[理学]固定管板式列管换热器的设计.ppt

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1、理学固定管板式列管换热器的设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目 录十、对本设计的评述或有关问题的分析讨论十一、参考文献十二、工作总结十三、设计创新点固定管板式列管换热器2摘 要本次课程设计属于化工课程设计的一个重要方面，在工业生产中有着广泛的应用。目的在于考察我们对相关化工原理基本理论知识的掌握程度，提高对化工设备的认知以及培养分工与独立工作的能力。我们的课题为“固定管板式列管换热器的设计”，通过已知的苯进口温度，管程壳程的压力降要求，水的常温温

2、度等条件设计一符合实际工作要求的换热器，并且通过一工艺流程图展现其在某种特定用途下的操作流程。由于水的出口温度并不已知，笔者通过选择合理的泵来推算出其出口温度，进而对后续的计算问题迎刃而解。后期的校核计算中，所得的换热面积、压力降及壁温均符合要求，标明所设计的换热器是满足一定生产负荷下正常工作要求的。固定管板式列管换热器3一、固定管板式换热器的介绍1、固定管板式换热器的结构特点 此种换热器的特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。固定管板式列管换热器42、固定管板式换热器的性能优点 与其他形式的换热器相比，它的结构简单，制

3、造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗。3、固定管板式换热器的性能缺点 无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以致管子扭弯或从管板上脱落，甚至损坏整个换热器。固定管板式列管换热器5二、设计方案的确定及流程说明1、确定设计方案（1）已知设计条件 生产负荷（按每年7200小时计算）：11.6万吨纯苯/年 苯进料状况：80的液体 苯出口状况：55的液体 冷却介质：循环水（1535）管程和壳程压降：不大于10kpa（2）设计的前期

4、处理 壳程和管程所走流体的选择 选择依据：1）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会，而苯是一种可至白血病有毒液体；2）粘性大的或流量小的液体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，在较小的雷诺数（Re100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数，而一般正常温度下，苯的粘性小，水的粘性大；3）苯是高温液体，在管内热膨胀，水是低温流体，在壳内冷缩，从而使管子不会从管板上脱落。固定管板式列管换热器6 由此，笔者选定让水走壳程，苯走管程。对水的假定 假设所用水的水源来自于清河水，在使用它作为冷却介质前，需对其做一定的化学处理：先通过一净水池将较大的颗粒除去；再通过另一净水池，使用絮凝剂，将钙离子和镁离子沉

5、淀，这样得到的水可近似认为是污垢热阻很小的蒸馏水。同样的，考虑到设备是长期工作的，难免保证水不蒸发、泄露而损耗，需进行定期的补给。水入口温度的选定 笔者假定换热器的常年平均工作温度为20，亦即室外温度基本恒定在20。符合这样条件的地区分布在大陆的低纬度地区，以广州地区为宜。所以，水入口的温度选择为20。固定管板式列管换热器7水出口温度的设计思路 笔者是通过选择泵来确定水的出口温度的。下面即为设计的思路：一般情况下，水的流速在12.5m/s之间取。取TR32-160型离心式液下泵（化工设备设计手册P1530），已知其体积流量qV=9m/h,出口直径d为32mm，由u=qV/A解得出口流速为2.0

6、7m/s，正好符合上述的流速范围内；由的选定，得到20条件下水的密度为998.2kg/m，知道质量流量qm=qV*=998.2*9kg/h=2.4955kg/s；在根据热负荷计算式 Q=1Cp1(T1-T2)=2Cp2(t2-t1)可计算得水的出口温度 =40.50540.50 因此，水的出口温度设定为40.5。其中，热负荷Q=213580J 固定管板式列管换热器8输送苯对应泵的选择 由苯的年产量可知其质量流量，再由苯的进口温度查得其对应密度，结合质量流量和入口密度即可求得苯入口的体积流量（为20.23m3/h）。选用ZA 型卧式离心泵，型号ZA40-200 对应C型叶轮，额定流量Q=22m3

7、/h（摘自化工设备设计手册下卷P1512）下面确定泵操作的流量富余量，以确定所选泵是否符合要求。泵的流量富余量应尽量减少，这样所选泵的型号、规格的额定工况接近操作工况，泵的一次性投资较小，操作效率高，节省操作费用。根据经验，泵的流量富余量最好在泵的额定流量5%10%的范围内。而计算得富余量约为8%，符合要求。换热器设计压力的选定 由于条件中所给苯的进口温度为80，而苯的沸点也略高于这个值，因而不宜在常压下进行工作，需要施加一定的压力，使其不宜蒸发出来，根据后来计算出的压降值（很小）以及标准的几个公称压力值，因此这里的设计压力定为0.6Mpa。固定管板式列管换热器9（3）设计安排 本次设计首先通

