列管换热器课程设计

1、化工原理课程设计说明书 设计题目：醋酸冷却器的设计 学 院：基础科学学院 专业班级：09高分子材料与工程（1）班 姓 名：魏文君 学 号：20090810080105 指导老师：周枚花目录符号说明- 4 -第一章、绪论- 5 -1.1对换热器的认识- 5 -1.2列管换热器简介- 6 -1.3列管换热器的类型即选择- 6 -第二章、确定设计方案- 9 -2.1选择换热器的类型- 9 -2.2换热器材质的选择- 10 -2.3流动空间及流速的确定- 10 -第三章、物性数据的确定- 10 -3.1定型温度的计算- 10 -3.2醋酸的物性参数- 11 -3.3水的物性参数- 11 -第四章、估算

2、传热面积- 11 -4.1热流量- 11 -4.2平均传热温差- 12 -4.3冷却水用量- 12 -4.4估算传热面积- 12 -第五章、工艺结构尺寸- 13 -5.1管径和管内流速- 13 -5.2管程数和传热管数- 13 -5.3传热管排列和分程方法- 14 -5.4壳体内径- 14 -5.5标准换热管的选择- 14 -5.6折流板- 16 -5.7接管- 16 -第六章、换热器校核- 17 -6.1热流量核算- 17 -6.11壳程对流传热系数- 17 -6.12管程对流传热系数- 18 -6.13总传热系数- 18 -6.2换热器内流体的流动阻力- 19 -6.21管程流动阻力- 1

3、9 -6.22壳程流动阻力- 20 -第七章、主要附件的尺寸设计- 21 -7.1 封头- 21 -7.2 缓冲挡- 22 -7.3放气孔、排液孔- 22 -7.4浮头管板及钩圈- 22 -7.5法兰选择- 22 -第八章、设计结果一览表- 22 -第九章、设计结果评价- 24 -第十章、附图- 24 -10.1工艺流程图- 24 -10.2换热器装配图- 24 -第十一章、参考文献- 25 - 25 - 符号说明英文字母B折流板间距，m；d管径，m；D换热器外壳内径，m；摩擦系数；F系数；h圆缺高度，m；K总传热系数，W/(m2)；L管长，m；m程数；n指数；N管数；NB折流板数；Nu努塞尔

4、特准数；P压力，Pa；Pr普兰特准数；Q传热速率，W；r半径，m；R热阻，m2/W；Re雷诺准数；A传热面积，m2；t冷流体温度，；a管心距，m；T热流体温度，；u流速，m/s；qm质量流量，kg/s，qv体积流量，m3/s。希腊字母对流传热系数，W/(m2)；有限差值；导热系数，W/(m)；粘度，PaS；密度，kg/m3；校正系数。下标c冷流体；h热流体；i管内；m平均；o管外；s污垢第一章、绪论1.1对换热器的认识换热器是化工、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

5、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

6、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。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。1.2列管换热器简介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

7、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。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

8、热膨胀的影响。1.3列管换热器的类型即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。u 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。u 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

9、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，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。u 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

10、杂，用材量大，造价高；浮头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。u 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84 ，出口温度48；冷流体进口温度

11、26，出口温度40，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换热器材质的选择一般换热器常用材料有碳钢和不锈钢，由于处理的是醋酸，要求有较好的耐酸性，不锈钢有良好的耐腐蚀性性，所以选择1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢。2.3流动空间及流速的确定考虑到醋酸腐蚀性，所以醋酸走管程，水走壳程。选用19mm2(1Crl8Ni9Ti),取管内流速 ui=0.5m/s。第三章、物性数据的确定3.1定型温度的计算已知条件:醋酸：T1=84，T2=48 水 : t1=26 , t2=40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

