化工原理课程设计之换热器.doc

化工原理课程设计之换热器 课程设计1. 前言2. 设计任书.3. 工艺流程草图及说明.4. 工艺计算及主要设备设计.5. 确定设计方案6. 选择换热器的类型7. 流程安排8. 确定物性数据.9. 估算传热面积.10. 热流量11. 平均传热温差12. 传热面积13. 冷却水用量14. 工艺结构尺寸.15. 管径和管内流速16. 管程数和传热管数17. 传热管排列和分程方法18. 壳体内径19. 折流板20. 其他附件21. 接管22. 换热器核算.923. 热流量核算924. 壳程表面传热系数925. 管内表面传热系数926. 污垢热阻和管壁热阻927. 传热系数KC.1028. 传热面积裕度.1029. 换热器内流体的流动阻力.1130. 管程流体阻力.1131. 课程阻力.1132. 辅助设备的计算和选型.1133. 换热器入水管的规格 11 34. 从河边至工厂的管子的规格 1235. 离心泵1的规格.1236. 换热器处离心泵2的规格.1337. 蓄水池、凉水塔的设计1438. 设计结果设计一览表.1539. 设计评述.1740. 主要符号说明.19 前言人类与化工的关系十分密切，在现代生活中，几乎随时随地都离不开化工产品，从衣、食、住、行等物质生活，到文化艺术、娱乐等精神生活，都需要化工产品为之服务。有些化工产品在人类发展历史中，起着划时代的重要作用。它们的生产和应用，甚至代表着人类文明的一定历史阶段。化工设计是把一项化工过程从设想变成现实的一个建设环节，涉及政治、经济、技术；资源、产品、市场、用户、环境；国策、标准、法规；化学、化工、机械、电气、土建、自控、安全卫生、给排水等专业和方化工设计包括三种设计类型：新建工厂设计；原有工厂的改建和扩建设计；厂房的局部修建设计。每种化工设计通常分为以工厂为单位和以车间为单位的两种设计。换热器广泛应用于机械、动力、运输、空调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域中，其性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程，它不仅仅是确定一个或者多个可行的解决方案，还要求确定最可能的或接近最优的设计方案。本书详细介绍和应用传热学、流体力学、热力学和微积分学基础课程的基本概念，以拓展换热器理论基础。介绍和应用换热器设计技术，以解决工业实践中遇到的换热器实际问题。本书可作为热工基础理论知识与工业热工设计实践之间的纽带，适用于在职工程师和在校大学生研究生学习及工程应用。 设计任务书设计题目： 用水冷凝水蒸气（真空度为0.07Mpa，流量为200kg/h）的换热器的设计。第 一 章 概 述列管式换热器又称管壳式换热器，它适用于冷却、冷凝、加热、换热、再沸、蒸发和费热回收等方面。由于其具有结构牢固、操作弹性大、可靠程度高、适应性强、使用范围广等优点，所以在工程上广泛使用，特别在高温高压下，列管换热器将继续获得发展。换热器可分为间壁式、混合式和畜热式换热器，采用什么类型的换热器，要具体情况综合考虑，择优选定。例如在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器，化工厂中蒸发设备的加热室等，大都采用列管式换热器。本章将介绍列管式换热器的设计任务、原则、原理和计算方法。第一节 设计任务和设计条件用水将真空度为0.07Mpa，流量为200kg/h的水蒸气冷凝，试设计一台列管管壳式的换热器，完成该生产任务。第二节 选择换热器的目的和型号1.2.1 选择换热器的目的为了完成生产任务，即：用水将真空度为0.07Mpa，流量为200kg/h的水蒸气冷凝，现选择列管式换热器来加热。1.2.2 换热器的型号选择 列管式换热器的分类列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500，可根据用户需要定制。四种换热器的主要优缺点如下：a、 固定管板式换热器固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。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。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。b、U形管式换热器U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。c、 浮头式换热器换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。