换热器装备图.docx

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换热器装备图

重庆理工大学

一.前言

化工设计是一项把化工过程从设变成现实的一个建设环节；本次课程设计的工艺设备是普遍用于化工、炼油工业中的热交换器，即换热器。

它被广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门，是工业中重要的单元设备；在化工厂中，换热器的费用约占总费用的10%-20%，并且超过80%的热能交换都要用到换热器，因此，设计和选择使用高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。

管壳式换热器是目前化工生产上应用最为广泛的一种换热器。

它的主要优点是单位体积所具有的传热面积（40～150m2Pm3）大且传热效果好。

此外,结构简单,制造材料也较为广泛,适应性强,尤其是在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。

管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。

其类型按结构特点分类主要有以下几种：

1.固定管板式换热器

固定管板式换热器分为刚性结构的固定管板式和带膨胀节的固定管板式两种。

换热器壳体和管束通过两端的管板刚性地连在一起。

优点：

换热器结构简单、造价低，每根管子都能单独更换，管内便于清洗

缺点：

管外清洗困难，管壳间有温差应力存在。

当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。

固定管板式换热器适用于壳程介质清洁、不易结垢、温差不大和壳程压力不高的场合。

2.浮头式换热器

浮头式换热器中只有一块管板与壳体刚性固定在一起，另一端的管板可在壳体内自由移动。

管束和壳体在不同温度下膨胀自由，互不牵连。

优点：

这种换热器消除了温差应力的影响，可用于温差较大的两种介质的换热。

管程和壳程均能承受较高的介质压力。

管束可从壳程一端抽出，壳程与管程的清洗很方便。

缺点：

由于换热器管束与壳程之间存在较大的环隙，设备的紧凑性差，传热效率较低。

结构复杂，浮头部分由活动管板、浮头盖和勾圈组成，浮头处发生内漏不便检查。

金属消耗量大，造价也较高。

3.U型管式换热器

换热器的管束弯成U型，U型管两端固定在同一块管板上，在管箱中加有一块隔板。

优点：

换热器结构简单，造价便宜。

管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

缺点：

管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑。

管外介质易短路，影响传热效果。

内层管子损坏后不易更换。

U型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高压介质。

壳层介质适应性强，常用于高压、高温、粘度较大的场合。

二.任务书

2.1设计题目

用柴油预热原油的管壳式换热器

2.2设计任务及操作条件

（1）、设计任务

处理能力：

Wc=（31000+2307）kg/h=33307kg/h

设备型式：

管壳式

（2）、操作条件

原油：

入口温度：

t1=60℃

出口温度：

t2=105℃

柴油：

入口温度：

T1=170℃

出口温度：

T2

质量流量：

Wh=（25000+1007）kg/h=26007kg/h

允许压降：

0.3×105Pa

2.3原始数据

柴油和原油的有关参数如下：

物料

温度

质量流量

比热

密度

导热系数

粘度

入口

出口

柴油

170

26007

2.48

715

0.133

原油

60

105

33307

2.20

518

0.128

注：

两侧污垢指数均为

三.方案的设计和选型

3.1选择换热器的类型

该换热器使用柴油来冷却原油，由设计任务知热流体（柴油）和冷流体（原油）温差较大和要便于清洗壳程污垢，再根据可以完全消除热应力原则初步确定：

浮头式换热器。

3.2流体流径的选择

柴油温度高，走管程可以减少热损失；原油粘度较大，走壳程在较低的Re数时即可达到湍流，有利于提高其传热膜系数。

3.3流体流速的选择

增加流体在换热器中的流速，将加大对流传质系数，使流体阻力增大，动力消耗增多。

所以适宜的流速要通过经济衡算才能得出。

本次设计中，根据换热器中常用的流速范围，选择管内流速u=1.0m/s。

3.4管子的规格和排列方式

选择管径时，应尽可能使流速高，但一般不超过前面介质的流速范围。

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标准中仅有及两种规格的管子。

本次设计选择的管子。

管长的选择是易清洗方便及合理使用管材为原则。

长管不便于清洗，易弯曲。

一般出厂的标准管长是6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3、或6m。

此外，管长和壳径应适当，一般取为4～6。

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，本次设计选择正方形错列排布，是由于其具有便于清洗列管的外壁的优点，适用于壳程流体易产生污垢的场合。

管子在管板上排列的间距随管子与管板的连接方法不同而异。

通常，焊接法取t=1.25d。

即t=32mm。

3.5管程和壳程数的确定

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，本次设计的壳程为单程，管程为4程。

3.6折流挡板

安装折流板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使端动程度加剧，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%～20%，一般取20%～50%，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h值为:

