化工原理课程设计之列管式换热器设计步骤

1、李国朝指导教师九江学院2022-6-81列管式换热器设计列管式换热器设计化工原理课程设计化工原理课程设计李国朝指导教师九江学院2022-6-82设计题目拟用200KPa的饱和水蒸气将常压下20的苯加热到80苯的质量流量为50t/h单号苯的质量流量为40t/h双号试设计一列管式换热器已知仓库中现有252.5mm，长6m的碳钢钢管 化工教研室九江学院2022-6-83设计内容设计说明书设计说明书布管图布管图 187187 169169 1 12 27 7装配图装配图 187187 169169 化工教研室九江学院2022-6-84设计说明书设计说明书封面目录设计任务书前言设计计算过程附表及相关机械

2、元件尺寸设计说明化工教研室九江学院2022-6-85设计步骤一、确定定性温度、物性数据二、换热器的类型及流体走向三、工艺计算四、换热器尺寸的初步确定五、校核计算六、进出口管径七、校核流体压力降化工教研室九江学院2022-6-86一、确定定性温度、物性数据苯的物性数据苯的物性数据 t t1 1 、t t2 2 、t tm m 、 、C CP2P2 、2 2 、2 2 水蒸汽的物性数据水蒸汽的物性数据 Ts Ts 、 、 同温度下水的物性同温度下水的物性 、 、化工教研室九江学院2022-6-87二、换热器的类型及流体走向卧式固定管板式换热器卧式固定管板式换热器 水蒸汽走壳程，苯走管程水蒸汽走壳程

3、，苯走管程 不需要进行热补偿不需要进行热补偿 不需要加折流挡板不需要加折流挡板 化工教研室九江学院2022-6-88三、工艺计算1 1、热负荷即传热速率Q2、平均温度差tm3、选K值，估算传热面积A初化工教研室九江学院2022-6-891、热负荷即传热速率Q21111222TTcmttcmQPSPSmtKAQrmQs1化工教研室九江学院2022-6-8102、平均温度差ttmm 由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把两流由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把两流体的平均温度差看作是逆流来计算体的平均温度差看作是逆流来计算 （双管程）（双管程）2121lntttttm化工教研室九江学院2022-6-81

4、13、选K值，估算传热面积A初 根据条件根据条件K K值在值在5805801160 1160 W/mW/m2 2 （K K 680680W/mW/m2 2）mtKQA初选用安全系数A初A化工教研室九江学院2022-6-812四、换热器尺寸的初步确定确定管程结构尺寸确定管程结构尺寸壳程设计数据壳程设计数据换热器长径比换热器长径比化工教研室九江学院2022-6-8131、确定管程结构尺寸管子规格管子规格初步设计总管数初步设计总管数校核流速、确定管程校核流速、确定管程管间距及排列方式管间距及排列方式化工教研室九江学院2022-6-814（1 1）管子规格）管子规格 库存库存25252.5mm2.5m

5、m，L L3.0m3.0m的光滑碳钢的光滑碳钢钢管钢管取管内苯的流速为取管内苯的流速为u u0 0 （0.60 m/s0.60 m/s） 苯系易燃易爆物苯系易燃易爆物 流速一般低于流速一般低于1 1 m/sm/s化工教研室九江学院2022-6-815（2 2）初步设计总管数）初步设计总管数n” 根三角形排列管数， 3a2+3a+1dLAn初圆整n”化工教研室九江学院2022-6-816127布管图化工教研室九江学院2022-6-817169布管图化工教研室九江学院2022-6-818187布管图化工教研室九江学院2022-6-819（3 3）校核流速、确定管程）校核流速、确定管程 224isd

6、nmu管程 0uum （一般双管程）化工教研室九江学院2022-6-820（4 4）管间距及排列方式）管间距及排列方式管间距管间距t t（1.251.251.31.3）d d0 0采用三角型排列采用三角型排列根据总管数根据总管数n”n”确定层数确定层数a a，是否弓形排管，确定是否弓形排管，确定N NT T最外层六角形对角线上管数最外层六角形对角线上管数 N NTbTb2a+12a+1采用胀管法排列采用胀管法排列 化工教研室九江学院2022-6-8212、壳程设计数据 壳体内径壳体内径 D Dt t（N NTbTb1 1）+ 2 b+ 2 b t t 管间距管间距 N NTb Tb 最外层六角

