列管式换热器讲解

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1、轻工食品学院化工原理课程设计列管式换热器班级生 物 工 程 081 班姓名陈艺琦学号200810734116指导教师邓开野李南薇提交日期2010年12月31日目录1、引言 32、 换热器设计任务书42.1 设计题目42.2 工艺条件 42.3 设计任务42.4 设计工作量43、列管换热器的流程图54、设计说明64.1 换热器类型的选择64.2 流程安排64.3 加热剂或冷却剂的选择64.4 流体进出口温度的确定75、设计方案的确定 85.1 选择换热器的类型85.2 流体流入空间的选择85.3 流向的选择85.4 确定物性数据95.5 定性温度计算96、初算冷却水的流量106.1 计算传热量

2、106.2 计算冷却水的量106.3 出算传热面积107、列管式换热器结构设计128、 传热面积校核159、 核算压力降1910、 计算结果一览表2111、 重要符号说明2212、 参考文献2313、 设计总结24一 引言换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的 热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一项化工单 元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。由于工业生产中所用的换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多 种多样。而这个设计中主要是介绍列管试换热器。列管试换热器在化工生产中主 要作为加热（冷却）器，蒸发器和再沸腾器及冷凝

3、器使用。在这些不同的传热过 程中，有些为无相变化传热，有些是有相变化传热，他它们具有不同的传热机理， 遵循不同的流体力学和传热规律，因此在设计方法上存在一些差别。列管式换 热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管 板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、 紫铜、或不锈钢制作。在满足生产的工艺条件、保证生产正常进行的前提下，还应该考虑过程的经 济性。这牵涉到合理的选择设备及利用热能的问题。传热性能良好且结构紧凑的 热交换设备，有利于节省设备费用的投资和热能的有效利用；如果热交换设备的 传热性能不良或窜热面积过小，则难于有效利用低品位的热能，造成操

4、作费用的 增加。通过这次的课程设计学习，就是要要分析影响传热速率的因素，掌握控制传 递速率的一般规律。为本次的列管试换热器的工艺设计打下基础。二 换热器设计任务书2.1 设计题目列管式换热器设计2.2 工艺条件(1) 空气气体从120C冷却到60C(2) 冷却介质采用20C的循环水(3) 混合气体流量：13000Kg/h2.3 设计任务(1) 换热器的热负荷、载热体用量、初算平均温度差、传热面积、传热系数、污垢系数、管程压力降、壳程压力降，主要工艺及结构基本参数的计算。(2) 列管式换热器主要构件的尺寸与接管尺寸的确定。2.4 设计工作量( 1 )设计说明书一份。设计结果一览表包括：传热面积、

5、传热系数、污垢系数压力降及附属设备选型情况等。( 2)换热器结构及管子组合排列图各一张。三 列管换热器的流程图4.1 换热器类型的选择由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种 多样。不同类型的换热器各有自己的优缺点和适用条件。因此，选择的换热器要 保证达到工艺要求的热流量，操作上要安全可靠，结构上要简单，可维护性要好， 尽可能节省操作费用和设备投资。4.2 流程安排在列管式换热器设计中，冷、热流和流程，需进行合理安排，一般应考虑以 下原则。 易结垢流体应走易于清洗的一侧。对于固定管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于 U 型管换热器，易结垢流体应走壳

6、程。 有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这种情况 下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积一般较小，且 易于采用多管程结构以提高流速。 具有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用量，降低换热器成本。压力高的流体应管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够避免采用耐压的壳体和密封措施。 具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液。 粘度大的流体应壳程，因为壳程内的流体在折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较你的雷诺数下就可达湍流状态。应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的主要问 题，首行满足其中较为重

7、要的要求。4.3 加热剂或冷却剂的选择一般情况下，用作加热剂或冷却的流体是由实际情况决定的。但有些时候则 需要设计者自行选择。在选用加热剂和冷却剂时，除首先应满足所能达到的加热 器或冷却温度外，还应考虑其来源方便，价格低廉，使用安全。在化工生产中， 水是常用的冷却剂，饱和水蒸气是常用的加热剂。4.4 流体进出口温度的确定工艺流体的进出口温度是工艺条件所规定的。加热剂或冷却剂的进口温度也 是确定的，但其出口温度有时可由设计者选定。该温度直接影响加热剂或冷却剂 的用量以及换热器的大小，因而这个温度的确定有一个经济上的优化问题。例如 以水为冷却剂时，由于工艺流体的进出口温度及流量都是确定的，所以若冷

