换热器设计报告.doc

化工流体传热课程设计任务书（一）设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计（二）设计任务及条件1、蒸发系统流程及有关条件见附图。2、系统生产能力： 85 万吨/年。3、有效生产时间：300天/年。4、设计内容： 效预热器（组）第 1 台预热器的设计。5、卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器，试根据附图中卤水预热的温度要求对预热器（组）进行设计。6、卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于0.5m/s。7、换热管直径选为383mm。8、卤水物性参数随温度的变化，当手册查不到时，可按水的变化规律推算。（三）设计项目1、由物料衡算确定卤水流量。2、假设K计算传热面积。3、确定预热器的台数及工艺结构尺寸。4、核算总传热系数。5、核算压降。6、确定预热器附件。7、设计评述。（四）设计要求1、根据设计任务要求编制详细设计说明书。2、按机械制图标准和规范，绘制预热器的工艺条件图（2#），注意工艺尺寸和结构的清晰表达。设计流程图确定物性常数，传热量、蒸汽流量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间估计传热总数，计算传热面积初值计算选择传热管参数，并计算管程相应参数计算值与假定值相差较大估计冷凝传热系数计算值与假定值相差较大核算冷凝传热系数计算管内传热系数总传热系数核算计算值与假定值相差不大折流板计算壳侧压降和管侧压降计算。计算换热器其余零件确定换热器基本尺寸目录第1章 设计简介-4第2章 热力学计算-5 2.1 由物料衡算确定卤水流量-5 2.2 假设K计算传热面积-5 2.2.1 热力学数据的获取-5 2.2.2 估算传热面积-6 2.2.3 工艺尺寸的计算-6 2.2.4 核算总传热系数-8 2.2.5 核算压降-9 2.3 确定预热器附件-10 2.4 泵的选用-12 2.5 换热器主要结构尺寸和计算结果-13第3章 设计评述-14第4章 主要符号说明-16第5章 参考文献-17第一章 设计简介在工程中，将某钟流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器，又叫热交换器。在这种设备中，至少有两种温度不同的流体参与传热。在工业生产中，换热器的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器，省煤器，空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器，除氧器；冶金工业中的高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器；都是换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用换热器的场合更是不胜枚举。在航天航空工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运动时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少的重要部件。另外，由于世界上煤油，石油和天然气资源的储量有限而面临着能源短缺的局面，各国都在致力于新能源的开发，因而热交换器的应用又与能源的开发与节约紧密联系。所以，换热器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各个部门。根据换热器在生产中的低位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有：（1) 满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高，热损失少，在有力的平均温度下工作。（2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。（3) 设备紧凑。（4) 保证较低的流动阻力，以减少换热器的动力消耗这次设计的换热器要求单管程固定管板式列管换热器，以二次蒸汽为加热流体预热卤水，将卤水由83摄氏度加热到91摄氏度通过对换热器的设计，达到让学生了解换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的构最共完成图纸。可以说，这次设计作业从准备材料，估算，核算，到最后的作图，多方面的锻炼的学生们的设计能力，于此同时，还提高了团队合作能力。