多壳程列管式换热器的设计方案

1、多壳程列管式换热器的设计方案一、符号说明：二、 1.1 物理量（英文字母）C p 定压比热容， KJ/(kg. °C)n 管数Qm 热容量流率比N程数d管径 ,mP压强 , PaD换热器壳径 ,mq热通量 ,W/m2f摩擦系数Q传热速率或热负荷 ,WF系数r汽化热或冷凝热 KJ/kgg重力加速度 , m/s2R热阻， m2 . o C/WB挡板间距S传热面积， m2K总传热系数 ,W/(m 2 . o C)T流体温度， o CI长度 ,mt流体温度， o CL长度 ,mv流速 m/s1.2物理量（希腊字母）对流传热系数 ,W/(m 2 . oC) 黏度， Pa.s 导热系数 ,W/(

2、m 2 . o C)密度 ,kg/m 3 传热系数校正系数二、设计目的通过课程设计进一步巩固本课程所学的内容，培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力，使所学知识系统化。通过本次设计，应了解设计的内容、方法及步骤，使学生有调研技术资料，自行确定设计方案，进行设计计算，并绘制设备条件图、编写设计说明书的能力。三、参数与条件设置：3.1已知参数：（ 1 ） 热 流 体 （ 柴 油 ）： T1=180 ， T2=130 ，（ 2）冷流体（油品）：t 1=60，t 2=110，压力 0.4MPa；3.2设计条件：（ 1） 壳程数： 2；（ 2） 压力降 p<10100kPa（液体）

3、 ；110kPa（气体 ）； 雷 诺 数 Re<500020000 （ 液 体 ）；10000100000（气体）；（ 3） 流 动 空 间 管 材 尺 寸 ： 19mm×2mm 、25mm×2mm、 25mm×2.5mm；（ 4） 管内流速，自选；（ 5） 传热管排列方式：正三角形排列、正方形排列、正方形错列；（ 6） 传热面积裕量 S：1025%；（ 7） 传热管长 L， 3、4.5 、 6、 9、 12m；（8）折流挡板切口高度与直径之比：0.20 、 0.30 ；（9）管壁内外污垢热阻，自选，Rsi = 5.1590× 10-4 ，Rso=

4、3.4394 × 10-4 m2 . °C/W；四、设计计算4.1确定设计方案4.1.1 选择换热器的类型：两流体温度的变化情况，热流体进口温度为180 ，出口温度130 。冷流体（原油）进口温度为60 ，出口温度110 。该换热器用有油品进行冷却，内部用油品（煤油、汽油、石脑油），冬季操作温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温与壳体壁温相差较大，因此确定用浮头式列管式换热器。4.2确定物性数据可取流体进口温度的平均值。管程柴油的定性温度T=180130 =155°C2壳程油品的定性温度t =11060 =85 °C2由于浮头式换热器拆卸比较简

5、单，应使冷却油柴油走壳程，原油走管程。柴油在 155 时的物性数据如下：密度0= 715kg/m 3定压比热容Cp0=2.48KJ/(kg.°C)导热系数0=0.113W/(m 2. o C)粘度 o 原油在 85 时的物性数据如下：密度i = 815kg/m 3定压比热容C pi = 2.22KJ/(kg.°C)导热系数 i =0.128W/(m 2. o C)粘度 i T1=180 , T 2=130,t 1=60 , t2=1105.3计算总传热系数：热流量：QoWo cpht o =360002.48(180130)4.464 10 6 kJ / h1240(kw)

6、平均传热温差：因为t112 ，t1t250Ct2t m25.3.3冷却油用量：wiQ04.464 10640216(kg / h)c piti2.22(110 60)总传热系数：管程传热系数diui i0.02 0.58152717Re0.003ii 0.023i(di ui i)0 .8c p i)0. 4di(ii0.023 0.128 ( 2717) 0. 8 ( 2.220.003)0.425.220.0200.128壳程传热系数假设壳程的传热系 o= 290W/(m2. o C)污垢热阻 R si = 5.1590× 10-4 m2 . °C/WRso= 3.43

7、94×10-4 m2 . °C/W管壁的导热系数 =45W/(m2 . o C)K1d0Rsid0bd0Rso1i dididi010.0255.159010 40.0250.00250.0253.439410 4125.220.0200.020450.022506875.4计算传热面积,Q12401032)SK tm6875036.1( m考虑 15%的面积裕度， S 1.15 S,1.15 36.1 41.448(m2 )5.5工艺结构尺寸管径和管内流速选用 25× 2.5 传热管（碳钢） ，取管内流速ui =0.5m/s表 5-1换热器常用流速的范围流速循环

8、水新鲜水一般液体易结垢低粘度油高粘度油气体介质液体管程流速1.0-2.00.8-1.50.5-3.0>1.00.8-1.80.5-1.55-30壳程流速0.5-1.50.5-1.50.2-1.5>0.50.4-1.00.3-0.82-15管程数和传热管根据传热管内径和流速确定单程传热管数nsv40216/(8153600)87.3 88( 根 )20.7850.0220.54diu按照单程管计算，所需的传热管长度为LS =S6 ， S=41.448 ,因壳程 =2，管程 =1, 所d0n s3.14 0.02588以 L 1 6 6( m)按单程管设计，传热管过长，则采用多管程结构

