固定管板式换热器的设计.docx
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固定管板式换热器的设计
化工原理课程设计
设计题目：
固定管板式换热器的设计
学院：
生命科学与技术学院
班级：
生物工程13-1班
姓名：
张锦玉
学号：
20131106004
指导老师：
阿不都吾甫尔·肉孜
时间：
2015年12月23日
设计任务书
一、设计题目：
有机物冷却器的设计（第1组）
二、设计任务及操作条件
1.处理能力：
0.6万吨/年
2.设备形式：
列管式换热器
3.操作条件：
（1）有机物：
入口温度86°C出口温度30°C
（2）冷却介质：
自来水入口温度18°C出口温度26°C
（3）允许压降:
不大于100Kpa
（4）有机物定性温度下的物性数据：
密度815kg/m3,
粘度7.0*10-4pa.s
比热容2.15kj/（kg.°C）
导热系数0.140W/m.°C
（5）每年按310天计，每天24h连续运行
三、设计适宜的列管换热器
1.传热计算
2.管，壳程流体阻力的计算
3.计算结果表
4.总结
1.概述1
2.设计标准1
3.方案设计和拟定1
4.设计计算2
4.1确定设计方案2
4.1.1流动空间选择2
4.2确定物性数据3
4.3设计总传热系数3
4.3.1热流量4
4.3.2平均传热温差4
4.3.3冷却水用量5
4.3.4总传热系数K5
4.4计算传热面积5
4.5工艺结构尺寸5
4.5.1管径和管内流速5
4.5.2管程数和传热管数6
4.5.3传热管排列和分程方法6
4.5.4壳体内径6
4.5.5折流板6
4.6换热器核算7
4.6.1热量核算7
4.6.1.1壳程对流传热系数7
4.6.1.2管程对流传热系数8
4.6.1.3传热系数K9
4.6.1.4传热面积A9
4.6.2换热器内流体的流动阻力9
4.6.2.1管程流动阻力9
4.6.2.2壳程阻力10
4.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果11
5.设计小结12
6.参考文献12
7.附图表13
8.符号说明14
1．概述
换热器是实现将热能从一种流体传至另一种流体的设备，在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用，并占有十分重要的地位。
由于生产条件不同，所用的换热器的类型也是多种多样。
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。
列管式换热器的应用已有很悠久的历史，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管较多，比较紧凑，因此，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，尤其在化工、石油、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。
为此本课题对这类换热器的工艺设计进行了详细的介绍。
2．设计标准
某生产过程中,需将0.6万t∕a的有机物从86℃冷却到30℃冷却水初温为18℃终温为26℃，允许压降不大于100KPa.每年按310天计算，每天按24小时连续运行。
试设计一台换热器，完成生产任务。
要求实际面积要在理论面积的110%-130%范围内。
3．方案设计及拟定
1.列管式换热器的优缺点比较
固定管板式换热器
浮头式换热器
U型管式换热器
优点
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜
便于清洗、不会产生温差应力
结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。
缺点
管外不能机械清洗，温差应力较大
结构复杂，造价高
管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少
2.设计方案
因为固定管板式结构简单，造价低廉，管程程清洗和检修简单，壳程必须是洁净不易结垢的物料，而我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢且两热流体进口温度86℃，出口温度30℃.冷流体进口温度18℃，出口温度26℃，两流体的温度相差较小，故不用考虑热补尝的问题，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。
该固定管板式换热器为单壳程四管程，三角形管束排列，有机物走壳程，水走管程，管长为3米，共有折流挡板29块，每块挡板高55mm,间距为100mm,壳体内径为219mm，选择管径时，应尽可能使流速高些，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系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×2mm两种规格的管子。
在这里选用φ25×2.5mm规格的管子。
常见的管长规格有1m、1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，在此次设计中选用3m管长的管子。
传热系数K=300W/㎡·℃,传热面积约为3.67m。
4．设计计算
4.1流动空间的确定
本次换热器设计为单壳程四管程式的。
冷、热流体通道的选择在列管式换热器中，流体走壳程还是走管程，可按下列经验原则确定：
（1）不洁净易结垢的流体应走便于清洗的一侧。
所以对固定管板式换热器应走管程