7、形对角线上管数最外层六角形对角线上管数 b b 六角形最外层管中心到壳体六角形最外层管中心到壳体内内 壁距离，取壁距离，取bb（1 11.51.5）d d0 0 壳体内径标准圆整到壳体内径标准圆整到DDmmmm化工教研室九江学院2022-6-822中心拉杆中心拉杆n n3 3根根 直径直径12mm12mm 双管程隔板少排双管程隔板少排N NTbTb根根实际管数实际管数n nN NT TN NTbTbn n3 3双管程，每程双管程，每程n/2n/2根排列管子根排列管子实际流速实际流速u u ，与初设苯流速与初设苯流速u u0 0 校核校核20242dnmus化工教研室九江学院2022-6-823

8、3、换热器长径比 确定长径比的取值范围确定长径比的取值范围64DL化工教研室九江学院2022-6-824五、校核计算 1 1、校核总传热系数、校核总传热系数K K值值 2 2、校核壁温、校核壁温T TW W 3 3、校核传热面积、校核传热面积A A 化工教研室九江学院2022-6-8251、校核总传热系数K值 管内对流传热系数管内对流传热系数2 2管外对流传热系数管外对流传热系数1 1 污垢热阻及管壁热阻污垢热阻及管壁热阻 11121222111SmSRdbdddRddK化工教研室九江学院2022-6-826（1 1）管内对流传热系数）管内对流传热系数2 2 4 . 08 . 02PrRe02

9、3. 0d被加热duRePCPr化工教研室九江学院2022-6-827（2 2）管外对流传热系数）管外对流传热系数1 1 25.0032321725.0tdngrn为水平管束垂直列上的管数弓形排管n8，弓形不排管n7假设管外壁温TW（115.6）WSTTt化工教研室九江学院2022-6-828（3 3）污垢热阻及管壁热阻）污垢热阻及管壁热阻苯侧污垢热阻苯侧污垢热阻R RS2S21.761.761010-4-4m m2 2/W/W蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小，蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小， 水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，碳钢钢管的导热系数碳钢钢管的导热系数45 W/m4

10、5 W/m2 2 化工教研室九江学院2022-6-829（4 4）校核）校核K K值值 以外表面计算：以外表面计算： 121122111ddRdbdddKSm计算K值与原设值K初比较 使相对误差5%化工教研室九江学院2022-6-8302、校核壁温TW 结果与原假设值结果与原假设值T TW W校核校核 （T TW W115.6115.6）WTTAQ1AQTTW1化工教研室九江学院2022-6-8313、校核传热面积A水蒸汽侧Ts不变，一壳程双管程换热器平均温度差与逆流平均温度差相等。 T t2 t1 0 2L L t2 化工教研室九江学院2022-6-832实际所需面积实际所需面积 实际提供面

11、积余度mtKQALndA0%20AAA化工教研室九江学院2022-6-833六、进出口管径 苯进口管、出口管苯进口管、出口管 水蒸汽进口管径水蒸汽进口管径 冷凝水排出口冷凝水排出口 化工教研室九江学院2022-6-8341、苯进口管、出口管 取进口流速取进口流速u u1 11m/s 1m/s 进口直径进口直径 uVd4选用无缝热轧钢管（YB231-64）（1504.5mm，长200mm）化工教研室九江学院2022-6-8352、水蒸汽进口管径 蒸汽用量蒸汽用量 03. 01rQG富裕量3蒸汽体积流量 VG取蒸汽流速u20 m/s41uVD选用无缝热轧钢管（YB231-64）（2196mm，长2

12、00mm）化工教研室九江学院2022-6-8363、冷凝水排出口选用水煤气管选用水煤气管 42.25 42.253.25mm3.25mm，长长100100mmmm211化工教研室九江学院2022-6-837七、校核流体压力降 管程总压力降壳程压力降 壳程是饱和水蒸汽冷凝， 阻力很小，不校核其压力降。 化工教研室九江学院2022-6-838q管程总压力降 （P272）总压力降总压力降计算公式计算公式pstritNNFPPP22udlPii23222uuPr每程直管压力降每程局部阻力引起的压降校 核 Pt 3.0104Pa化工教研室九江学院2022-6-839 管内径管内径; ; 管长管长 管程结

