管壳式换热器的设计课程设计

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1、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：完成日期： 2015年 5月 25日化工系目录前言31. 管壳换热器的设计书62. 设计方案的确定62.1. 管壳换热器的型式62.2. 流程的选择63. 确定流体的定性温度、物性数据并选择列管换热器的型式63.1. 定性温度73.2. 物性参数74. 换热器的工艺计算74.1. 估算总传热系数74.1.1. 热流量74.1.2平均传热温差74.1.3. 冷却剂水用量-84.1.4. 选取K值，估算总传热系数84.2估算传热面积-85. 换热器的工艺结构尺寸设计-86. 5.1.管径和

2、管内流速-85.2. 管程数和传热管数-85.3. 传热管排列和分程方法-85.4. 计算平均传热温差95.5. 壳体内径95.6. 折流板95.7. 计算壳程流通面积及流速95.8. 计算管程流通面积及流速 106. 换热器核算106.1传热系数的校核106.1.1. 传热面积106.1.2. 核算总传热系数116.1.3. 污垢热阻116.1.4对流传热系数116.1.5壳体对流传热系数116.1.6.传热面积116.2. 换热器内流体的流动阻力126.2.1. 管程流动阻力126.2.2. 壳程流动阻力127. 换热器的主要结构尺寸和计算结果138. 在ChemCAD中的结果149. 附

3、图1510. 总结1711. 参考文献17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

4、固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般W50-C），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

5、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

6、难，宜处理两流体温差小于50C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70C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

7、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。雎2.6 AES.BES浮柔式热交挨器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）

8、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

9、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

10、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：有机物：入口温度78C，出口温度21C 冷却介质：河水，入口温度20C 允许压强降：不大于100KPa管路布置如图（参考图），已知泵

11、进口段官场L进颈，泵出口段管长L出T5m （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78C，出口温度60C，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

12、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:t = 1832 = 25c水的定性温度为：2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

13、关物性数据如下：密度 P 0=997 kg/ m3定压比热容 Cp0=2-22 kJ/ (kg.k)导热系数入0=6 (W/m.k)x =0. 6mPa s循环冷却水在25 C下的有关物性数据如下:密度 P i=995. 6 kg/ m3定压比热容 cpi=4. 18kJ/ (kg. k)导热系数 A i=0.613 (W/m.k)粘度 u i=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)Q = m0cp0t0 = 15 * 2.22 * (78 - 60) = 532.8K7 / S =19180807/ H=532. 8kw4

14、.4.1. 2平均传热温差(忽略热损失)y (78-32)-(60-18) =43 97Oc m = Af, =78-32in Ar In260-181. 3冷却水用量01918080,w.=2 = 32776.49kg / h1 c At. 4.18*(32 18)Q1_ ,pi i7=9.105kg/h4. 1. 4估算总传热系数管程传热系数 d.u.p. 0.02x0.5x995.6Re = | / l =pi. 0.000801= 12429.46oc =0.023xfdupid i v、0.8,C |Ll )。4 piL n Ji_ti-c c” 0.613,0.02X0.5X995

15、.6、, 4080x 0.000801、0.023 x()o.8 x ()o.40.0200.000801= 17113.6820.613壳程传热系数先假设壳程传热系数Q =1500w/(nT2* C)污垢热阻为R j0.00017179m“2* C/wR 0=0.00017179m2* C/wK = 1/G1 + R + Rsi 4 + E 以 s 0 d kd0i m=1/(史1500=573.39管壁的导热系数k=45w/(m2*C)d 、+亍)以d0.0245 x 0.0225+ 0.00017179 + 0.00017179耍 + 瞒25 X 瞒25 +瞒25)17000 x 0.0

16、24. 2估算传热面积S =-0- KAtm532800573.39 x 43.97=21.13考虑到15%的面积裕度，S=S， *15%=24.305. 换热器的工艺结构尺寸设计5.1管径和管内流速选用4 25 x 2.5mm的碳钢管，管内流速取u=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V15/997n = 八八丁 = 95.82 牝 96s d 2 0.785* 0.5 *0.022按单程管计算，所需的传热管的管长度为：L =- =24；n 3.2m = 3m兀d n3.14x 0.025 x 96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

17、多管程结构。现取24.30传热管长l=6m，则该换热器管程数为:S n =n 51.5 = 100s 兀 d 0 L 3.14 x 0.025 x 615/995.6管内流速为:V 八，u. =7 八c = 0.923m / s1 Hn d 2 0.785*52 * 0.022n 24 i5.3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t = 1.25d ,则t = 1.25 x 25 = 31.25 = 32mm横过管束中心线的管数:n =1.19伊= 1.19j00 = 11.9 c5.4.计算平均传热温差平均传热温差校正系数78 -

