管板式換熱器詳細設計

1、換熱器設計固定管板式浮頭式管殼式 u型管填料函1.換熱器選型說明1.1換熱器類型換熱器類型很多，按其用途分，有加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸 器。按其結構分，有列管式、板式等。不同類型換熱器，其性能各異。管型換熱器又可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器。板型 換熱器可分為螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翹式換熱器。換熱器的結構分類見下表：表1-1換熱器的結構分類剛性結構：用于管殼溫差較小的情況（一般<50° c）,管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫度補償能力，殼程只能 承受較低壓力管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難外填料函

2、：管間容易漏泄，不宜處理易揮發(fā)、易爆易燃及壓力較高的介質(zhì)內(nèi)填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場合殼體上都有個蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合，或固 定床反應器中能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝 器或預熱器螺旋盤浸沒式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝，或者管外流體的管式加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大 的液體間換熱螺旋板可進行嚴格的逆流操作，有自潔作用，可回收 低溫熱能板式傘板式傘形傳熱板結構緊湊，拆洗方便，通道較小， 易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能 太高擴展表曲式板翅式結構十分緊

3、湊，傳熱效率高，流體阻力大管翅式適用于氣體和液體之間傳熱，傳熱效率高，用 于化工、動力、空調(diào)、制冷工業(yè)回旋式盤式傳熱效率高，用于高溫煙氣冷卻等鼓式用于空氣預熱器等式固定格緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件室式非緊湊式可用于高溫及腐蝕性氣體場合1.2換熱器類型選擇換熱器選型時需要考慮的因素是多方面的，主要有：流體的性質(zhì)；熱負荷及流量大?。粶囟?、壓力及允許壓降的范圍；設備結構、材料、尺寸、重量；價格、使用安全性和壽命。在換熱器選型中，除考慮上述因素外，還應對結構強度、材料來源、制造條件密封性、安全性等方面加以考慮。1.3管殼式換熱器的分類與特點在眾多類型的換熱器結構中，管殼式換熱器是用得最廣泛的一種

4、換熱設備類 型。它的突出優(yōu)點是：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構 堅固，而且可以選用的結構材料范圍也比較寬廣，清洗方便，處理量大，工作可 靠，故適應性較強，操作彈性較大。它的設計資料和數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多 國家已有系列化標準，因而在各種換熱器的競爭發(fā)展中占有絕對優(yōu)勢。綜合考慮該類型換熱器的優(yōu)點和本次設計工藝的特點，大部分都采用的是管 殼式換熱器。管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定。它的型式大致分為固定 管板式、釜式、浮頭式、u型管式、滑動管板式、填料函式及套管式等幾種。表1-2管殼式換熱器的性能對比表種類優(yōu)點結構簡單、緊湊, 固定能承壓力高，造價低, 管板管程清

5、洗方便，管子 式 損壞時易于賭管或更換浮頭 管間和管內(nèi)清洗式 方便，不會產(chǎn)生應力缺點應用范圍耗用相對金屬費用kg/m2當管束與殼體不易結垢并能清的壁溫或材料的線洗，管、殼程兩側(cè)溫差膨脹系數(shù)相差較大1.0不大或溫差較大但殼側(cè)時，殼體和管束中將壓力不高的場合產(chǎn)生較大的熱應力30結構復雜，造價殼體和管束之間壁 比固定管板式20%,溫差較大或殼程介質(zhì)易設備笨重，耗材大，結垢的場合1.22 46對密封要求高結構比較簡單，u型價格便宜，承受能力 管式強結構較浮頭式簡 填料單，造價低，加工方 函式便節(jié)省材料管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困 難，管板上排列的管 子少殼壁溫差較大填料處易泄漏， 工作壓力，介質(zhì)及溫

6、度都受到限制介質(zhì)易結垢又不宜采用浮頭式和固定管板1.0146式的場合應用較少1.38 462.換熱器設計舉例本工藝主要分為三個部分：預處理反應部分、吸收部分和精儲部分。這三個 部分總共有26臺換熱器（換熱器，冷凝器，再沸器）。我們主要對吸收部分的 e0202換熱器做詳細設計。2.1設計任務和設計條件.本工藝流程中，丙烯月青分離塔t-106底側(cè)線出來的循環(huán)水經(jīng)給原料丙烯加熱 后，用液氨將其從69.62c進一步冷卻至4c之后，與新鮮循環(huán)水混合進入混合 器做為氫氟酸吸收塔t-103的吸收劑。設計條件表2-1 :介質(zhì)進口溫度（c）出口溫度（c）壓力(mpa流 量(kg/h)循環(huán)水69.6240.132

