课程设计之浮头换热器

1、. . . . 大学化工原理课程设计 学院：城建学院 班级：1024091 学号： ：程少龙 指导教师：鹰 时间：2011 年 12月28 日1.设计任务书学生班级指导教师题目列管换热器的设计设计基本参数处理能力：60000kg/h设备型式：列管式换热器操作条件：冷却介质：井水入口温度：30，出口温度：40 有机液：入口温度：104，出口温度：40。流体温度密度kg粘度m Pas比热容KJ(Kg)导热系数W(m)有机液719860.544.190.662水359940.7284.1740.626设计要求与容1、设计方案简介 对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。2、主要设备的工艺

2、设计计算 物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。3、辅助设备的选型 典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。4、编写设计说明书 将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤与计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事地介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。 设计说明书容：（1） 封面（课程设计题目、学生班级、指导教师、时间）（2） 目录（3） 设计任务书（4） 概述与设计方案简介（5） 工艺与设备设计计算（6） 辅助设备的计算机选型（7） 设计结果汇总表（8） 设计评述（9） 参考资料（10） 主要符号说明

3、各阶段时间安排（以天为单位）用一周时间集中进行1、 设计方案选定：1天2、 主要设备的工艺设计计算：4天3、 辅助设备的选型：2天4、 编写设计说明书：1天5、 绘制CAD图形：2天2. 概述与设计方案简介换热器的类型列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流

4、速，往往在壳体安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不一样，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。2.1换热器换热器是化工、石油、食品与其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不一样，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量

5、交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管与喷射冷凝器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体

6、。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以与夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，

7、换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材围广泛，适应性强与处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。2.2设计方案简介2.2.1换热器类型的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1 固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在一样的壳体直径，排管

8、最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。2.U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最程管间距大，壳程易短路；程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管

9、定管板式高10%左右。3. 浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体抽搐，便与管管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。4.填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热

10、器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体抽出，管管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.3.1换热器类型的选择 所设计换热器用于冷却果浆，果浆粘度较大，易结垢，易腐蚀管道，所以选用浮头式换热器，浮头便于拆卸、清洗，且果浆走壳程也方便散热，与冷却介质温差较大，也避免产生温差应力产生管道变形。综上所述，换热器选择浮头式，果浆走壳程。2.3.2流径的选择 在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应

11、尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。参考标准：(1) 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。(2) 腐蚀性的流体宜走管，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3) 压强高的流体宜走管，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于与时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液体或流量

12、较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。(8) 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。综合考虑以上标准，确定果浆应走壳程，水走管程。2.3.3流速的选择表2-2 换热器常用流速的围 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.82

13、15由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故拟取循环水流速为1.2m/s。2.3.4材质的选择列管换热器的材料应根据操作压强、温度与流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能与耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度与耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。2.3.5管程结构换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错

14、列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列（d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。2.3.6壳程结构与相关计算公式介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板与缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程对各种元件的

15、设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装与保护列管而设置的支承板、管束的导轨以与缓冲板等。 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两

16、个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下： 单管程 D=t(nc-1)+(23)d0式中 t管心距，mm； d0换热管外径，mm； nc横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子数目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 4管程 =0.450.65壳体径D的计算值最终应圆整到标准值。 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热

17、；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳径之比)通常为2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失围希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 壳程流体进出口的设计

18、直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。3 换热器设计方案的确定3.1确定设计方案1. 选择换热器类型：浮头式换热器2. 流经的选择：有机液走壳程，循环水走管程3. 管程循环水流速取0.85m/s4. 材质：不锈钢5. 管径：25*2.5mm3.2定性温度：定性温度：有机液 水3.3 冷却水用量3.3.1热流量（对应有机液）3.3.2平均传热温差：3.3.3冷却水用量（忽略热损失）3.4计算换热面积3.4.1估算总传热系数：3.4.2平均传

19、热温差校正与壳程数平均温差校正系数计算如下：但R=6.2的点很难在图上读出，因而以相应1/R代替R，PR代替P，按单壳程，双管程结构，查表知平均传热温差由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合3.4.3计算换热面积3.5工艺结构尺寸3.5.1管径和管流速选用较高级冷拔传热管（不锈钢）取管流速3.5.2管程和传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为取管长为6m则（管程）则传热管数总根数3.6.传热管的排列和分程方法3.6.1壳体直径取管板利用率则壳体直径为计算的到的壳体直径应按换热器的系列标准进行圆整。壳体直径经常用的标准有800mm、1000mm、1200mm等

20、。根据以上标准可取D=1200mm。4.换热器核算4.1传热面积校核4.1.1管程传热膜系数核算。管程流通截面积管程流体流速和雷诺数分别为普朗特数 管程传热膜系数 （其中被加热介质n=0.4)4.1.2壳程传热膜系数核算。管子按正三角形排列，传热当量直径为壳程流通截面积壳体流体流速与其雷诺数分别为普朗特数黏度校正则壳程传热膜系数4.1.3污垢热阻和管壁热阻。查表知，管外侧污垢热阻，管污垢热阻。已知管壁厚度为，不锈钢在此条件下的热导率为17.4W/m。4.2总传热系数K。污垢热阻4.3传热面积校核实际传热面积换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.4换热器压降的核算4

