管壳式换热器设计选型

食品工程原理课程设计管壳式换热器的选型换热器的设计•换热器，在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。•在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。列管式换热器的设计1、热力设计2、流动设计3、结构设计4、强度设计热力设计•根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。•计算出总传热系数、传热面积流动设计•计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数结构设计•根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸强度设计•应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计。列管式换热器的工艺设计1、根据换热任务和有关要求确定设计方案2、初步确定换热器的结构和尺寸3、核算换热器的传热面积和流体阻力4、确定换热器的工艺结构设计方案的设计1、换热器类型的选择固定管板式换热器浮头式换热器U型管换热器填料函式换热器2、流动空间的选择原则（1）传热系数较小的一个，应流动空间较大，使传热面两侧的传热系数接近（2）换热器减少热损失（3）管、壳程的决定应做到便于除垢和修理，以保证运行的可靠性（4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来讲，顺流式就优于逆流式（5）对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应特别注意其密封性，密封不仅要可靠，而且应要求方便及简洁（6）应尽量避免采用贵金属，以降低成本流动空间选择的具体措施（1）宜于通入管内空间的流体不清洁的流体体积小的流体有压力的流体腐蚀性强的流体与外界温差大的流体（2）宜于通入管间空间的流体当两流体温度相差较大时，α值大的流体走管间若两个流体给热性能相差较大时，α值小的流体走管间饱和蒸汽走管间黏度大的流体走管间泄露后危险性大的流体走管间3、流速的确定介质流速循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油气体管程流速，m/s1.0-2.00.8-1.50.5-371.00.8-1.80.5-1.55-30壳程流速,m/s0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.82-15换热器常用流速的范围列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氢气安全流速，m/s12－310≤8材质的选择1.碳钢2.不锈钢换热管布置和排列间距常用换热管规格有ø19×2mm,ø25×2mm(不锈钢）,ø25×2.5mm（碳钢）,排列方式：正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列、同心圆排列图形表示管板•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•管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。壳体壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排除之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。壳体内径的计算•单程管：•t－－－是管心距，mm•do－－－换热管外径，mm•nc－－－－－横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关•正三角形排列：正方形排列：0321dntDcNnc1.1Nnc19.1多管程排列ND05.1N---排列管子数目----管板利用率（正三角形排列2管程：0.7-0.85；4管程：0.6-0.8正方形：2管程：0.55-0.7;4管程：0.45-0.65设计示例•年处理量：6000kg/h，•煤油从140℃－40℃•循环水入口温度：30℃－40℃•煤油压力：0.3MPa•循环水压力：0.4MPa1.选择换热器类型考虑季节操作，选用带有膨胀节的固定管板式换热器2.流动空间及流速的确定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油走壳程，选用Ф25×2.5的碳钢管，管内流速取0.5m/s。确定物性数据壳程油的定性温度为：T＝90℃管程流体的定性温度为：t＝35℃根据定性温度查处煤油和水物性•密度•定压必热容•导热系数•粘度计算总传热系数iiiieipOimopoOudRtcQwttttttcmQ2121lnmOosoioiosiiioiipiiiiiiitKQSRdbdddRddKucudd11023.04.08.0工艺结构尺寸1.管径和管内流速：选用Ф25×2.5传热管（碳钢），取管内流速0.5m/s2.管程数和传热管数单程传热管数：5842udVnis按单管程设计，所需的传热管长度为：mndSLso8.10现取传热管长为6m，•则管程数：•总管数58×2＝1162lLNP换热器核算1.热量衡算由于采用圆缺形折流板，可采用克恩公式14.03/155.0PrRe36.0wooeood当量直径，若是正三角形排列ooddtde224234壳体流通截面积tdBDSoo1壳程流速及雷诺数为ooooouu＝壳程流通截面积煤油密度）煤油处理量Re*3600/(一.设计任务书1.