列管式换热器说明书.doc

实用文档目 录一、设计任务2二、概述与设计方案简介32.1 概述32.2设计方案简介32.2.1 换热器类型的选择32.2.2流径的选择52.2.3流速的选择52.2.4材质的选择62.2.5管程结构62.2.6 换热器流体相对流动形式6三、工艺及设备设计计算73.1确定设计方案73.2确定物性数据73.3计算总传热系数73.4计算换热面积83.5工艺尺寸计算83.6换热器核算103.6.1传热面积校核103.6.2换热器内压降的核算11四、辅助设备的计算及选型124.1拉杆规格124.2接管12五、换热器结果总汇表13六、设计评述13七、 参考资料14八、主要符号说明14九、致谢15一、设计任务学生姓名班级指导教师题目设计基本参数处理能力：3000kg/h设备型式：列管式换热器操作条件：加热介质： 水 ：入口温度：95，出口温度：70；果汁：入口温度：36，出口温度：72。设计要求及内容1、设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。2、主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。3、辅助设备的选型典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。4、编写设计说明书将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事求是地介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。设计说明书内容：（1） 封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间）（2） 目录（3） 设计任务书（4） 概述与设计方案简介（5） 工艺及设备设计计算（6） 辅助设备的计算机选型（7） 设计结果汇总表（8） 设计评述（9） 参考资料（10） 主要符号说明（11） 致谢各阶段时间安排（以天为单位）用一周时间集中进行1、 设计方案选定：0.5天2、 主要设备的工艺设计计算：2天3、 辅助设备的选型：0.5天4、 编写设计说明书：2天二、概述与设计方案简介2.1 概述在工业生产中用于实现物料间热量传递的设备称为换热设备，即换热器。换热器是化工、动力、食品及其他许多部门中广泛采用的一种通用设备。换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式，即间壁式、直接接触式、蓄热式。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。2.2设计方案简介2.2.1 换热器类型的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1.固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。2. U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。3.浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。4.填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。按照设计任务书的要求，冷流体流体果汁入口温度36，出口温度72，热流体是水，入口温度95，出口70，壳壁与管壁温差较大，基于这些要求，应选择填料函式换热器，填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。2.2.2流径的选择 在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。参考标准：（1） 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因管内清洗方便；（2） 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，且清洗、检修方便；（3） 压强高的流体宜走管程，以免壳体同时受压；（4） 有毒流体宜走管程，使泄漏机会减少；（5） 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果；（7） 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因折流档板的作用可使在低雷诺数（Re100）下即可达到湍流，但也可在管内采用多管程；（6） 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，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Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。综合以上标准，本次设计为果汁走壳程，水走管程。2.2.3流速的选择 表2-2 换热器常用流速的范围 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速m/s1.02.00.81.50.53.01.00.81.80.51.5530壳程流速m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故拟取流速为0.5m/s。2.2.4材质的选择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。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。2.2.5管程结构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，如下图所示。 (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。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 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。2.2.6 换热器流体相对流动形式换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。本次设计采用逆流的流动方式。三、工艺及设备设计计算3.1确定设计方案3.1.1换热器类型：填料函式换热器3.1.2流体流动形式两流体的温度变化情况：热流体进口温度：95，出口温度：70；冷流体进口温度：36，出口温度：72。为了增大平均温差，节省操作费用，本次设计采用逆流的流动方式。3.1.3管程安排考虑到水较易结垢，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，所以使水走管程，果汁走壳程；由于果汁有弱酸性，又因不锈钢管较碳钢管有较好的抗酸腐蚀性，故选用的不锈钢管。3.2确定物性数据 定型温度：对于一般液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。故壳程果汁的定性温度为 管程流体的定性温度为 t=果汁在50下有关物性数据如下： ； ；水在80下有关物性数据： ； ；3.3计算总传热系数3.3.1热流量3.3.2平均传热温差 3.3.3水用量3.3.4总传热系数K管程传热系数4000(湍流区)对流传热系数： 壳程传热膜系数：假设 查2附图9得：管外污垢热阻 管内污垢热阻不锈钢热导率3.4计算换热面积 考虑15%的面积裕度：3.5工艺尺寸计算3.5.1管径和流速：取的不锈钢管 流速u=0.5m/s3.5.2.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（根）按单管程计算，所需的传热管长度为：传热管长：按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，现取传热管长=4.5m，则该换热器的管程数为:管程数总根数：3.5.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数： 按双壳程四管程结构图，查图得：平均传热温差：3.5.4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。取管心距横过管束中心线管数：隔板中心到其最近一排管中心距： 管心距为44mm3.5.5壳体内经采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：根据标准可取D=159mm3.5.6折流板弓形折流板 高度为壳体内经的25%，则切去圆缺的高度取h=150mm折流挡板间距： 取B=100mm折流挡板数目：3.6换热器核算3.6.1传热面积校核管程传热膜系数：管程流体流通截面积：管程流体流速：壳程传热膜系数：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：总传热系数K管外污垢热阻 管内污垢热阻不锈钢热导率传热面积校核：换热器试剂传热面积：传热面积裕度：H=该换热器的面积裕度在15-25之间，则所设计换热器能够完成生产任务。3.6.2换热器内压降的核算管程阻力： 由Re=25869 传热管相对粗糙度/d=0.01 查2-Re 双对数坐标图得：=0.041 流速 10Kpa 13.0 Kpa 500时，总阻力:所以壳程流动阻力也比较适宜。四、辅助设备的计算及选型4.1拉杆规格由于壳体直径小于600mm，所以拉杆选取外径12mm的拉杆，共4根，均匀布置在管束外边缘。4.2接管4.2.1管程流体进出口接管取接管内液体流速为由 圆整后可取管内径为30mm4.2.2壳程流体进出口接管取接管内液体流速为由 圆整后可取管内径为35mm五、换热器结果总汇表参数管程壳程流率/(Kg/h)32803000进（出）口温度/95（70）36（72）物性定性温度/82554密度/(kg/m3)971.81030定压比热容4.195kJ/(Kg)3.183kJ/(Kg)黏度/Pas0.35510-31.810-3热导率0.674W/(m0.58W/(m普朗特数2.219.88设备结构参数形式填料函壳程数2壳体内径/mm159台数1管径/mm252管心距/mm32管长/mm4500管子排列正三角形管数目/根24折流板数/个44传热面积/m28.48折流板间距/mm100管程数4材质不锈钢主要涉及结果管程壳程流速/(m/s)0.450.23表面传热系数/W/(m231751655污垢热阻/(m2)/W0.0001720.000344阻力/Mpa0.0130.009热流量/Kw94.59传热温差/26.8传热系数/W/(m2593裕度1.29六、设计评述通过本次的课程设计，使我对换热器的结构和工作原理有了进一步的理解。并在设计过程中掌握了一定的工艺计算方法。同时，也让我更深刻的了解到全局观念的重要性。在设计换热器时：首先要根据任务要求选择合适的换热器形式。通过对设计参数的核算，浮头式和填料函式换热器能够满足本次设计的基本需求。浮头式换热器虽然是从性能各方面看都是本次设计理想的换热器，但是对于同样能满足需求的两个换热器来说，填料函式换热器成本相对较低，结构简单，易于维修和清洗。所以综合考虑设计参数、经济等方面条件后，我最终选择了填料函式换热器。其次，要选择合适的流体流径。根据选择的主要因素分析，有好多理论相互之间是矛盾的，并不能使条件一一满足。所以要抓住主要矛盾，依据传热效果好，清洗方便等具体情况分析，最终选择了水走管程，果汁走壳程。根据平均传热温差校正系数P、R查表