化工原理课程设计之列管式换热器设计步骤

化工原理课程设计之列管式换热器设计步骤第1页/共50页08三月20232设计题目拟用200KPa的饱和水蒸气将常压下20℃的苯加热到80℃①苯的质量流量为50t/h—单号②苯的质量流量为40t/h－双号试设计一列管式换热器已知仓库中现有Φ25×2.5mm，长6m的碳钢钢管

第2页/共50页08三月20233设计内容设计说明书布管图187

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127装配图187

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第3页/共50页08三月20234设计说明书封面目录设计任务书前言设计计算过程附表及相关机械元件尺寸设计说明第4页/共50页08三月20235设计步骤一、确定定性温度、物性数据二、换热器的类型及流体走向三、工艺计算四、换热器尺寸的初步确定五、校核计算六、进出口管径七、校核流体压力降第5页/共50页08三月20236一、确定定性温度、物性数据苯的物性数据t1、t2、tm、ρ２、CP2、μ2、λ2

水蒸汽的物性数据Ts、ρ１、γ１同温度下水的物性ρ、μ、λ第6页/共50页08三月20237二、换热器的类型及流体走向卧式固定管板式换热器水蒸汽走壳程，苯走管程不需要进行热补偿不需要加折流挡板

第7页/共50页08三月20238三、工艺计算1、热负荷即传热速率Q2、平均温度差Δtm3、选K值，估算传热面积A初第8页/共50页08三月202391、热负荷即传热速率Q第9页/共50页08三月2023102、平均温度差Δtm

由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把两流体的平均温度差看作是逆流来计算（双管程）第10页/共50页08三月2023113、选K值，估算传热面积A初

根据条件K值在580～1160W/m2·℃（K＝680W/m2·℃）选用安全系数Φ＝1.15～1.25A初＝ΦA’

第11页/共50页08三月202312四、换热器尺寸的初步确定确定管程结构尺寸壳程设计数据换热器长径比第12页/共50页08三月2023131、确定管程结构尺寸管子规格初步设计总管数校核流速、确定管程管间距及排列方式第13页/共50页08三月202314（1）管子规格库存Φ25×2.5mm，L＝3.0m的光滑碳钢钢管取管内苯的流速为u0

（0.60m/s）

——苯系易燃易爆物流速一般低于1m/s第14页/共50页08三月202315（2）初步设计总管数n”

根———三角形排列管数，3a2+3a+1圆整n”

第15页/共50页08三月202316127布管图第16页/共50页08三月202317169布管图第17页/共50页08三月202318187布管图第18页/共50页08三月202319（3）校核流速、确定管程

管程（一般双管程）第19页/共50页08三月202320（4）管间距及排列方式管间距t＝（1.25～1.3）d0采用三角型排列根据总管数n”确定层数a，是否弓形排管，确定NT最外层六角形对角线上管数

NTb＝2a+1采用胀管法排列

第20页/共50页08三月2023212、壳程设计数据

壳体内径

D＝t（NTb－1）+2b’t－管间距NTb－最外层六角形对角线上管数b’－六角形最外层管中心到壳体内壁距离，取b’＝（1～1.5）d0

壳体内径标准圆整到ΦD×δmm第21页/共50页08三月202322中心拉杆n3根直径Φ12mm双管程隔板少排NTb根实际管数n＝NT－NTb－n3双管程，每程n/2根排列管子实际流速u，与初设苯流速u0

校核第22页/共50页08三月2023233、换热器长径比

确定长径比的取值范围第23页/共50页08三月202324五、校核计算

1、校核总传热系数K值2、校核壁温TW

3、校核传热面积A

第24页/共50页08三月2023251、校核总传热系数K值

管内对流传热系数α2管外对流传热系数α1

污垢热阻及管壁热阻

第25页/共50页08三月202326（1）管内对流传热系数α2

被加热

第26页/共50页08三月202327（2）管外对流传热系数α1

n为水平管束垂直列上的管数弓形排管n＝8，弓形不排管n＝7假设管外壁温TW（115.6℃）

第27页/共50页08三月202328（3）污垢热阻及管壁热阻苯侧污垢热阻RS2＝1.76×10-4m2·℃/W蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小，水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，碳钢钢管的导热系数λ＝45W/m2·℃

