南京工业大学列管式换热器(材料工程原理)课程设计

南京工业大学《材料工程原理B课程设计》设计题目：列管式换热器设计专业：高分子材料与工程班级：浦高材1203学号：23姓名：王逸飞日期：2014年12月22日~2015年元月05日指导教师：莫立武教授设计成绩：日期：南京工业大学本科生课程设计2“列管式换热器设计”任务书（一）设计题目列管式换热器设计——混合气体处理能力226500kg/h（二）设计任务及操作条件为满足某生产需要，需将混合气体采用循环冷却水冷却，使混合气体的温度从100℃冷却至48℃，已知混合气体的压力为6.9Mpa，循环冷却水的压力为0.4Mpa，循环水入口温度25℃，出口温度42℃。要求处理混合气体的流量为226500kg/h，试设计一台列管式换热器，完成该设计任务。（三）混合气体在各定性温度下的有关物性数据：名称密度ρ₁（kg/h）热容Cp₁（KJ/kg℃）导热系数λ₁（w/m℃）粘度μ₁（Pa*S）混合气体903.2970.02791.5*510（四）循环冷却水在各定性温度下的有关物性数据：名称密度ρ₂₁（kg/m³）热容Cp₂(KJ/kg℃)导热系数λ₂（w/m℃）粘度μ₂（Pa*S）冷却水994.304.1740.6240.679*310南京工业大学本科生课程设计3目录第一章概述§1.1换热器的应用及主要类型····································4§1.2列管式换热器的主要结构····································5第二章列管式换热器工艺的设计及计算§2.1设计方案初选··············································6§2.2估算传热面积··············································6§2.3工艺结构尺寸的设计········································8第二章列管式换热器工艺设计的核算§3.1传热能力的核算············································12§3.2壁温的核算················································15§3.3换热器内流体流动的阻力的核算······························16第三章辅助设备的设计§4.1管路系统原件的设计········································17§4.2泵的设计·················································17§4.3风机的设计···············································19第四章列管式换热器设计一览表······································20第五章设计总结····················································21第七章参考文献····················································22第八章设计附图····················································23第九章答辩记录及评语··············································26第一章概述南京工业大学本科生课程设计4§1.1换热器的应用在工业生产中，为实现物料之间热量传递过程的设备统称为换热器。它是化工、冶炼、机械和其它许多工业广泛应用的一种通用工艺设备，特别是对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工厂的建设中，换热器的投资约占总投资的10~20%，在石油冶炼厂中约占全部工艺投资的40~50%。换热器的类型随工业发展而扩大，早期的换热设备犹如制造水平和科学水平的限制，多有结构简单、换热面积小和体积较大等的特点，后来列管式换热器的诞生使其成为长期以来化工生产中使用的典型换热设备。表1-1换热器的分类及主要性能比较分类名称相对费用耗用金属（kg/m²）最高操作压力（MPa）最高使用温度（℃）管壳式固定管板式130841000~1500浮头式1.2246U型管式1.01填料函式1.28板式波纹板式162.8260~360螺纹板式0.6504.01000板翘式165.7-269~500管式蛇管沉浸式100100喷淋式0.8~1.16010套管式0.8~1.4150100800空冷式0.8~1.8箱管式0.5~0.7100其它板壳式246.4800§1.2列管式换热器的主要结构南京工业大学本科生课程设计5管壳式换热器(列管式换热器)适用于冷却、冷凝、加热、换热、再沸、蒸发和废热回收等方面。由于其具有结构牢、操作弹性大、可靠程度高、适应性强、使用范围广等优点，在工程上使用广泛，特别是在高温高压下。只有当流量小、压力与温度低，特别是物流对碳钢具有腐蚀性或粘度很高时选用板式换热器，如果流量小，但压力或温度较高时选用套管式换热器。而具体的选用则需要综合多种因素择优选择。常用列管式换热器的基本构型有一下几种。（1）固定管板式换热器换热管束固定在两块管板上，管板又分别焊在外壳的两端，管子、管板和壳体都是刚性连接。当管壁与壳壁的壁温相差大于50℃时，为减小或消除温差产生的热应力，必须设有温差补偿装置，比如波形膨胀节。固定管板式换热器结构较简单，制造成本低，管程可用多种结构，规格范围广，在生产中广泛应用。因壳侧不易清洗故不适宜较脏或有腐蚀性的物流的换热，适用于壳壁与管壁温差小于70℃、壳程压力不高、壳程结垢不严重、并且可以用化学方法清洗的场合。（2）浮头式换热器一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。壳体与管束对热膨胀是自由的，因而壳体与管束之间无温差应力。