列管式換熱器設(shè)計說明書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上列管式換熱器設(shè)計說明書設(shè)計者：班級 11級生物工程 姓名 日期 2013-7-29 指導(dǎo)教師 尹亮 設(shè)計成績 日期 目 錄一、設(shè)計任務(wù)書1二、設(shè)計方案簡介2三、工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計31.確定設(shè)計方案3(1)選擇換熱器的類型3(2)流體流入空間的選擇3(3)流向的選擇32.確定物性數(shù)據(jù)43.估算傳熱面積6（1）計算傳熱面積6（2）冷卻水用量6（3）傳熱平均溫度差6（4）初算傳熱面積64.工藝結(jié)構(gòu)尺寸7（1）選管子規(guī)格7（2）總管數(shù)和管程數(shù)7 （3）確定管子在管板上的排列方式7（4）殼體內(nèi)徑的確定7 （5）繪管板布置圖確定實際管子數(shù)目.(見附錄圖) 8（6）折流擋板8（

2、7）其它附件9（8）接管95.換熱器核算9I、傳熱面積校核9（1）傳熱面積溫差校正9（2）總傳熱系數(shù)K的計算10（3）傳熱面積校正11II 壁溫的計算11III 核算壓力降12（1）管程壓力降12（2）殼程壓強降12四、設(shè)計結(jié)果一覽表14五、主要符號說明15六、參考文獻17七、對本設(shè)計的吐槽18八、附圖另附圖專心-專注-專業(yè)一、設(shè)計任務(wù)書某廠在生產(chǎn)過程中，需將對二甲苯液體從87冷卻到41。處理能力為1.2×105噸/年。冷卻介質(zhì)采用自來水，入口溫度26，出口溫度37。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于10kPa。試設(shè)計能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。（每年按300天，每天24小時連續(xù)運

3、行） 設(shè)計任務(wù)：處理能力為1.2×105噸/年。操作條件：（1）對二甲苯液體從87冷卻到41。 （2）冷卻介質(zhì)采用自來水，入口溫度26，出口溫度37。 （3）換熱器的管程和殼程的壓降10kPa。二、設(shè)計方案簡介本設(shè)計任務(wù)為用自來水（冷流體）冷卻對二甲苯（熱流體）降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，依照滿足工藝和操作上的要求；確保生產(chǎn)安全；金肯呢個節(jié)省操作費用和設(shè)備費用等原則制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。在化工生產(chǎn)過程中，換熱器應(yīng)用十分廣泛，它是完成各種 不同換熱過程的設(shè)備。其中列管換熱器，因為具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、適應(yīng)性強、制造材料廣泛等獨特優(yōu)點。所以這個設(shè)計任務(wù)首選列管式換熱器作為設(shè)

4、計基礎(chǔ)。列管式散熱器有幾種類型。根據(jù)本設(shè)計方案，從經(jīng)濟角度看，而且工藝條件允許，所以優(yōu)先選用固定管板式換熱器。因為固定管板式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、造價低廉等優(yōu)點。同時由于對二甲苯的黏度系數(shù)比較小，所以使其走殼程。根據(jù)不同流體的不同特性，不斷進行計算核對結(jié)果，讓最終結(jié)果的裕度落在10%-25%之間，換熱器的管程和殼程的壓降10kPa，這樣的話設(shè)計才算成功。三、工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計1.確定設(shè)計方案(1)選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：對二甲苯 (熱流體) 進口溫度87出口溫度41。自來水 (冷流體) 進口溫度26出口溫度37。從兩流體溫度來看，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會很

5、大，又較為清潔,不需要經(jīng)常檢修.因此初步確定選用固定管板式換熱器。固定管板式換熱器,其結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,能得到較小的殼體內(nèi)徑,管程可分成多樣,規(guī)格范圍廣,固在工程中廣泛應(yīng)用.同時,它的管內(nèi)不容易積累污垢,即使產(chǎn)生了污垢也能比較容易清洗.它的缺點是管外清洗比較困難,因為不適宜處理臟的又具有腐蝕性的介質(zhì);管殼間存在溫差應(yīng)力,適用于管束和殼體間溫差較小,殼程流體不易結(jié)垢的場合.當(dāng)殼壁與管壁溫差在50以上的時候,為了減少溫差應(yīng)力,可以在殼體上設(shè)置補償圈.當(dāng)殼壁和管壁溫差大于60,殼程壓強超過0.6MPa時,由于補償圈過厚,難以伸縮,失去溫差補償?shù)淖饔?就應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu).(2)流體流入空間的選擇本設(shè)

