化原课题设计 列管式换热器

1、化工原理课程设计题 目:列管式换热器的设备工艺设计 成 绩:目 录1前 言31.1换热器的简单介绍31.2换热器的类型31.3设计的目的及意义 32设计部分42.1确定设计方案42.1.1 选定换热器类型42.1.2 选定流体流动空间及流速42.2 确定物性数据42.3 估算传热面积42.3.1计算热负荷（热流量或传热速率）42.3.2计算冷却水用量42.3.3计算逆流平均温度差42.3.4初选总传热系数K52.3.5估算传热面积52.4工艺结构尺寸52.4.1管径和管内流速52.4.2管程数和传热管数52.4.3平均传热温差校正及壳程数52.4.4传热管排列和分程方法62.4.5壳

2、体内径62.4.6折流板62.4.7其他附件62.4.8接管62.4.8.1壳程流体(煤油)进出口接管62.4.8.2管程流体（冷却水）进出口接管62.5换热器核算72.5.1传热能力核算72.5.1.1壳程对流给热系数72.5.1.2管程给热系数72.5.1.3污垢热阻与管壁热阻82.5.1.4总传热系数82.5.1.5传热面积82.5.2核算壁温82.5.3传热器内流体的流动阻力92.5.3.1管程流动阻力92.5.3.2壳程流动阻力92.6换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表10参考文献10 1前 言1.1换热器的简单介绍换热器（heat exchanges），是将热流体的部

3、分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。随着人类社会生活的发展，换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。近年来，由于科技的快速发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是

4、换热器。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。1.2换热器的类型换热器根据不同的方式分类也不同。按传热原理分为表面式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器；按用途分为加热器、预热器、过热器、蒸发器；按结构分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。接下来着重介绍浮头式换热器和管板式换热器。1.2.1浮头式换热器的简介新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外

5、侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。 浮头式换热器两端的管板，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。  1.2.2管板式换热器的简介  板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式

6、换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。 板式换热器主要由板式换热器板片和板式换热器密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、夹紧螺栓、上导杆、下导杆 、后立柱七部分组成；具有传热系数高对数平均温差大、末端温差小、容易改变换热面积或流程组合、重量轻、价格低、制作方便、容易清洗、单位长度的压力损失大、不易结垢等优点，在实际生产中是用的比较多的一种换热器。 1.3设计的目的及意义  换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。通过本次设计，对本学期所学的

7、化学工程基础进行整体的回顾，查漏补缺，扩宽知识面，了解换热器的类型及用途，熟悉换热器的工艺设计计算、设备结构设计计算和换热器的核算，知道换热器在日常生活中扮演着非常重要角色，掌握课程设计的一般步骤。在工业设计中，根据处理量的不同，选择合适的换热器，为换热系统的节能、低耗和高效益打下坚实的基础。通过设计，使同学们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强课程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风设备工艺设计计算如下两流体均为无相变，本设计安非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。2设计部分2.1确定设计方案2.1.1 选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体（煤油）入口

8、温度为200，出口温度为40，冷流体（冷却水）入口温度为30，出口温度为50。两流体的定性温度如下：煤油的定性温度Tm=(200+40)/2=160冷却水定性温度tm=(30+50)/2=40两流体的温差Tm-tm=160-40=120可选用列管式换热器。2.1.2 选定流体流动空间及流速因冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选定冷却水走管程，煤油走壳程。同时选用Ø25mm×2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速取ui=0.6m/s。2.2 确定物性数据查化工原理附表，两流体在定性温度下的物性数据如下流体物性定性温度/密度/(kg/m2)黏度/Pa·s比热容/kJ/

9、(kg·)热导率/W/(m·)煤油1207510.0007527.250.141冷却水40992.20.0006564.1740.63382.3 估算传热面积2.3.1计算热负荷（热流量或传热速率）接管间煤油计算，即Q=m1CP1(T1-T2)=3.2×107×7.25×1000×(200-40)/(330×24×3600)=1301.9kW2.3.2计算冷却水用量忽略热损失，则水的用量为=15.6kg/s2.3.3计算逆流平均温度差逆流温差 tm,逆=51.72.3.4初选总传热系数K查传热手册，参照总传热系数的

10、大致范围，选定大致的传热系数，现假设K=500W/(m2·)2.3.5估算传热面积A´=50.36m2考虑到15的面积裕度， A=1.15A´=1.15×50.36=57.9m22.4工艺结构尺寸2.4.1管径和管内流速前已选定，管径为Ø25mm×2.5mm，管内流速为ui=1.0m/s。2.4.2管程数和传热管数根据传热内径和流速确定单程传热管数nsns=50(根) 按单管程计算所需换热管的长度LL=14.75(m)按单管程设计，传热管过长，根据本题实际情况，取传热管长l=4.5m，则该换热管的管程数为Np=4(管程)传热管的总根数

