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1、化工原理课程设计设计题目：列管式换热器的设计学院 班级 姓名 学号 指导教师：日期：列管式换热器设计任务书设计者姓名 班级： 学号：指导老师： 日期：设计内容设计一台列管式换热器一、 设计任务及操作条件(1) 处理能力 1105 t/a热水(2) 设备型式 列管式换热器(3) 操作条件 热水:入口温度80,出口温度50. 冷却介质:循环水,入口温度20,出口温度40. 允许压降:不大于105Pa. 每年按300天计算,每天24小时连续运行.(4) 建厂地址 温州地区.二、 设计要求及内容(1) 根据换热任务和有关要求确认设计方案;(2) 初步确认换热器的结构和尺寸;(3) 核算换热器的传热面积
2、和流体阻力;(4) 确认换热器的工艺结构.目 录1.概述42.设计标准63.方案设计和拟订64.设计计算9 4.1确定设计方案94.1.1 选择换热器的类型94.1.2 流动空间及流速的测定94.2确定物性数据94.3计算总传热系数104.3.1 热流量104.3.2 平均传热温差114.3.3 冷却水用量114.3.4 总传热系数 K114.4计算传热面积124.5工艺结构尺寸124.5.1 管径和管内流速124.5.2 管程数和传热管数124.5.3平均传热温差校正及壳程数134.5.4 传热管排列和分程方法134.5.5 壳体内径134.5.6 折流板144.5.7 接管14 4.6换热
3、器核算154.6.1 热量核算154.6.1.1 壳程对流传热系数154.6.1.2 管程对流传热系数154.6.1.3 传热系数 K164.6.1.4 传热面积 S164.6.2 换热器内流体的流动阻力174.6.2.1 管程流动阻力174.6.2.2 壳程阻力174.6.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果195.设计小结206.参考文献217.附图表228.符号说明27列管式换热器设计书1.概述在不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。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中
4、广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。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，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器有以下几种：1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2、U形管
5、式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、 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。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。2.设计标准（1）JB1145-73列管式固定管板热交换器（2）JB1146-73立式热虹吸式重沸器（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术
6、监督局发布，1989（4）钢制石油化工压力容器设计规定（5）JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数（6）HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定（7）HG20519-92全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定（8）中华人民共和国国家标准 JB4732-95 钢制压力容器分析设计标准（9）中华人民共和国国家标准 JB4710-92 钢制塔式容器（10）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 压力容器波形膨胀节3.方案设计和拟订根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择
7、管程走什么，壳程走什么。在这里，冷水走管程，热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为6m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程
8、必须是洁净不易结垢的物料。U形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。根据以下原则：(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间
9、，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，热水走壳程。流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选
10、择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速。馆子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。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252.5mm及19mm两种规格的管子。在这里，选择252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂
11、的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择6m。管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。在这里选择三角形排列。 管子在管板上排列的间距(指相邻
12、两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.31.5)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25do。管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为2程，壳程为单程。折流挡板：安装折流挡
13、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1040，一般取2025，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.21)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种，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。这次设计选用圆缺形挡板。换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。主要
14、构件的选用： （1）封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径的壳体。 （2）缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。（3）导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。 （4）放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。 （5）接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀
15、性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。4.设计计算4.1确定设计方案4.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度80，出口温度60；冷流体（循环水）进口温度32，出口温度40。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为热水，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。4.1.2 流动空间及流速的测定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，
