固定管板式换热器2

1、目录课程设计任务书3一、课程设计题目3二、工艺条件3三、课程设计内容3四、进度安排4五、基本要求41 设计方案简介41.1选择换热器类型41.2 流体流动途径安排52 确定物性参数52.1 定性温度的确定52.2基础物性参数的确定53基础数据的计算63.1水煤气的流量计算：63.3 平均温差73.4 估算传热面积73.5 加热变换气用量74 工艺结构尺寸74.1 管径和管内流速74.2 管程数和传热管数74.3 平均传热温差校正及壳程数85 主体设备的计算85.1 传热管排列方法85.2 壳体内径95.3 折流板96 附件的计算与选型96.1 拉杆数量与直径96.2 接管106.3 膨胀节10

2、6.4 输送设备107 换热器的核算117.1壳程表面换热系数117.2 管内表面传热系数127.3污垢热阻和管壁热阻127.3 传热系数KC137.4 传热面积裕度137.5 壁温核算137.6 换热器内流体阻力计算148 换热器主要结构尺寸和计算结果表15结语16参考资料17课程设计任务书一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、工艺条件1物料组成（基准为100kmol干半水煤气）组分COH2N2CO2O2CH4H2O半水煤气29.838.721.78.70.20.992变换气3.065.121.735.510.981.32生产能力为1000 kg(NH3)/h；3消耗定额为3400m3干半水

3、煤气/h；4常压操作；5温度：半水煤气进口158，出口370，变换器进口410；6换热器损失的冷流体热负荷的3.5%。三、课程设计内容1设计方案的选择及流程说明； 2传热面积、换热管根数；3确定管束的排列方式、程数、档次、隔板的规格、数量；4冷、热流体进、出口管径；5壳体内径。 四、进度安排1课程设计准备阶段：收集查阅资料，并借阅相关工程设计用书；2设计分析讨论阶段：确定设计思路，正确选用设计参数，树立工程观点，小组分工 协作，较好完成设计任务；3计算设计阶段：完成物料衡算、热量衡算及主要设备的工艺设计计算；4. 课程设计说明书编写阶段：整理文字资料计计算数据，用简洁的文字和适当的图表 表达自

4、己的设计思想及设计成果。五、基本要求1格式规范，文字排版正确；2. 主要设备的工艺设计计算需包含：热量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算；3管束排列图：以2号图纸绘制，标明管束的排列方式、程数、隔板的规格、数量；4. 换热器工艺条件图：以2号图纸绘制，图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；5. 按时完成课程设计任务，上交完整的设计说明书一份。 1 设计方案简介设计方案选择的原则是要保证达到工艺要求的热流量，操作上要完全可靠，结构上要简单，便于维护，并进肯能节省操作费用和设备费用。1.1选择换热器类型管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传

5、热面的间壁式换热器。其中类型主要要分三大类：固定板式、浮头式、U形管式，依据给定的工艺条件(常压操作，假定出口温度为250，则两流体平均温差为66>50)考虑，固定板式换热器适用于管壁温与壳体壁温不大的场合，故可选用，但是需要加膨胀节；浮头式与U形管式换热器均适用于温差较大的，但是浮头式与U形管式换热器建构复杂，造价高，制造安装要求高，增加了设备费用，故不选用。综合考虑初步选择固定板式换热器。1.2 流体流动途径安排由工艺条件中的物性组成可知半水煤气中水含量大于变换气，所以半水煤气对材料的腐蚀性要大于变换气。所以变换气走壳程，半水煤气走管程，这样可以节约耐腐蚀性材料的用量，降低换热器成本

6、。2 确定物性参数2.1 定性温度的确定假定变换器出口温度为260管程半水煤气的定性温度为： tm = t2+t12 = 370+1582 = 264Cº壳程变换气的定性温度为： Tm =T1+T22= 410+2702 = 340Cº2.2基础物性参数的确定 在264下的半水煤气的各组分物性参数为：物性组成COH2N2CO2O2CH4H2O定压比热容1.114.31.11.083.11.032.0摩尔分数0.1550.2000.1100.0450.0010.00470.48质量分数0.230.0210.1650.1060.0010.0080.46黏度0.2680.0129

7、0.02750.0240.03130.01710.0172导热率0.01190.10.01550.00580.0130.0160.599由上表渴求的264Cº似的半水煤气物性参数：密度 1 =0.4235kg/m3 热导率 定压比热容 Cp1 = 1.781 kJ/kg·Cº 粘度 在340Cº下变换气的各组分物性参数：物性组成COH2N2CO2O2CH4H2O定压比热容1.114.31.11.083.11.032.0摩尔分数0.01460.3170.100.170.00490.00440.396质量分数0.02150.0330.160.400.0067