11、NT=50×4=200(根)2.4.3平均传热温差校正及壳程数 首先计算P和R参数：P=0.125R=8查图或按公式获取并求取tm 单壳程双管程属于1-6折流，现用1-6折流的公式计算温差校正系数和传热平均温度差。=0.97tm=26.87因，选用单壳程的列管式换热器。2.4.4传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距t=1.25d0,则即t=1.25×2532mm隔板中心到最近一排管中心的距离S：按净空不小于6mm的原则确定，亦可按下式求取： S=32/2+6=22mm分程隔板两侧相邻排管之间的关心距=2×22=44

12、mm管中心距t与分程隔板槽两侧相邻管排中心距ta的计算结果与给出的数据完全一致，证明可用。2.4.5壳体内径采用六管程结构，取管板利用率=0.6，则壳体内径=613mm 取D=700mm2.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×700=175mm 取h=175mm取折流板间距为B=0.3D=0.3×700=210mm 取B=210mm 则折流板数为=27.57 取NB=27(块)折流板圆缺水平安装。2.4.7其他附件拉杆直径为Ø12mm，其数量不少于26根。壳程入口应该设置防冲挡板。2.4.8接管2.4

13、.8.1壳程流体(煤油)进出口接管 取接管内煤油流速为0.5m/s,则接管内径=0.0617m取标准管径为64×1.0mm2.4.8.2管程流体（冷却水）进出口接管 取接管内冷却水的流速为2.5m/s，则接管内径=0.0895m 取标准管径为Ø90×3.5mm其余接管内径忽略。2.5换热器核算2.5.1传热能力核算2.5.1.1壳程对流给热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩（ken）公式当量直径由正三角形排列得=0.020m壳程流通截面积=0.32m2课程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为u0=0.047m/sRe0=940=430=113w/(m2)2.5.1.2

14、管程给热系数 管程流通面积Si=0.785×0.0202×200/4=m2管程流体、雷诺数及普朗特常数分别为=1.014m/s=27118>10000(湍流)=4.963由上可知，Re>10000,Pr>0.7,根据Dittus和Boelter关联式，冷流体加热，n=0.4=4795W/(m2·)2.5.1.3污垢热阻与管壁热阻管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取RS0=0.0004m2·/W管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取Rs1=0.0006m2·/W管壁的热导率：碳钢的热导率=45W/(m·)。2.5.1.4总传热系

15、数=m2·/WK=599W/(m2·)2.5.1.5传热面积理论传热面积 =80.88m2该换热器的实际换热面积=3.14×0.025×(6-0.1)×200=95m2面积裕度 ×100%=×100%=17.5%换热面积裕度合适，能够满足设计要求。2.5.2核算壁温因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算：=（200+40）/2=120=38取两侧污垢热阻为零，计算壁温，得传热管平均壁温：=37.42壳体平均壁温，近似取壳程将流体的平均温度，即120壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：120-37.42=82.582.

16、5.3传热器内流体的流动阻力2.5.3.1管程流动阻力（Ft结构校正系数，Np管程数，Ns壳程数）取换热管壁粗糙度为0.01mm，则=0.0005，而=27118，查图得i=0.035，流速Ui=1.0m/s,密度=992.2kg/m3所以：=5209.1Pa=1488.3Pa对Ø25mm×2.5mm的管子有Ft=1.4,且Np=4，Ns=1=(5209.1+1488.3)×1.4×4×1=37505.5Pa<105因此，管程流体阻力在允许范围之内2.5.3.2壳程流动阻力（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）流体流经

17、管束的阻力式中F管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形F=0.3，正方形错列F=0.4；f0壳程流体的摩擦系数，当Reo>500时，f0=5.0Re0-0.288=1.05nc 横过管束中心线的管数农村nc=16 折流板间距B=0.21m,折流板数NB=27,uo=0.047m/s=5121Pa流体经折流板缺口的阻力，=6495Pa=(5121+6495)×1.15×1=21716.8Pa参考表3-10，该换热器的压降在合理的范围之内，故设计的换热器合适。2.6换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表参数管程壳程流率/(kg/h)4040.456

18、160温度(进/出)/30/50200/40压力/MPa11物性参数定性温度/40120密度/(kg/m3)992.2751比热容/kJ/(kg)4.1747.52黏度/Pa·s0.0006560.000752热导率/W/(m)0.63380.141普朗特数4.96343设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm450壳程数1管子规格Ø25mm×2.5mm管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形管子数目/根200折流板数/块27传热面积/m295折流板距/mm210管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.0140.032传热膜系数/W/(m2)4795113污垢热阻/(m2/W)