化原课题设计 列管式换热器

化工原理课程设计

题 目:列管式换热器的设备工艺设计

成 绩 :

目 录

1前 言............................................................................................................................................ 2

1.1换热器的简单介绍 ............................................................................................................. 2 1.2换热器的类型 ..................................................................................................................... 3 1.3设计的目的及意义 ......................................................................................................... 3 2设计部分........................................................................................................................................ 3

2.1确定设计方案 ..................................................................................................................... 3

2.1.1 选定换热器类型 ..................................................................................................... 4

1

2.1.2 选定流体流动空间及流速 ..................................................................................... 4 2.2 确定物性数据 .................................................................................................................... 4 2.3 估算传热面积 .................................................................................................................... 4

2.3.1计算热负荷（热流量或传热速率） ...................................................................... 4 2.3.2计算冷却水用量 ...................................................................................................... 4 2.3.3计算逆流平均温度差 .............................................................................................. 4 2.3.4初选总传热系数K .................................................................................................. 4 2.3.5估算传热面积 .......................................................................................................... 4 2.4工艺结构尺寸 ..................................................................................................................... 4

2.4.1管径和管内流速 ...................................................................................................... 4 2.4.2管程数和传热管数 .................................................................................................. 5 2.4.3平均传热温差校正及壳程数 .................................................................................. 5 2.4.4传热管排列和分程方法 .......................................................................................... 5 2.4.5壳体内径 .................................................................................................................. 6 2.4.6折流板 ...................................................................................................................... 6 2.4.7其他附件 .................................................................................................................. 6 2.4.8接管 .......................................................................................................................... 6

2.4.8.1壳程流体(煤油)进出口接管 ........................................................................ 6 2.4.8.2管程流体（冷却水）进出口接管 ............................................................... 6

2.5换热器核算 ......................................................................................................................... 6

2.5.1传热能力核算 .......................................................................................................... 6

2.5.1.1壳程对流给热系数 ....................................................................................... 6 2.5.1.2管程给热系数 ............................................................................................... 7 2.5.1.3污垢热阻与管壁热阻 ................................................................................... 7 2.5.1.4总传热系数 ................................................................................................... 7 2.5.1.5传热面积 ....................................................................................................... 8 2.5.2核算壁温 .................................................................................................................. 8 2.5.3传热器内流体的流动阻力 ...................................................................................... 8

2.5.3.1管程流动阻力 ............................................................................................... 8 2.5.3.2壳程流动阻力 ............................................................................................... 9

2.6换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表 ................................................................. 9 参考文献......................................................................................................................................... 10

1前 言

1.1换热器的简单介绍

换热器（heat exchanges），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。

随着人类社会生活的发展，换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。近年来，由于科技的快速发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、

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汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。 1.2换热器的类型

换热器根据不同的方式分类也不同。按传热原理分为表面式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器；按用途分为加热器、预热器、过热器、蒸发器；按结构分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。接下来着重介绍浮头式换热器和管板式换热器。 1.2.1浮头式换热器的简介

新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。 浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

1.2.2管板式换热器的简介

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。 板式换热器主要由板式换热器板片和板式换热器密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、夹紧螺栓、上导杆、下导杆 、后立柱七部分组成；具有传热系数高对数平均温差大、末端温差小、容易改变换热面积或流程组合、重量轻、价格低、制作方便、容易清洗、单位长度的压力损失大、不易结垢等优点，在实际生产中是用的比较多的一种换热器。 1.3设计的目的及意义

换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。

通过本次设计，对本学期所学的化学工程基础进行整体的回顾，查漏补缺，扩宽知识面，了解换热器的类型及用途，熟悉换热器的工艺设计计算、设备结构设计计算和换热器的核算，知道换热器在日常生活中扮演着非常重要角色，掌握课程设计的一般步骤。在工业设计中，根据处理量的不同，选择合适的换热器，为换热系统的节能、低耗和高效益打下坚实的基础。通过设计，使同学们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强课程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风设备工艺设计计算如下两流体均为无相变，本设计安非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。

2设计部分

2.1确定设计方案

3

2.1.1 选定换热器类型

两流体温度变化情况：热流体（煤油）入口温度为200℃，出口温度为40℃，冷流体（冷却水）入口温度为30℃，出口温度为50℃。 两流体的定性温度如下：

煤油的定性温度Tm=(200+40)/2=160℃ 冷却水定性温度tm=(30+50)/2=40℃ 两流体的温差Tm-tm=160-40=120℃ 可选用列管式换热器。

2.1.2 选定流体流动空间及流速

因冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选定冷却水走管程，煤油走壳程。同时选用Ø25mm×2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速取ui=0.6m/s。 2.2 确定物性数据

