换热器设计报告

1、化工流体传热课程设计任务书（一）设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计（二）设计任务及条件1、蒸发系统流程及有关条件见附图。2、 系统生产能力：85万吨/年。3、有效生产时间：300天/年。4、 设计内容：I 效预热器（组）第 1 台预热器的设计。5、卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器，试根据附图中卤水预热 的温度要求对预热器（组）进行设计。6卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于 0.5m/s。7、换热管直径选为 38 x 3mm。8、卤水物性参数随温度的变化，当手册查不到时，可按水的变化规律推算。（三）设计项目1、由物料衡算确定卤水流量。2、假设K计算传热面积。3、确定预热器的

2、台数及工艺结构尺寸。4、核算总传热系数。5、核算压降。6确定预热器附件。7、设计评述。（四）设计要求1、根据设计任务要求编制详细设计说明书。2、按机械制图标准和规范，绘制预热器的工艺条件图（2#），注意工艺尺寸和结 构的清晰表达。设计流程图12目录第一章设计简介4第二章热力学计算52.1 由物料衡算确定卤水流量 52.2假设K计算传热面积 5221热力学数据的获取5222估算传热面积62.2.3工艺尺寸的计算 62.2.4核算总传热系数 82.2.5核算压降92.3 确定预热器附件 102.4泵的选用122.5换热器主要结构尺寸和计算结果 13第三章设计评述14第四章主要符号说明16第五章参考

3、文献17第一章设计简介在工程中，将某钟流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称 为换热器，又叫热交换器。在这种设备中，至少有两种温度不同的流体参与传热。在工业生产中，换热器的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器， 省煤器，空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器，除氧器；冶金工业中的高炉的 热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热； 制冷工业中蒸汽压缩制冷机 或吸收式制冷机中的蒸发器；都是换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工 业的生产过程中，应用换热器的场合更是不胜枚举。 在航天航空工业中，为了及 时取出发动机及辅助动力装置在运动时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少 的重

4、要部件。另外，由于世界上煤油，石油和天然气资源的储量有限而面临着能源短缺的 局面，各国都在致力于新能源的开发，因而热交换器的应用又与能源的开发与节 约紧密联系。所以，换热器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制 造、食品、医药及航空航天等各个部门。根据换热器在生产中的低位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说， 对其基本要求有：（1）满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高，热损失少，在有力的平均 温度下工作。（2）要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单， 装修方便，经济合理，运行可靠。（3）设备紧凑。（4）保证较低的流动阻力，以减少换热器的动力消耗这次设计的换热

5、器要求单管程固定管板式列管换热器，以二次蒸汽为加热流 体预热卤水，将卤水由83摄氏度加热到91摄氏度通过对换热器的设计，达到让学生了解换热器的结构特点，并能根据工艺要 求选择适当的构最共完成图纸。可以说，这次设计作业从准备材料，估算，核算，到最后的作图，多方面的 锻炼的学生们的设计能力，于此同时，还提高了团队合作能力。第二章热力学计算2.1由物料衡算确定卤水的流量由表格2-1知数据如下表2-1年产量（纯NaCI）80万吨/年工作时间300天/年卤水中NaCl含量293.76g/L第一效体积分率28%根据任务书的要求，氯化钠的年产量为 85万吨/年，根据公式进行计算得:85 1149 107 W

6、 总128.2kg/s293.76汇300江24><3600从图中可以看出进入第三效的卤水流量 F为：Wc 二总 28% =35.9kg/s2.2假设K计算传热面积2.2.1热力学数据的获取（1）冷流体卤水的定性温度：入口温度：t, =83C出口温度：t2=91C循环水的定性温度为圻二ttl =（83 91）2 = 87 C查询数据得表2-2 :表2-2卤水的物理性质表温度，密度，恒压热容粘度导热系数Ckg/ m3kJ/(kg K)mPa sw/(m C )871149.63.421.90.62(2) 饱和水蒸汽的热力学性质从图中我们看出第三效的加热蒸汽是198.6kpa，通过查表

7、得到此时的饱和水蒸汽温度为T=120C，汽化热为 r =2204.6kJ/kg2.2.2估算传热面积(1)计算传热量Q =WcCp,c(t2 tj =35.9x3.42x10 2204.6 10x8 = 0.98"06w(2)水蒸气耗量Wh =Qr0.98 106二 0.44kg / s(3)计算有效平均温度差“tmInT -12T7= 328C(4) 流体流经的选择冷流体卤水不洁净并且易结垢，所以走管程，便于清洗。热流体为饱和水蒸气，宜走壳层以便于及时排除冷凝液， 且蒸汽结晶，一般不清 洗。(5) 估算传热面积根据经验选取K=1000w/(m2 C),估算传热面积：二 29.88m

