化工原理课程设计——列管式换热器设计

1、n3CH住设计题目：用水冷却甘油产品的列管式换热器的设计指导教师:设计者：日 期：2010-7-18学校目录任务书 31. 设计题目 32. 设计条件 33. 设计任务 3设计方案简介 3设计原则 31. 满足工艺和操作要求 32. 满足经济上的要求 33. 保证安全生产 4工艺计算及主体设备设计计算及选型 41. 流体定性温度的确定 42. 估算传热面积 43. 选定换热器的概略尺寸 54. 折流板 55. 总传热系数的计算 6(1) 管侧传热系数 6(2) 壳侧传热系数 7(3) 污垢系数 7(4) 总传热系数 8管壁温度 8压力损失的计算 81. 壳程的压力损失 82. 管程的压力损失

2、9换热器的结构设计 91. 管束及管壳分程 92. 传热管 103. 管子布置 104. 管板 115. 管子与管板的连接 116. 管板与壳体的连接 117. 折流板 118. 壳体直径及厚度 129. 管子在管板上的固定方法 1310. 主要附件 1311. 材料选用 13设计结果一览表 14单壳程两管程的浮头式换热器图 14对设计的评述 15任务书一、设计题目 ：用水冷却注射甘油的列管式换热器的设计二、设计条件(1) 甘油处理量：1015kg/S、进口温度：100120C、出口温度：4050C、压强降:v 101.3kPa(2) 冷却水进口温度：(2025范围选择)C、出口温度：(303

3、5范围选择)C ，压强 降：v 101.3kPa三、设计任务：(1) 根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满 足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板数目、形式等。(2) 绘制列管式换热器的装配图。(3) 编写课程设计说明书。设计方案简介1. 选择换热器的类型：题目要求以规定为列管式换热器2. 管程安排：从两物流的操作压力看， 应使煤油走管程， 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；又被冷却的流体宜走壳程，便于散热。所以从总体考虑，应使循 环水走管程，煤油走壳程。设计原则1. 满足

4、工艺和操作要求设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀 门和计量仪表等， 并自确定方案时， 考虑到各种流体的流量， 温度和压强变化使 采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。2. 满足经济上的要求20在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时，要有经济核算的观点，既能满足工艺和操作要求，又使施工简便，材料来源容易，造价低廉。如果 有废热可以利用，要尽量节省热能，充分利用，或者采取适当的措施达到降低成本 的目的。3. 保证安全生产在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险性，就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算，除按规定应有一定

5、的安全系数外，还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。 以上提到 的都是为了保证安全生产所需要的。设计方案也可能一次定不好，后来需要修改, 但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响 ，所以最好第一次确 立就考虑周到些。工艺计算及主体设备设计计算及选型1. 流体定性温度的确定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。热流体的定性温度：Th丄工1°° 40 70C2 2冷流体的定性温度：Th匕匕25C2 22估算传热面积查表知，甘油在平均温度下，70r的比热容Cpi=2 8kj/ ( kgC),水在平均温度下，25

6、C的比热容Cp2=4. 08kj/ (kg C),则传热量Q=qmiCpi(Ti T2) =15 x 2. 78X( 100-40) =2520 (kJ/s )逆流时：t1 100 30 70C ； t2 40 20 20C冷却水量:Q2520 “I qm261.77 kg sCP212 t14.08 10对数平均温度：tm 逆 702039.91CIn 7020假定冷却器为单壳程、双管程的1-2型换热器，则修正系数的确定:p t2t130 200.125;R T1T2100 406T1t1100 20t2t130 20查化工原理 教材P228图6-55( b)得： 0.9tm ? tm 逆

7、0.94 39.91 35.92假定总传热系数K = 200 W/ ( m2. C)则所需传热面积：A代益需35078m23.选定换热器的概略尺寸根据估算的传热面积，查化工原理教材 P301表，选定: 热管采用铝砷高强度黄铜管。则所需传热面积积：A 336.8m2换热器管子管径：d0 25mm;di 20mm；管长取i=6m则所需管子数：Nt 736壳内径.D 1100mm; D 1085mm管间距：P 32mm中心排管数：压21管程数：nt 2即为：项目传热面积A外径d0内径di管长1总管数N中心排管数nc管间间距Pt管程数nt数值2336.8 m25mm20mm6m7362132mm24.