第2章 热力学计算2.1由物料衡算确定卤水的流量由表格2-1知数据如下表2-1年产量（纯NaCl）80万吨/年工作时间300天/年卤水中NaCl含量293.76g/L第一效体积分率28%根据任务书的要求，氯化钠的年产量为85万吨/年，根据公式进行计算得： 从图中可以看出进入第三效的卤水流量F为： 2.2 假设K计算传热面积 2.2.1热力学数据的获取 （1）冷流体卤水的定性温度： 入口温度：83 出口温度：91 循环水的定性温度为查询数据得表2-2： 表2-2 卤水的物理性质表 温度， 密度， 恒压热容 粘度 导热系数 kg/ kJ/(kgK) mPas w/(m) 87 1149.6 3.42 1.9 0.62 (2) 饱和水蒸汽的热力学性质从图中我们看出第三效的加热蒸汽是198.6kpa，通过查表得到此时的饱和水蒸汽温度为T=120，汽化热为 =2204.6kJ/kg2.2.2 估算传热面积（1） 计算传热量 （2） 水蒸气耗量 （3） 计算有效平均温度差 、 （4） 流体流经的选择冷流体卤水不洁净并且易结垢，所以走管程，便于清洗。热流体为饱和水蒸气，宜走壳层以便于及时排除冷凝液，且蒸汽结晶，一般不清洗。（5） 估算传热面积根据经验选取K=1000,估算传热面积:2.2.3 工艺尺寸计算（1） 管径与管内流速的确定 根据设计说明书要求，选用383mm较高级不锈钢传热管，管内流速取u=0.6m/s。（2） 管长与传热管数 选用L=6m的管长。 根据流量与流速确定管数：因此，实际换热面积为 采用此换热器，则要求过程的总传热系数为（3） 平均温度差校正及壳程数 平均温度差校正系数有： R=0 查参考文献有 由于平均温度差校正系数大于0.8，同时壳层流体流量比较大，所以采用单壳层合适。（4） 壳体内径根据壳体内径公式 其中t=1.25外管径，管子按正三角形排列时，横过管数中心线管的根数b=1.25倍外管径由此，算的壳体外径475mm进行圆整，得外径500mm综上，立式单管程固定管板式列管式换热器的规格如下：公称直径.500mm 公称换热面积.46.53 管程数.1 管数n.65 管长L.6m 管间距.47.5mm 管子直径. 管子的排列方式.正三角形（5） 折流挡板结构的设计本设计采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体外径的20%，即 ，折流挡板间距取B=600mm，所用到的板数2.2.4 核算总的传热系数 （1） 管程对流传热系数其中 所以 （2） 污垢热阻和管壁热阻根据查表，得管程壁面的污垢热阻，壳程壁面的污垢热阻，根据换热器不锈钢材质可以查出管壁的导热系数（3） 壳程对流传热系数 其中 蒸汽温度=120， 壁温需要通过估算来求解，估算公式为 假设，带入计算，从而求解出壁温数值。然后将壁温值带入再求壳程对流传热系数，通过循环计算，使得壁温和壳程对流系数相对应。通过计算，求的： ，（其中，饱和水的定性温度为115，物性参有 (4) 总传热系数K 所以换热器是合适的，安全系数为22.6% 2.2.5 核算压力降 （1） 管程压降 其中 对于不锈钢，取管壁粗糙度 有图中差查的 故 （2） 壳程压降 流体流经管束的阻力 管子为正三角形排列F=0.5壳程流通面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为: 流体通过折流板缺口的阻力 总阻力 2.3确定预热器附件 （1） 折流挡板 本设计采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体外径的20%，即 ，折流板按等间距布置，管束两端的折流板应尽可能靠近壳程进、出口接管，缺口上下排列，名义外直径500mm，厚度8mm，折流挡板间距取B=600mm，所用到的板数。（2） 拉杆 拉杆是折流挡板定位不可缺少的原件。拉杆采用定距管结构，共4根，拉杆直径16mm。拉杆长度按实际需要确定，具体看尺寸图。（3） 外壳 换热器外壳包括壳体与换热器两端的封头-管箱。本设计中，外壳采用碳钢材料，为了保证壳体具有足够的强度，壁厚设计为8mm。管箱设计时在管箱上设计一平盖，便于拆洗。封头与壳体用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。根据设计规格，本设计的封头为内径500mm的标准椭圆头，厚度8mm，直边高度25mm。（4） 管板 管板式本换热器上的重要零件之一，设计中要考虑管板厚度的计算，以及管板与换热管，壳体及管箱的连接。本设计中管板厚度定为27mm（5） 管板开孔 换热管排列原则如下：换热管的排列应该使整个管束完全对称。在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内，应该全部布满换热管。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边的位置处应布置拉杆，其间距小于或等700mm。