循环水冷却器设计

1、循环水冷却器设计摘要:传热过程是化工生产过程中存在的及其普遍的过程， 实现这一过程的换 热设备种类繁多，是不可缺少的工艺设备之一。由于使用条件不同，换热设备可 以有各种各样的型式和结构。其中以管壳式换热器应用更为广泛。 现在，它被当 作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用， 尤其在化工、石油、能 源设备等部门所使用的换热设备中仍处于主导地位。循环水冷却器是换热设备中的一种， 是企业生产中的重要设备。它的作用是 通过温度相对较低的水来把其他设备所产生的热量带走，从而使设备部分的温度 保持在一个生产所需要的水平，使设备正常工作。因此，循环水冷却器的设计对 企业的生产是很重要的，它很可能影

2、响企业的经济损失，对其的设计具有很强的 实际意义。本设计是对管壳式换热器中固定管板式换热器的研究。固定管板式换热器属 于管壳式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实 现物料间的热量传递。在本设计中以GB150-2011压力容器、GB151-1999管 壳式换热器等标准和固定式压力容器安全技术监察规程 为依据，并参考换 热器设计手册，首先通过方案的论证，确定物料的物性参数，再结合工作条件， 选定换热器的形式。根据设计任务，完成对换热面积、总换热系数等工艺参数的 确定，同时进行换热面积、壁温和压力降的核算。再根据工艺参数进行机械设计， 机械设计主要包括对筒体、管箱、管板、折

3、流板、封头、换热管、鞍座及其它零 部件，如拉杆、定距管等的计算和选型等，并进行必要的强度核算，最后运用 AutoCA港制固定管板式换热器的装配图及零部件图，并编写说明书。关键词:换热器、换热面积、管板、换热管。Circulating water cooler designAbstract： The heat transfer process is the chemical production process of existence and its general process, heat equipment for this process is various, is one of t

4、he indispensable process equipment. Due to the use of different conditions, heat exchange equipment can have various types and structure. The tubular heat exchanger applied more widely. Now, it is regarded as a kind of traditional standard heat exchange equipment widely used in many industrial depar

5、tments, especially used in chemical, petroleum, energy equipment department.Heat transfer equipment is still in a dominant position.Circulating water cooler is a change of thermal equipment, is the important equipment in the production. It is the role of the relatively low temperature water to take

6、away the heat generated by the other device, so as to make part of the temperature is maintained at the required a production level, so that the normal operation of the equipment. Therefore, the production design of circulating water cooler of enterprise is very important, it is likely to affect the

7、 economic losses of enterprises, which is of great practical significance to the design.This design is for the study of fixed tube plate heat exchanger on the tube shell type. A fixed tube plate heat exchanger, belonging to the shell and tube heat exchanger, is the use of the high temperature fluid

8、and wall temperature fluid of convective heat transfer and heat transfer between the material. In this design, the GB 150-2011 "," GB 151-1999 "pressure vessel shell and tube type heat exchanger" standards and "fixed pressure vessel safety technology supervision regulation&q

9、uot; as the basis, and with reference to "Design Handbook" heat exchanger, the scheme is demonstrated, to determine the physical material parameters, combined with the working conditions, select the type of heat exchanger. According to the design task, determine the process parameters on t

10、he heat transfer area, the total heat transfer coefficient, and heat transfer area, wall temperature and pressure drop calculation. Then the mechanical design based on process parameters, mechanical design including the tube, tube box, tube plate, baffle, head, tube heat exchanger, saddle and other

11、parts, such as the bar, fixed pitch pipe calculation and selection, and calculated the strength necessary, finally using AutoCAD drawing fixed tube plate heat exchanger the assembly diagram and parts diagram, and writing a specification.keyword: heat exchanger,the heat transfer area,tube sheet,heat

