传热器课程设计讲解.docx

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传热器课程设计讲解

环境工程原理课程设计

学院：

化学与环境工程学院

专业：

环境工程

学号：

122209201109

姓名：

李功达

指导老师：

张丽

时　　间：

2015年1月21日

换热器设计任务书

1.设计题目:

用水冷却注射甘油的列管换热器的设计。

2．设计任务及操作条件

（1）处理能力:

50000kg/h

（2）设备型式：

列管式换热器

（3）操作条件:

①甘油：

入口温度:

120℃;出口温度50℃

②冷却介质：

水，入口温度20℃，出口温度30℃

③允许压强降：

小于101.3KPa

（4）设计项目:

①设计方案简介:

对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

②换热器的工艺计算：

确定换热器的传热面积。

③换热器的主要结构尺寸设计。

④主要辅助设备选型。

⑤设计管道与壳体的连接,管板与壳体的连接。

⑥绘制换热器总装配图。

30%甘油的定性温度

:

密度ρ0＝1068.55kg/m³

定压比热容Cp0＝3.72kJ/kg℃

热导率λ0＝0.543W/m℃

粘度μ0＝0.690mPa﹒s

水的定性温度：

密度ρi＝995.68kg/m³

定压比热容Cpi＝4.178kJ/kg℃

热导率λi＝0.6173W/m℃

粘度μi＝0.8022mPa﹒s

1方案确定

1.1传热器简介

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。

35％～40％。

随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。

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，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。

换热器按传热方式的不同可分为：

混合式、蓄热式和间壁式。

其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。

1.2完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。

1.2.1合理地实现所规定的工艺条件

①增大传热系数

②提高平均温差

③妥善布置传热

1.2.2安全合理

换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。

这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。

1.2.3有利于安装、操作与维修

直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。

设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。

1.2.4经济合理

评价换热器的最终指标是：

在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。

在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。

1.3换热器材质的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。

流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。

当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。

在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。

至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

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1Crl8Ni9Ti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。

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。

1.4管板式换热器的优点

换热效率高,热损失小在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000W/m2K,在一般的工况条件下,换热系数也可以3000-4000 W/m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。

（1）设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。

完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/3～1/4。

（2）占地面积小重量轻除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。

换热所用板片的厚度仅为0.6～0.8mm。

同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。

（3）污垢系数低，流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。

（4）检修、清洗方便，换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。

（5）产品适用面广设备最高耐温可达180℃,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。

各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。

当然板式换热器也存在一定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高,限制了其在较为复杂工况中的使用。

同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。

1.5管板式换热器的类型及工作原理

板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。

各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。

比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。

又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250℃、2.5MPa。

因此同样是板式换热器,因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。

虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。

板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。

冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。

冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割,或者通过大量的焊缝来保证,在换热板片不开裂穿孔的情况下,冷热介质不会发生混淆。

1.6.确定设计方案

1.6.1.选择换热器的类型

两流体温的变化情况：

热流体进口温度120℃出口温度50℃；冷流体进口温度20℃，出口温度为30℃，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，因此初步确定选用列管式换热器。

1.6.2.管程安排

从两物流的操作压力看，应使甘油走管程，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溅，所以从总体考虑，应使循环水走管程，甘油走壳程。

2.换热器的工艺计算

2.1.计算总传质系数

2.1.1.热流量

KW（2-1）

平均传热温差

℃（2-2）

式中：

℃,

℃

求得

平均传热温差校正及壳程数

（2-3）

按单壳程，双管程结构得：

平均传热温差

℃（2-4）

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

2.2.2冷却水用量

（2-5）

2.2.3计算传热面积

求传热面积需要先知道K值，根据资料查得甘油和水之间的传热系数在290～710W/（㎡.℃）之间，先取K值为500W/（㎡.℃）计算

由Q=KA△tm得

（㎡）（2-6）

2.2工艺结构尺寸

（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=2m/s

（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

（2-7）

（3）按单程管计算，所需的传热管长度为

（2-8）

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，采用非标设计，现取传热管长l=8m，则该换热器的管程数为

（2-9）

传热管总根数

（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㎜

隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算

各程相邻管的管心距为44㎜。

（5）．壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.75，则壳体内径为：

（2-10）

按卷制壳体的进级档，可取D=600mm

（6）．折流板采用弓形折流板，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=0.25×600=150m，故可

取H=150mm

取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×600=180mm，可取B为300mm。

折流板数

（2-11）

2.3换热器核算

2.3.1.热流量核算

（1）壳程表面传热系数用克恩法计算得：

（2-12）

当量直径：

（2-13）

壳程流通截面积：

（2-14）

壳程流体流速及其雷诺数分别为：

（2-15）

（2-16）

普朗特数：

（2-17）

粘度校正：

（2-18）

（2）管内表面传热系数：

（2-18）

管程流体流通截面积：

（2-19）

管程流体流速：

（2-20）

（2-21）

普朗特数：

（2-22）

（2-23）

（3）污垢热阻和管壁热阻：

管外侧污垢热阻

管内侧污垢热阻

管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为50w/（m·K）。

所以：

（4）传热系数

（2-24）

（5）传热面积裕度依式可得所计算传热面积Ac为：

（2-25）

该换热器的实际传热面积为：

该换热器的面积裕度为：

（2-26）

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.3.2壁温计算

另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。

但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。

计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。

于是有:

（2-27）

，

，

传热管平均壁温度

：

壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85℃。

壳体壁温和传热管壁温之差为

。

2.3.3换热器内流体的流动阻力

（1）管程流体阻力

（2-28）

（2-29）

由Re=49231.8，传热管粗糙度

，相对粗糙度

查莫狄图得

，流速u=1.944m/s,

所以:

77197.8Pa小于101315Pa

所以：

管程流体阻力在允许范围之内。

⑵壳程流体阻力