列管式换热器

列管式换热器的设计轻工食品学院化工原理课程设计列管式换热器班级生物工程081班姓名陈艺琦学号200810734116指导教师邓开野李南薇提交日期2010年12月31日列管式换热器的设计1目录1、引言…………………………………………………………………………32、换热器设计任务书………………………………………………………42.1设计题目………………………………………………………………42.2工艺条件………………………………………………………………42.3设计任务………………………………………………………………42.4设计工作量……………………………………………………………43、列管换热器的流程图……………………………………………………54、设计说明……………………………………………………………………64.1换热器类型的选择………………………………………………………64.2流程安排…………………………………………………………………64.3加热剂或冷却剂的选择…………………………………………………64.4流体进出口温度的确定…………………………………………………75、设计方案的确定……………………………………………………………85.1选择换热器的类型………………………………………………………85.2流体流入空间的选择……………………………………………………85.3流向的选择………………………………………………………………85.4确定物性数据……………………………………………………………95.5定性温度计算……………………………………………………………96、初算冷却水的流量………………………………………………………106.1计算传热量……………………………………………………………106.2计算冷却水的量………………………………………………………106.3出算传热面积…………………………………………………………107、列管式换热器结构设计…………………………………………………12列管式换热器的设计28、传热面积校核………………………………………………………………159、核算压力降…………………………………………………………………1910、计算结果一览表…………………………………………………………2111、重要符号说明……………………………………………………………2212、参考文献…………………………………………………………………2313、设计总结…………………………………………………………………24列管式换热器的设计3一引言换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一项化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。由于工业生产中所用的换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。而这个设计中主要是介绍列管试换热器。列管试换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器，蒸发器和再沸腾器及冷凝器使用。在这些不同的传热过程中，有些为无相变化传热，有些是有相变化传热，他它们具有不同的传热机理，遵循不同的流体力学和传热规律，因此在设计方法上存在一些差别。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。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在满足生产的工艺条件、保证生产正常进行的前提下，还应该考虑过程的经济性。这牵涉到合理的选择设备及利用热能的问题。传热性能良好且结构紧凑的热交换设备，有利于节省设备费用的投资和热能的有效利用；如果热交换设备的传热性能不良或窜热面积过小，则难于有效利用低品位的热能，造成操作费用的增加。通过这次的课程设计学习，就是要要分析影响传热速率的因素，掌握控制传递速率的一般规律。为本次的列管试换热器的工艺设计打下基础。列管式换热器的设计4二换热器设计任务书2.1设计题目列管式换热器设计2.2工艺条件（1）空气气体从120℃冷却到60℃（2）冷却介质采用20℃的循环水（3）混合气体流量：13000Kg/h2.3设计任务（1）换热器的热负荷、载热体用量、初算平均温度差、传热面积、传热系数、污垢系数、管程压力降、壳程压力降，主要工艺及结构基本参数的计算。（2）列管式换热器主要构件的尺寸与接管尺寸的确定。2.4设计工作量（1）设计说明书一份。设计结果一览表包括：传热面积、传热系数、污垢系数、压力降及附属设备选型情况等。（2）换热器结构及管子组合排列图各一张。列管式换热器的设计5三列管换热器的流程图选择工艺条件确定设计方案确定物性数据计算热负荷及载热体用量初算平均温差选总传热系数K值初算传热面积结构设计确定管子规格、管数、程数、壳径、实际传热面积A、挡板间距、挡板数等校核传热面积校正平均温度差；计算管程壳程给热系数；选污垢热阻；计算K值；计算所需传热面积Ap.比较A/Ap=1.1~1.25计算壁温考虑热补偿装置校核管程压力降，壳程压力降否是需改变换热器的型式不符合要求不需改变换热型式符合要求设计结束列管式换热器的设计6四设计说明4.1换热器类型的选择由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。不同类型的换热器各有自己的优缺点和适用条件。因此，选择的换热器要保证达到工艺要求的热流量，操作上要安全可靠，结构上要简单，可维护性要好，尽可能节省操作费用和设备投资。4.2流程安排在列管式换热器设计中，冷、热流和流程，需进行合理安排，一般应考虑以下原则。○1易结垢流体应走易于清洗的一侧。对于固定管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于U型管换热器，易结垢流体应走壳程。○2有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积一般较小，且易于采用多管程结构以提高流速。○3具有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用量，降低换热器成本。