换热器的总体设计

1第一章换热器总体设计间壁式换热器在各个工业部门中应用最为广泛。按照传热间壁的结构形状可分为管式和板式两大类，管式中又有管壳式（列管式）、套管式、蛇管式以及翅片式等多种形式；板式中又有波纹板式、螺旋板式、板翅式、板壳式等多种形式。1.1换热器的设计步骤（1）收集原始数据。原始数据是设计计算的基本依据，应根据设计任务，收集尽可能多的有关数据，并力求准确。（1）确定物性参量。安排管、壳程流体，确定定性温度，计算或查得换热介质物性参量：密度、粘度、比热等。（3）初步决定换热器流型，计算平均温差。（4）计算热负荷（热传量）。利用热平衡计算换热器的热负荷，为估算热量损失，需要确定热损失系数或热效率。（5）初选传热系数0K，根据换热介质，流速及流态确定0K，初算传热面积0A，利用0A选择标准型号换热器或自行设计换热器结构，确定管、壳程的主要结构尺寸。（6）管程传热及压降计算。选定允许压降ΔP，假定管壁温度'wt，根据初选结构计算管侧对流换热系数和压降。当换热系数远大于0K，且压降小于允许压降值时，方能进行壳程计算，否则，重选0K或进行结构调整。（7）壳程压降及传热计算。根据初选结构和假设的壁温'wt计算壳程流通截面、流速和换热系数，若不符合要求，可变动壳程结构，调整折流板尺寸、间距乃至壳体直径直至满意。（8）核算总传热系数。根据管、壳两侧流速和温度决定污垢热阻，最后计算传热系数jK，当计算值与初选值满足：1.20~1.10/KK0j即符合要求。也可计算传热量jQ或传热面积jA，并与0Q、0A比2较，有（10～10）%的过余即符合要求。（9）计算壳程压降。管、壳程压降均应小于允许压降，否则调整结构重算直至满意。1.1设计任务书表1-1为设计一管壳式换热器的原始数据Table1-1forthedesignofashellheatexchangeroftheoriginaldata介质入口温度℃出口温度℃工作压力MPa流量(t/h)流动方式氨气145401.479.5逆水10300.1150流1.3确定设计类型、结构形式及流程（1）本设计选用固定管板式换热器。（1）流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考。①不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。②腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。③压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。④饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。⑤被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。⑥需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。⑦粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。本设计由于两流体温差大，而冷却水的换热系数大，结垢性较氨气强、工作压力高，用泵输送允许的压降较大，故使冷却水走管程较合适。3氨气的流量较小、粘度较小、壳体强度不会产生问题，允许压降小，因而使其走壳程合适。1.4工艺计算工艺计算包括初选结构、传热计算和压降计算，工艺计算所得的传热面积是下一步结构设计的前提。1.4.1原始数据（1）冷却水进口温度：C20t'2；（1）冷却水出口温度：C30t''2；（3）冷却水工作压力：0.2MPaP2；（4）冷却水流量：1G150000kg/h；（5）氨气进口温度：C145t'1；（6）氨气出口温度：C40t''1；（7）氨气流量：1G9500kg/h；（8）氨气工作压力：1.47MPaP1；1.4.1定性温度和物性参数计算[1]（1）水的定性温度2t，2tC25230202tt''2'2；（1）水的密度2，查物性表32997kg/m；（3）水的比热2C查物性表2C4.18kJ/kgC；（4）水的导热系数2，查物性表20.609W/mC；（5）水的粘度2μ，查物性表62μ893.710PaS；（6）水的柏朗特数1Pr，计算或直接查得16P1111000Cμ10004.18893.710Pr()6.13k0.609（1-1）4（7）氨气的密度1，查物性表31595kg/m；（8）氨气的比热1C，查物性表1C2.863kJ/kgC；（9）氨气的导热系数1，查物性表10.33W/mC；（10）氨气的粘度1μ，查物性表51μ1.2110PaS；（11）氨气的柏朗特数1r，15P1111000Cμ10002.8631.2110Pr()0.1k0.33（1-1）1.4.3传热量及水流量（1）换热器效率，取0.98η；（1）设计传热量0Q，1'''01p22QGC(tt)η1000/36001500004.18(3020)0.981000/36001706833.3W（1-3）1.4.4有效平均温差（1）逆流平均温差mΔtmΔt(ΔtΔt)/ln(Δt/Δt)14540[(14540)(3020)]ln()302040.4C大小大小（1-4）（1）参数R''''''1122R(tt)/(tt)(14540)/30-2010.5（1-5）参数P，0.0820)20)/(145(30)t)/(tt(tP'2'1'2''2（1-6）参数，查取0.89有效平均温差m'Δt，C35.9640.40.89ΔtΔtNm'51.4.5初选结构（1）试选传热系数0K，20K1000W/mC；（1）初选传热面积0，2000m1706833.3Q/KΔt47.46m100035.96；（1-