化工原理课程设计换热器.docx
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化工原理课程设计换热器
JIUJIANGUNIVERSITY
化工原理课程设计
题目40t600换热器设计
院系化学与环境工程学院
专业应用化学
姓名LXC
年级2010
指导教师LGC
2012年12月
化工原理课程设计评分表
专业：
应用化学
设计题目：
40t600换热器设计
姓名：
班级：
学号：
项目
1
2
3
4
5
6
7
总分
核分人
得分
打分表
序号
项目
分值
得分
1
封面
3
2
目录
4
3
设计任务书
5
4
前言
10
5
设计计算过程
60
6
附表及相关机械元件尺寸
9
7
设计说明
9
2
目录
第一章设计任务书·······································4
第二章前言·············································5
2.1换热器的结构形式····································5
2.2换热器的选择········································5
2.3管板式换热器的优点··································6
2.4列管式换热器的结构··································6
2.5管板式换热器的类型及工作原理························7第三章设计计算过程····································8
3.1确定苯的定性温度，苯及水蒸汽的物性数据·············8
3.2换热器的类型及流体走向·····························8
3.3工艺计算···········································8
3.4换热器尺寸的初步确定·······························9
3.5校核计算···········································11
3.6进出口管径·········································12
3.7校核流体压力降·····································13
3.8换热器尺寸及附属部件·······························13
第四章设计说明·······································15
附录····················································16
附录一换热器主要结构尺寸和计算结果表················16
附录二换热器卧式安装图······························17
3
附录三169布管图·····································18
第一章
设计任务书
拟用250Kpa的饱和水蒸气将常压下35℃的苯加热到78℃，苯的质量流量为40吨／小时，试设计一列管式换热器。
要求换热器管程压降小于70KPa。
1、设计任务
处理能力：
40吨/小时
设备型式：
卧式管板式换热器
2、操作条件
（1）苯：
入口温度35℃
出口温度78℃
（2）加热介质：
250KPa饱和水蒸气（潜热）
（3）允许管程压降：
小于70KPa
4
第二章前言
目前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用,并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。
2.1换热器的结构形式：
1.管壳式换热器：
管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。
管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：
（1）固定管板式换热器：
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。
（2）浮头式换热器：
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。
浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。
（3）填料涵式换热器：
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。
2.蛇管式换热器：
蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。
3.套管式换热器：
套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。
此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。
2.2换热器的选择：
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。
流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然，最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。
在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢：
5
（1）碳钢价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。
如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。
（2）不锈钢奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
2.3管板式换热器的优点：
（1）换热效率高,热损失小：
在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000W/m2K,在一般的工况条件下,换热系数也可以在3000～4000W/m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。
设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。
完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/3～1/4。
