浮头式换热器设计

大学 生物工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称 浮头式换热器的设计 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 2012 年 06 月 08 日 - 1 - 目录目录 1、设计方案. 1 2、衡算.1 2.1 确定设计方案.1 2.1.1 换热器的类型. 1 2.1.2 管程安排. 1 2.2 确定物性数据.1 2.3 估算传热面积. 2 2.3.1 热负荷. 2 2.3.2 热流体用量. 2 2.3.3 平均传热温差 . 2 2.3.4 初算传热面积. 2 2.4 换热器工艺结构尺寸设计. 3 2.4.1 管径和管内流速. 3 2.4.2 管程数和传热管数. 3 2.4.3 平均传热温差校正. 3 2.4.4 传热管排列. 4 2.4.5 壳体直径. 4 2.4.6 折流板. 4 2.4.7 接管. 4 3、换热器核算.5 3.1 传热面积校核. 5 3.1.1 管程传热膜系数. 5 3.1.2 壳程传热膜系数.5 3.1.3 总传热系数. 6 3.1.4 传热面积校核.7 3.2 换热器内压降的核算 .7 3.2.1 管程阻力. 7 3.2.2 壳程阻力. 8 4、设备选型.8 4.1 管子排列方式的选择. 8 4.2 折流板的选择. 9 4.3 除污垢措施的选择. 9 4.4 材料的选择. 9 5、附录及图表.10 6、设计总结.11 7、参考文献. 12 - 2 - 1、设计方案 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛地使用各种换热器，且他们是上 述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费 用的 10%-20%。在某工厂的生产过程中，因生产需要，需用水回收甘油的热量。已知 水将甘油从 120冷却至 50，且甘油的压力不大于 0.1MPa。水的流量为 50m3/h，水 的入口温度为 28，出口温度为 78，压力不大于 0.1MPa，请设计一台换热器能完 成上述任务。 2、衡算 2.1 确定设计方案 2.1.1 换热器的类型 两流体的温度变化情况：水的进口温度 28，出口温度为 78；甘油的进口温度 为 120，出口温度为 50，本组为浮头式换热器。 2.1.2 管程安排 对于一般压力较高的流体流经管内，因为管子直径小，承受高压能力好，所以水 走管程，又被冷却物料一般走壳程，便于散热，所以甘油走壳程。 2.2 确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进、出口温度 平均值。 故壳程甘油的定性温度为 12050 85 2 T 管程流体的定性温度为 2878 53 2 T 在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(水和甘油)的物性参数，见下表： 表 1 冷热流体的物性参数 物质密 度 (kg/m3) 比热容 (kJ/kg) 黏 度 (Pas) 导热系数 (W/m) 甘油 水 810 985.6 2.22 4.176 0.910-3 509.610-6 0.18 65.410-2 2.3 估算传热面积 2.3.1 热负荷（忽略热损失） - 3 - KJ/hkW 6 mcpc 985.6 10 4.176 502.06 10QCT ， =572 2.3.2 热流体用量（忽略热损失） kg/h 3 m,h 3 ph21 572 10 3.7kg /s13320 ()2.22 10 12050 T Q Q CTT ， 2.3.3 平均传热温差 先按纯逆流计算，得 m 7050 60 2 t 2.3.4 初算传热面积 参照列管式换热器中 K 值大致范围表1,可假设 K=350W/(m2)则估算的传热面 积为 m2 3 572 10 =27 350 60 T m Q S K t 估 2.4 换热器工艺结构尺寸设计 2.4.1 管径和管内流速 参照列管式换热器内常用的流速范围表3，取管内流速为m/s，并取=241 i u s N 管径用下式计算 mm 50/3600 27.15 0.785 24 1 4 v s q d Nu 又由于考虑到市场上管径的一般规格大小，所以我们选用301.0mm 的管子。 利用试差法，计算管内流速为： m/s 2 2 50/3600 =0.94 0.785 0.02824 4 v is q u dN 2.4.2 管程数和传热管数 由于=24，按照单管程，所需的传热管长度为 s N m 27 12 3.14 0.028 24 s S L d N 估 按照单管程设计，由于传热管太长，故宜采用多管程设计。根据实际情况，采用 非标准管长设计，取传热管长m，则该换热器的管程数为3l 12 4 3 P L N l 传热管总根数24 4=96n - 4 - 2.4.3 平均传热温差校正 平均温差校正系数计算如下 21 11 782850 0.54 1202892 tt P Tt 12 21 1205070 1.4 782850 TT R tt 按单壳程，双管程结构，查阅温度差校正系数值的表2，查得 t 0.82 t 平均传热温差 （） 0.82 60=49.2 mtm tt 由于平均传热温差校正系数大于 0.8，故可以采取单壳程合适。 