换热器设计123.doc

化工原理课程设计换热器课程设计班级： 09精细化工班姓名： 学号： 指导老师： 丁 慧 玲时间： 2011/6/2 目录1.设计任务书与条件-32.概述与设计方案简介-43.工艺及设备设计计算-44.辅助设备的计算及选型-85.设计结果汇总表-106.设计评述及收获-117.参考资料-118.换热器装配图-12摘要 换热器是把热量从热流体传递到冷流体的设备，广泛应用于炼油、化工、轻工、制药、机械、食品加工、动力以及原子能工业部门当中。本文通过估算传热面积（S估=，管程数，折流管数，传热面积校核，换热器内压降核算等设计出了浮头式换热器。本文对换热器，流速，流径进行了选择，考虑到了冬季温差较大，不清洁液体易结垢的因素，忽略了热损失，确定了温度等物性数据，完成了本文设计的任务。 关键字：浮头式换热器 普朗特数 雷诺数1设计任务与条件某生产过程中，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将某从110进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混合气体的流量3kg/h,压力为6.9MPa，循环冷却水的压了为0.4MPa，循环水的入口温度为29，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。经查的混合气体在85下有关物性数据：密度 =90kg/m3；定压比热容Cp,1=3.297kJ/(kg)；热导率1 =0.0279W/(m)；黏度1=1.5Pas。2.设计方案简介2.1换热器的选择 管壳式换热器具有其他类型换热器所不可比拟的优点，所以换热器向高参数、大型化发展的今天，仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式 管壳式换热器按照结构形式可以分为固定管板式（管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设计膨胀节。适用于壳程压力不高的场合）、浮头式（适用于管、壳温差较大，介质易结垢的场合）、填料函式（操作压力越高，密封越困难，多用于低压和小直径的场合）、U型管式（适用于管、壁温差较大，尤其是管内介质清洁不易结垢而壳程介质易结垢，需要经常清洗的高温、高压、腐蚀性较强不适合采用浮头式和固定管板式的场合）和釜式换热器（适用于处理不清洁、易结垢介质，并能承受高温高压的场合）五种。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很大，因此初步确定选用浮头式换热器。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。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：l 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。l 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。l 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。l 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。l 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。l 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。l 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，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。l 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，确定果浆应走壳程，水走管程。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/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530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。故拟取循环水流速为1.2m/s。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。2.5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。3.工艺及设备设计计算（一） 确定设计方案31选择换热器的类型 两流体的温度变化情况：热流体进口温度110，出口温度为60；冷流体进口温度29，出口温度为39。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作是，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，因此初步确定选用浮头式换热器。3.2管程安排 从两物流的操作压力看，应该混合气体走管程，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降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。（二）确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进、出口温度的平均值。故壳程混合气体的定性温度为 T=85()管程温度的定性温度为 t=34（）已知混合气体在85下的物性数据如下，=90kg/m；Cp,1=3.297kJ/(kg)；1 =0.0279W/(m)；1=1.510-5Pa s查的循环水在34下的物性数据：=994.3kg/m3；Cp,h=4.17kJ/（kg）；1 =0.624W/(m)；1=0.74210-3Pas。（三）估计传热面积（1） 热流量（忽略热损失）（2）冷却水用量（忽略热损失）qm,c=（kg/s）=1184835（kg/h）（3）平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 （）（4）初算传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(m2),则估计的传热面积为 S估=（四）工艺结构尺寸（1）管径和管内流速 选用25mm2.5mm较高级冷拨传热管（钢管），取管内流速ui=1.3m/s。（2）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=按单管程设计，所需的传热管长度为 L=(m)按单管程计算，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，现取传热长，则该换热器的管程数为传热管总根数 n=8112=1622（3）平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数计算如下 按单壳程，双管程机构，查图4-4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。（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。见图4-5。取管心距,则隔板中心到离其最近一排管中心距离按式（4-11）计算，各程相邻管的管心距为44mm（5）壳体直径 采用多管程结构，壳体直径可按式（4-15）估算。取管板利用率，则壳体直径为 ，按卷制壳体的进级挡，可取mm（6）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 h=0.251600=400（mm），故可取h=500mm 取折流板间距 ,则，可取为500。 折流板数目（7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为，圆整后可取管内径为350mm管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为，圆整后取内径为420mm4辅助设备计算及选择（五）换热器核算管程传热膜系数。按式（4-23）计算 管程流体流通截面积管程流体流通和雷诺数分别为 普朗特数 壳程传热膜系数。用式（4-25）计算，管子按正三角形排列，传热当量直径为，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 黏度校正 污垢热阻和管壁热阻。查附录9，管外侧污垢热阻R0=0.0004m2/W，管内侧污垢热阻Ri=0.0006m2/W。已知管壁厚度b=0.0025m，碳钢在该条件下的热导率为50W/（m2）。总传热系数K。总传热系数K为传热面积校核。依式（4-10）可得所计算传热面积为换热器的实际传热面积为S 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）换热器内压降的核算 管程阻力 ，由Re=34858，传热管相对粗糙度0.01，查参考文献【2】中双对数坐标图得，所以，管程流体阻力在允许范围之内。 壳程阻力。按下式计算 其中，流体流经管束的阻力 ，流体流过折流板缺口的阻力，其中，则总阻力 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力比较适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果见附表1。 5设计结果汇总表附表1参 数管 程壳 程流率/（kg/h）11848351.3105进（出）口温度/29（39）110（60）压力/MPa0.46.9物性定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kJ/(kg)4.173.297黏度/Pas0.74210-31.510-5热导率/W/（m2）0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数型式浮头式壳程数1壳体内径/mm1600台数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm 7000管子排列正三角形管数目/根1622折流个数/个13传热面积/m2889折流板间距/mm500管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）58674.9表面传热系数/W/(m2)0.0006862.7污垢热阻/(m2/W)0.040360.0004阻力/MPa0.040360.117热流量/KW10083.33传热温差/K48.3传热系数/W/(m2)388裕度/%1.226.设计评述及设计收获本设计采用浮头式换热器，对热损失等参数进行了忽略，适用于管、壳温差较大，介质易结垢的场合。该设计是使循环冷却水将