d、 填料函式换热器此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。但是，由于填料密封处易于泄漏。故壳程压力不能过高，也不易用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。 根据两流体温度变化情况热流体（饱和蒸汽）进口温度为100，出口温度为100；冷流体进口温度20，出口温度30.8，估计冷热流体温差较大，从而该换热器的管壁温度和壳体壁温之差较大，故初步确定：用浮头式换热器。第三节 工艺条件的选择1.3.1 流体流入空间的选择设计列管换热器之前，要考虑哪一种流体走管程或壳程，这关系到设备使用是否合理。一般选择原则如下：（1）不干净和易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗比较方便。（2）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。（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属消耗量。（4）饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，对清洗无要求。（5）有毒流体宜走管内，使泄露机会比较少。（6）被冷却流体宜走管间，可利用外壳向外散热作用，增强冷却效果。（7）黏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值（Re100）下即可达湍流，以提高对流传热系数。（8）对于刚性结构的传热器，若两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与大的流体温度相近，可以减少热应力。综上述条件可确定：换热器里饱和水蒸汽走壳程，循环冷却水走管程。1.3.2 流体流向的选择参与换热的两种流体在间壁两侧流向有并流，逆流，错流四重类型。实际生产中，流体多是比较复杂的多程流动，考虑到经济性与效率等实际问题，选择折流。综上所述各条件的确定：可知换热器中饱和水蒸汽走壳程，循环冷却水走管程；流径选择折流。第 二 章 换热器尺寸的初步设计 第一节 确定物性数据2.1.1涉及到的物性常数管程中循环冷却水的定性温度：T=（20+40）/2=30壳程中水蒸气的压强P=31330pa此压强下水蒸气有关物性常数：蒸气压P/pa温度密度/m3热焓（kJ/）潜热r （kJ/）31330620.3172609.61290.5应选择水蒸气走壳程，水走管程：参数壳程（水蒸气）管程（水）定性温度（）6230普朗特数1.765.42密度（/m3）0.317995.7定比热容Cp（kJ/（）4.224.174潜热r （kJ/）1290.5-热导率（w/(cm.) ）0.68270.6176粘度（Pas）0.2838*10-30.8007*10-3第二节流 速 的 确 定换热器内流体速度大小必须通过经济核算进行选择。因为流速增加，传热膜系数增大，同时亦减少污垢在管子表面沉积的可能行，降低了垢层的热阻，从而使K值提高，所需传热面积减少，设备投资也减少，但随着流速的增加，流体阻力也相应增加，动力消耗增大，使操作费增加。因此，一般流体都尽可能使Re2000 ,粘度高的流体常按滞流设计。根据经验，下面列出一些工业上常用的流速范围。见下表：表23 列管式换热气中常用的流速范围：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 15 30壳 程 0.2 1.5 0.53 15表2-4 列管式换热器易燃、易爆液体允许的安全流速： 液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全流速（m/s） 1 1 5001500 500500 1001003535 1 1最大流速/ (m/s)0. 6 0. 751. 11. 51. 82. 4根据上面所述表格中的数据可选择水流速为：u =1.0 m/s第 三 章 始算设计换热器的规格 第一节 估算传热面积3.1.1流量Q = W*r=0.4556kg/s*1290.5 kJ/=71.70kw3.1.2平均传热温差（按折流计算）热流体(饱和水蒸汽):62（g ,进口） 62(l ,出口）冷流体(水) : 20 （l ,出口） 40（l ,进口）tm = ttm 式中 tm 按逆流计算的对数平均温度差，单位：；t 温度差校正系数，量纲为 1。