固定管板式列管換熱器課程設計

1、銀川能源學院化工原理設計成績銀川能源學院化工原理課程設計說明書 題目： 26136噸/年乙苯冷卻列管式換熱器的設計 院 系 石油化工學院 專業(yè)班級 過控（本）1301 學生姓名 徐仁元 學 號 1310140144 指導教師 劉榮杰 設計時間 2015年6月10日化學工程教研室制目錄 第一章設計任務書- 3 -一、 設計題目- 3 -二、 設計原始數(shù)據(jù)- 4 -三、設計內容- 4 -四、設計時間- 4 -第二章、課程設計概述- 5 -一、設計目的- 5 -二、換熱器設備的在生產中作用及應用- 5 -三、工藝流程示意圖- 5 -四 列管式換熱器的特點- 6 -1、應用特點- 6 -2、設備的結構

2、特點- 6 -五、設計方案的確定- 6 -第三章、換熱過程工藝計算- 10 -一、工藝計算及主要設備設計- 10 -1.選擇換熱器的類型- 10 -2.管程安排- 10 -二、確定物性數(shù)據(jù)- 10 -三、計算總傳熱系數(shù)- 11 -四、工藝結構尺寸- 12 -1.選管子規(guī)格- 12 -2.總管數(shù)和管程數(shù)- 12 -3.傳熱管排列和分程方法- 13 -4.殼體內徑- 13 -5.折流板- 13 -6.接管- 13 -五、換熱器核算- 14 -1.熱流量核算- 14 -2.換熱器內流體的壓力降- 16 -第五章、主要零部件- 18 -1.封頭- 18 -2.支座- 19 -3.墊片- 19 -4.管

3、板- 19 -第六章、設計評述與體會- 19 -第七章、參考文獻- 20 -致 謝- 21 -摘要 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要的地位。所以，本次課程設計我們設計列管式換熱器。設計內容有設計任務書、課程設計概述、換熱工藝計算等。設計過程主要通過設計任務書和國標準則，計算兩流體的定性溫度，查資料確定物性數(shù)據(jù)，計算總傳熱系數(shù)、工藝結構尺寸和確定主要零部件。設計結果為單殼程和單管程的固定管板式換熱器。其優(yōu)點結構簡單、緊湊，制造成本低；管內不易積垢，即使產生污垢也便于清洗。關鍵詞：換熱器；設計計算；固定管板式AbstractHeat exchanger is

4、a chemical, oil, food and many other industrial departments of general equipment, occupies an important position in the production. So, the course design of our design of shell and tube heat exchanger. Design content has the design specification, summary of curriculum design, so the heat exchange pr

5、ocess calculation, etc. Mainly through the design plan descriptions of the design process and gb standards, calculated two fluid temperature, check information to determine physical properties data, calculating the total heat transfer coefficient, process structure size and determine the main compon

6、ents. Design results for single shell side and tube side of fixed tube plate heat exchanger. The advantages of simple structure, compact, low manufacturing cost. Tube is not easy to fouling, even cause fouling also facilitate clean.Key words: heat exchanger; Design calculation; Fixed tube-sheet第一章設計

7、任務書一、 設計題目：處理量 26136噸/年乙苯冷卻列管式換熱器的設計。二、 設計原始數(shù)據(jù)1.處理能力：3300Kg/h乙苯冷卻2. 設備型式: 列管式換熱器3.操作條件（1）管程進口溫度為136,出口溫度為60允許壓力降：不大于0.1MPa（2）殼程進口溫度為30，出口溫度50允許壓力降：不大于0.1MPa（3）每年按330天計,每天24小時連續(xù)運行三、設計內容：1. 工藝設計：確定設備的主要工藝尺寸，如：管徑、管長、管子數(shù)目、管程數(shù)目等，計算K0。2.結構設計：確定管板、殼體、封頭的結構和尺寸；確定鏈接方式、管板的列管的排列方式、管法蘭、接管法蘭、接管等組件的結構。3.繪制列管式換熱器的

8、裝配圖（A1圖紙）及編寫課程設計說明書。四、設計時間：2015年06月08日-2015年06月18日設計學生：徐仁元 指導教師： 劉榮杰 第二章、課程設計概述一、設計目的課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實際性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使我們體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過課程設計使我們能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的主要程序和方法，進而提高我們分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以培養(yǎng)我們樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴肅認真，高度負責的工作作風。二、換熱器設備的

