管壳式换热器的设计课程设计.doc

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化工原理课程设计 设计题目： 管壳式换热器选型 班 级： 2012级一班 姓 名： 季恩卉 学 号： 2012507072 指导教师： 郭瑞丽 完成日期： 2015年 5 月 25 日 化 工 系 目录 前言…………………………………………………………………………………………3 1.管壳换热器的设计书……………………………………………………………………6 2.设计方案的确定…………………………………………………………………………6 2.1.管壳换热器的型式…………………………………………………………………6 2.2.流程的选择…………………………………………………………………………6 3.确定流体的定性温度、物性数据并选择列管换热器的型式……………………………6 3.1.定性温度……………………………………………………………………………7 3.2.物性参数……………………………………………………………………………7 4.换热器的工艺计算…………………………………………………………………………7 4.1.估算总传热系数………………………………………………………………………7 4.1.1.热流量…………………………………………………………………………7 4.1.2平均传热温差…………………………………………………………………7 4.1.3．冷却剂水用量………………………………………………………………8 4.1.4. 选取K值，估算总传热系数………………………………………………8 4.2估算传热面积…………………………………………………………………………8 5. 换热器的工艺结构尺寸设计………………………………………………………………8 6. 5.1.管径和管内流速………………………………………………………………………8 5.2.管程数和传热管数……………………………………………………………………8 5.3.传热管排列和分程方法………………………………………………………………8 5.4.计算平均传热温差……………………………………………………………………9 5.5.壳体内径………………………………………………………………………………9 5.6.折流板…………………………………………………………………………………9 5.7.计算壳程流通面积及流速……………………………………………………………9 5.8.计算管程流通面积及流速 ………………………………………………………… 10 6. 换热器核算…………………………………………………………………………………10 6.1传热系数的校核………………………………………………………………………10 6.1.1．传热面积………………………………………………………………………10 6.1.2.核算总传热系数…………………………………………………………………11 6.1.3.污垢热阻…………………………………………………………………………11 6.1.4对流传热系数……………………………………………………………………11 6.1.5壳体对流传热系数………………………………………………………………11 6.1．6.传热面积…………………………………………………………………………11 6.2．换热器内流体的流动阻力………………………………………………………………12 6.2.1.管程流动阻力……………………………………………………………………12 6.2.2.壳程流动阻力……………………………………………………………………12 7. 换热器的主要结构尺寸和计算结果…………………………………………………………13 8.在ChemCAD中的结果……………………………………………………………………………14 9.附图 ……………………………………………………………………………………………15 10.总结……………………………………………………………………………………………17 11.参考文献………………………………………………………………………………………17 前 言 换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。 换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。 表2-1 传热器的结构分类 类型 特点 间 壁 式 管 壳 式 列 管 式 固定管式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 套管式 能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能 伞板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合 1.管壳式换热器 管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种： （1） 固定管板式换热器 固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。 