列管式换热器设计.docx
《列管式换热器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《列管式换热器设计.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
列管式换热器设计
化学与材料工程学院学院应用化学专业
化工原理课程设计
题目用于190万吨/年煤油换热的列管式换热器的设计
说明书
图纸
指导教师熊静
学生姓名赵见
年月日
目录
列管式换热器设计任务书
一、设计题目
二、设计任务及操作条件
三、设计内容
四、图纸要求
摘要
第一章概述7
第一节换热器简介9
一、换热器概述9
二、换热器的分类9
第二节列管式换热器的结构13
1、管程结构13
2、壳程结构14
第三节管程和壳程数的确定16
第四节流动空间的选择17
第五节流体流速的选择18
第六节流动方式的选择18
第七节加热剂、冷却剂的选择19
第八节流体出口温度的确定19
第九节材质的选择19
第二章列管式换热器的设计计算20
第一节传热计算21
1、传热系数K21
2、平均温度差21
3、对流传热系数24
4、污垢热阻24
第二节流体流动阻力（压强降）的计算26
第三节列管式换热器的设计和选用的计算步骤总结28
第三章换热器设计29
一、确定设计方案.29
二、确定物性数据29
四、传热面积初值计算30
五、管侧传热系数30
六、管内给热系数31
七、传热核算31
八、壳侧压力降31
九、管侧压降计算32
十、裕度计算33
十一、冬季因素考虑33
十二、壳程接管39
十三、管程接管39
第四章零件计算40
第一节壳体、管箱壳体和封头的设计40
1、壁厚的确定40
2、封头40
第二节管板与换热管42
1、管板42
2、换热管43
第三节进出口设计47
1、接管外伸长度47
2、接管与筒体、管箱壳体的连接47
3、排气、排液管48
4、接管最小位置49
第四节壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接51
1、壳体与管板的连接结构51
2、管板与法兰的连接52
3、管子与管板的连接54
第五节折流板或支持板55
1、折流板型式55
2、折流板尺寸56
3、折流板的布置57
4、支持板57
5、折流板质量计算57
第六节防冲与导流58
第七节拉杆与定距管58
1、拉杆的结构和尺寸58
2、拉杆的位置59
3、定距管尺寸59
第八节防短路结构60
1、旁路挡板结构尺寸60
2、假管60
第九节膨胀节61
1、膨胀节61
2、膨胀节计算62
第五章管束振动计算65
第一节概述65
1、流动诱发振动的三种基本情况65
2、管子最可能破坏的区段65
3、破坏机理65
4、流动诱发振动机理65
5、横流下管束动力行为66
6、流体动力作用力66
第二节流动诱发振动机理67
1、漩涡分离67
2、湍流抖振68
3、弹性不稳定性68
第三节振动分析：
69
1、阻尼稳定性理论：
69
2、共振69
3、横向载荷校核70
第四节管束振动计算71
1、求斯特罗哈数71
2、求临界速度系数D71
3、求临界状态时漩涡分离振频率与管子固有频率之比71
4、求临界状态时紊流抖动振频率与管子固有频率之比71
第六章流程图72
设计流程图72
工艺流程图73
第七章结语74
第八章致谢75
参考文献76
列管式换热器设计任务书
专业：
应用化学班级：
11应化本姓名：
赵见学号：
11111103155
指导教师：
熊静设计日期：
2014.04
一、设计题目：
用于190万吨/年煤油换热的列管式换 换热器设计
二、设计任务及操作条件
1、设计任务
处理能力：
190万吨/年
设备型式：
固定管板式换热器
2、操作条件
（1）煤油：
入口温度70出口温度30
（2）冷却介质：
循环水入口温度20出口温度40
（3）允许压降：
不大于0.1MPa
（4）煤油定性温度下的物性数据
（5）每年按300天计算，每天24小时连续运行。
3、设备型式 固定管板式换热器
4、厂址 温州市瓯海区
3、设计内容
1、概述.
