换热器设计说明书样本定稿版

1、IBM system office room【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】刖言化工原理课程设计是化学工程与工艺类相关专业学生学习化工原理课程必修的三大 环节之一，起着培养学生运用综合基础知识解决工程问题和独立工作能力的重要作用。化工原理课程设计以换热器、管道设计和选型为主。主要介绍列管式换热器的 设计计算，并就有关流程方案的确定以及附属设备的选型作了介绍，此外给出了设计时所 使用的现行技术标准和一些基础数据。化工原理课程设计为化工原理课程教学的配套教材，可作为化工原理课程设 计、化工类专业毕业设计的参考资料，也可作为化工原理课程教学的参考用书。化工原理课程设

2、计共分2章。化工原理课程设计由张渊编写。化工原理课程设计在编写过程中得到内蒙古化工职业学院帮助。史忠斌老师在 图表的绘制方面给予了大力帮助，在此一并表示感谢。由于我们经验不足，水平有限，其中难免有不妥之处，恳请各位读者批评指正。编者2010年6月22日目录第一章概述 1.1换热器的结构形式 TOC o 1-5 h z 1.2换热器材质的选择41.3管板式换热器优点51.4列管式换热器结构61.5管板式换热器的类型和工作原理71.6 确定设计方案8 第二章传热过程工艺计算及设备结构的设计2.1设计参数92.2计算总传热系数102.3工艺结构尺寸102.4换热器核算121819结束语 主要参考文献

3、第一章概述目第一章前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段，凭借其高效、节能、环保的优势, 在各行业领域中被频繁使用，并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器，取得了很好的效果。1.1换热器的结构形式管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚 固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热 器根据结构特点分为以下几种：固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但 管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变

4、形可减小温差应力，这种补偿方 法适用于两流体温差小于70C且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由 伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两 流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低， 但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换 热方式不同，将蛇管式换热器分为沉

5、浸式和喷淋式两类。套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺 次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要 增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传 热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。1.2换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温 度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材 料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角 度来考虑，是比较容易达到的，

6、但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在 这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成 本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。（1）碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐 腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为 10号和20号碳钢。（2）不锈钢奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定 的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同

7、心圆排列用于小壳径换热器， 外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。(2)管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显着的塑性 变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管 板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350C的场合。封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳 体

8、之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多采用管箱 结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在 管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可 提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量 使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止 流体的短路。1.3管板式换热器的优点换热效率高，热损失小 在最好的工况条件下，换热系数可以达到6000W/m2K

9、,在一般的工况条件下，换热系数也可 以在30004000W/m2K左右，是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路，所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流，进行充分的换热。完成同一项换热过程，板 式换热器的换热面积仅为管壳式的1/31/4。占地面积小重量轻除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.6 0.8mm。同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流，优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道 中沉积堵塞，保证了良好的换热效果。检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装

10、在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下 板片进行冲刷清洗。产品适用面广设备最高耐温可达180C，耐压2.0MPa，特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、 冷凝以及单元设备食品消毒等方面，在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。各类材 料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。当然板式换热器也存在一定的缺点，比如工 作压力和工作温度不是很高，限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小, 也不适宜用于杂质较多，颗粒较大的介质。1.4列管式换热器的结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。(1)换热管布置和排列间距常用换热管规格有山19X2 mm、山25X2 mm(1Crl8

11、Ni9Ti)、山25X2.5 mm(碳钢 10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排 列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管 板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。(D)(E)图1-4换热管在管板上的排列方式（A）正方形直列？ （B）正方形错列（C）三角形直列（D）三角形错列任）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器， 外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三

12、角形排列。（2）管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显着的塑性 变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管 板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350C的场合。（3）封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳 体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多采用管箱 结构。由于清洗、检修管子

13、时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在 管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可 提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量 使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止 流体的短路。1.5管板式换热器的类型及工作原理板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波 纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种 形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有

14、针对性。比如同样是人字形波纹的 板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同，采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶 水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀，并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的 耐温耐压明显好于可拆式板式换热器，可以达到250C、2.5MPa。因此同样是板式换热器， 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域，在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式，但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热 板片夹紧组装在一起，介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动，在板片波纹的作用 下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水，加大了换热的面积。冷热介质分别在