8、0.00740.37黏度0.2680.01290.02750.0240.03130.01710.017由上表可得变换气在330Cº下的物性参数密度 2 = 0.367kg/m3 热导率定压比热容 Cp2 = 1.872 kJ/kg·Cº 黏度 3基础数据的计算3.1水煤气的流量计算：体积流量 qv1=3400+3400*92/100=6528 (m3/h)质量流量 qm1=1* qv1=0.4235×6528=2764.608kg/h3.2半水煤气的热负荷Q 考虑到热负荷损失为3.5% 所以： Q=qm1×Cp1×（t2-t1）/(1

9、-3.5%)=1136359.9kJ/h =315.66 (kw)3.3 平均温差 按纯逆流计算 tm= t1-t2lnt1t2 = 270-158-410-370ln250-158410-370 = 69.9 C°3.4 估算传热面积 气气传热系数K的范围为 取K= 28W/(m2·K)计算Ap = QKtm = 315.66×100028×69.9 = 161.28 m23.5 加热变换气用量 qm2 = QCp2*(T1-T2) = 1136359.91.872×（410-270） = 4338.245 kg/h qv2 = qm2 /

10、2 = 4338.2450.3675 = 11804.748 m3/h = 3.28m3/s4 工艺结构尺寸4.1 管径和管内流速选用2.5×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速µ =13m/s4.2 管程数和传热管数 单程换热管数 ns = qv4d12u = 6528/36004×0.022×13 = 445（根）按单管程数计算，所需的传热管长度为 L = Apd0ns = 161.28×0.2×445 = 5.768 m按单管程计算，传热管长度符合要求，查JB/T 471592固定管板式换RE热器型式与基本参数，取管长 则

11、换热器管程为 Np = Ll = 5.7686 = 1 (管程)4.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数 R = 热流体的温降冷流体的温升 = T1-T2t2-t1 = 410-270370-158 = 0.66 P = 冷流体的温升两流体最初温差 = t2-t1T1-t1 = 370-158410-158 = 0.84按双壳程，单管程结构，查图得温差校正系数t = 0.805>0.8 故合适 平均传热温差为 tm = 0.805×69.9 =56.27 Cº5 主体设备的计算主体设备的计算主要包括传热管的排列方式、壳体内经、折流板间距以及个数。5.1 传

12、热管排列方法采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩阵排列。取管心距t=1.25d0 则 t = 1. 5×25 =31.532(mm) 各半中心到离其最近一排管中心距离按式 s=t2+6 计算 即 s = 322 + 6 =22 (mm)各程相邻管的管心距为44mm.5.2 壳体内径 采用单管程结构，壳体内径可由下式确定 D = t (b-1)+(23) d0 对于正三角形排列b= 1.1NTb = 1.1×445 = 23.2 D = 32×(23.2-1)+2.5×25 =772.9 (mm)查JB/T 4715-92 7 固定管板式

13、换热器型式与基本参数，可选取DN=800mm的卷制壳体。5.3 折流板采用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 = 0.25×800 = 200 (mm)取折流板间距 B = 0.3D, 则 B = 0.3×800 = 240(mm) ,可取B = 300（mm）折流板数量NB NB = 传热管长折流板间距 - 1 = 6000300 - 1 = 19 （块）6 附件的计算与选型6.1 拉杆数量与直径本换热器传热管外径为25mm，换热管公称直径为800mm 拉杆直径/mm换热管外径1014192532384557拉杆直径101212121616161

14、6拉杆数量拉杆直径/mm101216公称直径800mm1086查表可知 拉杆直径为 16mm 拉杆数量 86.2 接管 壳程流体进出口接管：取接管内内流体流速为u1=25m/s ,则接管内径为： D1 = 4qvu1 = 3.28×4×25 = 0.409m = 409mm可选择的接管 管程流体进出口接管：取接管内流体流速 u2 = 16m/s , 则接管内径为： D2 =4qvu1= 4×6528/3600×16 = 0.38m =380mm可选择400×9的接管规格6.3 膨胀节 本设计的换热器因壳体壁温与管子壁温之差大于50，故需在已选择

15、的固定板管式换热器的壳体上安装温度补偿圈。 查GB 16749-1997压力容器波形膨胀节标准，选择膨胀节的型号为ZDW(B)型（卧式），当DN= 800mm时，波高h=0.10.2DN ，圆弧半径R>3s（s为膨胀节的厚度），波长L>140+5s则 波高h=100mm , 圆弧半径R=35mm , 波长L=200mm6.4 输送设备 本设计需要输送的两种流体均为气体，且操作条件为常压，故可选择鼓风机为本设计的输送设备。根据前面基础数据计算结果可知，半水煤气流量约为110m³/min，变换气流量约为200m³/min，查D系列造气炉鼓风机性能参数表 9 ，可选用

