化工原理换热器课程设计

广西大学化学化工学院2014-1-151广西大学化学化工学院《化工原理课程设计》设计题目：列管式换热器设计小组姓名：甄明祥专业班级：过程装备与控制工程111班学号：1104310143指导老师：张琳叶广西大学化学化工学院2014-1-152目录1.1概述………………………………………………………………31.2.换热器设计任务书………………………………………………3错误!未定义书签。1.3换热器的结构类型………………………………………………41.4换热器材质的选择………………………………………………61.5设计方案简介……………………………………………………72.1设计参数…………………………………………………………102.2计算总传热系数…………………………………………………102.3工艺结构尺寸……………………………………………………112.4换热器核算………………………………………………………132.4.1.热流量核算………………………………………………132.4.2．换热器内流体的流动阻力……………………………153.1设计结果一览表…………………………………………………173.2主要符号说明……………………………………………………184.1设计心得…………………………………………………………185.1参考文献…………………………………………………………19广西大学化学化工学院2014-1-1531.1概述列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.2设计任务及操作条件1.2.1处理能力：（30万吨/年）41666.7kg/h的煤油1.2.2.设备形式：列管式换热器1.2.3.操作条件1.2.4煤油：入口温度150°C出口温度50°C广西大学化学化工学院2014-1-1541.2.5冷却介质：自来水入口温度20C出口温度30°C1.2.6允许压降:不大于100Kpa1.2.7煤油定性温度下的物性数据：CT100250150密度774kg/m3粘度0.604pa.s比热容2.33KJ/(Kg.°C)导热系数0.138W/m.°C冷却水：CT2522030水的密度ρi＝996.95kg/m3定压比热容Cpi＝4.18kJ/kg℃热导率λi＝0.6078W/m℃粘度μi＝0.8937mPa﹒s1.2.7选择适宜的列管换热器并核算1.2.7.1传热计算1.2.7.2管，壳程流体阻力的计算1.2.7.3计算结果表1.2.7.4总结1.3换热器的结构类型换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热广西大学化学化工学院2014-1-155式、间壁式。1）间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。2）蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。3）紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。4）管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，广西大学化学化工学院2014-1-156选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。1.4换热器制材的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。1.4.1.1碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。1.4.1.2不锈钢奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体广西大学化学化工学院2014-1-157不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。（A）（B）（C）（D）（E）换热管在管板上的排列方式(A)正方形直列（B）正方形错列(C)三角形直列（D）三角形错列（E）同心圆排列1.3.2管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超过350℃的场合。广西大学化学化工学院2014-1-1581.5设计方案简介1.5.1换热器类型的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1.5.1.1固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。1.5.1.2U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易广西大学化学化工学院2014-1-159短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。1.5.1.3浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。1.5.1.4填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结广西大学化学化工学院2014-1-1510构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.1设计参数煤油的定性温度：CT1002501501水的定性温度：CT25230202定性温度下流体的物性ρ(kg/m3)C[kJ/(kg··℃)]μ(Pa·s)λ(W/m·℃)煤油7742.330.6040.138冷却水996.94.180.89370.60782.2计算总传热系数2.2.1热流量的计算广西大学化学化工学院2014-1-1511Qo=m0cp0Δt0=hKJ/10*697.25015033.236007.41666631092.64205030150ln)2050()30150(ln2121tttttm℃2.2.2冷却水的用量hkgtcQmpii/53.64521)2030(18.410*697.2602.2.3计算传热面积求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350W/(㎡·℃)左右，先取K值为300W/(㎡·℃)计算由Q=KA△tm得mtKQA0027.14009.643002697000㎡2.3工艺结构尺寸2.3.1．管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u=1m/s。2.3.2管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=57102.0785.095.996/3600/53.64521422udVi按单程管计算，所需的传热管长度为广西大学化学化工学院2014-1-1512L=mndAsop4.3457025.014.327.140按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标设计，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为Np=664.34lL传热管总根数Nt=57×6=3422.3.3平均传热温差校正及壳程数R=5203050150P=2.0501502030按单壳程，双管程结构得：88.0t平均传热温差13.5792.640.88塑mtmtt℃由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.3.4传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列。取管心距a=1.25d0a=1.25×25=31.25≈32mm横过管中心线管数b=1.1N=1.1×3