化工原理换热器课程设计—换热器的设计.pdf

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1、工程大学化工原理课程设计设计题目：换热器的设计学生姓名：指导老师：学院：生物与化学工秤学院专业班级：生物工程112班学号：目录1.1概述.3 换执器的设计1.2换热器设计任务书.3错误！未定义书签。1.3换热器的结构类型.4 1.4换热器材质的选择.6 1.5设计方案简介.7 2.1设计参数.JO 2.2计算总传热系数102.3工艺结构尺寸. . . . . . . 11 2.4换热器核算.13 2.4.1. 热流拯核算.13 2.4.2. 换热器内流体的流动阻力. . 15 3.1设计结果一览表173.2主要符号说明184.1设计心得185.1参考文献191.1概述列管式换热器又称为管壳式换

2、热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体一1-/20扛，笠竺化工原跸课秤设计在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体

3、的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大(SOC以上）时，就可能由千热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.2设计任务及操作条件1.2.1处理能力：356000kg/h的混合气体1.2.2设备形式：列管式换热器1.2.3操作条件1.2.4混合气体：入 口温度103c出口温度42c-2-/20 换执器的设计1.2.5冷却介质：自来水入口温度21c出口温度32c1.2.6允许压降不大千lOOKpa1.2.7混合气体定性温度下的物性数据：密度90kg/m3粘度1.5*10-Spa.s 比热容3.297kj/(kg. 0C)导热系数0.0279W

4、/m.C1.2.8选择适宜的列管换热器并核算1.2.8.1传热计算1.2.8.2管，壳程流体阻力的计算1.2.8.3计算结果表1.2.8.4总结1.3换热器的结构类型换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由千生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。1)间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体璧面隔开，互不接触，热撮从热流体穿过壁而传给冷流体。该类换热器适用千冷、热

5、流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介-3-/20 扛，笠竺化工原跸课秤设计绍。直接接触式换热器又称泥合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热撮。该类换热器结构简单，传热效率高，适用千冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷疑器等。2)蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容撮较大的固体蓄热体，将热撮由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热撮传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温

6、，常用千高温气体热撇的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。3)紧冻式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。4)管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子

7、按定方式固定在管板上，-4-/ 20 换执器的设计而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。1.4换热器制材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

8、。至千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. 4. 1. 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。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。1. 4. 1. 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。-S-/ 20 扛，笠竺化工原跸课秤设计正三角形排列结构紧汝；正方形排列便千机械清洗；同心圆排列用千小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列

9、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。, , 广一勹琴-$-(B) (D) 焙oe缀-$-如CE)换热管在管板上的排列方式(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1. 3. 2管板(C) 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。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，妎管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳索钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过41Pa,设计温度不超过350C的场合。1.5设计方案简介-6-/20 换执

10、器的设计1.5.1换热器类型的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1.5.1.1固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用千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，用使用管子千管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。111- 1 固定管板式换热器1一折流拦钜2一管束3一无体4一封头5一筷忤6一管板l.5.l.2U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块

11、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型环热管由温差时，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，运行可萄；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。-7-/ 20 扛，笠竺化工原跸课秤设计图1-2U迎管式换热豁1.5.1.3浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该

12、端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽摇，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材拯大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的浪合。2 t 图1-3浮头式换热器J一无僵2一固定节板_.,_隔板4一浮头钩圈法竺5一浮动竹板6一浮头泣1.5.1.4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。管束可以自由伸缩，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-8-/20 换执器的设计点是结构较浮头式换热器简单

13、，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。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对原创力文档介质不适用。l 勺-3 困1-4坟料函式换热器1一活动管板2一坟料压盖3一填料4一填料诩5一纵向隔板2.1设计参数混合气体的定性温度：原创力文档 预览与源文档一致下载高清无水印103+42 T,= =n.s0c 2 水的定性温度：T,=罕原创力文档 预览与源文档一致下载高清无水印定性温度下流体的物性I p (kglm3) IC (Pa s) I入涅合气体I90 3. 297 水996.9 4. 178 预却勺痔6曾一致下彻飞行078水印-

14、9-/20 扛，笠竺化工原跸课秤设计2.2计算总传热系数2. 2. 1热流噩的计算356000 心叩cp。D,t。=x 3.297 x 1 o x (103-42)= I 9888.2hv 3600 !:,.t -llt2 (103- 32) - (42-21) A仁= = 41.0456C In 凶I(03- 32 In /l/2 42 -21 2. 2.2冷却水的用量Q。19888.2m.= = 528.9Ikg c,M 4.178x(32- 21) 2. 2. 3计算传热面积求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350IV/ (mC)左右，先取K值为30011/(

15、mC)计算由Q=KA6tm得A。=Q。Kfitm 19890.75 = =1614.96 m 300 x41.05 2.3工艺结构尺寸2. 3. 1. 管径和管内流速选用 3.297 x 103 x I.Sx io-s Pr= l.773 0.0279 (.!.) ss I f.lw G。=0.36x 0.0279 x 20640055 x J _ 773 = 5049.04w/ m K 0.02 2. 4. 1. 2管内表面传热系数：儿。JIo., a . = 0.023.i.Re Pr , d; 管程流体流通截面积：S, =0.785x0.022星产=l.06tOm管程流体流速：432.7

