固定管板式换热器的设计

1、江西科技师范大学食品科学与工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称 固定管板式换热器的设计 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 汪涯 2013 年 12 月 24日 目录 1.设计方案1 1.1设计条件1 1.2换热器工艺设计1 1.2.1设计方案的确定1 1.2.1.1选择换热器的类型1 1.2.1.2流体流经管程或课程的选择1 1.2.2换热器工艺结构尺寸1 1.2.2.1管径和管内流速1 1.2.2.2管程数和传热管数2 1.2.2.3平均传热温差校正及壳程数2 1.2.2.4传热管排列和分程方法2 1.2.2.5壳体直径2 1.2.2.6折流板3 1.2.2.7接管32.衡算3 2.

2、1物性数据的确定3 2.2估算传热面积4 2.2.1冷流量4 2.2.2饱和水蒸汽用量4 2.2.3平均传热温差4 2.2.4初算传热面积4 2.3传热面积校核4 2.3.1管程传热膜系数4 2.3.2壳程传热膜系数5 2.3.3污垢热阻和管壁热阻5 2.3.4总传热系数5 2.3.5传热面积校核5 2.4换热器内压降的核算6 2.4.1管程阻力6 2.4.2壳程阻力63.设备选型表7 3.1换热器及其各部件型号的选型7 3.2设备清洗方法74.附录及图纸85.总结96.参考文献101、设计方案 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占重要地位。根据冷、热流体热量交换原

3、理和方式分为三类：混合式、蓄热式、间壁式。本次设计我们采用的事间壁式换热器来做的。它是通过间壁进行热量交换的。1.1设计条件 （1）冷却水 处理量：31m3/h、进口温度：4、出口温度：53、压强降：2.03.1Mpa（2）饱和水蒸汽 进口温度：110、出口温度：100、压强降：7.08.1Mpa选择压力泵为压力维持设备。其压力维持范围为210 Mpa。因为压力泵的传压介质为空气，升降压平稳，采用超细微调部件，确保了足够小的调节细度（最小调节细度为0.01Pa）。外壳采用绝热材料进行隔热保温，大大减少了温度对微压仪器校验的影响。该压力泵采用了德国进口的快速接头和连接管路。压力泵采用全开放式结构

4、设计，它结构简单、可靠性高、 操作维护方便、不易泄漏。调压装置采用精密大容腔活塞，独特的结构设计、特殊的密封材料无需润滑，减少摩擦， 压力调节范围大，升降压平稳。1.2换热器工艺设计1.2.1设计方案的确定满足工艺和操作上的要求，确保安全生产，做到经济、技术上的合理，即尽可能节省设备费用和操作费用。1.2.1.1选择换热器的类型 两流体的温度变化情况：饱和水蒸汽进口温度110，出口温度：100；冷却水进口温度：4，出口温度：53。因为换热器用冷却水冷却，在较低温度下操作时其进口温度会降低，并可能使换热器管壁温度和壳体温度相差较大，所以确定选用管板式换热器。又因为水蒸气冷却时有显热和潜热之分，潜

5、热是指物质在相变过程中吸收或放出的热量，比如空气中的水蒸气变成水；显热是指物质温度的升高或者降低，热传递中不发生相变，比如冷水变热水。此设计中没有发生相变，所以此选择的是以显热方式进行放热的。1.2.1.2流体流经管程或壳程的选择 从两流体的操作压力来看，应使饱和水蒸汽走管程，冷却水走壳程。但由于冷却水易结垢，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，鉴于此两种因素，应使冷却水走管程，饱和水蒸汽走壳程。1.2.2换热器工艺结构尺寸1.2.2.1管径和管内流速 因为管内走的是易结垢的流体，所以选择 传热管（碳钢），查列管式换热器常用流速范围表和不同黏度在列管式换热器中的流速表2可

6、取管内流速。1.2.2.2管程数和传热管数 可根据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长，则该换热器的管程数位传热管总管根数 1.2.2.3平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数计算如下按单壳程，双管程结构，查金属热导率图1得平均传热温差 由于，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。1.2.2.4传热管排列和分程方法 由于冷却水为易结垢流体，故采用正方形排列。取管心距，则由于管程为四，故隔板中心到离其最近管中心的距离1.2.2.5壳体直径 采用多管程结构，壳体直径按照公式-按

7、卷制壳体的进级档，可取1.2.2.6折流板 采用圆缺形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的%，则切去的圆高度为 故可取取折流板间距 ，则折流板数目1.2.2.7接管 壳体流体进出口接管：查列管式换热器常用流速范围表和不同黏度在列管式换热器中的流速表2可取管内气体流速，则接管内径为圆整后可取管内径为。管程流体进出口接管：壳体流体进出口接管：查列管式换热器常用流速范围表和不同黏度在列管式换热器中的流速表2可取管内液体流速，则接管内径为圆整后可取管内径为。 2、衡算2.1.物性数据的确定定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进、出口温度的平均值。故壳程饱和水蒸汽的定性温度为管

