列管式换热器设计说明书(16页).docx

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1、-列管式换热器设计说明书-第 12 页列管式换热器设计说明书设计者：班级 11级生物工程 姓名 日期 2013-7-29 指导教师 尹亮 设计成绩 日期 目 录一、设计任务书1二、设计方案简介2三、工艺计算及主体设备设计31.确定设计方案3(1)选择换热器的类型3(2)流体流入空间的选择3(3)流向的选择32.确定物性数据43.估算传热面积6（1）计算传热面积6（2）冷却水用量6（3）传热平均温度差6（4）初算传热面积64.工艺结构尺寸7（1）选管子规格7（2）总管数和管程数7 （3）确定管子在管板上的排列方式7（4）壳体内径的确定7 （5）绘管板布置图确定实际管子数目.(见附录图) 8（6）

2、折流挡板8（7）其它附件9（8）接管95.换热器核算9I、传热面积校核9（1）传热面积温差校正9（2）总传热系数K的计算10（3）传热面积校正11II 壁温的计算11III 核算压力降12（1）管程压力降12（2）壳程压强降12四、设计结果一览表14五、主要符号说明15六、参考文献17七、对本设计的吐槽18八、附图另附图一、设计任务书某厂在生产过程中，需将对二甲苯液体从87冷却到41。处理能力为1.2105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度26，出口温度37。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行） 设计任务：

3、处理能力为1.2105吨/年。操作条件：（1）对二甲苯液体从87冷却到41。 （2）冷却介质采用自来水，入口温度26，出口温度37。 （3）换热器的管程和壳程的压降10kPa。二、设计方案简介本设计任务为用自来水（冷流体）冷却对二甲苯（热流体）降温。利用热传递过程中对流传热原则，依照满足工艺和操作上的要求；确保生产安全；金肯呢个节省操作费用和设备费用等原则制成换热器，以供生产需要。在化工生产过程中，换热器应用十分广泛，它是完成各种 不同换热过程的设备。其中列管换热器，因为具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特优点。所以这个设计任务首选列管式换热器作为设计基础。列管式散热器有几种类

4、型。根据本设计方案，从经济角度看，而且工艺条件允许，所以优先选用固定管板式换热器。因为固定管板式换热器具有结构简单、适应性强、造价低廉等优点。同时由于对二甲苯的黏度系数比较小，所以使其走壳程。根据不同流体的不同特性，不断进行计算核对结果，让最终结果的裕度落在10%-25%之间，换热器的管程和壳程的压降10kPa，这样的话设计才算成功。三、工艺计算及主体设备设计1.确定设计方案(1)选择换热器的类型两流体温度变化情况：对二甲苯 (热流体) 进口温度87出口温度41。自来水 (冷流体) 进口温度26出口温度37。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，又较为清洁,不需要经常检

5、修.因此初步确定选用固定管板式换热器。固定管板式换热器,其结构简单,制造成本低,能得到较小的壳体内径,管程可分成多样,规格范围广,固在工程中广泛应用.同时,它的管内不容易积累污垢,即使产生了污垢也能比较容易清洗.它的缺点是管外清洗比较困难,因为不适宜处理脏的又具有腐蚀性的介质;管壳间存在温差应力,适用于管束和壳体间温差较小,壳程流体不易结垢的场合.当壳壁与管壁温差在50以上的时候,为了减少温差应力,可以在壳体上设置补偿圈.当壳壁和管壁温差大于60,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.(2)流体流入空间的选择本设计任务中,冷流体为水,热流体

6、为对二甲苯.由于水比较容易结垢,为了方便提高流动速度.同时减少污垢的生成,以及根据固定管板式换热器的特点,为了便于清洗污垢,因此冷却水走管程.另外,为了使对二甲苯通过壳体壁面时向空气中散热,提高冷却效果.固使对二甲苯走壳程。(3)流向的选择流体流向有并流、逆流、错流、折流四种基本类型。在流体的进口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，所以，若工艺上没有特殊要求，一般采用逆流操作。因为，在本设计任务中，我们选用逆流来设计。2.确定物性数据对二甲苯的定性温度：T= =64水的定性温度：T= =31.5（1）对二甲苯密度查化学化工物性算图手册.有机卷T/C得=825.194 k

