列管换热器的设计

1、化工原理课程设计设计说明书设计题目：列管式换热器一、设计任务书（一）设计题目：列管换热器的设计（二）设计任务及操作条件某生产过程中， 需用循环冷却水将有机料液从102冷却至 40。已知有机料液的流量为 2.17104 kg/h，循环冷却水入口温度为 30，出口温度为 40，并要求管程压降与壳程压降均不大于 60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。（三） 选择适宜的列管式换热器并进行核算3.1 传热计算3.2 管、壳程流体阻力计算3.3 管板厚度计算3.4 U 形膨胀节计算3.5 管束振动3.6 管壳式换热器零部件结构（四）绘制换热器装配图（A3 图纸）设计说明书包括： 封面、目录、设

2、计任务书、设计计算书、 设计结果汇总表、参考文献及设计自评表、换热器装配图等。 （设计说明书及图纸均须计算机打印完成）目录一、设 计 任 务 书 .-1-二、 概述 .-3错-误！未定义书签。2.1列管式换热器的分类简介 .-3-2.2列管式换热器的选用与设计原则 .-4-三、换热器的选型 .-5-3.1确定物性参数 .-5-3.2计算热负荷和平均温度差 .-7-3.3平均传热温差校正 .-7-3.4管径与管内流速.-9-3.5管程数和传热管数 .-9-3.6壳体内径.-11-3.7折流板 .-11- 1 -3.8接管、拉杆与定距管的选定.-12-四、换热器核算 .-12-4.1、热量核算 .

3、-12-4.2、传热面积核算 .-13-4.3、流动阻力核算 .-14-4.4、壁温核算 .-15-五、换热器选型 .-16-六、设计结果 .-17-七、结构设计 .-19-八、强度设计计算 .-20-九、参 考 文 献 .-27-十、课程设计心得 .-28-十一、主要符号说明 .-29-二、概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。 它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器既可是一种单独的设备，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，如氨合成塔内的热交换器。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热

4、器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外；铜、 铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下； 非金属材料除制作垫片零件外， 有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器， 如石墨换热器、 氟塑料换热器和玻璃换热器等。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛， 按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）- 2 -在化工厂，换热器的费用约占总费用的10% 20%，在炼油厂约占总费用35% 40%。换热器在其他部门如动

5、力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此， 设计和选择得到使用、 高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。2.1 列管式换热器的分类简介换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1 所示。表 2-1 换热器的结构分类类型特点固定管刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗式带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力列浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难管管间容易泄露， 不宜处理易挥发、 易爆炸及压力较高的管填料函外填料函介质间

6、式内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合壳 式釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂， 主要用于高温高压场合和固定床反应器中壁式能逆流操作， 用于传热面积较小的冷却器、 冷凝器或预套管式热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝式拆洗方便， 传热面能调整， 主要用于粘性较大的液体间板式换热板可进行严格的逆流操作， 有自洁的作用， 可用做回收低面螺旋板式温热能式伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进

7、行， 适用于从高温炉气中回收热能的场合因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器， 即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同- 3 -的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。1- 挡板2-补偿圈3-放气嘴图

8、 2.2.1.固定管板式换热器的示意图2.2 列管式换热器的选用与设计原则换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。换热器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上合理和技术上可行的换热器。2.2.1 、 流体通道的选择流体通道的选择可参考以下原则进行：1 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和

9、壳体同时受腐蚀，管内也便于检修和清洗；3 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；5 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；6 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；7 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re10.5气体530315表 3-3. 不同粘度液体的流速（以普通钢壁为例）液体粘度150050010035 1 1/mPa s1500 50010035最大流速/0.60.751.11.51.82.4（ m/s ）由

