课程设计—列管式换热器

1、实用标准课程设计设计题目：列管式换热器专业班级：应化1301班姓 名：王伟 学 号： U201310289指导老师： 王华军时 间：2016 年8月文案大全目录1. 课程设计任务书 51.1 设计题目 51.2设计任务及操作条件 51.3技术参数 52. 设计方案简介 53. 课程设计说明书 63. 1确定设计方案 63.1. 1确定自来水进出口温度 63.1.2确定换热器类型 63.1.3流程安排 73.2确定物性数据 73. 3计算传热系数 83.3.1热流量 83.3.2 平均传热温度差 83.3.3传热面积 83.3.4冷却水用量 84. 工艺结构尺寸 94.1管径和管内流速 94.2

2、管程数和传热管数 94.3传热管排列和分程方法 94.4壳体内径 104.5折流板 104.6 接管 114.6.1 壳程流体进出管时接管 114.6.2 管程流体进出管时接管 114.7 壁厚的确定和封头 124.7.1 壁厚 124.7.2椭圆形封头 124.8 管板 124.8.1 管板的结构尺寸 134.8.2管板尺寸 135. 换热器核算 135.1热流量衡算 135.1.1 壳程表面传热系数 135.1.2 管程对流传热系数 145.1.3 传热系数K 155.1.4 传热面积裕度 165.2壁温衡算 165.3流动阻力衡算 175.3.1 管程流动阻力衡算 175.3.2 壳程流

3、动阻力衡算 176. 设计结果汇总197. 设计评述208. 致谢 219. 工艺流程图 2210. 符号说明 2211. 参考资料 24 1.化工原理课程设计任务书1.1设计题目煤油冷却器设计1.2设计任务及操作条件设备型式：列管式换热器处理能力：15+0.1*1*89=23.9 万吨/年煤油操作条件：(1) 煤油：入口温度140C，出口 40C;(2) 冷却介质：自来水，入口和出口温度由条件衡算；(3) 允许压降：不大于105Pa(4) 每年按360天算，每天运行24小时。1.3技术参数煤油定性下的物性数据：密度:825Kg/m;粘度:7.15*10 -4Pa.s ;比热容:2.22KJ/

4、(Kg. C)； 导热系数：0.14W/ (m.C)。 2.设计方案简介本设计任务是利用自来水给煤油降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图(图1)是工业生产中用到的列管式换热器图丨选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需 要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器， 喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热 管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而 列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容 易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在咼压、咼温和大 型装置中使用更为普遍。

5、所以首选列管式换热器作为设计基础。 3.课程设计说明书3. 1 确定设计方案(1) 确定自来水进出口温度自来水的进口温度一般为室温，设计进口温度为25C。在设计出口温度是参考一下标准：冷却水出口温度不超过60C，以避免换热器严重结垢，冷却水的出口温度不应高于工作物流的出口温度。因此设计冷却剂出口温度为 35 C。(2) 确定换热器类型两流体温度变化情况如下: 煤油：入口温度140C，出口温度40C;自来水：入口温度25C，出口温度35C。该换热器用自来水进行冷却，由于Tm-t n=(140+40)/2- ( 35+25)/2=60 C 50C,所需换热器的管壁温度与壳体温度相差较大，故从安全、

6、经济、方便的角度考虑采用带有补偿圈的管板式换热器。(3) 流程安排由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气 中散热，提高冷却效果。3.2确定物性数据定性温度：对于一般的气体及低粘度流体，其定性温度可取其进 出口温度平均值。煤油定性温度：(140+40) /2=90 C,自来水定性温度：(35+25)/2=30 C在定性温度下，分别查取煤油和自来水的物性参数如下：煤油在90C下的有关物性数据如下：密度p o=825 kg/m3定压比热容 c P,o=2.22kJ/(kg C )导热系数入o=0.14 W/(m C )粘度卩

