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1、列管式换热器课程结构设计一、化工原理课程设计任务书某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102冷却至40。已知有机料液的流量为（2.50.0124）104 =2.26104 kg/h，循环冷却水入口温度为30，出口温度为40，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。已知：定性温度下流体物性数据物性流体 密度 kg/m3 粘度Pas 比热容CPkJ/（kg） 导热系数W/（m）有机化合液 986 0.54*10-34.190.662水 9940.728*10-34.1740.626注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8 。二、确
2、定设计方案1.选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度102，出口温度40；冷流体进口温度30，出口温度40，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，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。2.管程安排已知两流体允许压强降不大于60kPa；两流体分别为有机料液和冷却水。与有机料液相比，水的对流传热系数一般较大。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降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环冷却水走管程，而使有机料液走壳程。三、确定物性数据 定型温度：对于一般低粘度和水等粘
3、度低流体，其定性温度可取流体进出口的平均值。故壳程有机料液的定性温度为管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。有机料液在71下的有关物性数据如下：密度 定压比热容 热导率 粘度 循环水在35下的物性数据：密度 定压比热容 热导率 粘度 四、估算传热面积1.热流量 2. 平均传热温差暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时，=-=102-40=62；=-=40-30=10平均传热温差为3. 传热面积设总传热系数为K0=500 W/(m.K)则所需的传热面积为S=Q/(K0tm)=1630000/(50021.3)=153m24.冷却水的用量 五、工艺结构尺寸1.管径和管
4、内流速 选用的碳钢管，初步选用管内流速 m/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 按照单程管设计，所需的传热管长度为 取L=12m，按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，才用非标设计，现取传热管长则该换热器的管程数为 传热管总根数为 3.传热平均温差校正与壳程数 平均温差校正系数：按单壳程，双壳程结构，查图4-19b 单壳程的温差校正系数可得：平均传热温差 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，故壳程合适。4.传热管排列和分程方法 换热管标准排列形式有以下几种：本设计中采用正三角形排列.在上述几种排列中，a、d排列
5、更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。隔板中心到离其最近一排管中心距各程相邻管的管心距为44mm。5.壳体内径采用多管程结构，进行壳体内径计算。取管板的利用率，则壳体内径为： 按照卷制壳体的进级档，可取D=700mm。筒体的直径校核计算：壳体的内径壳体应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为： ， 因为，管子按正三角形排列，管数：取 按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得：6.折流挡板采用圆缺形折流挡板，去折流挡板圆缺高度为
6、壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为故，可圆整取取折流板的间距。折流板数7.其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为700mm，故其拉杆直径为12拉杆，数量为8， 8.接管壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为，则接管内径为：m圆整后得到管内径为：管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为：圆整后得到管内径为：六、换热器核算 1.热流量核算（1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数粘度校正 （2）管程对流传热系数 管程流通截面积: 管程流体流速 : 普兰特准数:（3）污垢热阻和管壁热
7、阻： 取壳程污垢热阻: 取管程污垢热阻: 该件下的热导率为45w/(mK)。所以（4）传热系数有：因为，介于1.12至1.5之间符合要求。（5） 传热面积裕度： 计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为:综上所述，传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为40计算传热管壁温。另外，由于传热管外侧污垢热阻较大，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
8、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： 式中循环水的平均温度和有机料液的平均温度分别计算为 0.440+0.615=25=298 K (102+40)/2=71 =344 K 4716.1w/K 1377w/K传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=344K。壳体壁温和传热管壁温之差为 。该温差较小，故不需设温度补偿装置。3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , , 由Re=26762,传热管对粗糙度 查莫狄图得，流速=0.98m/s, 所以： 所以，管程流体阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力：
9、 ： 则：由此可知本换热器符合要求。注： 折流板数目；B折流板间距, m；Di 壳体内径, m；F管子排列方式对压力降的校正因数, 对于正三角形排列, f0壳程流体的摩擦系数。nc横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列: nc = 1 . 1 N ；管子按正方形排列: nc = 1 . 19 ；u0 壳程流体横过管束的最小流速, m /s , 设计结果参数管程（循环水）壳程（有机料液）流量（kg/h）140632.522600进/出口温度/30/40102/40压降/kPa6060物性定性温度/3571密度/（kg/m3）994986定压比热容/kJ/（kg）4.1744.19粘度/（Pas
10、）0.7280.54热导率（W/m） 0.6260.662普朗特数4.853.42设备结构参数形式固定管板式管程数2壳体内径/700壳程数1管径/252.5管心距/44管长/6000管子排列混合管数目/根250折流板数/个10传热面积/153折流板间距/550管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.980.08表面传热系数/W/（k）4716.11377污垢热阻/（k/W）0.00040.0002阻力/ Pa10424.4303.7热流量/kW1630传热温差/K28.4传热系数/W/（K）562裕度/%7.9%七、结构设计 1、固定管板结构设计： 由于换热器的内径已确定，采用
11、标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为： 固定管板外径： 固定管板外径与壳体内径间隙：取 垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）:表4-16： 取 固定管板密封面宽度： 外头盖内径： 2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计： 依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径700，按JB4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）。3、管箱结构设计： 选用B型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算： 取管箱长为800mm，管道分程隔板厚度取7mm。4、固定端管板结构设计： 依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：D=806mm。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计： 依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。6、 外头盖结构设计： 外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。7、垫片选择： a.管箱垫片： 根据管程操作条件（循环水压力，温度35）选石棉橡胶垫。结构尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-39（b）所示： b.外头盖垫片： 根据壳程操作条件（有机料液，压力，温度71），选缠绕式垫片，垫片：（JB