12、和气体的定性温度。 T=T1+T22=84+482=66t=t1+t22=26+402=333.2醋酸的物性参数 当T=66时，醋酸的各项参数如下：密度 =993.87kg/m3 定压比热容 Cp=2.296kJ/(kgK)粘度 =0.658mpas热导率 =0.1635Wm-1K-13.3水的物性参数 当t=33时，水的各项参数如下：密度 =979.92kg/m3 定压比热容 Cp=4.176kJ/(kgK)粘度 =0.4293mpas热导率 =0.6536Wm-1K-1第四章、估算传热面积4.1热流量已知条件：醋酸处理量8.8104t/aqm1=8.8104103330243600=3.0

13、86kg/s Q=qm1cp1（T1-T2) =3.0862.29684-48=2.55105W4.2平均传热温差按照逆流传热，可得tm逆=t1-t2lnt1t2=44-22ln4422=31.74R=T1-T2t2-t1=84-4840-26=2.57P=t2-t1T1-t1=40-2684-26=0.24暂且按照单壳程，多管程计算，根据课本化工原理第三版 图425可查温度校正系数=0.92tm=tm逆=0.9231.74=29.24.3冷却水用量Q=qm1cp1（T1-T2)=qm2cp2（t2-t1)代入数据可求 qm2=4.365kg/s4.4估算传热面积为求得传热面积A，需先求出传热

14、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。参考化工原理第三版 表47，初选总传热系数K估=300Wm-2K-1A估=QK估tm=2.5510530029.2=29.11m2第五章、工艺结构尺寸5.1管径和管内流速选用19mm2传热管（不锈钢），取管内流速ui=0.5m/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传热管内径:di=0.015m管内体积流量：qv=qm1=3.086993.87=3.1110-3m3/sns=qv4di2ui=3.1110-30.7850.01520.5=35.16

15、36（根） 按单程管计算，所需的传热管长度为：L=A估nsd0=29.113.140.01936=13.55m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=4.5m，则该换热器的管程数为:Np=Ll=13.554.5=3.01取管程 Np=4传热管总根数： N=364=144根5.3传热管排列和分程方法 采用组合排列法,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a=1.25d0，则:a=1.2519=23.7524mm按照标准横过管中心线的管数 nc=1.19N=15 (根)5.4壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式D=1.05

16、aN估算。取管板利用率=0.7 ，则壳体内径为:D=1.05aN=1.05241440.7=361.44mm5.5标准换热管的选择换热管的选型汇总根据以上的计算可以得到如下的计算结果：D, mm361.44管程数4壳程数1管子规格19mm2管子根数144中心排管数15管程流通面积，m20.0298换热面积，m223.41换热器长度，mm4500通过查表，可以发现下面的结构尺寸的换热器和所需的比较接近，故而选择该种换热器：D, mm400管程数4壳程数1管子规格19mm2管子根数108中心排管数9管程流通面积，m20.0364换热面积，m228.4换热器长度，mm4500综合各项参数，选择型号为

17、BES-400-1.6-28-4.5/19-4的换热器。5.6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=0.25D=0.25400=100mm折流板间距 B=0.3D，则 B=0.3400=120mm,按标准系列取板间距 B=150mm折流板数NB=传热管长折流板间距-1=6000150-1=39(块）折流板圆缺面水平装配。5.7接管壳程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u=1.0m/s，则接管的内径为：d=4Vu=4.365979.923.141.0=0.038m管程流体进出口接管：取接管内醋酸流速u=0.8m/s，则接管内径为：d=4Vu=43.