21、.4.1管程阻力由，传热管相对粗糙度d0.005，参考图双对数坐标图得，流速，所以管程流体阻力在允许围之。4.4.2壳程阻力按下式计算，其中流体流经管束的阻力，则流体流过折流板缺口的阻力，其中 ，则总阻力 5、结构尺寸：1、浮头管板与钩圈法兰结构设计： 由于换热器的径已确定，采用标准径决、定浮头管板外径与各结构尺寸（参照化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：第四章第一节与GB151）。结构尺寸为： 浮头管板外径： 浮头管板外径与壳体径间隙：取（见化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：表4-16）； 垫片宽度：按化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）:表4-16： 取 浮头管板密

22、封面宽度： 浮头法兰和钩圈的直径： 浮头法兰和钩圈的外直径： 外头盖径： 螺栓中心圆直径： 其余尺寸见化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-50。2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计： 依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以与设计温度和公称直径1200，按4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-50（a）所示。3、管箱结构设计： 选用B型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算：取管箱长为1050mm，管道分程隔板厚度取10mm，管箱结构如化工单元过程与设备课程

23、设计（化学工业出版）：图4-50（a）所示。4、 固定端管板结构设计： 依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：D=1306mm；结构如化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-50（b）所示。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计： 依工艺条件，壳侧压力、温度与公称直径；按4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。6、 外头盖结构设计： 外头盖结构如化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-51所示。轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰与钩圈强度计算确定厚度后决定，见化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-51。7、垫片选择：a.管箱垫片： 根据管程操

24、作条件（循环水压力，温度35）选石棉橡胶垫。结构尺寸如化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-39（b）所示： b.外头盖垫片： 根据壳程操作条件（有机液，压力小，温度71），选石棉橡胶垫，垫片：（4705-92）石棉橡胶垫。 c.浮头垫片： 根据管壳程压差，混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫，以浮动管 板结构确定垫片结构尺寸为1190mm；厚度为3mm;4706-92金属 包垫片。8、 鞍座选用与安装位置确定： 鞍座选用/T4712-92鞍座BI1400-F/S； 安装尺寸如化工单元过程与设备课程设计（化学工业出版）：图4-44所示 其中： 取：9、折流板：采用弓形折流板圆缺高度为

25、壳体径的25%，则切去的圆缺高度为，故可取h=100mm。取折流板间距，则个折流板尺寸： 外径：；厚度取6mm10、接管 壳程流体进出口接管：取接管气体流速为，则接管径为，选择接管为管程流体进出口接管：取接管流体流速为 ，则接管径为 ，选择接管为 11、管箱封头、外头盖封头: 管箱封头:D=1200mm, =300mm=25mm外头盖封头: D=1300mm, =325mm=25mm12、浮头法兰计算：按GB151-89相关规定。因此法兰出于受压状态。计算过程取法兰厚度150mm。结构见化工单元过程与设备课程设计化学工业：图4-52（C）13、壳程接管位置：l取200mm14、浮头管板与钩圈：

26、15、其他附件：拉杆，数量6根 5950mm 4根，5500mm 2根16、说明: 在设计中由于给定压力等数与公称直径在4730-92长颈对焊法兰标准围，对壳体与外头盖法兰直接选取标准值，不必进行非标设计强度计算。由于壳程压力降小于管压力降，不必对壳程接管补强，也不用设置膨胀节。壳程流速0.214m/s较小，不必设防冲挡板。下表为设计汇总：名称尺寸/mm材料名称尺寸/mm材料筒体壁厚筒体补强圈厚外头盖短节厚外头盖封头厚管箱短节厚管箱封头厚管箱分程隔板厚888881016MnR16MnR16MnR16MnR16MnR16MnR16MnR管程接管壳程接管固定管板厚浮头管板厚钩圈厚无折边球封头浮头法

27、兰厚606076202016Mn锻16Mn锻16Mn锻16MnR16Mn锻管程壳程接管位置L1240接管长度L200管箱椭圆形封头径1200外头盖椭圆形封头1300鞍座位置Lc1350折流板外径11946、换热器的主要结构尺寸和计算结果表附表1 换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率/（Kg/h)37374260000进（出）口温度/30（40）102（40）压力/MPa物性定性温度/3571密度/Kg/m3994986定压比热容/kJ/(kg/)4.1744.19黏度/Pas0.72810-3热导率/W/(m)0.6260.728普朗特数4.853.42设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体径/mm1200台数1管径/mm25*2.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数目/根784折流板数/个19传热面积/m2369折流板间距/mm300管程数2材质不锈钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.8450.214表面传热系数W/(m2）41892350污垢热阻/(m2*/W）0.000580.000172阻力/Pa133616662热流量/kW3440传热温差/K25.