16、5 / 996.95 1/. = =0.409mls 1.061 Re= 0.02x 0.409 x 996.9/(0.9027 x I o-3) = 9033.61 普朗特数：4.178x 103 x0.9027x 10一3Pr= = 6.2031 0.608 0.608 a,= 0.023xx 9033.618x6.203164 = 2 I I 9.99w/ m攷0.02 一13-/20扛，笠竺2. 4. 1. 3污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻R0= 0.00021mk/ w 管内侧污垢热阻R,= 0.00053111-k/ w 化工原跸课秤设计管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w

17、/(m K) R = 0.0025 =0.00005556111-k/w 45 2. 4. 1. 4传热系数K,:K, = Id R;d。Rwdol = 289.02w/ m2k （一.!l.-+ R产一）a,d, d; dm a。2. 4. 1. 5传热而积裕度传热面积Ac为：Q, 1988800 A, = = 1728.52m-K,!J.tm 289.02x 39.81 换热器的实际传热面积为ApAP=喊，I凡=3.14x 0.025 x4.5x 6758 = 2387.26m2 该换热器的而积裕度为：A -A0 2387.26-1728.52 H = p = = 27.59% A0 23

18、87.26 结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.4.2换热器内流体的流动阻力-14-/ 20 换执器的设计2. 4. 2. 1管程流体阻力换热器压降的计算纨=(t!,.p,立旯）F,N,N, 纳，幼2为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；F, 结垢校正因数，星纲为1,对中=25mm x 2.5mm的管子，取1.4; N, 管程数N, 串联的壳程数查表得A;= 0.030 I pt1; 4.5 996.9x(0.409) 凶J,=A,-=0.030一一= 562.82Pa d 2 0.02 2 坪，=3=3Xpu; 996.9 X (0.409)2 = 250.14Pa 2 2

19、 D.P; =(纳轨）F,N,Np = (562.82+250.14) X 1.4 X l X2=2276.29Pa 500时，儿=5Re。-0.22&-IS-/ 20 扛，笠竺b横过管束中心线的管子数，Na折流挡板数，h折流挡板间距(m);II。按壳程流通截面积计算的流速(mis);A =h(D-bd。)而。化工原跸课秤设计A。=h(D-bd。)= J.06x(2.758-91x0.025) = 0.5328m2 w 356000/(90 x3600) U。=2.062mls A, 0.5328 纳=F.,肋(N8+1)竺2 90 X (2.062)2 = 0.5 X 5 X (20

20、6400)一03x91 x (3+ J)x 2 = 7698.0SPa 轨=N8(3.5-织必D 2 2xl.1032 90 x(2.062)2 =3x(3.5-2.758 ) 2 =149.24Pa 区如（纳+t:.p;)F,N,= (7698.05+149.24)xl.15x I =9024.38Pa IOOkPa 结论：壳程流动阻力也比较适宜。3.1设计结果一览表换热器型式：固定管板式换热器面积(m): 2 387. 26 -16-/ 20 工艺参数名称管程物料名称循环水橾作压力，MPa100 操作温度，C21/32 流萤，kg/ h528. 91 流体密度，kg/1113 996. 9

21、 流速，mis0. 409 传热萤，kw总传热系数，w/mk对流传热系数，w/mk2120 污垢系数，mk/w0. 00053 阻力将，Pa2276. 29 程数2 使用材料碳钢管子规格Cl) 25x2 管问距，mm32 折流板形式上下壳体内径/mm2758 3.2主要符号说明P压力，Pa;R热阻，而K/IV;S传热而积，而；T热流体温度，C;qM质择流速，kg/h;A有限差值；粘度，Pas;9校正系数。H扬程，m换执器的设计壳程混合气体100 103/42 98.89 90 1. 72 19888. 2 289. 02 509. 04 0. 00021 9024. 38 l 碳钢管数7758

22、管长，mm排列方式正三角形问距1103mm 切口高度690mm Q-传热速率，W;Re雷诺准数；t冷流体温度，C;u流速，m/s;4500 h衷面传热系数11/(mK);儿导热系数，IV/(mK);P密度，kg/m气r-转速，n/(r/min) (NPSH), 必须汽蚀余量，m-17-/ 20 扛，笠竺A实际传热面积，1112Ns板数，块q. 气积流拯Np管程数位传热系数，IV/(mK) 4.1设计小结化工原跸课秤设计肝普郎特系数k总传热系数，W/(mK)Nt管数，根1管长，m!:,.tm一均传热温差，c本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算

23、核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由千本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅-18-/20 换执器的设计的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，希望老师批评指正。5.1参考文献1. 化工原理（第二版）杨祖荣，川北京：化学工业出版社，20092. 化工原理及设备课程设计李芳，Ml.北京：化学工业出版社，20113. 王志魁，刘丽英，化工原理（第四版）M. 北京：化学工业出版社，20104. 常用化学手册编写组常用化学手册1.北京地质出出版社，19975. 化工原理（第三版）上、下册谭天恩、周明华等，化学工业出版社，2006 -19-/20