7、g.m-3比热容在化工原理第四版 P343查得 大约Cp=1.78kJ/(kg)热导率在化工原理第四版 P341查得 大约=0.124 W/(m)黏度在网上查得“对二甲苯液体黏度共线图坐标值”为 X：13.9 Y:10.9然后对照化工原理第四版 P339的液体黏度共线图 查得 =0.419 mPas（2）水密度在化工原理第四版 P328查得 =994.3 kg.m-3比热容在化工原理第四版 P328查得 Cp=4.174kJ/(kg)热导率在化工原理第四版 P328查得=0.621 W/(m)黏度在化工原理第四版 P336查得=0.7760mPas总结上述数据，对二甲苯和水的物性数据如下表：物

8、质密度/kg/m3比热容/J/(kg)热导率/ W/(m)黏度/Pas64对二甲苯825.1941.781030.1240.41910-331.5水994.34.1741030.6210.776010-33.估算传热面积（1）计算传热面积（忽略热损失）设计条件中，要求处理能力为处理能力为1.2105吨/年（每年按300天，每天24小时连续运行）qm1=4.6296kg/sQ=qm1cp1(T1-T2)= 4.62961.78103（87-41）=3.791105（2）冷却水用量（忽略热损失）qm2=3.7911054.174103（37-26）=8.2567kg/s（3）传热平均温度差在确定设

9、计方案中的流向的选择，我们已经决定先采用逆流来计算。对二甲苯：8741水：3726 t1=50 t2=15tm = t1-t2lnt1t2 = 50-15ln5015=29.07（4）初算传热面积参照化工原理第四版P152“表4-7列管式换热器中K值大致范围”，假设K值=400W/(m)（随便取，K值主要是决定管程数，只要你确定好要用管程二还是四，大概取个K值以致得到你要的结果就行）估算的传热面积A估=QKtm=3.791105*29.07=32.6m2A实=（1.151.25）A估现在取实际面积为估算面积的1.15倍，实际面积A实=1.1533.44=37.49 m24.工艺结构尺寸（1）选

10、管子规格换热器中最常用的管子 19mm2mm和25mm2.5mm两种规格。根据本设计管程走的是最易结垢的流体，所以选择较大直径的管子，因此选用25mm2.5mm的无缝钢管。管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为原则，中国生产的钢管长以3m和6m最为普遍，经过考虑，取管长l=3m。（2）总管数和管程数总管数 n=A实d0l=37.493.140.0253=160根单程流速 u=qv4di2n=8.2567994.33.1440.022160=0.165m/s单程流速较低，为提高传热效果，考虑采用多管程。按照参照教材上表3-2管程流速的推荐范围：0.53，取管程流速u=0.7m/s管程数m=uu=

11、0.70.165=4.244 取四管程（这很重要，你要在这里确定好要管程2还是管程4，管程四画图比较麻烦，但我用管程2算出来的结果不符合要求）(3)确定管子在管板上的排列方式由于管程是四管程,固采用组合排列法,即每程内按照正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列.因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距a = 1.25d0，则a = 1.252532mm隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/2+6=32/2+6=22mm 则分程隔板槽两侧相邻管中心距ac = 44mm。(4)壳体内径的确定正三角形排列的四管程换热器，其管板利用率的范围为0.60.8.取管板利用率= 0.75，则壳

12、体内径为：D = 1.05aN/= 1.0532160/0.75 =491mm按照壳体标准圆整可取D = 500 mm管长的选择还要使换热器有适宜的长径比,一般为610.因为换热器长径比LD=30.5=6,在推荐范围内,可卧式放置.(5)绘管板布置图确定实际管子数目.(见附录图)（这里很重要，你要在这里先初略地设计好你你要画的图，从而决定实际的管子数目）（由管板布置图可知,实际排管数为166根,扣除4根拉杆,则实际换热管为162根.）根据你画的图来确定实际排管数查参考教材上表3-6,取管板厚度为40mm,设管子与管板焊接时伸出管板的长度为3mm,所以换热器的实际面积为:A=nd0(l-20.0