2.4.4 传热管排列 采用组合排列法，每管程内采用正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 取管心距,则mm 0 1.25 t Pd1.25 3038 t P 隔板中心到离其最近一排管中心距离 mm625 2 t P Z 各程相邻管的管心距为 50mm。 2.4.5 壳体直径 采用多管程结构，壳体直径按式 mm1.051.05 3896 0.62496.5 t DPn 可取mm500D 2.4.6 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的 30%，则切去的圆缺高度 为mm0.30 500150h 取折流板间距 ，则mm0.3BD0.2DBD0.3 500150B 折流板数目 3000 1119 150 B l N B 2.4.7 接管 壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为m/s，则接管内径为 1 2u m 1 4 13320/ 810/36004 0.0539 3.14 2 v q D u 圆整后可取管内径为 D1=54mm，根据试差法计算管内液体流速为 - 5 - m/s 1 22 1 4 13320/ 810/36004 =1.996 3.14 0.054 v q u D 管程流体进出口接管：取接管内流体流速m/s，则接管内径为 2 2.5u m 2 2 44 50/3600 0.841 3.14 2.5 v q D u 圆整后可取管内径为=85mm，根据试差法计算管内液体流速为 2 D m/s 2 22 2 44 50/3600 =2.449 3.14 0.085 v q u D 3、换热器核算 3.1 传热面积校核 3.1.1 管程传热膜系数 按照下式进行计算 0.80.4 0.023RePr i i d 管程流体流通截面积 m2 2 ii n96 =d=0.785 0.028=0.0295 422 S m/s 50/3600 0.471 0.0295 i u 6 0.028 0.471 985.6 Re25507 509.6 10 ii d 普朗特数 36 4.176 10509.6 10 Pr3.34 0.638 p C W/(m2) 0.80.4 0.648 0.023712893.349208.5 0.02 i 3.1.2 壳程传热膜系数 用下式计算 0.14 0.551 3 1 0.36RePr iw d 管子是按照正三角形排列，传热当量直径为 - 6 - m 2222 0 0 33 4)4(0.0380.03 ) 2424 0.023 3.14 0.03 e Ptd d d （ 壳程流通截面积为 m2 0 30 1150 50010.0158 38 t d SBD P 壳程流体流速及其雷诺数分别为 m/s 13320/ 810 3600 =0.29 0.0158 u 00 3 0.028 0.29 810 Re7228 0.91 10 d u 普朗特数 33 2.22 100.91 10 Pr11 0.18 p C 黏度校正 0.14 0.95 w W/(m) 0.551 3 0.18 0.367228110.95648 0.028 3.1.3 总传热系数 首先对于污垢热阻和管壁热阻，参照壁面污垢热阻的数值范围表，管外 侧污垢热阻(m)/W 管内侧污垢热阻(m) 4 0 1.7197 10R 4 1.7197 10 i R /W。已知管壁厚度m，查固体材料的热导率表2，碳钢在该条件下的热0.001b 导率为(W/m)。52 故总传热系数 K 为 W/(m2) 0 1 436 1 i iiim K ddbd RR ddd 3.1.4 传热面积校核 由下式可得所计算传热面积为S m2 3 m 572 10 =21.865 k t436 60 T Q S 换热器的实际传热面积为 S - 7 - m3.14 0.03 3 9627.1296 T Sd lN 换热器的面积裕度为 27.1296 1.24 21.865 S S 传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。 3.2 换热器内压降的核算 3.2.1 管程阻力 管程总阻力可以采取下式计算 12 () ispt PPP N N F 式中 、分别为直管和回弯管中因摩擦阻力而引起的压降，Pa 1 p 2 p 结垢校正因数，对301.0mm 管子取 1.4 t F 管程数 p N 串联的壳程数 s N 又，=1 s N=4 p N=1.4 t F 由，为湍流，又传热管的相对粗超度为 0.01，查相关文献中的255072000 e R 双对数坐标图得W/m，流速 e R0.042 m/s，kg/m3，0.471 i u 985.6 所以 Pa 22 1 30.471985.6 0.042492 20.0282 i ul P d Pa 22 2 985.6 0.471 33328 22 i u P Pa0.1MPa= 4923281 4 1.4=4592 i P 管程流体阻力在允许的范围之内。 