6、計任務(wù)中,冷流體為水,熱流體為對二甲苯.由于水比較容易結(jié)垢,為了方便提高流動速度.同時減少污垢的生成,以及根據(jù)固定管板式換熱器的特點,為了便于清洗污垢,因此冷卻水走管程.另外,為了使對二甲苯通過殼體壁面時向空氣中散熱,提高冷卻效果.固使對二甲苯走殼程。(3)流向的選擇流體流向有并流、逆流、錯流、折流四種基本類型。在流體的進口溫度相同的情況下，逆流的平均溫度差大于其他流向的平均溫度差，所以，若工藝上沒有特殊要求，一般采用逆流操作。因為，在本設(shè)計任務(wù)中，我們選用逆流來設(shè)計。2.確定物性數(shù)據(jù)對二甲苯的定性溫度：T= =64水的定性溫度：T= =31.5（1）對二甲苯密度查化學(xué)化工物性算圖手冊.有機卷

7、T/°C得=825.194 kg.m-3比熱容在化工原理第四版 P343查得 大約Cp=1.78kJ/(kg)熱導(dǎo)率在化工原理第四版 P341查得 大約=0.124 W/(m)黏度在網(wǎng)上查得“對二甲苯液體黏度共線圖坐標(biāo)值”為 X：13.9 Y:10.9然后對照化工原理第四版 P339的液體黏度共線圖 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比熱容在化工原理第四版 P328查得 Cp=4.174kJ/(kg)熱導(dǎo)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總結(jié)上

8、述數(shù)據(jù)，對二甲苯和水的物性數(shù)據(jù)如下表：物質(zhì)密度/kg/m3比熱容/J/(kg)熱導(dǎo)率/ W/(m)黏度/Pas64對二甲苯825.1941.78×1030.1240.419×10-331.5水994.34.174×1030.6210.7760×10-33.估算傳熱面積（1）計算傳熱面積（忽略熱損失）設(shè)計條件中，要求處理能力為處理能力為1.2×105噸/年（每年按300天，每天24小時連續(xù)運行）qm1=4.6296kg/sQ=qm1cp1(T1-T2)= 4.62961.78×103×（87-41）=3.（2）冷卻水用量（忽略

9、熱損失）qm2=3.791×1054.174×103×（37-26）=8.2567kg/s（3）傳熱平均溫度差在確定設(shè)計方案中的流向的選擇，我們已經(jīng)決定先采用逆流來計算。對二甲苯：8741水：3726 t1=50 t2=15tm = t1-t2lnt1t2 = 50-15ln5015=29.07（4）初算傳熱面積參照化工原理第四版P152“表4-7列管式換熱器中K值大致范圍”，假設(shè)K值=400W/(m)（隨便取，K值主要是決定管程數(shù)，只要你確定好要用管程二還是四，大概取個K值以致得到你要的結(jié)果就行）估算的傳熱面積A估=QKtm=3.791×105*

10、15;29.07=32.6m2A實=（1.151.25）A估現(xiàn)在取實際面積為估算面積的1.15倍，實際面積A實=1.15×33.44=37.49 m24.工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）選管子規(guī)格換熱器中最常用的管子 19mm×2mm和25mm×2.5mm兩種規(guī)格。根據(jù)本設(shè)計管程走的是最易結(jié)垢的流體，所以選擇較大直徑的管子，因此選用25mm×2.5mm的無縫鋼管。管長的選擇是以清洗方便和合理使用管材為原則，中國生產(chǎn)的鋼管長以3m和6m最為普遍，經(jīng)過考慮，取管長l=3m。（2）總管數(shù)和管程數(shù)總管數(shù) n=A實d0l=37.493.14×0.025×3=

11、160根單程流速 u=qv4di2n=8.33.144×0.022×160=0.165m/s單程流速較低，為提高傳熱效果，考慮采用多管程。按照參照教材上表3-2管程流速的推薦范圍：0.53，取管程流速u=0.7m/s管程數(shù)m=u'u=0.70.165=4.244 取四管程（這很重要，你要在這里確定好要管程2還是管程4，管程四畫圖比較麻煩，但我用管程2算出來的結(jié)果不符合要求）(3)確定管子在管板上的排列方式由于管程是四管程,固采用組合排列法,即每程內(nèi)按照正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列.因為殼程流體壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距a = 1.25d0

12、，則a = 1.25×2532mm隔板中心到離其最近一排管中心距離=a/2+6=32/2+6=22mm 則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距ac = 44mm。(4)殼體內(nèi)徑的確定正三角形排列的四管程換熱器，其管板利用率的范圍為0.60.8.取管板利用率= 0.75，則殼體內(nèi)徑為：D = 1.05aN/= 1.05×32160/0.75 =491mm按照殼體標(biāo)準(zhǔn)圓整可取D = 500 mm管長的選擇還要使換熱器有適宜的長徑比,一般為610.因為換熱器長徑比LD=30.5=6,在推薦范圍內(nèi),可臥式放置.(5)繪管板布置圖確定實際管子數(shù)目.(見附錄圖)（這里很重要，你要在這里先初略地設(shè)

