换热器方案设计书1Word格式文档下载.docx
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列管式换热器中,由于两流体的温度不同,使管束和壳体的温度也不相同,因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大(50℃以上)时,就可能由于热应力而引起设备的变形,甚至弯曲或破裂,因此必须考虑这种热膨胀的各种影响。
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。
由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同,故换热器的类型也是多种多样。
按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类:
混合式、蓄热式、间壁式。
间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。
在这类换热器中,冷、热流体被固体壁面隔开,互不接触,热量从热流体穿过壁面传给冷流体。
该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。
间壁式换热器的应用广泛,形式繁多。
将在后面做重点介绍。
直接接触式换热器又称混合式换热器。
在此类换热器中,冷、热流体相互接触,相互混合传递热量。
该类换热器结构简单,传热效率高,适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。
常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。
蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。
此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体,将热量由热流体传给冷流体。
当蓄热体与热流体接触时,从热流体处接受热量,蓄热体温度升高后,再与冷流体接触,将热量传给冷流体,蓄热体温度下降,从而达到换热的目的。
此类换热器结构简单,可耐高温,常用于高温气体热量的回收或冷却。
其缺点是设备的体积庞大,且不能完全避免两种流体的混合。
工业上最常见的换热器是间壁式换热器。
根据结构特点,间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。
紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。
管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。
其中,列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备,在许多工业部门被大量采用。
列管式换热器的特点是结构牢固,能承受高温高压,换热表面清洗方便,制造工艺成熟,选材范围广泛,适应性强及处理能力大等。
这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。
使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上,而管板则安装在壳体内。
因此,这种换热器也称为管壳式换热器。
常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。
换热器分为3种,分别是板式换热器、暖气片式换热器和钎焊板式换热器。
换热器是有体积的,内部可以储存一定量的水。
片数越多体积越大的,其内部储存的水自然也就更多,如果片数达到了100片,就可以储存四分之一桶水。
这些储存的水在内部和暖气水长时间换热,温度会非常接近暖气水温。
三、课程设计任务
(一)设计一台浮头式换热器
1、生产能力16000kg/h
2、由110℃冷却到60℃
3、冷却水进口温度29℃
4、冷却水出口温度39℃
某生产过程中,反应器的混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后,进入吸收塔吸收其中的可溶组分。
已知混合气体的流量为1.6×
104kg/h,压力为6.9Mpa。
循环冷却水的压力为0.4Mpa,循环水的入口温度为29℃,出口温度为39℃,试设计一台列管式换热器,完成该生产任务。
(二)设计项目
1、确定冷却器的类型、结构、型式;
根据列管式换热器的结构特点,主要分为以下四种。
以下根据本次的设计要求,有几种常见的列管式换热器。
1.固定管板式换热器
这类换热器如图1-1所示。
固定管办事换热器的两端和壳体连为一体,管子则固定于管板上,它的结余构简单;
在相同的壳体直径内,排管最多,比较紧凑;
由于这种结构式壳测清洗困难,所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。
当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时,用使用管子于管板的接口脱开,从而发生介质的泄漏。
2.U型管换热器
U型管换热器结构特点是只有一块管板,换热管为U型,管子的两端固定在同一块管板上,其管程至少为两程。
管束可以自由伸缩,当壳体与U型环热管由温差时,不会产生温差应力。
U型管式换热器的优点是结构简单,只有一块管板,密封面少,运行可靠;
管束可以抽出,管间清洗方便。
其缺点是管内清洗困难;
哟由于管子需要一定的弯曲半径,故管板的利用率较低;
管束最内程管间距大,壳程易短路;
内程管子坏了不能更换,因而报废率较高。
此外,其造价比管定管板式高10%左右。
3.浮头式换热器
浮头式换热器的结构如下图1-3所示。
