换热器化工设计.doc

目 录1 设计方案简介21.1 概述21.2 固定管板式换热器的优缺点31.2.1 优点31.2.2 缺点31.3 固定管板式换热器的构成及结构特点31.4 固定管板式换热器的结构原理31.5 设计任务书41.5.1 设计题目41.5.2 设计原始数据42 流程及方案的选择说明42.1 列管式换热器类型的选择42.2 流径选择52.3 流向选择52.4 列管规格52.5 流速的选择53 主体设备的工艺尺寸计算63.1 目的63.2 确定流体的物性参数63.3 计算热负荷Q和冷却水用量WC73.4 估算传热面积73.5 列管数和程数初定83.6 换热器核算103.7 换热器内流体的流动阻力123.8 换热器的主要结构尺寸和计算结果154 符号说明161 设计方案简介1.1 概述换热器是在不同温度的流体间传递热能的装置。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。如何根据不同的生产工艺流程设计出投资省、能耗低、传热效率高的换热器是设计人员的重要工作。换热器的类型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。本次设计采用列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，其设计资料比较完备，在许多国家都有了系列化标准。固定管板式换热器的特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。目前固定管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用，并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。本次设计用煤油对冷却水进行预热，基于任务书的要求，这里初步选用带有膨胀节的固定管板式换热器。图1-1 固定管板式换热器1.2 固定管板式换热器的优缺点1.2.1 优点1、 旁路渗流较小 2、 锻件使用较少，造价低； 3、 无内漏；4、 传热面积比浮头式换热器大20%30%。5、污垢系数低，检修、清洗方便，产品适用面广。1.2.2 缺点(1) 壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t70,当t50时必须在壳体上设置膨胀节；(2) 易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；(3) 壳程无法机械清洗；(4) 管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；1.3 固定管板式换热器的构成及结构特点固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。 固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。1.4 固定管板式换热器的结构原理结构原理：固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。1.5 设计任务书1.5.1 设计题目冷却水煤油换热器设计1.5.2 设计原始数据(1) 工作介质煤油和冷却水(2) 煤油质量流量：Wh=2.0万 吨/年=2525.253kg/h，温度T1=150.0，T2=40.0。(3) 冷却水温度t1=30.0，温度t2=40.0。(4) 其他操作压力：常压。2 流程及方案的选择说明2.1 列管式换热器类型的选择因为我们要使用的30.0的水冷却150.0的煤油，流体压力不大，管程与壳层温度差不大，所以初步确定选用固定管板式换热器，如图1所示。图 1 固定管板式换热器因为这种型式换热器的比较适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合，管束固定于管板上，单位体积的传热面积大，传热系数大，热损失小，结构简单且坚固，性能可靠。在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。因为本次设计所要处理的煤油的进出口温差50，所以可能需要焊接膨胀节。2.2 流径选择由于本次设计中的冷却水的腐蚀性和结垢性高于煤油，所以选择冷却水走管程,煤油走壳程。2.3 流向选择本次设计采用逆流传热。2.4 列管规格查天津大学版化工原理教材P287列管常用规格。管径：192，252.5，382.5，572.53.5。管长：1.5m，2.0m，3m，4.5m，6.0m，9m。2.5 流速的选择冷却水和煤油流速：0.33ms。3 主体设备的工艺尺寸计算3.1 目的确定换热器列管长度L，列管数n，程数nT，列管排列方式等。3.2 确定流体的物性参数3.2.1 定性温度定性温度：对于一般的煤油和冷却水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的算数平均值。