化工原理課程設計之列管式換熱器設計步驟

21一月20231列管式換熱器設計化工原理課程設計21一月20232設計題目擬用200KPa的飽和水蒸氣將常壓下20℃的苯加熱到80℃①苯的質量流量為50t/h—單號②苯的質量流量為40t/h－雙號試設計一列管式換熱器已知倉庫中現(xiàn)有Φ25×2.5mm，長6m的碳鋼鋼管

21一月20233設計內容設計說明書布管圖187

169

127裝配圖187

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21一月20234設計說明書封面目錄設計任務書前言設計計算過程附表及相關機械元件尺寸設計說明21一月20235設計步驟一、確定定性溫度、物性數(shù)據(jù)二、換熱器的類型及流體走向三、工藝計算四、換熱器尺寸的初步確定五、校核計算六、進出口管徑七、校核流體壓力降21一月20236一、確定定性溫度、物性數(shù)據(jù)苯的物性數(shù)據(jù)t1、t2、tm、ρ２、CP2、μ2、λ2

水蒸汽的物性數(shù)據(jù)Ts、ρ１、γ１同溫度下水的物性ρ、μ、λ21一月20237二、換熱器的類型及流體走向臥式固定管板式換熱器水蒸汽走殼程，苯走管程不需要進行熱補償不需要加折流擋板

21一月20238三、工藝計算1、熱負荷即傳熱速率Q2、平均溫度差Δtm3、選K值，估算傳熱面積A初21一月202391、熱負荷即傳熱速率Q21一月2023102、平均溫度差Δtm

由于水蒸汽側的溫度不變，因此可以把兩流體的平均溫度差看作是逆流來計算（雙管程）21一月2023113、選K值，估算傳熱面積A初

根據(jù)條件K值在580～1160W/m2·℃（K＝680W/m2·℃）選用安全系數(shù)Φ＝1.15～1.25A初＝ΦA’

21一月202312四、換熱器尺寸的初步確定確定管程結構尺寸殼程設計數(shù)據(jù)換熱器長徑比21一月2023131、確定管程結構尺寸管子規(guī)格初步設計總管數(shù)校核流速、確定管程管間距及排列方式21一月202314（1）管子規(guī)格庫存Φ25×2.5mm，L＝3.0m的光滑碳鋼鋼管取管內苯的流速為u0

（0.60m/s）

——苯系易燃易爆物流速一般低于1m/s21一月202315（2）初步設計總管數(shù)n”

根———三角形排列管數(shù)，3a2+3a+1圓整n”

21一月202316127布管圖21一月202317169布管圖21一月202318187布管圖21一月202319（3）校核流速、確定管程

管程（一般雙管程）21一月202320（4）管間距及排列方式管間距t＝（1.25～1.3）d0采用三角型排列根據(jù)總管數(shù)n”確定層數(shù)a，是否弓形排管，確定NT最外層六角形對角線上管數(shù)

NTb＝2a+1采用脹管法排列

21一月2023212、殼程設計數(shù)據(jù)

殼體內徑

D＝t（NTb－1）+2b’t－管間距NTb－最外層六角形對角線上管數(shù)b’－六角形最外層管中心到殼體內壁距離，取b’＝（1～1.5）d0

殼體內徑標準圓整到ΦD×δmm21一月202322中心拉桿n3根直徑Φ12mm雙管程隔板少排NTb根實際管數(shù)n＝NT－NTb－n3雙管程，每程n/2根排列管子實際流速u，與初設苯流速u0

校核21一月2023233、換熱器長徑比

確定長徑比的取值范圍21一月202324五、校核計算

1、校核總傳熱系數(shù)K值2、校核壁溫TW

3、校核傳熱面積A

21一月2023251、校核總傳熱系數(shù)K值

管內對流傳熱系數(shù)α2管外對流傳熱系數(shù)α1

污垢熱阻及管壁熱阻

21一月202326（1）管內對流傳熱系數(shù)α2

被加熱

21一月202327（2）管外對流傳熱系數(shù)α1

n為水平管束垂直列上的管數(shù)弓形排管n＝8，弓形不排管n＝7假設管外壁溫TW（115.6℃）

21一月202328（3）污垢熱阻及管壁熱阻苯側污垢熱阻RS2＝1.76×10-4m2·℃/W蒸汽冷凝污垢熱阻相對比較小，水蒸汽側污垢熱阻可以忽略不計，碳鋼鋼管的導熱系數(shù)λ＝45W/m2·℃

