毕业设计（论文）-流量为1750kg每小时的固定管板式换热器设计（全套图纸）

摘摘 要要 换热器可按照其结构形式分类：有固定管板式换热器；填料函式换 热器；浮头式换热器；U 形管换热器。固定管板式换热器类属于管壳式 换热器，是管壳式换热器的一种标准结构，也是目前应用比较广泛的一 种换热器1。 这类换热器拥有许多特点： 结构简易， 紧凑， 适用面很广泛， 安全系数很高，选料面可以很广，成本很低廉，换热表面的清洗也极为 方便。因为固定管板式换热器可以承受比较高的温度和比较高的操作压 力，所以在大型换热器和高温高压换热器中，占首要地位。固定管板式 换热器有许多特点，最突出的特点是锻件少、比较便宜、密封性能好。 由于它的壳程无法机械清洗，所以管子腐蚀后会和壳体一起报废，设备 的寿命就会降低2。所以当所需流量不同时，需要根据不同的流量设计不 同的换热器。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 首先根据给出的设计温度和设计压力来确定设备的结构形式以及壳 程和管程的材料，然后根据物料的性质和传热的面积来确定换热管的材 料，尺寸和根数。根据换热管的根数确定换热管的排列，并根据换热管 的排列和长度来确定筒体直径以及折流板的选择。通过对容器的内径和 内外压的计算来确定壳体和封头的厚度并进行强度的校核。然后是对换 热器各部件的零部件的强度设计，有法兰的选择和设计计算与校核，钩 圈及浮头法兰的设计计算与校核和管子拉脱力的计算。并且还包括管板 的结构设计、防冲挡板、滑道结构的设计以及支座设计。结构设计中的 标准件可以按照国家标准根据设计条件直接选取，非标准件，设计完结 构后必须进行相应的应力校核。通过查阅 GB150- 2011钢制压力容器 和 GB151- 1999管壳式换热器以及 GB 和 JB 等标准以及查看设计要 求，我对固定管板式换热器进行了结构设计和 CAD 绘图。进行了标准件 的选取，零件间连接结构的设计，零件材料的选择以及厚度的计算。其 中包括了筒体壁厚、封头壁厚、管板壁厚和管箱壁厚的计算，管子拉脱 力和稳定性校核，接管、法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设 计，管板、折流板以及换热管之间的连接的结构设计，壳体与管板之间 的连接处的设计。 随着经济的发展， 现有的科技成果为我们的生活带来了很大的方 便，换热器的设计技术也在不断地更新，以后的应用前景将会更加美 好。根据设计要求，绘制了一张总装配图和两张零部件图。 关键词：关键词： 换热器； 结构； 计算； 校核 Abstract Heat exchanger according to its structure form can be divided into: fixed tube plate heat exchanger; Stuffing box heat exchanger; Floating head heat exchanger; U- tube heat exchanger3. Fixed tube plate heat exchanger tube and shell heat exchanger, tube heat exchanger is a kind of typical structure, also is a kind of heat exchanger is applied more widely. This kind of heat exchanger with many features: simple structure, compact, widely applicable, high safety coefficient, the material widely, low cost, so the heat exchange surface cleaning is extremely convenient. Due to the fixed tube plate heat exchanger can withstand high temperature and high pressure operation, so in the large- scale heat exchanger with high temperature and high pressure heat exchanger, dominate. Fixed tube plate heat exchanger has many features, the most outstanding characteristic is less forgings, cheaper, sealed performance is good. Due to the shell side cannot mechanical cleaning, so after the pipe corrosion will be scrapped, along with shell will reduce equipment life4. So when the flow is not required at the same time, need according