列管式換熱器設(shè)計(jì)說明書

1、列管式換熱器設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：班級(jí) 11級(jí)生物工程 姓名 日期 2013-7-29 指導(dǎo)教師 尹亮 設(shè)計(jì)成績 日期 目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書1二、設(shè)計(jì)方案簡介2三、工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)31.確定設(shè)計(jì)方案3(1)選擇換熱器的類型3(2)流體流入空間的選擇3(3)流向的選擇32.確定物性數(shù)據(jù)43.估算傳熱面積6（1）計(jì)算傳熱面積6（2）冷卻水用量6（3）傳熱平均溫度差6（4）初算傳熱面積64.工藝結(jié)構(gòu)尺寸7（1）選管子規(guī)格7（2）總管數(shù)和管程數(shù)7 （3）確定管子在管板上的排列方式7（4）殼體內(nèi)徑的確定7 （5）繪管板布置圖確定實(shí)際管子數(shù)目.(見附錄圖) 8（6）折流擋板8（7）其它附件9（8）接管9

2、5.換熱器核算9I、傳熱面積校核9（1）傳熱面積溫差校正9（2）總傳熱系數(shù)K的計(jì)算10（3）傳熱面積校正11II 壁溫的計(jì)算11III 核算壓力降12（1）管程壓力降12（2）殼程壓強(qiáng)降12四、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表14五、主要符號(hào)說明15六、參考文獻(xiàn)17七、對(duì)本設(shè)計(jì)的吐槽18八、附圖另附圖一、設(shè)計(jì)任務(wù)書某廠在生產(chǎn)過程中，需將對(duì)二甲苯液體從87冷卻到41。處理能力為1.2105噸/年。冷卻介質(zhì)采用自來水，入口溫度26，出口溫度37。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于10kPa。試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。（每年按300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行） 設(shè)計(jì)任務(wù)：處理能力為1.2105噸/年。操作條件

3、：（1）對(duì)二甲苯液體從87冷卻到41。 （2）冷卻介質(zhì)采用自來水，入口溫度26，出口溫度37。 （3）換熱器的管程和殼程的壓降10kPa。二、設(shè)計(jì)方案簡介本設(shè)計(jì)任務(wù)為用自來水（冷流體）冷卻對(duì)二甲苯（熱流體）降溫。利用熱傳遞過程中對(duì)流傳熱原則，依照滿足工藝和操作上的要求；確保生產(chǎn)安全；金肯呢個(gè)節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用等原則制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。在化工生產(chǎn)過程中，換熱器應(yīng)用十分廣泛，它是完成各種 不同換熱過程的設(shè)備。其中列管換熱器，因?yàn)榫哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、適應(yīng)性強(qiáng)、制造材料廣泛等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。所以這個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)首選列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。列管式散熱器有幾種類型。根據(jù)本設(shè)計(jì)方案，從經(jīng)濟(jì)角度看，而且

4、工藝條件允許，所以優(yōu)先選用固定管板式換熱器。因?yàn)楣潭ü馨迨綋Q熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于對(duì)二甲苯的黏度系數(shù)比較小，所以使其走殼程。根據(jù)不同流體的不同特性，不斷進(jìn)行計(jì)算核對(duì)結(jié)果，讓最終結(jié)果的裕度落在10%-25%之間，換熱器的管程和殼程的壓降10kPa，這樣的話設(shè)計(jì)才算成功。三、工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)1.確定設(shè)計(jì)方案(1)選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：對(duì)二甲苯 (熱流體) 進(jìn)口溫度87出口溫度41。自來水 (冷流體) 進(jìn)口溫度26出口溫度37。從兩流體溫度來看，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會(huì)很大，又較為清潔,不需要經(jīng)常檢修.因此初步確定選用固定管板式換熱器。

5、固定管板式換熱器,其結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,能得到較小的殼體內(nèi)徑,管程可分成多樣,規(guī)格范圍廣,固在工程中廣泛應(yīng)用.同時(shí),它的管內(nèi)不容易積累污垢,即使產(chǎn)生了污垢也能比較容易清洗.它的缺點(diǎn)是管外清洗比較困難,因?yàn)椴贿m宜處理臟的又具有腐蝕性的介質(zhì);管殼間存在溫差應(yīng)力,適用于管束和殼體間溫差較小,殼程流體不易結(jié)垢的場(chǎng)合.當(dāng)殼壁與管壁溫差在50以上的時(shí)候,為了減少溫差應(yīng)力,可以在殼體上設(shè)置補(bǔ)償圈.當(dāng)殼壁和管壁溫差大于60,殼程壓強(qiáng)超過0.6MPa時(shí),由于補(bǔ)償圈過厚,難以伸縮,失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?就應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu).(2)流體流入空間的選擇本設(shè)計(jì)任務(wù)中,冷流體為水,熱流體為對(duì)二甲苯.由于水比較容易結(jié)垢,為了方

