化工原理课程设计-换热器

化工原理课程设计

学院：化学工程学院

班级:_______________

姓名：________________

学号：_____________

指导教师：__________________

2010年06月

化工原理课程设计

《换热器》设计任务书

班级精化07/姓名—

一、设计题目：无相变列管式换热器的设计

二、设计任务及操作条件

某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油。

1、柴油入口温度：140℃,出口温度：60℃

2、柴油流量：6500kg/h,压力：0.3MPa

3、循环冷却水压力：0.4MPa,入口温度：29℃,出口温度：39℃

已知柴油的有关物性数据：密度Pi=994kg/m3；定压热比容Cp.i=2.22kJ/（kg」C）；

热导率Xi=0.14W/（mr）；黏度闺=7.15x10-4Pa.s

三、设计项目（说明书格式）

1、封面、任务书、目录。

2、设计方案简介：对确定的换热器类型进行简要论述。

3、换热器的工艺计算：

1）确定物性数据

2）估算传热面积

3）工艺结构尺寸

4）换热器核算：包括传热面积核算和换热器压降核算

4、换热器的机械设计

5、绘制列管式换热器结构图（CAD）。

6、对本设计进行评述。

7、参考文献

成绩评定指导教师

2010年6月8日

目录

1设计方案简介.......................................0

1.1选择换热器类型.................................0

1.2冷热流体流动通道的选择........................0

2换热器的设计计算...................................1

2.1确定物性数据...................................1

2.2估算传热面积...................................1

2.2.1热流量....................................1

2.2.2平均传热温差..............................1

2.2.3冷却水用量................................2

2.2.4总传热系数................................2

2.2.5计算传热面积..............................2

2.3工艺结构尺寸...................................2

2.4换热器核算.....................................4

2.4.1热量核算.................................4

2.4.2换热器内流体的流动阻力...................6

3换热器机械设计.....................................9

3.1壳体壁厚.......................................9

3.2管板尺寸.......................................9

3.3接管尺寸......................................11

3.4换热器封头选择................................11

3.5膨胀节选择....................................12

3.6其他部件......................................12

4评述..............................................14

4.1可靠性评价....................................14

4.2个人感想......................................14

5参考文献.........................

1设计方案简介

1.1选择换热器类型

两流体温度变化情况：热流体柴油入口温度140℃,出口温度60℃；冷流体

入口温度29℃,出口温度39℃orz—_4"+G-,t^=(29+39)/2=34℃,tu=(140+60)/2=100℃,

2

t热-1冷=l()()-34=66℃,温差较大,但是柴油压力为0.3Mpa,冷却水压力为().4Mpa,

压力偏低，故可以选用固定管板式换热器，采用逆流

1.2冷热流体流动通道的选择

从两物流的操作压力看，应使冷却水走管程，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，所以冷却水走管

程，柴油走壳程，以便散热。选用625X2.5的碳钢管，管内流速设为Ui=1.0m/s。

2换热器的设计计算

2.1确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程柴油的定性温度：

t热二(140+60)72=100*0

管程流体的定性温度：

t冷二(29+39)/2=34℃

根据定性温度，查化工原理书附录⑴，利用内插法计算壳程和管程流体的有关物

性数据。

柴油的rr关物性数据如下：

密度pi=994kg/m3

定压比热容CPi=2.22kJ/(kg・℃)

热导率Xi=0.14W/(m・°C)

粘度pi=7.15X104Pa-s

冷却水在34℃的有关物性数据如下：

密度pi=994.3kg/m3

定压比热容cPi=4.174kJ/(kg・K)

热导率Xi=0.6241W/(m•K)

粘度pi=0.0007428Pa•s

2.2估算传热面积

2.2.1热流量

6

Qi=miCPili=6500X2.22X(140-60)=1.15X10kJ/h=319.4kW

2.2.2平均传热温差

△乙—加,

1

In

△心

A11=60-29=3IK,At2=l40-39=101K

所以，△tm=(101-31)/ln(101/31)=59.27K

2.2.3冷去［1水用量

64

流量Wi=Qi/CPi/Ati=L15Xl0/4.174/(39-29)=2.755X10kg/h

2.2.4总传热系数

利用化工原理附表，根据两种流体的性质，可查出换热器总传热系数，取其

值为35()K)。

2.2.5计算传热面积

~Q319400-2

S=上=-----------=15.4m乙

K\tm350x59.27

考虑15%的面积裕度,S=1.15XS=L15X15.4=17.7m2

2.3工艺结构尺寸

2.3.1管径和管内流速

选用卡25X2.5传热管(碳钢)，取管内流速〃尸

2.3.2管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

V27550/(3600x994.3)