to the different heat exchanger of different flow design. First according to the given temperature and design pressure to determine the structure of device and the shell side and tube side of the material, then according to the material properties and the heat transfer area to determine the heat exchange tube material, size, number of root. According to the root of the heat exchange tube, the number of heat exchange tube arrangement, and according to the arrangement of heat exchange tube to determine cylinder diameter and length, and the choice of the baffle plate. Through the container inner diameter and the internal and external pressure calculation to determine the thickness of the shell and head and intensity. And then to various components of the heat exchanger strength design of the parts and components have the choice of the flange and design calculation and checking, hook ring, and the calculation in the design of floating head flange and the checking and calculation of the force of tube pulled off. Includes the structure design of tube sheet, prevent the impact damper, the design of the track structure and support design5. The structure design of standard parts can be reference to national standards according to the design conditions of direct selection; After non standard parts, design the structure must be corresponding stress checking. By looking at GB150- 2011 “steel pressure vessel“ and the tube and shell heat exchanger and GB151- 1999 GB and JB standard and view the design requirements, I fixed tube plate heat exchanger for the structure design and CAD drawing. Connection between the selection of standard parts, parts of the structure of the design, the selection of component materials and the thickness of the calculation. Including the cylinder body wall thickness, head wall thickness and pipe wall thickness and the calculation of wall thickness, tube pulled off force and stability checking, take over, flange, selection of container flange, bearing and opening reinforcement design, tube plate, baffle plate and the connection between the structure design of heat exchange tube, the design of the junctions between the shell and tube plate. With the development of economy, the existing scientific