6、便提高流動(dòng)速度.同時(shí)減少污垢的生成,以及根據(jù)固定管板式換熱器的特點(diǎn),為了便于清洗污垢,因此冷卻水走管程.另外,為了使對(duì)二甲苯通過殼體壁面時(shí)向空氣中散熱,提高冷卻效果.固使對(duì)二甲苯走殼程。(3)流向的選擇流體流向有并流、逆流、錯(cuò)流、折流四種基本類型。在流體的進(jìn)口溫度相同的情況下，逆流的平均溫度差大于其他流向的平均溫度差，所以，若工藝上沒有特殊要求，一般采用逆流操作。因?yàn)?，在本設(shè)計(jì)任務(wù)中，我們選用逆流來設(shè)計(jì)。2.確定物性數(shù)據(jù)對(duì)二甲苯的定性溫度：T= =64水的定性溫度：T= =31.5（1）對(duì)二甲苯密度查化學(xué)化工物性算圖手冊(cè).有機(jī)卷T/C得=825.194 kg.m-3比熱容在化工原理第四版 P3

7、43查得 大約Cp=1.78kJ/(kg)熱導(dǎo)率在化工原理第四版 P341查得 大約=0.124 W/(m)黏度在網(wǎng)上查得“對(duì)二甲苯液體黏度共線圖坐標(biāo)值”為 X：13.9 Y:10.9然后對(duì)照化工原理第四版 P339的液體黏度共線圖 查得 =0.419 mPas（2）水密度在化工原理第四版 P328查得 =994.3 kg.m-3比熱容在化工原理第四版 P328查得 Cp=4.174kJ/(kg)熱導(dǎo)率在化工原理第四版 P328查得=0.621 W/(m)黏度在化工原理第四版 P336查得=0.7760mPas總結(jié)上述數(shù)據(jù)，對(duì)二甲苯和水的物性數(shù)據(jù)如下表：物質(zhì)密度/kg/m3比熱容/J/(kg)

8、熱導(dǎo)率/ W/(m)黏度/Pas64對(duì)二甲苯825.1941.781030.1240.41910-331.5水994.34.1741030.6210.776010-33.估算傳熱面積（1）計(jì)算傳熱面積（忽略熱損失）設(shè)計(jì)條件中，要求處理能力為處理能力為1.2105噸/年（每年按300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）qm1=4.6296kg/sQ=qm1cp1(T1-T2)= 4.62961.78103（87-41）=3.791105（2）冷卻水用量（忽略熱損失）qm2=3.7911054.174103（37-26）=8.2567kg/s（3）傳熱平均溫度差在確定設(shè)計(jì)方案中的流向的選擇，我們已經(jīng)決定先采

9、用逆流來計(jì)算。對(duì)二甲苯：8741水：3726 t1=50 t2=15tm = t1-t2lnt1t2 = 50-15ln5015=29.07（4）初算傳熱面積參照化工原理第四版P152“表4-7列管式換熱器中K值大致范圍”，假設(shè)K值=400W/(m)（隨便取，K值主要是決定管程數(shù)，只要你確定好要用管程二還是四，大概取個(gè)K值以致得到你要的結(jié)果就行）估算的傳熱面積A估=QKtm=3.791105*29.07=32.6m2A實(shí)=（1.151.25）A估現(xiàn)在取實(shí)際面積為估算面積的1.15倍，實(shí)際面積A實(shí)=1.1533.44=37.49 m24.工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）選管子規(guī)格換熱器中最常用的管子 19mm

10、2mm和25mm2.5mm兩種規(guī)格。根據(jù)本設(shè)計(jì)管程走的是最易結(jié)垢的流體，所以選擇較大直徑的管子，因此選用25mm2.5mm的無縫鋼管。管長的選擇是以清洗方便和合理使用管材為原則，中國生產(chǎn)的鋼管長以3m和6m最為普遍，經(jīng)過考慮，取管長l=3m。（2）總管數(shù)和管程數(shù)總管數(shù) n=A實(shí)d0l=37.493.140.0253=160根單程流速 u=qv4di2n=8.2567994.33.1440.022160=0.165m/s單程流速較低，為提高傳熱效果，考慮采用多管程。按照參照教材上表3-2管程流速的推薦范圍：0.53，取管程流速u=0.7m/s管程數(shù)m=uu=0.70.165=4.244 取四管程