○4压力高的流体应管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够避免采用耐压的壳体和密封措施。○5具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液。○6粘度大的流体应壳程，因为壳程内的流体在折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较你的雷诺数下就可达湍流状态。应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的主要问题，首行满足其中较为重要的要求。4.3加热剂或冷却剂的选择一般情况下，用作加热剂或冷却的流体是由实际情况决定的。但有些时候则需要设计者自行选择。在选用加热剂和冷却剂时，除首先应满足所能达到的加热列管式换热器的设计7器或冷却温度外，还应考虑其来源方便，价格低廉，使用安全。在化工生产中，水是常用的冷却剂，饱和水蒸气是常用的加热剂。4.4流体进出口温度的确定工艺流体的进出口温度是工艺条件所规定的。加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的，但其出口温度有时可由设计者选定。该温度直接影响加热剂或冷却剂的用量以及换热器的大小，因而这个温度的确定有一个经济上的优化问题。例如以水为冷却剂时，由于工艺流体的进出口温度及流量都是确定的，所以若冷却水出口温度选择得较高，其用理就可以减少，从而降低了操作费用，但此时由于平均传热温差下降，使得设备较大，增加了设备投资。适宜的出口温度应使操作费和设备费之和最小。另外，还应考虑到温度对污垢的影响，比如未经处理的河水作冷却剂时，其出口温度一般不得超过50℃，否则积垢明显增多，会大大增加传热阻力。列管式换热器的设计8五设计方案的确定5.1选择换热器的类型本设计冷却器选用带有折流挡板的浮头式管换热器，浮头式换热器可以从壳体中抽出，便于清洗、检修。适用壳体壁温和管壁温差较大的场合。这种换热器的特点是一端管板与壳体用螺栓固定，而另一端管板不与壳体相连，与另一个可以自由伸缩的壳体（封头）相连，当换热器管束受热或受冷时可以自由伸缩，不受壳体的约束，固管、壳间不产生温差应力。且且这种换热器适用于高温、高压的大型装置中。采用折流挡管束板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。本设计中的浮头式换热器采用的材料为不锈钢。见参考文献275页5.2流体流入空间的选择本冷却器的管程走入口温度为20°C的冷却介质水，壳程走混合气体。冷溶液和加热水逆向流动换热。根据的原则有：1.压强高的流体宜走管程，因为管子直径小，耐压能力高，并避免采用耐压的壳体和密封措施。2.对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。3.冷原料走管内，可以提高其流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且以增大流速。4.被冷却的流体宜走壳程，便于散热。*参考详见参考文献1、25.3流向的选择因工艺上无特殊要求，所以选用逆流操作。列管式换热器的设计95.4确定物性数据空气：进口温度120℃出口温度60℃冷却水：进口温度20℃设出口温度60℃5.5定性温度计算定性温度：对于空气和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。空气的定性温度：90260120221TT℃水的定性温度：4022060221ttt℃空气在定性温度下的有关物性数据如下：物性密度ρo（kg/m3）定压比热容poC[KJ/(kg·K)]粘度o（Pa·s）导热系数λo（W·m-1·K1）普朗特数oPr空气0.9721.0096105.2121013.30.690水在定性温度下的有关物性数据如下：物性密度ρi（kg/m3）定压比热容piC[KJ/(kg·K)]粘度i（Pa·s）导热系数λi（W·m-1·K-1）普朗特数iPr水992.24.174310310653.00.6354.31*参考详见参考文献4列管式换热器的设计10六初算冷却水的流量6.1计算传热量WTTCqopovm235433)60120(10009.1360014000TTCqQ3`2`1..1`2`1op,o）（，6.2计算冷却水的量skgttCQmip41.1)2060(10174.4235433)(312.6.3.初算传热面积6.3.1按逆流计算/1T1t/2T2t120℃→60℃20℃→60℃1t＝21tT60℃2t＝12tT40℃)(3.494060ln4060ln2121Ktttttm逆5.1206060120ttTTR12214.0201202060tTttP1112列管式换热器的设计11图6.3.1温差校正系数图由于22tT，所以应采用双壳管、双管程的列管式换热器据R、P的数值可从温差校正系数算图，查得温差校正系数=0.968℃逆7.473.49968.0mmtt6.3.2传热面积的计算据传热系数K的大致范围，取K=180)/(2KmW则估算传热面积：估A=)(42.277.471802354332mtKQm列管式换热器的设计12七列管换热器结构设计7.1换热管规格选用19mm2mm的不锈钢管，管长ml3。*参考详见参考文献27.2管子数目和管程数传热管总管数：根）π估(1533101914.342.27d3lAn单程流速：smndqnquimv09.0153019.0414.32.99289.34d4222π单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多程管。按管程流速的推荐范围，选管程流速为sm4.0u'，所以管程数为44.409.04.0u'um,管程数取5管程。7.3确定管子在管板上的排列方式列管式换热器的设计13图7.3.1该换热器为30程，固采用正三角形排列，管子与管板采用焊接结构。管心距的实际最小值不能小于（d+6）mm，取t=19+6=25mm。图7.3.27.4壳体的内径确定采用多管程结构，壳