换热器的设计.doc

课程设计 换热器的设计年级2008级专业设计者姓名设计单位完成日期目录1.1概述- 3 -1.2.换热器设计任务书- 5 -1.3换热器材质的选择- 6 -1.4管板式换热器的优点- 6 -1.5列管式换热器的结构- 7 -1.6管板式换热器的类型及工作原理- 8 -1.7确定设计方案- 8 -2.1设计参数- 9 -2.2计算总传热系数- 10 -2.3工艺结构尺寸- 11 -2.4换热器核算- 12 -2.4.1.热流量核算- 12 -2.4.2.壁温计算- 15 -2.4.3换热器内流体的流动阻力- 15 -3.1换热器主要结构尺寸和计算结果汇总表- 18 -4换热器附属设备的选择- 19 -4.1管道与壳体的连接- 19 -4.2管板与壳体的连接- 19 -4.3换热器的封头- 19 -4.4拉杆的数量与尺寸的选择- 19 -4.5导流筒的选择- 20 -4.6接管的选择- 20 -5结束语 - 21 -6参考文献- 22 - 1.1概述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。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。3540。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。 （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。 增大传热系数 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。 动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。 传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。 严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。1.2.换热器设计任务书 1 设计题目 用水冷却注射甘油的列管换热器的设计。 设计课题工程背景： 在化工生产过程中，常常需要将各种化工产品（如汽油、煤油、柴油,甘油等）进行冷却，本设计用冷却水冷却甘油产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。 设计的目的： 通过对甘油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。 2设计任务及操作条件 （1）处理能力: 1015/s（2）设备型式 列管式换热器 （3）操作条件 甘油：入口温度:100120;出口温度4050 冷却介质：水，入口温度2025，出口温度3035 允许压强降：小于101.3KPa（4）设计项目 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 换热器的主要结构尺寸设计。 主要辅助设备选型。设计管道与壳体的连接,管板与壳体的连接。 绘制换热器总装配图。 3设计说明书的内容 （1）目录； （2）设计题目及原始数据(任务书)； （3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择； （4）换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)； （5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)； （6）主体设备设计计算及说明； （7）附属设备的选择；（8）结束语 （9）参考文献 4. 部分设计问题指导 （1）列管式换热器基本型式的选择 （2）冷却剂的进出口温度的确定原则 （3）流体流向的选择 （4）流体流速的选择 （5）管子的规格及排列方法 （6）管程数和壳程数的确定 （7）挡板的型式 1.3换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 1.4管板式换热器的优点(1) 换热效率高,热损失小在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000W/m2K,在一般的工况条件下,换热系数也可以3000-4000W/m2K左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/31/4。(2)占地面积小重量轻除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.60.8mm。同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3)污垢系数低，流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4)检修、清洗方便，换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广设备最高耐温可达180,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。 当然板式换热器也存在一定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高,限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。1.5列管式换热器的结构 介质流经传热管内的通道部分称为管程。 （1）换热管布置和排列间距 常用换热管规格有192 mm、252 mm(1Crl8Ni9Ti)、252.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。 （A）（B）（C） （D） （E）图 1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列 （D）三角形错列 （E）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350的场合。 （3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。1.6管板式换热器的类型及工作原理 板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250、2.5MPa。因此同样是板式换热器,因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割,或者通过大量的焊缝来保证,在换热板片不开裂穿孔的情况下,冷热介质不会发生混淆。1.7确定设计方案1选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110 出口温度50；冷流体进口温度25，出口温度为35，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。