12、exchange tube.1概述11.1 选题的根据和意义11.2 本设计的目的和要求 21.3 国内外现状和发展趋势 22管壳式换热器的分类和选型 32.1 分类32.2 选型63换热器的工艺设计73.1 工艺计算73.1.1 流径选择73.1.2 确定物性参数73.1.3 热负荷及冷却水用量计算 83.1.4 传热平均温度差的计算 83.1.5 计算传热面积93.1.6 计算工艺结构尺寸 93.2 换热器核算 153.2.1 传热能力核算 153.2.2 壁温核算183.2.3 换热器内流体的流动阻力 193.3 换热器主要结构尺寸和计算结果 224换热器的机械设计 234.1 计算筒体

13、厚度234.1.1 筒体材料的选择 234.1.2 筒体厚度234.2 计算管箱短节、封头厚度244.2.1 管箱的结构形式 254.2.2 管箱结构尺寸254.2.3 管箱短节及封头厚度 264.3 开孔补强的校核 294.3.1 管箱短节开孔补强的校核 294.3.2 筒体节开孔补强的校核 314.3.3 排气口、排液口开孔补强的校核 334.4 管板设计334.4.1 换热管与管板的连接 344.4.2 管板与壳体的连接 354.4.3 管板与管箱的连接 374.4.4 管板材料374.4.5 管板计算的相关参数的确定 384.4.6 计算法兰力矩404.4.7 管板计算的另一些相关参数

14、的确定 454.4.8 校核设计条件不同的组合工况 474.5 换热管594.5.1 换热管的型式594.5.2 换热管的材料与质量等级 604.5.3 管孔604.6 折流板604.6.1 材料的选取604.6.2 折流板的间隙604.6.3 折流板的厚度614.7 拉杆、定距管614.7.1 拉杆的结构形式 614.7.2 拉杆直径、数量和尺寸614.7.3 拉杆与管板的连接结构 624.8 防冲板和导流筒 634.9 支座634.9.1 鞍式支座的结构特征 634.9.2 支座反力的计算644.9.3 鞍座的型号及尺寸 654.9.4 鞍座的布置654.10 接管664.10.1 接管的

15、要求 664.10.2 接管高度（伸出的高度）的确定 664.10.3 接管位置最小尺寸 674.10.4 接管尺寸684.10.5 管法兰的选择 684.11 膨胀节704.11.1 膨胀节的作用 714.11.2 设置膨胀节的条件 715换热器的制造与检验要求 715.1 圆筒725.2 管箱735.3 换热管735.4 管板735.5 换热管与管板的连接 735.6 折流板746总结747主要参考文献75致谢语76循环水冷却器设计1概述使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热器。它是化工、炼油、动力、 食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。 在化工厂中，

16、换热设备的投资约占总投资的10%20%;在炼油厂中，约占总投 资的 35% 40%。在工业生产中，换热设备的主要作用是由温度较高的流体传递给温度较低的 流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。止匕外， 换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气（约 200300C）、高炉炉气（约15002）、需要冷却的化学反应工艺气 （30010002）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、 发电和动力的辅助资源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高 工业生产经济效益9。1.1 选题的依据和意义换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备

17、，是在石油、化工、石油化 工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在日常生活中随 处可见，因此换热器的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究 新的途径。随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重， 世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的 经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。在继续提高设备热 效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝

18、大型化的方向发展是非常重要的。循环水冷却器作为换热设备中的一种， 是企业生产中非常重要的设备。它的 作用是通过温度相对较低的水来把其他设备所产生的热量带走， 从而使设备部分 的温度保持在一个生产所需要的水平， 使设备正常工作。因此，循环水冷却器的 设计对企业的生产是很重要的。特别是在水资源缺乏的今天，循环水冷却器可以 节约大量宝贵的水资源，同时，也可以影响企业的经济损失。 所以对循环水冷却 器的设计具有很强的实际意义。本设计是有关管壳式换热器类型中的一种，管壳式换热器具有可靠性高、适 用性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛应用。 近年来，尽管受到了其他新 型换热器的挑战，但反过来也促进了其自

