化工原理课程设计之列管式换热器设计步骤

李国朝指导教师九江学院2020年2月16日星期日1列管式换热器设计化工原理课程设计李国朝指导教师九江学院2020年2月16日星期日2设计题目拟用200KPa的饱和水蒸气将常压下20℃的苯加热到80℃苯的质量流量为40t/h试设计一列管式换热器已知仓库中现有Φ25×2.5mm，长6m的碳钢钢管化工教研室九江学院2020年2月16日星期日3设计内容设计说明书布管图187169114装配图187169化工教研室九江学院2020年2月16日星期日4设计说明书封面目录设计任务书前言设计计算过程附表及相关机械元件尺寸设计说明化工教研室九江学院2020年2月16日星期日5设计步骤一、确定定性温度、物性数据二、换热器的类型及流体走向三、工艺计算四、换热器尺寸的初步确定五、校核计算六、进出口管径七、校核流体压力降化工教研室九江学院2020年2月16日星期日6一、确定定性温度、物性数据1.苯的物性数据t1、t2、tm、ρ２、CP2、μ2、λ22.水蒸汽的物性数据Ts、ρ１、γ１同温度下水的物性ρ、μ、λ化工教研室九江学院2020年2月16日星期日7二、换热器的类型及流体走向卧式固定管板式换热器水蒸汽走壳程，苯走管程不需要进行热补偿不需要加折流挡板化工教研室九江学院2020年2月16日星期日8三、工艺计算1、热负荷即传热速率Q2、平均温度差Δtm3、选K值，估算传热面积A初化工教研室九江学院2020年2月16日星期日91、热负荷即传热速率Q21111222TTcmttcmQPSPSmtKAQrmQs1化工教研室九江学院2020年2月16日星期日102、平均温度差Δtm由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把两流体的平均温度差看作是逆流来计算（双管程）2121lntttttm化工教研室九江学院2020年2月16日星期日113、选K值，估算传热面积A初根据条件K值在580～1160W/m2·℃（K＝680W/m2·℃）mtKQA初'选用安全系数Φ＝1.15～1.25A初＝ΦA’化工教研室九江学院2020年2月16日星期日12四、换热器尺寸的初步确定确定管程结构尺寸壳程设计数据换热器长径比化工教研室九江学院2020年2月16日星期日131、确定管程结构尺寸管子规格初步设计总管数校核流速、确定管程管间距及排列方式化工教研室九江学院2020年2月16日星期日14（1）管子规格库存Φ25×2.5mm，L＝3.0m的光滑碳钢钢管取管内苯的流速为u0（0.60m/s）——苯系易燃易爆物流速一般低于1m/s化工教研室九江学院2020年2月16日星期日15（2）初步设计总管数n”根———三角形排列管数，3a2+3a+1dLAn初'圆整n”化工教研室九江学院2020年2月16日星期日16127布管图化工教研室九江学院2020年2月16日星期日17169布管图化工教研室九江学院2020年2月16日星期日18187布管图化工教研室九江学院2020年2月16日星期日19（3）校核流速、确定管程224'isdnmu管程'0uum（一般双管程）化工教研室九江学院2020年2月16日星期日20（4）管间距及排列方式管间距t＝（1.25～1.3）d0采用三角型排列根据总管数n”确定层数a，是否弓形排管，确定NT最外层六角形对角线上管数NTb＝2a+1采用胀管法排列化工教研室九江学院2020年2月16日星期日212、壳程设计数据壳体内径D＝t（NTb－1）+2b’t－管间距NTb－最外层六角形对角线上管数b’－六角形最外层管中心到壳体内壁距离，取b’＝（1～1.5）d0壳体内径标准圆整到ΦD×δmm化工教研室九江学院2020年2月16日星期日22中心拉杆n3根直径Φ12mm双管程隔板少排NTb根实际管数n＝NT－NTb－n3双管程，每程n/2根排列管子实际流速u，与初设苯流速u0校核20242dnmus化工教研室九江学院2020年2月16日星期日233、换热器长径比确定长径比的取值范围6~4DL化工教研室九江学院2020年2月16日星期日24五、校核计算1、校核总传热系数K值2、校核壁温TW3、校核传热面积A化工教研室九江学院2020年2月16日星期日251、校核总传热系数K值管内对流传热系数α2管外对流传热系数α1污垢热阻及管壁热阻11121222111SmSRdbdddRddK化工教研室九江学院2020年2月16日星期日26（1）管内对流传热系数α24.08.02PrRe023.0d被加热duRePCPr化工教研室九江学院2020年2月16日星期日27（2）管外对流传热系数α125.0032321725.0tdngrn为水平管束垂直列上的管数弓形排管n＝8，弓形不排管n＝7假设管外壁温TW（115.6℃）WSTTt化工教研室九江学院2020年2月16日星期日28（3）污垢热阻及管壁热阻苯侧污垢热阻RS2＝1.76×10-4m2·℃/W蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小，水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，碳钢钢管的导热系数λ＝45W/m2·℃化工教研室九江学院2020年2月16日星期日29（4）校核K值以外表面计算：121122111ddRdbdddKSm计算K值与原设值K初比较使相对误差5%化工教研室九江学院2020年2月16日星期日302、校核壁温TW结果与原假设值TW校核——（TW＝115.6℃）WTTAQ1AQTTW1化工教研室九江学院2020年2月16日星期日313、校核传热面积A水蒸汽侧Ts不变，一壳程双管程换热器平均温度差与逆流平均温度差相等。