13、4-20.003)=1623.140.025(3-20.04-20.003)=37.06m2管程实际流速 ui=qvnm4di2=8.2567994.316243.1440.022=0.653m/s由于管程的实际流速在所推荐的范围（0.53）内，所以是可取的。（6）折流挡板为了提高壳程流体的流速，增加湍流程度以提高传热效果，通常在壳体内安装一定数量的横向折流板，弓形折流板结构简单，流动死角少，所以应用最多。本设计中也采用弓形折流挡板。弓形折流挡板通常切去弓形高度为壳体内径的20%45%，通常是20%和25%两种。现在取20%，则切去的圆缺高度为：h=0.20500=100mm因为壳程为单相清洁

14、流体，所以折流板缺口水平上下布置。缺口向上的折流板底部开一个90小缺口，以便以便停车时排净器內残液。一般取折流板的间距为壳体内径的0.21.0倍，且不小于50mm，我国系列标准中采用的折流板的间距为：固定板管式有100、150、200、300、450、600、700mm七种，根据本设计的管长为3m，比较短，所以：取折流板间距B=150mm 折流板数NB=传热管长折流板间距-1=3000150-1=19块（7）其它附件拉杆：折流板一般采用拉杆和定距套管固定在管板上，按参考材料P40表3-12规定，当25d057.时 取拉杆直径d为16mm,拉杆数量为4根.(拉杆布置如附图所示)(8)接管管程流体

15、进出口接管。取管内流速 u=1.8m/s则接管内径d1=4qvu=48.2567994.33.141.8=0.07666m按管子标准圆整，参考化工原理第四版P350,取管程流体进出口接管规格为84mm3.5mm无缝钢管。壳程流体进出口接管。取管内流速 u=1.8m/s则接管内径d2=4qvu=41.2108300243600825.1943.141.8=0.06301m按管子标准圆整，参考化工原理第四版P350,取管程流体进出口接管规格为69mm3mm无缝钢管。5.换热器核算I、传热面积校核(1)传热面积温差校正计算P和RP=t2-t1T1-t1=37-2687-26=0.18 R=T1-T2

16、t2-t1=87-4137-26=4.18根据P、R值，在化工原理第四版P147 图4-25温差校正系数图 查得t=0.93，因为t0.8，所以选用单壳程可行。tm=ttm逆=0.9329.07=27.04（2）总传热系数K的计算管内传热膜系数Re= du=0.020.653994.30.776010-3=16733.6Pr=Cp=4.1741030.77610-30.621=5.216根据公式i = 0.023 diRe0.8Prn 流体被加热，取n=4i=0.023 0.6210.0213830.50.85.2160.4=3308 W/(m2)管外传热膜系数因为Re=16733.6 即在（

17、21031106）范围内，所以根据公式：o = 0.36 de Reo0.55Pr1/3w0.14管子按正三角形排列，则传热当量直径为：de = 432a2-4do2do = 4320.0322-40.02520.025 = 0.020m壳程流通截面积：S = BD(1 dot) = 0.150.5(1 0.0250.032) = 0.0164 m2壳程流体流速：uo =qvS 1.2108300243600825.1940.0164 = 0.342m/sReo = deu000= 0.020.432825.1940.41910-3 = 13472普兰特准数：Pr = cp = 1.78103

18、0.41910-30.124 = 6.01壳程中对二甲苯被冷却，参考化工原理第四版P132中，w0.14=0.95o = 0.36 0.1240.02 17015.90.556.011/3 =757W/(m2)污垢热阻的管壁热阻查化工原理第四版 “表4-6 常用流体的污垢热阻”管内流体污垢热阻：Ri = 2.110-4 m2/W管外流体污垢热阻：Ro =1.7610-4 m2/W已知管壁厚=0.0025m，取碳钢导热系数=45.4 W/(m2)总传热系数KK = 1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o= 1253308 20+2.110-42520+0.00252545.422

19、.5+1.7610-4+1757=455W/(m2)（3）传热面积校正所需面积：A = QKtm = 3.79110545527.04 = 30.8m2前面已算出换热器的实际传热面积A= m2AA=37.0630.8=1.20说明该换热器有20%的面积裕度，在10%25%范围内，能够完成生产任务。II 壁温的计算换热器壁温可由下式估算tw=1Tm+2tm1+2已知1=0=757 W/(m2)；2=i=3276 W/(m2)；Tm= 0.4T1 +0.6 T2 =0.487+0.641=59.4；tm=0.4t2 +0.6 t1=0.437+0.626=30.4tw=1Tm+2tm1+2=757

