换热器的设计

化工原理课程设计题目：管壳式换热器设计应用化学系

化学类13级201340600203TOC\o"1-5"\h\z学生姓名：系 别应用化学系

化学类13级201340600203专 业：年 级：学 号：成 绩：目录TOC\o"1-5"\h\z1前言 3换热器简述 3换热器分类 3按传热方式 3按换热器的结构分类 3市场规模及前景 3\o"CurrentDocument"2管壳试换热器设计 4设备工艺设计计算如下 4确定设计方案 4选定换热器类型 4选定流体流动空间及流速 42.3.1计算热负荷 52.3.2计算冷却水用量 52.3.3计算逆流平均温差 52.3.4初选总传热系数 52.3.5估算总传热面积 52.4工艺结构尺寸 62.4.1管径和管内流速 62.4.2管程数和传热管数 6243平均传热温差校正及壳程数 首先计算P和R参数： 62.4.4传热管排列和分程方法 62.4.5壳体内径 72.4.6折流板 72.4.7其他附件 72.4.8接管 72.5换热器核算 82.5.1传热能力核算 82.5.3换热器内流体的流动阻力 102.6换热器主要工艺结构参数和结果一览表 11第第页共12页第第3页共12页1前言1.1换热器简述在工业生产中，为了工业流程的需要，往往需要进行各种不同方式的热量变换，如：加热、冷却、蒸发和冷凝等，换热器就是用来实现上述热量交换与传递的设备。通过各种设备，一边使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足生产工艺的需要。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。换热器分类1.2.1按传热方式换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。按换热器的结构分类可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。市场规模及前景2016年换热器行业规模突破1000亿元，2020年实现由换热器生产大国迈入世界换热器强国的行列的奋斗目标，为加快振兴我国装备制造业做出贡献。产品精度、性能、寿命和可靠性达到同期国外大公司同类产品水平，重大装备配套换热器实现国产化：设计和制造技术达到同期圈外大公司水平，有一批核心技术的自主知识产权；有3-5家拥有自主知识产权和世界知名品牌、国际竞争力较强的优势企业；行业生产和销售总规模位居世界前列，有2-3家内资控股企业进入世界换热器销售额前10名；行业生产集中度达到80以上。这些都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用。2管壳试换热器设计某厂用地下水冷凝水蒸气，允许压强降不大于I.OMPa,每年按330天计，每天24h连续进行。热水入口温度85C、出口温度60C,循环水入口温度25C、出口温度50C,处理能力为2.0XO5t/a设备工艺设计计算如下两流体均为无相变，本设计按非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。2.1确定设计方案2.1.1选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体入口温度为 85r，出口温度为60r；冷却水入口温度为25C，出口温度为50C。两流体的定性温度如下：热流体的定性温度Tm=(85+60)/2=725C循环水的定性温度tm=(50+25)/2=37.5C两流体的温差Tm-tm=72.5-37.5=35C(<50C)由于两流体温差不大，且热流体污垢较少故可选用固定管壳式换热器。2.1.2选定流体流动空间及流速因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗故选用地下水走管程，水蒸气走壳程。同时选用25mX2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速取Uj=1.10m/s。2.2确定物性数据查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据见下表。

物性'、定性温度/C密度/(kg/m3)黏度mPa?s比热容kJ/(kg?C)热导率W/(m?C)水蒸气72.5977.80.40614.1870.667地下水37.5993.20.6884.1780.6432.3估算传热面积2.3.1计算热负荷按管间水蒸气计算，即叶=2.0105103(33024)=25252.5kghQ ( X25252.54.178103(85-60)3600=732.7kwmbCp八丨1T2-2.3.2计算冷却水用量忽略热损失，则水的用量为3=7.01kgs=25253.4kgh=7.01kgs=25253.4kgh4.178103(50-25)2.3.3计算并流平均温差并流温差(60-50)-(85-25)In[(60-50)并流温差(60-50)-(85-25)In[(60-50)(85-25)]=27.91C2.3.4初选总传热系数查传热手册，参照总传热系数的大致范围，同时考虑到合成器压力较高，故可选用较大的传热系数，现假设K二1250W.(m2C)。2.3.5估算总传热面积心Kt心Kt，并3732.710125027.91考虑10.5%的面积裕度考虑10.5%的面积裕度A=1.15A'=1.0523=22m2.4工艺结构尺寸241管径和管内流速前已选定，管径为 25mrK2.5mm,管内流速为g=1.50m/s2.4.2管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数ns20.785ns20.785di(ji7.01993.20.7850.0221.5=15(根)按单管程计算所需换热管的长度LL二 $ 二 22 =1（米）nJdo 1^3.1^0.025按单管程设计，传热管过长，根据本题实际情况，取传热管长 l=4.5m，则该换热管的管程为NpL18.0NpL18.0l-4.5传热管的总根数Nt-154-60（根）2.4.3平均传热温差校正及壳程数首先计算P和R参数:50-2585-25=0.42t2“85-60 ,150-252.4.3平均传热温差校正及壳程数首先计算P和R参数:50-2585-25=0.42t2“85-60 ,150-25单壳程四管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算温差校正系数和传热平均温度差。由图得屮=0.9「'tmlnR1(t2-右)—2-P(1R-_：R2Ql)I22-P(1R、R1)H1(55-25),2-0.42(11-121)ln—2-0.42(1T121)=32.96C2.4.4传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列取管心距t二1.25d,则t=1.25X25~32mm隔板中心到其最近一排管中心的距离s：按净空不小于6mm的原则确定，亦可按以下公式求取：S=t/2+6mmS=32/2+6=22mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距t&=2S=2x22=44mm管中心距t与分成隔板槽两侧相邻管排中心距fa的计算结果，与表给出的数据完全一致，证明可用。2.4.5壳体内径采用两管程结构，取管板利用率 =0.6，则壳体内径D=1.05tN/可-1.0532600.6=336mm 圆整取D=400mm2.4.6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%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h=0.25400=100mm取折流板间距为B=0.3D，贝UB=0.3400=120mm则折流板数Nb传热管长