温度差校正系数t与冷、热流体的温度变化有关，是P和R两因数的函数，即：t =f(P,R) 显然因为此时R=0而不能用查表取得对应的t值。又当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时，不论何种流动形式，只要流体的进、出口的温度相同，其平均温度差均相同。故可按逆流计算的对数平均温度差代替此处的平均温度差，即：tm = tm =20/(ln62/42)=51.353.1.3传热面积传热面积k值范围581.5 W/（）1744.5 W/（） 假设传热系数K =1000 W/（） 则估算传热面积为：S = Q / (K tm)=71700/（1000*51.35）=1.39623.1.4. 冷却水用量W2= Q /( Cpi*t)=71.70/ (4.174*20)=0.8588 kg/s第二节 工艺结构尺寸3.2.1管径和管内流速 流动空间，管径和管内流速的选择。由于流速对蒸气冷凝给热系数的影响较小，并且为了使冷凝液易于排出，选择水蒸气在管外冷凝，水流经管内。从腐蚀性，传热面积和价格三方面考虑，选用192较高级冷拔热管（碳钢），此管的内径d=0.045m.综合考虑管内Re，管程压降及单程管束三方面因数，取管内水流速u=1.0m/s3.2.2.管程数和传热管数按单程管计算，所需传热管数n = 4W2 / ( di2ui)=4*0.8588/(1.0*3.14*0.015*0.015*995.7)=6(根)按单管程计算，所需传热管长度为：L = S / (don)=1.3962/（3.140.0196）=3.900m国标（GB151）推荐的传热管长为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5，6.0，7.5，9.0，12.0米。根据本设计实际情况，采用标准设计。现取传热管长l=4.5m则该换热器的管程数为：Np=L / l= 3.900/4.5=1管数 NT=nNp=6(根)根据平均传热温差tm=51.35, 同时考虑到壳程流体流量，故选择按单壳程, 单管程结构较为合适。3.2.3传热管排列和分程方法 按三角形法排列。3.2.4壳体内径 壳体内径可按下式估算为：D=t(nc-1)+2 b 式中 D壳体内径/mm； t 管中心距/mm；（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 1.25do, 不妨取 t=1.25do=1.2519=23.75，取t=25mm）nc横过管束中心线的管数；b管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取b=(11.5) do/mm；（该处设计取值为b=1.5 do）do换热器外径/mm。nc值可由下面公式估算，即：管子按三角形排列nc = 1.19n= 1.193=2.61则壳体内径 D=t(nc-1)+2 do=0.0251.61+20.019=0.07825m=78 .25 mm表32 壳体标准尺寸：壳体外径/ 325400、500、600、700800、900、1000 1100、1200最小壁厚/ 8 10 12 14 综合计算结果与表32中的相关数据以及钢板的圆整值可取D=80mm。即换热器的外径取为：325mm.3.2.5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：h=0.25D=0.2580=20,取h=20mm；取折流板间距：B=0.3D，B=0.30.08=0.024m, 取B=24mm；折流板数：NB =（传热管长/折流板间距）1=（1000/24）1 = 40块折流板圆缺面水平装配。3.2.6主要附件：1）拉杆数量与直径：表33 本换热器壳体内径 壳体公称直径/mm1503254006007008009001200130015001600170018002000拉杆直径/mm8、10、12101212161216121612161216拉杆数量/个4648610612814101812表34 换热管外径与最大管间距换热管外径/19253238最大间距/mm 1 500 1 900 2 200 2 500根据表33的数据，以及换热管外径：Do=19，选择拉杆直径为：10mm，壳体公称直径DN=325,故拉杆数量为4根。（2）缓冲挡板：为防止壳程进口处流体直接冲击传热管，产生冲噬，必要时应在壳程物料进口处设置防冲挡板。一般当壳程介质为气体和蒸汽时，应设置防冲挡板。