18、1110-33.140.8=0.050m第六章、换热器校核6.1热流量核算6.11壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用乔恩公式：0=0.36deRe00.55Pr1/3(w)0.14当量直径，由正三角形排列得de=432a2-4d02d0=4320.0242-40.01923.140.019=0.014m壳程流通截面积：A0=BD1-d0a=0.150.41-0.0190.024=0.0125m2壳程流体流速及其雷诺数分别为:u0=qvA0=4.365979.920.0125=0.3564m/sRe0=deu0=0.0140.3564979.920.429310-3=11389.3普朗特准

19、数：Pr=cp=4.1761030.429310-30.6536=2.74粘度校正 (w)0.141 0=0.36deRe00.55Pr13(w)0.14 =0.360.65360.01411389.30.552.7413 =4002.5W/(m2)6.12管程对流传热系数i=0.023idiRe0.8Pr0.4管程流通截面积：Ai=4de2N2=0.7850.01421442=0.011m2管程流体流速和雷诺数：ui=qvAi=3.1110-30.011=0.283m/s Rei=diui=0.0150.283993.870.65810-3=6411.8普朗特准数Pr=cp=2.296103

20、0.65810-30.1635=9.2 i=0.023idiRe0.8Pr0.4 =0.0230.16350.0156411.80.89.20.4 =676.5 W/(m2)6.13总传热系数传热系数KK=1d0idi+Rsid0di+bd0dm+Rs0+10 dm=di+d02=0.019+0.0152=0.017m查课本化工原理第三版表47得：管内醋酸侧的污垢热阻 Rsi=0.17610-3m2K/W馆外水侧的污垢热阻 Rs0=0.2110-3m2K/W不锈钢的热导率 =16.9Wm-1K-1K=10.0190.015676.5+0.17610-30.0190.015+0.0020.019

21、16.90.017+0.2110-3+14002.5=373.13W/(m2)传热面积A：A=QKtm=2.55105373.1329.2=23.41m2与原本估计值基本相符所选换热器的换热面积 A选=28.4m2A选-AA100%=28.4-23.4123.41100%=21.3%即传热面积有21.3%的裕度。计算表明所选换热器规格可用。6.2换热器内流体的流动阻力6.21管程流动阻力pi=(p1+p2)FtNsNpp1直管中因摩擦阻力引起的压力降，Pap2回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa，可由经验公式p2=3u22估算Ft结垢校正系数，无因次，19mm2的换热管取1.5 Ns串联的壳程

22、数 Np管程数Ft=1.5 Ns=1 Np=4p1=ildeu22p2=u22由Rei=6411.8，传热管的相对粗糙度de=0.214=0.0143查课本化工原理第三版图128得 i=0.047流速 ui=0.283m/s， =993.87kg/m3，所以p1=ildeu22=0.0474.50.014993.870.28322=601.25Pap2=u22=3993.870.28322=119.4Papi=p1+p2FtNsNp=601.25+119.41.514=1441.3Pa105Pa管程流动阻力在允许范围之内6.22壳程流动阻力p0=p1+p2FtNsp1流体流过管束的压力降，Pa

23、p2流体流过折流挡板缺口的压力降，PaFt结垢校正系数，无因次，对液体Ft=1.15，对气体Ft=1.0 Ns=1 Ft=1.15流体流经管束的阻力：p1=Ff0ncNB+1u22F管子排列方式对压力降的校正系数，三角形排列F=0.5，正方形排列F=0.3f0 壳程流体的摩擦系数，f0=5Re0-0.228nc 横过管束中心线的的管数B折流板间距 D壳体直径，mNB 折流板数目 F=0.5 f0=5Re0-0.228=511389.3-0.228=0.594 nc=9 NB=39 u0=0.3564m/s =979.92kg/m3p1=0.50.594939+1979.920.356422=6

24、654.2Pa p2=NB3.5-2BDu022=393.5-20.150.4979.920.356422=7016.1p0=p1+p2FtNs=6654.2+7061.11.151=14775Pa105Pa壳程流动阻力也在允许范围之内。第七章、主要附件的尺寸设计7.1 封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。壳径为600mm，选用圆形封。7.2 缓冲挡它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。7.3放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。7.4浮头管板及钩圈浮头式换热器浮头管板的厚度不是由强度决定的，按结构取80mm； 钩圈采用型。材料与浮头管板相