7、414351液氨-25-24.360.1782.2確定設計方案2.2.1 選擇換熱器類型兩流體溫差變化情況：熱流體（循環(huán)水）進口溫度 69.62 c,出口溫度4c； 冷流體（液氨）進口溫度-25 c,出口溫度-24.36 c。兩流體均不易結垢且能夠清洗，管、殼側(cè)溫差較大，綜合考慮，初步確定選用固定管板式換熱器。2.2.2 流程安排從兩流體的進、出口溫度來看，熱流股（循環(huán)水）屬于被冷卻介質(zhì)，為 了方便散熱，宜走殼程；考慮到冷流股（液氨）對管道具有一定的腐蝕作用，為 了避免殼體和管束同時被腐蝕，宜走管程。2.3確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于低粘度液體液氨和水，其定性溫度可以取流體進出口溫度的 平均值。

8、故 殼程流體的定性溫度為：t殼=69.62+ 4 c =36.81 c2管程流體的定性溫度為：t管=-25 + （-24.36） c =-24.68 c2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)表2-2物性液氨（管程）循環(huán)水（殼程）溫度（c）-24.6836.81密度 p (kg/m3)671.371221.72定壓比熱容cp （kj/kg k）5.0755.12熱導率入（w/m- k）0.57850.7578黏度?。╬as）0.37*10-40.78*10-32.4估算傳熱面積在熱損失可以忽略不計的條件下，對于無相變的工藝物流，由傳熱基本方程式q=kaa tm來估算傳熱面積。1 .

9、傳熱量q=whcpht =414351 父 5.12 父（69.62-4） =1.39*10 8 （kj/h） =38611.1kw2 .液氨量wc= q =1.39*108=4.28*107 (kg/h)cpc(t2 -t1)5.075*(/4.36 25)3 .平均傳熱溫差循環(huán)水 69.62c - 4c液氨-25 c - -24.36c溫差94.62 c28.36ca tm = " 一 寸2 = 94.62 -28.36 =54.99c (以逆流計)1, 94.62ln 1in-.t228.36r=熱流體的溫降冷流體的溫升計算溫差校正系數(shù)e at,首先得算出r和p,再按溫差校正系

10、數(shù)圖查取&at值=102.53=t1 -t269.62 - 4t2 -t1 - - 24.36 - (- 25)p_ 冷流體的溫升_t2 -t1 -24.36-(-25nncqp=0.0068兩流體最初溫差ti -t169.62-(- 25)按單殼程，雙管程結構，查溫差校正系數(shù)圖得：& at %0.98所以 平均傳熱溫差：atm = £ atat.m =54.99*0.98=53.89c4 .估算傳熱面積參照熱交換器的總傳熱系數(shù)概算值表，假設總傳熱系數(shù)k=780w/(m2k)8_則所需傳熱面積為：a= q =1.39 10= 918.6 (m2)ktm 3.6*53.

11、89*780取安全系數(shù) 1.04,貝uap=918.6*1.04= 955.3 (m2)2.5工藝結構尺寸1 .管徑和管內(nèi)流速選用25x2.5的16mn材質(zhì)的傳熱管，取管內(nèi)流速為 u=1.15m/s.2 .管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)，管長 l取12m管子根數(shù)：n = -a- 二 一9553一 980.2取981根二 dol 二 0.025 12按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取換熱管長l=6m.則該換熱器的管程數(shù)為：np=l = 12=2 (管程)l 6傳熱總管數(shù)：n t=981 2=1962 (根)3 .平均傳熱溫差校

12、正與殼程數(shù)溫差校正系數(shù)e at與流體的進出口溫度有關，也與換熱器的殼程數(shù)及管程數(shù)有 關。首先得計算出r和p,再按溫差校正系數(shù)圖查取& at®,得：& at *0.98 由于c at r= 0.98 )0.8,同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4 .傳熱管排列及管心距采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。因為正三角形排列在相同的管板面積上可排較多的管子，并且管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 較大；正方型排列，管外易于進行機械清理。綜合考慮組合排列的優(yōu)點和該換熱器的特點，傳熱管采用組合排列法。取管心距a=1.25do則管心距為：a=1.25x 25=31.