8、程流体的定性温度为根据其定性温度查得其物性数据如下：冷却水： ； 。饱和水蒸汽：；。2.2估算传热面积2.2.1 冷流量 （忽略热损失）2.2.2饱和水蒸汽用量 （忽略热损失）2.2.3平均传热温差2.2.4初算传热面积 由于水蒸汽走管外，用作冷凝剂查列管式换热器中传热系数K值范围推荐值表2可查的估算的传热面积为2.3传热面积校核2.3.1管程传热膜系数。管程流体流速和雷诺数分别为普朗特数 2.3.2壳程传热膜系数管子按正方形排列，传热当量直径为壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数 黏度校正 2.3.3污垢热阻和管壁热阻查附录92，管外侧污垢热阻，管内侧污垢热阻。已知管壁厚度，

9、碳钢在该条件下的热导率为50W/.2.3.4总传热系数K总传热系数系数K为2.3.5传热面积校核根据公式 ，换热器的实际传热面积为S，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。2.4换热器内压降的核算2.4.1管程阻力由Re=37314,传热管相对粗糙度0.01，查双对数坐标图1得管程流体阻力在允许范围之内。2.4.2壳程阻力按下式计算 其中 ， 。流体流经管程的阻力 ， 流体流过折流板缺口的阻力其中，则总阻力由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力比较适宜。3、设备选型3.1换热器及其各部件型号的选型(1)采用管板式，材质为碳钢，管子为正方形排列，单壳程四管

10、程。(2)换热器壳体内径是800mm，采用焦作市国能设备厂生产的换热器壳体，型号为KYQ-II，使用周期为四年。(3)换热管尺寸为，采用浙江银来钢管有限公司生产的传热管，型号为310S，使用周期为三年。(4)折流板间距为200m，采用淄博衡迪防腐设备有限公司生产的折流板，型号为四氟折流板，使用周期为三年.(5)接管型号为BR02Q，厂家是上海将星化工设备有限公司，使用周期为两年。(6)胶垫型号为JD11，厂家是广州晶昌工程材料制品有限公司，使用周期为两年。(7)冷却器型号为2LQFL，厂家是姜堰市万安机械配件厂，使用周期为五年。3.2设备清洗方法因为换热器大多是以水为载热体的换热系统，南于某些

11、盐类在温度升高时从水中结晶析出。附着于换热管表面，形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂，当水的pH值较高时，也可导致水垢析出。初期形成的水垢比较松软，但随着垢层的生成，传热条件恶化，水垢中的结晶水逐渐失去，垢层即变硬，井牢地附着于换热管表面上。此外，如同水垢一样，当换热器的_T作条件适合溶液析出晶体时。换热管表面上即可积附f_物料结晶形成的垢层；当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速义较小列，部分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积，形成疏松、多孔或胶状污垢。其清洗方法如下：    (1)喷射清洗：喷射清洗是一种强力清洗法，它是利刷喷射设备将介质

12、以极高的冲击力喷人换热器的管侧和壳侧，起到除垢的目的。常用的介质足水、蒸汽或石英砂。对于仅仅依靠冲击力是不能去除而必须依靠热量才能使其松动的污垢，蒸汽喷射清洗是非常好的方法。   (2)管内插人物清洗：这种方法只能除去管子里面的污垢，它依靠捕人物在管内的运动。与管子内表面接触，达到去除污垢的效果。捕人物的型式多种多样，可以是在挠性轴的端部装上刮刀或钻头也町以使用钢丝刷子来清洗较低硬度的污垢。对于换热器管内污垢，以上两种换热器清洗方法，我们都采用过，我们认为采用管内插人物清洗效果比直接喷射清洗效果明显，但捕人物清洗劳动强度相对较大。此后我们试着将两种方法结合使用，在

13、用捅人物清洗同时用高压水喷射结果效果大大提高。其优点是见效快易操作而日可降低清洗强度。因此，目前我们经常采用此方法清洗列管内污垢。但缺点是清洗设备需装拆，易对设备造成机械损伤。4、附录及图纸 1、换热管器主要结构尺寸和计算数据项 目结 果单 位管程流率49360壳程流率257760管程进（出）口温度28（78）壳程进（出）口温度110（100）管程压力2.03.1壳程压力7.08.1冷却水定性温度53饱和水蒸汽定性温度105管程冷却水密度987.2壳程饱和水蒸汽密度955.2管程定压比热容4.175壳程定压比热容4.174管程黏度壳程黏度管程热导率壳程热导率0.6176管程普朗特数3.5壳程普

14、朗特数4.9壳体内径800管径管心距32管数目172根折流板个数39个折流板间距200传热面积108.9管程流速1.03壳程流速2.1管程表面传热系数5598壳程面传热系数9613）管程污垢热阻0.0003壳程污垢热阻0.0002管程阻力0.06壳程阻力0.25热流量3027.78传热温差45.6传热系数1005裕度1.6%2、换热器及其各部件型号的选型设备参数材质 尺寸型号 生产厂家换热器壳体碳钢 800mmKYQ-II 焦作市国能设备厂换热管碳钢 310S 浙江银来钢管有限公司折流板碳钢四氟折流板 淄博衡迪防腐设备有限公司5、总结此次换热器的设计我们对相关的数据进行了认真的计算和校核。前面有几次是不符合要求的，但通过认真的对相关数据的查表，以及逐步核算，最好终于达到要求。我们选用的管板式换热器综合考虑了压强、温度、设备投资等各种因素，能使之较好的符合工业和生活生产的要求，且管板式换热器结构简较简单，成本亦低。但由于其壳程检修和清洗困难，用“膨胀节”结构进行热补偿，并且这种补偿方式不适用于热、冷温差较大的场合，这是此次设计的不足之处。另外，