19、身的发展。 在换热器向高参数、大型化 发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位，其可靠性和可能性已被充分证明， 也 更显示其独有的长处。1.2 本设计的目的和要求在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是 上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。通过这次设计，帮助我们复 习和巩固了以往学习过的知识，提高了综合运用专业知识分析和解决实际问题的 能力，并对换热器有了一个深入的了解。 这次设计主要有工艺计算、结构设计和 强度设计，以及最后完成装配图和零部件图， 通过这些部分，对换热器的设计和 结构有了充分的了解，可以整体把握对化工设备的设计，提高画图能力。在这次的设计中，要

20、求有：（1）合理地实现所规定的工艺条件，应根据热力 学参数和物理化学性质进行相关计算， 经过反复比较，使所设计的换热器具有尽 可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量；（2）安全可靠，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国 GB151-1999管壳式 换热器等有关规定与标准；（3）有利于安装、操作与维修，设备与部件应便于 运输与拆装，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、 液排放口，检查孔与敷设保温层；（4）经济合理，以整个系统中各种设备为对象 进行经济核算或设备的优化。1.3 国内外现状和发展趋势换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术

21、的不断发展，换热 器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来国内 在节能增效等方面改进换热器性能， 提高传热效率，减少传热面积降低压降，提 高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。 换热器的大量使用有效的提高了能 源的利用率，使企业成本降低，效益提高。钢铁行业和化工行业的发展都将为换 热器行业提供更加广阔的发展空间。 未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产 品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点； 要求 产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品 的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。随着动力、石油化工工业的发

22、展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方 向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展 起来的一种管壳式换热器是由美国 ABB公司提出的。具基本原理为：将圆截面的 特制板安装在“拟螺旋折流系统”中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之 一具倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边 相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使 壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。 在气一水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少 30% 40%的传热面积 节省材料20% 30% o相对于弓形折流板螺旋

23、折流板消除了弓形折流板的返混现 象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动；在相同流速时壳程流动 压降小；基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下（Re <1000）的传热螺旋折流板效果更为突出。2管壳式换热器的分类及选型2.1分类根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。（1）固定管板式换热器固定管板式换热器的典型结构如图 2-1所示，管束连接在管板上，管板与壳 体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便， 管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相 差较大时，壳体和管

24、束中将产生较大的热应力。 这种换热器适用于壳侧介质清洁 且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的 场合。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠 性管板等），来吸收热膨胀差。图2-1固定管板式换热器(2)浮头式换热器浮头式换热器的典型结构如图2-2所示，两管板中只有一端与壳体固定，另 一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头有浮动管板、钩圈和浮头端盖组成， 是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产 生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复 杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重

25、，材料消耗量大，且浮头端小盖在操 作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳 程介质易结垢的场合。图2-2浮头式换热器(3) U形管式换热器U形管式换热器的典型结构如图2-3所示，这种换热器的结构特点是，只有 一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自 由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。由于受弯管曲率半径的限制，具换热管排布较少，管束最内层管间距较大， 管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只 有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报

26、废率较高。结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管 内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。图2-3 U形管式换热器(4)填料函式换热器填料函式换热器的结构如图2-4、2-5所示，这种换热器的结构特点与浮头 式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填 料函式密封结构。由于采用填料函式密封 结构，使得管束在壳体轴向可以自由 伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。 其结构较浮头式换热器简 单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、

27、 管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于 4MPa以下的工作环境， 且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用图2-4填料函双壳程换热器图2-5填料函分流式换热器（5）釜式重沸器釜式重沸器的结构如图2-6所示，这种换热器的管束可以为浮头式、U形管 式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可 以小些。此换热器与浮头式、U形管式换热器一样，

28、清洗维修方便，可处理不清洁、 易结垢的介质，并能承受高温、高压。图2-6釜式重沸器2.2选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体（循环水）进口温度：55C,出口温度40C；冷流体（冷却水）进口温度：10 C,出口温度35C；对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。热流体的定性温度Tm =55上40 =47.5 C,2冷流体的定性温度tm =10土竺=22.5 C ;2由于两流体温差小于509,不必考虑热补偿。因此初步确定选择用固定管 板式换热器。固定管板式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，由于这种结构使壳

