化工原理课程设计列管式换热器

设计者：班级 生物0902

姓名 郑勇 廖祥兵 学号 20203503 20203509

指导教师：陆爱霞

设计成绩：进度 说明书 图纸 总分

日 期： 2020-11-19

西南科技大学 生命科学与工程学院

名目

1．综述……………………………………………………………………3

1.1换热器较 … ……………………………………………

2．课程设计任务书……………………………………………………4

3．设计运算………………………………………………………………5

3. 1 确定设计案 ………………………………………………… 3. 2 流淌空间以及流速的确定 …………………………………5

3．3 确定流体流淌及进出口温度 ……………………………5

3．4 运算两流体的平均温度差 ………………………… 8

3．5 运算热负荷和冷却水流量………………………

4．换热器要紧附件的确定及工艺结构尺寸 ………… 8

4.1 污垢热阻…………………………………………………9 4.2管程数和传热管数 …………………………………………9 4.3平均温度校正和壳程数…………………………………10 4.4换热管排列和分程法 ……………………………………10 4.5 折流板和接管 …………………………………………11

5．核算总传热系数 ………………………………… 11

5.1 壳程对流传热系数 ……………………………………… 11 5.2 管程对流传热系数 …………………………………12 5.3 总传热系数…………………………………………………13 5.4 设计裕度 ………………………………………………13

6．核算压强降………………………………………………13

6.1 管程压强降 …………………………………………13 6.2 壳程压强降 ………………………………………… 14

7．换热器要紧结构尺寸和运算结果…………………………15 8． 换热器的安装与修理 ………………………………………16 6．参考文献 ……………………………………………………………16

1.综述

换热器的分类与比较，依照冷、热流体热量交换的原理和方式，换热器差不多上可分

为三大类即间壁式混合式和蓄热式，其中间壁式换热器应用最多，因此要紧讨论此类换热器。

1.1换热器的分类与比较 〔一〕管式换热器

管式换热器要紧有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管式换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流淌,其行程称为管程；一种在管外流淌,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成假设干组。如此,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。

管式换热器依照生产需要的不同还可分为蛇管换热器、套管式换热器、列管式换热器。 (1).蛇管换热器

这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器想适应的形状并沉醉在容器内的液体中。蛇管换热器的优点是结构简单，能承担高压，可用耐腐蚀性材料制造；其缺点是容器内液体湍流程度低，管外对流传热系数小。 (2).套管式换热器

套管式换热器 是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管，别处的叫壳程 内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流淌(或同向)以达到换热的成效。 (3).列管式换热器

列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它要紧由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采纳一般碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流淌，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程 。列管式换热器种类专门多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，要紧有以下几种：

<1> 固定管板式换热器：这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价廉价，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接差不多上刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了专门大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

<2> 浮头式换热器： 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时能够自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为〝浮头〞，因此这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束能够拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，可不能因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。

<3> U型管式换热器：U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束能够抽出清洗，管子

能够自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 〔二〕板式换热器

板式换热器是由一系列具有一定波浪形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流淌阻力和泵功率消耗情形下，其传热系数要高出专门多，在适用的范畴内有取代管壳式换热器的趋势。

2．课程设计任务书

2.1设计题目：煤油换热器的设计 2.2设计条件：

1、 处理能力 1.188×10吨/年煤油 2、 设备型式 列管式换热器 3、 操作条件

a． 煤油：入口温度120℃，出口温度40℃

b． 冷却介质：自来水，入口温度10~30℃，出口温度50~60℃

5

c． 承诺压强降：不大于1.5×10Pa

d． 每年按330天计，每天24小时连续运行。

5

3设计运算

3.1确定设计方案

依照设计条件，由于被冷却流体煤油不够清洁，因此不能选用U形管式换热器；另外，由于被冷却流体煤油与热流体自来水的温差相对来说比较高，因此排除了选固定管板式换热器的可能性。然而浮头式换热器，它的两端管板的有一端能够沿轴向自由浮动，这种结构不但完全清晰了热应力，而却整个管束能够从壳体中抽出，便于清洗和检修。因此，此次设计应选择浮头式的列管式换热器。依照设备的使用合理性原那么，