（3）导流筒：壳程流体的进、出口和管板间必然存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。（4）放气孔、排液孔： 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。（5）接管：换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即 d = 4Ws/u = 4Vs/u式中 Ws流体的质量流量，/s； Vs 流体的体积流量，m3/s；u 流体在接管中的流速，m/s； 流体的密度，/m3；流速u的经验值可取为：对液体 u = 1.52 m/s；对蒸气 u = 2050 m/s；对气体 u =（0.150.2）P/ （P为压强，KPa;为气体密度，Kg/m3） 。壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为20m/s，则接管内径为： dh=4Wh/u=1000（4200/3600）/（3.14958.420） = 7.0mm 取接管内径为：5mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速为1.5m/s，则接管内径为：dc=4Ws/u =1000（44.1338/（3.14998.21.5）=83.8mm取接管内径为：45mm。3.2.7 材料选用管壳式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力学性能及腐蚀性能下降。同时具有耐热性、高温度及腐蚀性的材料很少有的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢钢和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。表35 管壳式换热器个部件的常用材料：部 件 或 零 件 名 称 材 料 牌 号碳 素 钢不 锈 钢壳 体、法 兰A3F、A3R、16MnR16Mn+0Cr18Ni9Ti法 兰、法 兰 盖16Mn、A316Mn+1Cr18Ni9Ti管 板A41Cr18Ni9Ti膨 胀 节A3R、16MnR1Cr18Ni9Ti挡板和支承板A3f1Cr18Ni9Ti螺 栓16Mn、40Mn、40MnB换 热 管10号1Cr18Ni9Ti螺 母A3、40Mn垫 片石棉橡胶板支 座A3F根据上表以及混合液的微弱腐蚀性，所有的材料均选择为碳素钢，所选个部件及零件的钢材的牌号为上表中加黑斜体。第 四 章 换热器的核算第一节 热流量核算4.1.1 壳程对流传热系数：蒸汽冷却是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的特点是相变流体要放出大量的潜热，但流体温度不发生变化当饱和蒸汽与温度较低的壁面相接触时，蒸汽放出潜热，并在壁面上冷凝成膜状液体。故壳程表面传热系数用纯净的饱和蒸汽膜状冷凝传热系数的计算方法。根据本设计的实际情况，蒸汽在水平管束外冷凝，用凯恩公式估算，即：ao=0.725r*g*/(*do*t) 1/4当量直径，由正方形排列，得： de = 4(t2-0.25do2 /(do)= = 4(0.0252 0.253.140.0192 (3.140.019)=0.0229 m壳程流通截面积： So = BD(1- do/t)= = 0.0240.08(1- 0.0190.025) = 0.00001774m2 壳程流体流速及其雷诺数分别为： Uo = Ws/(So) = (2003600)(0.3710.00001774)=0.84 m/sReo =*Uo*de/o=0.02291000.420.37110000.2838=1257.3,属于层流将上面的数据代入公式ao=0.725r*g*/(*do*t) 1/4得i= 325000 W /（K）4.1.2 管程对流传热系数 由公式可知： ai=0.023（i/di）Re0.8Pr0.4 式中： n当流体被加热为0.4，被冷却为0.3； Re管内混合物的雷诺数； Pr管内混合物的普兰特准数； i管内混合物的导热系数,W/（m）； di管内径/m； Cp管内混合物的比热，KJ/（）；则管内混合物的流速为：ui=Wsi/sin=(0.4294*4)/995.7(3.140.0150.0159)=0.814m/s与前面假设的流速1.0m/s相差甚微，故假设成立。核算流型：Re=diuii/=0.0150.9730.371100/0.001005=538.782000，属于层流区。