9、在生產中作用及應用換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應用的典型的工藝設備。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%20%，在煉油廠約占總費用35%40%。換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應用。因此，設計和選擇得到使用、高效的換熱器對降低設備的造價和操作費用具有十分重要的作用。三、工藝流程示意圖冷卻水從換熱器殼程下方進入，從換熱器上方排出，乙苯從換熱器左側的入口進入，乙苯從右側出口排出。（見圖1）圖1四 列管式換熱器的特點1、應用特點列管換熱器的特點是殼體和管板直接焊接，結構簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內，排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達

10、、換熱表面清洗比較方便、可供選用的結構材料廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(yōu)點，由于兩管板之間有管子相互持撐，管板得到加強，故在各種列管換熱器中他的管板最薄，其造價比較低，因此得到了廣泛應用。2、設備的結構特點列管式換熱器的結構特點是管束以焊接或脹接在兩塊管板上，管板分別焊接在外殼的兩端并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體上裝有流體進出口接管。與其他形式的換熱器相比，結構簡單，制造成本較低。管內不易積累污垢，即使產生了污垢也便于清洗，但無法對管子的外表面進行檢查和機械清洗，因而不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質。由于管子和管板與殼體的連接都是剛性的，當管子和殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在

11、殼體和管子中將產生很大的溫差應力，以至管子扭彎或從管板上松脫，甚至損壞整個換熱器。當管子和殼體的壁溫差大于50時，應在殼體上設置溫差補償膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應力，膨脹節(jié)的形式較多，常見的有形、平板形和形等幾種。由于形膨脹節(jié)的撓性與強度都比較好，所以使用得最為普遍。當要求較大的補償量時，宜采用多波形膨脹節(jié)。當管子和殼體的壁溫差大于60和殼程壓強超過0.6MPa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結構。五、設計方案的確定1.對于列管式換熱器，首先根據(jù)換熱流體的腐蝕性或其它特性選項定其結構材料，然后再根據(jù)所選項材料的加工性能，流體的壓強和溫度、換熱的溫度

12、差、 換熱器的熱負荷、安裝檢修和維護清洗的要求以及經濟合理性等因素來選項定其型式。設計所選用的列管換熱器的類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設備，在工業(yè)中應用已有悠久歷史，具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結構材料廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(yōu)點，故在大型換熱器中占優(yōu)勢。 固定管板式列管換熱器的特點是，殼體與管板直接焊接，結構簡單緊湊，在同樣的殼體直徑內排管最多。由于兩管板之間有管板的相互支撐，管板得到加強，故各種列管換熱器中它的管板最薄，造價最低且易清洗。缺點是，管外清洗困難，管壁與殼壁之間溫差大于50時，需在殼體上設置膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形

13、以降低溫差壓力，使用范圍僅限于管、殼壁的溫差不大于70和殼程流體壓強小于600kpa的場合，否則因膨脹節(jié)過厚，難以伸縮而失去溫差補償作用。（見圖2）圖2固定管板式換熱器2.對于換熱器內流體通入空間的選擇：在列管式換熱器中，哪一種流體走管程，哪一種走殼程，一般可從下列幾個方面考慮。（1）不潔凈或易結垢的流體走易于清洗的一側；對于固定管板式換熱器， 一般走管程；U形管換熱器，一般走殼程。（2）粘性大的或流量小的流體，宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時在較低的雷諾數(shù)（Re100）下，即可達到湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。（3）有腐蝕性流體應走管程，這樣，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蝕的材料，而殼

14、體及管外空間的其他零件都可以使用比較便宜的（4）壓力高的流體走管程，因為管子直徑小，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。（5）有毒的流體走管程，減少泄漏的機會。（6）飽和蒸汽一般走殼程，便于冷凝液的排出，而且蒸汽較清潔，無清洗要求。被冷卻的流體走殼程，便于散熱。對于固定管板式換熱器，若兩流體的溫差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管程， 這樣可以降低管壁與殼壁的溫差。減少熱應力。 以上原則，在實際中不可能同時兼顧，對具體情況仔細分析，抓住主要方面。例如首先從流體的壓力、腐蝕性以及清洗等方面考慮，然后再對壓力降和傳熱系數(shù)等方面要求進行校核，以便作出較恰當選擇。3.對于流速的選擇:換熱器內