（2）占地面积小重量轻：
除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。
换热所用板片的厚度仅为0.6～0.8mm。
同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。
（3）污垢系数低：
流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。
（4）检修、清洗方便：
换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。
（5）产品适用面广：
设备最高耐温可达180℃,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。
各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。
当然板式换热器也存在一定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高,限制了其在较为复杂工况中的使用。
同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。
2.4列管式换热器的结构：
介质流经传热管内的通道部分称为管程。
（1）换热管布置和排列间距
常用换热管规格有ф19×2mm、ф25×2mm（1Crl8Ni9Ti）、ф25×2.5mm（碳钢10）。
小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。
我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。
（2）管板：
6
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。
胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超过350℃的场合。
（3）封头和管箱：
封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
①封头当壳体直径较小时常采用封头。
接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
②管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。
由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。
③分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。
对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。
这样可提高介质流速，增强传热。
管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。
在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。
2.5管板式换热器的类型及工作原理：
板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。
各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。
比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。
又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250℃、2.5MPa。
因此同样是板式换热器,因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。
虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。
板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。
冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。
冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割,或者通过大量的焊缝来保证,在换热板片不开裂穿孔的情况下,冷热介质不会发生混淆。
7
第三章设计步骤
3.1确定苯（下标2表示）的定性温度，苯及水蒸汽的物性数据
1、苯的定性温度和物性数据
进口温度t1＝20℃，出口温度t2＝80℃
定性温度
℃
物性数据ρ２＝879kg/m3
CP2＝1.813kJ/kg·K
μ2＝4.4×10-4N·S/m2
λ2=
=1.384×10-4kW/m·K
2、水蒸汽（下标1表示）的物性数据
定性温度 蒸汽压力200Kpa下的沸点为Ts＝119.6℃
物性数据 ρ１＝1.1273kg/m3
γ１＝2206.4kJ/kg
同温度下的水的物性
ρ＝943.1kg/m3
λ＝0.6856W/m·℃
μ=23.73×10-5Pa·S
3.2换热器的类型及流体走向
根据已知条件，拟采用固定板式换热器。
１、此类换热器结构简单紧凑，造价低廉。
２、饱和水蒸气的α值与流速关系较小，而且水蒸汽较清洁走壳程，有利于排出冷凝液，故水蒸汽走壳层，苯走管程。
３、水蒸汽走壳层，同时流体压力不大，壳壁、管壁温差较小（水蒸汽的α值很大使壳管温度比较接近），不需要进行热补偿，故选用卧式固定板式换热器，因水蒸汽给热系数较大，不需要加折流挡板。
3.3工艺计算
１、热负荷即传热速率Q（单位时间内传递的热量）
kW
2、平均温度差
由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把两流体的平均温度差看作是逆流来计算
℃
℃
8
℃
3、初选K值，并估算传热面积A初
根据条件K值的选择范围在580～1160W/m2·℃
故K初＝630W/m2·℃
m2
选用安全系数Φ＝1.15～1.25
A初＝ΦA’＝1.15×29.49＝33.91m2
3.4换热器尺寸的初步确定
1、确定管程结构尺寸
（1）管子规格
库存Φ25×2.5mm，L＝3.0m的光滑碳钢钢管
取管内苯的流速为u’2=0.55m/s——苯系易燃易爆物，一般流速低于1m/s
（2）初步设计总管数
圆整为144根
n”=169根———三角排列管数，3a2+3a+1，此处a＝7；
（3）校核流速、确定管程
m/s
管程
，取2管程
（4）管间距及排列方式
管间距t＝（1.25~1.3）d0，取t＝1.3d0＝1.3×0.025＝0.0325m
采用紧凑的三角型排列，
