列管式换热器设计说明书.docx
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列管式换热器设计说明书
列管式换热器设计说明书
列管式换热器的设计
系部
班级
姓名
时间
SJ录
设计任务书3
一概述与设计方案简介4
1概述4
2设计方案简介5
二工艺及设备设计计算9
1确定物性数据9
2计算总传热系数9
3传热面积的计算10
4工艺结构尺寸10
5换热器核算11
三辅助设备的计算及选型14
四设计结果汇总表14
五设计评述15
六参考资料15
七主要符号说明15
八致谢16
工程原理课程设讣任务书
学生姓名刘鸿靖班级食质102班指导教师题目换热器
的设计设计基本参数
处理能力3000kgh
设备型式列管式换热器
操作条件冷却介质水入口温度95°C出口温度70°C
果汁入口温度36°C出口温度72°C设计要求及内容
1设讣方案简介
对给定或选定的工艺流程主要设备的形式进行简要论述
2主要设备的工艺设计计算
物料衡算热量衡算工艺参数的选定设备的结构设讣和工艺尺寸的设计计算
3辅助设备的选型
典型辅助设备主要工艺尺寸的计算设备规格型号的选定
4编写设计说明书
将设讣所选定的工艺流程方案主要步骤及计算结果汇集成工艺设计•说明书应采用简练准确的文字图表实事求是的介绍设讣计算过程和结果设计说明书要求在6000字以上A4纸打印
设计说明书内容
封面课程设计题U学生班级姓名指导教师时间
设计任务书
概述与设计方案简介
工艺及设备设计计算
辅助设备的讣算机选型
设计结果汇总表
设计评述
参考资料
主要符号说明
致谢
一概述及设计方案简介
1概述
11换热器
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工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别
在食品化工石油动力制冷等行业中广泛使用各种换热器它不仅可以单独作为加热器冷却器等使用而且是一些化工单元操作的重要附属设备因此在化工生产中占有重要地位
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各有优缺点性能各异在换热器设计中首先应根据工艺要求选择适用的类型然后讣算换热所需传热面积并确定换热器的结构尺寸
12换热器的选择
换热器的种类很多根据其热量传递的方法的不同可以分为3种形式坚壁式直接接触式和蓄热式
列管式换热器的应用已有很悠久的历史现在它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用尤其在石油化工能源设备等部门所使用的换热设备中列管式换热器仍处于主导地位虽然列管式换热器在传热效率紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器但它具有结构简单坚固耐用适应性强制造材料广泛等独特的优点因而在换热设备中仍处于主导地位
同时板式换热器也已成为高效紧凑的换热设备大量应用于工业中
列管换热器主要特点
1耐腐蚀性聚丙烯具有优良的耐化学品性对于无机化合物不论酸碱盐溶液除强氧化性物料外儿乎直到100-C都对其无破坏作用对儿乎所有溶剂在室温下均不溶解一般烷径醇酚醛酮类等介质上均可使用
2耐温性聚丙烯塑料熔点为164-174°C—般使用温度可达110-125C
3无毒性不结垢不污染介质也可用于食品工业
4重量轻对设备安装维修极为方便
列管式换热器主要分为以下四种固定管板式换热器浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器
com板式换热器
结构特点两端和壳体连为一体管子则固定于管板上它的结构简单在相同的壳体直径内排管最多比较紧凑山于这种结构的壳侧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会使管子于管板的接口脱开从而发生介质的泄漏
适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合
com浮头式换热器
结构特点两端管板只有一端与壳体完全固定另一端则可在壳体内沿轴向自山伸缩该端称为浮头浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在壳体或换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
缺点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
适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合
comU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型环热管山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
缺点管内清洗困难山于管子需要一定的弯曲半径故管板的利用率较低管束内程管间距大壳程易短路内程管子损坏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
com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山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
缺点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
13流动空间的选择在管壳式换热器的计算中首先需决定何种流体走管程何种流体走壳程这需遵循一些一般原则
应尽量提高两侧传热系数较小的一个使传热面两侧的传热系数接近