18、60 R = 1.058832 -1532 -15P = =0.269878 -15由R 和 P查“查化工原理课程设计指导图2-6(a)，,得、=0.98平均传热温差: At =、x* = 0.98x43.97 = 43.09065.5.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n=0.7，则壳体的内径为：D = 1.05tjN7? = 1.05X31.25 100/0.7 392.18439 = 450mm圆整可取D=450mm5.6. 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

19、。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。 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 折流板间距B=600mm 折流板数折流板数 N =1 = 9B 6005.7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：4Vd = 一= 0.14298m1、兀 u1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/

20、s，则接管内径为：，4Vd = 0.09894m2n u2圆整后可取内径为102mm。5.7. 计算壳程流通面积及流速0.0250.032)=0.023m 2壳程流通截面积:=BD (1-幺)=0.15 X 0.7(1-t壳程流体流速极其雷诺数分别为:wP u =o s X 360051767.68 /(3600 x 1053)八/ ,=0.6 m / s0.023R = Q = 0.027X 竺 X1053 = 37908源 日0.00045c5.8. 计算管程流速管内柴油流速：u. =1m / s i雷诺数:ei1x 995.6 x 0.020.801X 10-3=248596. 换热器核

21、算6.1传热系数的校核6.1. 1.壳体对流传热系数a。对圆缺形折流板，可用Kern公式：a = 0.36%Re 0.55Pr1/3(%)0.140 d 0 日当量直径:4(? 12- d 2)4 x (. x 0.0322 罕 x 0.0252)de Kd3.14 X 0.025= 0.020m0壳程流通截面积:S = Bnfl -匕 V 0.6 X 0.45 xfl - 0025) = 0.0590625m 20 I t )I 0.032)壳程流体流速及雷诺数分别为:u = = 0.2547m/ s0 S0Re = = 63400 旦普朗特数：.=半=手=8.3250.16壳程对流传热系数

22、:(旦)0.14 机 1旦HwW、0.14/wa = 0.36 _LRe 0-55 Pr 3 0 de 0=733 .89W /(m2 -C)(2)管程对流传热系数管程流通截面积：S=0.785*(0.022)*(96-12)/2=0.026376m2 i管程流体流速：u =里=32776/3600 = 0.3468m/si pS 995.6 x 0.026370.0006Re =匝=.02 x .3468 x 99对=11509.136i 口2管程给热系数a 人人a= 0.023 _ Re i0.8 Pr0.4 = 0.023 _ Re i0.8ii0.6138=0.023 x x 1150

23、9.1360.8 x0.02=2467.58242W/2 .C)0.6138(4.18 x 103 x 0.801 x 10-3)0.4(3)传热系数K = 1/G1 + R + Rsi 0 + E + %)0.025以 s 0 d kd ad+)0.0245 x 0.02252572.83 x 0.02=1/( 1 + 0.00017179 + 0.00017179 0025 + 0.025 x 0.025 1093.11=575.43W/(m2 mC)(4)传热面积Q532.8 x 103S = 21.05m 2 K At575.43x43.97S =兀 dLN = 24.47m 2该换热

24、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Ap = (Ap1 + Ap2)FN N斗Ap 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，量纲为1,对O = 25mmx2.5mm的管子，取1.4;Np 管程数N串联的壳程数 Re=11509.136传热管粗糙度为：0.01/20=0.0005查莫迪图得人.=0.019Ap =X L些=0.019*上*995.2x(0.3468)2 = 341.125Pa1 id 20.022P u2 c 997 x (0.3468)2Ap2

25、= 3% = 3 x驾=179.864 PaSp = (Ap+Ap)FN N =( 341.125+179.864) X 1.4 X 1 X2=0.014587mPa500时/ =5Re0-0.228 ；b 横过管束中心线的管子数；N b折流挡板数； h折流挡板间距(m);u按壳程流通截面积计算的流速(m/s);0f0 = 5Re0 -0.228 =5 x(6340) -0.228 =0.6793p = Ffb( N +1)挡I10 B 2997 x (0.2547)2=0.5 x 0.5714 x (9 +1) x=1108.67 Pa2 久 p u2邱=N (3.5 - )-22 x 0.