3.2流淌空间以及流速的确定

从增加两物流的传热膜系数看，应使煤油走管程，冷却水走壳程。但由于冷却水较易结垢，假设其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；又被冷却的流体宜走壳程，便于散热。因此从总体考虑，应使冷却水走管程，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取0.8m/s。

3.2 运算总传热系数

3.2.1 确定流体流淌及进出口温度 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程煤油的定性温度为 T=

12040=80〔℃〕 2 管程流体的定性温度为 取进口温度25℃，出口温度55℃ t=

24562=40(℃)

依照定性温度分别查取流体的有关物理性质数据 查«工程常用物质的热物理性质手册»

可得煤油在80℃的有关物性数据如下：

2密度 0781kg/m

定压比热容 cp02.24kJ/(kg℃) 导热系数 o=0.144W/(m·℃) 粘度 0 =0.664Ｘ10冷却水在40℃的有关物性数据如下：

密度 1992.2g/m 定压比热容 cp14.17kJ/(kg℃) 导热系数 10.6338w(m℃) 粘度

33Pa·s

10.656103Pas

3.2.2运算两流体的平均温度差

tmt1t21nt1/t2=

(12056)(4024)=34.625℃

12056ln4024 3.2.3

运算热负荷和冷却水流量

热流量

qm11.188105103/3302415000kg/h

Qqm1cp1(T1T2)/360015000228080/3600760000w

冷却水用量

qm2cp2q76000020483.948kg/h

(t2t1)4174(5327)

3.2.4总传热系数

假设总传热系数 K = 400 w/(㎡℃)

、

3.3 换热器要紧附件的确定及工艺结构尺寸

3.3.1 污垢热

RS1=0.00034394 m2·℃/W

RS0=0.00017197 m2·℃/W

3.3.2管程数和传热管数 3.3.2.1运算传热面积

S1Q76000054.874㎡

Ktm40034.625考虑15%的面积裕度 S1.15S11.1554.87463.105㎡ 3.3.2.2管径和管内流速

选用25×2.5㎜的传热管〔碳钢〕，取管内流速为u1=0.8 m/S 3.3.2.3管程数和传热管数 nsVπ2du14=

20483.948/3600/992.222.829根23根 20.7850.020.8按单程管运算，所需的传热管长度为

LS63.10534.951m

πd0ns3.140.02523按单管程设计，传热管过长，宜采纳多管程结构。现在取L=9米管，4管程该换热器管程数为

Np = 23 ×4 =92根 3.3.2

平均温度校正和壳程数

平均传热温差校正系数

R120402.5

5624 P56240.3332

12024按双壳程，四管程，温差校正系数应查有关图表，可得。

t0.89

' tmttm34.6250.8930.816℃

3.3.3

热流量的校正

' Q = K A tm = 40063.10530.816 = 777900 w

3.3.4换热管排列和分程法

采纳组合排列法,即每程内均按正三角排列,隔板两恻采纳正方形排列.取管心距

t1.25do,那么

t1.252531.2532mm

横过管束中心线的管数

nc1.19N1.199211.414（根）12（根） 采纳多管程结构,取管板利用率0.7,那么壳体内径为 D1.05tN取400mm

3.3.5 折流板和接管

3.3.5.1 折流板 〔按单壳程运算〕

采纳弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,那么切去的圆缺高度为 h0.25400100mm 故可取100mm

取折流板间距B0.4D， 那么B0.4400160mm 可取B为180mm。 折流板数

1.0532920.7385.198mm

NB传热管长90001149（块）

折流板间距180 折流板圆缺面水平装配。

3.3.5.2 接管

壳程流体进出口接管:取接管内煤油流速为u1.0m/s，那么接管内径为 d4150003600781.04V 0.082（m）u3.141.0 取标准管径为80mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u1.0m/s，那么接管内径为 d4V415000/(3600992.2) 0.0855（m）u3.141.0 取标准管径为80mm。 3.4 核算总传热系数 3.4.1 壳程对流传热系数

对圆缺形折流板,可采纳克恩公式

.5513oRe0Pr o0.36odewo0.14

当量直径,由正方形排列得

32242t4do ded0 壳程流通截面积

223420.0320.7850.0250.020(m)

3.140.025

So1d0.025BD1o0.50.180.410.00788(m) 2t0.0321500036007810.677(m/s)