29、 侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的流体。3换热器的工艺设计3.1 工艺计算3.1.1 流径选择(1)选择原则 不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。 对于直管管束，宜走管程；对 于U形管管束，宜走壳程。 腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一 般比壳程小，且做成多管程也较容易。两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走 壳程，以减少管壁与壳体的温差，减小热应力。蒸气冷凝宜走壳程，以利于排出冷凝液。 需要冷却的流体直选壳程，便于散热，以减少冷

30、却剂用量。但温度很高的流 体，其热能可以利用，直选管程，以减少热损失。黏度大或流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低R下(Re >100)即可达到湍流。(2)选择流径循环水相对比较洁净，选择循环水走壳程，冷却水走管程，既有利于冷却水 冷却效率高，也可借助外界温度加速循环水冷却。3.1.2 确定物性参数由前面计算可知，循环水的定性温度为47.5七，冷却水的定性温度为22.5X.根据定性温度，分别查取循环水和冷却水的有关物性参数，列表 3-1如下：表3-1物性参数表物性壳程(循环水)管程(冷却水)符号数据符号数据密度kg / m3外989.15Pc997.75比热容kj/（kg 七

31、）Cfh4.1805Cp4.181粘度Pa S%-6570.75x10 6儿949.25M10-6导热系数W/m C'-h640.25父 10-3，-c-3607.5X10进口温度CT155t110出口温度CT140t2353.1.3热负荷及冷却水用量计算（1）热负荷的计算由于是冷却过程，故热负荷按热流体循环水计算。80000Qh =mh C.h (T1 -T2)4,1805 (55-40) -1393.5KW3600(2)热负荷：Q=Qh -Qi =(1-5%)Qh =(1-5%) 1393.5 = 1323.8KW 冷却水用量的计算由 Q = (1-5%) mh Cfh (T1 T

32、2)=mcxCpx(t211)有,mc0.95 mh C h (T1 -T2)Cc(tzT)0.95 80000 4.1805 (55-40)4.181 (35-10)=45594.5kg / h3.1.4 传热平均温度差的计算根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，即是否有升高或降低，可将传热分为恒温传热和变温传热两类。若问壁的一侧或两侧流体沿传热面的不同位置 温度不同，即流体从进口到出口，温度有了变化，或是升高或是降低，这种情况 的传热称为变温传热。在变温传热中，沿传热面温度差是变化的，所以在传热计 算中需要求出传热过程的平均温度差 &m。本设计就属于变温传热中两侧变温传 热的情况

33、。根据两侧流体变温下的温度差变化情况，可分为逆流、并流、错流和折流。 在逆流（即冷、热两流体在传热面两侧流向相反）操作时，热流体和冷流体用可 以比并流操作时少，所以工程上多采用逆流操作，在本设计中先按逆流计算，再 校正。先求逆流时的传热平均温度差:tl =T1 -t2-t2 =丁2。tl .；：tm. ：t1 - ：t255-35 - 40-10ln %狙2ln55-3540-10= 24.66 C3.1.5 计算传热面积根据热流体为循环水，冷流体为冷却水，根据化工原理课程设计12有表2=59.65m则有估算的传热面积:K 计 dtm900 24.663-2取传热系数K计=900W/（m2 P

34、）,热流体冷流体传热系数KW/（m2户C）水水850 1700轻油水340910重油水60 280气体水17 280水蒸汽冷凝水14204250水蒸汽冷凝气体30 300低沸点烂类蒸汽冷凝（常压）水4551140高沸点烂类蒸汽冷凝（常压）水60170水蒸汽冷凝水沸腾2000 4250水蒸汽冷凝轻油沸腾455 1020水蒸汽冷凝重油沸腾140425表3-2管壳式换热器中K值的大致范围Q1323.8 10003.1.6 计算工艺结构尺寸（1）管径和管内流速管径选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范围。我国目前适用的管壳式换热器系列标准中仅有换热管规格为：©19mmM2

