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* 化工原课程设计 *

换热器工艺初步设计

学生姓名: 学 号:

专 业: 环境工程 班 级:

成 绩:

指导教师:

设计时间: 12月 20日至 年 1月6日

环境与生命科学系

列管式换热器设计任务书
一、 设计任务及操作条件
( 1) 处理能力: 正戊烷23760kg/h;
( 2) 设备型式: 立式列管式换热器;
( 3) 操作条件:
① 混合气体:入口温度51.7℃;
② 冷却介质:循环水,流量为70000kg/h入口温度32℃,出口温度35.67℃;
③ 允许压强降: 不大于5000000Pa;
④ 每年按300天计算,每天24小时连续运行。
二、 设计项目
1．设计方案简介: 设计工艺流程图;
2．换热器的工艺计算: 确定换热器的传热面积;
3．换热器的主要结构尺寸设计;
4．主要辅助设备选型;
5．绘制换热器总装配图。
三、 设计时间
12 月  20 日 ～ 年 1 月 6日
四、 设计内容
1．目录;
2．设计题目及原始数据(任务书);
3．论述换热器总体结构(换热器型式、 主要结构)的选择;
4．换热器加热过程有关计算(物料衡算、 热量衡算、 传热面积、 换热管型号、 壳体直径等);
5．设计结果概要(主要设备尺寸、 衡算结果等);
6．主体设备设计计算及说明;
7．参考文献。

目 录
1.简述 4
2.方案设计和拟定 5
3．换热器类型的选择 6
3.1 流动空间及流速的测定 6
3.2确定物性数据 7
3.3 计算总传热系数 7
3.3.1 热流量 7
3.3.2平均传热温差 7
3.3.3平均传热温差校正 7
3.4估算传热面积 8
3.5换热器结构尺寸的 8
3.5.1 管径和管内流速 8
3.5.2 管程数和传热管数 8
3.5.3 传热管排列和分程方法 9
3.5.4 壳体内径 10
3.5.5 折流板 11
3.5.6 接管 11
3.5.6.1壳程进口接管: 11
3.5.6.2壳程出口接管: 11
3.5.6.3管程接管 12
3.6换热器核算 12
3.6.1 热量核算 12
3.6.1.1 壳程对流传热系数 12
3.6.1.2 管程对流传热系数 12
3.6.1.3污垢系数 13
3.6.1.4 传热系数 K 13
3.6.1.5换热器的实际传热面积 13
3.6.2核算管壁温度 14
3.6.3 换热器内流体的流动阻力 14
3.6.3.1计算压强降 14
4. 换热器主要结构尺寸和计算结果 16
附录 17
参考文献 18

