化工原理设计多管程列管式换热器的设计

南京工程学院化工原理课程设计

报告书课程名称：.化工原理课程设计B课题名称：多管程列管式换热器的设计院（系、部）：环境工程系专 业：环境工程班 级：环境111姓 名：王志远学 号：.216110127起止日期：2013-12-2〜2013-12-13指导教师：李乾军目录TOC\o"1-5"\h\z刖言 1\o"CurrentDocument"一、 符号说明： 2\o"CurrentDocument"1、 物理量(英文字母) 2\o"CurrentDocument"2、 物理量(希腊字母) 2\o"CurrentDocument"二、 设计目的 3\o"CurrentDocument"三、 参数与条件设置 3\o"CurrentDocument"1、 已知参数 3\o"CurrentDocument"2、 设计条件 3四、 设计计算 41、 确定设计方案 4\o"CurrentDocument"⑴、选择换热器的类型 4\o"CurrentDocument"⑵、流动空间及流速的确定 4\o"CurrentDocument"2、 确定物性数据 5\o"CurrentDocument"3、 计算总传热系数 5\o"CurrentDocument"、热流量 5\o"CurrentDocument"、冷却水用量 6、总传热系数K 6\o"CurrentDocument"4、 设计传热面积 7\o"CurrentDocument"五、 工艺结构尺寸 7\o"CurrentDocument"1、 管径和管内尺寸 7\o"CurrentDocument"2、 壳程数和传热壳数 7\o"CurrentDocument"3、 平均传热温差校正系数 8\o"CurrentDocument"4、 传热管排列和分程方法 8\o"CurrentDocument"5、 壳体内径 8\o"CurrentDocument"6、 折流板 9\o"CurrentDocument"7、 接管 9\o"CurrentDocument"六、 换热器核算 101、 热量核算 10\o"CurrentDocument"壳程对流传热系数， 10\o"CurrentDocument"管程对流传热系数 11\o"CurrentDocument"(4)、传热面积 122、 换热器内流体的流动阻力 12\o"CurrentDocument"、管程流动阻力 12\o"CurrentDocument"、壳程阻力 13\o"CurrentDocument"、总阻力 13\o"CurrentDocument"七、 设计总结 15\o"CurrentDocument"八、 参考文献 16前言换热器是一种实现物料之间的热量传递的设备，广泛应用与化工，冶金，电力，食品等行业。它不仅可以单独作为加热器，冷却器等使用，而且是化工单元操作的重要附属设备。在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右，占总投资的35%~46%。目前在换热设备中，使用量最大的是列管式换热器，尤其在高温高压和大型换热设备中占有绝对优势。一般来说，列管式换热器有易于加工制造，成本低，可靠性高，而且能适应高温高压的特点。随着新型高效传热管的不断出现，使得列管式换热器的应用范围得以不断夸大。列管式换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器，蒸发器，再沸器及冷凝器使用。固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。但由于管板和壳体间结构的原因，使得管外侧不能进行机械清洗，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当管壁于壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生很大的温差应力，以至于管子扭曲或使管子从管板上松脱，以致毁坏整个换热器，因此，一般管壁和壳体的温度相差50°C以上时，换热器应有温度补偿装置。一、符号说明:1、 物理量(英文字母)B折流板间间距mCp定压比热容kJ/(kg・°C)d管径mD换热器内径mf摩擦因数F系数G重力加速度m/s2P压力pan指数N管数S传热面积tft管心距mu流速m/s2、 物理量(希腊字母)A有限差值入导热系数W/(tf・C)p密度kg/m3u粘度Pa•sa对流传热系数W/（m*oc）下标O管外m平均二、 设计目的通过课题设计进一步巩固课程所学内容，培养学生运用理论知识进行化工单元过程设计的能力，使学生能够系统的运用知识。通过本次设计，学生应该了解设计的内容，方法和步骤，使学生具有调研技术资料，自行确定设计方案，独自设计计算，准确绘制图样，编写设计说明。三、 参数与条件设置1、 已知参数（1） 热流体（油）：T1=130cT2=50cWh=6000kg/h（2） 冷流体（水）：t1=30Ct2=40C压力0.4MPa2、 设计条件管程数：2压力降：△p<10~100kPa（液体）1~10kPa（气体）雷诺数：Re<5000~20000（液体）10000~100000（气体）流动空间管材尺寸：①25mmX2.5mm管内流速：0.50m/s传热管排列方式：正三角形排列传热面积裕量S：20%传热管长L：3折流挡板切口高度与直径之比：0.30管壁内外污垢热阻：自选设计计算1、确定设计方案⑴、选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体（油品）进口温度130°C，出口温度50°C，冷流体（水品）进口温度30C，出口温度40C。该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会减低，考虑这一因素，估计该换热器的的管壁温和壳体壁温和壳体之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。⑵、流动空间及流速的确定油品走壳程，水品走管程。选①25mmX2.5mm的碳钢管，管内流速取0.50m/s。壳程流速0.3m/s2、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。油的定性温度为T=(130+50)2=90°C水的定性温度为T=(30+40)/2=35C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在90C下的有关物性数据如下：密度 Po=825kg/m3定压比热容CPo=2.22Kj/(kg・C)导热系数 入。=0.140W/(m・C)粘度 u=0.715X10-3Pa•s水在35C下的物性数据：密度 Pj994kg/m3定压比热容CPj4.08KJ/(kg•C)导热系数 入j0.626W/(m•C)粘度 七二0.725X10-3Pa•s3、计算总传热系数、热流量Qo=wocpoto=6000X2.22X(130-50)=1065600kJ/h=296000Kw/h、平均传热温差At!=(At+At)/(InAt/At)=((13 — 40)+(30m 12 1 250))/1.5=47°C、冷却水用量W=Q/(cAt)=1065600/((40-30)X4.08)=26118kg/hi0pii、总传热系数K管程传热系数Re=duP/u=0.02X0.5X994/0.0007=13170iiiicJi4.08x103x0.725x10-3pr= = =4.725X 0.626iq=0.023入/d(dup/u)o.8(cu/入)o.4i iiiiii pii=0.023X(0.626/0.02)(Re)o.8(pr)o.4=2733w/(m2•°C)壳程传热系数dup0.025x0.3x825Re=ooo= 8653.8pi0.713x10-3oc|Li 2.22x103x0.715x10-3TOC\o"1-5"\h\zpr=oo= =11.3X 0.14oa=0.023x虹(Re*xS1.4=0.023x (8653.8^xG1.3^4=479.6o d 0.0250污垢热阻R=0.000172血•°C/wr=0.000344血•°C/wsi so管壁的导热系数入二45w/(m2•°C)

