换热器的设计-化工课程设计.doc

化工原理课程设计报告 换热器的设计班级： 化工 3班 姓名： 魏静媛 学号： 10081265 指导教师：肖少华日 期：2013-06-12 课程设计任务书课程名称化工原理课程设计课程代码设计时间2013年6月12日指导教师肖少华专 业化学工程与工艺班 级3班一、课程设计任务（题目）及要求（一）设计任务：换热器设计（列管式换热器）年处理煤油x万吨（x=学号后两位数除以2+学号后两位数字的差值的绝对值，比如学号10081279，就是79/2+|7-9|=39.5+2=41.5）【其中，学号为11081009的同学的处理任务是25万吨】设计参数如下：（1） 煤油：入口温度140，出口温度40（2） 冷却介质：自来水，入口温度20，出口温度40（3） 允许压强降：不大于100kPa（4） 煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.1510-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.)，导热系数0.14W/(m.)（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行（6） 建厂地区：大气压为760mmHg（二）设计要求1、学生应在老师指导下独立完成，题目不可更换。2、查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。3、最后提交的课程设计成果包括：a)课程设计说明书纸质文件及电子文件。b)课程设计相关设计图纸质文件及电子文件。二、对课程设计成果的要求（包括课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求）1、分析课程设计题目的要求；2、写出详细设计说明；3、写出详细计算过程、经验值的取舍依据；4、设计完成后提交课程设计说明书及相关设计图；5、设计说明书应内容充实、写作规范、项目填写正确完整、书面整洁、版面编排、图表绘制符合要求。6、计算过程使用的符号符合参考资料中的要求，设计内容按参考资料设计示例执行。三、主要参考资料1 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计.天津大学出版社,2002年6月.2 陈敏恒，潘鹤林.化工原理（少学时）.华东理工大学出版社，2008年8月.指导教师（签名）： 教研室主任（签名）：目录1综述32课程设计任务书33换热器的简介与分类 43.1换热器的简介 43.2换热器的种类及特点 53.3换热器材质的选择 103.4管板式换热器的优点 123.5列管式换热器的结构 133.6管板式换热器的类型及工作原理 153.7确定设计方案 164设计计算17 4.1 流动空间以及流速的确定 17 4.2 确定流体流动及进出口温度 19 4.3 计算两流体的平均温度差 20 4.4 计算热负荷和冷却水流量205换热器主要附件的确定及工艺结构尺寸 215.1 污垢热阻215.2 管程数和传热管数 215.3 平均温度校正和壳程数235.4 换热管排列和分程法 236核算总传热系数 246.1 壳程对流传热系数 246.2 管程对流传热系数 246.3 总传热系数256.4 设计裕度 256.5 壁温计算 257核算压强降267.1 管程压强降 267.2 壳程压强降 278换热器主要结构尺寸和计算结果 289换热器的安装与维修 3010结束语 3111.参考文献 321.综述 换热器的分类与比较，根据冷、热流体热量交换的原理和方式，换热器基本上可分为三大类即间壁式混合式和蓄热式，其中间壁式换热器应用最多，所以主要讨论此类换热器。2.设计任务书设计任务：换热器设计（列管式换热器）年处理煤油33.5万吨设计参数如下：（6） 煤油：入口温度140，出口温度40（7） 冷却介质：自来水，入口温度20，出口温度40（8） 允许压强降：不大于100kPa（9） 煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.1510-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.)，导热系数0.14W/(m.)（10） 每年按330天计，每天24小时连续运行（6） 建厂地区：大气压为760mmHg3换热器的简介与分类3.1换热器的简介换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。工艺流体之间的热量传递是大多数化工过程中的一个重要组成部分，在化工过程和有关工业中使用换热器的主要类型如下：（1）套管式换热器：最简单的类型，用于冷却和加热；（2）列管式换热器：用于各种用途；（3）板框式换热器（板式换热器）：用于加热及冷却；（4）空气冷却器：用于冷却和冷凝；（5）直接接触式冷却器：冷却和急冷。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备;板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。其中列管式换热器又可以分为固定板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、U型管式换热器、釜式换热器。3.2换热器的种类及特点1.管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：（1） 固定管板式换热器固定管板式换热器 它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。其结构特点是，两端的管板与壳体连在一起，管束两端固定在管板上，这类换热器结构简单，紧凑，价格低廉，每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。双管程固定管板换热器带膨胀节的固定管板换热器（2） 浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。（3） 填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。且填料函耐压不高，一般小于4.0Mpa，填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。填料函式换热器（4）U 型管式换热器U型管式换热器是只有一个管板，换热管为U型，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与 U 型换热管有温差时，不会产生温差应力。其优点是结构简单，管间清洗方便，但管内清洗比较困难，利用率较低，壳程易短路，报废率较高。因而U 型管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。U形管管壳式换热器2.蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。3.套管式换热器套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。3.3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。 （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。3.4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,换热系数也可以在30004000W/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。