管壳式换热器课程设计

1管壳式换热器课程设计一、管壳式换热器的介绍管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，它的特点是结构坚固、可靠高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范围广、换热面的清洗比较方便、高温和高压下亦能应用。但从传热效率、结构的紧凑性以及位换热面积所需金属的消耗量等方面均不如一些新型高效率紧凑式换热器。管壳式换热器结构组成：管子、封头、壳体、接管、管板、折流板；如图1－1所示。根据它的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函和釜式重沸器五类。二、换热器的设计2.1设计参数参数名称壳程管程设计压力（MPa）2.61.7操作压力（MPa）2.21.0/0.9（进口/出口）设计温度（℃）25075操作温度（℃）220/175(进口、出口)25/45(进口/出口)流量（Kg/h）40000选定物料（-）石脑油冷却水程数（个）12腐蚀余度（mm）3-2.2设计任务1.根据传热参数进行换热器的选型和校核2.对换热器主要受压原件进行结构设计和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座等。3.设计装配图和重要的零件图。22.3热工设计2.3.1基本参数计算2.3.1.1估算传热面积∆tmax=t1′-t2′′=220-45=175℃∆tmin=t1′′-t2′=175-25=150℃因为∆tmax∆tmin=175℃150℃=1.172,所以采用对数平均温度差算术平均温度差：∆tm′=∆t2+∆t12=175+1502=162.5℃P=t2′′−−t2′t1′−t2′=45−25220−25=20195=0.103R=t1−′t1′′t2′′−t2′=220−17545−25=4520=2.25查温差修正系数表得φ=0.82因此平均有效温差为∆tm=φ.∆tm′=0.82×162.5=133.25℃放热量Q1=mhCp,h∆th=40000×1500×(220−175)3600=750000𝑊考虑换热器对外界环境的散热损失Qc,则热流体放出的热量Q1将大于冷流体吸收的热量Q2，即：Q1=Q2+Qc取热损失系数ηc=0.97,则冷流体吸收的热量：Q2=ηcQ1=0.97×750000=727500W由Q2=mcCp,h∆tc可的水流量：mc=Q2Cp,h∆tc=7275004174×(45−25)=31372.8kgh⁄这里初估K=340W/(m2∙K),由稳态传热基本方程得传热面积：A估=Q1K估∆tm=16.55m232.3.1.2由A估及换热器系列标准，初选型号及主要结构参数选取∅=25mm管径卧式固定管板式换热器，其参数见上表。从而查《换热器设计手册》表1-2-7，即下表公称直径管程数管子根数中心排管数管程流通面积换热面积换热管长度400mm2个94根11根0.0148m221.4m23000mm换热管排列规格及排列形式：换热管外径×壁厚：d×δ1=50mm排列形式：正三角形管间距：pt=32mm折流板间距：lb=200mm2.1.1.3实际换热面积计算实际换热面积按下式计算A实际=πd(L−2δ−0.006)nA实际=3.14×0.025×(3−2×0.05−0.006)×94=21.35m22.2计算总传热系数，校核传热面积总传热系数的计算1K=1∝0+1∝1+r0+ri+δλw式中：∝0——管外流体传热膜系数，W/(m2·K)；∝i——管内流体传热膜系数，W/(m2·K)；r0,ri——分别为管外、管内流体污垢热阻，(m2·K)/W；4δ—管壁厚度，m；λw——管壁材料的导热系数，W/(m2·K)oαiαiorr,δwλ2.2.1管内传热膜系数管内未冷却水流入，其速度为：ui=QiAiρ=31372.83600×0.0148×993.95=0.6ms⁄雷诺数：Rei=uidiρμ=0.6×0.021×993.950.00073=17155.8对于湍流，由Dittus–Boelter关系式，有传热膜系数：∝i=0.023×λdi