化工原理课程设计固定管板式换热器的设计

化工原理课程设计课题名称 固定管板式换热器的设计 专业班级 食品091班 学生姓名 学 号 指导老师 程谦伟 2011年12月固定管板式换热器设计任务书一、设计题目：煤油冷却器的设计（6人/组）二、设计任务1.煤油处理能力： 12万吨/年煤油2.设备形式：固定管板式换热器3.操作条件： 煤油：入口温度120，出口温度40 冷却介质：循环水，入口温度30，出口温度40 允许压降：不大于105Pa 每年按330天计，每天24小时连续运行3、 设计要求1. 根据换热任务设计确定设计方案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5. 进行设备结构图的绘制（A1图纸）6. 编写设计说明书7. 小组组员分工合作。目录一、概述51.换热器的选择及特点52.通过壳程、管程流体的确定53.流速的确定64.管子的规格和排列方法65.管程和壳程数的确定66.折流挡板77.最后材料选用78.其他构件的选用 7二、确定设计方案8三、确定物性数据8四、计算总传热系数91.热流量92.平均传热温差93.冷却水用量94.总传热系数K9五、计算传热面积10六、工艺结构尺寸101.管径和管内流速102.管程数和传热管数113.平均传热温差校正及壳程数114.传热管排列和分程方法125.壳体内径126.折流板127.接管13七、换热器计算131.热量核算13（1）壳程对流传热系数13（2）管程对流传热系数14（3）传热系数K15（4）传热面积S152.换热器内流体的流动阻力16（1）管程流动阻力16（2）壳程阻力16八、换热器主要结构尺寸和计算结果17膨胀节18壳体壁厚18封头设计18鞍座18拉杆的直径和数量18九、设计小结18十、文献参考19十一、主要符号说明20十二、附录21表1.流体的污垢热阻21表2.流体的污垢热阻21表3. 管壳式换热器中常用的流速范围21表4.某些工业管材的绝对粗糙度21表5.GB-151-199922表6.拉杆直径的选取22表7.拉杆数量22图1.对数平均温差校正系数23图2.关系24一、概述根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，冷流体走管程，热流体走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为6m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。1.换热器的选择及特点在设计任务书中，老师已明确的给出换热器是固定管板式。经查阅资料，固定管板式具有以下特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的流体，比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。该换热器用循环水冷却，其进口温度为30，出口温度为40；热流体煤油的进口温度为120，出口温度为40。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用不带膨胀节的固定管板式换热器2.通过壳程、管程流体的确定通过壳程、管程流体的确定应根据以下原则：(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。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，煤油走壳程。3.流速的确定增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速。4.管子的规格和排列方法选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。在这里，我们选择列管式换热器系列标准中的252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取l/D为46(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择6m。管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等。等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。在这里选择等边三角形排列。 5.管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。6.折流挡板安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切缺率通常为20%50%，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)B为外壳内径D的(0.21)倍。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。7.最后材料选用列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢8.其他构件的选用 （1）封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径的壳体。（2）缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。（3）导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。 （4）放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。 （5）接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。二、确定设计方案1. 该换热器用循环水冷却，其进口温度为30，出口温度为40；热流体煤油的进口温度为120，出口温度为40。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小，选用不带膨胀节的固定管板式换热器。2. 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，煤油走壳程。3. 选用252.5传热管（碳钢），取管内流速ui=1.0 m/s三、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值壳程煤油的定性温度为管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程的有关物性数据。煤油在80下的物性数据循环冷却水在35下的物性数据密度0=812 kg/m3密度i=994.1 kg/m3定压比热容cpo=2.28 kJ/(kg)定压比热容cpi=4.175 kJ/(kg.)导热系数o=0.141 W/(m)导热系数i=0.624 W/(m.)粘度o=0.00084 Pas粘度i=0.000725 Pa.s四、计算总传热系数1.热流量2.平均传热温差 ()3.冷却水用量4.总传热系数K管程传热系数 W/(m2)壳程传热系数假设壳程的传热系数0=300 W/(m2)根据附录中表1.和表2.流体的污垢热阻可得污垢热阻Rsi=0.000344 m2/WRso=0.000172 m2/W管壁的导热系数=45 W/(m) =234.86 W/(m2)五、计算传热面积考虑15%的面积裕度， 六、工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用252.5传热管（碳钢），根据附录中表3.管壳式换热器中常用的流速范围,取管内流速ui=1.0 m/s2.