25根

a=----------3.14/4x0.022xi

—d-xdu

4''

按单程管计算，所需的传热管长度

,S17.7…

L=-----=-----------------=9.02m

矶43.14x0.025x25

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长L=6m,则该换

热器管程数为

此,="=半々2（管程）

传热管总根数N=25x2=50根

2.3.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

140-60

=2.286

-60-25

60-25

=0.304

-140-25

按单壳程，四管程结构，温差校正系数为

（2/p）-l-R-

-P/In

J2.2832+屋（1-0.304（2/0.304）-1-2.283+也.2832-1

In/In

2.283-1U-0.304x2.283（2/0.304）-1-2.283-V2.2832-1

=0.81（。。）

%,=0.81>0.8,所以可采用单壳程结构换热器

平均传热温差

\t,n=%x△4=0.81x59.27=48.0℃

2.3.4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z=1.254,,则

t=1.25x25=31.25«32/nni

横过管束中心线的管数

=1.1、厉=l.lx同。8根

2.3.5壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率〃=0.75,则参考《化工单元过程及设备课

程设计》⑵，壳体内径

D=1.051价访=1.05x32xV50/0.75=274.Mzm

根据国家标准，圆整口「取。=。

2.3.6折流板

采用弓形折流板（水平圆缺），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〃=0.25x400=100mm。

取折流板间距B=0.50,则

B=0.5x400=200ww

根据国家标准取板间距为200mmo

折流板数Ns=《-1=竺史-1=29块，折流板圆缺水平装配。

B200

2.3.7接管

壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为〃=1.0〃"$,则接管内径为

回目巫叵西=0例加

VmiV3.14x1.0

取标准管径为50〃皿。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为〃=2.5a/s,则接管内径为

4x27550/(3600x994.3)=0,060/??

3.14x2.5

取标准管径为60〃必。

2.4换热器核算

2.4.1热量核算

1）壳程对流传热系数

对圆缺形折流板，可采取克恩公式

0.14

。=0.36A谈5p”3区

"de°

当量直径，由正三角形排列得

4xax0.0322--x0.025

I24

0.020w

矶3.14x0.025

壳程流通截面积

小004“-髭)=。・。"

S—。1

壳程流体流速及其雷诺数分别为

6500/(3600x994)=0JQ3to/5,

0.0175

0.020x0.1038x994

7.15)<10-4=2886.1

普兰特准数

Pr2-22xl03x7J5xl0-4

==11.34

0.14

z\O.I4

粘度校正幺=0.95

n1A

a=0.36xx2886.1055x11.34,/3x0.95=430.36W/(/n2-k)

00.02

2)管程对流传热系数

zx0.8zx0.4

6=0.023'(誓)(竽)

管程流通截面积

s=0.785X0.022X—=0.00785〃，

,2

管程流体流速及其雷诺数分别为

27550/(3600x9943)/

u.----------------------------=0.987H/5

0.00785

Re=0.020x0.98x994.3=26236>2

0.0007428

普兰特准数

.4.174xl05x0.0007428…。

Pr=---------------------=4.968

0.6241

4=0.023^-^(26236.2)08(4.968)04=4672.5W/(/H2-℃)

'0.020

3)传热系数K

根据化工原理附录，可取

管外侧污垢热阻Rsi=0.000172m2-UC/W

管内侧污垢热阻R*0.000344m2•r/W

K=_____________1_____________

dqdD1

—oo+—里+A+——

以4d；/%,

1

0.025„.