列管式换热器设计书
1.简述
根据列管式换热器的结构特点, 常将其分为固定管板式、 浮头式、 U形管式
填料函式、 滑动管板式、 双管板式、 薄管板式等类型。
(1)固定管板式换热器(代号G)
优点: 结构简单、 紧凑、 能承受较高的压力, 造价低, 管程清洗方便, 管子损坏时易于堵塞或更换;
缺点: 管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时, 壳体和管束中将产生较大的热应力
这种换热器适用于壳层介质清洁且不易结垢、 并能进行清洗、 管程与壳程两侧温差不大或者温差较大但壳层压力不高的场合。
(2)浮头式换热器(代号P)
优点: 管内和管间易于清洗, 不会产生热应力;
缺点: 结构复杂, 造价比固定管板式换热器高, 设备笨重, 材耗量大, 且浮头端小盖在操作中无法检查, 制造时对密封要求高。
这种换热器适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
(3) U形管换热器(代号Y)
优点: 只有一块管板, 管束由多根U形管束组成, 管的两端固定在同一块管板上, 管子能够自由伸缩。当壳体与U形换热器有温差时, 不会产生热应力。
缺点: 由于受到管曲率半径的限制, 其换热管排布较少, 管束最内层管间距较大, 管板的利用率较低, 壳程流体易形成短路, 对传热不利。当管子泄漏损坏时, 只有管束外围处的U形管才便于更换, 内层换热管坏了不能更换, 只能堵死, 而且损坏一根U形管相当于坏两根管, 报废率极高。
适用于管、 壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗、 又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、 高压、 腐蚀性大的物料。
(4)滑动管板式换热器
优点: 结构简单, 造价低廉, 必要时可在管箱增设隔板, 强化传热。
缺点: 填料泄漏时可导致管程和壳程的流体相混, 故严禁用于两种流体不相容的场合。
2.方案设计和拟定
根据任务书给定的冷热流体的温度, 来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器; 再依据冷热流体的性质, 判断其是否易结垢, 来选择管程走什么, 壳程走什么。在这里, 冷水走管程, 热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据, 如密度, 比热容, 导热系数, 黏度。计算出总传热系数, 再计算出传热面积。根据管径管内流速, 确定传热管数, 标准传热管长为6m, 算出传热管程, 传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤, 计算出壳体内径, 选择折流板, 确定板间距, 折流板数等, 再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量, 管程对流系数, 传热系数, 传热面积进行核算, 再算出面积裕度。最后, 对传热流体的流动阻力进行计算, 如果在设计范围内就能完成任务。
根据固定管板式的特点: 结构简单, 造价低廉, 壳程清洗和检修困难, 壳程必须是洁净不易结垢的物料。U形管式特点: 结构简单, 质量轻, 适用于高温和高压的场合。管程清洗困难, 管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点: 结构复杂、 造价高, 便于清洗和检修, 完全消除温差应力, 应用普遍。我们设计的换热器的流体是冷热水, 不易结垢, 再根据造价低, 经济的原则我们选用固定管板式换热器。
流体流速的选择: 增加流体在换热器中的流速, 将加大对流传热系数, 减少污垢在管子表面上沉积的可能性, 即降低了污垢热阻, 使总传热系数增大, 从而可减小换热器的传热面积。可是流速增加, 又使流体阻力增大, 动力消耗就增多。因此适宜的流速要经过经济衡算才能定出。另外, 在选择流速时, 还需考虑结构上的要求。例如, 选择高的流速, 使管子的数目减少, 对一定的传热面积, 不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗, 且一般管长都有一定的标准; 单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中, 根据表换热器常见流速的范围, 取管内流速。
流体流动通道的选择:不清洁或易结垢的流体, 宜走容易清洗的一侧。对于直管管束, 宜走管程, 便于清洗; 对于U型管管束, 宜走壳程。腐蚀性流体宜走管程, 以免壳体和管束同时被腐蚀。压力高的流体走管程, 以免制造较厚的壳体。
为增大对流传热系数, 需要提高流速的流体的宜走管程, 因管程流通截面积一比壳程的小, 且做成多管程也教容易。两流体温差较大时, 对于固定管板式换热器, 宜将对流传热系数大的流体走壳程, 以减小管壁与壳体的温差, 减小热应力。蒸汽冷凝宜走壳程, 以利于散热、 排出冷凝液, 增强传热效果。需要冷却的流体宜走壳程,以减小冷却剂用量。但温度很高的流体, 其热能能够利用, 宜走管程, 以减小热损失。粘度大或流量小的流体宜走壳程, 因由折流挡板的作用 , 在低Re数下( Re>100) 即可达到湍流。
在选择流动管道时, 上述原则往往不能同时兼顾, 应视具体问题抓住主要方面, 一般首先考虑流体的压力降、 防腐蚀清洗等要求, 然后在校核对流传热系数和流动阻力, 以便做出恰当的选择。
3．换热器类型的选择
两流体温度变化情况: 热流体进口温度51.7℃, 出口温度51.7℃; 冷流体( 循环水) 进口温度32℃, 出口温度35.67℃。该换热器用循环冷却水冷却, 热流体为热水, 为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低, 估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小, 因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
3.1 流动空间及流速的测定
由于循环冷却水较易结垢, 为便于水垢清洗, 应使循环水走管程, 热水走壳程。选用25×2.5mm的碳钢管, 查表可得——管内流速取u i=1.5m/s。
3.2确定物性数据
由设计条件: 入口温度=32℃, 出口温度=35.67℃
井水的定性温度为: =(32+35.67)/2=33.84℃
两流体的温差T-=51.7-33.84=17.86℃

已知混合气体及循环冷却水在定性温度下的物性数据: (由化学工程基础书附录得)

流体
定性温度℃
密度kg/m3
粘度mPa·s
比热容kJ/(kg·℃)
导热率W/m·℃
混合气体
51.7
596
0.18
2.34
0.13
冷却水
35.67
994.356
0.7395
4.174
0.623

3.3 计算总传热系数
3.3.1 热流量
冷却水用量

3.3.2平均传热温差
( 按逆流计算)
3.3.3平均传热温差校正
平均传热温差校正系数

按单壳程2管程结构,温差校正系数——对数平均温度校正系数。
但的点在图上难以读出, 因而相应以1/R代替R, PR代替P, 查同一图线,可得:
平均传热温差:
3.4估算传热面积
假设