35、mm、*25mmx2.5mm 0采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、 结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管由125mm改为刺9mm,其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上，但小管 径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。一般大管径管子用于粘性大或污浊的流 体，小直径管子用于较清洁的流体。所以本设计选用Hgmmx2mm规格。管内流速流体在壳程或管程中的流速增大，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉 积或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。 根据化工原理P174有，管壳式换热器常用流速的范围如表 3-3和不同黏度 液体在列管换热

36、器中的流速(在钢管中)如表3-4 ,由于冷却水黏度小于1mPa，s, 最大流速为2.4m/s ,取管内流速ui =0.8m/s10。表3-3管壳式换热器常用流速的范围流体的种类一般液体易结垢液体气体流速m/s0.5 3>1530壳程0.21.5>0.5315表3-4不同黏度液体在列管换热器中的流速(在钢管中)液体黏度/mPa s最大流速/(m/s)液体黏度/ mPa s最大流速/(m/s)>50000.6100 351.510005000.7535 11.85001001.1<12.4(2)管程数和换热管数流体从换热管的一端流到另一端，称为一个流程。在换热管长度和数量一

37、定 时，为了提高管内流速和传热效率，常采用管束分程的办法，使介质在管束内的 流通面积减少，流程加长和流速提高。我国规定有1、2、4、6、8、10、12七种分程数，最常用的是2程和4程。依据换热管内径和流速确定单程传热管数 ns :由V =% M di?也 有，ns = V/4-di2ui4由 3.1.3 可知冷却水流量 mc =45594.5kg/h = 12.67kg/s,mtmc12.673贝UV=7=0.0127m /s,%997.75cns =00127 =89.8 （根），取整数 90根。0.0152 0.84按单程管计算，所需的传热管长度为L= A二 d°ns59.65二

38、 0.019 90= 11.lm45按单管程设计，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，现取换热管长l=6m,则该换热器管程数为Np=9之2 （管 p l 6程）。传热管总根数N =Npxns =90父2 =180 （根）（3）平均传热温差校正及壳程数为提高传热效果，故需核算温差校正系数:r435 -1055 -105545.0.6.35 -10= 0.56按单壳程、双管程结构，由P和R的值，查化工原理10教材传热章中的。图 得平白 =0.88 >0.8,即选用单壳程、双管程较为合适。实际传热平均温度差为，tm =；：tm =0.88 24.66 =22 C（4

39、）换热管排列和分程方法在管壳式换热器中，换热管的空间排列方式常见的有同心圆、正三角形及正 方形三种。换热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。同心圆排布多用在小直径换热 管中，优点是管子与换热器壳壁间的距离较均匀，但管排数超过6排时空间利用率不及后两种，故工业换热器中换热管的主要排列方式为正三角形及正方形排 列。正三角形及正方形排列按照管子相对壳程流体的流向，又可分为直列与错列 （又称转角排列），如图3-1所示。错列时壳程流体对换热管外壁的冲刷程度优 于直列。因此，换热管的空间排列方式一般采用正方形错列或正三角形错列。<-&g

40、t;正三角形错列<*）正三曲最宜列正方形宜列<-> 正?那错村图3-1排列方式正三角形排列对壳程空间的利用率优于正方形排列，相同的壳体内径可排列 更多的管子，但对壳程机械清洗的便利性不如后者， 仅适用于壳程不需要清洗的 固定管板式换热器。本换热器流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此采用 正三角形排列网。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。如图3-2所示。布管限定圆：在设计时要将管束限制在限定圆内。根据 GB151-1999管壳 式换热器5.6.3.3表13,对于固定管板式换热器，布管限定圆直径 Dl为 Dl=D-2b3 （其中，b3为固定管板式

41、或U形换热器最外层换热管外表面至壳体 内壁的最短距离，b3=0.25do, 一般不小于8mm）,则Dl =450-2 父0.25父 19 = 440.5mm。管板上两换热管中心距离成为管心距。管心距取决于管板的强度、清洗管子 外表面时所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。取管心品E t =1.25do,则：t= 1.25 父19 = 23.75mm,根据化工设备课程设计指导P10311 ,如表3-5 ,取t =25mm。表3-5常用换热管中心距换热管外径do1012141619202225换热管中心距S13 1416192225262832换热管外径do3032353845505557换热管中

