课程设计—列管式换热器

1、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 17

3、5.3.2 壳程流动阻力衡算 17196 .设计结果汇总7 .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/m3;粘度：7.15*10 -4pa

4、.s ;比热容：2.22kj/(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

5、高压、高温和大型装 置中使用更为普遍。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25 co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35 co该换热器用自来水进行冷却，由于tm-tm=(140+40)/2- (35+25)/2=60c>50c,所

6、需换热器的管壁温度与壳体温度相差较大，故从安全、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，具定性温度可取其进出口 温度平均值。煤油定性温度：(140+40)/2=90c,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 cp,o=2.22kj/(kgc)导

7、热系数入o=0.14 w/(m c )粘度uo=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/(kgc)导热系数入 i=0.6176 w/(m c)粘度w 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:2.39 x 10aq=qca t= 330 k 24x2.22x (140-35) =7.034x1c6kj/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:从而，35c 25c,tm

8、'=57=46.25c,明行)此时,40-25p=1;0-2r=0.13r嚷a=7.00，由公式易算得少=0.84>0.8,符合要求。3 .传热面积:取传热系数为450 w/(m2c),则由公式可得传热面积为a 1953.8 x 10 “ cc 2a)=93.88m450 义 46.254.冷却水用量：忽略热损失，由公式易得，冷却水用量为:1953.8%4 x (35-25 ) =46.81kg/s=168516kgm。§ 4 工艺结构尺寸已知两流体允许压降均不大于 35kpq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

9、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流体种类流速/ (s)管程壳程冷却水广宠5一期液体f黏度不高)0.5 "3.00.2.1 5低钻油0. 81. 8.0高钻油0.5". 5则初步选择。25x 2.5mm的碳钢管，管内径 d=25-2.5x2=20mm,管内流速取ui=1.2m/s。4.2 管程数和传热管数?"?u?4 .一46 .81/ 995.70.785 x0.022 x1 .2= 124.8 - 125 根按单管程计算，所需的传热管长度为l=上?>?93.883

10、.14 0.025 125=9.58m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) (c) (d)所示,包括正三角形排列（排列角为300）、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 q） _ 一一 n- hoo 。o q c0 0c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

11、。换热/卜役d换热管中心距t分程隔板槽沟恻相邻管的中心电换热管中心距查表如下（mm：则横过管束中心线的管束为 n=1.1 v?=1.1 v250=17.3918o4.4 壳体内径采用多管程设计，取管板利用率为刀=0.7,则壳体内径为 d=1.05t v?=1.05 x 32x v250-=634.9mm ?0.7按卷制壳体的进级档可取d=700m m4.5 折流板折流板间距多为 100mm 150mm 200mm 300mm 450mm 600mm800mm 1000mm折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，如下表（ mm：壳体公标内 径 /mn相邻的折流板间距/i皿<300300-43

12、d150600600750>75028-25。356101d4007口。561.01012700-1000810216>10005101216w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:壳体直在/rm<400心口90390口一1200管子外径arm192m57支承板厚度 /m6810最大间距，mu150010002soo3100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%x 700mm=175mm。取折流板间距 b=0.3d,贝u b=0.3x 700mm=210mm,可取 b=200mm, 因而查表可

13、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 m=5需-1=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：x 30176.8/ (3600 x 825)3.14 xi取接管内煤油流速为u=1m/s,则接管内径为=0.1138m=113.8mm4.6.2 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4? 4x 168516/(3600 x 995.7 c / ccc/ cc cd2 = v = vz3； * $ = 0.1998m=199.8mm。4.7 壁厚的确定和封头4.7.1

14、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 椭圆形封头查表易得其尺寸数据如下表:公称百存ln/mm曲面高度丸 /irm直边高度破铜厚度a /mn内表面檄客和v/w?质量叫4d01502580. 43740. os5327, 474.8 管板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:公称直径d2bd螺栓孔数4005304go&98545361023284.8.2管板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

15、于20mm管板最小厚度如下表:换物器管亍外径d/mii<25w23s57管板厚度/丽3/4222532换热管外径为25mm因而管板厚度取为3d0/4=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：a0 0.36 (deu) (c)(一严4 dew计算壳程当量直径，由正三角形排列可得：4(-3t2- d0)4(0.0322 0.785 0.0252)de 24 =-2=0.020md03.14 0.025壳程流通截面积:deso=bd(1- do)0.2壳程流体最小流速为:u。qvo_qm01400