0.00788 壳程流体流速及其雷诺数分别为 u0 Re0deu000.020.67778115925.813

0.000664 普兰特准数

Prcp02.281030.666410310.737

0.1410.14 粘度校正w 00.361

0.144159925.8130.5510.737131146.239W/m2℃ 0.0273.4.2 管程对流传热系数 10.023diRe0.8Pr0.4

管程流通截面积

S10.7850.022230.00722(m2)

管程流体流速及其雷诺数分别为

20483.948/(3600992.2)0.794(m/s)0.00722

0.020.794992.2 Re24018.5

0.000656u1 普兰特准数

4.1741030.6561034.32 Pr0.6338 10.0230.6338240180.84..320.44181.001w/m2/℃ 0.023.4.3 总传热系数 K1

dodobdo1Rs1Rso1d1d1d1o

1

0.0250.0250.00250.02510.0003440.00017241801.0010.0200.020450.02251146.239 544.955W/m℃ 3.4.4

设计裕度 传热面积

2 SQ77790046.322m2 Ktm544.95530.816 该换热器的实际传热面积Sp

SpdoLNnc3.140.025(90.06)9212 56.143(m2)

该换热器的面积裕度为 HSpSS100％56.14346.322100％21.202％

46.322 传热面积裕度适宜,该换热器能够完成生产任务

3.5核算压强降

3.5.1 管程压强降

PiP1P2FtNsNp

Ns2 ,Np4 ,Ft1.4

lu2u2 P ,P21id22

由Re24018，传热管相对粗糙度0.005，查图——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得i0.034W/m℃，流速u10.794m/s，992.2kg/m， 因此

390.7942992.24785.217Pa P10.0340.022 P2u122992.20.79423938.277Pa

2

PiP1P2FtNsNp 4785.217938.27721.4464103.133Pa1.5105Pa

管程流淌阻力在承诺范畴之内。

3.5.2 壳程压强降

PoP1'P2'FtNs

Ns2 ,Ft1.15 流体流经管束的阻力

P1'FfoncNB1u22

F0.4

0.2280.5995 fo515925.813 nc12 u00.677

7810.6772P0.40.5951249125525.314Pa

2'1 流体流过折流板缺口的阻力

2Bu' P2NB3.5 D2 B0.18m.D0.4m

220.187810.677 P493.522801.173Pa 0.42'22 总阻力

55 Po(25525.31422801.173)1.1521.11210Pa1.510Pa

壳程流淌阻力也合适

3.3.3换热器要紧结构尺寸和运算结果 〔见下表〕

换热器要紧结构尺寸和运算结果

换热器型式：浮头式换热器 换热面积〔m²〕:56.143 工艺参数 名称 物料名称 操作压力，MPa 操作温度，℃ 流量，kg/h 流体密度，kg/m³ 流速，m/s 传热量，kW 总传热系数，W/m²·K 对流传热系数，W/m²·K 污垢系数，m²·K/W 阻力降，MPa 程数 举荐使用材料 管子规格 管间距，mm 折流板型式 壳体内径，mm Φ25×2.5 32 上下 400 管程 自来水 0.4 24/56 20483.948 992.2 0.794 760 544.955 4181.001 0.00034394 0.0641 4 碳钢 管数 排列方式 间距，mm 180 92 1146.239 0.00017197 0.111 2 碳钢 管长，mm 正三角形 切口高度 25% 9000 壳程 煤油 0.3 120/40 15000 781 0.677 管口表 符号 a b c d e f 尺寸 DN80 DN80 DN80 DN80 DN20 DN20 用途 循环水入口 循环水出口 煤油入口 煤油出口 排气口 放净口 连接型式 平面 平面 凹凸面 凹凸面 凹凸面 凹凸面

四 换热器的安装与爱护 安装

1.安装位置：依照该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装，修理的需要。

2.基础：必须使换热器不发生下沉，在活动支座的一端应予埋滑板。 3.地脚螺栓和垫铁

1〕活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1-3mm的间隙。 2〕地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。

3〕垫铁的安装不应阻碍换热器的热膨胀。

6 参考文献

化工原理课程设计 贾绍义 柴诚敬 天津大学出版社 化工原理〔第二版〕 杨祖荣 化学工业出版社