42、心距S3840444857647072根据化工设备课程设计指导P10311 ,如表3-6 ,分程隔板槽两侧相邻管 心距为:Sn =38mm。表3-6分程隔板槽两侧相邻管心距Sn换热管外径do1012141619202225分程隔板槽两侧相邻管心距Sn2830323538404244换热管外径do3032353845505557分程隔板槽两侧相邻管心距Sn5052566068767880通过管束中心线的管数：nc =1.1%痴=1.19父J180 =16 (根)(4)壳体内径的确定采用多管程结构，壳体内径按下式估算。取管板利用率 *1=0.7,则壳体内 径为：D=1.05t N/ =1.05 2

43、5 . 180/0.7 = 420.9mm按照JB/T 4712-92固定管板式换热器型式与基本参数，圆整到最接近标 准尺寸，可取：D=450mm。(5)折流板在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加 流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。管壳式换热器常用的折流板的形式有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板 问，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中 只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。 而且要求介质必须是清洁的

44、，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，使传热面积失效， 此外，如有惰性气体活溶解气体放出，是不能有效地从圆环上部排出，所以一般 用于压力比较高而又清洁的介质。因此，本设计采用单弓形折流板。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度h为h =0.25x450 =112.5mm ,故可取 h=110mm。取折流板间距 B=0.3D, WJB= 0.3x450 = 135mm,可取 B = 150mm。根据GB151-1999管壳式换热器5.9.5.3表42可知，换热管最大无支撑 跨距为1500 mm,取第一块折流板距管子左端300mm,最后一块折流板距管子右 端300mm，则折流板数Nb

45、= 6000-2乂300 +1 = 37块,且折流板圆缺面水平装配。150最低处留排出液口，避免了液体在壳体上部集聚和停滞，其结构如图 3-3所示(7)接管壳程流体进、出口接管按定性温度计算，使进出口接管内径相等，取接管内循环水流速为:u=2.0m/s,则接管内径：4V _ 4 80000/(3600 989.15 U 1JU. I 4ml.二 u.二 2取标准管径为 633mmM 4mm。管程流体进、出口接管按定性温度计算，使进出口接管内径相等，取接管内冷却水流速为:u=2.0m/s,则接管内径：, 瓯14M 45594.5/(3600M 997.75)八2d0.09m.二 u.二 2取标准

46、管径为,108mm 4mm3.2换热器核算3.2.1 传热能力核算(1)管程对流传热系数:i由管程流通截面积A=±di2NT有，(3-1)4 n,7： 2 Nt二2 180 八 2A =d i0.015 =0.0159m4 n 42由管程流体流速3=匕有，片=V ="呸7=0.8m/sAiAi0.0159由雷诺数Rei=diUiPc有，c= diUiPc =0.015乂0.8乂997.75 =12613.1 >10000,为湍流c 949.25 10-6 cCUc 由普朗特数Pri二于有,Cpc，4.181 103 949.25 10”Pri = = = 6.53c6

47、07.5 10查化工原理可知可应用贝尔特关联式计算310 ,则(3-2)(3-3)%=0.023 (Rei 0.8(Pri 04di607.5 10，0 80 4= 0.02312613.1 .6.53 .0.015= 3765.35W/(m2 七)(2)壳程对流传热系数：o流体通过管间的流通截面积为：A = BD 1 - do < t J其中：B 折流板间距，取为150mm；D 壳体公称直径，取为450mm；do管子外径，为19mm；t 管子中心距，可取为25mm。d do0 0.019、2Ao=BD 1 - 1 = 0.15M0.45父 1- i = 0.0162m<t )0

48、0.025 )壳程流体流速 Uo = Vo =800001.387 m / sAo3600 989.15 0.0162换热管呈正三角形排列，则当量直径：4(在/_±蝙)4/x0.0252 -:父0.0192 :de = 24 = = 0.0173 m二 do二 0.019由雷诺数Reo = .*h有, J hdeUo:0.0173 1.387 989.15R =41585.2 >10000 ,为旃流 570.75 10-6由普朗特数ProC ，|Cph h 有, ,hR。Cph-h,h4.1805 103 570.75 10上640.25 10“= 3.732 103<