第28页/共50页08三月202329（4）校核K值

以外表面计算：

计算K值与原设值K初比较使相对误差<5%第29页/共50页08三月2023302、校核壁温TW

结果与原假设值TW校核

——（TW＝115.6℃）第30页/共50页08三月2023313、校核传热面积A水蒸汽侧Ts不变，一壳程双管程换热器平均温度差与逆流平均温度差相等。第31页/共50页08三月202332实际所需面积

实际提供面积

余度

第32页/共50页08三月202333六、进出口管径

苯进口管、出口管水蒸汽进口管径冷凝水排出口

第33页/共50页08三月2023341、苯进口管、出口管

取进口流速u1＝1m/s进口直径选用无缝热轧钢管（YB231-64）（Φ150×4.5mm，长200mm）

第34页/共50页08三月2023352、水蒸汽进口管径

蒸汽用量

—富裕量3％蒸汽体积流量V＝Gν取蒸汽流速u’＝20m/s

选用无缝热轧钢管（YB231-64）（Φ219×6mm，长200mm）

第35页/共50页08三月2023363、冷凝水排出口选用水煤气管Φ42.25×3.25mm，长100mm第36页/共50页08三月202337七、校核流体压力降

管程总压力降壳程压力降

壳程是饱和水蒸汽冷凝，阻力很小，不校核其压力降。

第37页/共50页08三月202338管程总压力降（P272）总压力降计算公式每程直管压力降

每程局部阻力引起的压降

校核ΔPt<3.0×104Pa

第38页/共50页08三月202339——

管内径;——

管长——管程结垢校正系数，三角形为1.5，正方形为1.4；

——壳程数，1；

——一壳程的管程数，2。参数说明第39页/共50页08三月202340λ计算取ε＝0.2mm，ε/d=0.01

查图可知λ第40页/共50页08三月202341八、换热器尺寸及附属部件

管间距：t＝32.5mm壳体直径：Φ600×10mm，内径D＝580mm壳体材料：碳素钢A3F，钢板卷焊管子尺寸：Φ25×2.5mm，L＝3.0m，n＝164根，双管程

布管图见图纸2-2。第41页/共50页08三月2023426、管板(1)管板材料：选用碳素钢A4。(2)管子在管板上的固定方法：焊接(3)管板尺寸：Pg＝16kgf/cm2，

(4)管板与壳体的连接：采用法兰连接，拆开顶板可检修或清理管内污垢。第42页/共50页08三月202343（5）管板与分程隔板的连接:采用单层隔板，隔板材料与封头材料一致，厚度s＝10mm。第43页/共50页08三月2023447、封头与管箱

封头与管箱位于壳体的两端。（1）封头的选择：选用椭圆形封头，Dg600×10mmGB1154－73（2）封头尺寸：曲面高度150mm，直边高度40mm管程接口管与封头为焊接，封头与壳体为法兰连接，法兰尺寸与上同。

第44页/共50页08三月202345管程进出口接管直径：选用无缝热轧钢管（YB231-64）Φ152×4.5mm长200mm。支座的公称直径Dg600mm，每个支座承受的载荷为36.8吨，材料采用A3F碳素钢；采用鞍形安装。整个换热器采用卧式安装，安装图见图纸2－1。

第45页/共50页08三月202346九、参考资料

《化工原理》上册化学工业出版社，谭天恩主编，1990年。《基础化学工程》上海科学技术出版社，编写组，1980年。

第46页/共50页08三月202347十、对一些问题的说明

列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器，它的结构简单、坚固、容易制造、材料范围广泛，处理能力可以很大，适应性强。但在传热效率、设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗量等方面还稍次于其他板式换热器。此次设计所采用的固定管板式换热器是其中最简单的一种。

第47页/共50页08三月202348由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧的对流传热系数大得多，根据壁温总是趋近于对流传热系数较大的一侧流体的温度实际情况，壁温与流体温度相差无几，因此本次设计不采用热补偿装置。

第48页/共50页08三月202349Thank