带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。 （2） 浮头式换热器 浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。 （3） 填料涵式换热器 填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。 2.蛇管式换热器 蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。 3.套管式换热器 套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。 1 平盖 2 平盖管箱(部件) 3 接管法兰 4 管箱法兰 5 固定管板 6 壳体法兰 7 防冲板 8 仪表接口 9 加强圈 10 壳体(部件) 11 折流板 12 旁路挡板 13 拉杆 14 定距管 15 支持板 16 双头螺柱或螺栓 17 螺母 18 外头盖垫片 19 外头盖侧法兰 20 外头盖法兰 21 吊耳 22 放气口 23 凸形封头 24 浮头法兰 25 浮头垫片 26 球冠形封头 27 浮动管板 28 浮头盖(部件) 29 外头盖(部件) 30 排液口 31 钩圈 32 接管 33 活动鞍座(部件) 34 换热管 35 挡管 36 管束(部件) 37 固定鞍座(部件) 38 滑道 39 管箱垫片 40 管箱圆筒(短节) 41 封头管箱(部件) 42 分程隔板 换热器材质的选择 在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）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。 （2） 不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti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。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。 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。 1．化工原理课程设计任务书 设计题目：管壳式换热器选型 设计任务书： 操作条件 ：①有机物：入口温度78℃，出口温度21℃ ②冷却介质：河水，入口温度20℃ ③允许压强降：不大于100KPa 管路布置如图（参考图），已知泵进口段官场L进=5m，泵出口段管长L出=15m（均不包括局部阻力损失）。 设备型式：管壳式换热器 设计要求： 1. 选用一个合适的换热器； 2. 合理安排管路； 3. 选用一台合适的离心泵。 2．设计方案的确定 2.1.管壳换热器的型式： 用水做冷却剂时，出口温度不宜超过40度，选定出口温度为30度。两流体温的变化情况：热流体进口温度78℃，出口温度60℃，该换热器用循环水冷却，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，两侧的温差比较大。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。故因此初步确定选用列管式换热器。 2.2流程的选择： 从两物流的操作压力看，应使氯苯走管程，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降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，氯苯走壳程。 3. 确定流体的定性温度、物性数据并选择管壳换热器的型式 3.1.定性温度 定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 有机物的定性温度为： 水的定性温度为： 管程冷却水的定性温度为t=25(C) 壳程有机物的定性温度为T=69(C) 3.2.物性参数 根据在定性温度，分别查询壳程和管程流体的有关物性数据。 有机物在69C下的有关物性数据如下： 密度 ρ0=997 ㎏/ m3 定压比热容 Cp0=2.22 kJ/（kg.k） 导热系数 l λ0=0.16 （W/m.k） μ=0.6mPas 循环冷却水在25C下的有关物性数据如下： 密度 ρi=995.6 ㎏/ m3 定压比热容 cpi=4.18kJ/（kg.k） 导热系数 l λi=0.613 （W/m.k） 粘度 μi=0.000801（Pa.s） 4.换热器的工艺计算 4．1估算总传热系数 4．1.1热流量（忽略热损失） =532.8kw 4．1．2平均传热温差（忽略热损失） 4．1. 3冷却水用量 =9.105kg/h 4．1．4估算总传热系数 1　 管程传热系数 2　 壳程传热系数 先假设壳程传热系数α0=1500w/(m^2*℃) 污垢热阻为 Rsi=0.00017179m^2*℃/w Rs0=0.00017179m^2*℃/w 管壁的导热系数k=45w/(m^2*℃) 4. 2 估算传热面积 考虑到15%的面积裕度，S=S’*15%=24.30 5．换热器的工艺结构尺寸设计 5.1管径和管内流速 选用的碳钢管，管内流速取μ=0.5m/s。 