固定管板式换热器.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流固定管板式换热器.精品文档.乙醇-水精馏塔顶产品冷凝器摘要换热器是化工生产中重要的设备之一，它是一种冷热流体间传递热量的设备，其中管壳式换热器应用最为广泛。冷凝器是换热器中的一种，本次设计的换热器为单壳程、双管程的卧式固定管板式换热器，管程介质为自来水，壳程介质为95%的乙醇。固定管板式换热器是由两端管板和壳体及管箱连接而成，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。本次设计主要分为两个部分，一部分是工艺设计，另一部分为机械设计。其中固定管板的设计较为复杂，也是至关重要的环节。机械设计中包括了结构设计和强度设计。在本次设计中，换热器两端采用B型管箱，封头为标准椭圆形封头。本次设计主要材料选用的是目前中国压力容器行业使用量最大的钢板16MnR。换热器作为换热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。关键词：换热器；冷凝器；壳体；管板；管箱；封头abstract The heat exchanger is one of the chemical production equipment, it is a hot and cold fluid heat transfer equipment, including shell-and-tube heat exchanger is the most widely used. The condenser is a heat exchanger, the heat exchanger design for single shell, double tube side horizontal fixed tube plate heat exchanger tube medium is water, the shell media 95% ethanol . Fixed tube plate heat exchangers are connected by both ends of the tube plate and the housing and the tube box, so it has the advantages of simple structure and low cost. The design is divided into two parts, process design, and the other part of the mechanical design. Fixed tube sheet design is more complex, is also a vital link. The mechanical design is included in the structural design and design strength. In this design, the two ends of the heat exchanger tube box type B, head for the standard elliptical head. The design material selection pressure vessel industry in China use of the largest steel 16MnR. The heat exchanger as a heat transfer equipment everywhere, very common in industrial applications, especially energy consumption amount of very large areas, with the rapid development of energy-saving technology, more and more heat exchanger types of development.Keywords: heat exchanger; condenser; housing; tube plate; tube box; head摘要2abstract 3一、绪论61.1、设计目的61.2、该设备的作用及在生产中的应用61.3、说明运用该设备的理由61.4、设备的结构特点61.5、在设计中遇到的问题的处理61.6、设计方案的确定7二、换热器概述72.1、换热器的分类8三、换热器的工艺设计123.1、设计条件123.2、换热器初选123.2.1确定物性123.2.2流程安排133.2.3初选换热器的类型133.2.4物料衡算133.2.5计算平均传热温差133.2.6设总传热系数k143.3工艺结构尺寸153.3.1管径和管内流速153.3.2管程数和传热管数153.3.3传热管排列和分程方法153.3.4壳体内径163.3.5折流板163.3.6拉杆173.3.7接管183.4换热器核算193.4.1管程换热系数193.4.2壁温的确定203.4.3壳程换热系数203.4.4污垢热阻和管壁热阻203.4.5计算总传热系数213.4.6传热面积裕度213.4.7壁温核算223.5计算压力降223.5.1计算管程压力降223.5.2计算壳程压力降233.6工艺计算一览表23四、换热器的结构设计244.1设计压力和设计温度的确定244.1.1管程设计压力和设计温度的确定244.2壳体、管箱壳体和封头的设计254.2.1壳体厚壁的确定254.2.2管箱壳体厚度的确定264.2.3封头设计264.2.4管箱法兰选用274.2.5管箱垫片的选取294.3管板和换热管294.3.1管板294.3.2换热管314.4进出口设计324.4.1接管外伸长度324.4.2排气、排液管334.4.3接管法兰的选用334.4.4接管开孔补强354.4.5 壳程接管尺寸的最小位置404.4.6管箱接管尺寸的最小位置414.5折流板或支持板424.5.1折流板或支持板的尺寸424.5.2折流板管孔424.5.5支持板434.5.6折流板质量计算434.6防冲板444.7分程隔板444.8膨胀节设计454.8.1膨胀节454.8.2膨胀节计算464.10支座48五、换热器的强度计算及校核495.1 壳体及封头校核495.1.1 壳体强度校核495.1.2 管箱壳体强度校核505.1.3 椭圆封头强度校核515.2管板校核515.2.1固定管板计算51一、绪论1.1、设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。1.2、该设备的作用及在生产中的应用换热器是实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。