13、2532mm隔板中心到離其最近一排管中心距離為：s= a+6=32+6=22 (mm)22各程相鄰管的管心距為：2s=2m22mm=44mm通過管中心線管數(shù)：ntc=1.1 . nt =1.11962 =48.75 .殼體內(nèi)徑采用多管程結構，殼體內(nèi)徑可按下式計算，取管板利用率 q=0.80,則殼體 內(nèi)徑為：d=1.05a 31 =1.05 父32黑;1962 =1664.0 (mrm 0.80按卷制殼體的進級檔，圓整可取 d=1700mm6 .折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%。(1)切去的圓缺高度為：h=0.25d=0.251700mm=425(mm)(2)取折流板

14、間距為：b=0.20d=0.201700mm=390 mm按標準圓整后取b=450mm(3)折流板數(shù)nb:nb=傳熱管長折流板間距-1 = 6000-1 定12.3 取 13（塊） 450折流板圓缺面水平裝配。不設旁流擋板，nb0=0.7.拉桿(1)拉桿直徑表2-3:換熱管外徑/mm1014192532384557直徑/mm1012122616161616換熱管的外徑為25mm,所以拉桿直徑為16mm拉桿數(shù)量表2-4:、公福 牡mm)<400>400<700>700<900>900<1300>1300<1500>1500<180

15、0>1800<200010461012161824124481012141816446681012拉桿數(shù)量：查拉桿數(shù)量與殼體公稱直徑表，本換熱器殼體內(nèi)徑為1700mmi桿直徑, 二16mm所以拉桿數(shù)量為10.(3)拉桿尺寸拉桿的長度=la +d+lb，如下表2-5 的標準:拉桿直徑d/mm拉桿螺紋公稱直徑dn/mmla /mmlb/mm管板上拉桿孔深 ld /mm101013至4016121215至5018161620>6020從表中可以得到：直徑d=16mm勺拉桿；拉桿螺紋公稱直徑dn=16mm;管板上拉桿孔深 ld=20mm; l b _ 60mm. la =20mm拉桿

16、長度=la d+lb _96mm拉桿與管板的固定形式：全焊接方法8 .防沖擋板：液體物料 pu2 =1221.72 父2.5 2 =7635.6kg/(m.s 2)>740 kg/(m.s 2),要設置防沖擋板。9 .接管(1)殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體的流速為ui=2.5m/s,則接管內(nèi)徑為:4 vh4 414351 (3600 1221.72)di= _vh = : m=0.219 m=219mm,：'. 1二 2.5圓整后可取管內(nèi)徑為250mm.(2)管程流體進出口接管：取接管內(nèi)流體的流速為u2=2.65m/s則接管內(nèi)徑為:4vc4 4.78 107 (3600 67

17、1.37)d2=vc = m= 0.951m=951mm二. 2二 2.65圓整后可取管內(nèi)徑為1000mm10 .管板結構根據(jù)：殼體的內(nèi)徑為1700mm,圓整后的公稱直徑為1800mm；操作壓力=0.132mpa,定性溫度=36.81 c查固定管板式換熱器管板尺寸得到有關尺寸：固定管板長度 d=1960mm; d 1=1910mm;d2 =1790mm; d3=1798mm;d 5=d 6=1800mm; d 7 =1850mm; b=50mm; c=14mm; d=27mm螺栓孔數(shù)=64個.11 6換熱器核算2.6.1熱流量核算1.殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a 0用克恩法計算：36工小.當量直徑:de

18、do/32 3.1424(0.032 一一 0.025 )243.14 0.025=0.02m （三角形排列）殼程流體流通截面積:so=bd(1 - °-)=0.45x1.7xa(1_些5)=0.167m20.032殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為:流速uo= wh 414351 (3600 x1221.72) _0 564m/sso0.167雷諾數(shù)re0 = du： 0.020.564 1221.72 r c17667.90.00078普朗特常數(shù):pr=cp5.12 103。00078 =5.270.7578黏度校正:()0.140.00078 o.14. “=()=1.080.0004

19、5殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為:0(0 =0.36 re00.55 pr13(de口 0.14 丁)w0 75780=1 一o 。一= 0.36(17667.9)0 (5.27) 3 1.08 =5556.6w/(m2 c)0.022.管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積:si =二 2di n43.1422(0.02)981 =0.308m管程流體流速及雷諾數(shù):7流速 ui = wc = 4.28 父10 (3600 m671.37) = 0 575m/ ssi0.308甫法斯ra-du:0.02 0.575 671.37田循奴rei =2086690.50.000037普朗特常數(shù)：cp5.075 10