15、流體的流速大小,應有經濟衡算來決定.增大器內流體的流速,可增強對流傳熱,減少污垢在換熱管表面上沉積的可能性,即降低了污垢的熱阻,使總傳熱系數(shù)增大,從而減少換熱器的傳熱面積和設備的投資經費,但是流速增大,又使流體阻力增大,動力消耗也就增多,從而致使操作費用增加,若流速過大,還會使換熱器產生震動,影響壽命,因此選取合適的流速是十分重要的。（見表1，表2）表1管殼式換熱器中不同黏度液體的常用流速液體黏度/MPa.s15001500500500100100353511.0530殼程流速（m/s）0.51.50.21.50.52154.對于換熱管布置和排列間距，常用換熱管規(guī)格有192 mm、252 mm

16、(1Crl8Ni9Ti)、252.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。（見圖3） （A）（B）（C） （D） （E）圖 3 換熱管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形錯列 (C) 三角形直列 （D）三角形錯列 （E）同心圓排列正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排

17、列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 5.對于管板，管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4MPa，設計溫度不超過350的場合。 6.對于封頭和管箱，封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。 （1）封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 （2）管箱 換熱器管內流體進出口的空

18、間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結構。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結構應便于裝拆。（3）分程隔板 當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內應設分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6管程。在布置時應盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應嚴防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。第三章、換熱過程工藝計算一、工藝計算及主要設備設計1.選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：（1）冷流體為自來水進口溫度30，出口溫度50。（2）熱流體為乙苯，進口溫度136，

19、出口溫度602.管程安排 乙苯走管程，自來水走殼程。二、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。在平均溫度下物性數(shù)據(jù)。（見表3）表3 物料物性數(shù)據(jù)表 (kg /m3 )Cp kJ/(kgk) (Pas) (W/mk)乙苯797.82.00063.110-40.11148水992.214.17465.3 10-563.410-2管程乙苯的定性溫度為：殼程自來水的定性溫度為：Ts=40根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 乙苯在98下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 i=797.8 kg/m3定壓比熱容cpi=2.0006kJ/(kg)熱導率 i=0.11148 W/(m)粘度

20、i=0.00031Pas自來水在40下的物性數(shù)據(jù)： 密度 0=992.21 kg/m3定壓比熱容 cp0=4.174 kJ/(kg)熱導率 0=0.634 W/(m)粘度 0=0.000653 Pas三、計算總傳熱系數(shù)乙苯流量 qm=3300kg/h1.熱流量QT=qm1cp1(t2-t1)=33002.0006(136-60) =139881.952kJ/s=139.88kW2.冷卻水用量qm2= QT / cp0(t2-t1) =139.88(4.17420)=1.677kg/s1.6773600=6037.2Kg/h3.平均傳熱溫差 暫按單殼程、偶數(shù)管程來考慮，則R=（T1-T2）/(t

21、2-t1)=(136-60)/(50-30)=3.8P=(t2-t1)/( T1- t1)=(50-30)/(136-30)=0.189由R和P查圖得，溫差校正系數(shù)Ft=0.960,故可行。則=0.96=0.9653.17=514.初算傳熱面積K值大致范圍為280800（W/m2 . K）假設K=300W/m2 . K，則估算的傳熱面積為 換熱管實際面積按1.15A估，則A實=1.159.14=10.5 m2四、工藝結構尺寸 1.選管子規(guī)格選用252.5mm無縫鋼管，管長取L=2m2.總管數(shù)和管程數(shù)按單程管計算，所需的傳熱管長則該換熱器的管程數(shù)為 總管數(shù)：166.8=66.8673.傳熱管排列

22、和分程方法 采用正三角形排列取管心距Pt=1.25d0 =1.2525=31.25 mm 32mm隔板兩側相鄰管心距Nc=44mm 4.殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率=0.6，殼體內徑為 殼程直徑可選取的直徑有（159 273 400 500 600 800 ）mm故圓整可取D400mm5.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25，則切去的圓缺高度為：h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板間距B150mm(0.2DBD)固定管板換熱器B有（150 300 600）mm折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=2000/150-1=12(塊)。6.接

23、管 管程流體進出口接管：取接管內乙苯流速為 u11.8m/s，則接管內徑為 d1=圓整后可取管內徑為32mm 殼程流體進出口接管：取接管內自來水流速 u21.8m/s，則接管內徑為 圓整后可取殼內徑為38mm五、換熱器核算 1.熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算當量直徑殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普朗特數(shù)殼程中水被加熱，故取=1.05 （2）管程傳熱膜系數(shù) 管程流通截面積管程流體流速 普朗特數(shù)（3）污垢熱阻和管壁熱阻，查附錄得：管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻 管壁厚度b=0.0025 m碳鋼熱導率為=45.4 W/(m)管壁熱阻為（4）傳熱系數(shù)K（5）傳熱面積裕度Ac

