浮头式换热器设计

1、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日目录1、设计方案错误！未定义书签2、衡算错误！未定义书签2.1确定设计方案 错误！未定义书签2.1.1换热器的类型错误！未定义书签2.1.2管程安排错误！未定义书签2.2确定物性数据 .错误！未定义书签2.3估算传热面积 错误！未定义书签2.3.1热负荷.错误！未定义书签2.3.2热流体用量错误！未定义书签2.3.3平均传热温差错误！未定义书签2.3.4初算传热面积错误！未定义书签2.4换热器工艺结构尺寸设计 错误！未定义书签2.4.1管径和管内流速错误！未定义书签2

2、.4.2管程数和传热管数错误！未定义书签2.4.3平均传热温差校正错误！未定义书签2.4.4传热管排列错误！未定义书签2.4.5壳体直径错误！未定义书签2.4.6折流板.错误！未定义书签2.4.7接管错误！未定义书签3、换热器核算错误！未定义书签3.1传热面积校核 .错误！未定义书签3.1.1管程传热膜系数错误！未定义书签3.1.2壳程传热膜系数错误！未定义书签3.1.3总传热系数错误！未定义书签3.1.4传热面积校核错误！未定义书签3.2换热器内压降的核算错误！未定义书签3.2.1管程阻力错误！未定义书签3.2.2壳程阻力错误！未定义书签4、设备选型错误！未定义书签4.1管子排列方式的选择

3、错误！未定义书签4.2折流板的选择 .错误！未定义书签4.3除污垢措施的选择错误！未定义书签4.4材料的选择.错误！未定义书签5、附录及图表错误！未定义书签&设计总结错误！未定义书签7、参考文献错误！未定义书签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120C冷却至50C，且甘油的压力不大于O.IMPa。水的流量为50m3/h,水的入口 温度为28C，出口温度为78C，压力不大于0.1M

4、Pa,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 28r，出口温度为78r ；甘油的进口温度 为120E，出口温度为50r，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 r管程流体的定性温度为28 782=53 r物质密度比 热容黏度导热系数3(kg/m )(kJ/kg

5、 r)(Pas)(W/m-r)甘油8102.220.9 X0-30.18水985.64.176_6509.6 X06_265.4 X02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2.3估算传热面积2.3.1热负荷（忽略热损失）Qm，cCp，cAT =985.6汉10汉4.176汉50 = 2.06汇106KJ/h= 572kW232热流体用量(忽略热损失)Qt572 103Qm,h 二 Cp，h(T2-T1厂 2.221；0一50 =3.7kg/13320kg/h2.3.3平均传热温差先按纯逆流计算，得70+50.-：tm60 C22.3.4初算

6、传热面积参照列管式换热器中K值大致范围表,可假设K=350W/(m 2 C )则估算的传热面积 为=企= 5Z=27m2K tm 350 602.4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，取管内流速为Ui =1m/s,并取Ns=24管径用下式计算5O/36O027.15mm0.785 24 1又由于考虑到市场上管径的一般规格大小，所以我们选用*30X1.0mm的管子。利用试差法，计算管内流速为：qv50/3600,u=2=0.94 m/s兀汰人 2乂“0.780.028x24diNs42.4.2管程数和传热管数27由于Ns=24,按照单管程，所需的传热

7、管长度为L =-S估12m兀 d：Ns 3.10.0224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I =3m，则该换热器的管程数为N十l 3传热管总根数n =24 4=96243平均传热温差校正平均温差校正系数计算如下t2T-匕_ti78 -28120-285092= 0.54士 =70十t2 -178 - 28 50按单壳程，双管程结构，查阅温度差校正系数值的表2，查得过=0.82平均传热温差utm h、Ctm0.82 60=49.2 (C)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

8、，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 R =1.25d,则 R =1.25x30 拓38 mm隔板中心到离其最近一排管中心距离Z =旦 6 = 25mm2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D =1.05R .厂 =1.05 3896 0.62 = 496.5mm可取 D = 500 mm2.4.6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h =0.30 500 =150 mm取折流板间距 B =0.3D0.2D : B : D，则 B = 0.3 500 =150 mm折流板数目Nb30001

9、50一1 =192.4.7接管壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为U1=2m/s,贝U接管内径为D1 =4 13320/ 810/36003.14 2=0.0539m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Ui =1.996m/s4 _4 13320/ 810/36002 2 r:D123.14 0.0542管程流体进出口接管：取接管内流体流速U2=2.5m/s,则接管内径为D?=4 50/36003.14 2.5二 0.841 m圆整后可取管内径为D2 =85mm,根据试差法计算管内液体流速为u2 =4qv2: D2=4 x 50/3600- 23.14 0.085=

