列管換熱器的設計說明書

1、東華大學化工原理課程設計說明書(列管式換熱器設計) 學 院 環(huán)境科學與工程 專 業(yè) 環(huán)境科學 說 明 書 頁 圖 紙 1 張 指導教師 冀秀玲 學生姓名 王苑 2010年1月15日目錄設計任務書.1一、 概述.5二、 確定設計方案.6 2.1 選擇換熱器的類型6 2.2 流動空間及流速的確定6三、 確定物性數(shù)據.6四、 計算總傳熱系數(shù).7 4.1計算熱負荷和冷卻水流量7 4.2計算平均傳熱溫差7 4.3確定總傳熱系數(shù)K并計算傳熱面積7五、 換熱器結構尺寸設計.7 5.1 管徑和管內流速7 5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)7 5.3 傳熱管排列和分程方法8 5.4 殼體內徑8 5.4 折流板8 5.6

2、接管六、 換熱器核算.9 5.1 熱量核算9 5.1.1 殼程對流傳熱系數(shù)9 5.1.2管程對流傳熱系數(shù)9 5.1.3對流傳熱系數(shù)K9 5.1.4傳熱面積.10 5.2核算壓強降.11 5.2.1 管程壓強降.11 5.2.2殼程壓強降.11七、換熱器主要結構尺寸和計算結果.13八、 設計評述.15九、 附圖.16十、主要符號說明.17十一、參考資料.18列管式換熱器設計任務書一、設計任務和設計條件 某生產過程的流程如圖所示，反應器的混合氣體經與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量為 kg/h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷

3、卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為29，出口溫度為39，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產任務。物性特征：混和氣體在85下的有關物性數(shù)據如下（來自生產中的實測值）：密度 1 = 90 kg/m3定壓比熱容 cp1 = 3.297 kJ/(kg)熱導率 1 = 0.0279 W/(m)粘度 1 = 1.510-5 Pas循環(huán)冷卻水在34 下的物性數(shù)據：密度 2 = 994.3 kg/m3定壓比熱容 cp2 = 4.174 kJ/(kg)熱導率 2 = 0.624 W/(m)粘度 2 = 0.74210-3 Pas二、設計內容說明書要求 1、概述 2、設計方案的選擇 3、確定物理性質數(shù)據

4、4、設計計算（1）計算總傳熱系數(shù)（2）計算傳熱面積5、換熱器結構尺寸設計 （1）管子的直徑、長度、根數(shù)等管子尺寸 （2）殼體直徑、折流板長度和數(shù)目 （3）隔板和接管尺寸 6、設計結果匯總 7、列管式換熱器裝配圖8、設計評述9、符號說明10、參考文獻圖紙要求列管式換熱器裝配圖三、參考資料1 上海醫(yī)藥設計院.化工工藝設計手冊(上、下).北京：化學工業(yè)出版社，19862 尾范英郎（日）等，徐忠權譯.熱交換設計手冊，19813 時鈞，汪家鼎等.化學工程手冊，北京：化學工業(yè)出版社，19964 盧煥章等.石油化工基礎數(shù)據手冊，北京：化學工業(yè)出版社，19825 陳敏恒，叢德茲等.化工原理(上、下冊)(第二版

5、).北京：化學工業(yè)出版社，20006 大連理工大學化工原理教研室.化工原理課程設計.大連：大連理工大學出版社，19947 柴誠敬，劉國維，李阿娜.化工原理課程設計.天津：天津科學技術出版社，1995一、概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置成為熱交換器，簡稱為換熱器。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。隨著換熱器在工業(yè)生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不用類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據工

6、藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求。（1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學參數(shù)與物理化學性質是工藝過程所規(guī)定的條件。設計者應根據這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，再單位時間內傳遞盡可能多的熱量。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定等有關規(guī)定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要作用。（3）有利于安裝、操作與維修直立設備的安裝費往往低于水

