列管式换热器设计说明书.docx

1、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41概述42设计方案简介 5二工艺及设备设计计算91确定物性数据 92计算总传热系数93传热面积的计算104工艺结构尺寸 105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95C出口温度70C果汁入口温度36C出口温度72C 设计要求及内容1

2、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

3、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

4、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

5、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- 174C般使用温度可达110-125C3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

6、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com U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

7、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

8、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 ms com 08-15 05-3 10 08-18 05-15 5-30 壳程流速 ms com 05-15 02-15 05 04-10 03-08 2-15 15 材质的选择一般

9、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）19X2 mm1）25X2 mm（I）25X25 mm 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

10、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

11、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

12、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mmd0换热管外径mmnc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 q 070854管程n 0608正方形排列2管程 Q 055074 管程 n 045065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

13、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50 mm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

14、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CpO 398 kJ kgK导热系数X 0 061W mK黏度 u 0 000215Pa s加热水在825C下的有关物性数据如下密度 P i 9707 kgm3定压比热容Cpi 4191 kJ kgC导热系数X i 06765 W mC黏度 u i 00003525Pa s2讣算总传热系数21热流量kjh 1194 kWQO mOCpO tO 3000X398X 72-36 42984022平均传热温差Pra 0 0023 X0 di Re08 Pr04

15、0023 0610021 512808 1403 041798W m2 CC壳程水传热系数假设壳程的传热系数a i 1400 W m2C污垢热阻 Rsl 0000495 m2 C WRs2 0000168 m2 C W管壁的导热系数A 174 W m C故38036 W m2 C3传热面积的讣算考虑15的面积裕度S 115XS 115X109 125354工艺结构尺寸41管径和管内流速选用25mmX 20mm的不锈钢管管内流速取ui 05ms42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L 3194m按单程管设计传热管过长宜采用多管程结构现取传

16、热管长6m则该换热器 的管程数为N 536管程传热管总根数为 56 30根43平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R 95-70 72-36 0695P 72-36 95-36 0610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C44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 t 125 焊接法则 t 12525 3125 mm 32 mm横过管束中心线的管数nc 119 645壳体内径釆用多管程结构取管板利用率07则壳体内径为D 105t 10532 23758mm圆整可取D 273mm46折流板数采用弓形折流板取弓形折流板圆

17、缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高 度为 h 025273 6825mm 故可取 h 65mm取折流板间距B 03D则B 03273 819mm可取B为150mm折流板数N -1 -1 39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u 10 ms则接管内径为00386m取标准管径为32 mm管程流体进出口接管取接管内流速为u 15 ms则接管内径为d 0026m取标准管径为30 mm换热器核算 1热量核算1 036当量直径由正三角形排列得d 0020m壳程流通截面积BD 1- com 1- 0009m壳程流体流速及其雷诺数分别为0130msReO diuO POuO 7

18、5178 2000 Re 100000黏度校正095036W C2管程对流传热系数 X 00212 000173m0459ms2300 Re 100003传热系数K4763 W C4传热面积SS Q K A tm m该换热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为H X100%X100%III Re 4707传热管相对粗糙度查摩擦因数图得流速0459ms kg所以PaPa故 Pa 100 KPa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F 04正方形错列Pa流体流过折流板缺口的阻力B 015m D 0273 m总阻力Pa 10 KPa 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

19、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C 9570 3672 d加热水入口凹凸面 流量kgh 4096 3000 e 排气口凹凸面流体密度kgm 970. 7 1050 f 放静口凹凸面 流速 ms0130 0459 传热量kW 1194 总传热系数

20、Wm2C4763 对流传热系数Wm2C 2030 1798 污垢系数m2 CW 0000168 0000495 阻力降 Pa 7202 20905程数 1 6 推荐使用材料 不锈钢不锈钢 管子规格4 25X20 管数30管长mm 6000 管间距mm 32排列方式 正三角形 折流板型式弓形上下 间距mm 130切口高度25 壳体内径mm 273保温层厚度mmRs2 0000134五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

21、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200982贾绍义柴诚敬化工原理课程设计M天津天津大学出版社20028com及实验上册M北京高等教育出版社200464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JBT 4715-92固定管板式换热器型式与基本参数 国家技术监督局19926中华人民共和国国家标准HG 205372-1992 2009管壳

22、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kjhD换热管外壳内径mP 压力Pa因数Pr普兰特准数R热阻 C WK总传热系数w mCS传热面积mL管长mt冷流体温度。Cm程数T热流体温度。CN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wmC有限差值导热系数wmC密度kgU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131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