8、却水 出口温度选择得较高，其用理就可以减少，从而降低了操作费用，但此时由于平 均传热温差下降，使得设备较大，增加了设备投资。适宜的出口温度应使操作费 和设备费之和最小。另外，还应考虑到温度对污垢的影响，比如未经处理的河水 作冷却剂时，其出口温度一般不得超过50C，否则积垢明显增多，会大大增加 传热阻力。五 设计方案的确定5.1 选择换热器的类型本设计冷却器选用带有折流挡板的浮头式管换热器，浮头式换热器可以从壳 体中抽出，便于清洗、检修。适用壳体壁温和管壁温差较大的场合。这种换热器 的特点是一端管板与壳体用螺栓固定，而另一端管板不与壳体相连，与另一个可 以自由伸缩的壳体（封头）相连，当换热器管束

9、受热或受冷时可以自由伸缩，不 受壳体的约束，固管、壳间不产生温差应力。且且这种换热器适用于高温、高压 的大型装置中。采用折流挡管束板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面 传热系数，提高传热效率。本设计中的浮头式换热器采用的材料为不锈钢。见参考文献275 页5.2 流体流入空间的选择本冷却器的管程走入口温度为 20C 的冷却介质水，壳程走混合气体。冷 溶液和加热水逆向流动换热。根据的原则有：1. 压强高的流体宜走管程，因为管子直径小，耐压能力高，并避免采用耐压 的壳体和密封措施。2. 对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者 宜走管间，因壁面温度与对流表面传

10、热系数大的流体温度相近，可以减少热应力， 防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。3. 冷原料走管内，可以提高其流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通 常比管间小，而且以增大流速。4. 被冷却的流体宜走壳程，便于散热。*参考 详见参考文献 1、25.3 流向的选择因工艺上无特殊要求，所以选用逆流操作。5.4 确定物性数据空气：进口温度120C出口温度60C冷却水：进口温度20C设出口温度60C5.5 定性温度计算定性温度：对于空气和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的 平均值。空气的定性温度：T二二二二120 + 60二90 C22水的定性温度：t二口2二60三0二40 C 22空气在

11、定性温度下的有关物性数据如下：物性密度Po(kg/m3)定压比热容CpoKJ/(kgK)粘度卩o(Pas)导热系数九o(Wm-1K)普朗特数Pro空气0.9721.00921.5 x 10 -63.13 x 10 -20.690水在定性温度下的有关物性数据如下：物性密度Pi(kg/m3)定压比热容CpiKJ/(kgK)粘度卩i(Pas)导热系数九i(Wm-1K-1)普朗特数Pri水992.24.174 x 1030.653 x 10-30.6354.31*参考 详见参考文献 4六 初算冷却水的流量6.1 计算传热量Q = q C (T -T) = p q C m，o p,o 1 2 1 v.o

12、 p .o=14000 x 1.009 x 103 x (120 - 60) 3600= 235433W-T)26.2 计算冷却水的量235433m =C (t -t )4.174x103 x (60 - 20)p.i 2 16.3.初算传热面积=1.41 kgfs6.3.1 按逆流计算T / t1T / t21 1 2 2120 C60 C20 C60 C山厂 T1 -12 = 60CAt2 二T - t = 40C21At AtAt=12m逆Atln1At260 40i60ln40= 49.3(K )T -T 120-60R =2 = 1.5t - t 60 - 2021t - tP =

13、21T - t1160 20120 20= 0.4(b) 2壳程,4、8管程图6.3.1温差校正系数图9由于T t，所以应采用双壳管、双管程的列管式换热器22据R、P的数值可从温差校正系数屮算图，查得温差校正系数屮=0.968At 二屮 At二 0.968 x 49.3 二 47.7Cmm 逆6.3.2 传热面积的计算据传热系数K的大致范围，取K=180W/(m2 - K)则估算传热面积：QKAt235433180 x 47.7二 27.42(m2)七 列管换热器结构设计7.1 换热管规格选用0 19mm x 2mm的不锈钢管，管长l = 3m。*参考 详见参考文献 27.2 管子数目和管程数