（2）需要冷却的物料宜走壳程，便于散热。
（3）流量小或粘度大的物料可走壳程，因为在折流挡板的作用下，Re﹥100即可达到湍流。
管内流速取对流传热系数明显较低的物料宜走管程,不洁净易结垢的流体应走管程便于清洗的一侧,自来水易结垢，为了便于清洗，所以循环水走管程，根据有机物的物理性质应走壳程，热流体的物料宜走壳程，便于散热。
4.2确定物性数据
定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程水的定性温度：
管程流体的定性温度：
根据定性温度，分别在《化工原理》附录中循环水的相关物理性质的有关数据,有机物的物理性质已给定，如下表1：
表1物料的有关物性数据
物料
密度㎏／m3
Cp（Kj／Kg·℃﹚
--导热系数W／（m·℃）
Ｕ-黏度Pa·s
水
0.9978×103
4.183
0.6028
0.9579×10-3
有机物
0.815×103
2.15
0.14
0.7×10-3
4.3设计总传热系数
根据有机物的黏度为0.7×10-3Pa·s，查《化工原理》P152，表4-7列管式换热器中K值大致范围，此次设计K应取200-500W/（m².ºC）之间。
4.3.1热流量
4.3.2平均传热温差及校正
平均温度的确定
热流体86℃---------------------﹥30℃
冷流体26℃<---------------------18℃
4.3.3冷却水用量
4.3.4总传热系数K
4.4计算传热面积
4.5工艺结构尺寸
4.5.1管径
因自来水易结垢，故选用Φ25×2.5mm的管径。
4.5.2传热管数
4.5.3传热管排列和分程方法
4.5.4壳体内径
4.5.5折流板
安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，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10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热，两相邻挡板的距离（板间距）B为外壳内径D的（0.2~1）倍。
系列标准中采用的B值为：
固定管板式的有100、150、200、300、450、600、700mm七种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大，板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降，这次设计选用圆缺型挡板。
4.6换热器核算
4.6.1热量核算
4.6.1.1壳程对流传热系数
4.6.1.2管程对流传热系数
4.6.1.3传热系数K
查《换热器》P83，表4-5常见流体的污垢热阻，可得水和有机物的污垢热阻
4.6.1.4传热面积A
4.6.2换热器内流体的流动阻力
4.6.2.1管程流动阻力
4.6.2.2壳程阻力
4.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器型式：
固定管板式
管口表
换热面积（m2）:
符号
尺寸
用途
连接方式
工艺参数
A
循环水入口
名称
管程
壳程
B
循环水出口
物理名称
循环水
有机物
C
有机物入口
操作压力
D
有机物出口
操作温度（摄氏度）
E
排气口
流量（kg/h）
F
放净口
流体密度
简图：
流速
传热量
总传热系数
对流传热系数
污垢系数
压力降
程数
推荐使用材料
管子规格
管数
管长
管间距
排列方式
正三角形
折流板型式
板间距：
mm
切口高度25%
壳体内径
保温层厚度
5.设计小结
本说明书对换热器中的列管换热器做了一系列的分析，从最初的初选换热器的型号、规格和尺寸到最后的核算都涉及到了诸多实际问题，最终我们根据实际可能改变选用条件，反复试算，确定选用列管换热器中的管板式换热器。
焊接采用电焊，此换热器计算出的换热面积为，实际换热面积为.选用换热器的外壳直径为㎜，管子尺寸为φ25×2.5m，管子长为,管程数为4，管中心距为㎜。
它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；拆洗方便。
经核算，所设计换热器富裕度为%，符合设计要求能够完成换热任务。
6.参考文献：
[1]王志魁主编.化工原理.出版地：
北京.化学工业出版社.2010.
[2]董其伍主编.换热器.出版地.北京.化学工业出版社.2008.
7.附图表
图表1：
温度校正表
图表2：
莫迪图
图表3：
列管换热器中K值大致范围
8.符号说明
B—折流板间距，m；Re—雷诺准数；
C—系数，无量纲；A—传热面积，㎡；
d—管径，m；t—冷流体温度，℃；
D—换热器外壳内径，m；a—管心距，m；
f—摩擦系数；T-热流体温度，℃；
F—系数；u—流速，m／s；
W—质量流量，㎏／s；h—圆缺高度m；
K—总传热系数，W／﹙㎡·℃﹚；V—体积m3／s；
△—有限差值；µ—黏度，Pa·s；ρ—密度，㎏／m3；m—程数；n—指数、管数、程数；λ-导热系数，W／﹙m·℃﹚；
N--管数、程数；—校正系数；L—管长，m；ɑi—对流传热系数,W／﹙㎡·℃﹚；
Pr—普兰特准数；Nt—折流板数；
NU—努赛尔特准数；P—压力，Pa；
Nr-中心管束个数；Cp—定压比热容,Kj/（Kg·℃）；
R-热阻,㎡·℃/W；Q—热量，Kw；
q-流量，Kg/h；H—面积裕度；
下标：
c—冷流体；h—热流体
i—管内；m—平均；
o—管外；s—污垢
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