9、。现在传热管长 L=6m，则该换热管程数为N 1 88 88(根）表 5-2 设计方案中选取的4 种管程的管程布置程数流动顺序管箱隔板介质返回侧隔板平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数t2t1110600.42pt118060T1T1T21801301，又因为壳程 = 2Rt111060t2按照多壳程， 单管程结构， 温差校正应查有关图表。但 R=1的点在图上难以读出，由化工原理上册P232 页查图 4 19 可得 :t0.98平均传热温差t mttm ,0.985049 C图壳程摩擦系数f 0 与 Re0 的关系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

10、用正方形排列。去管心距 t=1.25d 0, 则t1.252531.2532( mm)横过管束中心线的管数nc1.19 N1.19 8811.212壳体内径采用多壳程结构，则壳体内径为Dt(nC1)3d032(121)30.025352.1(mm)圆整可取D=350mm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h0.2535087.5 , 故可取h=90mm取折流板间距B=0.3D, 则B 0.3 350105(mm) , 故取 B 为 110mm。传热管长36000（块）折流板数-1- 1326N B= 折流板间距110折流板圆缺面水平装配。接管壳程流

11、体进出口接管：取接管内柴油流速为u=1.0m/s, 则接管内径4v4 36000 /(3600 715)0.0178(m)d3.14 1.0u管程流体进出口接管：取接管内原油流速为u=1.5m/s ，则440216 /(3600 815)d3.140.0116(m)1.55.6换热器核算热量核算（ 1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式100.36 0 Re00 .55 Pr3(0 )0 .14dew当量直径，由正三角形排列得4( 3 t 24d02) 4(30.0320.785 0.0252 )220.020(m)ded03.140.025壳程流通截面积 : S0 BD (1d0

12、 )0.11 0.35(10.025) 8.42 10 3 (m)t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为u036000 /(3600715)8.4210 31.66(m / s)Re00.0201.667157913310 3普兰特准数Pr2.4810000.6410 30.11314.05粘度校正()0 .141w0.113100.3679130 .55 14.05 3678W /( m2 . C )0.02(2)管程对流传热系数i0.023 iRe0. 8 Pr 0.4di管程流通截面积Si0.7850.022880.0138(m2 )2管程流体流速ui40216 /(3600815)0

13、.99(m / s)0.0138Re0.020.998155379310 3普兰特准数Pr2.221000310352.030.128i0.0230.12853790.852.02 0.4690W /(m2 . C )0.02（ 3）传热系数KK1d0Rsid0bd0Rso1i did idi01230.57W /(m2 . C )0.0255.159010 40.0250.00250.0253.439410 416900.0200.020450.0225678（ 4）传热面积SS Q 1240 103 107.6(m2 ) K t m 230.57 50该换热器的实际传热面积SpSd0L(

14、Nn ) 3.14 0.025 6 (88 12) 35.8(m2 )Pc该换热器的面积裕度为SpS107.6 35.8H100%100% 67%S107.6传热面积合适，该换热器能完成任务。换热器内流体的流动阻力（ 1）管程流动阻力Pi(P1P2 )Ft N s N pN S2, N P 1, Ft1.4P1i l u2, P2u 2d 22由 Re=5379，传热管相对粗糙度0.01，查莫狄图得i0.0052由 Re=，传热管相对粗糙度，查莫狄图得管程流动阻力在允许范围之内。（ 2）壳程阻力P0 ( P1,P2, ) Ft NsNs1, Ft1.15流体流经管束的阻力P1,Ff 0 nc

15、(N B1)u22F0.5, f057913 0. 2280.65nc12,NB326,u01.66p1,0.50.6512(3261)715 1.6621256(Pa )2流体流过折流板缺口的阻力2B )2p2,NB (3.5u0 , B 0.11, D0.35D2P2,32620.117151.6629.25(3.5)210 ( Pa)0.35总阻力壳程流动阻力也比较适宜。（ 3) 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表5-3表 5-3 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：浮游器式换热器管口表换热面积符号尺寸用途连接型式工艺参数a名称管程壳程b物料名称原油煤油c操

16、作压力， MPad操作温度，° c180/13110/60e排气口0流量， kg/hf放净口流体密度， kg/m3825附图流速， m/s0.50.5传热量， kw总传热系数， w/m2.k对流传热系数， w/m2.k污垢系数， m2 .K/W阻力降， MPa程数推荐使用材料碳钢碳钢管子规格管数管间距， mm排列方式折流板型式间距 mm壳体内径保温层厚度， mm六、本设计的个人小结：通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工艺计算方法。换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。

17、在本次设计中， 我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。首先要满足传热的要求，本次设计时， 由于初选总传热系数不合适， 使规定条件下的计算结果与初设值的比值不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到合适的K 值为443W / m2C ，计算结果为360W / m 2C ，安全系数为16.8%，满足要求。其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，通过分析操作要求及计算，本次设计选用换热器为上述计算结果。再次，从压强降来看， 管程约为 10401Pa，壳程约为 4432Pa，都低于要求值（ 5

18、0kPa），因此，可适当加大流速，从而加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大，动南京工程学院课程设计说明书（化工原理课程设计 ) 力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。此外，其他因素 （如加热和冷却介质用量， 换热器的检修和操作等），在设计时也是不可忽略的。根据操作要求。在检修和操作方面， 固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。本次设计中， 在满足传热要求的前提下， 考虑了其他各项问题，但它们之间是相互矛盾的。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减小， 但却又受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热器的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器。然而在本次设