7、平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。（4）經濟合理評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內，固定費用與操作費的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產任務的需要，這一指標尤為重要。二、確定設計方案1、選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度110，出口溫度60。冷流體（循環(huán)水）進口溫度29，出口溫度39。該換熱器冷卻熱的混合氣體，傳熱量較大，可預計排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作，因此不選用膨脹節(jié)。2、流動空間及流速的確

8、定單從兩物流的操作壓力看，混合氣體操作壓力高達6.9MPa，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應使較大的循環(huán)水（一般氣體液體）走管內。所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。選用25mm2.5mm的碳鋼管，管內循環(huán)水流速取1.3m/s。三、確定物性數(shù)據定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。殼程混合氣體的定性溫度為T=（110+60）/2=85（）管程循環(huán)冷卻水的定性溫度為t=（29+39）/2=34（）根據定性溫度，分別確定殼程和管程流體的有關物性數(shù)據?；旌蜌怏w在85下的有關

9、物性數(shù)據如下（來自生產中的實測值）：密度 o = 90 kg/m3定壓比熱容 cpo = 3.297 kJ/(kg)熱導率 o = 0.0279 W/(m)粘度 o = 1.510-5 Pas循環(huán)冷卻水在34 下的物性數(shù)據：密度 i = 994.3 kg/m3定壓比熱容 cpi = 4.174 kJ/(kg)熱導率 i = 0.624 W/(m)粘度 i = 0.74210-3 Pas四、計算總傳熱系數(shù)1、計算熱負荷和冷卻水流量Q = WhcphT = 3.297(110-60) = 3.747107 kJ/h = 10408.5 (kW)Wc = Qcpct = 3.7471074.1743

10、9-29 = .7 kg/h2、計算平均傳熱溫差(采用逆流)熱流體110 60冷流體39 29t 71 31tm = 71-31ln7131 = 48.27 暫按單殼程、多管程進行計算，則平均傳熱溫差校正系數(shù)：R = 110-6039-29 = 5 P = 39-29110-29 = 0.123 查圖得t = 0.95所以tm = ttm = 0.9648.3 = 45.863、確定總傳熱系數(shù)K并計算傳熱面積根據兩流體的情況，假設K = 450 W/(m2)故傳熱面積S = QKtm = 10408.545.86 = 504.4m2考慮15%的面積裕度，S = 1.15 S = 1.15504

11、.4 = 580( m2)五、換熱器結構尺寸設計1、管徑和管內流速選用25mm2.5mm傳熱管（碳鋼），取管內流速ui=1.3m/s。2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。ns = V4di2ui = .7/(994.33600)0.7850.0221.3 615 (根)按單程管計算，所需的傳熱管長度為L = Sdons = 5803.140.025615 = 12.0(m)按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長L = 6.0(m)，則該換熱器管程數(shù)為NP = L/l = 12.0/6.0 = 2(管程)傳熱管總根數(shù)N = 6152 = 1230(根)3、

12、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。因為殼程流體壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距a = 1.25do，則a = 1.252532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離=a/2+6=32/2+6=22mm 則分程隔板槽兩側相鄰管中心距Sn = 44mm。橫過管束中心線的管數(shù)nc = 1.19N = 1. = 42(根)4、殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率= 0.7，則殼體內徑為：D = 1.05aN/ = 1.05/0.7 = 1408.5(mm) 圓整可取D = 1400 mm5、折流板采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼

13、體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h = 0.25D = 0.251400 = 350(mm)取折流板間距B = 0.3D = 0.31400 = 420(mm)折流板數(shù)NB = 傳熱管長/折流板間距-1 = 6000/420-1 = 14(塊)折流板圓缺面水平裝配。6、接管管程流體進、出口接管：取接管內循環(huán)水流速為3.0m/s，則接管內徑為：d = 4Vu = 4.7/(3600994.3)3.143.0 = 0.326(m)圓整取350mm。殼程流體進、出口接管：取接管內混合氣體流速為10.0m/s，則接管內徑為：d = 4Vu = 4/(360090)3.1410.0 = 0.299(m

