创新设计-陶瓷列管式换热器设计.docx

景德镇陶瓷学院 创新设计题目：陶瓷列管式换热器设计 院 （系）： 材料科学与工程学院 专 业： 能源与动力工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 时 间 2015年12月9日 摘要随着科学技术的不断发展，换热器也广泛用于各个领域，各种新型换热器也不断出现，一些传统的结构也在不断改进更新3。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性，不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。 目前世界许多先进国家在批量生产列管式换热器，虽然在换热效率、紧凑件、材料消耗等方面不及一些新型换热器，但它结构简单、耐用适应性强，成本较低等优点。把构件原料换成陶瓷材料，是因为陶瓷具有很高的耐热性，而且成本低廉，具有较好的保温特性。关键词：紧凑性 互换性 换热器 陶瓷 耐热性前言在一般工业建设中，换热器约占总投资的11%，在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%4。所以就国内目前来看，它的份量还是挺重的，如果我们能够在不降低它的性能上，加以改进，将它改成陶瓷材料，这样既可以降低材料成本，又可以让它变得更美观。此设计在不改变原有设计架构的基础上，只通过改变材料达到节俭的目的，因此借鉴了许多前人的经验和计算方法。此设计包含换热器的结构和性能参数、列管式换热器的选用步骤、列管式换热器的计算、换热器结构尺寸、工作原理图。正文1、列管式换热器的结构及各种性能参数 列管式换热器主要由壳体、换热管束、管板、封头等部件组成，所画图为它的基本构型，此式为卧式换热器，除此之外还有立式的3。在圆筒形的完体内装有换热管束，管束安装固定在壳体内两端的管板上。封头用螺钉与壳体两端的法兰连接，如需检修或清洗，可将封头盖拆除。冷、热流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体在管束与壳体间的环隙内流动，其行程称为壳程；另一种流体在换热管内流动，其行程称为管程。管内流体每通过一次管束称为一个管程5。如需要换热器较大传热面积时，则应排列较多的换热管束。为提高管程流体流速，强化传热，可将换热管分为若干组，使流体依次通过每组管子往返多次。流体的这种行程称为多管程。多管程虽有利于提高对流传热系数，但能量损失增加操作费用增加，传热温度差减小，故管程也不宜过多，以2、4、6程最为多见4。换热管束的表面积，即为换热器的传热面同理，管外流体在环隙内每通过一次壳体称为一个壳程。为了提高壳程流体的涡流程度，以提高对流传热系数，强化传热，可在壳体内安装横向式或纵向式的折流挡板。这样，壳程流体的流速和流向可不断发生改变，使雷诺数凡在较低时( )即可达到湍流。1.1、换热管的排列与管数 (1)换热管的排列换热管在管板上的排列方法主要有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列较紧凑，可在一定管板而积上配制较多的管子数传热效果也好，管板的强度较高，在管板加工时也便于划线与钻孔，但管外清洗较困难4。正方形直列管外清洗方便，适合于壳程流体易结垢的情况，但其对流传热系数较小，一定管板面积可排列的管干数少。若将管束斜转45，变成正方形错排，可增强传热效果。(2)换热管报数选定了管内流体和管径，由流量方程式可得到单程的管数n，即式中q流体体积流量，d管内径，m 流体流速，m/s n必须为整数。 按单管程计算，管长l为式中，a为传热面积，单位为m2。4按单程计算时，如管子太长，则可采用多管程，设管程数为m，则式中l按单程计算的管长，m l选定的每程管长，m。m必须为整数。这样，换热器的总管数n则为 nnm换热器长度与壳体直径之比ld，一般取610，直立设备取46。按上述步骤计算后，再进行管子排列，并计算出壳体直径，然后校核l/d的数值。 2、管中心距 管板上两管中心距离称为管中心距(又指相邻两管的中心距)。管中心距的确定要考虑管板的强度和清洗管外表面所需空隙，也与管子在管板上的固定方法有关。当管子采用焊接法固定时，相邻两管的焊缝太近，会相互受到热影响，而使焊接质量不易保证。所以采用焊接法时，管中心距t与管外径do的比例常取t=1.25do。4如果采用胀接法，较小的管中心距会造成管板在胀接时，出于挤压力的作用而发生形变，失去了管子与管板间的紧固性，所以来用胀接法时常取t=(1.31.5)do 。3、管子的分程 为了提高管内流体流速，强化对流传热，常常采用多管程。这可在流道(管箱)中安装与管子中心轴线相平行的分程隔板来实现。分程可采用各种不同的组合形成，但每一程中的管数应大致相等。隔板的形式应简单，密封长度应短。常用的管程数有单程、双程、四程和六程5。4、列管式换热器的计算 传热速率方程式 式中q传热速率(热负荷)，w：k总传热系数， ；s与k值对应的传热而积，m2；平均湿度差，。4、1传热速率(热负荷)q传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则 q 式中w流体的质量流量，kg/h或kg/s；cp流体的平均定压比热容，kj(kg)：t热流体的温度，；t冷流体的温度，：下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。4、2流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝，且冷凝液在饱和温度下排出，则 q= 式中w饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h或kg/s； r饱和蒸汽的气化热kj/kg。4、3平均温度差tm恒温传热时的平均温度差 变温传热时的平均温度差逆流和并流 式中t1，t2分别为换热器两端热、冷流体的温差，。错流和折流 式中t按逆流计算的平均温差，； 温差校正系数，无量钢， 。温差校正系数 根据比值p和r，通过查图所得。该值实际上表示特定流功形式在给定工况下接近逆流的程度。在设计中，除非出于必须降低壁温的目的，否则总要求 0.8，如果达不到上述要求，则应改选其他流动形式5。