10、上表，我们初步选用 252.5 的碳钢管，管内流速取 ui =1.0m/s 。定性温度：取流体进出口温度的平均值。壳程油的定性温度为：10240T271 Ct1 T1t2管程流体的定性温度为：t 2 T2t1304035 Ct40)(40 30)2t1t 2(10228.5 Ct mt110240根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。lnt 2ln30物性密度40比热容 CP导热系数粘度流体kg/m3PaskJ/（kg） W/（ m）有机化合液9860.54 10-34.190.662水9940.728 10-34.1740.6263.2 计算热负荷和平均温度差1. 热流量Q1m

11、1c p1 T1T2217004.19(10240)1551.5kW2. 平均温度差暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有煤油： 102 40水： 40 30 得：3. 冷却水用量Q11565.9m37.5kg / s 133811kg / hc p2 (t 2 t1)4.174 (40 30)- 6 -3.3平均传热温差校正平均传热温差校正系数 :按单壳程，双管程结构，查阅相关温差校正系数图得t0.86 0.8 ，由此可知，是合理的。如果温度校正系数低于0.8 ，则应该采用多壳程结构或其他流动方式。 。所以修正后的传热温差为：Tmt tm 0.8628.5 24.5 C3.3.1总传热系数

12、总传热1系数的2102经验值40见表 3-4 ，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数RTT6.2t2t14030经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体的物性和操作条件外，还应考Pt 2t140300.139虑换热器的类型。30T1t1102表 3-4总传热系数的选择管程壳程3总传热系数 /W/ （ m）- 7 -水（流速为 0.9 1.5m/s ）水（流速为 0.9 1.5m/s ）582698水水（流速较高时）8141163冷水轻有机物 0.5mPa s467814冷水中有机物 =0.5 1mPas290698冷水重有机物 1mPa s116467盐水轻有机物 0.5mPa s233

13、582有机溶剂有机溶剂 =0.3 0.55mPa s198233轻有机物 0.5mPa s轻有机物 0.5mPa s233465中有机物 =0.5 1mPa s中有机物 =0.5 1mPas116349重有机物 1mPas重有机物 1mPa s58233水（流速为 1m/s ）水蒸气（有压力）冷凝23264652水水蒸气（常压或负压）冷凝17453489水溶液 2mPa s水蒸气冷凝11631071水溶液 2mPa s水蒸气冷凝5822908有机物 0.5mPas水蒸气冷凝5821193有机物 =0.5 1mPa s水蒸气冷凝291582有机物 1mPa s水蒸气冷凝114349水有机物蒸气及

14、水蒸气冷凝5821163水重有机物蒸气（常压）冷凝116349水重有机物蒸气（负压）冷凝58174水饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝5821163水含饱和水蒸气的氯气（ 50）174349水SO2 冷凝8141163水NH3 冷凝698930水氟里昂冷凝7561）. 管程传热系数：di ui i0.02 1.0 994Re i27307.7i0.000728c p ui41740.0007284.85Pri0 .626ii 0 .023id i uii)0. 8(c p u i)0 .4d i(ii0.023i Re0.8Pr0 .40.0230.62627307.7 0.84.850 .4479

15、2.9W /( m2C)di0.022）. 壳程传热系数：假设壳程的传热系数是：o1300 /(m2C)W污垢热阻：Rsim2C0.000344Rso0.000172m2C管壁的导热系数：45m 2C / W管壁厚度：b 0.0025- 8 -内外平均厚度：bm0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得K1doRsidobdoRso1i dididio1/(0.000260.000430.0000690.000170.00077)588W / m2C3.3.2计算传热面积由以上的计算数据，代入下面的公式，计算传热面积：SQ1155150092.6m2K tm588 28.5考虑 15%的面

16、积裕度，则：S1.15S106.5m 23.4 管径和管内流速换热器中最常用的管径有 19mm 2mm和 25mm2.5mm。小直径的管子可以承受更大的压力， 而且管壁较薄； 同时，对于相同的壳径， 可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm直径的管子更为合理。如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。选用 252.5 的碳钢管，管长 6

