列管换热器的设计

1、 化工原理课程设计设计说明书设计题目： 列管式换热器 一、设 计 任 务 书（一） 设计题目：列管换热器的设计（二） 设计任务及操作条件某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102冷却至40。已知有机料液的流量为2.17104 kg/h，循环冷却水入口温度为30，出口温度为40，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kpa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。（3） 选择适宜的列管式换热器并进行核算3.1 传热计算3.2 管、壳程流体阻力计算3.3管板厚度计算3.4 u形膨胀节计算3.5 管束振动3.6 管壳式换热器零部件结构（四）绘制换热器装配图（a3图纸） 设计说明书包括：封面、目录、设

2、计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、参考文献及设计自评表、换热器装配图等。（设计说明书及图纸均须计算机打印完成）目 录一、设 计 任 务 书 .-1-二、概 述 .-3- 2.1 列管式换热器的分类简介 .-3-2.2 列管式换热器的选用与设计原则 .-4- 三、换热器的选型 .-5- 3.1 确定物性参数 .-5- 3.2 计算热负荷和平均温度差 .-7- 3.3 平均传热温差校正 .-7- 3.4 管径与管内流速 .-9- 3.5 管程数和传热管数 .-9- 3.6 壳体内径 .-11- 3.7 折流板 .-11- 3.8 接管、拉杆与定距管的选定 .-12- 四、换热器核算 .-12-

3、 4.1、热量核算 .-12- 4.2、传热面积核算 .-13- 4.3、流动阻力核算 .-14- 4.4、壁温核算 .-15- 五、换热器选型 .-16- 六、设计结果 .-17- 七、结构设计 . .-19- 八、强度设计计算.-20- 九、参 考 文 献 .-27- 十、课程设计心得 .-28- 十一、主要符号说明 .-29-二、概述 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。它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。 换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 一般换热器都用金属材料制成

4、，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%20%，在炼油厂约占总费用35%40%。

5、换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。2.1列管式换热器的分类简介换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。表2-1 换热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合u型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆

6、炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于

7、从高温炉气中回收热能的场合因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70）和壳方流体压强过高（一般不高于600kpa）的场合。1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴图2.2.1.固定管板式

8、换热器的示意图2.2列管式换热器的选用与设计原则换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。换热器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上合理和技术上可行的换热器。2.2.1、 流体通道的选择流体通道的选择可参考以下原则进行：1 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，管内也便于检

9、修和清洗；3 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；5 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；6 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；7 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（re10.5气体530315表3-3.不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）液体粘度/mpas15001500500500100100353511最大流速/（m/s）0.60.751.11.51.82.4由上表，我们初步选用252.5的碳钢管，管内流

10、速取ui =1.0m/s。定性温度：取流体进出口温度的平均值。壳程油的定性温度为： 管程流体的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。物性流体 密度 kg/m3 粘度pas 比热容cpkj/（kg） 导热系数w/（m）有机化合液 986 0.5410-34.190.662水 9940.72810-34.1740.6263.2计算热负荷和平均温度差1. 热流量2.平均温度差暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有煤油：10240水： 4030 得：3.冷却水用量 3.3 平均传热温差校正平均传热温差校正系数:按单壳程，双管程结构，查阅相关温差校正系数图得，由此可知，是合理

11、的。如果温度校正系数低于0.8，则应该采用多壳程结构或其他流动方式。所以修正后的传热温差为：3.3.1 总传热系数总传热系数的经验值见表3-4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。表3-4 总传热系数的选择管程壳程总传热系数/w/（m3）水（流速为0.91.5m/s）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物0.5mpas中有机物=0.51mpas重有机物1mpas水（流速为1m/s）水水溶液2mpas水溶液2mpas有机物0.5mpas有机物=0.51mpas有机物1mpas水水水水水水水水水（流速为0.91.5

12、m/s）水（流速较高时）轻有机物0.5mpas中有机物=0.51mpas重有机物1mpas轻有机物0.5mpas有机溶剂=0.30.55mpas轻有机物0.5mpas中有机物=0.51mpas重有机物1mpas水蒸气（有压力）冷凝水蒸气（常压或负压）冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝有机物蒸气及水蒸气冷凝重有机物蒸气（常压）冷凝重有机物蒸气（负压）冷凝饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝含饱和水蒸气的氯气（50）so2冷凝nh3冷凝氟里昂冷凝58269881411634678142906981164672335821982332334651163495823323264652174

13、534891163107158229085821193291582114349582116311634958174582116317434981411636989307561）.管程传热系数： 2）.壳程传热系数：假设壳程的传热系数是： 污垢热阻： 管壁的导热系数： 管壁厚度： 内外平均厚度： 在下面的公式中，代入以上数据，可得 3.3.2计算传热面积由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积：考虑15%的面积裕度，则：3.4管径和管内流速换热器中最常用的管径有19mm2mm和25mm2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位