2 管程安排 从两物流的操作压力看，应使甘油走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下溅，所以从总体考虑，应使循环水走管程，甘油走壳程。2.1设计参数30%甘油的定性温度： 密度 01068.55kg/m3 定压比热容 Cp03.72kJ/kg 热导率 00.543W/m 粘度 00.690mPas 水的定性温度： 密度 i995.68kg/m3 定压比热容 Cpi4.178kJ/kg 热导率 i0.6173W/ m 粘度 i0.8022m Pas 2.2计算总传热系数1、热流量 KW平均传热温差tm1=(t1-t2)/(t1/t2)=(85-15)/(85/15)式中： ,求得平均传热温差校正及壳程数 R= P=按单壳程，双管程结构得： 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。2、 冷却水用量 (kg/s)3计算传热面积 求传热面积需要先知道K值，根据资料查得甘油和水之间的传热系数在290710 W/(.)之间，先取K值为500W/(.)计算由Q=KAtm 得 () 2.3工艺结构尺寸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u1=2m/s2管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=9m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 Nt=882=1764.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,隔板两侧采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。5壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.75 ，则壳体内径为： D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=600mm6折流板 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=0.25600=150m，故可取H=150mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3600=180mm，可取B为300mm。折流板数目NB=2.4换热器核算2.4.1.热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算得： 当量直径： =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：（2）管内表面传热系数： 管程流体流通截面积：管程流体流速： 普朗特数： （3）污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以：（4） 传热系数： （5）传热面积裕度 依式可得所计算传热面积Ac为：该换热器的实际传热面积为Ap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。2.4.2.壁温计算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为25，出口温度为35计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有: 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 30 (110+50)/2=80 7797.67w/k 2194.6w/k传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=80。壳体壁温和传热管壁温之差为 。2.4.3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , 由Re=48257.3，传热管粗糙度，相对粗糙度查莫狄图得，流速u=1.944m/s,所以: 80318小于101315所以：管程流体阻力在允许范围之内。壳程流体阻力式中 -流体横过管束的压力降,Pa -流体通过折流挡板缺口的压力降,Pa -壳程压力降的垢层校正系数,无银次,对于液体取1.15 -壳程数而 管子的排列方式的压力降的影响的校正因数壳程数管子为正三角形排列,管子排列方法对压力降的校正系数F=0.5横过管束中心线的管子数折流挡板间距H=0.15折流挡板数壳程流通面积所以即 壳程流体阻力在允许范围之内.3换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：换热器型式：浮头式换热器面积（）：102.3工艺参数名称管程壳程物料名称循环水甘油操作压力，MPa0.1010.101操作温度，25/3550/110流量，kg/s53.4210流体密度，kg/995.681068.55流速，m/s1.9440.2375传热量，kw2232总传热系数，w/k635.9对流传热系数，w/k7797.672194.6污垢系数，k/w0.0001760.00058阻力降，KPa80.3187.49程数21使用材料碳钢碳钢管子规格管数 176管长，mm9000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式弓形间距，mm300切口高度25%壳体内径，mm600保温层厚度，mm项目数据项目数据壳径D(DN)600mm管尺寸 25mmX2.5管程数Np（N）2管长l（L）6.0m管数n232管排列方式正三角形排列中心排管数nc16管心距32mm管程流通面积Si0.0364 m传热面积107.5m根据核算结果表明,所选型换热器可用.4 附属设备的选择:1. 管道与壳体连接:管子在管板上固定原则是必须保证管子与管板连接牢固,不能在连接处产生泄漏.由于操作压力为常压,故 采用胀接法.胀接法是用胀接器挤压伸入管板孔中的管子底部,使管端发生塑性变形,管板孔同时产生弹性变形.当取出胀接管器后,管板孔弹性收缩,管板与管子就会紧紧挤压在一起,实现密封紧固.2.管板与壳体连接管板与壳体连接形式分为两类:可拆式和不可拆式.浮头式的换热器一采用管板本身不直接与壳体焊接,而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定.壳体的设计压力为101.3KPa小于1MPa且壳体介质为非易燃易爆,非挥发性及有毒.故采用壳体壁厚3.换热器的封头选用椭圆形封头DN=600mm选用甲型平焊法兰PN=0.6MPaD=715mm D1=680mm D2=650mm D3=640mm D4=637mm d=18mm 4.拉杆的数量与直径的选取 表 拉杆直径 mm换热器外径d拉杆直径dn101216换热器的外径d=25mm所以 拉杆直径dn=16mm由于DN=600mm,dn=16mm查表可得拉杆数量为4个拉杆的长度的确定螺纹的公称直径dn=16mmLa=20mm Lb=60mm b=2.0mm5. 导流筒在壳程流体进出口和管板间必存在一段流体不能流动的空间（死角），所以常在管束外增