16、 1000aa0 24 3600 624.89 0.04890.53m/s30176. 8 /( 3600825)= =0.33m/s 。0.0306雷诺准数为:0.02 0.32 825-73840. 000715普兰特准数为:pro=co-o22200. 000718 11. 340. 14nu=0.360.551/30.14re pr ()。物料被冷却，粘度校正(一)°.14w取1,将数值代入上式:nu=0. 36178340.5511. 343=112.08o nuo=11208 0.14 0.02=784.57w/n2cdo(2)管程对流传热系数:管道流通面积:s=0.78

17、5 x 0.02 2x 125=0.0393品管程流体最小流速:168516 /( 3600995. 7) 彳,ui = 1. 196m / s0. 0393雷诺准数为0. 02520.7 1 =0.0306 m20. 0320.021. 196995. 7re = 297340. 000801普兰特准数为:41740. 000801 广pri = 5. 420. 6167管内表面传热系数:i 0. 0230，616729734 0.85. 420.45284. 14 w/mlc0. 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：rsi=0.00058m2 c/w

18、 ,管内侧污垢热阻:rso=0.00017 m2c/w管壁的导热系数：=45 m2 c/w管壁厚度：b=0.0025内外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得k 1do口dobdo口 1-rsi"-7rso-idi di di(10. 025cmc”0. 0250. 00250.025 八1 0. 00058 0. 00017 5284. 140. 020. 02450. 0225784. 57=595.24w/n2c所以,k的裕度为*=*8/生=24.13%,该值合适。(4)传热面积裕度由k计算传热面积sc, q973473864)2s =88.494695

19、mk 第折592,724 1946925该换热器的实际传热面积为:sp= doln=3.14 x 0.025 x5.0 x 2502=98.125m则该换热器的面积裕度为:sp s 98.12570.95h=op_=98. 12527.7%,该值合适，故换热器满足要求i。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：twtmctm1c1h式中液体的平均温度tm和tm为:“11

20、t 235 25( t 12 30m 22tm t4t2幽/ 90(c)22c i 3681.74w/r21ch o 440.39 w/rric传热管平均壁温:,90 528414 30784 54 小tw ： 37. 8 c1 528414 1 784 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 90 378 522 c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

21、( pip2)nsnpfs已知此情况下re=29734,为湍流0 2取绝对粗糙度0.2mm相对粗糙度为屋为0.01查re关联图,可得摩擦因数0.035,p2pil2d-23 325“0. 035 995. 70. 02995. 732136pa2另外,式子中:壳程数ns=1 管程数n=2代入公式中，有:pi ( pip2)nsnpfs=(6231+2136) x 1x2x 1.5 =25101pa<35kpa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。下面以埃索法计算壳程压力 降：壳程压力降埃索法公式为：p

22、0( p+ r)fsnspi 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;ns壳程数；2而 p' ffonc(nb+1)-其中 f 0.5, fo 5re 0.228 =0.65623 nc=1.1 乂22505 = 17.39, n=24,uo=0.33m/s。代入数值得：一_ _0. 332p1'=0.5 x 0.656 x 17.39 x25x x =5139.4pap12而 p2 nb(3.5-等手,其中 h=0.2m, d=0.7m, n=29,d壳径，mh折流挡

23、板间距，mdo换热器外径，m代入数值得:§ 7.设计评述2h、 p2n b( 3.5-)2_ _ _ _ 2=24 x (3.5-20. 2、9500. 330.72=2634.5pa对于?s体fs=1.15,于是我们有:p0 ( p'+ p2)fsns = 1.15x 1x (5139.4+2634.5 )=8939.9pa<35kpa。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爹如管程卡壳程中进、出口温度,匕，26/35140/40卡压力1pa25101j8930.0p流量，山16250.60 户600

24、g物一 性，物性温度，七，30甲90/密凰kg/m995.评825. 0定压比熟容,kj/ ckrt)4.1742. 22m粘度，pa-s*30.0008010-000715热导脸盯x七q0,61 田0. 1400p结+ 构+, 参*形式，管板式损热器，壳程数壳体内寸令nn铲台如管径，中25x2.5中管心距，旃一32q管长,mm*500cp管子排列j一管数，根卓25g折端板数，2加传热面积,通一93.83折流板间距，nm*jam-管程姓2p材即碳脚主要计算结果一管程一亮堂流速j加/”1.1曲0. 330污垢热阻，/七70.000580.00017热流量，1955.8传热温差，45.每传热系数，

25、595.期k值裕度/海24. l3/列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换 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

26、。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%-3