管壳式换热器的设计论文

1、成绩 化工原理课程设计设计说明书设计题目：管壳式换热器的设计 化工原理课程设计任务书一、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（2.50.01×18）×104 =23200kg/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。已知:定性温度下流体物性数据物性流体 密度 kg/m3 粘度Pa·s 比热容CPkJ/（kg·） 导热系数W/（m·）有机化合液 986 0.54*10-34.190.662水 994

2、0.728*10-34.1740.626注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8二、确定设计方案1.选择换热器的类型 两流体温的变化情况：热流体进口温度102，出口温度40；冷流体进口温度30，出口温40，管程压降与壳程压降均不大于60kPa，壳程压降不高，因此初步确定选用固定板式换热器。2.管程安排 由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，有机化合液走壳程。三、确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低粘度立体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程的有机化合液的定性温度为 T管程流体的

3、定性温度为 t=根据定性温度分别查取壳程流体和管程流体的有关物性数据。有机化合液的有关物性数据如下：密度 粘度 0.54*10-3 Pa·s比热容 =4.19 kJ/（kg·）导热系数 =0.662 W/（m·）循环水的有关物性数据如下：密度 粘度 0.728*10-3 Pa·s比热容 =4.174 kJ/（kg·）导热系数 =0.626 W/（m·）四、估算传热面积1、热流量Q1=23200×4.19×(102-40)=6.03×106kj/h =1675.00kw2、平均传热温差 先按照纯逆流计算，得

4、 3、传热面积 由于有机化合液的粘度为 0.54*10-3 Pa·s，假定总传热系数K=300W/（.），则传热面积为A=4、冷却水用水量m=五、工艺结构尺寸1、管径和管内流速 选用25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速=1.5m/s。2、管程数和传热管数 可依靠传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 =28m按单程管设计，宜采用多管程结构。现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为传热管总根数 Nt=3463、传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数：按单壳程，双壳程结构，查得温差修正系数得平均传热温差 由于平均传热温差校正系数

5、大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4、传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 ，则t=1.25*25=31.35=32mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22mm 各程相邻管的管心距为44mm。 管数的分程方法，每程各有传热管90根。5、壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率=0.75，则壳体内径为： D= 按卷制壳体的进级档，可取D=800mm筒体直径校核计算：壳体的内径应等于或大于管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：=t（-1）

6、+2e因为管子安正三角形排列：=取e=1.2*20=24mm所以=32*（20-1）+2*34=676mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：=800mm6、折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去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*800=200取折流板间距B=0.3D，则B=0.3*800=240mm，可取B为240mm。折流板数目N=传热管长/折流板间距-1=7000/240-1=277、其他附件 拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为800mm，故其拉杆直径为12mm最少拉杆数6。8、接管壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为u=0.2m/s，则接管内径为圆整后可取

7、管内径为210mm管程流体进出口接管：取接管内液体流体u=1 m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为220mm六、换热器核算1、热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算当量直径壳程流通截面积：壳程立体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数： 管程流体流通截面积： 管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数： （3） 污垢热阻和管壁热阻： 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热按查得碳钢在该条 件下的热导率为50w/(m·K)。所以（4） 传热系数有：（5） 传热面积裕度： 计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热

8、器能够完成生产任务。2. 壁温计算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。由于该式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 0.4×40+0.6×30=34 (102+40)/2=71 6629w/·K 3046w/·K传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=71。壳体壁温和传热管壁温之差为 。 因此，需选用固定板式换热器较为适宜。3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , 由Re=40691，传热管对粗糙度0.01，查图得，流速=1.5m/s, 所以： 管程流体阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力： 按式计

9、算 , , 流体流经管束的阻力 F=0.5 0.5×0.2419×39×(29+1)×=6188.7Pa 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.21m , D=0.7m 总阻力6188.7+3984.4=10173.1Pa 所以壳程流体的阻力适宜。3）换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率1675.0023200进/出口温度/40/30102/40压力/kPa<60<60物性定性温度/3571密度/（kg/m3）994986定压比热容/kj/（kgK）4.1744.19粘度/（Pas）0.728×0.54×热

10、导率（W/mK） 0.6240.662普朗特数4.853.42设备结构参数形式固定板式壳程数1壳体内径/800台数1管径/25×2.5管心距/32管长/7000管子排列正三角形排列管数目/根340折流板数/个27传热面积/195.91折流板间距/240管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.50.2表面传热系数/W/（K）66293046.3污垢热阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ Pa57030.7510173.1热流量/KW1675.00传热温差/25传热系数/W/（K）400裕度/% 28%七、结构设计1、固定管板及法兰结构设计：由于换热器的内径已确定