24、該換熱器的實際傳熱面積S該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。 2.換熱器內流體的壓力降（1）管程流動阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2,Ft=1.4,u=0.126m/s, 管子為252.5mm ,Re=6485查表得無縫鋼管絕對粗糙度取0.042Pi=(P1+P2)FtNsNp=(29+19)1.42134.4Pa0.1MPa管程壓降在允許范圍之內。（2）殼程阻力流體流經管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 殼程壓力降也比較適宜。表4、設計結果一覽表 參數(shù)管程(乙苯)殼程（冷卻水）流量/（kg/h）33006037.2進/出溫度/136/6

25、030/50允許壓力降/MPa0.10.1物性定性溫度/9840密度/（kg/m3）797.8992.21定壓比熱容/（kJ/(kg)）2.00064.174粘度/（paS）0.000310.000653熱導率/w/(mk)0.111480.634普朗特數(shù)5.564.299設備結構參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內徑/mm400殼程數(shù)1管徑/mm252.5管心距/mm32管長/mm2000管子排列管數(shù)目/根67折流板數(shù)/個12傳熱面積/m210.5折流板間距/mm150管程數(shù)1材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）0.001150.002表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(m2)2402701熱垢熱阻/(m

26、2/w)0.0001720.000172阻力/（Mpa）0.00013440.000498熱流量/kw139.88傳熱溫差/51傳熱系數(shù)/W/(m2)327裕度/0.25第五章、主要零部件1.封頭上下兩封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4737-2002標準，封頭為：。（見圖4）圖42.支座 本換熱器為臥式內壓容器，應該選用鞍式支座，依照JB/T4712-92雙鞍式支座為準，選用DN=400mm型鞍式支座。鞍式支座在換熱器上的布置應該按照下列原則確定：a 當L3000mm時，取LB =(0.4-0.6)Lb當L3000mm時，取LB =(0.5-0.7)Lc盡量使LC和LC相近3.墊片換熱

27、器墊片通過以上設計，按照GB/T539,選定耐油石棉橡膠板作為墊片。 4.管板 管板，就是在鋼板上鉆出和管子外徑一樣的孔，將管子穿入焊住固定，起這樣作用的一種配件。在固定式管板強度校核計算中，當管板厚度確定之后，不設膨脹節(jié)時，有時管板強度不夠，設膨脹節(jié)后，管板厚度可能就滿足要求。此時，也可設置膨脹節(jié)以減薄管板，但要從材料消耗、制造難易、安全及經濟效果等綜合評估而定。固定管板換熱器中常用的是U型膨脹節(jié)，它具有結構緊湊簡單，補償性好，價格便宜等優(yōu)點。第六章、設計評述與體會這次為期兩個星期的課程設計終于結束，這次的任務是設計一個列管式換熱器。雖然設計和學習的時間不長，卻收獲頗多，受益匪淺。 首先，這

28、是我們第一次接觸課程設計，讓我認識到：課堂上理論知識掌握的再好，沒有落實到實處，是遠遠不夠的。換熱器的設計，從課本上簡單的理論計算，到根據(jù)需求滿足一定條件的切實地進行設計，不再僅僅包括呆板單調的計算，還要根據(jù)具體要求選擇、區(qū)分和確定所設計的換熱器的每一個細節(jié)，我覺得這是最大的一個挑戰(zhàn)。其次，這次課程設計還考驗了我們的團隊合作精神，以及嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、平和的心態(tài)。這次設計工作量大，用到的知識多，而且我們又是第一次設計，所以單獨靠自己是不能完滿的完成本次課程設計。我經常與同組同學一起討論，甚至爭論，這樣，我們就能發(fā)現(xiàn)問題，并能因此產生比較合理的方法和結果。大家都明白了，那其他的都不是問題。同時爭論讓我更加清楚地了解自己，讓我明白我要更加耐心的表達我的想法，把問題解析清楚，也要耐心的聽其他同學的意見。在同組同學無法通過討論得出正確結果的時候，我們通過請教其他組同學或者與其討論得到新的想法和正確的結論。 最后要提到的就是繪圖了。由于工程制圖是大一學習的，現(xiàn)在我們將近兩年時間沒有接觸