化工原理课程设计换热器Word格式文档下载.docx

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列管式换热器

3．操作条件

（1）煤油：

入口温度110℃，出口温度35℃

（2）冷却介质：

自来水，入口温度25℃，出口温度40℃

（3）允许压强降：

不大于100kPa

（4）煤油定性温度下的物性数据：

密度825kg/m3，黏度7.15×

10-4Pa.s，比热容2.22kJ/（kg.℃），导热系数0.14W/（m.℃）

（5）每年按330天计，每天24小时连续运行

三选择适宜的列管式换热器并进行核算

3.1传热计算

3.2管、壳程流体阻力计算

3.3管板厚度计算

3.4U形膨胀节计算

3.5管束振动

3.6管壳式换热器零部件结构

1.概述4

2.设计标准6

3.方案设计和拟订6

4.设计计算9

4.1确定设计方案9

4.1.1选择换热器的类型9

4.1.2流动空间及流速的测定9

4.2确定物性数据9

4.3计算总传热系数10

4.3.1热流量10

4.3.2平均传热温差11

4.3.3冷却水用量11

4.3.4总传热系数K11

4.4计算传热面积12

4.5工艺结构尺寸12

4.5.1管径和管内流速12

4.5.2管程数和传热管数12

4.5.3平均传热温差校正及壳程数13

4.5.4传热管排列和分程方法13

4.5.5壳体内径13

4.5.6折流板14

4.5.7接管14

4.6换热器核算15

4.6.1热量核算15

4.6.1.1壳程对流传热系数15

4.6.1.2管程对流传热系数15

4.6.1.3传热系数K16

4.6.1.4传热面积S16

4.6.2换热器内流体的流动阻力17

4.6.2.1管程流动阻力17

4.6.2.2壳程阻力17

4.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果19

5.设计小结20

6.参考文献22

7.附图表23

8.符号说明25

1.概述

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。

在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;

另一种流体则温度较低,吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。

列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

列管式换热器有以下几种：

1、固定管板式

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。

当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

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物料。

2、U形管式

U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。

管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。

3、浮头式

换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。

管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。

2.设计标准

（1）JB1145-73《列管式固定管板热交换器》

（2）JB1146-73《立式热虹吸式重沸器》

（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89《钢制管壳式换热器》.国家技术监督局发布，1989

（4）《钢制石油化工压力容器设计规定》

（5）JBT4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》

（6）HGT20701.8-2000《容器、换热器专业设备简图设计规定》

（7）HG20519-92《全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》

（8）中华人民共和国国家标准JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》

（9）中华人民共和国国家标准JB4710-92《钢制塔式容器》

（10）中华人民共和国国家标准GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》

3.方案设计和拟订

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。

根据固定管板式的特点：

U形管式特点：

浮头式特点：

我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。

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（Re>

100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

我们选择冷水走管程，煤油走壳程。

流体流速的选择：

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。

馆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。

我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×

2.5mm及φ19×

mm两种规格的管子。

在这里，选择 

φ25×

2.5mm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4～6（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。

在这里选择三角形排列。

　　管子在管板上排列的间距 

（指相邻两根管子的中心距），随管子与管板的连接方法不同而异。

通常，胀管法取t=（1.3～1.5）do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥（d+6）。

焊接法取t=1.25do。

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。

根据计算，管程为4程，壳程为双壳程。

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，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。

两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.2～1）倍。

系列标准中采用的h值为:

固定管板式的有150、300和600mm三种，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。

这次设计选用圆缺形挡板。

　　换热器壳体的内径应等于或稍大于（对浮头式换热器而言）管板的直径。

初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。

主要构件的选用：

（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。

　　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。

4.设计计算

4.1确定设计方案

4.1.1选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

煤油进口温度110℃，出口温度35℃；

冷流体（循环水）进口温度25℃，出口温度40℃。

该换热器用循环冷却水冷却，热流体为煤油，为不易结垢和清洁的流体。

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，因此初步确定选用不带膨胀节的固定管板式换热器。

4.1.2流动空间及流速的测定

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。

选用25×

2.5的碳