拉杆中心与折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（0.51.5）范围内。（6） 换热器接管 管道中水溶液的流速定为2m/s，所以卤水的进口管管径为 饱和蒸汽的流速定为30m/s，因此饱和蒸汽进口管管径为 因冷凝水的流速一般为0.5m/s，所以冷凝水的出口管径为 (7) 主要连接方式 对于换热器，主要是壳体与管板的连接，换热管与管板的连接和管板与拉杆的连接。 管板与壳体之间采用焊接的形式，换热管与管板也采用焊接的形式，管板与拉杆之间采用螺纹连接。（8） 支座 对于本设计立式换热器，支座采用耳式支座较好。2.4 泵的选用泵的扬程：， 其中，为下卤水的密度，经查文献1附录， 得 流动前后流速差：； 本换热器采用立式结构，总高度， 其他组员设计的换热器高度也是6.5m，选取的高度即为6.5m， 由泵到换热器接管高度选取， 由换热器到蒸发器水平高度选取， 故； 静压头 ； 由上面计算可知，本换热器管程压降， 第二个换热器管程压降， 第三个换热器管程压降， 第四个换热器管程压降， 故， 输送流体卤水的流量， 得到泵的工作点：， ， 输送流体为卤水，黏度比水大。 综上，查阅文献1附录24，选用IS150125250型单级单吸离心泵， 泵的性能参数如下：型号流量/扬程/转速功率/效率气蚀余量质量（泵/底座）/kg轴电机IS150-125-250 12022.5145010.418.5713.0188/1582.5换热器主要结构尺寸和计算结果换热器类型：单管程固定管板式换热器换热器面积（）：46.53工艺参数名称管程壳程物料名称卤水饱和水蒸气操作温度，8391120流量，kg/s35.90.44流体密度，kg/1149.61.127流速，m/s0.64.95传热量，kW980总传热系数，787.4对流传热系数，20005045污垢系数，0.0001720.000086压力降，Pa2659.11508.69程数11使用材料不锈钢碳钢管子规格，mm383mm管数65管长，m6管间距，mm47.5排列方式正三角形壳体内径，mm475第3章 设计综述通过两周的资料查阅、计算核实、画图，本次列管式换热器设计大体完成，当然，还有很多不足之处有待修改，下面是我对本次设计的一些评价与感受。1、 资料查询要有足够的针对性 起初，我为了设计这次的换热器，查询了大量的文献书籍，不同书上有不同的方法，而且部分方法都十分复杂，所以把设计放到了一个特别高的位置，开始研究计算方法，然而问题却没有得到解决，反而更难了。结果，索性就按照书籍上的来，结果计算起来才有了思路，在计算得过程中遇到了难题再去查阅书籍，参考文献，这样效率才得到了大幅度的提高。看来查阅资料不是越多越好呀。2、 计算方法有技巧 这次设计的重点之一就是核算换热器的总传热系数，这个决定了结果是否正确，所以这个也就理所当然是难点之一了。估算了换热器的面积S和传热系数K，接下来就设计换热器的结构和核算传热系数了。设计结构倒是没费太多时间，可是到了核算就头疼了，错了不要紧，一次肯定算不对，可是前面假设的数据太多，数据与数据之间有有联系，牵一发而动全身，一下子就不知所措了。例如，改变了管数，流速，传热面积，对流传热系数等等全都变化。在经过反复计算和总结后，我得出了一定的规律，改变设计的流速对结果很是关键，而且不会把计算得思路搅乱，最后在增大几次减少几次流速之后，最终算出了符合规定的K值。3、 很多不足需补充 本次设计完全是纸上谈兵，所有的东西都是从纸上来最终又落到了纸上，所以在考虑问题时势必会有所欠佳。列如很重要的一点，安全问题。由于参考资料有限，经验不足，安全问题没有考虑很多，算是只能完成换热器的设计要求。除此之外，换热器的组合安装、拆洗、整体大小重量、经济费用等问题都没有过多的涉及在其中。 接下来谈谈收获与感受吧。首先，我学会了按相应的条件查阅资料到筛选有用的资料，并且如何把文献上的资料合理的用到设计中。其次，我更加深入的了解了换热器这个设备的工艺与工程，特别是换热器的零部件的组成和其工作的原理。对于我第一次完成两年内的一项我认为较大型的设计，还是很满足与高兴的，这其中的不足之处我也会多加总结经验，相信下一次设计会更加成果。第4章 主要符号说明英文字母 B -折流挡板间距，m d-管径，m C-系数，无量纲 D-壳体内径，m f -摩擦系数 F-系数 h -圆缺高度，m S-传热面积， K-总传热系数， L-管长，m t -冷流体温度， T-热流体温度， u-流速，m/s n -程数,指数，管数 W-质量流量，kg/s N-管数，折流板数 V-体积流量，m3/s Nu-努塞尔特准数 P-压强，Pa Pr-普兰特准数 Q-传热速率，W r-气化潜热，kJ/kg R-热阻， Re-雷诺数希腊