U型管换热器课程设计说明书 2

1、中南大学化学化工学院 应化0806班 周杨美惠 U型管换热器课程设计说 明 书 设计题目 U型管换热器设计 专业班级 建环1001 学生姓名 xxxxx 学 号 xxxxxx指导教师 xxxxx 日 期 2013.5.4 一、化工原理课程设计任务书（换热器的设计）（一） 设计题目：煤油冷却器的设计（二） 设计任务及操作条件：1. 处理能力：15万吨/年煤油2. 设备型式：列管式换热器3. 操作条件：（1） 煤油入口温度125，出口温度40；（2） 冷却介质循环水，入口温度25，出口温度45；（3） 允许压强降不大于105Pa;（4） 煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为：7

2、.15×10-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ）；导热系数为：0.14W/（m. ）（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行。（三） 设计项目1传热计算2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算3管板厚度计算4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）5管壳式换热器零部件结构（四） 绘制换热器装配图（A2图纸）二、换热器的选用换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。 根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。 按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)tm 及查出温差校正系数。若< 0 . 8 , 应考虑采用多壳程结构

3、的换热器或用多台换热器串联。 依所处理流体介质的性质, 凭经验初选一总传热系数K0 (估) , 并由总传热速率方程计算传热面积S'0 :S'0 =Q/K0 估tm式中Q热负荷,W; K0 (估) 凭经验选取的总传热系数,W /(m2·K) ;tm 平均温度差, 。 根根据计算出的S0 值, 查有关换热器系列标准, 确定型号规格并列出各结构主要基本参数。 利用总传热系数关联式计算K0 ( 计) , 再由总传热速率方程式求出S0 ( 计) 。考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素, 应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%25% , 即 ( S0

4、- S0 ( 计) ) /S0 ( 计) = ( 10% 25% )。否则需重新估计一个K0 ( 估) , 重复以上计算。也可依所选用换热器具有的传热面积S0 , 通过总传热速率方程式求出K0 ( 选) , 然后比较K0 ( 选) /K0 ( 计) 之值是否在1 . 151 . 25 范围。 计算出管、壳程压力降, 验算是否满足要求。 三、工艺计算及主要设备设计1、确定设计方案1.1选择换热器的类型：两流体温度变化情况：煤油进口温度为125，出口温度40，冷流体进口温度25，出口温度45；设煤油压力为0.3MPa，冷却水压力为0.4MPa。该换热器用循环冷却水冷却，固定管板式换热器具有结构简单

5、和造价低廉等优点, 但它仅适用于壳程流体压强小于0 . 6MPa, 管、壳程壁温温度差小于70 , 且管间只能通过清洁流体的场合，因此初步确定选用固定管板式换热器。1.2流程安排: 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管（换热管标准：GB8163）。2、确定物性数据：2.1定性温度：可取流体进口温度的平均值。 煤油的定性温度为：（）冷却水的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在82.5下的有关物性数据循环冷却水在35下的物性数据密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定压比热容cpo

6、=2.22 kJ/(kg·K)定压比热容cpi=4.187kJ/(kg·K)导热系数o=0.140 W/(m·K)导热系数i=0.626 W/(m·K)粘度o=0.000715 Pa·s粘度i=0.000727 Pa·s3、估算传热面积3.1计算热负荷和冷却水用量 Wh=（kg/h）Q=WhCpht0=18939.4×2.22×(125-40)=3.57x106kJ/h=992.7(kW)忽略换热器的热损失，冷却水用量3.2计算两流体的平均温度差 先按理想逆流传热温度差进行计算，即 () 3.3温度校正 平均传热温

7、差校正系数：R=(125-40)/(45-25)=4.25; P=(45-25)/(125-25)=0.2由R和P值，按单壳程查温度差校正系数图，得温度校正系数=0.81>0.8，可行。所以修正后的传热温度差为tm=tm=0.81x38.83=31.45()3.4初步选型3.4.1传热面积 假设K=300W/(m2·K),则估算面积为：A=Q/(K×tm)=992.7×103/(300×31.45)=105.2(m2) 3.4.2管径和管内流速 换热管选用碳钢管25×2.5mm，取管内流速u= 1.0m/s3.4.3管程数和传热管数 换热