浮头式有150、200、300、480和600mm五种。

此次的设计采用圆缺形挡板，板间距h=200mm。

3.6外壳直径的确定

浮头式换热器壳体的内径应稍大于管板的直径。

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。

计算公式如下：

。

四.设计尺寸的计算

4.1确定设计方案

（1）计算热负荷

（2）计算柴油出口温度

（3）计算两流体的对数平均温差

而，

对换热器，温度差校正系数可用下式计算，即：

（4）初定换热器规格

根据两流体的情况，假设K=300，故：

4.2工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速

选用传热管（碳钢）,取管内流速

（2）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:

按单程管计算,所需的传热管长度为:

按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。

现取传热管长，

则该换热器管程程数为:

传热管总根数

（3）传热管排列和分程方法

采用正方形斜转排列.取管心距,则

横过管束中心线的管数

（4）壳体内径

采用多管程结构,管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：

计算壳体内径，即：

则取壳体内径D=500mm

（5）折流板

采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为：

取折流板间距：

折流板数：

（6）若选择以上工艺结构尺寸的换热器，则实际传热面积为：

则要求过程的总传热系数为：

该换热器的换热面积裕度为：

则传热面积裕度合适，可以完成生产任务。

4.3核算压力降

（1）管程压力降

其中，,,

管程的流通面积：

管程流体流速：

雷诺数：

设管壁粗糙度，则，由关系图中查得：

则

管程压降在允许范围之内。

（2）壳程压力降

，其中：

，

流体流经管束的压降：

其中：

，

管子为正方形斜转排列，则

壳程总压降：

壳程压降也满足条件。

4.4核算总传热系数

（1）管程对流传热系数

（2）壳程对流传热系数

对圆缺形折流板,可采用凯恩公式

壳程流通截面积

壳程流速：

当量直径：

壳程雷诺数：

普兰特准数：

粘度校正取

（3）污垢热阻

管内、管外分别取污垢热阻为

（4）总传热系数

该比值在范围1.15～1.25内，说明该设计方案可行。

五.主要附件的设计

1.封头：

封头分为方形（适用于直径小于400mm）和圆形2种，本次换热器设计方案选用直径为500mm的半圆封头。

2.管程流体进出口接管：

取接管内柴油流速，则接管内径为

取标准管径为100mm。

3.壳程流体进出口接管:

取接管内原油流速为，则接管内径为

取标准管径为100mm。

六.设计结果汇总表及符号说明表

6.1换热器设计规格尺寸一览表

类型

浮头式

管子中心距t（mm）

32

管径（mm）

φ25×2.5

管程数NP（个）

4

管长L（m）

6

壳程数NS（个）

1

外壳直径D（mm）

500

折流挡板数N（块）

29

管子总数n（根）

132

折流挡板间距h（mm）

200

管子排列方式

正方形斜转排列

挡板切去高度（mm）

125

6.2主要符号说明表（公式中出现的字母）

物理符号

意义

单位

物理符号

意义

单位

S

传热面积

㎡

NB

折流挡板数目

h

折流挡板间距

m

NS

换热器壳程数

b

厚度

m

N

管子总数

cP

液体的定压比热容

KJ/kg·℃

Pr

普兰特准数

D

换热器壳径

m

Q

热负荷

W

d

管径

m

W

质量流量

Kg/s

de

当量直径

m

体积流量

m3/s

fo

壳程流体的摩擦系数

Re

雷诺准数

Fs

壳程压降结垢校正系数

tC

冷流体温度

℃

Ft

管程压降结垢校正系数

th

热流体温度

℃

K

传热系数

W/㎡·℃

u

流速

m/s

L

管子长度

m

d

管径

m

6.3公式中出现的希腊字母

序数

符号

意义

单位

1

α

对流传热系数

W/㎡·℃

2

λ

导热系数

W/m·℃

3

μ

粘度

mPa·s

4

ρ

流体密度

Kg/m3

5

温度差校正系数

6

φ

管校正系数

7

ε

粗糙度

七.参考文献

【1】.方向红，列管式换热器与板式换热器的比较[J]，安徽工,2002.118（4）:

431

【2】.《化工原理课程设计》，贾绍义、柴诚敬主编，天津大学出版社

【3】.《化工原理（上）》，夏青、贾绍义主编，天津大学出版社

【4】.《化工原理课程设计指导》，任晓光主编，化学工艺出版社

八.总结

通过这次化工原理课程设计，了解了很多关于换热器的知识，换热器的选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。

其中感受最多的就是在运算中需要谨慎以及耐心。

往往一个公式的代错便会造成一步错、步步错的局面。

这就对我们选择工程类学科的学员提出了要求。

仔细、是一种能力也是一种态度。

这也是以后我们在工作中不可或缺的一种素质。

估值，是一个不断尝试不断重复的过程，而这个过程总不会一帆风顺。

不管在人生的什么阶段，我们总会遇到挫折，而我们需要的便是克服这些挫折的勇气，永远不轻言放弃。

不管怎么说，课程设计总算接近尾声了。

感谢在此过程中同学给与的帮助，特别感谢白老师在整个设计过程给予的悉心指导。