列管換熱器的設計

1、生命與環(huán)境科學學院課 程 設 計 課程名稱 化工原理課程設計 題目名稱 列管式換熱器設計 專業(yè)班級 生物工程 班 學生姓名 覃祚樹 學 號 指導教師 周治德 二 O一四 年 七月 八 日目錄1 設計任務書.11.1 設計任務和設計條件.11.2 設計內(nèi)容.22 概述.33 確定設計方案.4 3.1 選擇換熱器的類型.43.2 流動空間及流速的確定.44 確定物性數(shù)據(jù).45 計算總傳熱系數(shù).55.1 計算熱負荷和冷卻水流量.55.2 計算平均傳熱溫差.55.3 確定總傳熱系數(shù)K并計算傳熱面積.56 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設計.66.1 管徑和管內(nèi)流速.6 6.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù).6 6.3 傳熱管排列

2、和分程方法.66.4 殼體內(nèi)徑.76.5 折流板.7 6.6 接管.87 換熱器核算.87.1 熱量核算.8 7.1.1殼程對流傳熱系數(shù).9 7.1.2管程對流傳熱系數(shù).9 7.1.3對流傳熱系數(shù)K.9 7.1.4傳熱面積.97.2 核算壓強降.10 7.2.1管程壓強降.10 7.2.2殼程壓強降.108 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果.119 設計評述及附圖.1210 主要符號說明.1311 參考資料.141 列管式換熱器設計任務書1.1 設計任務和設計條件 某生產(chǎn)過程的流程如圖所示，反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組

3、分。已知混和氣體的流量為 kg/h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為20，出口溫度為35，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務。物性特征：混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）：密度 0= 90 kg/m3定壓比熱容 cp0 = 3.297 /(kg)熱導率 0 = 0.0279 W/(m)粘度 = 1.510-5 Pas循環(huán)冷卻水在27.5 下的物性數(shù)據(jù)：密度 i = 996.373 kg/m3定壓比熱容 cpi = 4.174 kJ/(kg)熱導率 i = 0.6103 W/(m)粘度 = 0.74210-3 Pas1.2 設計內(nèi)容

4、說明書要求 1、概述 2、設計方案的選擇 3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)4、設計計算（1）計算總傳熱系數(shù)（2）計算傳熱面積5、換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設計 （1）管子的直徑、長度、根數(shù)等管子尺寸 （2）殼體直徑、折流板長度和數(shù)目 （3）隔板和接管尺寸 6、設計結(jié)果匯總 7、列管式換熱器裝配圖8、設計評述9、符號說明10、參考文獻圖紙要求列管式換熱器裝配圖2 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置成為熱交換器，簡稱為換熱器。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日

5、益加強。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不用類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求。（1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學參數(shù)與物理化學性質(zhì)是工藝過程所規(guī)定的條件。設計者應根據(jù)這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經(jīng)過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，再單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計

6、規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要作用。（3）有利于安裝、操作與維修直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。（4）經(jīng)濟合理評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內(nèi)，固定費用與操作費的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務的需要，這一指標尤為重要。3 確定設計方案3.1 選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度110，出口溫度60。冷流體（循環(huán)水）進口溫度20，出口溫度35。該換熱器冷卻熱的混合氣體，傳熱量

7、較大，可預計排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作，因此不選用膨脹節(jié)。3.2流動空間及流速的確定單從兩物流的操作壓力看，混合氣體操作壓力高達6.9MPa，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應使較大的循環(huán)水（一般氣體液體）走管內(nèi)。所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。選用25mm2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)循環(huán)水流速取1m/s。4 . 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。殼程混合氣體的定性溫度t=85（）管程循環(huán)冷卻

8、水的定性溫度為t=27.5（）根據(jù)定性溫度，分別確定殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)?；旌蜌怏w在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）：密度 = 90 kg/m3定壓比熱容 = 3.297 KJ/(kg)熱導率 = 0.0279 W/(m)粘度 = 1.510-5 Pas循環(huán)冷卻水在27.5 下的物性數(shù)據(jù)：密度 = 994.3 kg/m3定壓比熱容 = 4.174 KJ/(kg)熱導率 = 0.624 W/(m)粘度 = 0.74210-3 Pas5 計算總傳熱系數(shù)5.1 計算熱流量= T0 =3.297(110-60) = 1.88107KJ/h =5216(kW)5.2計算平均傳熱溫差

9、(采用逆流)熱流體110 60冷流體35 20t 75 40 = 平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程、雙管程結(jié)構(gòu)查溫差校正系數(shù)圖表，可得平均傳熱溫差5.3 確定總傳熱系數(shù)K 根據(jù)兩流體的情況，假設K = 313 W/5.4 計算傳熱面積6.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 冷卻水用量6 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設計6.1 管徑和管內(nèi)流速選用25mm2.5mm傳熱管（碳鋼管），可設管內(nèi)冷卻水流速=1.3m/s。依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。ns = 計算，所需的傳熱管長度為按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長 = 6.0(m)，則該換熱器管程數(shù)為NP =傳熱管總根數(shù)NT =2053 = 615(根

10、)6.3 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。因為殼程流體壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距t = 1.25do，則t= 1.252532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離=t/2+6=32/2+6=22(mm)則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn = 44mm。橫過管束中心線的管數(shù) = 1.19 = 11根)6.4 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率= 0.7，則殼體內(nèi)徑為：D = 1.05t= 1.0532 = 996(mm) 圓整可取D = 1000mm6.5 折流板采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則

