毕业设计 设计一台列管式换热器

化工原理课程设计说明书设计题目：列管式换热器的设计学院班级姓名学号列管式换热器设计任务书(2)设备型式列管式换热器①热水：入口温度80℃,出口温度50℃.③允许压降：不大于10Pa.④每年按300天计算，每天24小时连续运行.(4)建厂地址温州地区.(4)确认换热器的工艺结构.化工原理课程设计 错误!未定义书签。42.设计标准 错误!未定义书签。63.方案设计和拟订 错误!未定义书签。64.设计计算 94.1确定设计方案 错误!未定义书签。94.1.1选择换热器的类型 错误!未定义书签。94.1.2流动空间及流速的测定 错误!未定义书签。94.2确定物性数据 错误!未定义书签。94.3计算总传热系数………错误!未定义书签。104.3.1热流量……….错误!未定义书签。104.3.2平均传热温差…………………错误!未定义书签。114.3.3冷却水用量……错误!未定义书签。114.3.4总传热系数K………………错误!未定义书签。114.4计算传热面积………错误!未定义书签。124.5工艺结构尺寸………错误!未定义书签。124.5.1管径和管内流速……………错误!未定义书签。124.5.2管程数和传热管数…………错误!未定义书签。124.5.3平均传热温差校正及壳程数………………错误!未定义书签。134.5.4传热管排列和分程方法……错误!未定义书签。134.5.5壳体内径………错误!未定义书签。134.5.6折流板………错误!未定义书签。144.5.7接管……………错误!未定义书签。144.6换热器核算…………错误!未定义书签。154.6.1热量核算……….错误!未定义书签。154.6.1.1壳程对流传热系数……错误!未定义书签。154.6.1.2管程对流传热系数……错误!未定义书签。154.6.1.3传热系数K……………错误!未定义书签。164.6.1.4传热面积S……………错误!未定义书签。164.6.2换热器内流体的流动阻力……错误!未定义书签。174.6.2.1管程流动阻力 错误!未定义书签。174.6.2.2壳程阻力 错误!未定义书签。174.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果……错误!未定义书签。195.设计小结 错误!未定义书签。206.参考文献 错误!未定义书签。228.符号说明 错误!未定义书签。27—列管式换热器设计书在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的化工原理课程设计图4-36固定管板式换热器2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的图1U型管换热器的结构示意图特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。]图7-12浮头式换热器1.壳盖2.浮头盖3.浮头管板4.壳体5.传热管6.支持板7.折流板2.设计标准(1)JB1145-73《列管式固定管板热交换器》(3)中华人民共和国国家标准.GB151-89《钢制管壳式换热器》.国家技术监督(4)《钢制石油化工压力容器设计规定》(5)JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》(6)HGT20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》(7)HG20519-92《全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》(8)中华人民共和国国家标准JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》(9)中华人民共和国国家标准JB4710-92《钢制塔式容器》(10)中华人民共和国国家标准GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》3.方案设计和拟订根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么,壳化工原理课程设计根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为6m,算出传热管程，传热根据以下原则：(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低化工原理课程设计单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速u,=1.0m/s。馆子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。在这里，选择φ25×2.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4~6(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择6m。管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。在这里选择三角形排列。管子在管板上排列的间距(指相邻两根管子的中心距),随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do,且相邻两管外壁间距不应小于6mm,即t≥(d+6)。焊接法取t=1.管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为2程，壳程为单程。折流挡板：安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40%,一般取20～25%,过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的h值为：固化工原理课程设计定管板式的有150、300和600mm三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。初步于系列标准中查出外壳的直径。(1)封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm),圆形用于大直径的壳体。(2)缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管(3)导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角),为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。(4)放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。(5)接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。4.