16、型号为D200-21的鼓风机2台，其性能参数如下：进口流量：200m³/min 轴功率：104.6KW 转速：2960r/min7 换热器的核算7.1壳程表面换热系数用克恩法 4 计算 当量直径【4】求算依式 则 de = 4(32×0.0322-0.785×0.0252)3.14×0.025 = 0.02m壳程流通截面积，依式 则 S0 = 0.3×0.8(1-0.0250.032) = 0.0525m2壳程流体流速及其雷诺数分别为 u0 = qv2s0 = 3.280.0525 = 62.48m/s Re0 =0.02×62.48

17、×0.3672.024×10-5 = 22658.261Pr = cp22 2 = 1.782×103×2.08×10-50.1223 = 0.303黏度校正 （w）0.141 ho =0.36× 0.12230.02×22658.2610.55×0.3031/3 = 367.47W/(m2·K)7.2 管内表面传热系数 根据式 管束流通截面积 Si = 0.785×0.022×445 = 0.13973m2管内流体流速及雷诺数 ui = qv1Si = 6528/36000.1397

18、3 = 12.98m2 Re = 0.02×12.98×0.42352.024×10-5 = 5431.85 Pr = cp111 = 1.871×1000×2.024×10-50.0848 = 0.447 故 hi = 0.023×0.08480.02×5431.850.8×0.4470.4 = 68.73W/(m2·K)7.3污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按式（3-34） 4 计算，查表3-11 4 ，碳钢在264时的热导率为 则 7.3 传热系数KC 则 KC

19、 = 1/(2520×68.73+0.0038×2520+0.00006×2522.5+0.004+1367.47) 即 KC = 33.64W/(m2·K)7.4 传热面积裕度该换热器的计算传热面积 AC = QKctm = 315.66×100033.64×56.27 = 166.76m3该换热器的实际传热面 A = dolNT = 3.14159×0.025×6×445 = 209.99m3面积裕度 H = A-AcAc ×100% = 209.99-166.76166.7 ×1

20、00% = 25.92% 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。7.5 壁温核算 若考虑热阻影响 TW = Tm - QAh(1hh+Rh)tw = tm+QAc(1hc+RC) 式中，Rh , Rc 分别为热流体和冷流体的污垢热阻，m2·K/W tm = t2+t12 = 370+1582 = 264C Tm =T1+T22= 410+2702 = 340Cºhc = hi = 68.73W/(m2·K) hh = ho = 367.47W/(m2·K) Ah = QKcT = 31566033.64×140 = 67.02m2即 TW

21、 = 340 31566067.02(1/367.47+0.0038) = 309.28 Cº tw = 264+315660166.76(1/68.73+0.004) = 294.72 Cº管壁平均温度可取为 t = tw+Tw2 = (309.28+294.72)/2 = 302 Cº壳体壁温壁温和传热管壁温之差为 t = Tm t = 340-302 = 38 Cº该温差适当，故可用固定板管式换热器7.6 换热器内流体阻力计算 管程流体阻力 pt = (pi+pr)NsNpFs Ns = 2 Np = 1 pi = i ldi×u22由

22、Re = 5431.85 ，传热管相对粗糙度 0.220 = 0.01 ，查狄图得 i =0.047 ,流速u = 12.98m/s , = 0.4235kg/m3 ，所以 pi = 0.047×60.02×0.4235×12.9822 = 503.03Pa Pr = u22故 Pr = 3×0.4235×12.9822 = 104.03Pa pt = (503.03+104.03)×2×1.5 = 1821.18Pa管程流体阻力在允许范围之内。 壳程阻力 ps = (po+pi)FSNs Ns = 2 Fs = 1流体流经

23、管束的阻力 po = FfoNTC(NB+1)uo22 F=0.5fo = 5×Reo-0.228 (Reo>500) 即 fo = 5×22658.261-0.228 = 0.508 NTC =1.1NT0.5 = 1.1×4450.5 = 23.205 NB = 19 uo = 62.48m/s po = 0.5×0.508×23.205×(19+1)×0.367×62.482 = 1351.52Pa流体流过折流板缺口的阻力3 pi = NB(3.5 - 2BD)uo22 B = 0.3m D = 0.8m pi = 19×(3.5 - 2×0.30.8)×0.367×62.482 = 599.05Pa总热阻 ps = 1351.52+599.52 = 1950.58Pa壳程流体阻力在允许范围之内 8 换热器主要结构尺寸和计算结果表设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm800mm材质碳钢管径/mm壳程接管管长/mm6000管程接管400×9管数目/根445折流板个数19管子排列正三角形间距/mm300拉杆（根）8高度/mm200管心距/mm32mm传热面积/m2210m2管程数1壳程数2波形膨胀节型号