管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 （根） 按单程管计算，所需的传热管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m，则该换热器管程数为（管程）传热管总根数（根）3.平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正及壳程数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查附录中图1.对数平均温差校正系数。但R=8的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R,PR代替P，查同一图线，可得 =0.83平均传热温差4.传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25do，则横过管束中心线的管数（根）5.壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为圆整可取D=650 mm。6.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板的切缺率为25%，则切去的圆缺高度为h=0.25650=162.5(mm),故可取h=160mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3650=195(mm)，可取B为200mm。折流板数 (块)折流板圆缺面水平装配。7.接管壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u=1.0m/s，则接管内径为 取标准管径为80mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为 取标准管径为130mm。七、换热器计算1.热量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正W/(m2)（2）管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速雷诺数普兰特准数W/(m2)（3）传热系数K =356.21 W/(m2)（4）传热面积S该换热器的实际传热面积Sp、该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力根据附录中表4.某些工业管材的绝对粗糙度可得，传热管的绝对粗糙度=0.1，所以相对粗糙度由，查附录中图2.关系图可得， W/(m) 管程流动阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程流动阻力也比较适宜。八、换热器主要结构尺寸和计算结果固定管板式换热器规格尺寸和计算结果如下：工艺参数换热器型式：固定管板式名称管程壳程换热面积：101.24物料名称循环水煤油设备结构参数操作压力,0.40.3管数/根236操作温度,30/40120/40管程数4流量,Kg/h65532.9315000管间距,mm32流体密度，kg/m3994.1812间距，mm200流速，m/s0.990.180壳体内径，mm650传热量，kW760管长，mm6000总传热系数，W/m2356.21排列方式正三角形表面传热系数，W/m24755.38531.71管子规格25*2.5污垢系数，m2K/W0.0003440.000172折流板型式圆缺形折流板流动阻力，Pa68747.864623.66折流板数/个29膨胀节因为管内平均温度35，管外平均温度80，80-35=453000mm，LB=(0.50.7)L，此取LB=4000拉杆的直径和数量根据附录中表6.拉杆直径的选取，取得拉杆直径为16mm。根据附录中表7.拉杆数量，取得拉杆数量为4根。九、设计小结十、文献参考1 贾绍义，柴诚敬 主编化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002.82 谭天恩，窦梅，周明华等主编化工原理:上册M.北京：化学工业出版社，2006.43 秦叔经，叶文邦等编换热器M.北京：化学工业出版社，2002.124 潘继红等管壳式换热器的分析与计算M北京：科学出版社，19965 化工设备技术全书编委会换热器设计M上海：上海科学技术出版社，19886 匡国柱，史启才化工单元过程及设备课程设计M北京：化学工业出版社，20027 钱颂文主编. 换热器设计手册M. 北京: 化学工业出版社. 2002十一、主要符号说明英文字母T-煤油温度，B-折流板间距，mmu-流速，m/sCp-定压比热容，kJ/(kg)wi-循环水用量 ，kg/hd-管径，mm希腊字母D-壳体内经，mm-对流传热系数，W/(m2)h-折流板圆缺高度，mm-导热系数，W/(m)K-总传热系数，W/(m2)=绝对粗糙度l-长度，m-粘度，PasL-长度，m-密度，kg/m3n-管数-校正系数N-程数P-压强，Pa下标Q-热流量，kJ/ho-管外Rs-污垢热阻，(m2)/Wi-管内S-传热面积，m2e-当量t-循环水温度，m-平均t-管心距，mm十二、附录表1.流体的污垢热阻加热流体温度。小于115115205水的温度，小于25大于25水的速度，（m/s）小于1.0大于1.0小于1.0大于1.0污垢热阻，(m2/W)：海水0.859810-41.1719710-4自来水，井水，锅炉软水1.1719710-43.439410-4蒸馏水0.859810-40.859810-4硬水5.159010-48.598010-4河水5.159010-43.439410-46.878810-45.159010-4表2.流体的污垢热阻流体名称污垢热阻(m2/W)流体名称污垢热阻(m2/W)流体名称污垢热阻(m2/W)有机化合物蒸气0.859810-4有机化合物1.1719710-4石脑油1.1719710-4溶剂蒸气1.1719710-4盐水1.1719710-4煤油1.1719710-4天然气1.1719710-4熔盐0.859810-4汽油1.1719710-4焦炉气1.1719710-4植物油5.159010-4重油8.598010-4水蒸气0.859810-4原油(3.439412.098)10-4沥青油1.1719710-4空气3.439410-4柴油(3.43945.1590)10-4表3. 管壳式换热器中常用的流速范围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管程流速（m/s）1.0-2.00.8-1.50.5-31.00.8-1.80.5-1.5壳程流速，（m/s）0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.8表4.某些工业管材的绝对粗糙度管道类别绝对粗糙度/mm金属管无缝黄铜管、铜管、铅管0.010.05新的无缝钢管、镀锌铁管0.10.2新的铸铁管0.3轻度腐蚀的无缝钢管0.20.3显著腐蚀的无缝钢管0.5以上旧的铸铁管0.85以上表5.GB-151-1999壳体外径/mm325400,500,600,700800,900,10001100,1200最小壁厚/mm8101214表6.拉杆直径的选取换热管外径D10mD14m14mD25m25mD57m拉杆直径d10mm12mm16mm表7.拉杆数量拉杆直径d，mm公称直径D，mm4004007007009009001300130015001500180018002000200023002300260010461012161824283212448101214182024164466810121416图1.对数平均温差校正系数图2.关系