其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接,可在壳体内沿轴向自由伸缩,该端称为浮头。
浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在,壳体或环热管膨胀时,互不约束,不会产生温差应力;
管束可以从壳体内抽搐,便与管内管间的清洗。
其缺点是结构较复杂,用材量大,造价高;
浮头盖与浮动管板间若密封不严,易发生泄漏,造成两种介质的混合。
4.填料函式换热器
填料函式换热器的结构如图1-4所示。
其特点是管板只有一端与壳体固定连接,另一端采用填料函密封。
管束可以自由伸缩,不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。
填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单,制造方便,耗材少,造价也比浮头式的低;
管束可以从壳体内抽出,管内管间均能进行清洗,维修方便。
其缺点是填料函乃严不高,壳程介质可能通过填料函外楼,对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。
安装方式的选择
⏹安装方式有立式、卧式两种。
⏹安置方式应根据厂房条件、工艺要求、传热效果、检修清洗方便等多方面考虑确定。
★立式安装特点:
占地面积小,不用支承板,结构简单,清洗方便。
但用于冷凝时传热效果较差。
★卧式安装特点:
重心稳,维修方便,用于冷凝时传热效果较好。
但占地面积大,换热器内须装支承板。
四、确定设计方案
1.选择换热器的类型
两流体温的变化情况:
热流体进口温度110℃出口温度60℃;
冷流体进口温度29℃,出口温度为39℃,该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,因此初步确定选用浮头式换热器。
2.管程安排
从两物流的操作压力看,应使混合气体走管程,循环冷却水走壳程。
但由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,应使循环水走管程,混和气体走壳程。
五、计算定性温度,确定流体特性
定性温度:
对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
故壳程混和气体的定性温度为
T=
=85℃
管程流体的定性温度为
t=
℃
经查得混合气体在85℃下有关物性数据:
密度ρ1=90kg/m3,
定压比热容Cp1=3.297kJ/(kg*℃);
热导率λ1=0.0279W/(m*℃);
粘度ц1=1.5×
10-5pa*s。
循环水在34℃下的物性数据:
密度
=994.3㎏/m3
定压比热容
=4.174kJ/(kg*K)
热导率
=0.624w/(m*K)
粘度
=0.742×
10-3Pa*s
六、估算传热面积
1、确定冷却水的用量
由热量衡算:
=
+
式中
=(3~5%)
=
(
)
冷却水的用量:
=(
-
)/[
)]
=[16000×
3.297×
(110-60)×
(1-0.04)]/[4.174×
(39-29)]
=60663.5kg/h
2、计算热负荷Q’
⏹由于热流体走壳程,热损失不经过传热面积,所以
⏹Q’=
⏹因为冷流体在换热过程中无相变化,则热负荷
Q’=
)=703.36kw
3.计算流体平均温度差Δtm
本设计两流体采用折流(多管程)
=[(110-39)-(60-29)]/
=48.3℃
平均温差校正系数:
R=(110-60)/(39-29)=5
P=(39-29)/(110-29)=0.124
按单壳程,双管程结构
=0.96×
48.3=46.4K
由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。
4.假定一个传热系数K′(参化原)
⏹换热器传热系数K值的大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件和所用换热器的类型等,现操作条件(d,L,u等)尚未确定,无法计算,可根据经验值初选。
⏹根据经验选取,K’=290w/(
初估需要的传热面积
A’=Q’/(K’X
)=703.36×
10
/290×
46.4=52.27
⏹考虑(15%~25%)安全系数,则设计初估实际
需要的面积:
=(1.15~1.25)A’
=1.2×
52.27=62.73
七、工艺结构尺寸
1.选择管径、管长,确定换热管数目
⏹我国列管式换热器标准中常用的钢管规格(外壁×
壁厚)有:
φ19×
2;
φ25×
2.5;
φ38×
2.5等。
⏹常用管长有:
1.5;
3;
(4);
6m。
考虑到折流挡板数目不宜太多及换热器体积大小适中,取单根管长l=3m
2.管径和管内流速选用Φ25×
2.5传热管(碳钢),取管内流速
=1.2m/s。
3.管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数
n=
=4×
60663.5/(3600×
994.3)/(3.14×
0.02
×
1.2)=45根
按单程管计算,所需的传热管长度为
L=
/(3.14
d
n)
=62.73/(3.14×
0.025×
45)=17.76m
按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。
根据本设计实际情
况,采用非标设计,现取传热管长l=3m,则该换热器的管程数为
=L/l=17.76/3=6
传热管总根数N=45×
6=270根
⏹对于管式换热器,其传热面积可由管子的直径、长度和管数的多少而定。
即
=3.14×
45×
17.76=62.73
式中:
---以管的外表面积计算的传热面积,m2;
---管子的外径,m;
L---管子的长度,m;
n---管子的根数,对于套管式换热器而言,