and technological achievements brought great convenience for our life, the design of heat exchanger technology is also in constant updates, future application prospect will be more beautiful. According to the design requirements, to draw a general assembly drawing and the two parts drawing. Key words： Heat exchanger; Structure; Calculation; check 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 换热器概述 1 1.2 换热器类型 1 1.2.1 卧式壳程换热器 . 1 1.2.2 卧式管程换热器 . 2 1.2.3 立式壳程换热器 . 2 1.2.4 管内向下流动的立式管程换热器 . 3 1.2.5 向上流动的立式管程换热器 . 3 1.3 换热器发展前景 4 1.4 固定管板式换热器总体设计 4 1.5 本文研究内容 5 第二章 工艺计算 . 6 2.1 设计条件 6 2.2 确定物性数 6 2.3 换热器的类型与流动空间的确定 6 2.4 估算传热面积 7 2.4.1 二甲胺蒸气用量 . 7 2.4.2 热负荷计算 . 7 2.4.3 计算有效平均温度差 . 7 2.4.4 估算传热面积 . 8 2.4.5 选工艺尺寸计算 . 8 2.4.6 管程数和传热管数 . 8 2.4.7 平均传热温差的校正以及壳程数的选取 . 9 2.4.8 管子排列 . 10 2.4.9 管心距 . 11 2.4.10 壳体内径 . 11 2.4.11 折流板 . 12 2.4.12 换热器核算及壳程表面传热系数 . 12 2.4.13 管内表面传热系数 . 13 2.4.14 污垢热阻和管壁热阻 . 14 2.4.15 传热系数 . 14 2.4.16 传热面积裕度 . 15 2.4.17 传热管和壳体壁温核算 . 15 2.4.18 压降校核 . 16 2.4.19 壳程流体阻力 . 17 2.5 换热器主要结构尺寸和计算结果 18 第三章 结构设计 . 19 3.1 壳体、管箱壳体和封头的设计 19 3.1.1 壁厚的确定 . 19 3.1.2 管箱法兰和垫片确定 . 20 3.1.3 箱壳体壁厚的确定 . 20 3.1.4 标准椭圆封头的厚度确定 . 20 3.2 管板与换热管设计 21 3.3 进出口的设计 22 3.3.1 接管的设计 . 22 3.3.2 接管外伸长度 . 22 3.3.3 排气、排液管 . 23 3.3.4 壳程接管位置的最小距离 . 23 3.3.5 管箱接管尺寸的最小位置 . 23 3.4 折流板或支持板尺寸 24 3.4.1 折流板缺口高度和最小厚度 . 24 3.4.2 折流板和折流板孔径 . 24 3.4.3 折流板直径及允许偏差 . 24 3.4.4 折流板的布置及质量计算 . 25 3.5 防冲挡板 25 3.6 拉杆与定距管 25 3.6.1 拉杆的尺寸 . 25 3.6.2 拉杆的直径和数量 . 26 3.6.3 拉杆的位置、定距管尺寸及鞍座选用 . 26 第四章 强度计算 . 44 4.1 壳体、管箱壳体和封头校核 44 4.1.1 对壳体进行强度校核 . 44 4.1.2 压力试验强度校核 . 44 4.1.3 管箱壳体校核 . 44 4.1.4 压力试验强度校核 . 44 4.1.5 对椭圆封头进行强度校核 . 45 4.1.6 压力试验强度校核 . 45 4.2 接管开孔补强 45 4.2.1 蒸汽进出口的接管有关参数的选定 . 45 4.2.2 有效补强范围的确定 . 46 4.2.3 有效补强面积 . 46 4.2.4 冷却水进出口的接管有关参数的选定 . 47 4.2.5 开孔处所需的最小补强面积 . 47 4.2.6 有效补强范围的确定 . 47 4.2.7 有效补强面积 . 48 4.3 膨胀节 48 4.3.1 管子拉脱力计算 . 48 4.3.2 膨胀节设置计算 . 48 4.4 管板校核 50 4.4.1 结构尺寸参数 . 50 4.4.2 壳程圆筒材料和换热管材料 . 51 4.4.3 管板、法兰、螺栓、垫片材料 . 52 4.4.4 管子的许用应力 . 52 4.4.5 垫片压紧力作用中心圆直径和面积 . 53 4.4.6 管板布管区当量直径和系数计算 . 53 4.4.7 基本法兰力矩 . 54 4.4.8 管程压力操作工况下法兰力矩 . 54 4.4.9 换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差 . 54 4.4.10 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数 . 55 4.4.11 管子厚度和加强系数 . 55 4.4.12 管板周边无量纲宽度和壳体法兰参数 . 