在运行温度较高的换热器中应尽量减少热量损失而对于一些制冷装置应尽量减少其冷量损失
管壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理以保证运行的可黑性
所以在具体设讣时应综合考虑决定哪一种流体走管程哪一种流体走壳程流速的确定表2-2换热器常用流速的范围介质
流速循环水新鲜水一般液体易结垢液体低粘度油高粘度油气体管程流速mscom08-1505-31008-1805-155-30壳
程流速mscom05-1502-150504-1003-082-1515材质的选择
一般换热器常用的材料有碳钢和不锈钢碳钢价格低强度较高对碱性介质的化学腐蚀比较稳定很容易被酸腐蚀在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的如一般换热器用的普通无缝钢管其常用的材料为10号和20号碳钢
不锈钢
奥氏体系不锈钢以lCrl8Ni9Ti为代表它是标准的18-8奥氏体不锈钢有稳定的奥氏体组织具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能管程结构介质流经传热管内的通道部分称为管程
换热管布置和排列问距常用换热管规格有（I）19X2mm<1）25X2mm（I）25X25mm标准管子的长度常用的有1500mm2000mm3000mm6000mm等当选用其他尺寸的管长时应根据管长的规格合理裁用避免材料的浪费
换热管管板上的排列方式有正方形直列正方形错列三角形直列三角形错列和同心圆排列如图所示
a正方形直列b正方形错列c三角形直列
d三角形错列e同心圆排列正三角形排列结构紧凑正方形排列便于机械清洗同心圆排列用于小壳径换热器外圆管布管均匀结构更为紧凑我国换热器系列中固定管板式多采用正三角形排列浮头式则以正方形错列排列居多也有正三角形排列
对于多管程换热器常采用组合排列方式每程内都采用正三角形排列而在各程之间为了便于安装隔板采用正方形排列方式
管板
管板的作用是将受热管束连接在一起并将管程和壳程的流体分隔开来
管板与管子的连接可胀接或焊接壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程壳程内的结构主要山折流板支承板纵向隔板旁路挡板及缓冲板等元件组成111于各种换热器的工艺性能使用的场合不同壳程内对各种元件的设置形式亦不同以此来满足设计•的要求各元件在壳程的设置按其不同的作用可分为两类一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板如折流板纵向挡板旁路挡板等另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板管束的导轨以及缓冲板等
壳体
壳体是一个圆筒形的容器壳壁上焊有接管供壳程流体进人和排出之用直径小于400mm的壳体通常用钢管制成大于400mrn的可用钢板卷焊而成壳体材料根据工作温度选择有防腐要求时大多考虑使用复合金属板
介质在壳程的流动方式有多种型式单壳程型式应用最为普遍如壳侧传热膜系数远小于管侧则可用纵向挡板分隔成双壳程型式用两个换热器串联也可得到同样的效果为降低壳程压降可采用分流或错流等型式
壳体内径D取决于传热管数X排列方式和管心距t计算式如下
单管程
式中t管心距mm
d0换热管外径mm
nc横过管束中心线的管数该值与管子排列方式有关
正三角形排列
正方形排列
多管程
式中N排列管子数目
n管板利用率
正角形排列2管程q07085
4管程n0608
正方形排列2管程Q05507
4管程n045065
壳体内径D的讣算值最终应圆整到标准值
折流板
在壳程管束中一般都装有横向折流板用以引导流体横向流过管束增加流体速度以增强传热同时起支撑管束防止管束振动和管子弯曲的作用
折流板的型式有圆缺型环盘型和孔流型等
圆缺形折流板乂称弓形折流板是常用的折流板有水平圆缺和垂直圆缺两种切缺率切掉圆弧的高度与壳内径之比通常为20%50%垂直圆缺用于水平冷凝器水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等垂直圆缺时不凝气不能在折流板顶部积存而在冷凝器中排水也不能在折流板底部积存弓形折流板有单弓形和双弓形双弓形折流板多用于大直径的换热器中
折流板的间隔在允许的压力损失范圉内希望尽可能小一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的15或者不小于50mm最大值决定于支持管所必要的最大间隔壳程接管
壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命当加热蒸汽或高速流体流入壳程时对换热管会造成很大的冲刷所以常将壳程接管在入口处加以扩大即将接管做成喇叭形以起缓冲的作用或者在换热器进口处设置挡板定压比热容CpO398kJkg・K
导热系数X0061Wm・K
黏度u0000215Pa・s
加热水在825°C下的有关物性数据如下
密度Pi9707kgm3
定压比热容Cpi4191kJkg・°C
导热系数Xi06765Wm・°C
黏度ui00003525Pa・s
2讣算总传热系数
21热流量
kjh1194kW
QOmOCpOtO3000X398X72-36429840
22平均传热温差
Pr
a00023X0diRe08Pr04
00230610021512808140304
1798Wm2・°C
°C
壳程水传热系数
假设壳程的传热系数ai1400Wm2・°C
污垢热阻Rsl0000495m2•°CW
Rs20000168m2•°CW
管壁的导热系数A174Wm•°C
故
38036Wm2•°C
3传热面积的讣算
考虑15的面积裕度S115XS'115X10912535
4工艺结构尺寸
41管径和管内流速