2、设计方案的选择
3、确定物理性质数据
4、设计计算
（1）计算总传热系数
（2）计算传热面积
5、主要设备工艺尺寸设计
（1）管径尺寸和管内流速的确定
（2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定
（3）接管尺寸的确定
6、设计结果汇总
7、工艺流程图及换热器工艺条件图
8、设计评述
四、图纸要求
1．工艺流程图
2．列管式换热器装配图
三、参考资料
1.上海医药设计院.化工工艺设计手册（上、下）.北京：
化学工业出版社，1986
2.尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，1981
3.时钧，汪家鼎等.化学工程手册，北京：
化学工业出版社，1996
4.卢焕章等.石油化工基础数据手册，北京：
化学工业出版社，1982
5.陈敏恒，丛德兹等.化工原理（上、下册）（第二版）.北京：
化学工业出版社，2000
6.大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连：
大连理工大学出版
社，1994
7.柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：
天津科学技术出版社，1995
温州大学
化学与材料科学学院应用化学研究所
2014．2．18
摘要
煤油轻质石油产品的一类。
由天然石油或人造石油经分馏或裂化而得。
单称“煤油”一般指照明煤油。
又称灯用煤油和灯油，也称“火油”，俗称“洋油”，粤语也称“火水”。
主要用于点灯照明和各种喷灯、汽灯、汽化炉和煤油炉的燃料；也可用作机械零部件的洗涤剂，橡胶和制药工业的溶剂，油墨稀释剂，有机化工的裂解原料；玻璃陶瓷工业、铝板辗轧、金属工件表面化学热处理等工艺用油；有的煤油还用来制作温度计。
根据用途可分为动力煤油、照明煤油等。
因此市场需求量很大，考虑到生产的安全性应设计专业的没有生产厂进行生产。
本设计按设计书要求，遵循技术上先进、工业上可靠、经济上合理、系统上最优的原则完成。
本设计主要正对的是煤油的冷凝，用水作冷却介质。
本设计说明书的主要内容包括：
换热器的简介与选择、物料衡算、热量衡算、主体设备设计、主要设备的选型和工业尺寸的计算等。
本设计说明书有如下附图：
生产工艺流程图、生产设备连接系统图、主题设备总装配图等。
第一章概述
列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。
列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但由于它有结构牢固、适应大、材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中仍有绝对优势。
在工程设计中，应尽量采用标准系列，但是选用的标准系列的图样之前，必须根据生产工艺的要求进行必要的化工计算，一确定所需要换热器的传热面积和设备结构，才能进行选用。
有时由于标准系列规格限制，不能满足工厂的生产要求，此时必须自己进行设备的结构设计，因此，本设计除了要求学习化工工艺计算外，还要求学生掌握设备的结构原理，达到全面训练的目的。
第二章设计方案的确定
设计方案的包括包括列管式换热器型式的选择、冷却剂的选择、流体流入换热器的空间的选择、流程、流速的选择及最适宜出口温度的确定等。
1、列管式换热器型式的选择
1、列管式换热器分类
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器。
优点：
单位体积设备所能提供的传热面积大，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，大型装置中普遍采用。
结构：
壳体、管束、管板、折流挡板和封头。
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。
列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。
在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：
浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等
1）浮头式换热器
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。
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：
在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与
图1浮头式换热器
凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。
浮头换热器的特点：
浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。
这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。
其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。
浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。
2）固定管板式换热器
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。
图2固定管板式换热器
固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。
固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。
这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。
此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。
因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
固定管板式换热器的特点
1旁路渗流较小；
2造价低；
3无内漏；
4、固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。
3）U型管式换热器
这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。