1.3、说明运用该设备的理由这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。1.4、设备的结构特点该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。1.5、在设计中遇到的问题的处理在设计中，在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求。在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：n，L等，经过二次校核达到了预期的目的。1.6、设计方案的确定（1）对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。 设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。 固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。（2）工艺流程图（3）流体流经的空间：冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或自来水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的沉积。管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。被加热的流体应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散失。饱和蒸汽由于比较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。综上所述冷却水走管程。（4）流体的流动方向选择：饱和乙醇(95%)蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高;冷却水一般从换热器的下方的入口进入,上方的出口排出,可减少冷却水流动中的死角,以提高传热面积的有效利用.故采用逆流.(5)流速的选择:换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的.(6)冷却剂及出口温度的确定:选取水做冷却剂,它们可以直接取自大自然,不必特别加工.由于水源丰富,可以降低传热面积,减少设备费用.二、换热器概述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。 在换热器中，至少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。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。2.1、换热器的分类 换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 1、换热器按传热原理可分为： 1）间壁式换热器 间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 2）蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 3）流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。 4）混合式换热器 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，冷水塔、气体冷凝器等。 2、换热器按用途分为： 1）冷却器冷却器是把流体冷却到必要的温度，但冷却流体没有发生相的变化。 2）加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 3）预热器 预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 4）过热器 过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。 5）蒸发器 蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。 下面我们主要介绍列管式换热器 。 1、 列管式换热器分类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。列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器。优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，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，大型装置中普遍采用。结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。 一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。列管式换热器，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500m2，可根据用户需要定制。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：浮头式换热器、固定式换热器、U形管换热器、填料函式换热器等1）浮头式换热器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。新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型图1 浮头式换热器和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。浮头换热器的特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。2）固定管板式换热器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。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板图2 固定管板式换热器外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。固定管板式换热器的特点1、 旁路渗流较小；2、 造价低；3、 无内漏；4、 固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。