11、（這很重要，你要在這里確定好要管程2還是管程4，管程四畫圖比較麻煩，但我用管程2算出來的結(jié)果不符合要求）(3)確定管子在管板上的排列方式由于管程是四管程,固采用組合排列法,即每程內(nèi)按照正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列.因?yàn)闅こ塘黧w壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距a = 1.25d0，則a = 1.252532mm隔板中心到離其最近一排管中心距離=a/2+6=32/2+6=22mm 則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距ac = 44mm。(4)殼體內(nèi)徑的確定正三角形排列的四管程換熱器，其管板利用率的范圍為0.60.8.取管板利用率= 0.75，則殼體內(nèi)徑為：D = 1.05aN/= 1

12、.0532160/0.75 =491mm按照殼體標(biāo)準(zhǔn)圓整可取D = 500 mm管長的選擇還要使換熱器有適宜的長徑比,一般為610.因?yàn)閾Q熱器長徑比LD=30.5=6,在推薦范圍內(nèi),可臥式放置.(5)繪管板布置圖確定實(shí)際管子數(shù)目.(見附錄圖)（這里很重要，你要在這里先初略地設(shè)計(jì)好你你要畫的圖，從而決定實(shí)際的管子數(shù)目）（由管板布置圖可知,實(shí)際排管數(shù)為166根,扣除4根拉桿,則實(shí)際換熱管為162根.）根據(jù)你畫的圖來確定實(shí)際排管數(shù)查參考教材上表3-6,取管板厚度為40mm,設(shè)管子與管板焊接時(shí)伸出管板的長度為3mm,所以換熱器的實(shí)際面積為:A=nd0(l-20.04-20.003)=1623.140.

13、025(3-20.04-20.003)=37.06m2管程實(shí)際流速 ui=qvnm4di2=8.2567994.316243.1440.022=0.653m/s由于管程的實(shí)際流速在所推薦的范圍（0.53）內(nèi)，所以是可取的。（6）折流擋板為了提高殼程流體的流速，增加湍流程度以提高傳熱效果，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流板，弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單，流動(dòng)死角少，所以應(yīng)用最多。本設(shè)計(jì)中也采用弓形折流擋板。弓形折流擋板通常切去弓形高度為殼體內(nèi)徑的20%45%，通常是20%和25%兩種?，F(xiàn)在取20%，則切去的圓缺高度為：h=0.20500=100mm因?yàn)闅こ虨閱蜗嗲鍧嵙黧w，所以折流板缺口水平上下布置。缺口

14、向上的折流板底部開一個(gè)90小缺口，以便以便停車時(shí)排凈器內(nèi)殘液。一般取折流板的間距為殼體內(nèi)徑的0.21.0倍，且不小于50mm，我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的折流板的間距為：固定板管式有100、150、200、300、450、600、700mm七種，根據(jù)本設(shè)計(jì)的管長為3m，比較短，所以：取折流板間距B=150mm 折流板數(shù)NB=傳熱管長折流板間距-1=3000150-1=19塊（7）其它附件拉桿：折流板一般采用拉桿和定距套管固定在管板上，按參考材料P40表3-12規(guī)定，當(dāng)25d057.時(shí) 取拉桿直徑d為16mm,拉桿數(shù)量為4根.(拉桿布置如附圖所示)(8)接管管程流體進(jìn)出口接管。取管內(nèi)流速 u=1.8m/

15、s則接管內(nèi)徑d1=4qvu=48.2567994.33.141.8=0.07666m按管子標(biāo)準(zhǔn)圓整，參考化工原理第四版P350,取管程流體進(jìn)出口接管規(guī)格為84mm3.5mm無縫鋼管。殼程流體進(jìn)出口接管。取管內(nèi)流速 u=1.8m/s則接管內(nèi)徑d2=4qvu=41.2108300243600825.1943.141.8=0.06301m按管子標(biāo)準(zhǔn)圓整，參考化工原理第四版P350,取管程流體進(jìn)出口接管規(guī)格為69mm3mm無縫鋼管。5.換熱器核算I、傳熱面積校核(1)傳熱面積溫差校正計(jì)算P和RP=t2-t1T1-t1=37-2687-26=0.18 R=T1-T2t2-t1=87-4137-26=4.