4）填料函式换热器：
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
2、列管式换热器的确定
根据两流体温度变化情况：
热流体进口温度70，出口温度40。
冷流体（循环水）进口温度20，出口温度40.该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，并且允许压降不大于0.1MPa.因此，初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
2、流层的选择
1、适于通入管内空间（管程）的流体
（1）不清洁的流体因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高时，悬浮物不易沉淀，且管内空间也易于清洁。
（2）体积小的流体因为管内空间的流动截面往往比管外空间的流动截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做多程流动。
（3）有压力的流体因为管子承压能力强，而且简化了壳体的密封要求。
（4）腐蚀性强的流体因为只有管子及管箱才需要用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，所以可以降低造价。
此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较翻遍，并容易检查。
（5）与外界温差较大的流体因为可以减少热量的散失。
2、宜于通入管间空间（壳程）的流体
（1）当两流体温度相差较大时，α值较大的流体走管间这样可以减少管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长量，故温差应力可以降低
（2）若两流体的给热性能相差较大时，α值较小的流体走管间此时可用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。
（3）饱和蒸汽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。
（4）粘度大的液体管间的流动截面与方向都在随时变化，在低雷诺准数下，管外给热系数比管内大。
（5）被冷却的流体可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
（6）泄漏后危险性大的流体可以较少泄露机会，以保安全。
3、流层的确定
由于循环冷却水常用的是河水或井水，因而不洁净、易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程。
由于煤油是需要冷却的液体便于散热应走壳程。
3、流体流速的选择
1、流程流速的判断原则
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。
表1列管换热器内常用的流速范围
流体种类
流速m/s
管程
壳程
一般液体
宜结垢液体
气体
0.5～1.3
>1
5～30
0.2～1.5
>0.5
3～15
表2液体在列管换热器中流速（在钢管中）
液体粘度
最大流速m/s
>1500
1000～500
500～100
100～53
35～1
>1
0.6
0.75
1.1
1.5
1.8
2.4
2、流程流速的确定
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，油品走壳程。
选用Φ25mmx2.5mm的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s。
第三章确定物理性质数据
1、定性温度
定性温度:
可取流体进口温度的平均值。
壳程煤油的定性温度为
T1=70°C，T2=30°C，t1=20°C，t2=40°C
T=（70+30）/2=50（°C）
管程水的定性温度为
t=（20+40）/2=30（°C）
2、有关物性参数
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在50度下的有关物性数据如下：
密度ρc=825kg/m3
定压比热容Cc=2.22kJ/（kg·°C）
导热系数λc=0.14W/（m·°C）
黏度μc=7.05×10-4Pa.s
循环冷却水在30度下的物性参数;
密度ρi=995.7kg/m3
定压比热容Ci=4.174kJ/（kg·°C）
导热系数λi=0.6171W/（m·°C）
黏度μi=8.012×10-4N·s/m2
第四章设计计算
1、计算总传热系数
（1）热流量
190万吨/年，则190x10000/（300x24）吨/时=263.88吨/时=2.6388x10^5Kg/h
Qo=qoCoΔto=263.88x1000x2.22x（70-30）=23432544kJ/h=6508.4KW
（2）平均传热温差
=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2）=[（70-30）-（40-20）]/ln[（70-30）/（40-20）]==28.85（°C）
（3）冷却水用量
Wi=Q0/（CiΔti）=23432544/（4.174x20）=2.81x10^5（kg/h）
（4）总传热系数K
A、管程对流传热系数
A管内径d=25-2.5x2=20cm=0.02m
雷诺数Re=dup/μ=duρi/μi=0.02x0.5x995.7/8.012×10-4=12427.61
普兰特准数Pr=Cμ/λ=（4.174x1000x0.0008012）/0.6171=5.42
管程对流传热系数
?
i=0.023x0.6171/0.02x（12427.61）^0.8x（5.42）^0.4=2631.26[W/（m.c）]
B、壳程传热系数
雷诺数Re=dup/μ=duρc/μc=0.02×0.5x825/7.05×10-4=11702.13
Pr=Cµ/λ=2.22x1000x7.05x10^-4
假设壳程传热系数α。
=290W/（m2.c）
水的污垢热阻为
=3.44×10-4m2.K/W
煤油污垢热阻为
=1.72×10-4m2.K/W
管壁的导热系数λ=45W/（m.c）
K=1/（d。
/αi*di+
*d。
/di+b*d。
/λdm+
+1/α。
）
=1÷（0.025/0.02x2631.26＋3.44×10-4x0.025/0.02＋0.0025×0.025/45×0.0225+0.000172+1/290）=218.02[W/（m.c）]
2、计算传热面积
A=Q/
升级会员 