长春理工大学列管式换热器课程设计

1、长春理工大学本科课程设计化工原理设计课程设计设计说明书设计题目 列管式换热器学 院 机电工程学院学 号 110331224设 计 者 好心的学长指导教师 时黎霞完成日期 2014.6目录第1章、化工原理课程设计任务书- 3 -第2章、确定设计方案- 4 -1.选择换热器的类型- 4 -2.管程安排- 4 -第3章、换热器简介- 5 -1.换热器概述- 5 -2.换热器的分类- 5 -第4章、确定物性数据- 10 -第5章、估算传热面积- 11 -1.热流量- 11 -2.平均传热温差- 11 -3.传热面积- 11 -4. 冷却水用量- 11 -第6章、工艺结构尺寸- 12 -1管径和管内流速

2、- 12 -2管程数和传热管数- 12 -3.传热温差校平均正及壳程数- 12 -4.传热管排列和分程方法- 14 -5壳体内径- 14 -6折流挡板- 15 -7其他附件- 15 -8接管- 15 -第7章、换热器核算- 17 -1.热流量核算- 17 -2.壁温计算- 19 -3换热器内流体的流动阻力- 20 -第8章、参考文献- 24 -第1章、化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图所示。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211600，压力为6.9，循环冷却水的压力为0.4，循环水的入

3、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。 第2章、确定设计方案1.选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110 出口温度60；冷流体进口温度29，出口温度为39，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，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.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降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。第3章、换热器简介 1.换热器概述 换热器是将

4、热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。 在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。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，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热

5、器相继问世。 2.换热器的分类 换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 1、换热器按传热原理可分为： 1）间壁式换热器 间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 2）蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达

6、到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 3）流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。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。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。 4）混合式换热器 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、

7、液两流体之间的换热。例如，冷水塔、气体冷凝器等。 2、换热器按用途分为： 1）冷却器冷却器是把流体冷却到必要的温度，但冷却流体没有发生相的变化。 2）加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 3）预热器 预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 4）过热器 过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。 5）蒸发器 蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。 下面我们主要介绍列管式换热器 。 1、 列管式换热器分类列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。列管式换热

8、器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器。优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，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，大型装置中普遍采用。结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，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。列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500m2，可根据用户需要定制。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出

9、，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等1）浮头式换热器浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽

10、并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内

11、径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一图1-1 浮头式换热器端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。浮头换热器的特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。2）固定管板式换热器固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位

12、置上焊上一个补偿圈（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。图1-2 固定管板式换热器固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。此种换热器

13、管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结

14、构。固定管板式换热器的特点1、 旁路渗流较小；2、 造价低；3、 无内漏；4、 固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。图1-3 U型管式换热器3）U型管式换热器这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。4）填料函式换热器：这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。第4章、确定物性数据 定性温度：对于一般气体

15、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，则应分别查取混合无辜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 =3.297kJ/kg 热导率 =0.0279W/m粘度 = 1.5×10-5Pas 循环水在34 下的物性数据： 密度=994.3Kg/m3 定压比热容=4.174kj/kgK 热导率 =

16、0.624w/mK粘度 =0.742×10-3 Pas第5章、估算传热面积1.热流量 Q1=211600×3.297×(110-60)=3.49×107kJ/h =9689.517kw2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 =3.传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=313W/(k)则估算的传热面积为 Ap=4. 冷却水用量m=第6章、工艺结构尺寸1管径和管内流速 换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规

17、格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定采用25×2.5和19×2两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有38×2.5，57×2.5的无缝钢管和25×2, 38 ×2.5的耐酸不锈钢管。 选用25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。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 Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 L=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，采用非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 Nt=572×2

18、=11443.传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数： R= P=按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社化工原理（第三版）】：图6-1,6-2,6-3得：图6-1、1壳程，2、4、6管程图6-2 2壳程，2、4、6管程图6-3 3壳程，2、4、6管程 平均传热温差 K 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.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。见【化学工业出版社化工原理（第三版）】：图6-4图6-4 管子在管板上的排列 取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.2532mm隔

19、板中心到离其最.近一排管中心距离： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为44mm。管数的分程方法，每程各有传热管572根，其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按【化学工业出版社化工原理（第三版）】：图6-5选取。图6-5隔板设置和介质流通顺序5壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。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=1400mm筒体直径校核计算：壳体的内径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为： 管子按正三角形排列：取e=1.2=1.225=30mm=32 （37-1

20、）+2 30 =1212mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：=1400mm6折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25×1400=350m，故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。折流板数目折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社化工原理（第三版）】：图6-6 图6-6 折流板7其他附件 拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为16拉杆数量8，其中长度5950mm的六根，5500mm的两根。壳程入口处，应设置防冲挡板。8接管

21、壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为290mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为350mm第7章、换热器核算1.热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式【化学工业出版社化工原理（第三版）】：式（5-72a）： 当量直径，依【化学工业出版社化工原理（第三版）】：式（5-73a）得 = 壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数： 管程流体流通截面积： 管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数： （3） 污垢热阻和管壁热阻： 【化工单元过程及设

22、备课程设计】：表7-1表7-1 各种水污垢热阻的大致数值范围取： 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按【化工单元过程及设备课程设计】：表7-2表7-2 常用金属材料的热导率/ W/(m·K)查得碳钢在该条件下的热导率为50w/(m·K)。所以（4） 传热系数有：（5） 传热面积裕度： 计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：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。2.壁温计算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。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

23、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。于是有： 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 0.4×39+0.6×15=24.6 (110+60)/2=85 5858w/·K 885.1w/·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。3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , 由Re=34841，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图:【化学工业出版社化工原理（第三版）】：图7-1 莫狄图得，流速=1.3m/s, 所以： 管程流体阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力： 按式计算 , ,