×（Rei）0.8×(Pri)n其中，普朗特数：Pri=Cpμλ=4.87由于冷却水要被加热,故取n=0.4,即管内传热膜系数为：αi=0.023×0.6260.021×3717.30.8×4.870.4=927.4W/(m2.K)2.2.1管外传热膜系数因换热管呈正三角形排列，根据Kern法当量直径：de=4×(12×Pt×12×√3Pt−3×14×π6×d02)3×π6×d0=1.10×pt2d0−d0故de=1.10×0.03220.025−0.025=0.02m∝0=0.36×λde(de×u0ρμ)0.55×Pr13⁄×(μμw)0.4流体流过管间最大截面积是As=lb×Di×(1−d0Pt)其中壳体内径估算为Di=0.37因此，As=0.2×0.37×(1−2532)=16.7×10−3m2u0=Qρ×As=400003600×800×0.0167=0.8ms⁄雷诺数：Re=uo×do×ρμ=0.8×0.4×8000.0005=5120005普朗特数：Pr=cp×μλ=1500×0.00050.150=5壁温可视为流体平均温度，即：μμw⁄=1αo=0.36×0.150.02×(0.02×0.8×8000.0005)0.55×513⁄×10.14=1220.6W(m2∙K)⁄2.2.3总传热系数因为有污垢热阻，因此查看表《GB151-1999管壳式换热器》可有管外有机物污垢热阻：r0=1.76×10−4(m2∙K)/W管内冷却水污垢热阻：ri=1.76×10−4(m2∙K)/W插入法得到λw=73Wm∙K⁄因此得到1K=11220.6+13152.2+1.76×10−4+0.002573=0.0015故K=6662.2.4总换热面积由稳态传热基本方程：Q=K×A×∆tm∴A=QK×A×∆tm=8.5m2A总=（1+25%）×A=10.6m22.3计算管程压力降∆Pi管程压力降有三部分组成，可按照如下公式进行计算∆pi=(∆pL+∆pr)FtNpNs+∆pnNs∆pL—流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa;∆pr--流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa;∆pn—流体流经管箱进出口的压力降，Pa;Ft—结构矫正因素，无因次，对Φ25×2.5mm，取为1.4；Np--管程数，取2；Ns--串联的壳程数，取16其中：∆pL=λildi(ρiui22)对光滑管，Re=3×103~1×105时，由伯拉修斯式，得：λ=0.3164Re0.25=0.316417155.80.25=0.0277因此，∆pL=0.0277×20.021×(994×0.422)=209.8Pa∆pr=3(ρiui22)=3×(994×0.422)=238.6Pa∆pn=1.5(ρiui22)=1.5×(994×0.422)=119.3Pa因此，∆pi=(209.8+238.6)1.4×2×1+119.3×1=0.001375Mpa管程压力降在允许范围内1.3.2壳程压力降∆po采用埃索法计算公式：∆po=(∆p′1+∆p′2)FsNs式中：∆p′1--流体横过管束的压力降，Pa;∆p′2--流体通过折流板缺口的压力降，Pa;Fs—壳程压力降的结垢修正系数，无因此，对液体取1.15;其中：∆p′1=Ffonc(Nb+1)ρuo22∆p′2=Nb(3.5−2lbDi)ρuo22式中：F—管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形F=0.5;fo—壳程流体摩擦系数，当Re500时，fo=5.0Re−0.228;nc--横过管束中心线的管子数，对三角形排列nc=1.1√Nt;uo--按壳程流通截面积Ao计算的流速，ms⁄。计算过程如下：fo=5.0×512000−0.228=0.25nc=1.1×√94=10.66Ao=lb(Di−ncdo)=0.2×(0.38−10.66×0.025)=0.0243uo=QρAo=400003600×0.0243×800=0.572ms⁄Nb=llb−1=3000200−1=14∆p1′=0.5×0.25×10.66×(14+1)800×0.57222=0.003Mpa∆p′2=14×(3.5−2×0.20.38)×800×0.57222=0.004Mpa∆po=(0.004+0.003)×1.15×1=0.00805Mpa因此，壳程压力降在允许范围内。