换热器列管的平均直径七=CM+。，02=0.0225mK=— —1 土+R匕+虬+R+_!以dsidXdso以TOC\o"1-5"\h\z'' i" 10.025 0.0250.0025x0.025 1 +0.000172x + +0.000344+ 2733x0平 、 0.02 45x0.0225 479.6=311.43w.m2-C)4、设计传热面积S'=Q/(KAt)=296000/(311.43X4.7)=21tf考虑20%的面积裕面S=1.20XS'=21X1.20=25.2tf五、工艺结构尺寸1、管径和管内尺寸选用①25mmX2.5mm的碳钢管，管内流速取0.50m/s2、壳程数和传热壳数依据传热管内径和流速确定单程传热管数n=二=26118、94x36°°)=47根亶d2u °.785x°.022x°.54i按单程管计算所需的传热管长度为按单程管计算所需的传热管长度为25.2 =6.825.2 =6.8m兀d0n 3.14x0.025x47按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L=3m，换热器管程数位2,则n=工=——252——=111根S兀d0L3.14X0.025X3则每层的管道数n=111：2=56根管内流速"=工=2而8知X3600)=0.415msi兀j 0.785x0.022x56—d2n4is3、平均传热温差校正系数r=Bz52=840-30P=公0=0.1130-30根据R=8,P=0.1,按单壳程，双管程结构，温差校正系数查有关图表，得气=0.94At=气&'=0.94x47=440C4、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，隔板两侧采用正三角形排列。取管心距t=1.25do，则t=1.25X25=31.25=32mm横过管束中心线的管数n=1.1、fN=1.1xtTHA12根c5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=0.7，则壳体内径为