10、2.449 m/s3、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:i = 0.023Re0.8 Pr0.4 idi管程流体流通截面积寫 n2962S 二dj =0.785 0.0282=0.0295 m42250/3600,ui0.471 m/s0.0295Re0.028 0.471 985.6509.6 10-25507普朗特数4.176 103 509.6 10“0.638-3.34:i =0.023 048 7128908 3.340.4 = 9208.5 W/（m2 ：C）0.023.1.2壳程传热膜系数 用下式计算= 0.36Re055di管子是按照正三角形

11、排列，传热当量直径为.f 32 ： ：20.0382 0.032)4兀d3.14:d0 (30、-150 汉 50011 P丿38 y2壳程流通截面积为S =BD0.032=0.0158 m2Pt 丫)4(4(仝2二22= 0.023 m壳程流体流速及其雷诺数分别为13320/ 810 3600 =0.29 m/s0.0158普朗特数dgUo0.028 0.29 8100.91 10”= 7228332.22 100.91 100.18=11占、0.14黏度校正厂 応0.95I w丿0 180.3672280.55 1113 0.95 = 648 W/(m 2 -C ) 0.0283.1.3总

12、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 R0 =1.7197x10，(m2 C )/W 管内侧污垢热阻 R =1.71970*(m2 C)/W。已知管壁厚度b =0.001 m，查固体材料的热导率表2，碳钢在该条件下的热导率为 =52(W/mC )。故总传热系数K为2 R立旦R0:idididm2= 436W/(m2 C)3.1.4传热面积校核由下式可得所计算传热面积S为S住严 103 =21.865m2436 60换热器的实际传热面积为SS =qiNT =3.14 0.03 3 9 27.1296m2换热器的面积裕度为S271296 十421.865

13、22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式中 讷、.巾2 分别为直管和回弯管中因摩擦阻力而引起的压降，PaFt 结垢校正因数，对30X1.0mm管子取1.4N p 管程数Ns 串联的壳程数又 Ns=1, Np=4 , Ft =1.4由凡=25507 2000，为湍流，又传热管的相对粗超度为0.01，查相关文献中的 R 双对数坐标图 得 一 0.042 W/m C，流速 q 二 0.471 m/s,= 985.6kg/m3,所以P2 -352P2=0.042230.471985.6x0.028 2= 492 Pac 985.

14、6 X0.4712二 3 2-328 PaP= 492 3281 4 1.4=4592Pa ：0.1MPa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P=3P*P/ )FtNs其中 Ns -1，Ft =1.15流体流经管束的阻力小 Ff：n Nb 1F =0.5f = 5 7228-0.28= 0.3869d =1.1、n =1.1 f96 = 10.8 Nb =19Uo =0.29m/s2故 ar =0.5x0.3869x10.8汇（19+1 F8!0=1423Pa流体流过折流板缺口的阻力为P2 = Nb 3.5_兰-.D 2其中 h=0.15 m, D =0.5m，则乌=19：

15、 13.5皿 810 0.29l877 Pa0.52总阻力：Ph1423 18771 1.24=4092Pa：0.1MPa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，

16、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 150m m,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

17、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高 250m

18、m402-101H-0719海东不锈钢有限公司换热管30 1.0mmGB/T1497696宝丰钢业壳体厚 1.0mmQ235-A1淄博泰勒换热设备有限公司管程接管85mmBR01-A2上海化工装备有限公司壳程接管54mmBR0062上海化工装备有限公司螺柱M20JB-T4707-200072沙河市四方紧固件有限公司法兰RF 550-2.5HG206151武汉威孚热工技术有限公司支座耳式支座B2JB1165-732265河北同力自控阀门制造有限公司定距管30 1.0mmGB/14976-19941上海斯普热能技术有限公司压力阀SL100XL1成都莱峰科技有限公司普通胶球25mm1连云港式泰格电力

19、设备有限公司上管板PSJJ7A132-0-21澳昭美金属材料有限公司下管板PSJJ7A132-0-61澳昭美金属材料有限公司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50m3/h水的进（出）口温度28 (78)C水的压力0.01MPa甘油的进（出）口温度120( 50)C水的密度985.6kg/m3水的比热容4.176kJ/kg C水的热导率-265.4 X0W/m- C水的黏度-6509.6 沐0 6Pa s甘油的密度810Kg/m3甘油的比热容2.22kJ/(kg/ C)甘油的热导率0.18W/m- C甘油的黏度-30.91 10Pa s热负荷572kW水的定性温度53C甘油的定性温度85C热流体用量13320kJ/h平均传热温差60C管径 30%.0mm管长3m管数目96根管心距38mm壳体直径500mm折流板的圆缺高度150mm折流板的间距150mm折流板的数目