14、体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。选用252.5的碳钢管，管长6m，管内流速取ui=1.0m/s。3.5管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程传热系数：按单程计算，所需传热管的长度是：若按单程管计算，传热管过长，宜采用多管程结构。工业上常采用以下几种换热管：1500，2000，30

15、00，4500，6000，9000mm。现取l=6000mm，则该传热管程数为：则传热管的总根数为：换热管标准排列形式有以下几种：本设计中采用正三角形排列.在上述几种排列中，a、d排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。管间距为t=1.25do32mm, 则横过管束中心线的管子数：3.6壳体内径对于多管程结构，壳体内径采用下式计算:其中为管板利用率，对于正三角形排列：两管程，0.7-0.85，大于四管程，0.6-0.8；对于正方形排列：两管程，0.55-0.7，大于四管程

16、，0.45-0.65。由于本设计采用混合排列，多管程结构，取管板利用率为=0.7，则壳体内径为： 圆整后取d=900mm。3.7 折流板 常用的折流板有弓形和圆盘-圆环形两种。弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形三种。各种折流板具体形状见右图：本换热器采用弓形折流板，取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度为： 折流板的间距在允许的压力降范围内希望尽可能的小，一般推荐折流板间距最小值为壳体内径的0.2倍（或不小于50mm),最大值取决于支持管所必须的最大间隔。本设计取折流板间距为0.5d,则，由于在系列标准中只有以下几种折流板间距：150，200，300，450，600（对于

17、d=900mm,l=6000mm)故取b=450mm则折流板数为：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 = 493mm折流板厚度参照由万利国、董新法编著化工制图autocad实战教程与开发143页表5-4得折流板厚度为5mm。3.8接管、拉杆与定距管的选定壳程流体进出口接管：取接管内有机料液流速为u=1.5m/s则接管内径为：由无缝钢管( gb8163-87) 得， 故壳程流体（即煤油）进出口接管直径取标准管径100mm；管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u=1.8m/s,同理得接管内径

18、为：由无缝钢管( gb8163-87) 得，取标准管径为260mm。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6 条。定距管采用与换热管相同的管子, 即25mm2 . 5mm 钢管。 四、换热器核算换热器主要传热参数核算4.1热量核算壳程对流传热系数对于圆缺式折流板，可采用克恩公式：流体流通管间最大截面积为：则壳程流速为：其中，de为当量直径：则壳程雷诺数为：普兰特准数为：则管程对流传热系数，取粘度校正系数管程对流传热系数流通截面积：管程流体流速：雷诺数为：普兰特准数为：则其对流传热系数为：污垢热阻管程与壳程的污垢热阻分别为: 管壁

19、导热系数为：代入数据，总传热系数为： 介于1.12至1.25之间符合要求。4.2 传热面积核算换热面积s按核算后所得的总传热系数计算。则传热面积该换热器的实际传热面积为：则该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，故该换热器能够完成生产任务。43 换热器内流体的流动阻力核算 4.3.1管程流动阻力管程为压力降：其中，ft=1.4,ns=1,np=2传热管的相对粗糙度为：查莫狄图得则由于流体与管壁摩擦产生的压降为：则管程压力降为：4.3.2壳程流动阻力由此可知本换热器符合要求。注： nb折流板数目；b折流板间距, m；di 壳体内径, m；f管子排列方式对压力降的校正因数, 对于正三角形排列, f

20、 = 0 . 5对于正方形斜转45, f = 0 . 4；f0壳程流体的摩擦系数。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 ,4.4 壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式（3-42）计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为16，出口温度为40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肯能较

21、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。于是有： 式中液体的平均温度tm=和气体的平均温度分别按式（3-44）和式（3-45）计算为： 传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 。壳体壁温和传热管壁温之差为 该温差较小，故不需设温度补偿装置。 五、换热器选型 根据以上计算，通过查标准jb/t 4715-92 固定管板式换热器与基本参数的对照可以发现，在dn=600mm范围内，设计所得换热器与标准相差较小，与设计结果比较接近。故暂且选定该换热器，其相关尺寸规格如下：dn(mm)900管程数n2壳程数1管子根数n240中心排管数17管程流通面

22、积m20.038换热面积m2106.5换热管长度mm6000管子规格主要零件封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据jb/t4737-2002标准，封头为：。如图所示支座 本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座，依照jb/t4712-92双鞍式支座为准，选用dn=900mm型鞍式支座。鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定：垫片换热器垫片通过以上设计，按照gb/t539,选定耐油石棉橡胶板作为垫片。 六、设计结果参数管程（循环水）壳程（有机料液）流量（kg/h/出口温度/30/40102/40压降/kpa6060物性定性温度/3571密度/（kg/m3）994

23、986定压比热容/kj/（kg）4.1744.19粘度/（pas）0.7280.54热导率（w/m） 0.6260.662普朗特数4.853.4设备结构参数形式固定管板式管程数2壳体内径/900壳程数1管径/252.5管心距/32管长/6000管子排列管数目/根240折流板数/个19传热面积/106.5折流板间距/450管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.9840.069表面传热系数/w/（k）47311333污垢热阻/（k/w）0.0003440.000172阻力/ pa9185.12317.4热流量/kw1551.5传热温差/k36传热系数/w/（k）580k/ko1.

