列管换热器的设计

1、课 程 设 计 课程名称 化工原理课程设计 题目名称 列管式换热器设计 专业班级 2011级生物工程1班 学生姓名 包菲 学号 指导教师 孙兰萍 二 O一三 年 六 月 二十五 日目录1 设计任务书.11.1 设计任务和设计条件.11.2 设计内容.22 概述.33 确定设计方案.4 3.1 选择换热器的类型.43.2 流动空间及流速的确定.44 确定物性数据.45 计算总传热系数.55.1 计算热负荷和冷却水流量.55.2 计算平均传热温差.55.3 确定总传热系数K并计算传热面积.56 换热器结构尺寸设计.66.1 管径和管内流速.6 6.2 管程数和传热管数.6 6.3 传热管排列和分程

2、方法.66.4 壳体内径.76.5 折流板.7 6.6 接管.87 换热器核算.87.1 热量核算.8 7.1.1壳程对流传热系数.9 7.1.2管程对流传热系数.9 7.1.3对流传热系数K.9 7.1.4传热面积.97.2 核算压强降.10 7.2.1管程压强降.10 7.2.2壳程压强降.108 换热器主要结构尺寸和计算结果.119 设计评述及附图.1210 主要符号说明.1311 参考资料.141 列管式换热器设计任务书1.1 设计任务和设计条件 某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已

3、知混和气体的流量为12000 kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29，出口温度为39，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征：混和气体在85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 1 = 90 kg/m3定压比热容 cp1 = 3.297 /(kg)热导率 1 = 0.0279 W/(m)粘度 1 = 1.5×10-5 Pas循环冷却水在34 下的物性数据：密度 2 = 994.3 kg/m3定压比热容 cp2 = 4.174 kJ/(kg)热导率 2 = 0.624 W/(m)粘度 2 = 0.742×10

4、-3 Pas1.2 设计内容说明书要求 1、概述 2、设计方案的选择 3、确定物理性质数据4、设计计算（1）计算总传热系数（2）计算传热面积5、换热器结构尺寸设计 （1）管子的直径、长度、根数等管子尺寸 （2）壳体直径、折流板长度和数目   （3）隔板和接管尺寸 6、设计结果汇总 7、列管式换热器装配图8、设计评述9、符号说明10、参考文献图纸要求列管式换热器装配图2 概述在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利

5、用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不用类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。（1）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，再单位时间内传递尽可能多的热量。（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以

6、及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要作用。（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。3 确定设计方案3.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度110，出口温度60。冷流体（循环水）进口温度

7、29，出口温度39。该换热器冷却热的混合气体，传热量较大，可预计排管较多，因此初步确定选用固定管板式换热器。因气体操作压力为6.9MPa，属于较高压操作，因此不选用膨胀节。3.2流动空间及流速的确定单从两物流的操作压力看，混合气体操作压力高达6.9MPa，应使混合气体走管程，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；且两流体温度相差较大，应使较大的循环水（一般气体<液体）走管内。所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。选用25mm×2.5mm的碳钢管，管内循环水流速取1m/s。4 确定物性数据定性温度：可取流

8、体进出口温度的平均值。壳程混合气体的定性温度t=85（）管程循环冷却水的定性温度为t=34（）根据定性温度，分别确定壳程和管程流体的有关物性数据。混和气体在85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 = 90 kg/m3定压比热容 = 3.297 KJ/(kg)热导率 = 0.0279 W/(m)粘度 = 1.5×10-5 Pas循环冷却水在34 下的物性数据：密度 = 994.3 kg/m3定压比热容 = 4.174 KJ/(kg)热导率 = 0.624 W/(m)粘度 = 0.742×10-3 Pas5 计算总传热系数5.1 计算热流量Q = T =12000

9、×3.297×(110-60) = 1.98×106KJ/h = 550(kW)5.2计算平均传热温差(采用逆流)热流体110 60冷流体39 29t 71 31 = 平均传热温差校正系数按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表，可得平均传热温差5.3 确定总传热系数K 根据两流体的情况，假设K = 450 W/5.4 计算传热面积考虑15的面积裕度，6 换热器结构尺寸设计6.1 管径和管内流速选用25mm×2.5mm传热管（碳钢管），可设管内冷却水流速=1m/s。6.2管程数和传热管数 冷却水用量依据传热管内径和流速确定单程传热管数。ns = (根)计算

10、，所需的传热管长度为m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 a= 6.0(m)，则该换热器管程数为NP =(管程)传热管总根数N =43×2 = 86(根)6.3 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，隔板两侧采用正方形排列。因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距t = 1.25do，则t= 1.25×2532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离=t/2+6=32/2+6=22mm 则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。横过管束中心线的管数 = 1.19 = 11根)6.4 壳体内径采用多管程结构