15、换热 板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触，通过板片来进行充分的热传递，达到 最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割，或者通过大量的焊缝来保证，在 换热板片不开裂穿孔的情况下，冷热介质不会发生混淆。1.6确定设计方案1选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度140C出口温度40C ；冷流体进口温度30C，出口温度为40C，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温 度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此 初步确定选用列管式换热器。2管程安排从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷 却水较易结垢，若

16、其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下 贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。第二章2.1设计参数传热过程工艺计算煤油的定性温结构的设计T = 140 + 40 = 90。2密度 P 0 = 825kg/ m3定压比热容Cp0 = 2.20kJ/kgC热导率入0 = 0.14W/mC粘度u 0 = 0.715mPa s水的定性温度:T = 3 = 35C2密度P i = 994.4kg/m3?定压比热容Cpi = 4.143kJ/kgC 热导率入i = 0.601W/ mC粘度？ ui = 0.955m Pa . s2.2计算总传热系数 1、热流量Q0 = mc oA

17、T = 5976 x 2.20 x (140 - 40) = 1314720 kJ/h=365.68 KW 平均传热温差Atm1=(At1-At2)/h(At1/At2) = (100-10)/ ln(100/10)式中： = 140 - 40 = 100 C , At2 = 40 - 30 = 10 C2、冷却水用量m 二竺=1314720= 31505 (kg/h)i c At 4.173 X (40 - 30)3计算传热面积求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350W/(皿.C)左右，先取K值为300W/(皿.C)计算由 Q=KA Atm 得365168,2、=

18、32.5 （皿）300 x 37.442.3工艺结构尺寸管径和管内流速选用中25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速u1=5.5m/s。 管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns= V = 31505 /(3600 x 994.3) = 44兀八 0.785 x 0.022 x 5.5 一d 2 u32.5按单程管计算，所需的传热管长度为L= p =n 42mM n 3.14 x 0.025 x 44按单程管设计，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l=7m，则该换热器的管程数为n L 42/Np= =6l 7传热管总根数Nt

19、=44X6=264平均传热温差校正及壳程数R= 1040 - 30P= 40 - 30 = 0.09140 - 30按单壳程，双管程结构得:平均传热温差At =&单 塑=0.96x39 = 37.44 C由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。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。取管心距 t=1.25d0,则 t=1.25X25=31.25e32 哑隔板中心到离其最近一排管中心距离按式（3-16）计算S=t/2+6=32/2+6=22 哑各程相邻管的管心距为44哑。壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=0.7

20、5，则壳体内径为:D=1.05t ,7? = 1.05x3.104/0.75 = 400mm按卷制壳体的进级档，可取D=400mm折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺 高度为:H=0.25X400=100m，故可 取 h=100mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3 X400=120mm，可取B为150mm。折流板数目N传热管长史折流板间距7000120-1 = 57.6 总 582.4换热器核算热流量核算壳程表面传热系数用克恩法计算得：当量直径：d =哗2 号=0.02endo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：粘度校正：管内表

21、面传热系数:管程流体流通截面积: 管程流体流速：普朗特数：污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻R = 0.0004m2 k/w o管内侧污垢热阻R = 0.0006m2 k/wi管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为50w/(m - K)。所以：传热系数K :e传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积Ac为：该换热器的实际传热面积为Ap该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。壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为30C，出口温度为40C计算传热管壁温。另夕卜，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁

22、温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别计算为t = 0.4X39+0.6X15=24.6T = (140+40)/2=90a =a = 5887w/m*ka =a = 925.5w/* k传热管平均壁温t = 35.4 C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90C。壳体壁温和传热管壁温之差为 At = 90 35.4 = 54.6 C。换热器内流体的流动阻力管程流体阻力N = 1 , Np = 2 , A

23、p =X ；号i由Re=25185，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图得人.=0.04，流速u=0.55m/s,P = 994.3炫 / m 3，所以:7722 Pa 小于 10000 Pa所以：管程流体阻力在允许范围之内。换热器主要结构尺寸和计算结果见下表:换热器型式：固定管板式换热器面积（皿）：32.5工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，MPa0.10.03操作温度，C30/4040/140流量，kg/h315055976流体密度，kg/ m 3997.7825流速，m/s0.550.06传热量，kw1038.8总传热系数，w/m* k400对流传热系数，w/m*k5240494污垢系数，皿-k/w0.000210.00018阻力将，Pa6523012841程数41使用材料碳钢碳钢管子规格25 2管数120官长，mm70