7）（3）管子外径0d，选2.5φ25无缝钢管，0.025md0；（4）管子内径id，i0dd22.5/10000.02m；（5）管子长度l，取换热管标准长度3.0ml；（6）总管子数，232Ni根；（7）管程排列方式，传热管采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，取单壳程，1管程结构；（8）管束中心处一排管数cciNN1.1N1.123216.8，（1-8）取17Nc；（9）壳体内径sD，取用0.60mDs；（10）折流板数BBnn(l/B)1(3/0.15)119，块；（1-9）1.4.6传热系数（1）水侧污垢热阻22r0.0001mC/W；（1）煤油侧污垢热阻21r0.00008598mC/W；（3）管壁热阻r，忽略不计；（4）总传热热阻Σr，00Σ121i2i2dd11rrrhdhd10.02510.0250.000085980.00012119260.0222860.020.0008849mC/W（1-10）（5）传热系数jK，2jΣK1/r1/0.00088491130W/mC；（1-11）（6）传热系数比值j0j0K/KK/K1130/10001.13，，合适；（1-11）61.4.7管程压降（1）管程流通面积iA，222ipπnπ232Ad0.020.036m4N42（1-13）（1）管程流速iu，sisV150000u1.16m/sA36009970.036（1-14）（3）管程雷诺数eiR，iiei6duρ0.021.16997R2588.1μ893.710（1-15）（4）管壁粗糙度0.01mε，0.05200.1dεi，查图得0.028λ；（5）管子压降iΔP，i12tpΔP(ΔPΔP)FN（1-16）2817.3Pa21.169970.0230.0282ρudlλΔP221（1-17）222ρu9971.16ΔP670.8Pa22（1-18）tpF0.4N2，ΔP(2871.3670.3)1.429766.68Pa1.4.8壳程压降（1）管子为正三角形排列，0.5F16.82321.1n1.1nc（1-19）（1）取折流板间距0.15mh1910.1531hLNB（1-10）（3）壳程流通面积0A20c0Ah(Dnd)0.15(0.6170.025)0.026m（1-11）（4）壳程流速ssV150000uu1.16m/sA36009970.036，7（5）壳程雷诺数eR，iie6duρ0.021.16997R2588.1μ893.7100.18208987655Rf0.2280.228e0所以，2'15950.170.50.181720263.22PPa（1-11）22'0Bρu2h20.155950.17ΔpN(3.5)19(3.5)490.2PaD20.62（1-13）（6）壳程总压降：''012ssΔP(ΔΔP)FN（1-14）其中，ssF1.15N1，Δp490.2263.2753.4MPa（7）压降校核：]p[p22符合要求；]p[p22符合要求；8第三章结构设计与强度计算结构设计的任务是根据热力计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核。最后绘成图纸，现综述如下：3.1换热器流程设计管箱是管程流体进口均匀分流和出口汇流的空间，本设计采用壳方单程，管方二程的1-1型换热器，它还起着改变流体流向的作用。由于换热器尺寸不太大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用。分程隔板选用：（1）本设计分程隔板的厚度为8mm，材料为Q135-B(GB/T700-1988)；（1）承受脉动流体或隔板两侧压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，或改变隔板的结构；（3）大直径换热器隔板可设计成双层结构；（4）必要时，分程隔板上可开设排净孔，排净孔的直径一般为6mm；（5）厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边至10mm；3.1换热管设计本设计采用光管，光管是管壳式换热器换热管的传统形式，它廉价，易于制造，安装，检修，清洗方便。管径采用标准管径2.5φ25，钢管标准为GB/T8163-1987，外径偏差为0.40mm，厚度上偏差为+15%，下偏差为-10%。采用标准管径在结构上和经济上均有好处，而且2.5φ25属于小管径，管径小，单位体积传热面积大，结构紧凑性高，金属耗量少，传热系数也高。而且循环水不属于粘度大或污浊流体，不会造成太多的沉淀。根据计算管长采用3m，壳径为0.6m，管长与壳径之比为，换热管材料采用10钢，标准为GB/T699-1988。换热管排列形式如图3-1所示。9图3-1正三角形排列Figure3-1Withtriangular这样使得布管比较紧凑，传热系数较高，便于管板划线及钻孔。换热管中心距采用常用的方式，当管径为15mm时，换热管中心距31mm。换热管总数为131根，其传热面积为：51.8m3.3进、出口管设计（1）管程进、出口管按222Nρω3000，取222Nρω1750，得进、出口流通截面积为：2222N2NG32400a0.00514m3600ρω36001750（3-1）进、出口管道内径：22NN44Da0.005140.081mππ（3-1）取用6mmφ89的输送流体用无缝钢管：10钢（GB/T8163-1987），L=50mm。（1）壳程进、出口管按121Nρω2000取壳程进出口管处质量流速11Nρω1000则流通截面积应为：1121N1NG12000a0.00333m3600ρω36001000（3-3）进出口管内径为：11NN44