西安交通大学化工学院课程设计之浮头式换热器

课程设计说明书课程设计编号：______009___________课程设计任务:__浮头式换热器的设计_指导老师:______李云__________学生姓名：_____闫帅__________专业班级：_____装备12_________学号：_____2110307048______目录1.设计任务和条件： 22.设计思路及方案： 22.1选择换热器的类型 22.2流程安排 33.确定物性参数： 33.1定性温度 34.估算传热面积 34.1热流量 34.2平均传热温差 34.3传热面积 44.4冷却水的用量 45.工艺结构尺寸 45.1管径和管内流速 45.2管程数与传热管数 45.3平均传热温差校正及壳程数 55.4传热管排列与分程方法 65.5壳体内径 65.6折流板 65.7其他附件 75.8接管 76.换热器核算 86.1热流量核算 86.1.1壳程表面传热系数 86.1.2管内表面传热系数 96.1.3污垢热阻和管壁热阻 106.1.4传热系数KC 116.1.5传热面积裕度 116.2壁温核算： 116.3换热器内流体的流动阻力： 126.3.1管程流体阻力 126.3.2壳程阻力 137.换热器的主要结构尺寸和计算结果见表 148.换热器主要结构尺寸 159.参考文献 151.设计任务和条件：某生产过程的流程如图1所示，出混合器的混合气体经过与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中可溶组分。已知混合气体的流量为227801kg/h,压力为6.9Mpa,循环冷却水的压力为0.4Mpa，循环水入口温度29℃，出口温度为39℃，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。已知混合气体在85℃下的物性数据如下：图1图12.设计思路及方案：2.1选择换热器的类型该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温与壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。(原因：固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，或者管外侧污垢能用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温温差不能太大。)浮头式换热器能在较高的压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。U型管式换热器适用于壳程易结垢，或壳体壁温与管壁温差较大的场合，但要求管程流体较为清洁，不易结垢。2.2流程安排从物流操作压力上来看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但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，使传热器的传热能力下降，从总体上来看，应使循环水走管程，混合气体走壳程。3.确定物性参数：3.1定性温度对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取进出口温度平均值。故混合气体的定性温度为管程流体的定性温度为查表确定冷却水在34℃4.估算传热面积4.1热流量4.2平均传热温差先按纯逆流计算（一般逆流优于并流，在工程上若无特殊需要，均按逆流考虑）4.3传热面积由于壳程气体压力较高，故选取较大的K值。假设K估=313W/(m2.K)，则估算的传热面积为4.4冷却水的用量5.工艺结构尺寸5.1管径和管内流速选用高级冷拔传热管（碳钢），并取管内流速ui=1.3m/s。我国国标换热器中常见的换热管规格有以及流速的选择应使流体处于稳定的湍流状态，即雷诺数大于10000。对于传热热阻较大的流体或易结垢的流体选取较大流速，以利于增加表面传热系数，降低结垢程度与速度。并要考虑合适的流速下，换热器有适当的管长和管程数。图2图25.2管程数与传热管数若按单程管计算，所需传热管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标准设计，取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为传热管的总根数：NT=616×2=1232(根)5.3平均传热温差校正及壳程数按单壳程，双管程结构，查标图3得：图3图3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，故取单壳程合适。5.4传热管排列与分程方法对于多管程换热器，常采用组合排列方式。各程内采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用矩形排列方法。故拟采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧用矩形排列。如图4：图4图4取管心距t=1.25d0，则（传热管与管板连接采用胀接时，t=(1.3-1.5)d0;焊接时，t=1.25d0）隔板中心到离其最近一排管中心距离各程相邻管的管心距为44mm。5.5壳体内径采用多管程结构，壳体内径可由下式估算。取管板利用率。（正三角形排列，2管程，=0.7-0.85，4管程以上，=0.6-0.8）则壳体内径为按卷制壳体的进级档，可取D=1450mm。5.6折流板作用说明：列管式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。对于多壳程换热器不仅需要设置横向折流板，而且需要设置纵向折流板将换热器分为多壳程结构。对于多壳程换热器，设置纵向折流板的目的不仅在于提高壳程流体的流速，而且是为了实现多壳程结构，减少多壳程结构造成的温度损失。）采用弓形折流板，可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并且折流板圆缺面水平装配。5.7其他附件拉杆数量与直径可由国标查取（见下表1），本换热器传热管外径25mm，其拉杆直径为16mm，共8根拉杆。壳程入口处，应设置防冲挡板。（如下图5）表1：拉杆直径/mm换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616拉杆数量公称直径DN/mm拉杆直径/mm<400≥400＜700≥700＜900≥900＜1300≥1300＜1500≥1500＜1800≥1800＜200010461012161824124481012141816446681012图5图55.8接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为圆整后取管内径为360mm。6.换热器核算6.1热流量核算6.1.1壳程表面传热系数通过克恩法计算，可知：（适用条件：Re0=2×(103-106)，弓形折流板圆缺高度为直径的25%。）换热管呈三角形排列时，当量直径壳程流体流通面积，壳程流体流速及雷偌数分别为普朗特数黏度校正因此，6.1.2管内表面传热系数（适用条件：低粘度流体（<2×10-3Pa.S）；雷诺数Re>10000；普朗特数Pr在0.6-160之间；）管程流体流通截面积管程流体流速普朗特数6.1.3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻依表2、表3和表4所示，碳钢在该条件下的热导率为50W/(m·K),所以表2：表2：各种水污垢热阻的大致数据范围表表3：其他物料污垢热阻的大致数据范围表表4：常用金属的导热率6.1.4传热系数KC6.1.5传热面积裕度传热面积该换热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为了保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15%-20%。本换热器传热面积裕度19.2%，满足生产要求，故能够完成生产任务。6.2壁温核算：因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按下式计算：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15℃，出口温度为39℃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，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。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。于是上式简化为：式中液体的平均温度tm和气体的平均温度按下式计算：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=85℃壳体壁温和传热管壁温之差为该温度较大，故需设温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。6.3换热器内流体的流动阻力：6.3.1管程流体阻力（由流体流经传热管直管阻力和管程局部阻力两部分组成）由Re=34184，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得=0.04，图6图6且流速u=1.299m/s，=994.3kg/m3，所以（注一般情况下取值为3）其核算值小于5×104，故管程流体阻力在允许范围之内。6.3.2壳程阻力采用工程计算中常用的埃索法核算：流体流经管束的阻力为流体流过折流板缺口的阻力总阻力为该核算值大于一般液体流体的常值5×104，由于该换热器壳程流体为混合气体且操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。7.换热器的主要结构尺寸和计算结果见表5表5：换热器的主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流率/(kg/h)899