换热器课程设计

1、化工原理课程设计说明书设计题目换热器学 院 机电工程学院专 业过程装备与控制工程姓 名学 号指导教师设计任务和设计条件某生产过程的流程如图3-20所示。反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为242801，压力为6.9，循环冷却水的压力为0.4，循环水的入口温度为29，出口的温度为39，试设计一列管式换热器，完成生产任务。已知：混合气体在85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）密度 定压比热容 热导率 粘度 循环水在34下的物性数据：密度 定压比热容 k热导率k粘度目录第一章绪论11.1换热器的

2、类型11.2换热器11.3 换热器类型的选择2第二章确定设计方案42.1选择换热器的类型42.2管程安排4第三章确定物性数据5第四章估算传热面积64.1热流量64.2平均传热温差64.3传热面积64.冷却水用量6第五章工艺结构尺寸75.1管径和管内流速75.2管程数和传热管数75.3平均传热温差校正及壳程数75.4传热管排列和分程方法85.5壳体内径85.6折流板85.7其他附件85.8接管8第六章换热器核算106.1热流量核算106.1.1壳程表面传热系数106.1.2管内表面传热系数106.1.3污垢热阻和管壁热阻116.1.4 传热系数116.1.5传热面积裕度126.2壁温计算126.

3、3换热器内流体的流动阻力136.3.1管程流体阻力136.2.2壳程阻力136.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果:14第七章强度设计计算167.1筒体壁厚计算167.2外头盖短节、封头厚度计算：167.3管箱短节、封头厚度计算：177.4 管箱短节开孔补强校核187.5壳体接管开孔补强校核：197.6固定管板计算：207.7浮头管板及钩圈：217.8无折边球封头计算：217.9浮头法兰计算：22结论24参考文献：25ii第一章绪论1.1换热器的类型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，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，

4、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。若两流体温差较大（50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

5、。1.2换热器 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。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

6、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。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。紧凑式换

7、热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。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。1.3 换热器类型的选择根据列管式换

8、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 固定管板式换热器这类换热器如图1-1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。2.u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

9、优点是结构简单，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。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；浮头盖与浮动管板间若密封不严，

10、易发生泄漏，造成两种介质的混合。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。第二章确定设计方案2.1选择换热器的类型两流体温度的变化情况：热流体进口温度110 ，出口温度60；冷流体进口温度29，出口温度39，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操

11、作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 2.2管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。第三章确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为t= =85管程流体的定性温度为t=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查

12、取混合无组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 定压比热容热导率粘度循环水在34 下的物性数据：密度 定压比热容k热导率k粘度第四章估算传热面积4.1热流量 =2428013.297(110-60)=4.0107kj/h =11118kw4.2平均传热温差 先按照纯逆流计算，得：4.3传热面积 为求得传热面积a，需先求出传热系数k，而k值又与给热系数、污垢热阻等有关。在换热器的直径、流速等参数均未确定时，给热系数也无法计算，所以只能进行试算。假设k=340w/(k)则估算的传热面积为 4.冷却水用量 第五

13、章工艺结构尺寸5.1管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.4m/s。5.2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 按单程管计算，所需的传热管长度为 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，采用标准设计，现取传热管长l=7.5m，则该换热器的管程数为 传热管总根数 nt=6092=1218(根)5.3平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 按单壳程，四管程结构，查图5-19（a）得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.9，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。5.4传热管排列和分程方法 采用组合排列法

14、,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，则t=1.2525=31.2532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离按式（3-16）计算 s=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。管数的分成方法，每程各有传热管525根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5.5壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.7 ，则壳体内径为 d=1.05t按卷制壳体的进级档，可取d=1450mm5.6折流板 采用圆缺折流板，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=0.251450=3

15、62.5m，故可取h=365mm取折流板间距b=0.3d，则 b=0.31450=435mm，可取b为450mm。折流板数目nb=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。5.7其他附件 拉杆数量与直径按表4-9选取，本换热器壳体内径为1450mm，故其拉杆直径为16拉杆数量不得少于8。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。5.8接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为圆整后可取管内径为310mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为圆整后去管内径为370mm第六章换热器核算6.1热流量核算6.1.1壳程表面传热系数 用克恩法计算 据式（5-72） 当量直径 =

16、壳程流通截面积 (m2)壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 6.1.2管内表面传热系数 据式（5-63a） 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 6.1.3污垢热阻和管壁热阻 按表5-5，可取管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻管壁热阻按式计算，依附录4查表知，碳钢在该条件下的热导率为45.3w/(mk)。所以6.1.4 传热系数kkkkkkkkkkknugyuwehu9依式（5-11c）有 6.1.5传热面积裕度 依式（5-23）可得所计算传热面积ac为该换热器的实际传热面积为ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。6.2壁温计算 因为管壁很薄，而且壁

17、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15，出口温度为39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，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该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，按式4-42有 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 0.439+0.615=24.6 (110+60)/2=85 6218w/k 940w/k传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温

18、度，即t=85。壳体壁温和传热管壁温之差为 。 该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。6.3换热器内流体的流动阻力6.3.1管程流体阻力, 由re=40201，传热管对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得，流速u=1.5m/s ,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。6.2.2壳程阻力 按式（6-4）计算 , , 流体流经管束的阻力 (pa)流体流过折流板缺口的阻力 , , pa总阻力84670+49807=1.34pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果:换热器主要结构

19、尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率958908242801进/出口温度/29/39110/60压力/mpa0.46.9物性定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgk）4.1743.297粘度/（pas）0.7421.5热导率（w/mk） 0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/1450台数1管径/252.5管心距/44管长/7000管子排列管数目/根1218折流板数/个14传热面积/677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）1.815.24表面传热系数/w/（k）62189

20、40污垢热阻/（k/w）0.000580.0004阻力/ mpa0.0463830.134热流量/kw11118传热温差/k48.3传热系数/w/（k）340裕度/% 14%第七章强度设计计算 7.1筒体壁厚计算由工艺设计给定设计温度85，设计压力等于工作压力为6.9，选低合金结构钢板16卷制，查得材料85时许用应力；过程设备设计（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数=1，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0根据过程设备设计（第二版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公式： = 从而：计算厚度：=设计厚度：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

21、校核：水压强度满足气密试验压力： 7.2外头盖短节、封头厚度计算： 外头盖内径=1500mm，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 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： 7.3管箱短节、封头厚度计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为34，设计压力为0.4m，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=2mm 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

22、情况下一定满足。 管箱封头取用厚度与短节相同，取 7.4 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， 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： 接管外侧有效补强高度： 需补强面积： 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。7.5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：， 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强厚度： 接管外侧有效补强高度： 需要补强面积： 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。7.6固定管板计算： 固定管板厚度设计采用bs法。假设管板厚度。 总换热管数量 ； 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)取 计算系数k： 取 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