14、传热管总管数：An 二一估n dl27.423.14 x 19 x 10-3 x 3二 153（根）单程流速：U = qv n 一qm C3.89_ 7 P. _/ 992.2=I _兀3 14d2nd2nx 0.0192 x 153444=0.09单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多程管。按管程流速的推荐范围，选管程流速为u二。4嗔，所以管程数为m二 =篇二，管程数取5管程。7.3 确定管子在管板上的排列方式AI xsldlII口T空气进口空气出口苦芈屮乜尺曾一进口一，9, M ，冷凝水出口图 7.3.1该换热器为30 程，固采用正三角形排列，管子与管板采用焊接结构。管心距的实际最小值不能

15、小于(d+6) mm，取 t=19+6=25mm。7.4 壳体的内径确定采用多管程结构，壳体内径可按式D二t(n -1) + 2b估算。 c即 D 二 25(1.* 153 -1) + 2 x 1.5 x 19 二 372mm式中D壳体内径，mmt管间距，mm横过管束中心线的管束，管子按正三角形排列时，nc=1.1*nb管束中心线上最外层管的中心至壳体壁的距离，一般可取b= (1 1.5) d mm7.5 绘管板布置图确定实际管子数目取管板厚度为斗=14.25 mm，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm，所以换热器的实际传热面积：A 二加d (l 2 x 0.01425 2 x 0.003)

16、 0二 153 x 3.14 x 0.019 x (3 - 2 x 0.01425 - 2 x 0.003)=27.07 m 2管程实际流速：_ qu vnd2 n3.899922 0.452 m/3.14 0019153sx 0.0192 x457.6 折流挡板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25，则切去圆缺 高度为：h 二 0.25D 二 0.25 x 372 二 93mm因壳程为单相清洁流体，所以折流板却口水平上下布置。缺口向上的折流板 底部开一 90小缺口，以便停机时排净器内残液。*参照 详见参考文献 7取折流板间距 B=0.99D，贝V B 二 0.99 x 372

17、 二 368mm(0.2D B D)折流板数N =-1二 3000 -1 二 7(块)B B 368l换热管长B折流板间距*参照 详见参考文献 5食品工程原理7.7 其他附件封头、筒体法兰、管板、支座等根据相关标准从相关手册上查取。详见参考 文献7选拉杆直径为 16mm 的钢拉杆，拉杆数量为 4 根。7.8 接管7.8.1 管程流体进出口接管取管程内流速u = 6 ms：4 山.892.2)= 0.03m13.14 x 6眄则接管内径d =si n ud 接管内径， mmV 进，出换热器流体的体积流量，m3/s sU流体在管内流动的适宜流速，m/s7.8.2 壳程流体进出口接管取管内流速u =

18、 12则接管内径do= 0.42m艺=.：4 x(3890.972) n u3.14 x 12八 传热面积校核8.1 传热温度差的校核计算P和R厂 T - T120 - 60 R = 2 = 1.5t - t60 - 2021*参照 详见参考文献 10P =T -t1160 - 20120 - 20=0.4根据P、R值，查温差校正系数图申，由于T t，所以应采用双壳管、双管21程的列管式换热器。(b) 2壳程，4、8管程图8.1温差校正系数图1胀W邛查得温差校正系数屮=0.968贝V At 二屮 At二 0.968 x 49.3 二 47.7Cmm 逆8.2总传热系数K的计算8.2.1 管内膜

19、传热系数：du pRe =i_i ii 卩i0.015 x 0.452 x 992.20.653 x 10-3=10301Pric 卩-九i4174 x 103 x 653 x 10-3 = 4.2920.635流体被加热，取n=0.4。因为管内流体无相变化，在圆形直管内作强制湍流时，而且低于2 倍常温水的粘度，而且流体被加热，所以传热系数公式选用九 a = 0.023 i Reo.8 Prn idi二 0.023 x 0635 x 103010.8 x 4.292o.40.015二 2828W/(m2 K)8.2.2 管外膜传热系数流体被冷却，取 n=0.3t=19+6=25mm=0.025

20、m传热当量直径 d 的计算与管子排列方式有关。因为管子正三角形排列，所 e以传热当量直径为： 2 -n - 24卜3 x 0.0252 -34 x J0192 24 o2443.14 x 0.019ndo=0.017(m)b = (11.5)dn = 1.1 n0cD = t(n -1) + 2b = D = 25 x (1.153 -1) + 2 x 1.5 x 19 = 372mmc0.2D B 500f = 5.0 Re -0.228 二 5.0 x 88122 -0.228 二 0.3728 oo0.972x102.592得：AP 1 二 0.5 x 0.3728 x 14 x 8 x