8、 折流板采用圆缺型折流板，去圆缺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=0.25X 1100=275m假定折流挡板间距是壳体内径的 0.2倍，则折流挡板间距h=1.10.2=0.22m，则可取h=200mm折流挡板数：NB 02 1 295. 总传热系数的计算（1）管侧传热系数ai查定性温度tc 25r时水的物性化工原理教材P261附录二:水 996.8kg m30.8937mPa sCp 4.178kj. kg C0.6000W m k每程管侧的流道面积:Ai0.022 空 0.1156m24 nt4管内冷却水的质量流速：Giqm2 61.77Ai 0.1156534.34

9、 kg s m2Rei dGi 跆34°.°2则：0.8937 10 311967当Re>10000则可以根据公式:du0.023 巴d0.8Cp0.3计算的值水的质量流速：qm2 61.77 kg sm2则水的体积流速:qv亜池 0.062 m3 s996.8则水的流速：uqvntNtA0.062 2736di 2 2 0.54msi 0.023 00000.02 0.54 996.80.8937 10 30.834.178 100.89370.6000.310 31833.7Wm2 C(2)壳侧传热系数0热交换器中线最近的管排上错流流动的最大流通面积：S D nc

10、do h 1.085 21 0.0250.2 0.112热交换器中线最近的管排上错流流动的最小质量流速：Gc 型133.93kg s m2 Sc 0.112查定性温度Th 70C下，甘油的物性化工原理教材P276-279图表:55.0mPa s0.286 W m kCp 2.66kj kg C正方形排列时，管群的当量直径：4 l2d0240.03220.025244de0.0272133.93 0.027266.3d00.025PrCP2.66 1 03 55 1 0 3511.54 0.2860.14Re。deGc55 103代入克恩公式，假设一 0.95w0.1400.36 Re0-55

11、Pr0.330286 0.36 66.30.55 511.540.33 0.95 284.97W m2 Cdew0.0272(3)污垢系数 查实验书表4-7 得:管内侧：ri 0.000172m2 C W管外侧：r00.000172m2 C W另外，铝砷高强度黄铜管材料导热系数为:116.3W m C(4)总传热系数Ktswdodwdo r- didodi10.000172284.970.0250.02 2116.30.0250.0250.02 20.0001720.004210.0250.020.0251833.70.02所以：K 237.53则计算所需传热面积为:QK tm2520 103

12、295.4m2237.53 35.92所以实际传热面积与计算面积比为:A 336.8“ “1.15A 计 295.46.管壁温度tw0Thi di d00tc70 25284.971833.70.02 0.025284.97323C 30 C查30 C下甘油的粘度:w 96 10 Pa s0.14对壳侧：一w551030.1496 1030.925 0.95所以计算传热系数 0时,0.14假设一是正确的w7.压力损失的计算(1)壳程的压力损失用概算法P 10.4 空 10.4 133.93 3600_6 90.58kg m2 887.65Paqc1.27 108 1261(2)管程的压力损失查

13、实验书图416, Re=23836时的摩擦阻力系数ft0.008直管部分的压力损失:Pt 4ftGi21 nt 4 o.。08 53434 36002qc di2.74kPa2 1.27 108 103 0.022 6 2279.71kg m2管箱处方向改变引起的压力损失:2 24Gi nt 4534.34 36002283116.55kg m2 1.27 108 103Prqc1.14kPa管侧压力损失之和:Pp PtPr3.88kPaP 101.3kPa;Pp 101.3kPa管侧和壳侧的压力损失均满足要求，设计可行。换热器的结构设计换热器的结构设计包括：管子在管板上的固定，是否需要温差补

14、偿装置的设 计，管板的强度，管板与壳体的连接结构，折流板与隔板的固定，盖板与法兰的 设计，个部件的公差及技术条件等。1、管束及管壳分程1.1、管束分程8为了解决管束增加引起管内流速及传热系数的降低，可以将管束分程。在换 热器的两端的管箱中安置一定数量的隔板， 一般每程中管束大致相等。注意温差 较大的流体应避免紧邻以免引起较大的温差应力。管束分程应优先考虑偶数管程，因为从制造、安装、操作的角度来考虑，偶数管程有较多的方便之处。但是管程数不宜太多，否则隔板本身占去相当大的布 管面积，且在壳程中形成旁路，影响传热。1.2、壳程分程壳程分程型式可分为 E型、F型、G型、H型。他们的不同之处在于壳侧 流

15、体进出口的位置不同。同时考虑到制造上的困难，一般的换热器壳程数很少超 过22、传热管传热管采用普通钢管或异形管。光滑管常用的规格有 19mmX 2mm,25mmX 2.5m m两种当换热器的传热系数不是很高时，为了强化传热，可采用异形管，如翅片管、 螺纹管，其都可以显著提高传热膜系数，但是制造困难，流体流动的阻力提高。 管子的直径与长度的确定与工艺密切相关，长的选择应根据我国现有的管长的规 格系列（常有3m、6m 9m）截取时因考虑管材的合理使用，避免浪费。3、管子布置管子布置应在换热器的截面上均匀而紧凑的分布，此外还有考虑流体的性质 和结构设计及制造等方面的问题等边三弟伽列心）正方形排列&#