55 4.4.13 旋转刚度无量纲参数、确定系数 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4.14 设计条件不同危险组合土况的应力计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4.15 四种危险工况的各种应力计算与校核 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.5 设计值总汇 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第五章 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 换热器概述换热器概述 换热器的定义是将热流体的一部分热量传递给冷流体的设备，又叫做热交换器。 换热器在生活中应用广泛， 在正常生活中汽轮机装置中的凝汽器还有日常生活中的取 暖用的暖气散热片以及航天火箭上的油冷却器等，都叫做换热器。换热器还广大运用 于化工工业，石油，动力和原子能等工业部门6。换热器的主要作用是保证介质在工 艺过程中所要求的特定温度，同时也是其中之一的主要设备在提高能源利用率方面。 在节能技术改革中，换热器具有的作用表现在两大方面：一方面在生产工艺流程中明 显能减少能源的消耗的办法是使用大量的换热器的效率； 第二方面可以明显提高设备 的热效率的方法是用换热器来收回工业余热。 列管式换热器的应用己经有了很久远的历史， 而且列管式换热器作为一种传统的 标准换热设备，应用于很多化工部门。尤其应用于化工设备，石油设备，能源设备等 部门使用的换热设备，在这些部门中，列管式换热器仍处于首要地位，列管式换热器 中所用的换热表面可以是带肋片的扩展表面、简单的光管或经开槽、波纹或其他特殊 方式处理后的强化表面。 本次毕业设计特针对这类换热器中的卧式壳程换热器的结构和工艺计算进行了 介绍。 1.2 换热器类型换热器类型 列管式换热器有卧式换热器与立式换热器两种类型。 壳程和管程都可以走被冷凝 的工艺蒸汽，其中卧式壳程换热和立式管程换热是最常用的形式。接下来我将介绍几 种常见的换热器。 1.2.1 卧式壳程换热器卧式壳程换热器 如下图 1- 1 所示是卧式壳程换热器。 在卧式壳程换热器的壳程上有物流进出口接 管和冷凝液排出口。在壳程蒸汽入口处安有防冲板，防冲板的作用是将蒸汽对管束的 直接冲击降低，为了减小阻力，防冲板周围应留有足够的空间。横向弓形折流板或支 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 2 承板圆缺面在壳程中可以水平安装也可以垂直安装，如图 1- 1，对于折流板水平安装 时，为了防止流体短路，切去的圆缺高度不应大于壳体内径 35%，而折流板的间距应 在壳体内径的 35%和壳体内径的 2 倍之间。 折流板的下缘开有槽口， 这是为了排出冷 凝液。水平安装这种方式可以造成强烈扰动在流体中扩散，这种方式传热效果最好。 为了便于排出冷凝液选择折流板垂直安装的， 圆缺高度应被切去最后为为壳体内径的 50%。弓形的折流板圆缺面水平安装或者垂直安装时，随着蒸汽的冷凝，折流板的间 距应随之减小，传热的效果就会因此增加。在冷凝的表面，当传热系数比较小时，可 以将低翅管安在管外7。压降小、便于清洗是卧式壳程换热器的好处，蒸汽与凝液产 生分离是其缺点。如图 1.1 是卧式壳程的换热器。 图 1.1 卧式壳程换热器 1.2.2 卧式管程换热器卧式管程换热器 卧式换热器的管程多是单程的，也有双程的。其中管程和壳程传热的需要决定着 传热管长度，传热管的排列方式和直径的大小也会受到管程和壳程的影响。当采用多 程管程时，在管程之间可以流出冷凝液，这样可以减少液体的覆盖而积并且可以降低 压降8。同时，为了使它保持质量流速不变还可以用减少多程管数的方法。在这种多 管程换热器中，冷凝液和蒸汽之间的接触十分不好，所以完全冷凝的方法对于沸程宽 处的蒸汽是不合适的。另外过冷度比较低的原因还是因为冷凝液局部地注满了管道。 1.2.3 立式壳程换热器立式壳程换热器 如图 1.2 所示是立式壳程换热器9。在壳程中每隔一定位置就设置了折流板，由 于设置了折流板，蒸汽按从上到下流动。冷却水从冷凝液的下端排出，在管内向下流 动，因此冷却水一侧压力需求比较低，因为水的传热系数很大，所以耗水量少，由于 水不容易分配很均匀，可安装一个水分配器在管口的位置，如图 1.2。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 3 图 1.2 立式壳程换热器和水分配器 1.2.4 管内向下流动的立式管程换热器管内向下流动的立式管程换热器 立式换热器管内蒸汽及其冷凝液均向下流动的立式管程换热器， 它是一种由分离 端盖和外部封头组成的管壳式换热器10。 应用固定管板式的结构的前提是壳程不需要 清洗或可用化学方法清洗。在立式管程换热器中蒸汽通过接管从顶部注入，在管内向 下流动，逐渐冷凝在管壁上，底部排出冷凝液。下面的分离端盖可设计成挡板式目的 是使出口排气中携带的冷凝液量最少，此外，挡板应比冷凝液的液位高。 1.2.5 向上流动的立式管程换热器向上流动的立式管程换热器 如图 1.3 所示为一个管程蒸汽和壳程冷凝介质都向上流动的立式管程换热器。