8、过换热面积的计算以及校核值确定所选用的换热器是否合适，一旦选择好换热器后，其内部总管子的数目以及换热面积都是确定的值。根据管子的尺寸和数目即可进行相应的排列。当壁温和压力降的校核结果满足后，即可进行附件的设计。当计算和校核的部分完成后，即可进行作图。笔者作为组长，负责协调每一个人的分工，从而为后续的设计扫除障碍。固定管板式列管换热器10三、换热面积的估算计算定性温度，确定物理常数管程管程壳程壳程T=67.5t=30.251=831kg/m32=995.7kg/m31=0.000358Pa*s2=0.0008015Pa*sCp1=1909J/(kg*k)Cp2=4174J/(kg*k)1=0.1

9、315W/(m*k)2=0.618W/(m*k)固定管板式列管换热器11计算对数平均温差 为了增加传热的有效性，设计时采用逆流的方式。根据计算式tm逆=（t1-t2）/ln（t1/t2）其中，t1=80-40.5（）=39.5 t2=55-20（）=35 求得tm逆=37.20 假设所选择的流程为单壳程、双管程，则流动的形式为折流，需对对 数平均温度差tm逆乘以校正系数，而校正系数是辅助量R与P的函数。固定管板式列管换热器12其中，R=（T1-T2）/（t2-t1）=1.22 P=(t2-t1)/(T1-t1)=0.342由化工原理图4-52（）得出温差校正系数为0.94。解得tm逆=34.9

10、7估算总传热系数K值 由化工原理表4-4可知，有机物水组合中，当有机物黏度0.5mpa*s时，K的取值范围为300800W/（*k），而苯的1=0.000358Pa*s2100,得di表示列管的内径，15mm.由于管内的液体被加热，因此近似取KC=0.3，KE=0.2，K=4将这些数值代入Pt的公式中，得到Pt=4632Pa500时，固定管板式列管换热器28横过管束中心线的管子数nc=1.1*=10.31 取nc=11折流板数NB=14壳程流速u2=0.161m/s解得流体通过折流板缺口的压强降折流板间距h=0.2m壳体内径D=0.325m一般的，流体流经换热器进出口导致的压降可忽略。对于液体

11、壳程压强降的结垢校正系数Fs=1.5固定管板式列管换热器29壳程数Ns=1因此，壳程的压力降也是符合要求的。固定管板式列管换热器30九、设计一览表水进口温度水进口温度20面积裕量面积裕量（非有效）（非有效）22.09%水出口温度40.5实际外壁壁温41苯的质量流量4.4753kg/s管长3m水的质量流量2.4955kg/s管径输送水的泵型号TR32-160型管子数目88输送苯的泵型号ZA40-200型折流板数目14管、壳程设计压力0.6MPa折流板间距200mm管程压力降4632Pa拉杆和定距杆数目4壳程压力降1860Pa管子在管板上排列方式正三角形设计传热面积(非有效)15.2排列管的中心距

12、25mm计算传热面积12.45壳体内径325mm固定管板式列管换热器31十、设计创新点 在整个设计过程的计算步骤中，我是通过选择泵来确定水的出口温度的。这样做的好处是，一方面能够使水满足在其正常的流速范围中工作（12.5m/s），不至于对设备造成较大的冲击影响，另一方面也能为实际的生产带来方便，即直接可利用所选择的泵，且符合其工作范围之内，以期达到生产中的有效利用。固定管板式列管换热器32十一、设计中的不足点及需改进之处第一，我们设计的常年工作室温为20，但这一条件常常不能够严格符合，我们需考虑到在当地一些极端情况下的温度情况，即利用历史气象数据，计算在极端情况下的换热器工作情况，再对其作出取舍；第二，尽管接触了大量的文献，在附件的选择中依然查不到一些附件的质量，这是我们设计报告的不完整之处；第三，在工作中的协调问题。我在协调作图员与设备员的方面做得不够好，以致后期制图时，某些尺寸和查资料所得尺寸有不同之处。总之，在工作之前，一定要明确每个组员之间的关系，这样才能更好地实现组内效率最大化；第四，作图时，某些剖面线画得比较粗，粗细不匀，没有严格按照标准区分各类线。固定管板式列管换热器33十二、工作总结固定管板式列管换热器34