热温度差为 tm= t

3、m =0.81x38.83=31.45( )3.4 初步选型3.4.1 传热面积假设 K=300W/(m2 K), 则估算面积为：A=Q/(Kmt)=992.7 103/(300 31.45)=105.2(m 2)3.4.2 管径和管流速换热管选用碳钢管 252.5 mm，取管流速 u= 1.0m/s3.4.3 管程数和传热管数换热管选用普通无缝钢管 252.5mm，管径d=0.025-2x0.0025=0.02m ，于是单程管根数 n 为n Vdi2ui4=37.9842676.4 / 9940.785 0.022 1.0 3600取 n=38 根按单程管计算，所需的传热管长度为：Ad0n1

4、03.33.14 0.025 38=35.2m3.4.4 初选换热器类型与型号由于 Tm-tm=( 125+40)/2-(45+25)/2= 47.5( )50( ), 两流体间的温差不大，不需要温度补偿；但是为了便于壳程污垢清洗，以采用固定管板式列管换热器为宜，且初步选定的具体型号为 G600VI-1.0-100G600VI-1.0-100 的具体参数壳径 /mm600管子尺寸252.5 mm公称压力 /1MPa管长 /m6公称传热面积 / 100管子总数216管程数6管子排列方式正三角形壳程数1折流挡板形式弓形折流板3.4.5 传热管排列和分程方法按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构

5、， 根据本设计实际情况，采用标准设计， 现取传热管长为 l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=35.2/6=6 ；传热管总根数： NT=386=228(根)采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距 t=1.25d 0，则 t=1.25 25=31.25 32(mm)横过管束中心线的管数N c=1.1 N=1.1 228 =17根3.4.6 壳体径采用多管程结构，取管板利用率 0.7 ，则壳体径为1.05t NT 1.05 32 228 =606.4mm圆整可取 D=600m。m3.4.7 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25，则切去的

6、圆缺高度为 h0.25 600=150(mm)。折流板间距 B=0.4D,则 B=0.4600=240mm。折流板数 NB=传热管长/折流板间距 -1=6000/240-1=24( 块) 折流板圆缺面水平装配3.4.7 接管壳程流体进出口接管：取接管煤油流速为 u1.0m/s ，则接管径为：4 18939.4D1= 4V(3600 825) 0.090 (m)，圆整后可取管径为 90mm。u13.14 1.0管程流体进出口接管：取接管循环水流速 u1.5 m/s ，则接管径为4 42676.4D2(3600 994) 0.101(m)=100mm。3.14 1.54. 换热器的核算4.1 热流

7、量核算4.1.1 壳程表面传热系数；0.14 o用克恩法计算：。 0.55 10.36Re00.55 Pr 3do当量直径，由正三角排列得：de=4( 3t24 d0 )4 ( 3 0.0322220.785 0.0252 )d03.14 0.0250.020 m壳程流通截面积：S0 BD(1 dt0) 0.24 0.6(1 00.003252) =0.0315(m2)壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为：u0=V0/A=18939.4(3600 825)0.03150.202 (m/s)Re0=deuo0.020 0.202 8250.000715=4661.536普朗特数： Pr= 2.22

8、 10 715 10 11.34；0.1400.14粘度校正： 1w0= 0.36 0.140 4661.50.55 11.3413 =589.7W/(m2K) 0.024.1.2 管表面传热系数：i 0.023 i Re0.8 Rr 0.4 di管程流体流通截面积： Si=0.7850.022216/6=0.0113 （m2） 管程流体流速及其雷诺数分别为：42676 .4 /（3600 994）ui =1.055（m/s）0.0113Rei=0.02 1.055 994 =28849.20.000727普朗特数： Pr= 4.18 103 727 10 6 4.850.626i =0.02

9、3 0.626 28849.20.8 4.850.4 =5008.1W/ （m2K） 0.024.1.3 污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R 0=0.00017 m2 K/W 管侧污垢热阻 R i =0.00034 m2 K/W5.1.4 计算传热系数 K（忽略管壁热阻） ：1Ko 1 Rsobdo dodm idi RsidodiKo=1589.70.000340.0250.0200.02505008.1 0.020=3940.00017计算传热面积 AC:32A C=Q/（K C tm）=992.7 103/ （39431.45）=80.11（m2） 该换热器的实际传热

10、面积 A：2A= d0 l NT =3.14 0.025 6（228-17）=99.38（m2）5.1.5 该 换 热 器 的 面 积 裕 度 为 ： H= A AC 100%= 99.38 80.11 AC80.11100%=24.05%为了保证换热器的可靠性 , 一般应使换热器的面积裕度大于 15%25%。满 足此要求 , 所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适， 该换热器能够完成 生产任务。5.2 换热器流体的流动阻力5.2.1 管程流体阻力计算公式如下： Pt =（ Pi +Pr）NSNpFS;N S=1, N p=6，FS=1.5;lu2Pi = i l u 。由 Re=28849.