故管程冷却水的定性温度为：t=t1+t22=30.0+40.02=35.0壳程煤油的定性温度为：T=T1+T22=150.0+40.02=95.03.2.2 流体物性参数根据定性温度查取任务书，得到冷却水和煤油的数据分别如下(其中部分数据通过插值法估算得到)：(1) 冷却水在35.0下的物性数据为：密度：1=994.06kgm3；比热容：CP1=4.178103JkgK；热导率：1=0.6243wmK；粘度：1=0.722510-3Pas。(2) 煤油在95.0下的物性数据为：密度：2=825.00kgm3；比热容：Cp2=2.220103JkgK；热导率：2=0.140wmK；粘度：2=0.071510-3Pas；3.3 计算热负荷Q和冷却水用量WC冷侧：进口温度t1=30.0，出口温度为t2=40.0热侧：进口温度T1=150.0，T2=40，流量：Wh=2525.253kgh，；3.3.1 热负荷Q=WcCP1(t2-t1)=WhCP2(T1-T2)式中：Wc,Wh冷、热流体的质量流量，kg/h； CP1,Cp2冷、热流体的定压比热，J/(kgk)； t1，t2冷流体的进、出口温度，K； T1，T2热流体的进、出口温度，K。3.3.2 热流量依据式Qh=WhCP2(T2-T1)有：Qh=WhCP2(T2-T1)=2525.2532.220103150.0-40.0=616666.667kJ/h=171.296kW3.3.3 冷却水用量Wc=QCP1(t2-t1)=171.2964.178103(40.0-30.0)=4.100kJ/s3.3.4 平均传热温度差按逆流计算，依下式得：tm=t1-t2lnt1t2=110-10ln11010=41.7033.4 估算传热面积由天津大学版化工原理教材P211页表4-11选取Ko,初=210Wm2K，则估算的传热面积为：S估=QhKo,初tm=171.29610321041.703=19.560m23.5 列管数和程数初定3.5.1 管径和管内流速查天津大学版化工原理教材P287，选用252.5碳钢传热管,取管内冷却水流速：u=0.65ms。3.5.2 管程数与传热管数依据下式确定换热管的单程管数：ns=Wc4di2u1式中 ns单程管子数； Wc管程流体的质量流量，m3/s； di传热管内径，mm； u管内流体流速，m/s。则：ns=Wc4di2u=4.10040.02020.65994.06=20.2021按单管程计算，所需长度L=S估dons=19.5603.140.02521=11.86m取管长L=3000mm，则Ap=11.863.0=4管程NT=19.5603.140.0253.0=83.0184根3.5.3 平均传热温差校正及壳程数R=T1-T2t2-t1=150.0-40.040.0-30.0=11.000P=t2-t1T1-t1=40.0-30.0150.0-30.0=0.083按单壳程、四管程结构，查得：t=0.832平均传热温差：tm=ttm=0.83241.703=34.691 3.5.4 壳体内径采用四管程结构，壳体内径可按正三角形排列估算。取管板利用率=0.60，则壳体内径为：D=1.05aNT=1.0532840.60=397.56mm按卷制壳体的进级档50100，取DN=400mm3.5.4 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。取中心距a=1.25d0，则a=1.2525=31.2532mm隔板中心到离其最近的管子中心距离为：S=a2+6=322+6=22mm则各相邻管的管心距为t=2S=44mm,管束的分程方法，每程为21根。排管图如下所示：图 2 列管在管板上的排列图(5) 折流板本次设计采用单弓形折流板，取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的1/4,则h为h=0.25D=0.25400=100mm取折流板间距B=0.5D=0.200mm （这里取200mm）则折流板的数目为N=LB-1=14块但是根据实际接管的位置及布局，最终根据画图所得取N=12块。3.6 换热器核算3.6.1 热流量核算(1) 管程外表面传热系数a0用克恩法计算：a0=0.36deRe00.55Pr13w1.14当量直径,按正三角形排列计算：de=432t2-4do2do=4320.0322-40.02520.025=0.0202m壳程流通截面积S0=BD1-d0a=0.2000.4001-0.0250.032=0.0175壳体流速和雷诺数分别为u0=V0S0=2525.253(3600825.00)0.0175=0.049m/sRe=deu0=0.02020.049825.000.071510-3=11212.132普朗特系数查得Pr=CP222=2.2201030.071510-30.140=1.134粘度校正(w)1,则：a0=0.360.1400.020211212.1320.551.1341310.14=439.887W(m2K)(2) 管内表面传热系数i(无相变)i=0.023idiRe0.8Prn其中，n=0.4(管内流体被加热)。