5.2管程数和传热管数 依据传热管内径流速确定单程传热管数： 按单程管计算，所需的传热管的管长度为： 由上面的计算结果可知，按单程管设计的话，传热管过长，应该采用多管程结构。现取传热管长l=6m，则该换热器管程数为： 管内流速为： 5.3传热管排列和分程方法 采用组合排列方法，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,则 横过管束中心线的管数： 5.4.计算平均传热温差 平均传热温差校正系数 由R和P查“查化工原理课程设计指导图2-6(a)”得 平均传热温差： 5.5.壳体内径 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。 采用多管程结构，取管的利用率η=0.7，则壳体的内径为： 圆整可取D=450mm 5.6.折流板 安装折流板的目的是为了加大壳程流体的湍流速度，使湍流速度加剧，提高壳程流体的对流传热系数。在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以流体横向穿过管束，增加流体速度，以增强传热，同时用以支撑管束、防止管束震动和管子弯曲的作用。弓形折流板简单，性能优良，在实际中最常用。本次设计采用弓型折流板。 ①圆缺高度 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的35%，则圆缺高度为： h=0.35*400=140mm ②折流板间距B=600mm ③折流板数 折流板数 5.7接管 壳程流体进出口接管：取接管内有机物流速u1=1.5m/s，则接管内径为： 圆整后可取内径为146mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u2=2.5m/s，则接管内径为： 圆整后可取内径为102mm。 5.7.计算壳程流通面积及流速 壳程流通截面积： 壳程流体流速极其雷诺数分别为： 5.8.计算管程流速 管内柴油流速： 雷诺数： 6.换热器核算 6.1传热系数的校核 6.1．1．壳体对流传热系数 对圆缺形折流板，可用Kern公式： 当量直径： 壳程流通截面积： 壳程流体流速及雷诺数分别为： 普朗特数： 壳程对流传热系数： （2）管程对流传热系数 管程流通截面积： Si=0.785*(0.022)*(96-12)/2=0.026376m2 管程流体流速： 管程给热系数 （3） 传热系数 （4）传热面积 该换热器的面积裕度为： H=（（Sp-S）/S）*100%=16.247% 该换热器能够完成生产任务。 换热器内流体的流动阻力 （1）管程流体阻力换热器压降的计算 ——为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降； ——结垢校正因数，量纲为1，对的管子，取1.4； ——管程数 串联的壳程数 Re=11509.136 传热管粗糙度为：0.01/20=0.0005 查莫迪图得 =（341.125+179.864）1.412=0.014587mPa<0.1mPa (2)壳程压降 ——流体横过管束的压强降(Pa); ——流体通过折流板缺口的压强降(Pa); ——壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1，液体可取1.15。 ——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5 ——壳程流体的摩擦系数，当Re>500时,; ——横过管束中心线的管子数; ——折流挡板数; ——折流挡板间距(m); ——按壳程流通截面积计算的流速(m/s); = (1108.675+1214.583) =2323.258<0.1mPa 结论：壳程流动阻力也比较适宜。 7、换热器设计结果一览表 换热器型式：固定管板式 换热器面积（㎡）：41.12 工艺参数 名称 管程 壳程 物料名称 循环水 某有机液体 操作压力，MPa 0.02169 0.005447 操作温度，℃ 15/32 78/60 流量，kg/s 9.105 15 流体密度，kg/ 995.6 997 流速，m/s 0.3468 0.2547 传热量，kw 573.39 总传热系数，w/㎡k 532.8 对流传热系数，w/㎡k 2457.644 1093.1134 污垢系数，㎡k/w 0.00017179 0.00017179 阻力将，Pa 2276.29 9024.38 程数 2 1 使用材料 碳钢 碳钢 管子规格 Φ.5 管数 126 管长，mm 6000 管间距，mm 32 排列方式 正三角形 折流板形式 上下(共9个) 间距 32mm 壳体内径/mm 2758 切口高度 140mm 三、安排管路和选择合适的离心泵 1．管径初选 初取水合适流速 u=0.6m/s 由于201.9mm不是标准管径，因此确定d=203mm壁厚6mm的热轧无缝钢管： 符合经济流速范围 故确定： d=191mm 壁厚6mm 2.压头He 在水槽液面及压力表处列柏努利方程 取， ， 查图得 局部阻力： 底阀一个 标准90弯头3个 球心阀1个（全开） 另外：突然减小=0.5，突然增大=1.0 故 换热器压降 对泵的压头安全系数取1.1，=1.110.798=11.878m 对流量的安全系数取1.4，qve=1.432.92=46.088 3.