设计计算4.1确定设计方案两流体温度变化情况：热流体进口温度80℃,出口温度60℃;冷流体(循环水)进口温度32℃,出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为化工原理课程设计4.1.2流动空间及流速的测定4.2确定物性数据化工原理课程设计4.3计算总传热系数=587.40kW4.4计算传热面积4.5工艺结构尺寸4.5.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为按单程管设计，传热管过程，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m,则该换热器管程程数为传热管总根数N=57×2=114(根)4.5.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数按单壳程，2管程结构，温差校正系数应查附图六——对数平均温度校正系但R=2.5的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R,PR代替P,查同可得平均传热温差采用组合排列法，即每程内均按正三角排列，隔板两恻采用正方形排列.取管心距横过管束中心线的管数采用多管程结构，取管板利用率η=0.7,则壳体内径为D=1.051√N/n=1.05×32√/14/0.7=428.8mm圆整可取D=450mm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故可取h=110mm。取折流板间距B=0.2D,可取B为150mm。折流板数壳程流体进出口接管：取接管内热水流速为u=1.2m/s,取标准管径为25mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为则接管内径为取标准管径为70mm。4.6换热器核算4.6.1.1壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校i4.6.1.2管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数4.6.1.3传热系数K4.6.1.4传热面积S该换热器的实际传热面积S化工原理课程设计4.6.2换热器内流体的流动阻力N₄=1,N,=6,F,=1.4,准数及相对粗糙度的关系得λ,=0.033W/m-℃,流速u,=0.995m/s,p=993.6kg/m³,化工原理课程设计流体流经管束的阻力流体流过折流板缺口的阻力B=0.15m,D=0.45m总阻力E△P=331.9+1151.6=1483.5Pa<10⁵Pa壳程流动阻力也比较适宜。4.6.2.3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下表。换热器型式：固定管板式管口表换热面积(m²):53.9符号尺寸用途连接型式化工原理课程设计工艺参数a口平面名称管程壳程b循环水出口平面物料名称循环水热水C热水入口凹凸面d热水出口凹凸面操作温度，℃e排气口凹凸面流量，kg/hf放净口凹凸面管数管长，mm流速，m/s距排列方式正三角形间距管子规格壳体内径折流板型式上下污垢系数，m²·K/W阻力降，MPa程数61推荐使用材料碳钢碳钢在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地化工原理课程设计列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料(主要是金属材料)制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。由于管内外流体的温度不同，因之换热器导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关，且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大，选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：(1)传热面积比浮头式换热器大20%～30%;(2)旁路漏流较小；(3)锻件使用较少，成本低20%以上；(4)没有内漏。它的缺点；(1)壳体和管子壁温差t<50℃,当t>50℃时必须在壳体上设置膨胀节；(2)管板与管头之间易产生温差应力而损坏；(3)壳程无法机械清洗；(4)管子腐蚀后造化工原理课程设计成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低；(5)壳程不适用很多，但是还是要付出努力才可以。为此，也要感谢老师及同学的互相帮助。[1]柴诚敬，张国亮等.化工流体流动与传热[M].北京：化学工业出版社[2]余国琮等.化工容器及设备[M].北京：化学工业出版社，1980[3]匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].北京：化学工业出版社，2002[4]化工设备技术全书编委会.换热器设计[M].上海：上海科学技术出版社，[5]徐中全译，尾花英郎著.热交换器设计手册[M].北京：石油工业出版社，[6]卓震主.化工容器及设备[M].北京：中国石化出版社，1998[7]潘继红等.管壳式换热器的分析与计算[M].北京：科学出版社，1996[8]朱聘冠.换热原理及计算[M].北京：清华大学出版社，1987[9]大连理工大学.化工原理(上册)[M].大连：大连理工大学出版社，1993[10]兰州石油机械研究所.换热器(上册[M]).北京：中国石化出版社，1992[11]时均等.化学工程手册(第二版，上卷)[M].北京：化学工业出版社，7.附图表表———流体的污垢热阻流体的污插热蟹康体名称污居热菌流体名称荷辅熟应固能体名聊汽玄热丽有核化合物石骥翁整丽售气能序煤德关热气雄然0.8598x10→汽陆熊炉气植物法重植水离气原油西青地空气录独表二——流体的污垢热阻融流体温度，℃小于115事的温度，℃小手25火于25求的退度。(ms)大于1.0小于t.0大于1.0苏彩热阻.(m²·℃IW):毒本来水，井水，仍炉被水塑*便水商求表三——换热器常用流速范围介肃流建期环水籍射底一蓬信低愁建怕寓糙度施气体普程流渣，Ws克岩重速，mli表四——合理压降的选取化工原理课程设计密妻柱泛章数中。密妻柱泛章数中。像作压力，a(维)成压搭作蕉法擦作中压操作教高抚弹作图五——对数平均温差校正系数P对数平均温卷校正系数图六——对数平均温差校正系数P张测丨型，背侧3程城24程，n.c签数表七——流体相变对流传热系数**tn(答)“室作温度：4。=《t.+s)图八——莫狄图化工原理课程设计11N100N6M200的00摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系表九——液体无相变对流传热系数虎动状态内强制财置真管内愁患我体加热n=0.4,降却n=0.3sM>10000,0.7cA<10,Ud静性尺寸!定性量度：流体进出口温理的算术事均值。高粘度浦体；&>10000.0.7*A<16700.L/转性尺寸出1秀常内壹重粹性尺空d,困白