列管式换热器的设计及其选用剖析.docx

1、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： 2012.12.122012.12.16 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

2、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

3、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

4、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

5、）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

6、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

7、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

8、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= =

9、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 =2273013.29(110-60)=3.757KJ/h =10416.66kw4.2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

10、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252.5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=6122=1224(根)5.3平均传热温差校正及

11、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=1.2525=31.2532(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

12、。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=0.7 ，则壳体内径为 D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm5.6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=0.251400=350mm，故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.31400=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16，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

13、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898560227301进/出口温度/29/39110/60压力/MPa0.46.9 物性定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgk）4.1743.29粘度/（Pas）0.7421.5热导率（W/mk） 0.6240.0279普朗特数4.961.773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/252.5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/

14、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）1.3064.9表面传热系数/W/（k）5887925.5污垢热阻/（k/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.043250.119热流量/KW10417传热温差/K48.3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ISO 5457-1980技术制图-图纸幅面及格式 GB4557.184机械制图图纸幅面及格式 3 GB15098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