+0.000344x

4672.5x0.020

=306.97W/(W2-K)

4)传热面积S

319400

=17.56〃。

KMm306.97x59.27

该换热冷的实际传热面积S,

Sp=叫LN=3.14X0.025x6x50=23.5W

该换热器的面积欲度H=(Sp-S)/S=(23.55-17.56)/17.56=0.34=34%

而一般换热器的面积欲度大于15%<0%,就可以满足要求。故所设计的换热器

较为合适。

2.4.2换热器内流体的流动阻力

(1)管程阻力

N『\，Np=2,管程结垢校正系数£=1.4

S"2"与

由Re=26236.2,查《化工原理》书表1-2得传热管相对粗糙度为〜•=0.005,

20

3

再查图1-27得4=0.03W/(，〃•(),流速%=0.9碗/5,p=994.3kg/mf所以

2

AD…6994.3x0.98…、

AP=0.03x----x------------=4297.2(Pa),

0.022

„994.3x0.982……、

AA尸2-3ox------------1432.4(尸a),

£纯=(4297.2+1432.4)x1.4x1x2=1604285(Pa)<1OOkPa

管程流动阻力在允许范围之内。

(2)壳程阻力

ZM=(W+A%)£N,

M=l,F=1.15

流体流经管束的阻力

△斤二七”(N〃+l)等

尸=0.5

力=5x2886.5°228=0.81

nc=8

NB=29,ut)=0.1038m/s

994x01O3S2

△邛=0.5x0.81x8x(29+1)-----；=520.5(Pa)

流体流过折流板缺口的阻力

△耳=七(3.5-等竽

B=0.2D=0.4〃?

2x0,2994x0.10382

△，=29x(3.5-x-----------=388.2(&),

总阻力

汇写=(520.5+388.2)x1x1.15=908.7(4)

克程流动阻力也比较合适O

（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见附录

3换热器机械设计

3.1壳体壁厚

由工艺得，壳体内径？=400〃〃〃，壳体定性温度为100℃。壳体设计压力为

0.3MPao选用低合金结构钢板16MnR卷制，材料100℃时的许用应力

[b[=163MPa,取焊缝系数。=1,腐蚀欲度则

、，的直宓a30.3x400

计算厚度3=—1——=-------------=0.37〃"〃

2[<T]^-P2X163X1-0.3

设计厚度功=3+g=0.37+1=1.37/丽

名义厚度&二%+G+圆整量=1.37+0.25=1.62〃加，取，二2〃〃〃。

有效厚度。=心-G-。2=2-0.25—1=0.75"〃〃

水压试验压力修=1.25x"1.25x0.3=0.375MPa

所选材料的屈服应力q=325MPa

=。375><(400-。.75)小？

水压试验校核r2a2X0.75

100.2Mpa<0.9=0.9x325x1=292.5M出，水压强度满足要求。

3.2管板尺寸

固定管板厚度设计采用BS法⑶。

假定管板厚度b=40mm

总换热管数量n=5()

一根管壁金属的横截面积为

22222

a=(t/0-J,.)=(25-20)=176.6mm

开孔强度削弱系数(双程)〃=0.5

两管板间换热管有效长度(除两管板厚度)L估取5910mm

计算数值K

K2=1.32^—=1.32x—x

建磊5=3.6K=L9。

b\皿b40

按管板简支考虑，依K值查图得，Gi=l.(),G2=0.57,G3=1.3O

管子和筒体的刚度比。=笔的=5()x176.6=8830

22

筒体内径截面积A=-Dt=—x400=12560S〃M

44

92

管板上管孔所占的总截面积。=幽1=迎色必竺=24531.25加〃2

44

A-C125600-24531.25八

系数2=----=---------：-------=U.8U3

A125600

nafog7

系数4=50xl76.6

A-C125600-24531.25

q,4取11.5x10-6,E,,EJX2.1X105

换热管和壳体的总膨胀差

y=q。--4〃-0)=11$x10^x(100-34)=7.59xIO-4

最大压差

Pb=Ps一/“十尸十多)+幽

(QQOQ\

=0.3-0.41+0.087++0.087x7.59x10-4x2.1x105

I0.805)

=—4373.8MP。

当量压差几二一P,(1+尸)=0.3-0.4x(1+0.087)=-0.135MPa

壳程压力=0.3MPa,管程压力pt=OAMPa。

管板最大应力

祀(砌2_0.805x4373.8<400?