为了浮头部分便于检修、安装和清洗，浮头端常常设计成可拆卸结构，安装时要保证浮头的密封，否则操作时无法知道内浮头端是否泄漏。浮头式换热器的应用比较普遍，但结构复杂，相对费用较高（3）U形管式换热器管束弯成U形，两端固定在同一块管板上，壳体与管束分开，仅有一块管板，无浮头，可以不考虑温差补偿。U形管式换热器结构简单，管束可以从壳体内抽出，便于管外清洗。但管内清洗困难，故管内必须是清洁和不易结垢的物流。管束中心存在空隙，流体易走短路从而影响传热效果。管板上排管数较少，U形管不能互换，结构不紧凑。（4）填料函式换热器浮头部分与壳体采用填料函密封。一是把填料函设置在浮头端的接管处；二是把填料函设置在管板处；三是把浮头伸出空调外设置成外填料函式。填料函式换热器具有浮头式的优点，又克服了固定管板式的缺点，制造方便，易于检修清洗。但是由于填料函密封性能的限制，目前只用于直径700mm以下的换热器，大直径很少采用，尤其在操作压力和温度较高时就更少采用。壳程内南京工业大学本科生课程设计6不宜走易挥发、易燃、易爆及有毒物流。第二章列管式换热器的设计及计算§2.1设计方案初选一、选择换热器类型考虑制造费用、操作具体条件要求、维护费用及清洗的难易程度的因素，初步选择固定管板式换热器（后续计算表明应该选择浮头式）。二、流程安排流程的安排应该考虑到一下原则：1.易结垢的流体应走易清洗的一侧。2.有时在设计上要提高流体的流速来提高传热膜系数，在这种情况下应将需提高流速的流体放在管程。3.具有腐蚀性的流体应走管程。4.粘度大的流体应走壳程。需要指出的是，以上要求常常不能同时满足，故在设计中应该考虑其主要问题。根据本次实验的要求，由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，混合气体走壳程。从热交换角度，混合气体走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。选用Φ25×2.5mm的10号碳钢管。三、确定物性数据壳程混合气体的定性温度T：T₁=100℃T₂=48℃T=(T₁+T₂)/2=74℃管程冷却水的定性温度t：t₁=25℃t₂=42℃t=(t₁+t₂)/2=33.5℃各物性数据如表2.1名称密度ρ₁（kg/h）热容Cp₁（KJ/kg℃）导热系数λ₁（w/m℃）粘度μ₁（Pa*S）混合气体903.2970.02791.5*510名称密度ρ₂₁（kg/m³）热容Cp₂(KJ/kg℃)导热系数λ₂（w/m℃）粘度μ₂（Pa*S）冷却水994.304.1740.6240.679*310§2.2估算传热面积一、换热器的热负荷换热器的热负荷是指在确定的物流进口条件下，使其达到规定的出口状态，冷流体和热流体之间所交换的热量，或是通过冷、热流体间壁所传递的热量。在热损失很小，可以忽略不计的条件下，对于无相变的工艺物流，换热器的热负荷由下式确定：Q₁=1m1cp1tΔ南京工业大学本科生课程设计7式中Q₁----热负荷，kJ/h；m₁----工艺流体的质量流速，kg/h；1pc----工艺流体的热容，kJ/kg℃；1tΔ----工艺流体的温度变化，℃*由上式计算本次列管式换热器设计的热负荷：Q₁=1m1cp1tΔ=226500×3.297×(100－48)=38832006kJ/h=10787kw二、冷却剂的用量冷却剂的用量取决于工艺流体所需的热量及冷却剂的进出口温度，此外还与设备的热损失有关。而对于流体被冷却的情况，工艺流体所放出的热量等于冷却剂所吸收的热量与热损失之和，在实际设计中，为可靠起见，常可忽略热损失，以下式计算冷却剂用量：22t12ΔmpcQ式中2m----------冷却剂用量，kg/h；2cp----------冷却剂热容，kJ/kg℃；2tΔ----------冷却剂进出口温度的变化，℃*由上式计算本次列管式换热器设计的冷却剂用量：2m=）—（254210174.4101078733=152.01kg/s=547270kg/h三、平均传热温差平均传热温差是换热器的传热推动力，其值不仅和进出口温度有关，而且与换热器内两种流体的流型有关。对于逆流和并流，平均温差均可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示，即：2121mtttttΔΔlnΔ－ΔΔ式中mtΔ-------逆流或并流的平均传热温差，℃；图2-1南京工业大学本科生课程设计8逆流：1tΔ=T₁－2t2tΔ=T₂－1t并流：1tΔ=T₁－1t2tΔ=T₂－2t*按逆流计算本次列管式换热器设计的平均传热温差：2121mtttttΔΔlnΔ－ΔΔ=）（）（）（）（－2548－42100ln－2548－－4210037.8℃四、传热面积对于传热面积的估算可根据流体的具体情况，参考换热器传热系数的大致范围选取合适的K值，然后利用传热速率方程式，初步确定所需的传热面积：mKQAt1式中A-----------估算的传热面积，2m；K-----------选取的传热系数，w/2m℃；mt--------平均传热温差，℃1Q----------换热器的热负荷，kw考虑到估算性质的影响，常取传热面积为计算值的1.5~1.15倍。*根据本次设计的要求，查列管式换热器用作冷却器时的K值范围表选择总的传热系数K=350w2m/℃按逆流估算本次列管式换热器设计的传热面积：mKQAt1=8.3735010107873=815.32m§2.3工艺结构尺寸的设计一、选择管径及管内流速若选择较小管径，管内传热膜系数可以提高，而且对于同样传热面积来说可以减小壳体直径。但管径小，流动阻力大，机械清洗困难，设计时可根据具体情况选用合适的管径。根据本次设计要求及查常用换热管的规格和尺寸偏差表、列管式换热器中不同粘度液体的最大流速表以及列管式换热器常用流速，选择GB8163—8（碳钢）5.225取管内流速1u1.3m/s二、选择管长、确定管程数和总管数选定管径和管内流速后，可由下式确定单程管数：南京工业大学本科生课程设计9udV2114n式中1n------单程管数目；V------管程的体积