普朗特常数：Pr=5.42则代入数据得i= 2779.3W/（K） 4.1.3 壳程和管程的污垢热阻 表41 工业用气体 气体类型污垢热阻/（c/kw）常压气体 0.0880.176潮湿空气 0.264压缩空气、乙烯 0.72水蒸气（不带油）、干燥气体、有机化合物气体 0.088废水蒸气（带油）、天然气、溶剂蒸汽、酸性气体、变换气 0.176塔顶馏出物蒸汽、工业用有机截热体蒸汽 0.176带触媒气体、HCL气 0.528表42工业用液体 液体类型污垢热阻/（c/kw）液化气、汽油、溶剂油、煤油0.176柴油轻质0.72重质0.528 重油、燃料油0.88残油、渣油、焦油1.76吸收油贫油0.72富油0.176有机溶剂、冷冻剂（氨、丙烯）0.176水胺、二乙二醇醚溶剂0.344壳程污垢热阻:Rso=0.000052（m）/W; 管程污垢热阻:Rsi=0.0006 （m）/W;取碳钢在该条件下的热导率w =50 W/（m）.4.1.4 总传热系数由公式可知：式中do管子的外径/m；di管子的内径/m；i管内表面传热系数；Rsi管程的污垢热阻；b管壁厚度/m；管材料的热导率；dm管内外径的平均直径/m；Rso壳程的污垢热阻；o管外表面的传热系数。当公式中的bdo/(dm)可忽略时：其中已知：do=0.019m ,di=0.015m,o=325000W/(/k),i=57739.6 W/(/k),Rso=0.000052 （m）/W,Rsi=0.000 6 （m）W。将上述数据代入总传热系数公式中计算得K0=1831 W/（）,则K/K0=0.98,接近1.25之间。符合要求.故假设 K=1800 W/（）成立；4.1.5 传热面积裕度：由公式可知Q=KSotm得： So=Q/(K*tm)=69166.7(183179.93)=0.4726实际传热面积: Sp=*do*l*NT=3.140.01919=0.53694 则传热面积裕度: H= |(Sp So)|/ Sp100=11.11；该值在（10%20%）之间，故符合要求。第二节 壁温核算及核算冷凝液膜流型4.2.1 校核壁温 校核壁温时，用公式：（Ttw）/（1/o+Rso）=( twti)/（1/i+Rsi）式中 T定性温度下饱和蒸汽温度/； ti定性温度下混合物的温度/； Rsi、Rso管外和管内的污垢热阻/K/W。则代入解得：tw =83。该值与假设：tw =82相差不大，故假设合理。换热器的外壳壁温与环境温度有一定的温差，会出现热量损失，影响劳动条件及安全。因此设备壁温超过50，就需保温，以减少热量的损失。该装置需进行热补偿4.2.2 核算冷凝液流型核算冷凝液流型时，需计算单位润湿周边上（b）冷凝液流率(M)： M=W/b=W/(2*l)=Q/(r*2*l*nc)=69166.7/（4290103219）=0.895710-3Kg/(m)那么：Re=4*M/=40.895710-3/0.283810-5=12.622000(层流)故假设合理，即可采用。4.3.1 管程流体阻力管程阻力Pi=（P1+P2）*Np*Ft其中Ft=1.5, Np=1P1=i*(L/ di)*i*ui2/2=0.6176995.71.01.0/(0.0152)=20498.1PaP2=（i*ui2/2）=3995.71.01.0/2=1493.6 PaPi=（P1+P2）*Np*Ft=（20498.1+1493.6）*1*1.5=32987.6 Pa核算压强降是否合理，用下表检验 操作情况操作压力，Pa（绝压）合理压力降，Pa 减压操作P=01105 0.1 低压操作P=11051.7105 0.4 常压操作P=1.710411105 0.35105 中压操作P=11105311050.351.8105 较高压操作P=31105811050.72.5105根据本设计的实际情况，操作压力为常压，在常压操作范围内，由表数据，可知：合理压力降为P=1.710511105而32987.6 P在允许范围内,故符合要求。壳程阻力Po=（P1+P2）*Ns*Fs其中Fs=1，Ns=1，P1= Ffo nc (NB +1)* *uo2/2F=0.5, fo=5.0 Reo-0。228 =5.03771-0。228 =0.7647nc = 1.199=3.57 NB =28则P1=0.50.7647293.57958.40.3850.385/2=290.86 PaP2= Nb*(3.5-2B/D) * *u2/2=28(3.5-0.6) 958.40.3850.385/2=6308.5 Pa故Po=（P1+P2）*Ns*Fs=(290.86+6308.5) 1=6599