17、m，管内流速取 ui =1.0m/s 。3.5 管程数和传热管数根据传热管的内径和流速，可以确定单程传热系数：V133811/(3600994)根 )ns2ui0.785 0.022119.1 120(di1.04按单程计算，所需传热管的长度是：S106.5L11.3mdo ns3.14 0.025 121- 9 -若按单程管计算， 传热管过长，宜采用多管程结构。工业上常采用以下几种换热管： 1500， 2000，3000， 4500，6000，9000mm。现取Nl=6000mm，则该传热D 1.05t管程数为：L11.3N p（2管程）l6则传热管的总根数为：N N p ns2 12024

18、0（根）换热管标准排列形式有以下几种：本设计中采用正三角形排列.在上述几种排列中， a、 d 排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。故本换热器采用混合排列， 即在隔板附近采用正方形排列， 在其他部分采用正三角形排列。管间距为 t=1.25d o32mm, 则横过管束中心线的管子数：nc1.1 N1.1 24017(根）3.6 壳体内径对于多管程结构，壳体内径采用下式计算:其中 为管板利用率， 对于正三角形排列： 两管程，0.7-0.85 ，大于四管程， 0.6-0.8 ；对于正方形排列：两管程， 0.55-0.7 ，大于四管程， 0.45-0.65

19、 。-10-由于本设计采用混合排列， 多管程结构，取管板利用率为 =0.7 ，则壳体内径为：圆整后取 D=900mm。 4V1421500 (3600 986)0.072md1u3.14 1.53.7 折流板常用的折流板有弓形和圆盘-圆环形两种。弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形三种。各240D 1.05t N1.0532622.1mm种折流板具体形状见右图：0.7本换热器采用弓形折流板，取弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度为：h0.25D 0.25 900225mm折流板的间距在允许的压力降范围内希望尽可能的小，一般推荐折流板间距最小值为壳体内径的0.2倍（或不小于5

20、0mm),最大值取决于支持管所必须的最大间隔。本设计取折流板间距为 0.5D, 则 B 0.50 900 450mm，由于在系列标准中只有以下几种折流板间距： 150，200，300，450，600（对于 D=900mm,l=6000mm)故取 B=450mm则折流板数为：据常用化工单元设备设计P34，表格 1-13，选取折流板与壳体间的间隙为3 .5mm, 因此折流板直径 Dc = 500 - 2 3 . 5 = 493mm折流板厚度l6000 1 13.3 13(块）页参照由万利国、董N新法编著B1化工制图AutoCAD实战教程与开发 143B 450表 5-4 得折流板厚度为 5mm。3

21、.8 接管、拉杆与定距管的选定壳程流体进出口接管：取接管内有机料液流速为u=1.5m/s则接管内径为：-11-0. 14o0.95由无缝钢管 ( GB8163-87) 得， 故壳程流体（即煤油）进出口接管直径取标0.6624792.9 0. 551w0.360.95 1333W / m2C3.4 3准管径 o10 mm；0.027管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u=1.8m/s, 同理得接管内径为：A idi2 N40.02022400.038m24N p2由无缝钢管 ( GB8163-87) 得，取标准管径为 260mm。拉杆的直径和数量与定距管的选定根据常用化工单元设备设计P35，

22、表格 1-17，选用 12mm 钢拉杆 , 数量 6 条。d24V24133811 (3600986)u3.141.80.163m定距管采用与换热管相同的管子, 即 25mm 2 . 5mm 钢管。四、换热器核算换热器主要传热参数核算4.1 热量核算壳程对流传热系数对于圆缺式折流板，可采用克恩公式：流体流通管间最大截面积为：则壳程流速为：0.140.36 o Reo0.551ooPr 3edew其中， d 为当量直径：SoBD 1d o0.450.900.0250.0886m2t10.032uomo215000.068m / s则壳程雷诺数为：9860.0886o So36002222普兰特准