7、 =0.000715Pa s冷却水在30 C下的物性数据：密度p i=995.7kg/m3定压比热容cp,i =4.174kJ/(kg)导热系数入i=0.6176 W/(m C )粘度卩 i=0.000801 Pa s3.3计算传热系数1. 热流量：以煤油为计算标准算他所需要被提走的热量：Q=qcA t=x2.22x ( 140-35) =7.034x106KJ/h=1953.8KW2. 平均传热温差：计算两流体的平均传热温差，暂按单壳程、多管程计算。逆流时：煤油：140C 40C,自来水：35C 25C,从而， tm 二一 =46.25 C ,此时，P=0.13 , R=7.00，由公式易算

8、得 =0.840.8,符合要求。3. 传热面积：取传热系数为450 W/(m2 C )，则由公式可得传热面积为2Ap=93.88m4. 冷却水用量：忽略热损失，由公式易得，冷却水用量为:Q=46.81Kg/s=168516Kg/h。 4.工艺结构尺寸已知两流体允许压降均不大于 35KPa与煤油相比，水的对流传 热系数一般较大。由于循环冷却水易结垢，会加快污垢增长速度，使 换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应该让循环自来 水走管程，煤油走壳程。4.1管径和管内流速列管式换热器内的适宜流速范围炭怵种类管程壳程广工5。小.5般液林（黏度不离）0.53. 00,21. 5低粘注0. 81.

9、8o. ri. o高黏油0.51. 50.血3则初步选择 25X 2.5mm的碳钢管，管内径di=25-2.5x2=20mm 管内流速取 Ui=1.2m/s。4.2管程数和传热管数? ?46 81 995 7?24 ？ ?20 785 0 021 2= 124.8125根按单管程计算，所需的传热管长度为L=? ? ? ? ?93 883 14 0 025石=958m。若按照单管程设计，则管长过长，不宜使用，故采用多管程设计。取 传热管长为5m,则换热器管程数应为NP=2,传热管总数为Nt = 125x2=250 根4.3传热管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的如下图 （a） （b）

10、（c） （d）所示, 包括正三角形排列（排列角为30）、同心圆排列、正方形排列（排列 角为90）、转角正方形排列（排列角为45）。当管程为多程时，则需 采取组合排列，如下右图 - O- :O 0-0 o o o (t) o oQ 0lb)oOGO G00oo to oO O0 0 o 0 O 6 O 0O 0O采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形 排列。换热管中心距查表如下（mr）：横热管外径d换热管*心距十分桓隔板橹两侧柏邻蒼的中心距2532U则横过管束中心线的管束为 n=1.1 =1.1 =17.39184.4壳体内径采用多管程设计，取管板利用率为n=0.7，贝慌体内

11、径为D=1.05t =1.05 x 32X 一=634.9mm按卷制壳体的进级档可取D=700mm4.5折流板折流板间距多为 100mm 150mn，200 mn, 300mm 450 mm 600 mm 800 mm 1000 mm折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，如下表（mm：壳体舍称內 径/mn相邻两折流板间拒仏750200-25035610ID100 70D5S1.010L2700-1000厉8101215100051012ieL6支承板厚度一般不应小于上表数据，支承板不允许的最大间距参考下表：壳瘁直毛Aim400Q000管子外径Aim19253857支承板厚度/mn6810最大间

12、距#nm1500180025003400经选择，采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的 25%则切去的圆缺高度为 h=25% 700mm=175mm取折流板间距 B=0.3D,贝S B=0.3 x 700mm=210mr可取 B=200mm 因 而查表可得，折流板厚度为 5mm支承板厚度为8mm支承板允许不支承最大间距为1800mm折流板数为Nb-仁24块。折流板圆缺面水平装配。4.6接管4.6.1壳程流体进出管时接管：取接管内煤油流速为u=1m/s,则接管内径为（）=0.1138m=113.8mm。462管程流体进出口时接管：取接管内冷却水流速U2= 1.5m/s，则接管内径为D2