11、切去的圓缺高度為h = 0.25D = 0.251000 =250(mm)取折流板間距B = 0.3D = 0.31000 =300(mm)可取B為100mm。折流板數(shù)NB = 傳熱管長/折流板間距-1 = = 19(塊)折流板圓缺面水平裝配。6.6 接管殼程流體進、出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為：D1 = 圓整取212mm。管程流體進、出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為：D2= (m)圓整取206mm。7 換熱器核算7.1 熱量核算7.1.1 殼程對流傳熱系數(shù)。對圓缺形折流板，可采用凱恩公式：o = 0.36Reo0.55Pr1/3當量直

12、徑，由正三角形排列得：(m)流體通過管間最大截面積為：S = BD(1 ) = 0.31(1 ) = 0.0656(m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù) (m/s)普蘭特準數(shù)： Pr = =1.773黏度校正 o = 0.36.551/3 = 951.47.1.2 管程對流傳熱系數(shù)i = 0.023Rei0.8Pr0.4管程流通截面積：Si = =0.0644(m2)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：Rei = 30610 普蘭特準數(shù)：Pr =5492w/()7.1.3 對流傳熱系數(shù)K查表得，污垢熱阻R0 = 0.0004 m2/W，Ri = 0.0006 m2/W在該條件下管壁（碳鋼）導熱系數(shù)= 50W

13、/(m)K = = 402.5W/(m2)7.1.4 傳熱面積S傳熱面積裕度Ac=242(m2)實際傳熱面積（m2）該換熱器的面積裕度為：H = %傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。壁溫核算Tm=0.4350.620=26 (0C)Tm=1/2(110+60)=85(0C)Hc=hi=5492 W/Hh=h0=951.4 W/t=33.3 (0C)殼體壁溫 T=85 (0C)殼體壁溫和傳熱管壁溫差85-33.3=51.7 (0C)7.2 核算壓強降7.2.1 管程壓強降pt = (pi +pr)其中Ft = 1，Np = 3，Ns = 1Re=30610,設管壁粗糙度= 0.2m，傳

14、熱相對粗糙度0.01， 查莫迪圖圖得= 0.04，所以pi= 11750.9(Pa) 2518(pa)pt= 管程壓降再允許范圍之內(nèi)。7.2.2 殼程壓強降ps = (p0+pi)，其中Fs = 1，Ns = 1殼程流通截面積：So =) = = 4.23(m/s)流體流經(jīng)管束的阻力p0 = F=0.5, f0=5-0.228=0.273, NTC=1.1NT0.5=1.16150.5=27.3 ,NB=19 ,u0=5.36m/spo =0.50.23727.3(19+1)905.362/2=83648 (pa)流體流過折流板缺口的阻力71235 (pa)1.55105 (pa)殼程壓降也在

15、范圍之內(nèi)。參 數(shù)管程殼程 流率/（kg/h） 進/出溫度20/35110/60 壓力/Pa0.46.9物性定性溫度/27.585密度/(kg/)996.37390定壓比熱容/4.1763.297黏度/0.8451.5熱導率/0.61030.0279普朗特數(shù)5.781.733設備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm1000殼程數(shù)1管徑/mm管心距32管長/mm6000管子排列正三角形管數(shù)目/根615折流板數(shù)/個19傳熱面積/290折流板間距/mm300管程數(shù)3材質(zhì)碳鋼 主要計算結(jié)果管程殼程 流速/（m/s）1.2985.36 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)5492951.4 污垢熱阻/0.00060.0004

16、阻力/MPa0.0430.155 熱流量/kW5216 傳熱溫差/K53.472 傳熱系數(shù)【】402.5 裕度/%19.8換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果9 設計評述固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，本設計由于換熱任務較大，故管數(shù)較多。由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程走不易結(jié)垢的混合氣體。在設計過程中應盡量做到：1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的情況下，盡量選擇較高的流速。2、提高平均溫差。對于無相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應力。3、妥善布置傳熱面。

17、本設計采用合適的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。并且錯列管束的傳熱方式比并列的好。列管式換熱器裝配圖30018L=6000 =6000 10 符號說明B折流板間距，m；C系數(shù)，無量綱；d管徑，m；D換熱器外殼內(nèi)徑，m；f摩擦系數(shù)；F系數(shù)；h圓缺高度，m；K總傳熱系數(shù)， W/(m2)；L管長，m；m程數(shù)；n指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)；N管數(shù)、程數(shù)；NB折流板數(shù)；Nu努塞爾特準數(shù)；P壓力，Pa； 因數(shù)；Pr普蘭特準數(shù)；q熱通量，W/m2；Q傳熱速率，W；r半徑，m； 汽化潛熱，kJ/kg；R熱阻，m2/W； 因數(shù)；Re雷諾準數(shù)；S（或A）傳熱面積，m2；t冷流體溫度，；a(或t)管心距，m；T熱流體溫度，；u流速，m/s；W質(zhì)量流量，kg/s；V體積流量，m3/s。希臘字母：對流傳熱系數(shù)，W/(m2)；有限差值；導熱系數(shù)，W/(m2)；黏度，Pas；密度，kg/m3；校正系數(shù)。下標：c冷流體；h熱流體；i管內(nèi)；m平均；o管外；s污垢。11 參考資料1 上海醫(yī)藥設計院.化工工藝設計手冊(上、下).北京：化學工業(yè)出版社，19862 尾范英郎（日）等，徐忠權(quán)譯.熱交換設計手冊，19813 時鈞，汪家鼎等.化學工程手冊，北京