管程流速和雷诺数分别为：ui=Wc4di21NT=4.10040.0202994.0656=0.625msRe=diui11=0.0200.625994.060.722510-3=17202.934普朗特系数：Pr=CP111=4.1781030.722510-30.6243=4.835则：i=0.0230.62430.02017202.9340.84.8350.4=3298.666Wm2K(3) 污垢热阻和管壁热阻可取管外侧污垢热阻：R0=0.1719710-3 m2K/W管内侧污垢热阻：Ri=0.3439410-3 m2K/W管壁热阻,碳钢的热导率为w=50.00W/(mK),所以Rw=bw=0.002550.00=5.00010-5 m2K/W(4) 传热总系数KC为Kc=1d0idi+Rid0di+Rwd0dm+R0+10算得Kc=302.121W/m2K(5) 传热面积裕度传热面积AC为：AC=QKctm=171.296103302.12134.691=16.344m2则该换热器的面积裕度为：H=S估AC=19.560-16.34416.344=21.10%传热面积裕度在15%20%之间，较为合适,该换热器能够完成生产任务。3.6.2 壁温核算按最不利的条件计算，即取两侧污垢热阻为零计算，热力学平衡公式为Q=hAhTm-Tw=cActw-tm热流体的换热面积为：Ah=Nd0l=19.792m2冷流体的换热面积为：Ac=Ndil=15.834m2(1) 传热管壁温TTw=150.0-171.29610319.792439.887=130.325tw=30.0+171.29610315.8343298.666=33.280则热管壁为T=Tw+tw2=81.802(2) 壳体壁温t近似取为流体的平均温度,则t=T1+T22=95.0(3) 壳体壁温与传热管壁温之差为T=T-t=81.802-95.0=13.19850该温差不大,不需要设置膨胀节。3.7 换热器内流体的流动阻力3.7.1 管程阻力PtPt=Pi+PrNSNpFs+PnNS式中：壳程数Ns=1，管程数Np =4，取管程结构校正因素Fs=1.5由Re=17202.9342000,可得摩擦系数i=0.01227+0.7543Re0.38=0.0308流速：ui=0.625ms，1=994.06kgm3所以：Pi=ildiu22=0.03083.00.02994.060.62522=897.64PaPr=3u22=3994.060.62522=582.77PaPn=1.5u22=1.5994.060.62522=291.39Pa则管程总压降：Pt=897.64+582.77141.5+291.391=9173.89Pa管程流体阻力在允许范围之内。3.7.2 壳程阻力PsPs=P0+PpNSFs式中：壳程数Ns=1，壳程结构校正因素Fs=1.1(1) 流体流经管束的阻力P0=Ff0NTCNB+1uo22式中：管子排列形式影响（三角形）F=1，折流板数目NB=12NTC=1.1NT0.5=1.1840.5=10.082壳程流通面积：S0=BD-NTCdo=0.200(0.400-10.0820.025)=0.0296m2壳程流体横过管束的最小流速：uo=V0S0=2525.253(3600825.00)0.0296=0.0287m/sReo=douo22=0.0250.0287825.000.071510-3=8288.326壳程流体摩擦因子f0为f0=5Re0-0.228=58288.326-0.228=0.639因此流体流过管束的阻力为：P0=10.63910.08212+1825.000.028722=28.524Pa(2) 流体流过折流板缺口的阻力Pp=NB3.5-2BDu022=123.5-20.2000.400825.000.028722=10.216Pa总阻力：Ps=28.524+10.21611.1=42.615Pa3.8 换热器的主要结构尺寸和计算结果到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，其计算结果如下表1所示：表 1 换热器的主要结构尺寸和计算结果参数管程（冷却水）壳程（煤油）流率/(kg/h)14759.8532525.253进/出口温度/30.0/40.0150.0/40.0压力/MPa0.10.1物性定性温度/35.095.0密度/(kg/ m2)994.06825.00定压比热容/kJ/(kgK)4.1782.220粘度/(Pas)0.722510-30.071510-3热导率/W/(mK)0.62430.140普朗特系数4.8351.134设备机构参数