已知热流体热量，温度、，冷却介质温度2.确定换热面积及选定换热器3.选用一台合适的离心泵1t1mq1T2T实例qm1T1qm1T2t1t2二.设计步骤1.求出换热器的热流量2.作出适当的选择并计算mt3.根据经验估计传热系数，计算传热面积估KA4.计算冷、热流体与管壁的5.压降校核6.计算传热系数，校核传热面积7.选用一台合适的离心泵三.设计结果•换热器的型号•离心泵的型号•流程安排Ⅰ.求出换热器的热流量根据已知条件、、、、，求2111TTCqQpm1T2T2Cp1Cp1mqQ实例Ⅱ.作出适当的选择并计算mt①流向的选择②确定冷却介质出口温度，求对数平均推动力③对进行修正2t22112211lntTtTtTtTtm逆逆mt2121ttTTR1212tTttP查图得到逆mmtt一般逆流优于并流实例Ⅲ.根据经验估计传热系数，计算传热面积估KA逆估估mmtAKTTCpq2111根据初选换热器估A实例Ⅳ.计算冷、热流体与管壁的①确定冷、热流体走管程或壳程②确定管内流速③根据所选换热管确定管子的排列目前我国国标采用和mmmm5.225mmmm219管长有1.5、2、3、4.5、6、9mlPiviNndqu2785.0nPN核定管壳式换热器内常用流速范围管程数管子数④折流挡板安装折流挡板的目的是为了提高管外对圆缺形挡板，弓形缺口的常见高度国标挡板间距：取壳体内径的20%和25%固定管板式：100、150、200、300、450、600、700mm浮头式：100、150、200、250、300、350、450（或480）、600mm⑤管程给热系数i1000Re4.0~3.08.0023.0CpuddiiiinNdqPivi2785.08.0PiN若，则改变管程数重新计算或重新估计估Ki估K物性系数在定性温度下求得14.0m实例⑥壳程给热系数2000Re36.00ed55.0Re31Pr14.0w2000~10Re5.00ed507.0Re31Pr14.0w若太小，则可减少挡板间距0实例Ⅴ.压降校核①管程阻力校核23iPttuNfdlP:PN:tf3PtNP允PPt管程数管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，正方形排列取1.4改变管程数，应兼顾传热与流体压降两方面的损失必须调整管程数目重新计算实例②壳程阻力损失允PPs225.31200ufDBNNNFfPsBBTCs可增大挡板间距:0u:BN:TCN:B:D:F:0f折流板数目横过管束中心线的管子数折流板间距壳体内径按壳程流动面积计算所得的壳程流速00dNDBATC管子排列形式对压降的校正系数壳程流体摩擦系数实例Ⅵ.计算传热系数校核传热面积根据流体的性质选择适当的垢层热阻R0111RKi估mtKQA计ldNAT020.1~10.1计AA否则重新估计，重复以上计算估K实例冷却介质的选择是一个经济上的权衡问题，按设备费用和操作费用的最低原则确定冷却介质的最优出口温度C453CaCO3MgCOoptt2Ctm10根据一般经验过程要有一定的推动力，冷却介质若是工业用水，含有、等盐类，其溶解度随着温度上升而降低，为了防止盐类析出，形成垢层，工业冷却水出口温度应小于若根据、在图上找不到相应的点，表明此种流型无法完成指定换热任务，应改为其他流动方式。若，经济上不太合理，且操作温度变化时，可能使急剧下降，影响操作的稳定性，应改为其他流动方式。PR8.0原则：①不洁净和易结垢的液体宜在管程②腐蚀性流体宜在管程③压强高的流体宜在管内④饱和蒸汽宜走壳程⑤被冷却的流体宜走壳程⑥若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程⑦流量小而粘度大的液体一般以壳程为宜流体种类流速管程壳程一般流体0.5~30.2~1.5易结垢流体10.5气体5~303~15列管式换热器内常用的流速范围液体粘度最大流速15000.61500~5000.75500~1001.1100~351.535~11.812.4sm3102mSNsm不同粘度液体的流速较大给热效果较差管外清洗方便大.a.b.c14.0w95.005.1114.0高粘度液体被冷却高粘度液体被加热低粘度0Reude020244ddlde02024234ddldeAVu0ldBDA01l0dBD对正方形对正三角形为相邻两管的中心距，为管外径，两块挡板间距离，为壳体直径流体污垢热阻流体污垢热阻水溶剂蒸汽0.14蒸馏水0.09水蒸气海水0.09优质（不含油）0.052清净的河水0.21劣质（不含油）0.09未处理的凉水塔用水0.58往复机排出0.176已处理的凉水塔用水0.26液体已处理的锅炉用水0.26处理过的盐水0.264硬水、井水0.58有机物0.176气体燃料油1.056空气0.26~0.53焦油1.7612/kWKmRR12/kWKmCtsm50,1常见流体的污垢热阻hrkcal/1054.95初选换热器2111TTCpqQm607853.0101003选冷凝水出口温度定性温度Ct402Ctm252104031129976.9026078.0179.4mkgsPaKmWCkgkJCp计算mt据此定性温度，查表得水的物性数据CtTtTtTtTtm7.4310604078ln10604078ln12211221逆6.0103660781221ttTTR441.0107810361112tTttP97.0初拟定采用单壳程，偶数管程的浮头式换热器。由图查得修正系数。参照表，初步估计，传热面积254.377.4397.070036008.41861054.9mtKQAm逆估估CmWK2700估由换热器系列标准，初选型换热器IES225/5.4436.1500B外壳直径D/mm500管程数Np2管长l/m4.5公称压强P/Mpa1.6管子排列方式正方形管数NT