查化工原理附表，两流体在定性温度下的物性数据如下 热导率流体物性 定性温度/℃ 密度/(kg/m2) 黏度/Pa·s 比热容/[kJ/(kg·℃)] /[W/(m·℃) 煤油 冷却水 120 40 751 992.2 0.000752 0.000656 7.25 4.174 0.141 0.6338 2.3 估算传热面积 2.3.1计算热负荷（热流量或传热速率） 接管间煤油计算，即 Q=m1CP1(T1-T2)=3.2×107×7.25×1000×(200-40)/(330×24×3600)=1301.9kW 2.3.2计算冷却水用量

忽略热损失，则水的用量为

Q1301.9103m2Cp(t2t1)=4.174103(5030)=15.6kg/s

2.3.3计算逆流平均温度差

(20050)(4030)逆流温差 ∆tm,逆==51.7℃

ln[(20050)/(4030)]2.3.4初选总传热系数K

查传热手册，参照总传热系数的大致范围，选定大致的传热系数，现假设K=500W/(m2·℃) 2.3.5估算传热面积

1301.9103QA´===50.36m2

Ktm,逆50051.7考虑到15％的面积裕度， A=1.15A´=1.15×50.36=57.9m2 2.4工艺结构尺寸 2.4.1管径和管内流速

前已选定，管径为Ø25mm×2.5mm，管内流速为ui=1.0m/s。

4

2.4.2管程数和传热管数

根据传热内径和流速确定单程传热管数ns

15.6/992.2Vns===50(根) 220.7850.021.00.785diui

按单管程计算所需换热管的长度L

S57.9L===14.75(m) nsd0503.140.025按单管程设计，传热管过长，根据本题实际情况，取传热管长l=4.5m，则该换热管的管程数为

L14.75Np==≈4(管程)

6l传热管的总根数NT=nsNP=50×4=200(根) 2.4.3平均传热温差校正及壳程数

首先计算P和R参数：

t2t15030P===0.125 T1t120040R=

T1T220040==8 t2t15030查图或按公式获取Ψ并求取∆tm 单壳程双管程属于1-6折流，现用1-6折流的公式计算温差校正系数和传热平均温度差。

R211P2P(1RR21)ln/lnΨ= 2R11PR2P(1RR1)82110.12520.125(18821)ln/ln==0.97

281180.12520.125(1881)∆tm=

lnR21(t2t1)2P(1RR1)2p(1RR21)2=

821(5030)ln20.125(1881)20.125(18821)2=26.87℃

因0.970.8，选用单壳程的列管式换热器。

2.4.4传热管排列和分程方法

采用组合排列，即每层内正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距t=1.25d0,则即t=1.25×25≈32mm

隔板中心到最近一排管中心的距离S：按净空不小于6mm的原则确定，亦可按下式求取：

5

St/26mm S=32/2+6=22mm 分程隔板两侧相邻排管之间的关心距

22=44mm ta2S=2×

管中心距t与分程隔板槽两侧相邻管排中心距ta的计算结果与给出的数据完全一

致，证明可用。 2.4.5壳体内径

采用六管程结构，取管板利用率η=0.6，则壳体内径

D1.05tN/=1.0532200/0.6=613mm 取D=700mm

2.4.6折流板

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

h=0.25×700=175mm 取h=175mm 取折流板间距为B=0.3D=0.3×700=210mm 取B=210mm 则折流板数为NB传热管长60001=27.57 取NB=27(块) -1=210折流板间距折流板圆缺水平安装。

2.4.7其他附件

拉杆直径为Ø12mm，其数量不少于26根。壳程入口应该设置防冲挡板。 2.4.8接管

2.4.8.1壳程流体(煤油)进出口接管

取接管内煤油流速为0.5m/s,则接管内径

d4V44040.4/(3600X751)==0.0617m u3.140.5取标准管径为64×1.0mm

2.4.8.2管程流体（冷却水）进出口接管 取接管内冷却水的流速为2.5m/s，则接管内径

d415.6/992.24V==0.0895m u3.142.5取标准管径为Ø90×3.5mm 其余接管内径忽略。 2.5换热器核算 2.5.1传热能力核算

2.5.1.1壳程对流给热系数

对于圆缺形折流板，可采用克恩（ken）公式

odeuoo0.55Cpoo1/3o0.1400.36()()()

deoow当量直径由正三角形排列得

6

4(de33220.03220.0252)td0)4(2424==0.020m 3.140.025d0壳程流通截面积

0.025dS0BD(10)=0.210.7(1)=0.32m2

t0.032课程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为 4040.4/(3600X751)u0==0.047m/s

0.0320.0200.047751Re0==940 47.52108.1221037.52104Pr0=43

0.1410.1419400.55431/31=113w/(m2) 0.0202.5.1.2管程给热系数 管程流通面积

α0=0.36Si=0.785×0.0202×200/4=15.7103m2

管程流体、雷诺数及普朗特常数分别为

15.8/992.2ui==1.014m/s 315.7100.0201.014992.2Rei==27118>10000(湍流)