层数a＝7，弓形不排管，共169根管子（NT＝169）
最外层六角形对角线上管数NTb＝2a+1＝15根
采用胀管法排列（因流体压力不变，胀管法制造方便）
2、壳程设计数据
9
壳体内径D＝t（NTb－1）+2b’
t－管间距
NTb－最外层六角形对角线上管数
b’－六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取b’＝（1～1.5）d0
此处取b’＝1.5d0＝1.5×0.025＝0.0325m
故D＝t（NTb－1）+2b’＝0.0325×（15－1）＋2×0.0325＝0.53m
壳体内径标准圆整到Φ600×10mm，内径D＝580mm
中心拉杆n3＝8根直径Φ12mm————基础化学工程
双管程隔板少排NTb＝15根，
共少排15＋8＝23根管子
实际管数n＝NT－NTb－n3＝169－23＝146根，每程73根排列管
实际流速
m/s
与初假设苯的流速u’2=0.55m/s相近，可行。
3、换热器长径比
符合要求（
）
10
3.5校核计算
1、校核总传热系数K值
（1）管内对流传热系数α2
W/m2·℃
（2）管外对流传热系数α1
式中：
n为水平管束垂直列上的管数，n＝7；
假设管外壁温TW＝116.6℃，则
＝3℃
W/m2·℃
（3）污垢热阻及管壁热阻
苯侧污垢热阻RS2＝1.76×10-4m2·℃/W
水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，因为属于蒸汽冷凝方式，污垢热阻相对比较小
碳钢钢管的导热系数λ＝45W/m2·℃
（4）校核K值
以外表面计算：
＝
＝0.00162m2·℃/W
K=616.5W/m2·℃
与原假设值K初＝630W/m2·℃接近（<5%），可行。
2、校核壁温TW
11
＝116.77℃
与与原假设值TW＝116.6℃接近，可行。
3、校核传热面积A
由于水蒸汽侧的冷凝温度Ts不变，因此本一壳程双管程换热器内的两流体平均温度差与逆流传热的平均温度差相等。
Δtm＝65.05℃
实际所需面积
＝30.138m2
实际提供面积
＝34.383m2
余度
<20%符合要求
3.6进出口管径
1、苯进出口
取进口流速u0＝1m/s
进口直径
=0.127m/s
选用无缝热轧钢管（YB231-64）Φ132×4mm，长200mm。
2、水蒸汽进口管径（壳体）
蒸汽用量
—————（富裕量3％）
＝
＝0.564kg/s
蒸汽体积流量V＝Gν＝0.564×0.903＝0.510m3/s
取蒸汽流速u’＝20m/s
12
＝0.180m＝180mm
选用无缝热轧钢管（YB231-64）Φ194×6mm，长200mm。
3、冷凝水排出口
选用水煤气管
即Φ42.25×3.25mm，长100mm。
3.7校核流体压力降
1、管程总压力降
每程直管压力降
每程局部阻力引起的压降
d——管内径;l——管长
——管程结垢校正系数，正三角形为1.5，正方形为1.4
——壳程数，
＝1；
——一壳程的管程数，
＝2；
取ε＝0.2mm，
查图（化工原理上册P43图1－28）可知λ＝0.04
＝（801.76＋400.88）×1.5×1×2
＝3607.9N/m2＝3607.9Pa<3.0×104Pa
故符合要求
2、壳程压力降
壳程是饱和水蒸汽冷凝，不必校核其压力降。
3.8换热器尺寸及附属部件
1、
13
管间距：
t＝32.5mm
2、壳体直径：
Φ600×10mm，内径D＝580mm
3、壳体材料：
采用碳素钢材料A3F，钢板卷焊
4、管子尺寸：
Φ25×2.5mm，L＝3.0m，n＝146根，双管程
5、布管图见图纸2－2。
6、管板：
（1）管板材料：
选用碳素钢A4。
（2）管子在管板上的固定方法：
焊接
（3）管板尺寸：
Pg＝16kgf/cm2
（4）管板与分程隔板的连接:
采用单层隔板，隔板材料与封头材料一致，厚度s＝10mm。
（5）管板与壳体的连接：
采用法兰连接，拆开顶板可检修或清理管内污垢，法兰尺寸见图4－63及表4－27。
7、封头与管箱
封头与管箱位于壳体的两端。
（1）封头的选择：
选用椭圆形封头，Dg530×8mm
（2）封头尺寸：
曲面高度150mm，直边高度40mm。
管程接口管与封头为焊接，封头与壳体为法兰连接，法兰尺寸与上同。
8、管程进出口接管直径
选用无缝热轧钢管（GB8163-87）Φ140×5mm长200mm。
9、支座
支座的公称直径Dg530mm，每个支座承受的载荷为36.8吨，材料采用A3F碳素钢；采用鞍形安装。
14
10、整个换热器采用卧式安装，安装图见附录二。
第四章设计说明
1、对一些问题的说明：
（1）、列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器，它的结构简单、坚固、容易制造、材料范围广泛，处理能力可以很大，适应性强。
但在传热效率、设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗量等方面还稍次于其他板式换热器。
此次设计所采用的固定管板式换热器是其中最简单的一种。
（2）、由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧的对流传热系数大得多，根据壁温总是趋近于对流传热系数较大的一侧流体的温度实际情况，壁温与流体温度相差无几，因此本次设计不采用热补偿装置。
2、参考资料：
1、《化工原理》上册化学工业出版社，谭天恩主编，1990年。
2、《基础化学工程》上海科学技术出版社，编写组，1980年。
3、《化工原理》化学工业出版社，王志魁主编，2010年。
15
4、《化工制图》化学工业出版社，熊洁羽编，2006年。
15
附录
附录一:
换热器主要结构尺寸和计算结果表:
换热器型式：
卧式管板式
换热器面积（㎡）：
22.92
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
苯
水蒸气
操作温度，℃
35--78
127.2
流量，kg/h
40000
1459.44
流体密度，kg/m3
842
1.39
流速，m/s
0.5756
25
传热量，kw
860
总传热系数，w/㎡·k
607.3
对流传热系数，w/㎡·k
971.2
12860.9
污垢系数，㎡·k/w
0.000176
0
程数
2
1
使用材料
碳钢
碳钢
壳体内径，mm
530
项目
数据
项目
数据
壳径D（DN）
530
管尺寸
Φ25×2.5mm
管程数Np（N）
2
管长l（L）
2m
管数n
146
管排列方式
正三角形
中心排管数Ntb
15
16
附录二：
换热器卧式安装图
17
附录三：
169布管图
18
18
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