蒸 馏塔的顶部通常直接安装这种换热器，这样有利于利用冷凝液的回流少量组分。采用 冷凝介质向上流动的流程目的是确保有热的冷凝液或防止低沸点组分被冷凝， 蒸汽可 以从接管注入底部，立式换热器的传热管长度为 2 到 3 毫米，而直径大多大于 0.025 米。每当冷凝自由回流受到蒸汽向上流动的流速阻碍时，液泛现象便会产生，换热器 顶部就会吹出冷凝液。 根据哈威特和哈里特维尔准则，当满足哈威特和特维尔准则条件时，可防止液泛 现象出现11。立式管程换热器如图 1.3。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 4 图 1.3 向上流动的立式管程换热器 1.3 换热器发展前景换热器发展前景 换热器的发展应注意理论的创新和理论的完善，并从中寻求理论的新突破。 我国的换热器工业起步比较晚，1963 年抚顺机械设备有限公司以美国 TEMA 标 准为蓝本造出我国第一台管壳式换热器。 随着科技的发展， 进入二十一世纪之后， 工业装置中应用了大量的传热强化技术， 我国换热器在工业产业技术水平上获得了飞速的发展，有需求才有创新，由于需求， 板式换热器近年来日益崛起。最近这几年，我国在大型管壳式换热器和高效节能板壳 式换热器等方面取得了重大突破12。 由于我国在石油， 钢铁等重工业行业的快速发展， 近几年来，大幅度的增多了换热器需求，在国内制造水平、供给的能力的不足在企业 中体现的很明显，市场上已经出现了供不应求的状态，只能依靠国外进口来弥补其出 现的缺口。在我国换热器市场，需求已经远远超过了供给。我国的现状是对高端换热 器产品需求量极其大，但是供给不足。 在不远的将来，国内市场的需求会出现环保节能型产品，并且产品的性价比、产 品的多样化需求、产品的特点化等需求逐步将成为主导。 1.4 固定管板式换热器总体设计固定管板式换热器总体设计 管壳式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵守中华人民共和国国家标准“钢 制管壳式换热器”这一标准来执行。管壳式换热器采用焊接圆筒时，公称直径的数值 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 5 等于圆筒内径的数值； 若采用无缝钢管制圆筒， 公称直径的数值等于钢管外径的数值。 所谓换热器的传热面积计算是以传热管的外径减掉伸入管板内的换热管长度后， 得到 的差值即管束外表面积。公称换热面积是指换热面积圆整后的数值。公称长度的定义 是换热器换热管的长度，传热管是直管的时候，直管段长度就是工称长度；传热管是 U 型管型的时候，U 型管直管段的长度就是公称长度。钢制管壳式标准将列管换热器 的主要结合部件分为前端管箱、中端壳体以及后端结构。 1.5 本文研究内容本文研究内容 本篇论文对二甲胺处理量为 1750kg/h 的固定管板式换热器进行设计。主要内容 如下： （1）调查和总结了换热器的类型和种类。并且介绍的几种换热器都是结构典型 的，叙述了固定管板式换热器的设计思路。本论文的研究路线和内容已经确定。 （2）换热器的设计方案已被确定。选用了合适的换热器材料，其根据是介质的 特点。并对冷热介质选择了是走管程和壳程。 （3）计算并校核了固定管板式换热器的温度、压降、换热面积。确定了换热器 的布管情况和结构参数。 （4）通过国标 150 和国标 151 对换热器的壳体、封头、管箱、管板进行了强度 设计和校核，对壳程和管程进行了压力校核的计算，最后对开孔补强进行了压力校核 的计算。 （5）并且换热器设计的主要附件如分程隔板槽、法兰、折流板、鞍座、吊耳、 焊条、清洗系统及防护系统等都进行了设计和选用。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 6 第二章 工艺计算 换热器的设计，首先应该根据流程的要求选择其合适的类型，然后计算所需要的 传热面积，工艺设计包括热力设计以及流动设计，具体的运算如下所述。 2.1 设计条件设计条件 壳程的介质 49.96的二甲胺蒸汽，管程的介质为进口温度 33，出口温度为 43的冷却水，壳程的设计压力是 0.9MPa，管程的设计压力是 0.6MPa，二甲胺的处 理量为 1750kg/h。 2.2 确定物性数确定物性数 在 49.96下的二甲胺蒸汽物性数据如下：导热系数：1=0.0187 W/(m)； 二甲胺密度：1=9.517 kg/m，二甲胺比热容：Cp=3.297 KJ/(kg) ，二甲胺粘度： 1=0.0097 Pas，二甲胺潜热：=7884 KJ/kg。 该冷凝为完全冷凝，假定二甲胺蒸气冷凝温度为 49.96,循环水的定性温度：入 口温度：t1=33，出口温度为 t2=43，冷却水的定性温度为 tw=(33+43)/2=38，两 流体的温差 Tw- tw=49.96- 38=11.96。 在定性温度下两流体的物性数据表 2- 1。 表 2- 1 定性温度下两流体的物性数据 物性 温度 密度 kg/m3 粘度 mPas 比热容 KJ/（kg） 导热系数 W/（m） 流体 二甲胺 蒸汽 进 49.96 9.517 0.0097 1.785 0.0187 出 49.96 620.1 0.141 3.665 0.208 冷却水 38 992.6 0.68 4.174 0.63 2.3 换热器的类型与流动空间的确定换热器的类型与流动空间的确定 两种流体的温度的变化情况，热流体的进口温为 49.96，出口温度为 49.96； 冷流体的进口温度为 33，出口温度为 43。