7.42104417474.2104Pri==4.963

0.604由上可知，Re>10000,Pr>0.7,根据Dittus和Boelter关联式，冷流体加热，n=0.4

idiuii0.8Cp0.4i0.023()()

dii0.6240.80.4271184.963=4795W/(m2·℃) 0.0202.5.1.3污垢热阻与管壁热阻

管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取RS0=0.0004m2·℃/W 管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取Rs1=0.0006m2·℃/W 管壁的热导率：碳钢的热导率λ=45W/(m·℃)。 2.5.1.4总传热系数

=0.0231ddbd10Rsi00Rs0 kidididm0 7

=

0.0250.0250.00250.02510.00060.0004

47950.0200.020450.0225113=1.67103m2·℃/W K=599W/(m2·℃) 2.5.1.5传热面积

1301.9103Q理论传热面积 A==80.88m2

Ktm59926.87该换热器的实际换热面积

0.025×(6-0.1)×200=95m2 Apd0LNT=3.14×面积裕度 HApAA×100%=

9580.88×100%=17.5%

80.88换热面积裕度合适，能够满足设计要求。 2.5.2核算壁温

因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算：

11TmRctmRhcht11 RcRhchTm(T1T2)/2=（200+40）/2=120℃

tm(0.4t10.6t2)=38℃

取两侧污垢热阻为零，计算壁温，得传热管平均壁温：

tTm/ctm/h120/479538/113==37.42℃

1/47951/1131/c1/h壳体平均壁温，近似取壳程将流体的平均温度，即120℃

壳体平均壁温与传热管平均壁温之差：120℃-37.42℃=82.58℃ 2.5.3传热器内流体的流动阻力 2.5.3.1管程流动阻力

p(pp)FNN（Ft结构校正系数，Np管程数，Ns壳程数）

i12tps取换热管壁粗糙度为0.01mm，则/d=0.0005，而Rei=27118，查图得λi=0.035，流速Ui=1.0m/s,密度ρ=992.2kg/m3所以：

8

6992.212Lui2=0.032=5209.1Pa p1i0.022i2992.212p23=3=1488.3Pa

22ui2对Ø25mm×2.5mm的管子有Ft=1.4,且Np=4，Ns=1

pi1.4×4×1=37505.5Pa<105 (p1p2)FtNpNs=(5209.1+1488.3)×

因此，管程流体阻力在允许范围之内

2.5.3.2壳程流动阻力

P0(PP12)FsNs（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）

流体流经管束的阻力

P1Ff0nc(NB1)2u02

式中F——管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形F=0.3，正方形错列F=0.4；

f0——壳程流体的摩擦系数，当Reo>500时，f0=5.0Re0-0.288=1.05 nc — — 横过管束中心线的管数农村nc=16

折流板间距B=0.21m,折流板数NB=27,uo=0.047m/s

7510.0472p0.51.0516(271)=5121Pa

2'1流体经折流板缺口的阻力

20.217510.0472Bu0'pNB3.5，p2273.5=6495Pa

D20.72'222p0=(5121+6495)×1.15×1=21716.8Pa

参考表3-10，该换热器的压降在合理的范围之内，故设计的换热器合适。

2.6换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表 参数 管程 壳程 流率/(kg/h) 4040.4 56160 温度(进/出)/℃ 30/50 200/40 压力/MPa 1 1 物性定性温度/℃ 40 120 参数 密度/(kg/m3) 992.2 751 比热容/[kJ/(kg•℃)] 4.174 7.52

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黏度/Pa·s 热导率/[W/(m•℃)] 普朗特数 设备形式 结构参数 壳体内径/mm 管子规格 管长/mm 管子数目/根 传热面积/m2 管程数 主要计算结果 流速/(m/s) 传热膜系数/[W/(m2•℃)] 污垢热阻/(m2•℃/W) 阻力损失/MPa 热负荷/kW 传热温差/℃ 传热系数/[W/(m2•℃)] 裕度/％

0.000656 0.6338 4.963 固定管板式 0.000752 0.141 43 台数 1 450 Ø25mm×2.5mm 6000 200 95 4 管程 1.014 4795 0.0001 0.0217168 1301.9 51.7 599 17.5 壳程数 1 管心距/mm 32 管子排列 正三角形 折流板数/块 27 折流板距/mm 210 材质 碳钢 壳程 0.032 113 0.0006 0.0037505 参考文献

[1]许兰飞，崔新安，刘希武等，烟气脱硫装置换热器腐蚀原因分析 专论2015第32卷 [2]周先飞 杨会伟 钱峰 归一化模糊控制在换热器出口温度控制中的研究 江汉大学学报2015第43卷

[3]何寅 刘耸 白鹤峰等管壳式换热器管子与管板的贴胀 化工装备技术2015第36卷 [4]李焱荣 固定管板式换热器金属壁温取值探析 硅谷2015第四期

[5]魏江涛 曾桃缠绕管换热器壳程传热特性的数值研究 化学工程与装备2015年第2期

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