26、6、997 x (0.2547)2=9 x (3.5 )0.45=1214.583Pa Ap0 = (Ap1 +AP2)FN=(1108.675+1214.583) Pa=2323.258 Pa 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（皿）：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，MPa0.021690.005447操作温度，c15/3278/60流量，kg/s9.10515流体密度，19/ m 3995.6997流速，m/s0.34680.2547传热量，kw573.39总传热系数，w/-k532.8对流传热

27、系数，w/-k2457.6441093.1134污垢系数，*k/w0.000171790.00017179阻力将，Pa2276.299024.38程数21使用材料碳钢碳钢管子规格25x2.5管数126管长，mm6000管间距，mm32排列方式止三角形折流板形式上下（共9个）间距32mm壳体内径/mm2758切口高度140mm三、安排管路和选择合适的离心泵1 .管径初选q = 9.105 kg jsq = qm2 = 9.105 = 0.009145m3/sv p 1995.6初取水合适流速u=0.6m/sA = m2 =9.5= 0.01542 m 21 p u 995.6X 0.6A =1

28、d 2 n d = E = i 4 ii 1:4 x 0.032 = 0.2019m = 201.9mm v 3.14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：q9.105U = m 2 = = 0.3193m / sH 995.6 xlx 0.19124符合经济流速范围故确定：u = 0.3193m/s d=191mm 壁厚 6mm2.压头He在水槽液面及压力表处列柏努利方程九 + H 二七 + & + 土 + HPgePg2gf取 = 0.15mm ，e / d = 0.00224Re = d pu 甲，=0.125 x 995.6.2 x 1.566

29、3/0.801 x 10-3 = 231709.1659查图得人=0.0280局部阻力：底阀一个标准90弯头3个球心阀1个（全开）& = 8.5& = 0.75 x 3& = 6.4另外：突然减小& =0.5，突然增大& =1.0故& = 0.75 x 3 + 6.4 + 0.5 + 8.5 +1.0 = 18.65换热器压降p = 21693.91 Pau 2 + 粉2 g pg0.028 x 15 + 5 +18.65x0.191)0.3193214587+2 x 9.81 995.6 x 9.811.6664m:.H = P2 _ Pa + z + M + H p g2 gf11000

30、o 0.31932+ 8 +1.6664 = 10.798m995.6 x 9.812 x 9.81厂叶 0.3193 x ： x 0.1912 = 0.00914m3 /s = 32.92m3 /h对泵的压头安全系数取1.1,狞.-3=1.1 x 10.798=11.878m对流量的安全系数取 1.4, qve=1.4x32.92=46.088m3/h3.泵的选择因为是输送河水，并且根据飞和He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/mi n)流量扬程/m效率门/ %功率必需气蚀量(NPSH)

31、 r/m质量(泵/底座)/kgms/hL/s轴功率电机功率IS100-65-20014505013.912.5732.334281/644、管路布置如图所示:7.管路选择203mm X 6mm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，血.K/W；Re-雷诺准数；S传热面积，血；t冷流体温度，C；T热流体温

32、度，C；u流速，m/s;q -m质量流速，kg/h;h表面传热系数W/(W.K);A有限差值；力导热系数，W/(m - K);P粘度，Pas;P密度，kg/m3；中校正系数。r转速，n/(r/min)H扬程，m(NPSH)r必须汽蚀余量，mKC传热系数，W/(m - K)tm平均传热温差，。CA-实际传热面积，m2Pr-一普郎特系数N B一板数，块K一总传热系数，W/(W.K)q v体积流量N t-一管数，根Np管程数l管长，m8. 在ChemCAD中的结果SUMMARY REPORTGeneral Data:Heat Transfer Data:Exch Class/TypeR/AELEff

33、ectiVeansfer Area219.02Shell I.D.0.70Area Required380.44Shell in Series/Parallel1/1COR LMTD13.57Number of Tubes320U (Calc/Service)428.70/744.66Tube Length9.00Heat Calc4585.74Tube O.D./I.D.0.0250/0.0200Heat Spec7965.53Excess %-42.43Tube PatternTRI30Foul(S/T)1.761E-004/1.761E-004Tube Pitch0.03Del P(S/

34、T)13.49/50.69Numberof Tube Passes2SS Film Coeff697.13Numberof Baffles57SS CS Vel0.35BaffleSpacing0.15TW Resist0.000056BaffleCut %21TS Film Coeff2801.03BaffleTypeSSEGTS Vel517.89Thermodynamics:K: UNIFACH: Latent HeatD: LibraryNumber of Components: 2Calculation Mode: RatingEngineering Units:Temperatur

35、eCFlow/Hour(kg/h)/hPressurekPaEnthalpyMJDiameter/Aream/m2Length/Velocitym/(m/sec)FilmW/m2-KFoulingm2-K/W9. 附图000610. 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：

36、（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.20052. 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.19963. 江体乾等.化工工艺手册.上海科学技术出版社.19924. 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.19955. 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.19807.陈敏恒等.化工原理（第三版）.化学工业出版社.2006;.