列管式換熱器課程設計說明書

1、 工學院課 程 設 計 說 明 書 課程名稱：化工原理課程設計設計題目：列管式換熱器院 系：化學與環(huán)境工程學院專業(yè)班級：高分子材料與工程10-1班 2012年11月16日設計題目 列管式換熱器學生設計要求：（1） 處理能力:5×105 t/a熱水（2）操作條件: 熱水:入口溫度80,出口溫度60. 冷卻介質:循環(huán)水,入口溫度30,出口溫度40. 允許壓降:不大于105Pa. 每年按300天計算,每天24小時連續(xù)運行.學生應完成的工作：(1) 根據(jù)換熱任務和有關要求確認設計方案;(2) 初步確認換熱器的結構和尺寸;(3) 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力;(4) 確認換熱器的工藝結構。參

2、考文獻閱讀：化工容器與設備、化工原理、化工容器與設備、化工單元過程與設備課程設計、熱交換器設計手冊、換熱原理與計算工作計劃： 本次課程設計兩周時間，第一周主要對換熱器全面了解后進行換熱器特性參數(shù)的有關計算，第二周按照自己的計算的有關參數(shù)進行換熱器結構的繪制工作。任務下達日期：2012年11月05日任務完成日期：2012年11月16日 指導老師（簽名）： 學生（簽字）：列管式換熱器設計摘要通過對列管式換熱器的設計，首先要確定設計的方案，選擇合適的計算步驟。查得計算中用到的各種數(shù)據(jù)，對該換熱器的傳熱系數(shù) 傳熱面積 工藝結構尺寸等等要進行核算，與要設計的目標進行對照是否能滿足要求，最終確定換熱器的結

3、構尺寸為設計圖紙做好準備和參考，來完成本次課程設計。關鍵字 換熱器標準 方案 核算 結構尺寸目 錄一.概述.6二.方案的設計與擬定.6三.設計計算.9 3.1確定設計方案.9 3.1.1選擇換熱器的類型.9 3.1.2流動空間與流速的測定.9 3.2確定物性數(shù)據(jù).9 3.3計算總傳熱系數(shù).10 3.3.1熱流量.10 3.3.2平均傳熱溫差.11 3.3.3冷卻水用量.11 3.4計算傳熱面積.11 3.5工藝結構尺寸.12 3.5.1管徑與管流速.12 3.5.2管程數(shù)與傳熱管數(shù).12 3.5.3傳熱管排列和分程方法.12 3.5.4殼體徑.13 3.5.5折流板.13 3.5.6接管.13

4、 3.6換熱器核算.14 3.6.1熱量核算.14 3.6.1.1殼程對流傳熱系數(shù).14 3.6.1.2管程對流傳熱系數(shù).15 3.6.1.3傳熱系數(shù)K.15 3.6.1.4傳熱面積S16 3.6.2換熱器流體的流動阻力 16 3.6.2.1管程流動阻力.16 3.6.2.2殼程阻力.17 3.6.2.3換熱器的主要結構尺寸和計算結果.18四設計小結.19五. 心得收獲.20六參考文獻.21一.概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣

5、泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。二.方案設計和擬訂根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設計列管式換熱器中的固定管板式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質，判斷其是否易結垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷水走管程，熱水走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管流速，確定傳熱管

6、數(shù)，標準傳熱管長為3m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以與殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設計步驟，計算出殼體徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果在設計圍就能完成任務。根據(jù)固定管板式的特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。U形管式特點：結構簡單，質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。浮頭式特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應

7、力，應用普遍。我們設計的換熱器的流體是冷熱水，不易結垢，再根據(jù)造價低，經(jīng)濟的原則我們選用固定管板式換熱器。根據(jù)以下原則：(1) 不潔凈和易結垢的流體宜走管，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3) 壓強高的流體宜走管，以免殼體受壓。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于與時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管，因管程流通面積常小于殼程，且可

8、采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。我們選擇冷水走管程，熱水走殼程。流體流速的選擇：增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子

9、或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中，根據(jù)表換熱器常用流速的圍，取管流速。管子的規(guī)格和排列方法：選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過前面介紹的流速圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有25×2.5mm與19×2mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇 25×2.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便與合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。

10、此外，管長和殼徑應相適應，一般取L/D為46(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設計中，管長選擇3m。管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等，等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；一樣的殼徑可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當?shù)靥岣?。在這里選擇三角形排列。 管子在管板上排列的間距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通

11、常，脹管法取t=(1.31.5)do，且相鄰兩管外壁間距不應小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25do。 管程和殼程數(shù)的確定  當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大致相等。根據(jù)計算，管程為2程，殼程為單程。折流擋板：安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度

12、，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼徑的1040，一般取2025，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼徑D的(0.21)倍。系列標準中采用的h值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。這次設計選用圓缺形擋板。換熱器殼體的徑應等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標準中查出外殼的直徑。主要構件的選用：  （1）封頭&#

13、160;封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑 的殼體。 （2）緩沖擋板 為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設緩沖擋板。（3）導流筒 殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角)，為了提 高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 （4）放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 （5）接管尺寸 換熱器中流體進、出口的接管直徑由計算得出。最后材料選用：列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度與

14、流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能與耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度與耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺，應盡量少用。這里選用的材料為碳鋼。三.設計計算3.1確定設計方案3.1.1 選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度80，出口溫度60；冷流體（循環(huán)水）進口溫度32，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，熱流體為熱水，為不易結垢和清潔的流體。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，因此初步