Tt2t102LLt2化工教研室九江学院2020年2月16日星期日32实际所需面积实际提供面积余度mtKQA'LndA0%20'AAA化工教研室九江学院2020年2月16日星期日33六、进出口管径苯进口管、出口管水蒸汽进口管径冷凝水排出口化工教研室九江学院2020年2月16日星期日341、苯进口管、出口管取进口流速u1＝1m/s进口直径uVd4选用无缝热轧钢管（YB231-64）（Φ150×4.5mm，长200mm）化工教研室九江学院2020年2月16日星期日352、水蒸汽进口管径蒸汽用量03.01rQG—富裕量3％蒸汽体积流量V＝Gν取蒸汽流速u’＝20m/s'41uVD选用无缝热轧钢管（YB231-64）（Φ219×6mm，长200mm）化工教研室九江学院2020年2月16日星期日363、冷凝水排出口选用水煤气管Φ42.25×3.25mm，长100mm211化工教研室九江学院2020年2月16日星期日37七、校核流体压力降管程总压力降壳程压力降壳程是饱和水蒸汽冷凝，阻力很小，不校核其压力降。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日38管程总压力降（P272）总压力降计算公式pstritNNFPPP22udlPii23222uuPr每程直管压力降每程局部阻力引起的压降校核ΔPt3.0×104Pa化工教研室九江学院2020年2月16日星期日39——管内径;——管长——管程结垢校正系数，三角形为1.5，正方形为1.4；——壳程数，1；——一壳程的管程数，2。tFsNpNlid参数说明化工教研室九江学院2020年2月16日星期日40λ计算取ε＝0.2mm，ε/d=0.01duRe查图可知λ化工教研室九江学院2020年2月16日星期日41八、换热器尺寸及附属部件1.管间距：t＝32.5mm2.壳体直径：Φ600×10mm，内径D＝580mm3.壳体材料：碳素钢A3F，钢板卷焊4.管子尺寸：Φ25×2.5mm，L＝3.0m，n＝164根，双管程5.布管图见图纸2-2。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日426、管板(1)管板材料：选用碳素钢A4。(2)管子在管板上的固定方法：焊接(3)管板尺寸：Pg＝16kgf/cm2，(4)管板与壳体的连接：采用法兰连接，拆开顶板可检修或清理管内污垢。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日43（5）管板与分程隔板的连接:采用单层隔板，隔板材料与封头材料一致，厚度s＝10mm。S隔板管板S＋2化工教研室九江学院2020年2月16日星期日447、封头与管箱封头与管箱位于壳体的两端。（1）封头的选择：选用椭圆形封头，Dg600×10mmGB1154－73（2）封头尺寸：曲面高度150mm，直边高度40mm管程接口管与封头为焊接，封头与壳体为法兰连接，法兰尺寸与上同。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日458.管程进出口接管直径：选用无缝热轧钢管（YB231-64）Φ152×4.5mm长200mm。9.支座的公称直径Dg600mm，每个支座承受的载荷为36.8吨，材料采用A3F碳素钢；采用鞍形安装。10.整个换热器采用卧式安装，安装图见图纸2－1。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日46九、参考资料1.《化工原理》上册化学工业出版社，谭天恩主编，1990年。2.《基础化学工程》上海科学技术出版社，编写组，1980年。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日47十、对一些问题的说明列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器，它的结构简单、坚固、容易制造、材料范围广泛，处理能力可以很大，适应性强。但在传热效率、设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗量等方面还稍次于其他板式换热器。此次设计所采用的固定管板式换热器是其中最简单的一种。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日48由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧的对流传热系数大得多，根据壁温总是趋近于对流传热系数较大的一侧流体的温度实际情况，壁温与流体温度相差无几，因此本次设计不采用热补偿装置。化工教研室九江学院2020年2月16日星期日49ThanksAttentionScienceandtechnology,especiallystrategichightechnology,isincreasinglybecomingthedecisiveforceineconomicandsocialdevelopmentandthefocusofcompetitionincomprehensivenationalstrength.