3.5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。3.6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。3.7确定设计方案选择换热器的类型:两流体温的变化情况：热流体进口温度140 出口温度40；冷流体进口温度20，出口温度为40，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。4.设计计算4.1 流动空间以及流速的确定4.2.1流体流动空间的选择在列管式换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流体流经壳程，取决于多种因素。 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 腐蚀性的流体宜走管程，以免时管子和壳体同被腐蚀，且管程便于检修与更换。 压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re100）下即可达到湍流，以提高传热系数。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。综合以上的选择原则,从增加两物流的传热膜系数看，应使煤油走管程，冷却水走壳程。4.2.2流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。表1 管壳式换热器中常用的流速范围 流体的种类一般流体易结垢液体气体流速，m/s管程0.5 3.0 1.05.0 30壳程0.2 1.5 0.53.0 15表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPas 15001500 500500 100100 3535 1 1最大流速，m/s0.60.751.11.51.82.4表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度 液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允许速度，m/s 1 2 3 10 由于冷却水较易结垢，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降；又被冷却的流体宜走壳程，便于散热。所以从总体考虑，应使冷却水走管程，煤油走壳程。选用252.5的碳钢管，管内流速取0.8m/s。4.2 确定流体流动及进出口温度定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程煤油的定性温度为 T=90（） 管程流体的定性温度为取进口温度20，出口温度40 t=30()根据定性温度分别查取流体的有关物理性质数据可得煤油在90的有关物性数据如下：密度 定压比热容 导热系数 =0.14W/(m)粘度 =7.1510-4Pas冷却水在30的有关物性数据如下：密度 定压比热容 导热系数 粘度 4.3计算两流体的平均温度差=49.7084.4计算热负荷和冷却水流量 4.5.1 热流量冷却水用量4.5.2总传热系数假设总传热系数 K = 400 5换热器主要附件的确定及工艺结构尺寸 5.1污垢热管外侧污垢热阻 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：5.2管程数和传热管当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。管程数N按下式计算：N=u/v式中 u管程内流体的适宜流速；V管程内流体的实际流速。5.2.1计算传热面积考虑15%的面积裕度 5.2.2管径和管内流速选用252.5的传热管（碳钢），取管内流速为=0.8 m/S5.2.3管程数和传热管数 =按单程管计算，所需的传热管长度为 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现在取L=9米管，该换热器管程数为Np = 54.91 / 9=6传热管总根数 Nt=356=2105.3平均温度校正和壳程数5.3.1平均传热温差校正系数 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。5.3.2热流量的校正 Q = K A = 400150.8647.4 = 2838581.76 5.4换热管排列和分程法采用组合排列法,即每程内均按正三角排列,隔板两恻采用正方形排列.取管心距,则横过管束中心线的管数 采用多管程结构,取管板利用率0.7,则壳体内径为 取600mm5.5折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为 故可取150 取折流板间距， 则 可取B为250mm。 折流板数 折流板圆缺面水平装配。6 核算总传热系数6.1 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板,可采用克恩公式 当量直径,由正方形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 6.2 管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 6.3 总传热系数 6.4设计裕度6.4.1传热面积 该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度适宜,该换热器能够完成生产任务6.6.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30，出口温度为40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 0.439+0.615=24.6 (140+40)/2=90 5887w/k 925.5w/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=90。壳体壁温和传热管壁温之差为 。7核算压强降7.1 管程压强降 , , , 由，传热管相对粗糙度0.005，查图摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速， 所以 管程流动阻力在允许范围之内。7.2 壳程压强降 ,.15 流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 . 总阻力 壳程流动阻力也合适8 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：固定管板式换热器面积（）：131.18工艺参数名称管程壳程物料名称循环水煤油操作压力，MPa0.40.3操作温度，20/4040/140流量，kg/h31215.6042297.98流体密度，kg/995.7825流速，m/s1.2061.81传热量，kw2608.4总传热系数，w/k497.34对流传热系数，w/k4948.2931.38污垢系数，k/w0.000210.00018阻力降，MPa0.06410.111程数21使用材料碳钢碳钢管子规格管数 210管长，mm9000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm250切口高度25%壳体内径，mm600保温层厚