49、Re。=41585.2 <1<106 ,可以应用壳程流体的对流传热系数关联式10计算«o,即0.14(3-4)豆。=0.36 ' h (Reo 0.55 (Prode0.14壳程中的流体被冷却，取=0.95%代入数据得:-3ao = 0 36 x 640.25 10 x (41585.2 0.55 父(3.731父 0.950.0173= 6812.64W/(m2 P)(3)计算总传热系数KoK二 (1 ：o1Rso T.do . -do ):ididm(3-5)其中：壳程、管程又t流传热系数， W/(m2户C);do,di,dm换热管外径、内径和内外径平均值,m

50、m, dm为0.017mm;Rsi, Rso管内侧、外侧污垢热阻，m2 C/W ,均取为1.7 10-4m2 C/W； 换热管壁厚，取0.002mm； 碳钢导热系数，取45W/(m，C)RsoRsi打旦di4)dm16812.640.00017 0.0001719190.002 0.01915 3765.35 1545 0.017= 1089.1W/(m2 1)选用该换热器时要求过程总传热系数为 =900W/(m2 P),在换热任务所规定的流动条件下计算K =1089.1W/(m2七)K 1089.1 .I V IK 选900在1.151.25之间，所以合理。(4)计算传热面积SQKtm132

51、3.8 10001089.1 222= 55.25m实际传热面积:2Sp - dolN =二 0.019 6 180= 64.5m面积裕度：SP - S64.5 - 55.25H =-P 100%= 100% =16.7%S55.25传热面积裕度在15% 20%之间，该换热器能够完成任务。3.2.2 壁温核算由于换热管内侧污垢热阻较大，会使换热管壁温升高，降低了换热管和壳体 的壁温之差。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， 有11(3-6)Tmtm 11十:i:。其中：tmt1 t2* =22.5 C

52、2Tm工=4=47.5P= 2471.935W/(m2。，口。=4871.816W/(m2 口C)传热管平均壁温:tw47.5 2471.93522.54871.816 = 39 1 C1:i :o2471.935 4871.816壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即T =47.5七壳体壁温和换热管壁温之差为:t =T -tw =47.5-39.1 =8.4 C由于换热器壳程流体的温差很小，壳程压力不高，因此，选用固定管板式换 热器较为适宜。3.2.3 换热器内流体的流动阻力(1)管程流动阻力其中：AP1直管中因摩擦阻力引起的压力降，£ AP =(AR +YRNpNs(3-7)l

53、 :u2其中：APi 直管中因摩擦阻力引起的压力降，= 工；di 2巳回弯管中摩擦阻力引起的压力降，可由经验公式.F2 =3估算;Ft结垢校正系数，419mmM 2mm的换热管取1.4;Np 管程数，取2;Ns 串联的壳程数，取1。对于AR的计算： 2管程流通截面A =里 二(%、997.75 (0.8) 3 对于v ；：P的计算:Z APi =(AP+AP2) FtNpNs = (4725.344+ 957.84) M1.4M2M 1=15913Pa(2)壳程压强降校核 =180二00"=0.0159m2Np 224p由止匕可知 ui = =27 = 0.8m/ sA 0.0159ReidiUi ：0.015 0.8 997.75949.25 10"= 12613.1设管壁粗糙度1% =0.005由化工原理九-Rei关系图查得0 =0.03710,代入AP1计算式Pi = 'c.22L 旦二0.037 - 99775 (0.8) =4725.344Padi 20.015对于&P2的计算:P2 =3= 957.84Pa_ 2PO APo =( AR +AP2) FtNs(3-8)2其中：AR一流体横过管束的压力降，PP,Fn由十1)h；。P2流体横过折流挡板缺口的压力降，Pa ,cr 、2P2'= NB(3.5-2B) Phu0D 2F