D=1.05tN=1.05x32,111. =423mm项 ".0.7圆整可取D=450mm6、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20%，则切去的圆缺高度为h=0.2X450=90mm，故取h=90mm取折流板间距B=0.3D，则B=0.3X450=135mm折流板数N=顶热管长-1=迎0-1=20块B折流板间距 135折流板圆缺水平装配7、接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速u=1.0m/s，则接管内,一 '4x6000/ 、径为d=：箜=「 °600*825)=0.05m 取标准管径为50mm3.14x1.03.14x1.0管程流体进出口接管：取接管内水流速u=1.5m/s，则接管内径为d书通取标准管径为8施3.14x1.5六、换热器核算1、热量核算(1)壳程对流传热系数，对圆缺形折流板，可采用克恩公式…人 1以=0.36—ORe0.55Pr-3e当量直径，土]日)w由正三角形排列得0.144j2312-id0/4C.'3 \—X0.0322-0.785X0.025221 )兀d 3.14x0.025de00.02m壳程流通截面积S=BD^1-d0)=0.135X0.45「1-0025)=0.012m20 "t) " 0.032)壳程流体流速及其雷诺数分别为6000(3600x825)017.=0.17m：s0.012Re0dpu 0.025x0.17x825小山t0= =4904P00.000715普朗特准数%p_2.22x103x0.715x10-3_1133r=个= =.00.14粘度校正

0.14=0.95r1入 1以=0.36才Re0.55Pr-3e=0.36x014x49040.55x11.3313=6010.02管程对流传热系数管程流通截面积S=—土d2=111-12x0.785x0.022=0.0155m2管程流体流速26118(3600x9947

=0.47m-s0.0155Re=何xW"994=128870.000725普朗特准数Pr=4.08x103x0.725x10-30.626=4.722.°C2.°C)a=0.023x土Re0.8Pr0.4=0.023x0626x128870.8x4.720.4=2600TOC\o"1-5"\h\zi d 0,02i(3)、传热系数K= T堂+R吃+b^+R+_Ladsid Ad s0a'' ‘ m 10.025 0.0250.0025x0.025 1 +0.000172x + +0.000344+一2600x&02、 0.02 45x0.0225 601=355w.；m2.C7

(4)、传热面积S=-^=29600=18.95牝19.0m2KAt 355x44该传热器的实际传热面积SpS=兀d0L(N-n)=3.14x0.025x(3-0.06)xG11—12)=22.8m2该换热器的面积裕度为H=SP-Sx100%=22'-19x100%=20%S 19该换热器的面积裕度合适，能完成生产任务2、换热器内流体的流动阻力(1)、管程流动阻力Zap=(ap+ap¥nni 1 2tspNs=1 N=2F=1.4AP=M-些 AP=。性1id2 2r2由传热管相对粗糙0.1/0.2=0,005，Re=12887，查莫狄图得人.=0.032wi(m-°C)又因u=0.47mjsp=994kg!m3gAP1=0.032x嘉x丁=55AP2AP2=3x994x°.472=329.4paZAp=(510.5+329.4)x1.4x2=2351.7pa<10kpai所以管程流动阻力在允许范围内(2)、壳程阻力Z询=C\p'+Ap，）FN0 1 2tsNs=1F=1.15流体流经管束的阻力Ap'=Ffn（N+1）挡o1 ‘0cB2因为是三角形。所以F=0.5n=12Nb=20u0=0.17又因Re>500,所以f0=5.0xRe-0.228=5.0x4904-0.228=0.7203825x0.172所以Ap：=0.5x0.7203x12x（20+1） 2 =1081.95pa流体流过折流板缺口的阻力（=20x（=20x3.5-

k2x0.135） x0.45）825x0.1722=691.43Pa、总阻力ZAp=（Ap，+App）FN=（1081.95+691.43）x1.15=2039.39Pa<10KPa0 1 2ts壳程流动阻力比较适宜换热器主要结构尺寸和计算结果，换热器主要结构尺寸和计算结果见表1-1表1-1换热器主要结构尺寸和计算结果换热器模式：固定管板式管口表

换热器模式：固定管板式管口表换热面积m2)25.2管口尺寸连接形式用途工艺参数AD80平面油品入口名称管程壳程BD80平面油品出口物料名称水油CD50凹凸面水品入口操作压力MPa0.4DD50凹凸面水品出口操作温度°C30/40130/50ED20凹凸面排气口流量m/s26118600