列管式换热器的设计及其选用剖析.docx

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列管式换热器的设计及其选用剖析

食品工程原理课程设计

列管式换热器设计及其选用

姓名：

魏亚峰、孙爱华、唐琪、王燕、韩春英

所属学院：

生命科学学院

专业：

食品科学与工程

班级：

14-2班

指导老师：

杨保求

日期：

2012.12.12—2012.12.16

塔里木大学

编写人员

主编：

魏亚峰（组长）

副主编：

王燕韩春英孙爱华唐琪

任务安排情况

魏亚峰负责设计版面及帮忙计算和编辑。

韩春英主要负责计算及封面。

王燕负责排版及编辑。

孙爱华负责搜集整理资料及画图。

唐琪负责搜集整理资料及画图。

绪论

换热器作为化工、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。

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，列管式换热器作为一种标准换热设备，也是最典型的间壁式换热器，，在许多工业部门被大量采用。

由于它是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。

它主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。

一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程，管束的壁面即为传热面，同时为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。

折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

列管式换热器的主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器，从而使得它在各种换热设备中占据主导作用，并在换热器不断发展中得以继续存在下来。

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，因此在不同设备不同条件下选择换热器时，必须考虑这种热膨胀的影响。

第1章设计任务和设计条件

某生产过程的流程如图所示。

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性组分。

已知混合气体的流量为227301

，压力为6.9

，循环冷却水的压力为0.4

，循环水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。

物性特征：

混合气体在35?

下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）

密度

定压比热容

?

）

热导率

粘度

循环水在34?

下的物性数据：

密度

定压比热容

?

）

热导率

K

粘度

第二章设计方案

2.1列管式换热器的分类

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，介绍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。

2.2选定换热器的类型

两流体温度的变化情况：

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，考虑到这一因素，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。

2.3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，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。

第三章相关物性数据的选定

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=

℃

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。

若不具备此条件，则应分别查取混合无组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。

混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：

密度

定压比热容

?

）

热导率

粘度

循环水在34℃下的物性数据：

密度

定压比热容

?

）

热导率

粘度

第四章传热面积的物理量计算

4.1热流量

=227301×3.29×（110-60）=3.75

7KJ/h=10416.66kw

4.2平均传热温差

先按照纯逆流计算，得：

4.3传热面积

为求得传热面积A，需先求出传热系数K，而K值又与给热系数、污垢热阻等有关。

在换热器的直径、流速等参数均未确定时，给热系数也无法计算，所以只能进行试算。

假设K=340W/（㎡k）则估算的传热面积为

4.冷却水用量

m=

=

第五章工艺结构中主要的尺寸计算

5.1管径和管内流速

选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.4m/s。

5.2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

Ns=

按单程管计算，所需的传热管长度为

L=

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，采用标准设计，现取传热管长l=7.5m，则该换热器的管程数为

传热管总根数Nt=612×2=1224（根）

5.3平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数有

按单壳程，四管程结构，《化工原理》（第三版）化学工业出版社出版查图5-19（a），得

平均传热温差

℃

由于平均传热温差校正系数大于0.9，壳程流体流量又较大，所以选取单壳程合适。

5.4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=1.25d0，则

t=1.25×25=31.25≈32（mm）

隔板中心到离其最近一排管中心距离计算：

S=t/2+6=32/2+6=22㎜

各程相邻管的管心距为44㎜。

管数的分成方法，每程各有传热管612根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按，化学工业出版社出版，《化工原理》（第三版）图3-14选取。

5.5壳体内径

采用多管程结构，壳体内径的估算中，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为

D=1.05t

按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm

5.6折流板

采用圆缺折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为

h=0.25×1400=350mm，故可

取h=350mm

取折流板间距B=0.3D，则

B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。

折流板数目NB=

折流板圆缺面水平装配。

5.7其他附件

由于本换热器壳体内径为1400mm，则拉杆直径选取Ф16，拉杆数量不得少于8。

壳程入口处，设置防冲挡板，

5.8接管

壳程流体进出口接管：

取接管内气体流速为

，则接管内径为

圆整后可取管内径为310mm。

管程流体进出口接管：

取接管内液体流速

，则接管内径为

圆整后去管内径为360mm

第六章换热器核算

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：

参数

管程

壳程

流率

898560

227301

进/出口温度/℃

29/39

110/60

压力/MPa

0.4

6.9

物性

定性温度/℃

34

85

密度/（kg/m3）

994.3

90

定压比热容/[kj/（kg•k）]

4.174

3.29

粘度/（Pa•s）

0.742×

1.5×

热导率（W/m•k）

0.624

0.0279

普朗特数

4.96

1.773

设备结构参数

形式

浮头式

壳程数

1

壳体内径/㎜

1400

台数

1

管径/㎜

Φ25×2.5

管心距/㎜

32

管长/㎜

7000

管子排列

△

管数目/根

1224

折流板数/个

14

传热面积/㎡

673

折流板间距/㎜

450

管程数

2

材质

碳钢

主要计算结果

管程

壳程

流速/（m/s）

1.306

4.9

表面传热系数/[W/（㎡•k）]

5887

925.5

污垢热阻/（㎡•k/W）

0.0006

0.0004

阻力/MPa

0.04325

0.119

热流量/KW

10417

传热温差/K

48.3

传热系数/[W/（㎡•K）]

400

裕度/%

24.9%

结论

我们组设计的是浮头式换热器，通过查相关国家标准，根据实际要求按照常规设计的方法与步骤，根据设计取壳体的内径为1400mm，传热管长7m，传热管总根数1224根，单壳程双管程的换热器。

其它尺寸可直接查得。

经校核后符合设计要求。

由于该工艺计算较为繁琐，所以只列出部分计算过程。

另外由于能力有限，设计中可能会有不当之处，望老师多多指正。

参考文献：

[1]．谭天恩，窦梅，周明华《化工原理》（第三版）化学工业出版社出版，北京2006.4

[2]．国际标准ISO5457--1980《技术制图--图纸幅面及格式》GB4557.1——84机械制图图纸幅面及格式

[3]．GB150——98钢制压力容器

[4].化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年

[5].郑津洋，董其伍，桑芝富《过程设备设计》（第二版）化学工业出版社，2011年

[6].匡国柱，史启才《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社，2002年