4、4总传热系数k(以外表面积为基准)k = 式中k总传热系数， ；i，o传热管内、外侧流体的对流体传热系数， ；rsi,rso传热管内、外侧表面上的污垢热阻， ；di，do，dm传热管内径、外径及平均直径，m；传热管壁导热系数， ；b传热管壁厚，m。5、确定设计方案 5、1选择换热器的类型（1）两流体温度变化情况：热流体进口温度180，出口温度50；冷流体（循环水）进口温度25，出口温度35。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器3。（2）流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用25x2.5的碳钢管，管内流速选ui=0.5m/s.5、2 确定物性数据 tc 确定物性数据 f c l 1 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程混和气体的定性温度为 管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在115下的有关物性数据如下：密度 定压比热容 =2.22kj/（kg）导热系数 =0.140w/（m）粘度 =0.000715pas循环水在30 下的物性数据：密度 =996/m3定压比热容 =4.17kj/(kg)导热系数 =0.618w/(m)粘度 =0.000801pas5、3 计算总传热系数 （1）热流量（2）平均传热温差 tc 平均传热温差 f c l 2 先按照纯逆流计算，得 （3）冷却水用量tc 冷却水用量 f c l 2 = （4）总传热系数k管程传热系数= =2632w/ (m2)5、4壳程传热系数假设壳程的传热系= 290 w/（m2)污垢热阻 = 0.000344 m2/w=0.000172 m2/w管壁的导热系数 = 45w/(m) k = = 218.0w/（m2)6、计算传热面积 = = 43.8m2考虑15的面积裕度，s = 1.15 =1.1543.8 = 50.4 m27、工艺结构尺寸 7、1管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 =0.5m/s1。7、2管程数和传热管数 tc 管程数和传热管数 f c l 2 可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，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为 (管程)传热管总根数 nt=692=138(根)7、3平均传热温差校正及壳程数 tc 平均传热温差校正及壳程数 f c l 2 平均温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但r=13的点在图上难以读出，因而相应以1/r代替r，pr代替p，查同一图线，可得2 平均传热温差 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。7、4传热管排列和分程方法 tc 传热管排列和分程方法 f c l 2 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=1.2525=31.2532 横过管束中心线的管束 (根) 7、5壳体内径 tc 壳体内径 f c l 2 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 圆整可取d=500mm7、6折流板 tc 折流板 f c l 2 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=0.25500=125mm，故可 取h=120mm1取折流板间距b=0.3d，则 b=0.3500=150mm，可取b为150mm。折流板数目nb= 折流板圆缺面水平装配。7、7接管 tc 接管 f c l 2 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u1=1.0m/s，则接管内径为取标准管径为50mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=1.5m/s，则接管内径为取标准管径为90mm17、8换热器核算 tc 换热器核算 f c l 1 （1）热流量核算 tc 热流量核算 f c l 2 壳程对流传热系数 tc （1）壳程表面传热系数 f c l 3 对圆形折流板，用克恩法计算当量直径，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 普朗特数 粘度校正 管程对流传热系数 tc （2）管内表面传热系数 f c l 3 管程流体流通截面积管程流体流速 1普朗特数 传热系数 tc （4） 传热系数 f c l 3 传热面积 该换热器的实际传热面积为 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。（2）换热器内流体的流动阻力 tc 换热器内流体的流动阻力 f c l 2 2 管程流体阻力 tc （1）管程流体阻力 f c l 3 , 由re=12385，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图 ，流速 =0.498m/s, ,所以，管程流体阻力在允许范围之内。 壳程阻力 tc （2）壳程阻力 f c l 3 ， 流体流经管束的阻力 f=0.5 , ， 0.50.516314(39+1) =732.3(pa)流体流过折流板缺口的阻力 b=0.15m , d=0.50总阻力 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。4结论通过本周创新实验的设计，在老师精心的指导下，了解了一些关于换热器的知识，我在原有理论的基础上添加了自己的一些想法，但理论最终还是需要实践，也借鉴了许多前人宝贵经验，与书上原有的计算公式，科学技术总是在不断的革新，在飞速发展的现今，科学是第一生产