16、18根據(jù)P、R值，在化工原理第四版P147 圖4-25溫差校正系數(shù)圖 查得t=0.93，因?yàn)閠0.8，所以選用單殼程可行。tm=ttm逆=0.9329.07=27.04（2）總傳熱系數(shù)K的計(jì)算管內(nèi)傳熱膜系數(shù)Re= du=0.020.653994.30.776010-3=16733.6Pr=Cp=4.1741030.77610-30.621=5.216根據(jù)公式i = 0.023 diRe0.8Prn 流體被加熱，取n=4i=0.023 0.6210.0213830.50.85.2160.4=3308 W/(m2)管外傳熱膜系數(shù)因?yàn)镽e=16733.6 即在（21031106）范圍內(nèi)，所以根據(jù)公式

17、：o = 0.36 de Reo0.55Pr1/3w0.14管子按正三角形排列，則傳熱當(dāng)量直徑為：de = 432a2-4do2do = 4320.0322-40.02520.025 = 0.020m殼程流通截面積：S = BD(1 dot) = 0.150.5(1 0.0250.032) = 0.0164 m2殼程流體流速：uo =qvS 1.2108300243600825.1940.0164 = 0.342m/sReo = deu000= 0.020.432825.1940.41910-3 = 13472普蘭特準(zhǔn)數(shù)：Pr = cp = 1.781030.41910-30.124 = 6.

18、01殼程中對(duì)二甲苯被冷卻，參考化工原理第四版P132中，w0.14=0.95o = 0.36 0.1240.02 17015.90.556.011/3 =757W/(m2)污垢熱阻的管壁熱阻查化工原理第四版 “表4-6 常用流體的污垢熱阻”管內(nèi)流體污垢熱阻：Ri = 2.110-4 m2/W管外流體污垢熱阻：Ro =1.7610-4 m2/W已知管壁厚=0.0025m，取碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)=45.4 W/(m2)總傳熱系數(shù)KK = 1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o= 1253308 20+2.110-42520+0.00252545.422.5+1.7610-4+1757=45

19、5W/(m2)（3）傳熱面積校正所需面積：A = QKtm = 3.79110545527.04 = 30.8m2前面已算出換熱器的實(shí)際傳熱面積A= m2AA=37.0630.8=1.20說明該換熱器有20%的面積裕度，在10%25%范圍內(nèi)，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。II 壁溫的計(jì)算換熱器壁溫可由下式估算tw=1Tm+2tm1+2已知1=0=757 W/(m2)；2=i=3276 W/(m2)；Tm= 0.4T1 +0.6 T2 =0.487+0.641=59.4；tm=0.4t2 +0.6 t1=0.437+0.626=30.4tw=1Tm+2tm1+2=75759.4+327630.4757+35

20、76=33.36殼體壁溫可近似取為殼體流體的平均速度，即Tw=59.4。殼體壁溫與傳熱壁溫之差為t=59.4-33.36=26.04該溫度小于50，故不需設(shè)置溫差補(bǔ)償裝置。III 核算壓力降（1）管程壓力降pi = (p1 +p2)FtNpNs其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1；ui=0.645m/s ，Rei=16529.6（湍流）對(duì)于碳鋼管，設(shè)管壁粗糙度= 0.1mmd = 0.120 = 0.005在化工原理第四版P37 由-Re關(guān)系圖中查得=0.036 p1 = Ldu22 = 0.03630.02994.30.64522 = 1116.9Pap2 = 3u22 = 39

21、94.30.64522 = 620.5Papi = (1116.9+620.5)1.42 = 4865 Pa 10kPa（2）殼程壓強(qiáng)降po = (p1 +p2) FsNs其中Fs = 1.15，Ns = 1p1 = Ffonc(NB+1)uo22管子按正三角形排列 F=0.5，b=1.1n=1.1168=14.26折流擋板間距 B=0.15m折流擋板數(shù) NB=19殼程流通截面積 So = B(D-bdo) = 0.15(0.5-14.260.025) = 0.0215m2殼程流速 uo = qvS0 =8.2567994.30.0215 =0.386m/sReo = deu000= 0.02

22、0.386825.1940.41910-3 = 15204fo=5.0 Reo-0.228=0.557所以流體流經(jīng)管束的阻力：p1 = Ffonc(NB+1)uo22 = 0.50.55714.26(19+1)825.1940.38622 = 4879Pa流體流過折流板缺口的阻力：p2 = NB(3.5-2BD) uo22 =19(3.5-20.150.5)825.1940.38622 =3386 Pa總阻力：po =（4879+3386)1.151 = 9505.3 Pa 10kPa殼程壓降也在范圍之內(nèi)。計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計(jì)要求。四、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表64對(duì)二甲苯31.5自來水密度/kg/m3比熱容/J/(kg)熱導(dǎo)率/ W/(m)黏度/Pas825.1941.78103 0.1240.41910-3994.34.1741030.6210.776010-3換熱器外殼直徑 mm500公稱面積 m237.06換熱器形式單殼程四管程固定板管式材料無縫