20、3 0.0000370.5785pr= = =0.325管內(nèi)表傳熱系數(shù)為:.i _ 0.8 _ 0.4,0.5785八一、0.8，/ 一 _0.42 、ai =0.023 re pr =0.023(20866905) (0.325 =482304w/(m .k)3.污垢熱阻和管壁熱阻查取污垢系數(shù)表，可取管外側(cè)污垢熱阻：ro=0.0006m2.k/w管內(nèi)測污垢熱阻：ri=0.000172 m2.k/w溫度/c0100鋁227.95227.95銅383.79379.14鍥93.0482.57碳鋼52.3448.58不銹鋼16.2817.45表2-5常用金屬材料的熱導率/w/(m.k)16mndg在

21、該條件下的熱導率近似為 50 w/(m k)管壁熱阻：rw= = 0.0025=0.00005 (m2.k/w)w 50b傳熱管壁厚，m；入m管壁熱導率，m.k/w.4.總傳熱系數(shù)koko1 1"dr_d0rd1 :0.025c0.025 0.0005 0.025 5 f+r +r + +0.000172+0.0006 +二 idididm1 048230.4 0.020.020.02255556.6二855w /(m2.k)5傳熱面積裕度傳熱面積ac為:a _ q1.39 1082ac= = 837.99mko tm 855 53.89 3.6換熱器的實際傳熱面積為：ap = -：

22、d0ln 引00.025 6 1962-924.1m2傳熱面積裕度；：h= ap-ac = 924.1 837.99 =10.28%ac837.99傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠為完成生產(chǎn)任務2.6.2 壁溫核算 管、殼側(cè)(re=2086690.5>400o、( re=13626.9>400。均為湍流。殼側(cè)熱流股的平均溫度：tm=0.4ti+0.6t2=0.4 x69.62+0.6 x 4=30.248 c管側(cè)冷流股的平均溫度：tm=0.4t 2+0.6t 1=0.4 x (-24.36) +0.6父(-25) =-24.744ca c=a i =48230.4 w/(m2.k)a

23、 h=a 0=4816.96 w/(m2.k)傳熱管平均壁溫：t= tm ；% +tmdh = 30.248 48230.4 +(-24.744)/4816.96 =-19.75 c1 ： c 1 ： h1 48230.4 1 4816.96殼體壁溫：可近似取為殼程流體的平均溫度，即t=6962+4=36.81 c2殼程溫差與傳熱管壁溫之差為：at=t-t=36.81- (-19.75) =56.56c該溫差較大，因此需設置溫度補償裝置。2.6.3 換熱器內(nèi)流體的流動阻力1.管程流體阻力管程流體的阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力之和，即a pt= (api+apr) nsnp

24、fs式中 api單程直管阻力；ns殼程數(shù)；apr局部阻力；np管程數(shù)；fs管程結構校正系數(shù)，可近似取1.5. ns=1；np=2;由re=2086690.5,傳熱管相對粗糙度 9 = 02=0.01,d 20查莫狄圖得入i=0.036.流速 u=0.575m/s, p =671.37kg/m3單程直管阻力：,pi =0.036 2 671.37(575)2 =1198.6pa d 20.022局部阻力:-.22pr =之 區(qū)=3 父 671 .37 m (0.575) = 332 .96 pa (一般情況取 ，=3) 22管程流體的總壓力損失：apt= ( api+apr) nsnpfs= (

25、1198.6+332.96)父"2m1.5 pa=4594.68pa2殼程阻力殼程阻力計算公式：a ps= (api+apr) nsfs(ns=1;fs=1.15)流體流經(jīng)管束的阻力：小二fmnenb 1)02f 管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列f=0.5f0 殼程流體的摩擦系數(shù)，當 re>500時，f。= re。©228;ntc橫過管束中心線的管子數(shù)；nb 折流擋板數(shù)；no按殼程流通截面積計算的流速(m/s) , u0 =wha。a。= b(d - n tc d。)= 0.45(1 .7 - 490.025 ) - 0.214 m 2wh 414351

26、 (671.37 3600)2u。=0 0 0.801ma00.214管束阻力為：麗=ff°ntc(nb + 1)% =0.5 工 17667.9 9228 父 49 m ( 13+1 ) 2,2671.37 0.8012=7945.7 pa2流體流過折流板缺口的阻力：2b、：u；2 0.45、671.37 (0.801)2lpr =nb(3.5) 匕=13 (3.5) =8317.3.pad 21.72殼程總阻力：aps= (api + apr) nsfs= (7945.7+8317.3)父 1 父 1.15=18702.45 pa表2-6列管換熱器允許阻力范圍操作壓力/pa允許壓力/pap<105