换热器的设计

1、化工原理课程设计题 目:管壳式换热器设计学生姓名:王忠系 别:应用化学系专 业:化学类年 级:13级学 号:201340600203 成 绩:目 录1 前言31.1 换热器简述31.2 换热器分类31.2.1 按传热方式31.2.2 按换热器的结构分类31.2.3 市场规模及前景32 管壳试换热器设计4设备工艺设计计算如下42.1 确定设计方案42.1.1 选定换热器类型42.1.2 选定流体流动空间及流速42.3.1计算热负荷52.3.2计算冷却水用量52.3.3计算逆流平均温差52.3.4初选总传热系数52.3.5估算总传热面积52.4工艺结构尺寸62.4.1管径和管内流速62.4.2管程

2、数和传热管数62.4.3平均传热温差校正及壳程数 首先计算P和R参数：62.4.4传热管排列和分程方法72.4.5壳体内径72.4.6折流板72.4.7其他附件72.4.8接管82.5换热器核算82.5.1传热能力核算82.5.3换热器内流体的流动阻力102.6换热器主要工艺结构参数和结果一览表111 前言1.1 换热器简述在工业生产中，为了工业流程的需要，往往需要进行各种不同方式的热量变换，如：加热、冷却、蒸发和冷凝等，换热器就是用来实现上述热量交换与传递的设备。通过各种设备，一边使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足生产工艺的需要。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金

3、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，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；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。1.2 换热器分类1.2.1 按传热方式换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而

4、上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。1.2.2 按换热器的结构分类可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。1.2.3 市场规模及

5、前景2016年换热器行业规模突破1000亿元，2020年实现由换热器生产大国迈入世界换热器强国的行列的奋斗目标，为加快振兴我国装备制造业做出贡献。产品精度、性能、寿命和可靠性达到同期国外大公司同类产品水平，重大装备配套换热器实现国产化：设计和制造技术达到同期圈外大公司水平，有一批核心技术的自主知识产权；有3-5家拥有自主知识产权和世界知名品牌、国际竞争力较强的优势企业；行业生产和销售总规模位居世界前列，有2-3家内资控股企业进入世界换热器销售额前10名；行业生产集中度达到80以上。这些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

6、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。2 管壳试换热器设计 某厂用地下水冷凝水蒸气，允许压强降不大于1.0MPa，每年按330天计，每天24h连续进行。热水入口温度85、出口温度60，循环水入口温度25、出口温度50，处理能力为2.0×105 t/a 设备工艺设计计算如下两流体均为无相变，本设计按非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。2.1 确定设计方案 2.1.1 选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体入口温度为85，出口温度为60；冷却水入口温度为25，出口温度为50。两流体的定性温度如下：热流体的

7、定性温度Tm=(85+60)/2=72.5循环水的定性温度tm=(50+25)/2=37.5两流体的温差Tm-tm=72.5-37.5=35 （<50）由于两流体温差不大，且热流体污垢较少故可选用固定管壳式换热器。2.1.2 选定流体流动空间及流速因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗故选用地下水走管程，水蒸气走壳程。同时选用25mm×2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速取=1.10m/s。2.2 确定物性数据 查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据见下表。 物性 流体定性温度/密度/(kg/m3)黏度mPas比热容kJ/(kg)热导率W/(m)水蒸气72.5977.80

8、.40614.1870.667地下水37.5993.20.6884.1780.6432.3估算传热面积 2.3.1计算热负荷按管间水蒸气计算，即2.3.2计算冷却水用量忽略热损失，则水的用量为2.3.3计算并流平均温差并流温差 2.3.4初选总传热系数查传热手册，参照总传热系数的大致范围，同时考虑到合成器压力较高，故可选用较大的传热系数，现假设1250。2.3.5估算总传热面积 考虑10.5%的面积裕度 =2.4工艺结构尺寸2.4.1管径和管内流速前已选定，管径为25mm×2.5mm，管内流速为=1.50m/s。2.4.2管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数按单管程计

9、算所需换热管的长度L按单管程设计，传热管过长，根据本题实际情况，取传热管长=4.5m，则该换热管的管程为传热管的总根数2.4.3平均传热温差校正及壳程数 首先计算P和R参数： 单壳程四管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算温差校正系数和传热平均温度差。由图得=0.92.4.4传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列取管心距,则t=1.25×2532mm隔板中心到其最近一排管中心的距离s：按净空不小于6mm的原则确定，亦可按以下公式求取：S=t/2+6mmS=32/2+6=22mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距管中心距t与分成隔板槽两侧相邻

10、管排中心距的计算结果，与表给出的数据完全一致，证明可用。2.4.5壳体内径采用两管程结构，取管板利用率=0.6，则壳体内径 圆整取D=400mm2.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为取折流板间距为B=0.3D，则。则折流板数折流板圆缺水平面安装。2.4.7其他附件拉杆直径为mm，其数量不少于10跟。壳程入口应设置防冲挡板。2.4.8接管2.4.8.1壳程流体进出口接管 取接管内液体流速为5m/s，则接管内径d=取标准管径为2.4.8.2管程流体进出口接管 取接管内循环水的流速为1.5，则接管内径d=（取标准管径为75mm1.2mm）其余接管略

11、。2.5换热器核算2.5.1传热能力核算2.5.1.1壳程对流给热系数 对于圆缺型折流板，可采用克恩公式当量直径由正三角形排列的得壳程流通截面积壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为=2.552.5.1.2管程给热系数 管程流通截面积管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为故采用下式计算2.5.1.3污垢热阻与管壁热阻管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取管壁的热导率：碳钢的热导率2.5.1.4总传热系数K=1315W2.5.1.5传热面积理论传热面积 该换热器的实际换热面积 面积裕度为 换热器面积裕度合适，能够满足设计要求。2.5.2核算壁温因管壁很薄，且管壁热阻很小，故

12、管壁壁温按下式计算：取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温：壳体平均壁温，近似取壳程流体的平均温度，即72.5壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：72.5-58.43=14.072.5.3换热器内流体的流动阻力2.5.3.1管程流动阻力（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）取换热管壁粗糙度为0.01mm，则，而，查图得流速，密度。所以：对的管子有Ft=1.4，Np=4，Ns=12.5.3.2壳程流动阻力流体流经管束的阻力 式中F管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列F=0.4。折流板间距B=0.12m，折流板数NB=37，流体流经折流

13、板缺口的阻力经参考经验数据知该换热器的压降在合理的范围之内，故所设计的换热器合适。2.6换热器主要工艺结构参数和结果一览表参数管程壳程流率/(kg/h)25253.45252.5温度(进/出)/压力/MPa0.10.15物性参数定性温度/37.572.5密度/(kg/m³)993.2977.8比热容/kJ/(kg)4.1784.187黏度/mPas0.6880.4061热导率W/(m)0.6430.667普朗系数4.472.55设备结构参数型式固定管壳式台数1壳体内径/mm400壳程数1管子规格管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形管子数目/根60折流板数/块37传热面积/20.72折流板距/mm120管程数4材质碳钢主要设计结果管程壳数流速/(m/s)1.070.68传热膜系数W/(m)5365.85066.5污垢热阻/(m/ W)0.0000860.00017阻力损失/MPa0.03750.0236热负荷/kW732.7传热温差/32.96传热系数/W/(m)1315裕度/%22.6% 参考文献1 张宏选,袁振伟.固定管板式换热器强度的优化设计.化工装备技术.2001,22(2):43-462 李永生,张伟,钱