三、结构设计7下面选取材料，并进行换热器的结构设计3.1结构尺寸参数a)根据换热器公称直径为400mm，选用圆筒作为换热器壳体。壳体圆筒：公称直径DN=400mm，壁厚δs=10mm。b)换热管：外径d=25mm，壁厚δt=2mm，换热管长度lo=3000mm，根数n=94，受压失稳当量长度lcr=2985mm，换热管呈正三角形排列，管间距Pt=32mm。c)管板：刚度削弱系数η=0.4，强度削弱系数μ=0.4。d)螺栓：数量n=16，规格M27，d2=30mm有效承载面积：𝔞b=πd224=706.95mm2（《换热器设计手册》）e)管箱法兰：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整体钢制管法兰法兰外径Df=580mm，螺栓孔径中心圆直径Db=525mm，法兰厚度C=32mm，管箱圆筒厚度δh=10mm，法兰宽度：bf=(Df−Di)2=100mm3.2采用原件材料及数据a)换热管材料：碳素钢钢管2075℃设计温度下的许用应力[σ]tt=130Mpa75℃设计温度下的屈服点[σ]st=245Mpa75℃设计温度下的弹性模量Ett=186000Mpa(GB150-89,表15)管壁温度下的弹性模量Et=191000Mpa管壁温度下的膨胀系数αt=11.12×10−6mm/(mm∙℃)b)壳程圆筒材料：碳素钢Q235-B250设计温度下的许用应力[σ]ct=94Mpa圆筒在壁温下的弹性模量Es=183000Mpa圆筒在壁温下的线膨胀系数αs=12.25×10−6mm/(mm∙℃)c)管板材料：16Mn250设计温度下的许用应力[σ]rt=125Mpa250设计温度下的弹性模量Ep=190000Mpad)螺栓材料：40Cr（GB150-1989表2-7）常温下许用应力[σ]b=212Mpa250设计温度下的许用应力[σ]bt=162Mpae)管箱法兰材料：16Mn由于管箱法兰为长颈对焊法兰，管箱圆筒材料弹性模量取管箱法兰材料的值，根据GB150-1989250下的弹性模量Ef‘=190000Mpa75下的弹性模量Ef=204000Mpa8f)垫片材料：铁包石棉垫片根据GB150-1998，垫片系数m=2，比压y=11Mpa3.3壳体、管箱壳体和封头的设计3.3.1壳体的设计a)圆筒公称直径由计算知，圆筒的公称直径为400mm400mm，采用卷制圆筒。b)圆筒厚度圆筒的最小厚度应按GB150-1989计算，但不得小于表3-1规定。表3-1碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度mm公称直径400~固定管板式6如上表按附加量圆整取最小厚度为10mm表2-2壳体、管箱壳体厚度mmDN（mm）材料壳程或管程公称压力PN,MPa0.61.01.62.54.06.4Q235-A/B/C8888--40016MnR888810121Cr18Ni9Ti44461014对应壳体、管箱壳体厚度也取10mm3.3.2封头设计按工作原理，设计封头应为受内压的椭圆形封头，采用长轴与短轴比为2的标准型封头。椭圆形封头是由半个椭圆球和具有高度h的圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的还焊缝受到边缘应力的影响。封头厚度（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.3%。由表3-3，取封头厚度为10mm表3-32.3.2封头设计按工作原理，设计封头应为受内压的椭圆形封头，采用长轴与短轴比为2的标准型封头。椭圆形封头是由半个椭圆球和具有高度h的圆筒（即封头直边）构成，直边的作用是避免筒体与封头连接的还焊缝受到边缘应力的影响。封头厚度（不包括壁厚附加量）应小于封头直径的0.3%。由表2-3，取封头厚度为10mm9