该换热器用水冷却，考虑到清洗等各 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 7 种因素，初步确定换热器类型为固定管板式换热器。二甲胺走壳程，冷却水走管程。 这是因为：热流体走壳程，这样可通过壳程向外传递热量，便于散热，冷的流体应走 管程， 这样可减少热应力。 同时对于换热器， 一般易结垢流体走管程， 这样不易结垢。 2.4 估算传热面积估算传热面积 2.4.1 二甲胺蒸气用量二甲胺蒸气用量 由题目可知，二甲胺的蒸汽流量： m1=1750kg/h=0.486kg/s Q1=m1r=17507884=1.38107KJ/h=3833KW 工程上常用的热量损失系数 nc 加以估计 Q2=ncQ1 (2- 1) 取 nc=0 . 97 则 Q2=ncQ1=0.971.38107KJ/h =1.37107KJ/h=3718KW 2.4.2 热负荷计算热负荷计算 热负荷计算公式： 89.176kg/s=kg/h103.21 )3343(174 . 4 1034 . 1 )(p m 5 7 122 2 2 = = = ttC Q 2.4.3 计算有效平均温度差计算有效平均温度差 t1=49.96- 43=6.96 t2=49.96- 33=16.96 对于逆流，有效平均传热温差： 2 1 1 m t t ln t-t t 2 ，逆 = (2- 2) 逆流传热温差： ，逆 23.11 ) 96.16 96 . 6 ln( 6.961-.966 t t ln t-t t 2 1 1 m 2 = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 8 2.4.4 估算传热面积估算传热面积 设一 K 值，再通过传热速率方程，估算所需的传热面积： ，逆 tm p K Q A = (2- 3) 根据循环水走管程，二甲胺蒸气走壳程，总传热系数 K 现暂取： K=1100W/(m2) 则估算换热面积： 2 3 tm p m29.310 23.111100 103833 = = ，逆 K Q A 2.4.5 选工艺尺寸计算选工艺尺寸计算 管径选用 252.5mm 无缝光滑较高级冷拔传热管（不锈钢） 在工厂生产中，流体流速常规定如下：水的流速一般取 0.52.5m/s，和水相类 似的流体取法与水相同。 对大型换热器的冷却水流速可增加到 3m/s。取管内流速 =1.3m/s。 2.4.6 管程数和传热管数管程数和传热管数 可以根据传热管的内径及传热管的流速确来定单程传热管数： ud 4 n 2 i s V = (2- 4) 所以，单程传热管数为： （根） 221 3 . 102. 0785. 0 6 .992/176.89 ud 4 n 2 2 i s = V 若按单程管来计算，传热管的长度应为： s0 p nd A L = (2- 5) 则所需的传热管长度： m2093.19 221025 . 0 14 . 3 29.310 nd s0 p = =AL 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 9 我国生产的系列中换热管的无缝钢管长度分为 1.5, 2, 3, 4.5, 6 米等好几种，在管 长的选取时应注意材料应合理使用，换热器也应长径比适宜。列管式的换热器长径比 的范围可在 425 mm 之内，一般情况下为 610mm。 确定了每程管子长度之后，即可求得管程数： l p L N = (2- 6) 根据该设计情况，传热管长现取 l = 4.99m，则换热器的管程数应为： 4 5 20 l p = L N，取 Np=4 传热管总管数： spn NNT= (2- 7) 所以传热管总管数为： NT=2214=884（根） 2.4.7 平均传热温差的校正以及壳程数的选取平均传热温差的校正以及壳程数的选取 若选用双管程换热器，可提高管内表面传热系数，与此同时换热器的阻力也随之 增加，部分传热温差就有所损失。温差校正系数 t与流体的进出口温度有关，也与 换热器的壳程数及管程数有关。 平均传热温差计算公式： ，逆 mtm tt= (2- 8) )1/()1ln( ) 1)(1( t 2 m PRp ttR = ，逆 (2- 9) )11 (2 )11 (2 ln )(1 t 2 2 12 m 2 + + + = RRP RRP ttR (2- 10) 平均温差校正系数有： 0 3343 96.4996.49 12 21 = = = tt TT R 冷流体的温降 热流体的温降 59 . 0 3396.49 3343 11 12 = = = tT tt P 两流体最初温差 冷流体的温升 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 10 由 )1/()1ln( ) 1)(1( t 2 m PRp ttR = ，逆 和 )11 (2 )11 (2 ln )(1 t 2 2 12 m 2 + + + = RRP RRP ttR 算平均传热温差： 22.11 ) 59 . 