16、169;正方形锚列管于的排列方式有等边三角形和正方形两种，如图（a）、图（b）所示。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高、表面传热系数大。正 方形排列虽比较松散， 传热效果也较差， 但管外清洗方便， 对易结垢流体更为适 用。如将正方形排列的管束斜转 45度安装如图 (c) 可在一定的程度上提高对流传 热系数。4、管板管板用来固定换热管并起着分隔管程、壳程的作用。管板型有平管板椭圆型管板和双管板， 其中最常见的是平管板。 当流体有腐 蚀性时，管板应采用耐腐蚀材料， 工程上多采用轧制成的符合不锈钢， 或在碳钢 表面堆焊一层厚度不小于5mm勺覆盖层。当换热器承受高温高压时，应采用

17、薄型 管板，即降低了温差应力， 同时也满足了高压对机械应力的要求。 薄管板的突出 优点是节约管板材料，高压时壳节约 90%，且加工方便。所以在中低压换热器中 得以推广应用。5、管子与管板勺连接在管壳式换热器勺结构设计中，管子与管板勺连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密， 在操作时连接处发生泄露， 冷热流体互相混合， 会造成物料和热量 损失；若物料带有腐蚀性、 放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质， 后果 将更加严重。在固定管板式换热器勺连接方法处还应考虑能承受一定勺轴向力， 以避免温 度变化较大时，产生勺热应力使管子从管板脱出。焊接法由于具有很多勺优点(加工简单、对管孔勺加工要求不高，较强

18、勺抗 脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处勺紧密性， 同时在压力不太高时还可采 用薄型管板)，在一些要求较高勺场合被广发勺应用。6、管板与壳体勺连接浮头式换热器通常是把管板夹在壳体法兰与管箱法兰之间便于管壳程一起 清洗。7、折流板换热器内安装折流挡板是为了提高完程流体勺对流传热系数。为了获得良好效果，折流挡板勺尺寸和间距必须适当。 对于常用勺圆缺形挡板， 弓形切口太大或太小，都会产生流动“死区”，如图所示，不利于传热，且增加流体阻力般切口高度与直径之比为 0.15 0.45,常见的有0.20和0.25两种M(c)a切口过小，板间过大b切口适当c切口过大挡板的间距对壳程的流动有重要的影响，间距太

19、大不能保证流体垂直流过管 束，使得管外给热系数降低，间距太小又不方便检修，阻力损失也很大。一般采 用间距为壳体的0.2-1.0倍。取折流板间距B=0.2D，贝U B=0.3Xl100=220mm, 可取B为200mm。而对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要的影 响。弓形缺口太大还是太小都有可能造成流体“死区”，既不利于传热也不利于 流体的流动。一般来说，弓形缺口的高度可取壳程高度的0.1 0.4。据以上原理可以选择的缺口高度以及挡板常采用 0.2和0.25采用弓形折流板，去弓形折流板 圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25X 1080=270mm,故可

20、取 h=270mm折流挡板数：Nb1290.2&壳体直径及厚度换热器壳体的内径应等于或稍大于（对浮头式换热器而言）管板的直径。根据 计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体 的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，用作图法就太麻烦。一般在初步设 计小，可光分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积， 于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列 图。为了使管子排列均匀，防止流体走短流”，可以适当增减一些管子。9、管子在管板上的固定方法管于在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。 其选择原则是必须保证管 子与管板连接

21、牢固， 连接处不会产生泄漏。 实际生产中， 高温高压情况下有时采 用胀接加焊接的方法，对非金属管和铸铁管也有采用垫塞法的。10、主要附件 圭寸头 圭寸头有方形和圆形两种，方形用于小直径（400mm）的壳体，圆形 用于大直径的壳体。 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口 装设缓冲挡板。 导流桶 壳程流体的进、 出口和管扳问必存在有一段流体不能流动的空 间（死角 ），为了提高传热效果，常在管束外增设导流简，使流体进、出壳积时必 然经过这个空间。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。11、材料选用 列管换热器的材料应根据操作压强、温

22、度及流体的腐蚀性等来选用。在高 温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。 同时具有耐热性、 高强度及耐腐 蚀性的材料是很少有的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和 铝等；非金属材料有石墨、 聚四氖乙烯和玻璃等。 不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀 性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。设计结果一览表参数管程壳程流速（kg/s）61.7715进/出口温度/C20/30100/40物性定性温度/C2570密度 / ( kg/m3)996.81261定压比热容/kj/ ( kg?k)4.1782.66粘度 / ( Pa?s)30.8937 X 10355 X 10热导率（W/m ?k）0.6000.286普朗特数511.54设备结构参数形式列管式壳程数1壳体内径/伽1085台数1管径/伽 25 X 2管心距/伽32管长/m6管子排列正方形管数目/根736折流板数/个29管程传热面积/ tf336. 8折流板间距/伽200管程数2材质钢主要计算结果管程壳程流速/ (m/s)0.54表面传热系数/W/ （tf? k）1833.7284.97污垢热阻/ (tf? k/W)0.0001720.000172阻力/ Pa295324.0514.5传热系数/W/ (tf? K)237.53裕度传热面积比 A/A计115%对设计的评述