13、垢校正系数，管程结垢校正系数， 三角形为三角形为1.51.5， 正方形为正方形为1.41.4； 壳程数，壳程数，1 1； 一壳程的管程数，一壳程的管程数，2 2 。tFsNpNlid参数说明参数说明化工教研室九江学院2022-6-840q 计算计算取取0.2mm0.2mm，/d=0.01/d=0.01 duRe查图可知 化工教研室九江学院2022-6-841八、换热器尺寸及附属部件 管间距：管间距： t t32.5mm 32.5mm 壳体直径：壳体直径：60060010mm10mm，内径内径D D580mm 580mm 壳体材料：碳素钢壳体材料：碳素钢A A3 3F F，钢板卷焊钢板卷焊 管子

14、尺寸：管子尺寸：25252.5mm2.5mm，L L3.0m3.0m，n n164164根，双管程根，双管程 布管图布管图 见图纸见图纸2-22-2。化工教研室九江学院2022-6-8426、管板(1)(1)管板材料：选用碳素钢管板材料：选用碳素钢A A4 4。(2)(2)管子在管板上的固定方法：焊接管子在管板上的固定方法：焊接(3)(3)管板尺寸管板尺寸：PgPg16kgf/cm16kgf/cm2 2， (4)(4)管板与壳体的连接： 采用法兰连接，拆开顶板可检修或清理管内污垢。化工教研室九江学院2022-6-843（5 5）管板与分程隔板的连接）管板与分程隔板的连接: :采用单层隔板，隔采

15、用单层隔板，隔板材料与封头材料一致，厚度板材料与封头材料一致，厚度s s10mm10mm。 S 隔板 管板 S2 化工教研室九江学院2022-6-8447、封头与管箱 封头与管箱位于壳体的两端。封头与管箱位于壳体的两端。（1 1）封头的选择：选用椭圆形封头，）封头的选择：选用椭圆形封头，Dg600Dg60010mm GB115410mm GB11547373（2 2）封头尺寸封头尺寸：曲面高度：曲面高度150150mmmm，直边高直边高度度4040mmmm管程接口管与封头为焊接，封头与壳体管程接口管与封头为焊接，封头与壳体为法兰连接，法兰尺寸与上同。为法兰连接，法兰尺寸与上同。 化工教研室九江

16、学院2022-6-845管程进出口接管直径：选用无缝热管程进出口接管直径：选用无缝热轧钢管（轧钢管（YB231-64YB231-64）1521524.5mm 4.5mm 长长200200mmmm。 支座的公称直径支座的公称直径Dg600mmDg600mm，每个支每个支座承受的载荷为座承受的载荷为36.836.8吨，材料采用吨，材料采用A A3 3F F碳素钢；采用鞍形安装。碳素钢；采用鞍形安装。整个换热器采用卧式安装，安装图整个换热器采用卧式安装，安装图见图纸见图纸2 21 1。 化工教研室九江学院2022-6-846九、参考资料 化工原理上册化工原理上册 化学工化学工业出版社，谭天恩主编，业

17、出版社，谭天恩主编，19901990年。年。 基础化学工程基础化学工程 上海科上海科学技术出版社，编写组，学技术出版社，编写组，19801980年。年。 化工教研室九江学院2022-6-847十、对一些问题的说明 q列管式换热器是目前化工生产中应用最列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器，它的结构简单、坚广泛的一种换热器，它的结构简单、坚固、容易制造、材料范围广泛，处理能固、容易制造、材料范围广泛，处理能力可以很大，适应性强。但在传热效率、力可以很大，适应性强。但在传热效率、设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗量等方面还稍次于其他板式换热器。此量等方面还稍次于其他板式换热器。此次设计所采用的固定管板式换热器是其次设计所采用的固定管板式换热器是其中最简单的一种。中最简单的一种。 化工教研室九江学院2022-6-848q由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧的对由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧的对流传热系数大得多，根据壁温总是趋近流传热系数大得多，根据壁温总是趋近于对流传热系数较大的一侧流体的温度于对流传热系数较大的一侧流体的温度实际情况，壁温与流体温度相差无几，实际情况，壁温与流