0 22 2 ln( )3343( )11 (2 )11 (2 ln )(1 t 2 2 12 m 2 = = + + + = RRP RRP ttR 再由 ，逆 mtm tt=算温差校正系数： 1 23.11 11.22 tt mtm = ，逆 因为平均传热温差的校正系数大于 0.8，壳程流体的流量比较大，取单壳程合适。 2.4.8 管子排列管子排列 传热管在管板上的排列有很多形式，即正三角形、转角正三角形、正四边形、转 角正四边形以及同心圆排列13。其中最常用的有正三角形直列、正三角形错列、正方 形直列和正方形错列。正三角形的排列非常紧凑,在壳径一定时，管子数目排列较多, 且传热效果较好,但管外清洗比较困难。而正方形排列时,管外清洗比较方便,当壳程流 体易结垢时比较适用,其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三 角形错列,用于壳侧流体清洁,不易结垢,后者壳侧污垢可以用化学方式处理掉。 管子采用正三角形排列时，管子的排列面积是一个正六边形，排在正六边形内部 的传热管数为： NT=3a(a+1)+1 (2- 11) 若设 b 为正六边形对角线上的管子数目，则： b=2a+1 (2- 12) 采用正三角排列，当管子总数超过 127 根，即正六边形的个数 a6 时，最外层六 边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应配置传热管，可以排的管子数目见表 2- 2。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 11 表 2- 2 管子排列数目 正三角形和转角正三角形排列有利于壳程物流的湍流，并且在管的间距相等时， 采用正三角形和转正三角形在同一管板面积上可以排列最多的管数。 虽然管间清洗比 较困难，但由于二甲胺的粘性小，不容易结垢，所以本设计选择转角正三角形排列。 本换热器的正六角形的数目为 14，六角形对角线上的管数为 29。 2.4.9 管心距管心距 当管心距过小时，采用胀接法固定会造成胀接在挤压作用下发生变形，管子与管 板之间的连接力便会失去14。因此，采用焊接法焊接。 根据经验公式： t=1.25d0=1.2525=32mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22mm 各程相邻管的管心距为 2S=44mm 2.4.10 壳体内径壳体内径 结构若采用多管程时，壳体的内径可以按照下式 2- 13 估算： T N Dt05 . 1 = (2- 13) 的取值范围如下：正三角形排列，2 管程，=0.70.85,4 管程以上，=0.6 0.8。估算出壳体内径后，需圆整到标准尺寸。卷制壳体的内径（公称直径）以 400mm 为基数，以 100mm 为进级档。 正六边 形数目 a 正三角形排列 六边形 对角线上 的管数 b 六边形内 的管数 每个弓形部分的管数 第一列 第二列 第三列 弓形部分 的管数 管子总数 10 21 331 6 36 367 11 23 397 7 42 439 12 25 469 8 48 517 13 27 547 9 2 66 613 14 29 631 10 5 90 721 15 31 721 11 6 102 823 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 12 取管板的利用率 =0.85，则壳体的内径为： mm 6 . 1083 85 . 0 884 3205 . 1 t05 . 1 = T N D 所以壳体内径初步计算圆整为 D=1100mm 则横过管数中心线管的根数：)(33 7 . 328841 . 11 . 1根=NNTC 2.4.11 折流板折流板 圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两类。 上 下方向圆缺型可造成液体的剧烈湍动，使传热膜系数增大，这种结构是最常用的。而 对于水平安装的折流板，为了防止流体短路，切去的圆缺高度应小于等于壳体内径的 35%，所以选用圆缺上下方向排列15。取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的 20%。 则被切去的圆缺高度为 h=0.201100=220mm 对于卧式换热器，折流板间最小间距为壳体内径的 35%，最大间距不宜大于 壳体内径的 2 倍折流板数，取折流板间距 B=0.35D，则： B=0.351100=385mm。取 B 为 385mm。 NB=传热管长/折流板间距- 1=4500/385- 1=11（块）。 2.4.12 换热器核算及壳程表面传热系数换热器核算及壳程表面传热系数 换热器的核算内容主要包括换热器的热流量、传热管壁温和流体阻力。 壳程表面传热系数： 工业上换热器以采用水平管束和垂直管束居多， 且管表面液膜多为层流16。 在该 种情况下一般用德沃尔基于努塞尔的理论公式和实测值， 冷凝表面是层流时的传热系 数计算式如 2- 14，2- 15 计算。 水平管束冷凝： 3 1 3 1 32 2 0 * e51 . 