15、確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。3.1.2 流動空間與流速的測定由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用25×2.5的碳鋼管，根據(jù)表三管流速取u i=1.9m/s。.3.2確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 殼程熱水的定性溫度為 T=70（） 管程流體的定性溫度為 t=35 () 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)。 水在70下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 定壓比熱容） 導熱系數(shù) =0.6676W/()黏度 循環(huán)冷卻水在36下的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱容） 導熱系數(shù) 黏度 3.3計算總傳熱系數(shù)3.3.1 熱流量=69

16、444(kg/h)5815240.56KJ/h=1653.446Kw3.3.2 平均傳熱溫差3.3.3 冷卻水用量總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù).假設殼程傳熱系數(shù)w/(m²,0.000172/w，=0.000172m²/w,則 總傳熱系數(shù)為：3.4計算傳熱面積 S=Q/Ktm=44.5m²考慮到15%的面積裕度S=1.3S=57.85m²3.5工藝結構尺寸3.5.1 管徑和管流速選用傳熱管(碳鋼),取管流速3.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計算,所需的傳熱管長度為 按單程管設計,傳熱管過程,宜采用多管程結構?，F(xiàn)

17、取傳熱管長， 則該換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)平均傳熱溫差校正與殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程, 2管程結構,溫差校正系數(shù)應查附圖六對數(shù)平均溫度校正系數(shù)。 但的點在圖上難以讀出，因而相應以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線， 可得 平均傳熱溫差3.5.3 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則橫過管束中心線的管數(shù)3.5.4 殼體徑采用多管程結構,取管板利用率0.75,則殼體徑為 圓整可取3.5.5 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體徑的25%,則切去的圓缺高度為, 故可取。 取折流板間距0.3D 則0.3

18、5;450=135mm 可取B為150mm。 折流板數(shù) 6000/150-139（塊） 折流板圓缺面水平裝配。3.5.6 接管殼程流體進出口接管:取接管熱水流速為u=2.2m/s為 取標準管徑為108mm。 管程流體進出口接管：取接管循環(huán)水流速，則接管徑為 取標準管徑為120mm。3.6換熱器核算3.6.1 熱量核算3.6.1.1 殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板,可采用克恩公式 當量直徑,由正三角形排列得m 殼程流通截面積m² 殼程流體流速與其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準數(shù) 粘度校正3.6.1.2 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 管程流體流速與其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準數(shù)3.6.1.3 傳

19、熱系數(shù) K3.6.1.4 傳熱面積 S 該換熱器的實際傳熱面積 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度適宜,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務3.6.2 換熱器流體的流動阻力3.6.2.1 管程流動阻力 , , 由，傳熱管相對粗糙度，查圖摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)與相對粗糙度的關系得，流速， 所以 管程流動阻力在允許圍之。3.6.2.2 殼程阻力 , 流體流經(jīng)管束的阻力1414， 流體流過折流板缺口的阻力，總阻力 殼程流動阻力也比較適宜。3.6.2.3 換熱器主要結構尺寸和計算結果 換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表。換熱器型式：固定管板式管口表換熱面積：55.955符號尺寸用途連接型式工藝參數(shù)a循環(huán)水出口平面名稱

20、管程殼程b熱水入口平面物料名稱冷水熱水c排氣口凹凸面操作壓力,0.80.8d f放凈口凹凸面操作溫度,30/4080/60e熱水出口凹凸面流量,142740.3269444g循環(huán)水入口凹凸面流體密度，kg/m3993.6977.8管數(shù)134管長，mm6000流速，m/s1.91.336管間距32排列方式正三角形傳熱量，kW1653.446間距150mm管子規(guī)格25*2.5總傳熱系數(shù)，W/m2·1135.1殼體徑450mm折流板型式 上 下對流傳熱系數(shù)，W/m2·80387239.77污垢系數(shù)，m2·K/W0.0001720.000172保溫層厚度，mm阻力降，MP

21、a0.08891920.08200598程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼四.設計小結在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。  

22、;由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體。    流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管流體速度,可在兩端管箱設置隔板，將全部

23、管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。 由于管外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器將產(chǎn)生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。進行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：不潔凈和易結垢流體宜走管程，因管清洗較方便；腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時受腐蝕；壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；飽和蒸汽

24、宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無關,且冷凝液容易排出；若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應力。固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較在一樣直徑下面積較大，制造較簡單，最后一道殼體與管板的焊縫無法檢測。它的優(yōu)點是：（1）傳熱面積比浮頭式換熱器大20%30%；（2）旁路漏流較小；（3）鍛件使用較少，成本低20%以上；（4）沒有漏。它的缺點； （1）殼體和管子壁溫差t<50,當t>50時必須在殼體上設置膨脹節(jié)；（2）管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應力而損壞；（3）殼程無法機械清洗；（4）管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，相對較低；（5）殼程不適用于易結垢場合。通過此次設計，了解了很多關于換熱器的知識，如換熱器的選型，換熱器結構和尺寸的確定，以與計算換熱器的傳熱面積和流體阻力等等。最最重要的是我深刻認知做設計計算時要非常認真，因為一不留神就會出錯，如果前面錯了沒發(fā)現(xiàn)，后面就全錯,這是設計中的禁忌。還有，雖然換熱器的設計比精餾塔的簡單很多，但是還是要付出努力才可以的。同時，也要感老師與同學的互相幫助。五.收獲與致化工原理課程設計是培養(yǎng)個人綜合運用本門課程與有關課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