21一月202329（4）校核K值

以外表面計算：

計算K值與原設值K初比較使相對誤差<5%21一月2023302、校核壁溫TW

結果與原假設值TW校核

——（TW＝115.6℃）21一月2023313、校核傳熱面積A水蒸汽側Ts不變，一殼程雙管程換熱器平均溫度差與逆流平均溫度差相等。21一月202332實際所需面積

實際提供面積

余度

21一月202333六、進出口管徑

苯進口管、出口管水蒸汽進口管徑冷凝水排出口

21一月2023341、苯進口管、出口管

取進口流速u1＝1m/s進口直徑選用無縫熱軋鋼管（YB231-64）（Φ150×4.5mm，長200mm）

21一月2023352、水蒸汽進口管徑

蒸汽用量

—富裕量3％蒸汽體積流量V＝Gν取蒸汽流速u’＝20m/s

選用無縫熱軋鋼管（YB231-64）（Φ219×6mm，長200mm）

21一月2023363、冷凝水排出口選用水煤氣管Φ42.25×3.25mm，長100mm21一月202337七、校核流體壓力降

管程總壓力降殼程壓力降

殼程是飽和水蒸汽冷凝，阻力很小，不校核其壓力降。

21一月202338管程總壓力降（P272）總壓力降計算公式每程直管壓力降

每程局部阻力引起的壓降

校核ΔPt<3.0×104Pa

21一月202339——

管內徑;——

管長——管程結垢校正系數(shù)，三角形為1.5，正方形為1.4；

——殼程數(shù)，1；

——一殼程的管程數(shù)，2。參數(shù)說明21一月202340λ計算取ε＝0.2mm，ε/d=0.01

查圖可知λ21一月202341八、換熱器尺寸及附屬部件

管間距：t＝32.5mm殼體直徑：Φ600×10mm，內徑D＝580mm殼體材料：碳素鋼A3F，鋼板卷焊管子尺寸：Φ25×2.5mm，L＝3.0m，n＝164根，雙管程

布管圖見圖紙2-2。21一月2023426、管板(1)管板材料：選用碳素鋼A4。(2)管子在管板上的固定方法：焊接(3)管板尺寸：Pg＝16kgf/cm2，

(4)管板與殼體的連接：采用法蘭連接，拆開頂板可檢修或清理管內污垢。21一月202343（5）管板與分程隔板的連接:采用單層隔板，隔板材料與封頭材料一致，厚度s＝10mm。21一月2023447、封頭與管箱

封頭與管箱位于殼體的兩端。（1）封頭的選擇：選用橢圓形封頭，Dg600×10mmGB1154－73（2）封頭尺寸：曲面高度150mm，直邊高度40mm管程接口管與封頭為焊接，封頭與殼體為法蘭連接，法蘭尺寸與上同。

21一月202345管程進出口接管直徑：選用無縫熱軋鋼管（YB231-64）Φ152×4.5mm長200mm。支座的公稱直徑Dg600mm，每個支座承受的載荷為36.8噸，材料采用A3F碳素鋼；采用鞍形安裝。整個換熱器采用臥式安裝，安裝圖見圖紙2－1。

21一月202346九、參考資料

《化工原理》上冊化學工業(yè)出版社，譚天恩主編，1990年?！痘A化學工程》上?？茖W技術出版社，編寫組，1980年。

21一月202347十、對一些問題的說明

列管式換熱器是目前化工生產中應用最廣泛的一種換熱器，它的結構簡單、堅固、容易制造、材料范圍廣泛，處理能力可以很大，適應性強。但在傳熱效率、設備緊湊性、單位傳熱面積的金屬消耗量等方面還稍次于其他板式換熱器。此次設計所采用的固定管板式換熱器是其中最簡單的一種。

21一月202348由于水蒸汽的對流傳熱系數(shù)比苯側的對流傳熱系數(shù)大得多，根據(jù)壁溫總是趨近于對流傳熱系數(shù)較大的一側流體的溫度實際情況，壁溫與流體溫度相差無幾，因此本次設計不采用熱補償裝置。

21一月202349Thanks