8、22.2.3工艺尺寸计算(1) 管径与管内流速的确定根据设计说明书要求，选用？38X 3mm较高级不 锈钢传热管，管内流速取u=0.6m/s。(2) 管长与传热管数选用L=6m的管长。根据流量与流速确定管数：V n =兀人2di u435.9 1149.64： (0.032)2 0.665因此，实际换热面积为S=n二dL=65 3.14 0.038 6 =46.53m2采用此换热器，则要求过程的总传热系数为QS：tm0.98 10646.53 32.82= 642.1W/(m C)(3) 平均温度差校正及壳程数平均温度差校正系数有:R=0P 二壬22120-83;t =1.0查参考文献有由于平

9、均温度差校正系数大于0.8，同时壳层流体流量比较大，所以采用单壳层 合适。(4)壳体内径根据壳体内径公式D =t(nc -1) 2b其中t=1.25外管径，管子按正三角形排列时，横过管数中心线管的根数nc =1.1 n = 1.165 9b' =1.25倍外管径由此，算的壳体外径D =475mm进行圆整，得外径500mm综上，立式单管程固定管板式列管式换热器的规格如下：公称直径500mm公称换热面积46.53m2管程数1管数n65管长L6m管间距47.5mm管子直径 38 3mm管子的排列方式正三角形(5) 折流挡板结构的设计本设计采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体外径的20%即h

10、=0.2 475 = 95mm，折流挡板间距取 B=600mm所用到的板数N 誌-仁9224核算总的传热系数(1) 管程对流传热系数:厂 0.023Re0.8Pr0.4di其中应严1°6严得创J1.9 10片丄空4竺匚0九0.62所以:i = 0.023 116170.8 1O0.4 = 2000W/（m2C）0.032(2) 污垢热阻和管壁热阻根据查表，得管程壁面的污垢热阻 Rs =1.72 10(m2 C)/W ,壳程壁面的污垢热阻Rs°=0.86 10，(m2C) /W，根据换热器不锈钢材质可以查出管壁的导热系数 =17.45W/(m2 C)t0-twRotw ti:

11、i(3)壳程对流传热系数1一 rP2g入3卩«1.13ly5-tw）其中蒸汽温度ts=120C，壁温tw需要通过估算来求解，估算公式为假设0，带入计算，从而求解出壁温数值。然后将壁温值带入再求壳程对流传 热系数，通过循环计算，使得壁温和壳程对流系数相对应。通过计算，求的：tw = 110.2 °C，：0 = 5045W/(m2 C)(其中，饱和水的定性温度为115C，物性参有卜=948.6kg/m3花=0.685W/(m C),-26.5 10-5Pa s(4) 总传热系数Kdo:idiRdsdbdo'd m+ R +丄o：0= 787.4W/(m2 C)2214K

12、 核/K 选二 787.4/642.1 =1.23所以换热器是合适的，安全系数为22.6%2.2.5核算压力降(1)管程压降、巾=(pp)FtNsNpR =1.5,Ns=1,Np =1其中对于不锈钢，取管壁粗糙度；=0.2mm02 =0.00625di32有 -Re图中差查的 =0.04L廿di 2=0.0461149.6 0.620.0322-1551.96Pa1149.6 0.62-620.78Pa'PiQ4)FtNsNp =(1551.96 620.78) 1.5 1 1-3259.11 Pa(2)壳程压降7 ：P。=(.p'：P2)FsNsNs =1,Fs =1流体流经

13、管束的阻力巾1管子为正三角形排列F=0.5壳程流通面积S0 =B(D -ncd0) =0.6(0.5-9 0.038) = 0.0948m2壳程流体流速及其雷诺数分别为：uVs竺 4.12m/s0.038 4.12 1.1270.000023So1.127 0.0948= 7671fo 二 5.0 Reo 心28 二 5.0 7671 丿.228 = 0,65Nb =9p =0.5 0.65 9 (9 1)1.127 4.1222= 279.78Pa流体通过折流板缺口的阻力»Nb(3.5 晋S2=9 (3.52 0.6)0.5 )21.127 4.12= 94.7 Pa总阻力P。=2

14、79.78 94.7 =374.48Pa2.3确定预热器附件（1） 折流挡板本设计采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体外径的20%即 h =0.2x500 =100mm,折流板按等间距布置，管束两端的折流板应 尽可能靠近壳程进、出口接管，缺口上下排列，名义外直径500mm厚度8mm折流挡板间距取B=600mm所用到的板数N =丄-1 =9。B（2） 拉杆拉杆是折流挡板定位不可缺少的原件。拉杆采用定距管结构， 共4根，拉杆直径16mm拉杆长度按实际需要确定，具体看尺寸图。（3） 外壳 换热器外壳包括壳体与换热器两端的封头-管箱。本设计中， 外壳采用碳钢材料，为了保证壳体具有足够的强度，壁厚设计

15、为 8mm管箱设计 时在管箱上设计一平盖，便于拆洗。封头与壳体用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。根据设计规格，本设计的封头为内径500mm的标准椭圆头，厚度 8mm直边高度25mm（4） 管板管板式本换热器上的重要零件之一，设计中要考虑管板厚度的计算，以及管板与换热管，壳体及管箱的连接。本设计中管板厚度定为27mm（5） 管板开孔换热管排列原则如下：换热管的排列应该使整个管束完全对称。在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内，应该全部布满换热管。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边的位置处应布置拉杆，其间距小于或等700mm拉杆中心与折流板缺边的距离应尽量控