8、管选用普通无缝钢管25×2.5mm，管内径d=0.025-2x0.0025=0.02m，于是单程管根数n'为 =37.98 取n'=38根 按单程管计算，所需的传热管长度为： =35.2m3.4.4初选换热器类型与型号 由于Tm-tm=（125+40）/2-(45+25)/2= 47.5()<50(),两流体间的温差不大，不需要温度补偿；但是为了便于壳程污垢清洗，以采用固定管板式列管换热器为宜，且初步选定的具体型号为G600VI-1.0-100 G600VI-1.0-100的具体参数壳径/mm 600管子尺寸25×2.5mm公称压力/ 1MPa管长/m

9、 6公称传热面积/ 100 管子总数 216管程数 6管子排列方式 正三角形壳程数 1折流挡板形式 弓形折流板3.4.5传热管排列和分程方法 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，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=35.2/6=6；传热管总根数： NT=38×6=228（根）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。取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.2532(mm)横过管束中心线的管数 Nc=1.1=1.1=17根3.4.6壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7

10、，则壳体内径为 =606.4mm圆整可取D=600mm。3.4.7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h0.25×600=150（mm）。 折流板间距B=0.4D,则B=0.4×600=240mm。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24(块)折流板圆缺面水平装配3.4.7接管 壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u1.0m/s，则接管内径为：D1=（m），圆整后可取管内径为90mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为(m)=100mm。4.换热器的核算4.1热流

11、量核算4.1.1壳程表面传热系数； 用克恩法计算： 当量直径，由正三角排列得：de=m 壳程流通截面积：=0.0315（m2） 壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为：u0=V0/A=（m/s）Re0=4661.5 普朗特数：Pr=； 粘度校正： 0=589.7W/(m2·K) 4.1.2管内表面传热系数： i 管程流体流通截面积：Si=0.785×0.022×216/6=0.0113（m2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： ui=1.055（m/s）Rei=28849.2 普朗特数：Pr=i=0.023×=5008.1W/ (m2·K)4.1.3

12、污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取： 管外侧污垢热阻 R0=0.00017 m2·K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.00034 m2·K/W5.1.4计算传热系数K（忽略管壁热阻）： Rso Ko=394 计算传热面积AC:AC=Q/(KC×tm)=992.7×103/（394×31.45）=80.11（m2） 该换热器的实际传热面积A：A=3.14×0.025×6×（228-17）=99.38（m2）5.1.5该换热器的面积裕度为：H=×100%=×100%=24.05%为了保证换热器的可靠

13、性, 一般应使换热器的面积裕度大于15%25%。满足此要求, 所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2换热器内流体的流动阻力5.2.1管程流体阻力 计算公式如下： Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=6，FS=1.5; Pi=。由Re=28849.2，传热管相对粗糙度0.1/20=0.005， 莫狄图（下图）得=0.0338，流速u=1.055m/s，=994kg/m3，故 Pi=5609.18（Pa）；Pr=1573（Pa） Pt（PiPr）Fs Ns=（5609.18+1573）×6×1.5=64639.62（Pa）&l

14、t;105 Pa 管程流体阻力在允许范围内5.2.2壳程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ； P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.5, f0=5Reo-0.228=5×4661.5-0.228=0.729, Nc=1.1 NT0.5=1.1×2280.5=17 NB=24;u0=0.202m/s 则流体流经管束的阻力： P0=Ff0Nc(NB+1)=0.5×0.729×17×（24+1）×825×0.2022/22607.43（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力 Pi =

15、NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.24m; D=0.6m；故 Pi=24×（3.5-2×0.24/0.6）×825×0.2022/21090.69（Pa），则总阻力： PS=P0+Pi=2607.43+1090.69=3698.12（Pa）<105 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。 综上所诉，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压降100KPa，均符合要求，所以设计的换热器符合条件。 四、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数管 程壳 程流率/（kg/h）42676.418939.4进/出温度/25/45125/40物性定性