1 ) g ( =R (2- 14) ， M R L M 4 e n m s 1 = (2- 15) 当量管数 ns与传热管布置方式及总管数有关，传热管布置为三角形错列，则 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 13 可用下式求得： 495. 0 ts 08 . 2 nN= (2- 16) 由公式求得当量管数 ns=2.088840.495=59.78 再通过公式，可得无量纲冷凝表面传热系数： 948 . 2 ) 000141 . 0 1 78.599 486 . 0 4(51 . 1 ) 1 n m 4(51 . 1 =* 3 1 3 1 s 1 = = L 冷凝表面传热系数： 35235 )208 . 0 81 . 9 1 . 620/()000141 . 0 ( )948 . 2 ( )/( )( 3 1 322 3 3 1 3 1 2 2 1 3* 0 = = g 2.4.13 管内表面传热系数管内表面传热系数 管程为流体无相变传热，则在通常情况下可用下式计算其表面传热系数： n0.8 i i i Pre d 023 . 0 R = (2- 17) 该式适用的条件为： 粘度低的流体（ 低于 210- 3 Pas） 雷诺数 Re10000； 普朗特数 Pr 在 0.6160 之间； 管长管径之比 l/d 50； 定性温度可取流体进出口温度的算术平均值； 特征尺寸取传热管内径 d。 雷诺数： i2 i u de =R (2- 18) 可管程流体流通截面积 22 i mm13879 . 0 2 884 02 . 0 785 . 0 =S 求得管程流体流速s/m3 . 1 0694 . 0 6 . 992/176.89 ui=， 求雷诺数37952 )1068 . 0 ( 6 . 992 3 . 102 . 0 e 3 = = R 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 14 普朗特数51 . 4 63 . 0 1068 . 0 10174 . 4 r 3 p 3 = = C P )/(609751 . 4 )37952( 02 . 0 63 . 0 023 . 0 24 . 08 . 0 i KmW= 2.4.14 污垢热阻和管壁热阻污垢热阻和管壁热阻 对于物料种类的处理，由于物料种类繁多，所以操作的条件也有很多，所以对于 污垢的生成规律不容易掌握，再加上人们对这类问题的研究比较少，以至于目前对污 垢热阻的选取主要凭借经验数据来选取。选择污垢热阻时，应特别慎重，尤其对易结 垢的物料更是如此。因为往往在传热热阻中，污垢热阻占有较大的比例，并且对传热 系数的影响也很大。 管外侧污垢热阻 Rso=0.000176m2/W 管内侧污垢热阻 Rsi=0.00026m2/W 传热管壁厚和材料决定着管壁热阻，其值为： w w b =R (2- 19) 常见金属材料的热导率见下表 2- 3。 表 2- 3 常见金属材料的热导率 温度 0 100 200 300 400 铝 227.95 227.95 227.95 227.95 227.95 铜 383.79 379.14 372.16 367.51 362.86 碳钢 52.34 48.85 44.19 41.87 34.89 不锈钢 16.28 17.45 17.45 18.49 管壁热阻计算，不锈钢条件下的热导率为 16.86W/(m)。所以 WKR/m00015 . 0 86.16 0025 . 0 2 w = 2.4.15 传热系数传热系数 ) 1 ( 1 0 0 000 + = R d dR d dR d d K m w i i ii (2- 20) 换热器的传热系数： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 工艺计算 15 )/(1157 ) 35235 1 000176.0 0225.0 025.000015.0 020.0 025.000026.0 020.06097 025.0 ( 1 ) 1 ( 1 2 0 0 000 mW R d dR d dR d d K m w i i ii = + + + = + = 2.4.16 传热面积裕度传热面积裕度 在规定热流量下，计算了传热系数 Kc 和平均传热温差后，则与 Kc 对应的计算 传热面积为 2 3 mc c m295 23.111157 103833 t = = = K Q A 根据 Ac 和 Ap 可求出该换热器的面积裕度可由式 2- 21 计算: c cp- A AA H = (2- 21) 2 0p m 9 . 3465884025 . 0 14 . 3 d=LNA 换热器的面积裕度 H 为： % 6 . 17 295 )295 9 . 346( - c cp = = A AA H 为保证换热器操作的可靠性，换热器的面积裕度应为 15%20%，由结果可知， 本文设计的二甲胺换热器满足热流量要求。 2.4.17 传热管和壳体壁温核算传热管和壳体壁温核算 计算温差应力、检验所选换热器的形式是否合适，是否需要加设温度补偿装置等 均需要校核壁温。 考虑到污垢热阻的影响，根据传热方程，有 ）（ h h mw R A