3） U型管式换热器 这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。图3 U型管换热器4）填料函式换热器：这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 图4 填料函式换热器三、换热器的工艺设计3.1、设计条件处理能力：5×104吨/年操作压力：常压产品浓度：含乙醇95%允许压降：不大于105Pa冷却介质：自来水，压力为0.3MPa,入口温度30，出口温度40每年按330天计，每天24小时连续运行3.2、换热器初选3.2.1确定物性定性温度：对于一般低粘度的气体和水，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 水的定性温度：tm=35 塔顶乙醇（95%）的定性温度：Tm=78.3自来水在35下的物性数据和乙醇（95%）在78.3下的物性数据如表1表1 物性数据物性流体温度T()密度（液）kg/m3粘度mPa·s比热容CpkJ/(Kg·)热导系数W/(m·)液化潜热r/(kJ/kg)95%乙醇78.3738.590.55663.550.165925.265自来水359940.72744.1740.6262258.43.2.2流程安排 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，并且由于循环冷却水较易结垢，其流速太低，将会加快污垢增长速度，使得换热器的传热能力下降，所以应使冷却水走管程，乙醇（95%）走壳程。3.2.3初选换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度78.3，出口温度78.3；冷流体进口温度30，出口温度40，考虑到冬季操作时，进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差应该小于50，因此初步确定选固定管板式换热器。3.2.4物料衡算冷凝蒸汽的流量：G1=5×104×103/(330×24×3600)=1.754kg/sr=r纯乙醇×95%+r水×5%=885.1×95%+2258.4×5%=925.265kJ/kgQ=Gs1×r=1.754×925.265=1622.915kJ/s自来水的流量：G2Cpc（t1t2）=QG2=1622.915/(4.174×(40-30)=38.88kg/s3.2.5计算平均传热温差 逆流： 热流体： T1=78.3 T2=78.3 冷流体： t1=40 t2=30 t1 =78.2-30=48.3 t2 =78.2-40=38.3 t1 /t2 =1.26<2 tm；=(38.2+48.2)=43.3 温度校正：P= 由P和R查图5对数平均温差校正系数图可知图5 温差校正系数图 此时，大于0.8，所以选用单壳程的列管式换热器。3.2.6设总传热系数k表2 列管式换热器中K值大致范围两流体K(w/(m2.)水-水700-1800有机物-水有机物粘度<0.5mPa·s =0.5-1.0mPa·s >1.0mPa·s300-800200-50050-300有机物冷凝-水有机物粘度<0.5mPa·s =0.5-1.0mPa·s >1.0mPa·s500-1200200-70050-350由表 2可知有机物冷凝-水的列管式换热器的总传热系数为200-700w/(m2.)。 故可初设总传热系数：K=450w/(m2.)估算传热面积：由Q=KAtm =Q/Ktm=1622.589×103/(450 ×43.3)=83.274 m23.3工艺结构尺寸3.3.1管径和管内流速对于一定传热面积而言，传热管径越小，换热器单位体积的传热面积越大。对于清洁的流体，管径可取小一些，面对粘度较大或者易结垢的流体，考虑到管束的清洗方便或者避免管子堵塞，管径可大些。故管径可选25mm×2.5mm 取管内流速u=1.0m/s表3 列管换热器内常用的流速范围流体种类流速 m/s管程壳程一般液体宜结垢液体气 体0.51.3>15300.21.5>0.53153.3.2管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns= 其中di是换热管内径di=25-（2.5×2）=20mmNs取整为125根按单程管计算，所需的传热管长度为：L=其中d0是换热管外径 d0=25mm按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，去传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为：Np=则传热管总根数： Nt=125×2=250 （根）3.3.3传热管排列和分程方法 对于多管程换热器采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。图6 管子在管板上的排列 取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.2532 隔板中心到离其最近一排管中心距离S： S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为443.3.4壳体内径采用两管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为： mm按卷制壳体的进级挡，可取D=650 mm3.3.5折流板 安装折流挡板的目的是为提高壳程流体的对流传热系数，为取得良好的效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。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，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。a.圆缺形 b.圆盘形 a.圆缺形 b.圆盘形图7 折流板 采用弓形折流板，一般切口高度与直径之比为0.15到0.45,常见的是0.20和0.25两种，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：h=0.25×650=162.5mm，取h=160mm a.切口过小,板间过大 b.切除适当 c.切口过大图8挡板切口和间距对流动的影响挡板间距过小，检修不方便，流体阻力也大；间距过大，不能保证炉体垂直流过管束，使对流传热系数降低。一般取挡板间距为壳体内径的0.2-1.0倍，通常的挡板间距为50mm的倍数，但不小于100mm，取折流挡板间距B=0.3D,则B=0.3×650=195 mm 可取B=200mm折流板数NB：3.3.6拉杆拉杆数量与直径选择标准选的取，本换热器壳体内径为650mm,根据表4和表5，其拉杆直径为mm，拉杆数量为4，其结构、尺寸如图9和图10所示。