24、135七、结构设计1、固定管板结构设计： 由于换热器的内径已确定，采用标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为： 固定管板外径： 固定管板外径与壳体内径间隙：取 垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）:表4-16： 取 固定管板密封面宽度： 外头盖内径： 2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计： 依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径700，按jb4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）。3、管箱结构设计： 选用b型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算

25、，只考虑相邻焊缝间距离计算： 取管箱长为1000mm，管道分程隔板厚度取7mm。4、固定端管板结构设计： 依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：d=806mm。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计： 依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径；按jb4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。（4） 外头盖结构设计： 外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。7、垫片选择： a.管箱垫片： 根据管程操作条件（循环水压力，温度35）选石棉橡胶垫。结构尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-39（b）所示： b.外头盖垫片： 根据壳程操作条件（

26、有机料液，压力，温度71），选缠绕式垫片，垫片：（jb4705-92） 缠绕式垫片。8、折流板布置： 折流板尺寸： 外径：；厚度取10mm 前端折流板距管板的距离至少为450mm；结构调整为500mm；见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版） 后端折流板距浮动管板的距离至少为950mm； 实际折流板间距b=250mm，计算折流板数为15块。9、说明: 在设计中由于给定压力等数及公称直径超出jb4730-92，长颈对焊法兰标准范围，对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值，只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算 1、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度71，设计压力等于工作压力为600

27、00，选低合金结构钢板16卷制，查得材料71时许用应力。取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0内压圆筒计算厚度公式： = 从而：计算厚度：=mm设计厚度：mm名义厚度： 圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足试验压力： 2、外头盖短节、封头厚度计算： 外头盖内径=800mm，其余参数同筒体： 短节计算壁厚： s= 短节设计壁厚： 短节名义厚度： 圆整取=22mm 有效厚度： 压力试验应力校核： 压力试验满足试验要求。 外头盖封头选用标准椭圆封头： 封头计算壁厚： s= 封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 3、管箱短节、封头厚度

28、计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为35，设计压力为18.786m，选用16mnr钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm 计算厚度： s= 设计厚度： 名义厚度： 结合考虑开孔补强及结构需要取 有效厚度： 压力试验强度在这种情况下一定满足。管箱封头取用厚度与短节相同，取4、 管箱短节开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，=1mm 接管计算壁厚： mm 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： b=2d=2363.7=727.4mm 接管外侧有效补强高度： 需补强面积：a=ds=363.71.94=705.

29、6 可以作为补强的面积： 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接管开孔补强校核： 开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管 钢管许用应力：， =1mm 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强厚度： b=2d=2306.6=613.2mm 接管外侧有效补强高度： 需要补强面积： a=d=306.635.75=10960.95 可以作为补强的面积为： 尚需另加补强的面积为： 补强圈厚度： 实际补强圈与筒体等厚： ； 则另行补强面积： 同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算： 固定管板厚度设计采用bs法。假设管板厚度b=100mm。 总换热

30、管数量 n=256； 一根管壁金属横截面积为： 开孔温度削弱系数（双程）： 两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)l取6850mm 计算系数k： k=3.256 接管板筒支考虑，依k值查化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图4-45， 图4-46，图4-47得： 管板最大应力: 或 筒体内径截面积： 管板上管孔所占的总截面积： 系数 系数 壳程压力： 管程压力: 当量压差： 管板采用16mn锻： 换热管采用10号碳系钢： 管板管子程度校核： 管板计算厚度满足强度要求。九、参 考 文 献【1】夏清,陈常贵主编. 化工原理（上册）m. 天津：天津大学出版社. 2005【2】董大勤. 化工设备

31、机械设计基础m. 北京：化学工业出版社,1999【3】兰州石油机械研究所. 换热器m. 北京：烃加工出版社，1986【4】化工设备机械基础编写组编. 化工设备机械基础（第三册）.北京： 石油化学工业出版社，1978【5】 刁玉玮,王立业编著. 化工设备机械基础（第四版）m. 大连：大连理工大学出版社. 2003【6】华南理工大学化工原理教研组. 化工过程及设备设计m. 广州：华南理工大学出版社，1986【7】贾绍义,柴诚敬主编. 化工原理课程设计m. 天津：天津大学出版社.2002 【8】 钱颂文主编. 换热器设计手册m. 北京: 化学工业出版社. 2002【9】jb/t 4715-92 固定管板式换热器与基本参数【10】gb 151-1999管壳式换热器【11】王静康. 化工设计m. 北京：化学工业出版，1998【12】傅启民. 化工设计m. 合肥：中国科学技术大学出版社，2000【13】赵慧清,蔡纪宁主编. 化工制图m. 北京:化学工业出版社200