泵的选择 因为是输送河水，并且根据和以及IS型离心泵系列特性曲线可以选用清水泵，由以上数据查表得取泵：IS100-65-200 其参数为： 离心泵的型号规格 型号 转速 n/(r/min) 流量 扬程 /m 效率 功率 必需气蚀量 （NPSH）r/m 质量（泵/底座）/kg m3/h L/s 轴功率 电机功率 IS100- 65-200 1450 50 13.9 12.5 73 2.33 4 2 81/64 4、管路布置如图所示： 7. 管路选择203mm6mm的钢管，至少使用下列零件：底阀1个；标准90弯头3个；球心阀1个。 8. 由于计算所得有效压头为10.788m，（安全压头为11.878m）；有效流量为32.92m3/h（安全流量为46.088 m3/h），根据离心泵特性曲线和工作点，选取型号为IS100-65-250的离心泵。 四、主要符号说明 P——压力，Pa ; Q——传热速率，W； R——热阻，㎡K/W； Re——雷诺准数； S——传热面积，㎡； t——冷流体温度，℃； T——热流体温度，℃； u——流速，m/s; ——质量流速，㎏/h; ——表面传热系数W/(㎡K); ——有限差值； ——导热系数，W/(mK); ——粘度，Pas; ——密度，㎏/m3; ——校正系数。 r——转速，n/(r/min) H——扬程，m ——必须汽蚀余量，m A——实际传热面积， Pr——普郎特系数 NB——板数，块 K——总传热系数，W/(㎡K) ——体积流量 Nt——管数，根 Np——管程数 l——管长，m KC——传热系数，W/(mK) △tm——平均传热温差，℃ 8.在ChemCAD中的结果 SUMMARY REPORT -------------- General Data: Heat Transfer Data: Exch Class/Type R/AEL Effective Transfer Area 219.02 Shell I.D. 0.70 Area Required 380.44 Shell in Series/Parallel 1/1 COR LMTD 13.57 Number of Tubes 320 U (Calc/Service) 428.70/744.66 Tube Length 9.00 Heat Calc 4585.74 Tube O.D./I.D. 0.0250/0.0200 Heat Spec 7965.53 Excess % -42.43 Tube Pattern TRI30 Foul(S/T) 1.761E-004/1.761E-004 Tube Pitch 0.03 Del P(S/T) 13.49/50.69 Number of Tube Passes 2 SS Film Coeff 697.13 Number of Baffles 57 SS CS Vel 0.35 Baffle Spacing 0.15 TW Resist 0.000056 Baffle Cut % 21 TS Film Coeff 2801.03 Baffle Type SSEG TS Vel 517.89 Thermodynamics: K: UNIFAC H: Latent Heat D: Library Number of Components: 2 Calculation Mode: Rating Engineering Units: Temperature C Flow/Hour (kg/h)/h Pressure kPa Enthalpy MJ Diameter/Area m/m2 Length/Velocity m/(m/sec) Film W/m2-K Fouling m2-K/W 9.附图 10.总 结 课程设计不同于平时的作业，在设计过程中需要我们自己做出决策，即自己确定方案，选择工艺参数和条件，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选择最理想的方案和最合理的设计。所以这对培养我们独立工作的能力有很大帮助。在“列管换热器的工艺设计和选用”的设计过程中，感觉到理论和实践能力都有一定的提升。主要有以下几点：（1）查找资料，选用公式和收集数据的能力。设计任务数给出后，有许多数据需要由我们自己取收集，有些物性参数要查去或估算，计算公式也要求我们自己选择，这就要求我们运用各方面的知识，通过详细全面的考虑才能选定。（2）准确、迅速地进行工程计算的能力。设计计算是一个反复试算的过程，计算工作量大，这就要求我们需要有准确迅速的能力。（3）综合分析问题的能力。课程设计不仅要求计算正确，还要求从各方面考虑各种因素，分析设计方案的可行性、合理性、从总体上得到最佳结果。 11.参考文献 1．陈英南，刘玉兰．常用化工单元设备的设计.华东理工大学出版社.2005 2．上海医药设计院编．化工工艺设计手册(第二版).化学工业出版社.1996 3．江体乾等．化工工艺手册．上海科学技术出版社.1992 4．茅晓东，李建伟．典型化工设备机械设计指导．华东理工大学出版社．1995 5．化学工程手册编委．化学工程手册(第1篇)化工基础数据．化学工业出版社.1980 7．陈敏恒等．化工原理(第三版)．化学工业出版社．2006