11、2，传热管相对粗糙度 0.1/20=0.005 ， i di 2莫狄图（下图）得 i =0.0338，流速 u=1.055m/s ， =994kg/m3，故 22Pi= i l ui i =0.0338 6 994 1.055 =5609.18 （ Pa）；i di 2 i0.02 222Pr = u 3 994 1.055 =1573（Pa）22 Pt（PiPr）Fs Ns=（5609.18+1573）61.5=64639.62 （Pa）105 P a管程流体阻力在允许围5.2.2 壳程阻力公式有： PS=（ P0+Pi ）FSNS其中 F S=1.15 ；NS=1 ；2 P0= Ff 0N

12、TC（NB+1） u0 ;又 F=0.5,f 0=5Reo-0.228 =54661.5 -0.228 =0.729, Nc=1.1 N T0.5 =1.1 2280.5=17N B=24;u 0=0.202m/s则流体流经管束的阻力：2 u2 P0=Ff 0Nc（NB+1） u0 =0.50.72917（24+1）8250.2022/2 2607.43 （Pa）流体流过折流板缺口的阻力2 Pi =NB（3.5-2B/D） u0 , 其中 B=0.24m; D=0.6m ；故2 Pi =24（ 3.5-2 0.24/0.6 ） 8250.202 2 /2 1090.69（Pa），则总阻力：5

13、PS=P0+Pi=2607.43+1090.69=3698.12 （Pa）105 P a。故壳程流体的阻力也适宜。综上所诉，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压降 100KPa，均符合要求，所以设计的换热器符合条件四、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表参数管程壳程流率 /（kg/h）42676.418939.4进/出温度 /25/45125/40定性温度 /3582.5密度/（ kg/m3）994825物定压比热容 / （kJ/（kgK）4.182.22性粘度（/ Pas）0.0007270.000715热导率 /w/（mK）0.6260.140普朗特数4.8511.34设

14、形式固定管板式台数1备壳体径 /mm600壳程数1结管径 /mm252.5管心距 /mm32构管长 /mm6000管子排列参管数目/根216折流板数 /个24数传热面积 /m2100.0折流板间距 /mm240管程数6材质 碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.0550.202表面传热系数 /w/（ m2K）5008.1589.7污垢阻力 /（w/m2 K）0.000340.00017阻力/MPa0.060.0056热流量 /kW992.7传热温差 /31.45传热系数 /w/ （m2K）394裕度/%24.05五、辅助设备的计算和选型5.1 封头（JB T4729 _94）标准椭圆形封

15、头的几何形状如附图 1 所示。形成这种封头的母线是由 1 4 椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成 , 故它由半个椭圆球和一个 高度为 h0 的圆柱短节 （称它为封头的直边部分 ）构成。附表 1 所列椭圆封头 尺寸与质量 , 摘自 JB T4729 _94 标准。附图 1 标准椭圆形封头椭圆封头尺寸与质量 (摘自 JB T4729 _94)5.2 压力容器法兰 ( TB470292 )压力容器法兰 ( TB470292 )的类型有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈 对焊法兰。 用于不锈钢容器时 , 法兰端面焊有不锈钢衬环。 就法兰的密封面 来说 , 又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。

16、5.3 鞍式支座 (JB T4712 - 92)卧式容器的支座常用鞍式支座 , 简称鞍座。它是由底板、腹板、筋板和垫板 四种板组焊而成的焊制鞍座 ; 或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制 鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。DN500900 鞍座尺寸 (JB T471292) mmDN500 900mm 的型鞍式支座DN500900mm 的型弯制鞍式支座5.4 管板焊接管板的最小厚度取决于焊接工艺及管板焊接变形的要求 , 对于固定管 板式换热器的管板结构见图 1 _12 , 主要尺寸见表 1 _12。5.5 拉杆与定距管 折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆带有 螺纹的长

17、杆 , 一端拧入管板 , 折流板就穿在拉杆上 , 各板之间则以套在拉杆 上的定距管来保持板间距离 , 最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧 固。拉杆直径及数量可依换热器壳体直径选定 , 各种尺寸换热器的拉杆直径 和拉杆数, 可参考表 1 _17 选取。定距管通常采用与换热管材料、直径相 同的管子。5.6 折流板安装折流板的目的 , 是为了加大壳程流体的湍流速度 , 使湍流程度加剧 , 提 高壳程流体的对流传热系数。在卧式换热器中折流板还起到支承管束的作 用。常用折流板有弓形 （ 或称圆缺形 ）和圆盘圆环形两种。弓形折流板结 构简单 , 性能优良 ,在实际中最为常用。折流板直径 Dc 取决于它

18、与壳体之 间间隙的大小。 间隙过大时 , 流体由间隙流过而根本不与换热器接触 ; 间隙 过小时又会引起制造和安装上的困难。 折流板直径 Dc 与壳体直径 Di 间的 间隙可依表 1 _13 中所列数值选定。六、设计评述本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、 上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成 了。一开始接到这个任务很迷茫，因为本来对换热器的设计这个概念就不清楚，而且对于画图一直也是我的弱项，所以心情很浮躁，过去了几天还是毫无头绪。后来在答疑课上借到了上届的作业，开始一步一步地研究。课程设计需要学生自己做出决策，自己确定实验方案、选择流程、查

19、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，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设 计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。换热器的设计主要是核算比较麻烦，而且计算时遇到很多麻烦，关于管程壳径等概念很模糊，设计过程中遇到的麻烦很多，也正是因为这样，我开始不断地查阅资料问问题，突然间觉得自己虽然学过这些知识，但是还是有很多的疑问。也正是因为不断地发现问题分析问题解决问题，才提 高自己的理解和学习能力。通过这次设计我了解了换热器的工艺流程，知道了各种换热器的优缺 点，通过 一次次地计算， 对于换热器的型号的选择依据有了更深刻的理解。第二周开始作图，一开始面对 A1 的纸却不敢下笔，不敢画页不知道该 怎么画，于是先画了个边框，接着在图书馆找了一下午资料，才知道自己 知道的只是冰山一角，第二天在宿舍呆了一天去查法兰还有支座的尺寸和 型号。在画图的时候一边画一边问，在大家的讨论中明白了很多，也找出 了自己很多的错误。虽然现在自己的说明