14、)圓整取300mm。六、換熱器核算1、熱量核算1) 殼程對流傳熱系數(shù)。對圓缺形折流板，可采用凱恩公式：o = 0.36 de Reo0.55Pr1/3w0.14當量直徑，由正三角形排列得：de = 432a2-4do2do = 4320.0322-40.02520.025 = 0.020(m)流體通過管間最大截面積為：S = BD(1 doa) = 0.421.4(1 0.0250.032) = 0.1286(m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：uo = /(360090)0.1286 = 5.5(m/s)Reo = deu000 = 0.025.5900. = 普蘭特準數(shù)：Pr = cp =

15、 3.2971030.0279 = 1.773黏度校正 w0.14 1o = 0.36 0.02790.02 .551.7731/3 = 965 W/(m2)2) 管程對流傳熱系數(shù)i = 0.023 idiRei0.8Pr0.3管程流通截面積：Si = 4di2NNp = 40.022615 = 0.1932(m2)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui = .7/(3600994.3)0.1932 = 1.298(m/s)Rei = diuiii = 0.021.298994.30. = 34787.1普蘭特準數(shù)：Pr = cp = 4.1741030.624 = 4.96i = 0.023 0

16、.6240.0234787.10.84.960.4 = 5850.7 W/(m2)3) 對流傳熱系數(shù)K查表得，污垢熱阻Rsi = 0. m2/W，Rso = 0. m2/W在該條件下管壁（碳鋼）導熱系數(shù)= 50W/(m)K = 1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o = 10.70.02+0.0.0250.02+0.00250.025500.0225+0.+1965 = 549.0 W/(m2)4) 傳熱面積SS = QKtm = 10408.5.045.86 = 413.41(m2)該換熱器的實際傳熱面積Sp = doLn = 3.140.025(6.0-0.06)(1230

17、-42) = 554.23(m2)該換熱器的面積裕度為：H = (Sp-S)/S100% = (554.23-413.41)/ 413.41100% = 34.1%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。2、核算壓強降1) 管程壓強降pi = (p1 +p2)FtNpNs其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1設管壁粗糙度= 0.1mm，d = 0.120 = 0.005，Rei = 34787.1，查圖得= 0.033所以p1 = Ldu22 = 0.0336.00.02994.31.29822 = 8292.2(Pa)p2 = 3u22 = 3994.31.29822 = 25

18、12.8(Pa)pi = (8292.2+2512.8)1.42 = 30254 Pa 0.035M Pa管程壓降再允許范圍之內。2) 殼程壓強降po = (p1 +p2)FsNs，其中Fs = 1.15，Ns = 1殼程流通截面積：So = B(D-ncdo) = 0.42(1.4-420.025) = 0.147(m2)uo = /(360090)0.147 = 4.772(m/s)流體流經管束的阻力：p1 = Ffonc(NB+1)uo22 = 0.55.0-0.22842(14+1)904.77222 = 76039.3(Pa)流體流過折流板缺口的阻力：p2 = NB(3.5-2BD)

19、 uo22 =14(3.5-20.421.4) 904.77222 = 41604.4(Pa)總阻力：po = (76039.3+41604.4)11 = .7 Pa 0.2M Pa殼程壓降也在范圍之內。七、換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器形式固定板管式換熱面積/m2554.23工藝參數(shù)名稱物料名稱操作壓力/MPa操作溫度/流量/(kg/h)管程循環(huán)水0.4 29/39.7殼程混合氣體6.9110/60.0流體密度/(kg/m3)994.390.0流速/(m/s)1.2985.500傳熱量/kW10408.5總傳熱系數(shù)/ (W/m2)549.0傳熱系數(shù)/ (W/m2)5850.7965污垢系數(shù)/ (m2/W)0.0.壓力降/MPa0.0.程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格252.5管數(shù)1230管間距/mm32管長/mm6000殼體內徑/mm1400排列方式正三角形折流板形式上下間距/mm420切高/mm350八、列管式換熱器裝配圖（附后）九、設計評述固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊，本設計由于換熱任務較大，故管數(shù)較多。由于這種結構使殼側清洗困難，所以殼