3.2.2 壳程阻力 按下式计算 12 = ts PPPFN 其中，1 s N 1.15 t F 流体流经管束的阻力 2 1 1 2 cB PFf nN - 8 - 0.5F 0.288 722850.3869f 1.11.19610.8 c nn19 B N m/s 0 0.29u 故 Pa 2 1 8100.29 1911423 2 0.5 0.3869 10.8P 流体流过折流板缺口的阻力为 2 2 2 3.5 2 B h N D P 其中m，m，则h=0.150.5D Pa 2 2 2 0.15810 0.29 193.51877 0.52 P 总阻力Pa0.1MPa1423 18771 1.244092P 故壳程阻力在允许的范围内。 4、设备选型 4.1 管子排列方式的选择 管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形错列，我们选 择了正三角形排列方式。正三角形排列的优点是接凑度高，相同管板面积上可排管数 多，壳程流体扰动性好，有较高的传热性能比，应用最为普遍，但其缺点就是不易清 洗，常用于清洁的流体。本设计考虑到管子数目较多，又由于是 4 管程，则需采用组 合排列，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 4.2 折流板的选择 安装折流板的目的是提高壳程对流传热系数，为了取得良好的换热效果，挡板的 形状和间距必须适当。 相邻挡板的距离(板间距)一般取换热器外径你给的 0.21.0 倍。浮头式换热器的板 间距有 150mm、200mm、300mm、400mm、600mm 五种。在此次设计中，根据计算 和综合各方面因素考虑，选择板间距为 150mm，并且采用弓形折流板。 4.3 除污垢措施的选择 化学清洗易对设备产生腐蚀，因此在此次的除污垢措施中，采用软机械清洗，这 种清洗方法依靠插入物的在管内的运动，与管子内表面接触，达到去除污垢的效果。 这种软机械清洗又称在线软件清洗，常见的方法有旋转螺旋线法、液固流态化法、旋 - 9 - 转纽带法、海绵胶球在线清洗法。而此次我们采用的是海绵胶球在线清洗法，此方法 是将直径比管子内径稍大的海绵球挤入管内以起到除垢的目的。又查的，胶球循环一 次所需时间一般为 30 秒，胶球补充周期为胶球清洗系统累计运行 7 次，也可根据使用 的具体情况不同调整补充周期。胶球的更换周期：根据国产球使用统计，其更换周期 为胶球清洗字体累计运行 60 次。 4.4 材料的选择 换热器材料应该根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。 金属材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铜和铝。 非金属材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃、普通胶球。 不锈钢和有色金属材料抗腐蚀性能好，但价格相对较高。综合考虑到经济、安全 等因素，我们选择了碳钢管子。 设备选型汇总表 名称规格型号数量厂家 折流板 换热管 壳体 管程接管 壳程接管 螺柱 法兰 支座 定距管 压力阀 普通胶球 上管板 下管板 高 250mm 30 1.0mm 厚 1.0mm 85mm 54mm M20 RF 550-2.5 耳式支座 B2 30 1.0mm 25mm 402-101H-07 GB/T14976 Q235-A BR01-A BR006 JB-T4707-2000 HG20615 JB1165-732 GB/14976-1994 SL100XL PSJJ7A132-0-2 PSJJ7A132-0-6 19 96 1 2 2 72 1 265 1 1 1 1 1 海东不锈钢有限公司 宝丰钢业 淄博泰勒换热设备有限公司 上海化工装备有限公司 上海化工装备有限公司 沙河市四方紧固件有限公司 武汉威孚热工技术有限公司 河北同力自控阀门制造有限公司 上海斯普热能技术有限公司 成都莱峰科技有限公司 连云港式泰格电力设备有限公司 澳昭美金属材料有限公司 澳昭美金属材料有限公司 - 10 - 5、附录及图表 附表 1 换热器主要结构尺寸和计算结果 项目结果单位 水的流量 水的进(出)口温度 水的压力 甘油的进(出)口温度 水的密度 水的比热容 水的热导率 水的黏度 甘油的密度 甘油的比热容 甘油的热导率 甘油的黏度 热负荷 水的定性温度 甘油的定性温度 热流体用量 平均传热温差 管径 管长 管数目 管心距 壳体直径 折流板的圆缺高度 折流板的间距 折流板的数目 接管壳程内径 接管管程内径 管程流速 壳程流速 管程传热系数 壳程传热系数 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 总传热系数 传热面积 裕度 管程阻力 壳程阻力 50 28（78） 0.01 120（50） 985.6 4.176 65.410-2 509.610-6 810 2.22 0.18 0.9110-3 572 53 85 13320 60 301.0 3 96 38 500 150 150