13、= =)=0.1998m=199.8mm。4.7壁厚的确定和封头4.7.1壁厚查资料易知，圆筒厚度为 8mm椭圆形封头与圆筒厚度相等,亦为8mm4.7.2椭圆形封头示意图如下:查表易得其尺寸数据如下表:公称盲径LN/mm卿面高席/im仏/urn就钢犀度A /mn內表面积A/zn2吝和V/m2H/kg4D015025S0, 43740. 035327, 474.8管板实用标准管板除了和管子和壳体等连接外，还是换热器重一个重要的受压 器件。4.8.1管板的结构尺寸查相关资料得，固定管板式换热器的管板主要尺寸如下表:公称言径0qqbcd螺栓孔数40053049049854536102328482管板

14、厚度考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm管板最小厚度如下表：臧參箸于外径切血25323857管樣厚度/迹3必222532换热管外径为25mm因而管板厚度取为3do/4=18.75mm,则综上取为20mm 5.换热器核算5.1热流量核算(1) 壳程表面传热系数:对圆缺形的折流板，可采用克恩公式:补0.36 （畔） de “计算壳程当量直径，由正三角形排列可得:de3 2- 3224（Tt-4do）_4（T0.032 一785 O.25）=0.020m壳程流通截面积:S二BD(1-do)r 0 025=0.2 x 0.7 1 -=0.0

15、306 m2、0. 032 /壳程流体最小流速为:uqv0A0qm01400 100024 3600 624.89 0.0489二 0.53m/ s=0.33m/s30176. 8 /( 3600825)0.0306雷诺准数为:.232825 二 73840. 000715普兰特准数为:八o22200. 0007181.340. 14Nu=0.36Re0.55 Pr1/3)0.14。物料被冷却，粘度校正(二严 取1,ww将数值代入上式：1Nu=0. 3678340.5511.343 =112.08：。二 Nu。208汇 0.14+ 0. 02=784.57W/nVc2。丿(2) 管程对流传热系

16、数：管道流通面积：S i=0.785 X 0.022 X 125=0.0393卅管程流体最小流速:文案大全实用标准168516 /( 3600 995 7) = 1.196m/ s0. 0393雷诺准数为Re 二二 297340. 021. 196995.70. 000801普兰特准数为:Pri =41740. 0008010. 6167二 5.42= 440.39 W/rriC文案大全管内表面传热系数:= 0.0230. 6167297340.85. 420.4 = 5284.14 W/mTc0. 02(3) 传热系数K根据冷热流体的性质及温度，选取污垢热阻：管外侧污垢热阻：R；i=0.00

17、058m C /W，管内侧污垢热阻:Ro=0.00017 m2C /W管壁的导热系数： =45 m2C /W管壁厚度：b=0.0025内外平均厚度：d n=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得K 二 do +:idiRs2 旦Rs。di ：- o0. 0255284. 140. 020. 000580. 0250. 020. 00250. 025+ 450. 0225784.57=595.24W/nVc所以，K的裕度为：k= 784旦 5952土 =24.13%,该值合适785.57(4) 传热面积裕度由K计算传热面积S973953800 弋&4706血592.-724 194792

18、5该换热器的实际传热面积为:SP= doLN=3.14 X 0.025 X 5.0 X 250=98.125m则该换热器的面积裕度为:十丁 = 98鶯；2；0.95 = 27.7%,该值合适，故换热器满足要求1 5.2壁温衡算由于换热管内侧污垢热阻较大，会使传热管内侧污垢热阻较大， 会使传热管壁温升高，减低了传热管和壳体的壁温之差。 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。计算中应按最 不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零由以下公式计算传 热管壁温：tw式中液体的平均温度tm和几为:t =口=雪生=30 (C)m 2 2T1 +T,140 + 40厂厂、Tm = -