11、，采用标准内径、固定定管板外径及各结构尺寸，结构尺寸为：公称直径Dbcd螺栓孔数800930890798843401023362、管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，前者的结构是在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合。3、管子与管板的连接 管子与管板的连接是管壳式换热器制造中最主要的问题。对于固定管板换热器，除要求连接处保证良好的密封性外，还要求接合处能承受一定的轴向力，避免管子从管板中拉脱。管子与管板的连接方法主要是胀接和焊接。胀接是靠管子的变形来达到密

12、封和压紧的一种机械连接方法，如图1-13所示。当温度升高时，材料的刚性下降，热膨胀应力增大，可能引起接头的脱落或松动，发生泄露。一般认为焊接比胀接更能保证严密性。对于碳钢或低合金钢，温度在300以上，蠕变会造成胀接残余应力减小，一般采用焊接。焊接接口的形式见图1-14。图1-14（a）的结构是常用的一种；为了减少管口处的流体阻力或避免立式换热器在管板上方滞留的液体，可采用图1-14（b）的结构；为了不使小直径管子被熔融的金属堵住管口，则可改成图1-14（c）的结构；图1-14（d）的形式适用于易产生热裂纹的材料，但加工量大。胀接和焊接方法各有优缺点，在有些情况下，如对高温高压换热器，管子与管板

13、的连接处，在操作时受到反复热变形、热冲击、腐蚀与流体压力的作用，很容易遭到破坏，仅单独采用胀接或焊接都难以解决问题，如果采用胀焊结合的方法，不仅能提高连接处的抗疲劳性能，还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。目前胀焊结合的方法已得到比较广泛的。八、强度设计计算1、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度71，设计压力等于工作压力为6.9M，选低合金结构钢板16卷制，查得材料85时许用应力 计算厚度：=mm设计厚度：mm名义厚度： 圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足气密试验压力： 2、外头盖短节、封头厚度计算： 外头盖内径=1500mm，其余参数同筒体

14、： 短节计算壁厚： S= 短节设计壁厚： 短节名义厚度： 圆整取=40mm 有效厚度： 压力试验应力校核： 压力试验满足试验要求。 外头盖封头选用标准椭圆封头： 封头计算壁厚： S= 封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 3、管箱短节、封头厚度计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为34，设计压力为0.4M，选用16MnR钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=2mm 计算厚度： S= 设计厚度： 名义厚度： 结合考虑开孔补强及结构需要取 有效厚度： 压力试验强度在这种情况下一定满足。 管箱封头取用厚度与短节相同，取 4、 管箱短节开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强

15、法，接管尺寸为，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，=1mm 接管计算壁厚： mm 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： B=2d=2363.7=727.4mm 接管外侧有效补强高度： 需补强面积：A=dS=363.71.94=705.6 可以作为补强的面积： 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接管开孔补强校核： 开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管 钢管许用应力：， =1mm 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强厚度： B=2d=2306.6=613.2mm 接管外侧有效补强高度： 需要补强面积： A=d=306.635.75=10960

16、.95 可以作为补强的面积为： 尚需另加补强的面积为： 补强圈厚度： 实际补强圈与筒体等厚： ； 则另行补强面积： 同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算： 固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度b=100mm。 总换热管数量 n=1254； 一根管壁金属横截面积为： 开孔温度削弱系数（双程）： 两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L取6850mm 计算系数K： K=3.855 接管板筒支考虑，依K值查化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图4-45， 图4-46，图4-47得： 管板最大应力: 或 筒体内径截面积： 管板上管孔所占的总截面积： 系数 系数 壳程压

17、力： 管程压力: 当量压差： 管板采用16Mn锻： 换热管采用10号碳系钢： 管板管子程度校核： 管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取4mm，实际 管板厚为108mm。16MnR析，封头封头外侧 85 气体，内侧为 34 循环水，取壁温45。假设名义厚度；双面腐蚀取mm，钢板主偏差 ； 当量厚度 : ，封头外半径: ，计算系数:依据所选16MnR材料，温度，A系数查外压圆筒，球壳厚度计算得：B=176计算许用外压力 八、学习心得时间过得真快呀，开学的第一周就要过了，在这周里我进行了化工原理课程设计，在刚开始设计时，我一头雾水，经过自己查阅资料和同学的帮助，我终于完成了本次课程设计，我觉本次设计很有挑战性，毕竟这是第一次做专业方面的装备设计，对很多东西都很生疏，又加上化工原理只上了一学期的课，另外专业课也没上完，所以对我来说相当困难，在做设计时，我反复查阅相当反面的书籍，使我最难完成了，由于时间仓促，本次设计在很多方面都没有设计得很完善，对一些实际内容缺乏判断，使本设计难以达到预期的效果。但是通过本次设计使我知道自己在专业学习方面还有很多的不足，在今后的学习中要加以注意，另外也使我明白同学间互相交流，学习的重要性，三人行必有我师，在以后的学习