20、59.4+327630.4757+3576=33.36壳体壁温可近似取为壳体流体的平均速度，即Tw=59.4。壳体壁温与传热壁温之差为t=59.4-33.36=26.04该温度小于50，故不需设置温差补偿装置。III 核算压力降（1）管程压力降pi = (p1 +p2)FtNpNs其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1；ui=0.645m/s ，Rei=16529.6（湍流）对于碳钢管，设管壁粗糙度= 0.1mmd = 0.120 = 0.005在化工原理第四版P37 由-Re关系图中查得=0.036 p1 = Ldu22 = 0.03630.02994.30.64522 = 111

21、6.9Pap2 = 3u22 = 3994.30.64522 = 620.5Papi = (1116.9+620.5)1.42 = 4865 Pa 10kPa（2）壳程压强降po = (p1 +p2) FsNs其中Fs = 1.15，Ns = 1p1 = Ffonc(NB+1)uo22管子按正三角形排列 F=0.5，b=1.1n=1.1168=14.26折流挡板间距 B=0.15m折流挡板数 NB=19壳程流通截面积 So = B(D-bdo) = 0.15(0.5-14.260.025) = 0.0215m2壳程流速 uo = qvS0 =8.2567994.30.0215 =0.386m/

22、sReo = deu000= 0.020.386825.1940.41910-3 = 15204fo=5.0 Reo-0.228=0.557所以流体流经管束的阻力：p1 = Ffonc(NB+1)uo22 = 0.50.55714.26(19+1)825.1940.38622 = 4879Pa流体流过折流板缺口的阻力：p2 = NB(3.5-2BD) uo22 =19(3.5-20.150.5)825.1940.38622 =3386 Pa总阻力：po =（4879+3386)1.151 = 9505.3 Pa 10kPa壳程压降也在范围之内。计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。

23、四、设计结果一览表64对二甲苯31.5自来水密度/kg/m3比热容/J/(kg)热导率/ W/(m)黏度/Pas825.1941.78103 0.1240.41910-3994.34.1741030.6210.776010-3换热器外壳直径 mm500公称面积 m237.06换热器形式单壳程四管程固定板管式材料无缝钢管管程流体进出口84mm3.5mm壳程流体进出口69mm3mm管数N166管中心距32管子尺寸mm25mm2.5mm管长m3折流板间距mm150折流板数19壳程通道面积m20.0215管程数4折流板圆缺高度100管子排列方式正三角形隔板两侧相邻管心距mm44隔板槽宽mm12计算结果

24、热负荷kW379.1传热温差26.04管内液体流速m/s0.653管外液体流速m/s0.342管内液体雷诺数16733管外液体雷诺数13472管内液体压降Pa4865管外液体压降Pa9505管内液体对流给热系数 W/(m2)3308管外液体对流给热系数 W/(m2)757传热系数计算值 W/(m2)455传热面积需要值 m230.69五、主要符号说明符号 意义 计量单位英文字母B 折流板间距 mC 系数 D 管径 mD 换热器外壳内径 mf 摩擦系数F 系数h 圆缺高度 mK 总传热系数 W/(m2)L 管长 mm 程数n 指数、管数、程数N 管数、程数NB 折流板数Nu 努塞尔特准数P 压力

25、 Pa 因数Pr 普兰特准数q 热通量 W/m2Q 传热速率 Wr 半径 m 汽化潜热 kJ/kgR 热阻 m2/WRe 雷诺准数S（或A） 传热面积 m2t 冷流体温度 a(或t) 管心距 mT 热流体温度 u 流速 m/sW 质量流量 kg/sV 体积流量 m3/希腊字母： 对流传热系数 W/(m2) 有限差值 导热系数 W/(m2) 黏度 Pas 密度 kg/m3 校正系数下标：c 冷流体h 热流体I 管内m 平均o 管外s 污垢六、参考文献1 王志魁 化工原理第四版 北京：化工工业出版社 2010.2 尹亮，黄儒强 生物工程专业课程设计3 刘启光 化学化工物性算图手册.有机卷七、对本设计的吐槽