19、290 (C)2 2=3681.74 W/nVC实用标准传热管平均壁温:,90528414 + 30784 54_ _ _t w37- 8 匚1 5284141 784 57壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90C壳体壁温和传热管壁温之差为：t = 90- 378 = 522C由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此，选用固 定管板式换热器较为适宜。5.3.流动阻力核算因为壳程和管程都有压力降的要求，所以要对壳程和管程的压力降分别进行核算5.3.1管程流动阻力核算管程压力降的计算公式为: Pi = ( 4 r ： P2)NsN p Fs已知此情况下Re =29734,为湍流。

20、取绝对粗糙度 = 0.2mm相对粗糙度为di0. 220-0. 01 pi =（巾1 - 巾2）NsNp Fs文案大全查 -Re关联图，可得摩擦因数-=0.035,1. 196 二 6231 Pa2l5P1u2 = 0. 035995. 72di0. 02皿21 1962：p2 = 33 995. 72136Pa2 2另外，式子中:壳程数Nl=1 管程数N=2代入公式中，有：实用标准=(6231+2136 X 1X 2X 1.5=25101Pa35kpa故符合要求。5.3.2壳程流动阻力由于壳程流体的流动状况比较地复杂，所以计算壳程流体压力降的表达式有很多，计算结果也相差很大。下面以埃索法计算

21、壳程压力降：壳程压力降埃索法公式为:S APo(P+AP)FsNsp 流体横过管束的压力降，Pa;P2流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa;Fs壳程压力降的垢层校正系数，无因次，对于液体取1.15，对于气体取1.0 ;N壳程数；Pu 2而也P=FfoNc(NB+1)-，其中 F =0.5, fo =5Re228 =0j653 nc=1.1 X 20 5250 =17.39 , NB=24,Uo=0.33m/s。代入数值得：p=0.5 X 0.656 X 17.39 X 25XX0. 3322=5139.4Pa文案大全而二P2 二 Nb(3.5-詈）乎，其中 h=0.2m d=0.7m M=29,

22、D壳径，mh 折流挡板间距，m do换热器外径，m代入数值得:二 p2 = Nb( 3.5-2h)uo2D 2=24 X( 3.5-2 0.2)0.79500. 3322=2634.5Pa对于液体Fs=1.15，于是我们有： 呢(p+迟)FsNs = 1.15 X 1X( 5139.4+2634.5 )=8939.9Pa35kpa。经过以上的核算，管程压力降和壳程压力降都符合要求 6设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果菅程卫壳程屮进、出口温度，25/35liO/OOf1*压力Pad25101J89 30 加16250.606000 玄物性温度，30+1904物4密度，kg/jn3*996.

23、 7825.0+1性4走压比热容，p4.1742. 22CW粘度，Pa訐0. 0008020-000715+鳩率“ma0,61760. 1400形武*管板式擬热IT壳程数卩1P+结4壳体内経.nnuP700心I*125x2.5*管心EE,叭33加*数J管长” IMH+35002管刊*列25 W折流扳数血*传熱面积，品93.83折流板间距，nm*J材质卢匸主要计算结果管程心秃程屮4流速f:L1砂0. 330污垢热阻，皿七/料0.00050430.000171953.8*传热温差，45,传热系数，W/CrK）595. 24*K値裕虞/畑24. 7.设计评述列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为

24、传热面的间壁 式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主 要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类 型，由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。 壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热 的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流 动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安 装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横 向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或 正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分 系数大；正方形排列则管外清

25、洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳 程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均 分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次， 这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板， 迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应 用。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度 也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管 子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过 50C时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷 热两流体，按以下原则选择流道：不洁净和易结垢流体宜走管程， 因管内清洗较方便；腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受 腐蚀；压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；饱和蒸汽宜 走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关，且冷凝液容易排出； 若两流体温度差较大，选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大 的流体走壳程，以减小热应力。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其 结构较紧凑，排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道 壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：（1）传热面积比浮头式换 热器大20%- 30% （2）旁路漏流较小；