考虑15%的面积裕度,
3.5换热器结构尺寸的
3.5.1 管径和管内流速
选用mm传热管(碳钢), 取管内流速
3.5.2 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:

按单程管计算,所需的传热管长度为:

按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。现取传热管长,
则该换热器管程程数为:

圆整
传热管总根数
3.5.3 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排列,隔板两恻采用正方形排列.
取管心距,则
隔板中心到其最近一排中心距离:

各程相邻的管心距为
横过管束中心线的管数

3.5.4 壳体内径
横过管数中心线管的根数 ( 根)

采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为:

圆整可取
立式固定管板式换热器的规格如下:
公称直径D…………………………440mm
公称换热面积S……………………40.293m2
管程数…………………………2
管数n………………………………84
管长L………………………………6m
管子直径……………………………
管子排列方式………………………正三角形

3.5.5 折流板
采用弓形折流板,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:
,
故可取。
取折流板间距,
则
可取B为150mm。
折流板数

故拉杆数至少大于4根, 故取拉杆数为6
折流板圆缺面水平装配。
3.5.6 接管
3.5.6.1壳程进口接管:
取壳层进口接管内正戊烷蒸汽流速为u=15m/s,正戊烷气体密度

取标准管径为140mm。
3.5.6.2壳程出口接管:
取壳层出口接管内正戊烷液体流速为u=0.5m/s,正戊烷液体密度为

取标准管径为94mm.
3.5.6.3管程接管
取管程内水的流速为u=1m/s, 水密度为

取标准管径为158mm

3.6换热器核算
3.6.1 热量核算
3.6.1.1 壳程对流传热系数
壳程表面传热系数

当量直径,由正三角形排列得

3.6.1.2 管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

3.6.1.3污垢系数
确定污垢热阻
℃( 有机液体)
℃( 井水)
3.6.1.4 传热系数 K

3.6.1.5该换热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度为:

3.6.2管壁温度

,

3.6.3 换热器内流体的流动阻力
3.6.3.1计算压强降
壳程压降: 正戊烷在等温等压下冷凝压降忽略
管程压降:

, ,
,

由, 传热管相对粗糙度, 查莫狄图——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系
得: , 流速, ,
因此:

管程流动阻力在允许范围之内。

4.换热器主要尺寸和计算结果
名称
管程( 冷却水)
壳程( 混合气体)
流量/(kg/h)
70000
23670
进/出口温度/℃
32/35.67
51.7
压力/MPa
1.5
0.6
设备结构参数
形式
固定式
管程数
2
壳体内径/mm
440
壳程数
1
管径/mm
Ф25×2.5mm
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
正三角形
管数目/根
84
折流板数/块
39
中心管数目/根
11
折流板间/mm
150
传热面积/m2
38.92
材质
碳钢
主要计算结果
管程( 井水)
壳程( 正戊烷)
传热膜系数/[W/(m2·℃)]
6503
969
总传热系数/(W/( m2·℃) )
526
面积裕度/%
6.25

5.设计总结
经过此次课程设计, 虽然各种心酸, 不过我们还是学到了许多知识, 了解了很多关于换热器的知识, 如换热器的选型, 换热器结构和尺寸的确定, 以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。也让我知道了设计要有耐心, 要认真仔细, 有时为了一个数据查找了好几本书, 还是找不到结果的时候, 是挺纳闷的, 很容易让人想放弃。可是几个同学在一起讨论交流, 解决了不少问题, 因此化工看起来很难, 但真真投入其中会发现世上无难事, 真的是松了一口气啊, 在要考试的时候还天天搞课程设计实在是很考验我们的耐心, 特别是在大冬天的时候。
在此, 还是要感谢老师对我们的辛勤指导, 还有同学的帮助, 也感谢学校给了我们很好的学习的机会, 以后会有很多类似于这样的课程设计, 我相信我们会更加得心应手。

6.参考文献
[1].李德华 化学工程基础 ( 第二版) 北京 化学工业出版社
[2].王国胜 化工原理课程设计 ( 第二版) 大连理工大学出版社
[3]. 刘荣杰.化工设计. 北京: 中国石化出版社
[4]《化学工程手册》编辑委员会. 化学工程手册. 北京: 化学工业出版社 1989

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