11、，取管板利用率= 0.7，则壳体内径为：D = 1.05a = 1.05×32 = 372(mm) 圆整可取D = 400mm6.5 折流板采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h = 0.25D = 0.25×400 = 100(mm)取折流板间距B = 0.3D = 0.3×400 = 120(mm)为了便于制造和维修，减小阻力，取B为100mm。折流板数NB = 传热管长/折流板间距-1 =-1 = 59(块)折流板圆缺面水平装配。6.6 接管管程流体进、出口接管：取接管内循环水流速为u=1.5m/s，则接管内径为：d =

12、= 0.106(m)圆整取109mm。壳程流体进、出口接管：取接管内混合气体流速为u=20m/s，则接管内径为：d = (m)圆整取59mm。7 换热器核算7.1 热量核算7.1.1 壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：o = 0.36Reo0.55Pr1/3当量直径，由正三角形排列得：de = 0.020(m)流体通过管间最大截面积为：S = BD(1 ) = 0.1×0.4×(1 ) = 8.75×10-3m2)壳程流体流速及其雷诺数 普兰特准数： Pr = =1.77黏度校正 o = 0.36××5076000.551/3

13、= 8357.1.2 管程对流传热系数i = 0.023Rei0.8Pr0.4管程流通截面积：Si = (m2)管程流体流速及其雷诺数分别为：(m/s)Rei = 普兰特准数：Pr =i = 0.023××263180.8×4.960.4= 46807.1.3 对流传热系数K查表得，污垢热阻 = 0.000344 m2/W， = 0.000172 m2/W在该条件下管壁（碳钢）导热系数= 45W/(m)K = = =469.8W/(m2)7.1.4 传热面积SS = (m2)该换热器的实际传热面积Sp = = 3.14×0.02×(6.0-0.

14、06)×(86-11) =27.98(m2)该换热器的面积裕度为：H = ×100% =×100% =25%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。7.2 核算压强降7.2.1 管程压强降pi = (p1 +p2)其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1直管部分的压降 设管壁粗糙度= 0.1m，传热相对粗糙度0.005，Rei =26318，查图得= 0.033所以= (Pa) pi = Pa < 0.035M Pa管程压降再允许范围之内。7.2.2 壳程压强降po = (p1 +p2)，其中Fs = 1.15，Ns = 1壳程流通截面积：So

15、=) = = 4.23(m/s)流体流经管束的阻力p1 = = 0.5×5.0×507600-0.228×11×(59+1)×（90×4.232）/2 = 41400(Pa)流体流过折流板缺口的阻力： po = (41400+46400)×1×1 = 87810Pa 壳程压降也在范围之内。8 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式固定板管式换热面积/m227.98工艺参数名称物料名称操作压力/操作温度/流量/(kg/h)管程循环水0.4 29/3947448壳程混合气体6.9110/60 12000流体密度/(kg

16、/m3)994.390.0流速/(m/s)0.9824.23传热量/kW550总传热系数/ (W/m2)469.8传热系数/ (W/m2)4680835污垢系数/ (m2/W)0.0003440.000172压力降/kPa16.5987.8程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格25×2.5管数86管间距/mm32管长/mm6000壳体内径/mm400排列方式正三角形折流板形式上下间距/mm120切高/mm1009 设计评述固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。由于这种结构使壳侧清洗

17、困难，所以壳程走不易结垢的混合气体。在设计过程中应尽量做到：1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选择较高的流速。2、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。并且错列管束的传热方式比并列的好。列管式换热器装配图(见打印稿)10 符号说明B折流板间距，m；C系数，无量纲；d管径，m；D换热器外壳内径，m；f摩擦系数；F系数；h圆缺高度，m；K总传热系数， W/(m2)；L管长，m；m程数；n

18、指数、管数、程数；N管数、程数；NB折流板数；Nu努塞尔特准数；P压力，Pa； 因数；Pr普兰特准数；q热通量，W/m2；Q传热速率，W；r半径，m； 汽化潜热，kJ/kg；R热阻，m2/W； 因数；Re雷诺准数；S（或A）传热面积，m2；t冷流体温度，；a(或t)管心距，m；T热流体温度，；u流速，m/s；W质量流量，kg/s；V体积流量，m3/s。希腊字母：对流传热系数，W/(m2)；有限差值；导热系数，W/(m2)；黏度，Pas；密度，kg/m3；校正系数。下标：c冷流体；h热流体；i管内；m平均；o管外；s污垢。11 参考资料1 上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，19862 尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，19813 时钧，汪家鼎等.化学工