折流板间距则折流板数Nb传热管长

折流板间距,4500-1=120-1=37（块）折流板圆缺水平面安装。2.4.7其他附件拉杆直径为'=12mm,其数量不少于10跟。壳程入口应设置防冲挡板2.4.8接管2.4.8.1壳程流体进出口接管取接管内液体流速为5m/s，贝U接管内径4V425252.5(3600977.8)d=： = 0.043m' 3.14汉5取标准管径为40mm1.5mm248.2管程流体进出口接管取接管内循环水的流速为1.5ms，则接管内径,4V425253.4(3600993.2)门门d= 0.077m, 3.141.5(取标准管径为75mm1.2mm)其余接管略。2.5换热器核算2.5.1传热能力核算2.5.1.1壳程对流给热系数对于圆缺型折流板，可采用克恩公式九f^e^oPo\fCpoKufao=0.36—[亡*Mo当量直径由正三角形排列的得4x(霁一謎-.3 2门 24( 0.0322 0.0252)2 4 0.020m3.140.025壳程流通截面积_ 0.120.4(1-0025)=0.0105m2\上丿 0.032壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为u=25252.5(360°977.8)0.68ms0.0105Reo』020°68977.8=327464.06110"Pro/1871034.°61101.550.667：。=0.360677327460.552.55131=5066.5W(m2C)0.0202.5.1.2管程给热系数管程流通截面积2Si二0.7850.020 60/4二0.0066管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为Ui7.01993.21.07ms0.00660.0201.07993.23089310000PUi7.01993.21.07ms0.00660.0201.07993.23089310000Pri0.00068841740.000688=4.4700.643故采用下式计算■i0.0230643308930.84.470.4=5365.8W(m2C)0.0202.5.1.3污垢热阻与管壁热阻管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取RSo二0.00017m2CW管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取Rsi=0.000086m2少C/W管壁的热导率：碳钢的热导率冬=45Wj(m•C)2.5.1.4总传热系数1Ka仙+stdf+久臨+RKa仙+stdf+久臨a00.0250.0250.00250.02510.000086+0.000175365.80.020.020450.02255066.5=7.610*m2C.WK=1315W2.5.1.5传热面积理论传热面积36B92一732.7106B921131532.96该换热器的实际换热面积二-3.140.025(4.5-0.1)60=20.72m2面积裕度为扎一4H… ‘ 20・72"6.9=22.6%4 16.9换热器面积裕度合适，能够满足设计要求。2.5.2核算壁温因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算:Tm丄+R+tm丄+R宀丿鬥 丿1 Rc 1 %：c ：hTm=6T2).2=(8550)2=72.5Ctm=0.4t20©=0.4500.625=35C取两侧污垢热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温：Tm/〉ctm/〉h1/：c1/:h72.53745.3356238.7713745.316238.77二58.43C壳体平均壁温，近似取壳程流体的平均温度，即 72.5C壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：72.5-58.43=14.07C2.5.3换热器内流体的流动阻力2.5.3.1管程流动阻力SApi=(Ap^Ap2)FtNpNs(Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数)取换热管壁粗糙度为0.01mm,贝U】d=0.005，而Rei=30893，查图得■i=0.026流速ui-1.07ms，密度「-993.2kgm3。所以：=P2=34.5 993.2汉1.072=0.025 3198Pa0.0222CP993.2汉1.07=3-=1706Pa对=252.5mm的管子有Ft=1.4,Np=4,Ns=1vp=[,；p1 ：p2寻卩化(31981706)1.441=37462.4Pa2.532壳程流动阻力「沖。(.巾If)FSNS(FS为结垢校正系数，对液体Fs=1.15,Ns为壳程数)流体流经管束的阻力式中F—管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列 F=0.5，正方形直列F=0.3,正方形错列F=0.4。fo—壳程流体的摩擦系数，当Reo.500时，fo=5.0Reo』228=5.032746』228=0.467nc—横过管束中心的管束,nc=1.1.NT=1160=8.52折流板间距B=0.12m,折流板数Nb=37, 0.68ms=0.50.4679(37 1)977.80.682=0.50.4679(37 1)977.80.682 -18053Pa流体流经折流板缺口的阻力卩2二N卩2二Nb3.5-些卫=36(3.5-亠ID丿2 0.4977.80.6822二23601Pa「巾。(1805323601)1.151=47902Pa经参考经验数据知该换热器的压降在合理的范围之内，故所设计的换热器合适。2.6换热器主要工艺结构参数和结果一览表参数管程壳程流率/(kg/h)25253.45