23、数为：（）4 tdo40.025d e40.03240.027md o0.025则管程对流传热系数，取粘度校正系数Re od euo o0.0270.08869864367.980.5410 3o管程对流传热系数iC po o4.191030.5410 3流通截面积：3.4Pro0.662o-12-SpS105 93.9H100%100% 11.8%S93.9管程流体流速：雷诺数为：普兰特准数为：mi133811ui0.984m / si Ai994 3600 0.038则其对流传热系数为：d iuii0.020.984 99426870.1Re0.72810 3i污垢热阻C pii4.174

24、 1030.728 10 34.85Pr程与壳程的污垢热阻分别为:管0.626ii 0.0230.62626870.1 0 .8 4.85 0.44731W / m2C0.02管壁导热系数为：42代入数据，总传热系数为：Rsi3.4410mC/WKRso1.7210 4 m2 1 C/W581W / m 2CdoRsi dobd oRso1i didid io45W /( mC )介于 1.12 至 1.25 之间符合要求。4.2传热面积核算Q115515002换热面积 S按核算后所得的总传热系数计算。K oSotm 106 .5511W / mC28.5则传热面积K5801.135K o51

25、1该换热器的实际传热面积为：Spdo L( N nc ) 3.140.025 6 (24018) 105m2则该换热器的面积裕度为：SQ155150093.9m2K tm588 28.5传热面积裕度合适，故该换热器能够完成生产任务。-13-43 换热器内流体的流动阻力核算4.3.1管程流动阻力管程为压力降：P iP1P2 Ft N s N P其中， Ft =1.4,N s=1,Np=2传热管的相对粗糙度为：查莫狄图得0.010.005则由于流体与管壁摩擦产生的d压i降为20：0 .034 W / mC22P1li ui0.03460009940.51267 .4 Pa则管程压力降为：202d

26、i2Piu 29940.52100kPa(1267i.4i372.8)1.44 9185.12 PaP2232372.8Pa4.3.2 壳程流动阻力p1Ff o nc ( N B1) o uo2 ， F 0.42壳程流通截面积 A oh( Dncd o )0.225(0.9170.025)0.106m suo217000.07 m s36009860.0886Reodouo0.0250.079860.5410 33196fo5.0Reo0 .2285.00 .2280.793196则p1Ff o nc (N B1)uo 20.40.7917（）986 0.07221312182Pap2N B3

27、.52Bo uo220.225)9860.0.072213 (3.594PaD0.92p pp F N由此可知本换热1器符合2要t求s。其中 Ft1.15, N s1注： NB 折流板数目；则 p 317.4Pa 100kPa B折流板间距 , m；Di 壳体内径 , m；-14-F管子排列方式对压力降的校正因数,对于正三角形排列 ,F = 0 . 5对于正方形斜转 45, F = 0 . 4；f0 壳程流体的摩擦系数。nc横过管束中心线的管数, 管子按正三角形排列 : nc = 1 . 1N ；管子按正方形排列 : nc = 1 . 19N ；u0 壳程流体横过管束的最小流速, m /s ,

28、4.4 壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按式（ 3-42 ）计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为 16，出口温度为 40计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳程和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差肯能较大。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计算传热管壁温。于是有：式中液体的平均温度t m=和气体的平均温度分别按式（3-44 ）和式（ 3-45 ）计算Tmt m /h为： t wc11t m0.425.6 CTm(1024

29、0)/271 C40 0.616chci4766W /( m2K )ho1266.7W /( m2 K )传热管平均壁温71壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T 71 C 。476625.61266.735.0 C壳体壁温和传热管壁温之差为t11t 71 35.0 36 C 50 C4766 1266.7该温差较小，故不需设温度补偿装置。五、换热器选型-15-根据以上计算，通过查标准JB/T 4715-92固定管板式换热器与基本参数的对照可以发现，在DN=600mm范围内，设计所得换热器与标准相差较小，与设计结果比较接近。故暂且选定该换热器，其相关尺寸规格如下：DN (mm)900管程数 N2壳程数1管子根数 n240中心排管数17管程流通面积 m20.038换热面积 m2106.5换热管长度 mm6000管子规格252.5主要零件封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据 JB/T4737-2002 标准，封头为：。如图所