4©(Q+G)l/"-4x0.5x1.0x(8830+1.3)(而,=\9.93MPa

管子最大应力

14373.8x057、

().135=1.69MAz

。+50.0878830+1.3>

管板采用16Mn锻，口］'=150Mpa

换热管采用10号碳素钢，口］=U2MP〃

管板，管子强度校核

bf=19.93MPa<l5tcrj=1.5x150=225MPa

区=\.69MPa<[a]=11IMPa

管板林算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取C2=4mm,隔板槽深取

4mm,实际管板厚度为48mmo

3.3接管尺寸

接管选用20号热扎碳素钢管。=100x10,钢管许用应力[(r]=137MPa,C2=l。

接管计算厚度&=谭^二姬舒3加

接管有效厚度%-G-=2-0.25-1=0.75加〃

开孔直径J=J,.-20=100-2x1.25=97.5〃〃〃

接管有效补强宽度B=2d=2x97.5=195mm

接管外侧有效补强高度%=炳7=597.5x2=13.96帆m

需要补强面积A=db=97.5x0.37=36.\tnm~

可以作为补强的面积为

A=(8-欧4-5)=(195—97.5)(0.75—0.37)=37.05"〃〃

4=24(%-筋)=2x13.96x(0.75—0.11)=17.87〃〃〃

因为A+&>A,所以不用另需补强。

则该接管强度足够。

3.4换热器封头选择

综合考虑，此换热器采用标准椭圆形封头。

_0.3x400

计克厚度=0.37w/z?

―2同0-0".-2x163x1-0.5x0.3

设计厚度当=3+。2=0.37+1=1.37〃〃%

名义厚度4=2+C+圆整量=1.37+0.25=1.62mm,取5“=2mm°

故该封头可用2mm厚的16MnR钢板制作，取直边高度为25mm。

3.5膨胀节选择

壳壁横截面面积A=通向=3.14x402x2=2524.56"加广

换热管总截面面积4=?欧-//竽（252-2（户）=176.6〃病

管，壳壁温差所产生的轴向离R

(11.5x10-6x2.1x105(100-34),一“八,

aEtt-rv)--------------------------,2524.56x176.6=26307.967V

A+42524.56+176.6

压力作用于壳体上的轴向应力F2

，其中

Q=?一)〃、+〃(4-26)2p,

-£[(4002-50X252)X0.3+50X(25-2X0.11)2X0.4]

=39961.18

贝I」居=39961.18x2524.)6=3734&55N

2524.56+176.6

压力作用于管子上的轴向应力-聋厂怨缁翳=26⑵63N

则巴一26307.96+37348.55

=25.21例Pa

2524.56

一6+K-26307.96+2612.63〜山0

a,=—!——=-------------------------二-134.18MP。

'A,176.6

根据GB151-1999《管壳式换热器》

o、=25.21<2。口］=TJAMPa

a;=—134.18<2口工=TlAMPa

故本换热器不用安装膨胀节。

3.6其他部件

设备法兰采用甲型平焊法兰，配用压紧面为平形，则垫片采用非金属软垫片

耐油橡胶石棉垫。根据工艺条件，选取垫片厚度为17.5mm的。

支座采用鞍座，选用JB/T4712鞍座BI400-F/So

取L=6000mm,LB=0.6L=0.6x6000=3600nvn,Lc=LJ=700nun，其安装

高度为200mmo

4评述

4.1可靠性评价

根据主要设备的厚度来校核，看是否符合强度要求。由3.1节的设计可以得

到，换热器的壁厚经水压校核符合强度要求。故女计可行性较好。

从经济性考虑，其材料根据各个部件的功能选用如低合金钢，碳素钢，综合

看来较经济，并且其制造工艺简单方便。而且，设计都满足国家标准和行业标准。

因此，该设计可靠性较高。

4.2个人感想

化工设计是一项比较繁琐的设计工作，它不仅要求我们队化工设计有基础的

了解，而且还要对化工原理、化工机械等课程的知识具有一定运用能力，同时对

计算机也要有一定的操作能力。我们学习的是一种设计的思维和设计的态度，反

复推敲的能力。

这次设计，不仅巩固可化工原理等各课程的知识，同时磨练了意志力。相信

这次课程设计会让我们更加注意理论和实践的结合，对以后的学习具有很大的帮

助。

5参考文献

[1]夏清，陈常贵.化工原理上册.第一版（修订）.天津：天津大学出版社，2005

[2]匡国柱，史启才.化工单元过程及设