16、制 在换热管中心距的（0.51.5 ） . 3范围内。（6） 换热器接管管道中水溶液的流速定为2m/s，所以卤水的进口管管 径为=0.141md = 4Vs =4 35.9二u 1149 3.14 2饱和蒸汽的流速定为30m/s，因此饱和蒸汽进口管管径为Din二 0.129m4V =4 0.44:二u .1.127 3.14 30因冷凝水的流速一般为0.5m/s，所以冷凝水的出口管径为D冷凝水=0.028m4V _4 0.3二u 948.6 3.14 0.5(7) 主要连接方式对于换热器，主要是壳体与管板的连接，换热管与管板的连接和管板与拉杆的连接。管板与壳体之间采用焊接的形式，换热管与管板也

17、采用焊接的形式，管板 与拉杆之间采用螺纹连接。(8) 支座 对于本设计立式换热器，支座米用耳式支座较好2.4 泵的选用泵的扬程:HgPg 2gHf其中,83 1052二94°C下卤水的密度，经查文献1附录,21得1 1 48g/m3 流动前后流速差：u ： 0; 本换热器采用立式结构，总高度 其他组员设计的换热器高度也是 由泵到换热器接管高度选取1mH = 6.5m，6.5m，选取的高度即为6.5m，由换热器到蒸发器水平高度选取1.5m故 z=6.5 11.5=9m ； 静压头 巾=198.6 -101.325 =97.275kPa ; 由上面计算可知，本换热器管程压降 a=3259

18、.11Pa，第二个换热器管程压降x =Pi4429.84Pa，第三个换热器管程压降' p''=3246.4Pa ,第四个换热器管程压降：p'"=2723.25Pa,故,Hf 二+Z 也 Pi密竺竺9竺送46心竺5七11148 9.81Hg97.275 103=90 1.21 = 18.85m1148 9.8135 9输送流体卤水的流量 V二一一=0.0312m3/s ,1149得到泵的工作点：V -112.32m3/h，Hg = 18.85m，输送流体为卤水，黏度比水大。综上，查阅文献1附录24,选用IS150-125 250型单级单吸离心泵, 泵的性

19、能参数如下：型号流量/(m3 / h)扬程/(m)转速/ (r / min)功率/ kW效率/%气蚀余量/ m质量（泵/底座）/kg轴电机IS150-125-25012022.5145010.418.5713.0188/1582.5换热器主要结构尺寸和计算结果换热器类型：单管程固定管板式换热器换热器面积（m2） : 46.53工艺参数名称管程壳程物料名称卤水饱和水蒸气操作温度，C8391120流量，kg/s35.90.44流体密度，m3 kg/1149.61.127流速，m/s0.64.95传热量，kW980总传热系数，w/(m2 1)787.4对流传热系数，/(m2C)20005045污垢系

20、数，m2 C /w0.0001720.000086压力降，Pa2659.11508.69程数11使用材料不锈钢碳钢管子规格，mm38 x 3mm管数65管长，m6管间距，mm47.5排列方式正三角形壳体内径，mm475第三章设计综述通过两周的资料查阅、计算核实、画图，本次列管式换热器设计大体完成,当然，还有很多不足之处有待修改，下面是我对本次设计的一些评价与感受。1、 资料查询要有足够的针对性起初，我为了设计这次的换热器，查询了 大量的文献书籍，不同书上有不同的方法，而且部分方法都十分复杂，所以把设 计放到了一个特别高的位置，开始研究计算方法，然而问题却没有得到解决，反 而更难了。结果，索性就

21、按照书籍上的来，结果计算起来才有了思路，在计算得 过程中遇到了难题再去查阅书籍，参考文献，这样效率才得到了大幅度的提高。 看来查阅资料不是越多越好呀。2、 计算方法有技巧这次设计的重点之一就是核算换热器的总传热系数， 这个决定了结果是否正确，所以这个也就理所当然是难点之一了。 估算了换热器 的面积S和传热系数K,接下来就设计换热器的结构和核算传热系数了。设计结 构倒是没费太多时间，可是到了核算就头疼了，错了不要紧，一次肯定算不对， 可是前面假设的数据太多，数据与数据之间有有联系，牵一发而动全身，一下子 就不知所措了。例如，改变了管数，流速，传热面积，对流传热系数等等全都变 化。在经过反复计算和总结后，我得出了一定的规律，改变设计的流速对结果很 是关键，而且不会把计算得思路搅乱，最后在增大几次减少几次流速之后， 最终 算出了符合规定的K值。3、 很多不足需补充本次设计完全是纸上谈兵，所有的东西都是从纸上 来最终又落到了纸上，所以在考虑问题时势必会有所欠佳。列如很重要的一点， 安全问题。由于参考资料有限，经验不足