选用25mmX20mm的不锈钢管管内流速取ui05ms
42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
46根~5根
按单管程讣算所需的传热管长度为
L3194m
按单程管设计传热管过长宜采用多管程结构现取传热管长6m则该换热器的管程数为
N53~6管程
传热管总根数为'5630根
43平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R95-7072-360695
P72-3695-360610
按单壳程三管程结构温度校正系数查表得093
平均传热温差°C
44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釆用正方形排列取管
心距t125焊接法则t125253125mm~32mm
横过管束中心线的管数nc1196
45壳体内径
釆用多管程结构取管板利用率07则壳体内径为
D105t1053223758mm
圆整可取D273mm
46折流板数
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h0252736825mm故可取h65mm
取折流板间距B03D则B03273819mm可取B为150mm
折流板数N-1-139块
折流板圆缺面水平装配
47接管
壳程流体进出口接管取接管内流速为u10ms则接管内径为
00386m
取标准管径为32mm
管程流体进出口接管取接管内流速为u15ms则接管内径为
d0026m
取标准管径为30mm
□换热器核算
□1热量核算
1036
当量直径由正三角形排列得
d0020m
壳程流通截面积
BD1-com1-0009m
壳程流体流速及其雷诺数分别为
0130ms
ReOdiuOPOuO751782000Re100000
黏度校正095
036W・°C
2管程对流传热系数
•・•X00212000173m
0459ms
2300Re10000
3传热系数K
4763W・°C
4传热面积S
SQKAtmm
该换热器的实际传热面积
该换热器的面积裕度为
HX100%X100%%
IIIRe4707传热管相对粗糙度查摩擦因数图得流速0459mskg所以
Pa
Pa
故Pa<100KPa
管程流动阻力在允许范围之内
2壳程阻力
流体流经管束的阻力
F04正方形错列
Pa
流体流过折流板缺口的阻力
B015mD0273m
总阻力
Pa10KPa壳程流动阻力也比较适宜
辅助设备的计算及选型
1封头
壳体内径较小故采用封头接管和封头可用法兰或螺纹连接封头与壳体之间用螺纹连接以便卸下封头检查和清洗管子
2分程隔板
分程隔板可提高介质流速增强传热同时应严防分程隔板的泄漏以防止流体
的短路
四设计结果汇总表
换热器型式带膨胀节的固定管板式管口表换热面积m21154符号
尺寸用途连接型式工艺参数a果汁入口平面
名称壳程管程b果汁入口平面物料名称加热水
果汁c加热水入口凹凸面操作温度°C95703672d
加热水入口凹凸面流量kgh40963000e排气口凹凸面
流体密度kgm970.71050f放静口凹凸面流速ms
01300459传热量kW1194总传热系数Wm2・°C
4763对流传热系数Wm2・°C20301798污垢系数
m2・°CW00001680000495阻力降Pa720220905
程数16推荐使用材料不锈钢不锈钢管子规格
425X20管数30管长mm6000管间距mm32排列方式正
三角形折流板型式弓形上下间距mm130切口高度25壳
体内径mm273保温层厚度mm
Rs20000134
五设计评述
该换热器是专为加热果汁设讣的严格按照国家及行业标准设计
这是我第一次做该类设汁虽然努力依照标准设计但许多地方仍不太明确且没有任何实际经验漏洞在所难免
通过此次设计课程我学到了许多理论课中所学不到的知识开始时一团雾水的我经过一周的资料搜集和研读才开始设计工作中途对数据进行了数次调整同学们互相帮助与鼓励终于在今天完成了这次任务
虽然过程是艰辛的但成功的喜悦远大于痛苦这次刻骨铭心的经历必会对我未来产生深远的影响
六参考资料
com原理［M］北京中国轻工业出版社20098
2贾绍义柴诚敬化工原理课程设计［M］天津天津大学出版社20028
com及实验上册［M］北京高等教育出版社20046
4中华人民共和国国家标准GB151-1999钢制管壳式换热器国家技术监督局
5中华人民共和国国家标准JBT4715-92固定管板式换热器型式与基本参数国家技术监督局1992
6中华人民共和国国家标准HG205372-19922009管壳式换热器用奥氏体不锈钢焊接钢管技术要求管程数
Nu努塞尔特准数
Qi热流量kjh
D换热管外壳内径m
P压力Pa因数
Pr普兰特准数
R热阻•°CW
K总传热系数wm°C
S传热面积m
L管长m
t冷流体温度。
C
m程数
T热流体温度。
C
N折流板数
u流速ms
指数单程管数
W质量流量kgs
希腊字母
对流传热系数wm°C
有限差值
导热系数wm°C
密度kg
U粘度Pa•s
校正系数
下标
c冷流体
h热流体
i管内
m平均
0管外
s污垢
八致谢
这个艰巨的任务终于完成了我在此向给予我帮助的霍安琪同学们致于
衷心的感谢和诚挚的祝福
13
1
固定管板式换热器
1封头2法兰3排气口4壳体5换热管6波形膨胀节7折流板或支持板8防冲板9壳程接管10管板11管程接管12隔板13封头14管箱15排液口16定距管17拉杆18支座19垫片2021螺栓螺母
浮头式换热器
1防冲板2折流板3浮头管板4钩圈5支耳
U形管式换热器
1中间挡板2U形换热管3排气口4防冲板5分程隔板
填料函式换热器
1纵向隔板2浮动管板3活套法兰4部分剪切环5填料压盖6填料7填料函
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