16、温度/3582.5密度/（kg/m3）994825定压比热容/（kJ/（kg·K）4.182.22粘度/（Pa·s）0.0007270.000715热导率/w/（m·K）0.6260.140普朗特数4.8511.34设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列管数目/根216折流板数/个24传热面积/m2100.0折流板间距/mm240管程数6材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.0550.202表面传热系数/w/（m2·K）5008.1589.7污垢阻力

17、/（w/m2·K）0.000340.00017阻力/MPa0.060.0056热流量/kW992.7传热温差/31.45传热系数/w/（m2·K）394裕度/%24.05 五、辅助设备的计算和选型5.1封头（JB T4729 _94）标准椭圆形封头的几何形状如附图1 所示。形成这种封头的母线是由1 4 椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成, 故它由半个椭圆球和一个高度为h0 的圆柱短节(称它为封头的直边部分)构成。附表1 所列椭圆封头尺寸与质量, 摘自JB T4729 _94 标准。 附图1 标准椭圆形封头椭圆封头尺寸与质量(摘自JB T4729 _94)5.2压力容器

18、法兰( TB470292 )压力容器法兰( TB470292 )的类型有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。用于不锈钢容器时, 法兰端面焊有不锈钢衬环。就法兰的密封面来说, 又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。5.3鞍式支座(JB T4712 - 92)卧式容器的支座常用鞍式支座, 简称鞍座。它是由底板、腹板、筋板和垫板四种板组焊而成的焊制鞍座; 或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。 DN500900 鞍座尺寸(JB T471292) mm DN500900mm 的型鞍式支座 DN500900mm 的型弯制鞍式支座5.4管板焊接管板的最小厚度取决于

19、焊接工艺及管板焊接变形的要求, 对于固定管板式换热器的管板结构见图1 _12 , 主要尺寸见表1 _12。 5.5拉杆与定距管折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆, 一端拧入管板, 折流板就穿在拉杆上, 各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离, 最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。拉杆直径及数量可依换热器壳体内直径选定, 各种尺寸换热器的拉杆直径和拉杆数, 可参考表1 _17 选取。定距管通常采用与换热管材料、直径相同的管子。5.6折流板安装折流板的目的, 是为了加大壳程流体的湍流速度, 使湍流程度加剧, 提高壳程流体的对流传热系数。在卧式换热

20、器中折流板还起到支承管束的作用。常用折流板有弓形( 或称圆缺形)和圆盘圆环形两种。弓形折流板结构简单, 性能优良,在实际中最为常用。折流板直径Dc 取决于它与壳体之间间隙的大小。间隙过大时, 流体由间隙流过而根本不与换热器接触; 间隙过小时又会引起制造和安装上的困难。折流板直径Dc 与壳体内直径Di 间的间隙可依表1 _13 中所列数值选定。六、设计评述本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。一开始接到这个任务很迷茫，因为本来对换热器的设计这个概念就不清楚，而且对于画图一直也是我的弱项，所以心情很浮躁，过

21、去了几天还是毫无头绪。后来在答疑课上借到了上届的作业，开始一步一步地研究。课程设计需要学生自己做出决策，自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。 换热器的设计主要是核算比较麻烦，而且计算时遇到很多麻烦，关于管程壳径等概念很模糊，设计过程中遇到的麻烦很多，也正是因为这样，我开始不断地查阅资料问问题，突然间觉得自己虽然学过这些知识，但是还是有很多的疑问。也正是因为不断地发现问题分析问题解决问题，才提高自己的理解和学习能力。通过这次设计我了解了换热器的工艺流程，知道了各种换热器的优缺点，通过 一次次地计算，对于换热器的型号的选择依据有了更深刻的理解。第二周开始作图，一开始面对A1的纸却不敢下笔，不敢画页不知道该怎么画，于是先画了个边框，接着在图书馆找了一下午资料，才知道自己知道的只是冰山一角，第二天在宿舍呆了一天去查法兰还有支座的尺寸和型号。在画图的时候一边画一边问