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板不应少于3个支承点。 壳程入口处，应设置防冲挡板。表4 拉杆直径/mm换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616表5 拉杆数拉杆直径dn，mm壳体公称直径d，mm<400400<700700<900900<13001300<15001500<18001800<20002000<23002300<2600拉杆数量10461012161824283212448101214182024164466810121216图9 拉杆尺寸图10 拉杆的结构形式3.3.7接管 壳程流体（混合气体）进口接管 取接管内气体流速为u=10m/s，则接管内径V=G/（混合气） 计算混合气的密度（常压下） 纯乙醇=5.733kg/m3 水=0.2788kg/m3 混合气=5%×0.2788+95%×5.733=5.46kg/m3 圆整后可取管标准内径为200mm出口接管取管内液体流速为u=0.8m/s(乙醇管内安全流速为0.8-1.5m/s)，则接管内径： 圆整后可取标准管内径为65mm 管程流体（循环水）进口接管 取接管内循环水的流速为u=1.5m/s，则接管内径： 30时，水的密度为995.7kg/m3 圆整后可取标准管内径为2000mm 管程流体（循环水）出口接管 取接管内循环水的流速为u=1.5m/s，则接管内径： 40时，水的密度为992.2kg/m3圆整后可取标准管内径为200mm3.4换热器核算3.4.1管程换热系数管程流体流通截面积：管程流体流速：冷却水流速一般不低于0.8m/s ，易结垢的河水管程流速应大于1.0m/s ，所以自来水流速1.0m/s 符合要求。 管内流体雷诺数：普朗特数，故管中为湍流，可用下式计算：其中水的温度升高，被加热，所以n=0.4 管程传热系数：3.4.2壁温的确定 由于蒸汽冷凝一侧的对流传热系数较水侧小的多，壁温总是接近传热系数较大侧的流体温度，即接近于水侧的温度，同时由于壁管的热阻很小，故管外壁温比较接近于内壁温。所以可以设 ，则冷凝蒸汽的液膜平均温度 ,此即冷凝液膜的定性温度。 由此可得冷凝液膜的导热系数：W/(m·) 粘度: mPa·s3.4.3壳程换热系数假设液膜为层流,则其中 t= =976.3W/(m2.) 检验由=<1800故假设层流是正确的,即 =976.3W/(m2.)3.4.4污垢热阻和管壁热阻表6 常用流体的污垢热阻 流体污垢热阻R/(m²··kw-1）流体污垢热阻R/(m²··kw-1）水（u<1m/s,t<47)蒸馏水海水清洁的水 未处理的凉水塔用水 已处理的凉水塔用水 已处理的锅炉用水硬水、井水水蒸汽优质不含油0.090.090.210.580.260.260.580.052 劣质不含油 往复机排出液体 处理过的盐水 有机物 燃料油 焦油气体 空气溶剂蒸汽0.090.1760.2640.1761.0561.760.260.530.14由表6可得，取管外侧乙醇的污垢热阻=0.000176自来水相当于硬水、井水=0.00058碳钢的热导率 则3.4.5计算总传热系数管外壁的污垢热阻，取管内壁的污垢热阻，取管材的污垢热阻,取管子内径m管子外径m管子平均直径m3.4.6传热面积裕度计算传热面积该换热器的实际换热面积 该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适,该换热器能够满足生产要求。3.4.7壁温核算 核算壁温时，可忽略管壁的热阻，由下列近似求得tw值 代入数据有：解方程式得: tw=52.10与假设值相差不是很大,认为计算合理。3.5计算压力降3.5.1计算管程压力降管程总压力降应等于各程直管压力降+每程回弯压力降+进出口等局部压力降,而进出口等局部压力降较之各程直管压力降、每程回弯压力降可忽略不计，即可以用下式计算管程压力降：由Re=27330(湍流)，取钢管绝对粗糙度，传热管相对粗糙度 0.1/20=0.005。查与Re及的关联图，得流速 u=1.0m/s，密度总压降<0.5MPa,在允许范围内,符合生产要求。3.5.2计算壳程压力降 壳程为恒温蒸汽冷凝压降很小,其压降可忽略。由此可知，所选的换热器符合上产要求。3.6工艺计算一览表表7 换热器的主要结构尺寸和计算结果表名称大小/尺寸规格单位管程壳程定性温度3578.3物料处理量38.881.754液体密度994738.59定压比热容4.1743.55热导率0.6260.165液体粘度0.72740.5566流通截面积0.03925流体流速1.0雷诺数27330713普朗特数4.85换热系数4796.0976.3总传热系数445面积裕度5.5%压降0.016形式固定管板式台数1壳体内经/mm650壳程数1管径/mm25mm×2.5mm管心距/mm32管长/m4.5管子排列三角形管数目/根250折流板数/块22传热面积/88.275折流板间距/mm200管程数2材质碳钢四、换热器的结构设计4.1设计压力和设计温度的确定4.1.1管程设计压力和设计温度的确定管程的工作压力为0.3MPa,定性温度为35。则可以选择标准压力0.6MPa为设计压力,设计温度为最大温度40。4.1.2壳程设计压力和设计温度的确定在78.3是,乙醇的饱和蒸汽压=0.1033MPa,水的饱和蒸汽压=44.37 MPa,则95%的乙醇饱和蒸汽压P= ,即P=0.95×0.1033+0.05×44.37=2.31MPa壳程的工作压力为2.31MPa,定性温度为78.3。则可以选择标准压力2.5MPa为设计压力,设计温度为78.3。4.2壳体、管箱壳体和封头的设计4.2.1壳体厚壁的确定 表8 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度公称直径400700>8001000>11001500>1600200>20002600浮头式810121416U型管式810121416固定管板式68101214压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和介质相容性。本次设计的固定管板式换热器壳体的内径为D=700mm，从使用条件及经济性考虑,壳程的设计压力是2.5MPa，设计温度为78.3,筒体材料可选16MnR(低合金钢)。表9 壳体或管箱壳体厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm700Q235-A/B/C881016MnR881010160Cr18Ni955(6)710(12)20根据设计温度查的碳钢的许用应力MPa。焊接方式：选为双面