21、 -二 106785pa122x 0.3680.972 x102.592AP1 二 7 x (3.5 ) x二 54478pa20.3722已知 F 二 1.0； N 二 1，有ssEAp = (106785 + 54478) x 1.0 x 1 = 161263pao由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适合。十 计算结果一览表参数壳程管程进口温度厂C12020出口温度厂C6060物性定性温度/c9040密度/Kg/m30.972992.2定压比容/kJ/ (KgK)1.0094.174 x 103热传导系数/W/(mK)0.03130.635粘度/Pas21.5x10

22、 -60.653x10 -3普朗特数0.6904.31流量Kg/s4.171.41流速/m/s121.20.452表面传热系数/W/( m2 C)318.112828压力降/Pa16126331162.5热流量/(KJ/S)23.5传热温差/ C60传热系数/W/( m2 C)180裕度/%20设备结构参数形式浮头式换热器拉杆直径/mm16壳体内径/mm19壳程数1管径/mm0 19x2管心距/mm25管长/mm3000管形排列正三角形管数目/根153折流板数/块7传热面积/ m227.07折流板间距/mm368管程数5材质不锈钢表 1 计算结果一览表一 重要符号说明符号意义单位T温度CQ热负

23、荷KJ/Sq质量流量Kg/sCp定压比热容J/ (KgK)A面积m2l管长mmK传热系数W/( m2. C)u流体流速m/sa管心距mmD壳体内径mmh切去圆缺高度mmNB折流板数块B相邻折流板间距mma对流传热膜系数W/( m2 C)2流体导热系数W/( m C)d0管外径mmdi管内径mmde当量直径mmR污垢热阻(m2 C)/W表 2 重要符号说明十二 参考文献1. 李功祥 陈兰英 崔英德 常用化工单元设备设计 华南理工大学出版社 2006年4月1日2. 陈均杰 李磊 化工原理实验及课程设计 化学工业出版社 20088 月3. 朱有庭 曲文海 于浦义 化工设备设计手册化学工业出版社 20

24、05 年 6 月 1日4. 黄少烈 邹华生 化工原理 高等教育出版社 2002 年 8 月5. 李运飞 葛克山主编食品工程原理，中国农业大学出版社6、王明辉主编化工单元过程设课程设计化学工业出版社，2002 年 6 月第 1 版7. 钱颂文主编换热器设计手册，化学工业出版社，2002 年 8 月第 1版十三 设计总结从 2010 年 12 月 20 日到 2010 年 12 月 31 日，我们 2008 级生物工程专业学 生进行了为期两周的食品工程原理课程设计。通过这次课程设计，使我们拓宽了 知识面，提高了对知识的应用能力，动手能力得到较大提高。经过近两个星期的 坚持和努力，终于完成了列管式换

25、热器的课程设计。通过这次设计使我懂得了很 多，包括专业知识、查找能力和做事情方面，收获不少。这次设计也使我学会了 做任何事情都要毅力、坚持、认真，不要半途而废，遇困难要积极面对、冷静思 考，这样事情才能得到完满的解决，也可以得到最快的解决。安排食品工程原理课程设计的基本目的，使学生受到一次食品工程设计技术 方面的基本训练，从而了解和掌握食品工程原理计算的基本知识、基本方法，培 养学生独立分析和解决一些技术问题的能力。检验学习成果，看一看课堂学习与 实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完 善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。设计的第一步就是学会查资料，在英东楼翻阅了不少关于换热器的书籍与资 料。熟悉了换热器的工作原理和操作，也要了解处理物料的性质，接下来进行各 种数据处理。虽然，计算方面出了不少问题，K值的选取计算了很多次，处理数 据花了很长的时间，但最后还是得出了一个比较正确的结果。最后根据物料性质 和数据等选择合适的设备。选完设备就是是进行管路的排列，我采用的三角形的 形式。做完上述步骤，就是进行画图。这次设计任务虽然不是很难，但工作量大， 需要很多的时间，要有一定的耐性才能完成。工程设计耗时长，要经过反复的验 证才能成功。课程设计提高了我的动手能力和思考能力，对以后的工作有一定的 帮助。