13、計好你你要畫的圖，從而決定實際的管子數(shù)目）（由管板布置圖可知,實際排管數(shù)為166根,扣除4根拉桿,則實際換熱管為162根.）根據(jù)你畫的圖來確定實際排管數(shù)查參考教材上表3-6,取管板厚度為40mm,設(shè)管子與管板焊接時伸出管板的長度為3mm,所以換熱器的實際面積為:A=nd0(l-2×0.04-2×0.003)=162×3.14×0.025×(3-2×0.04-2×0.003)=37.06m2管程實際流速 ui=qvnm×4di2=8.31624×3.144×0.022=0.653m/s由于管程的實

14、際流速在所推薦的范圍（0.53）內(nèi)，所以是可取的。（6）折流擋板為了提高殼程流體的流速，增加湍流程度以提高傳熱效果，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流板，弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單，流動死角少，所以應(yīng)用最多。本設(shè)計中也采用弓形折流擋板。弓形折流擋板通常切去弓形高度為殼體內(nèi)徑的20%45%，通常是20%和25%兩種。現(xiàn)在取20%，則切去的圓缺高度為：h=0.20×500=100mm因為殼程為單相清潔流體，所以折流板缺口水平上下布置。缺口向上的折流板底部開一個90°小缺口，以便以便停車時排凈器內(nèi)殘液。一般取折流板的間距為殼體內(nèi)徑的0.21.0倍，且不小于50mm，我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的折

15、流板的間距為：固定板管式有100、150、200、300、450、600、700mm七種，根據(jù)本設(shè)計的管長為3m，比較短，所以：取折流板間距B=150mm 折流板數(shù)NB=傳熱管長折流板間距-1=-1=19塊（7）其它附件拉桿：折流板一般采用拉桿和定距套管固定在管板上，按參考材料P40表3-12規(guī)定，當(dāng)25d057.時 取拉桿直徑d為16mm,拉桿數(shù)量為4根.(拉桿布置如附圖所示)(8)接管管程流體進出口接管。取管內(nèi)流速 u=1.8m/s則接管內(nèi)徑d1=4qvu=4×8.33.14×1.8=0.07666m按管子標(biāo)準(zhǔn)圓整，參考化工原理第四版P350,取管程流體進出口接管規(guī)格為

16、84mm×3.5mm無縫鋼管。殼程流體進出口接管。取管內(nèi)流速 u=1.8m/s則接管內(nèi)徑d2=4qvu=4×1.2××24×3600×825.1943.14×1.8=0.06301m按管子標(biāo)準(zhǔn)圓整，參考化工原理第四版P350,取管程流體進出口接管規(guī)格為69mm×3mm無縫鋼管。5.換熱器核算I、傳熱面積校核(1)傳熱面積溫差校正計算P和RP=t2-t1T1-t1=37-2687-26=0.18 R=T1-T2t2-t1=87-4137-26=4.18根據(jù)P、R值，在化工原理第四版P147 圖4-25溫差校正系數(shù)圖

17、查得t=0.93，因為t0.8，所以選用單殼程可行。tm=t·tm逆=0.93×29.07=27.04（2）總傳熱系數(shù)K的計算管內(nèi)傳熱膜系數(shù)Re= du=0.02×0.653×994.30.7760×10-3=16733.6Pr=Cp=4.174×103×0.776×10-30.621=5.216根據(jù)公式i = 0.023× di×Re0.8×Prn 流體被加熱，取n=4i=0.023× 0.6210.02×13830.50.8×5.2160.4=3308

18、 W/(m2)管外傳熱膜系數(shù)因為Re=16733.6 即在（2×1031×106）范圍內(nèi)，所以根據(jù)公式：o = 0.36 de Reo0.55Pr1/3w0.14管子按正三角形排列，則傳熱當(dāng)量直徑為：de = 432a2-4do2do = 432×0.0322-4×0.0252×0.025 = 0.020m殼程流通截面積：S = BD(1 dot) = 0.15×0.5×(1 0.0250.032) = 0.0164 m2殼程流體流速：uo =qvS 1.2××24×3600×825.

19、1940.0164 = 0.342m/sReo = deu000= 0.02×0.432×825.1940.419×10-3 = 13472普蘭特準(zhǔn)數(shù)：Pr = cp = 1.78×103×0.419×10-30.124 = 6.01殼程中對二甲苯被冷卻，參考化工原理第四版P132中，w0.14=0.95o = 0.36× 0.1240.02 ×17015.90.556.011/3 =757W/(m2)污垢熱阻的管壁熱阻查化工原理第四版 “表4-6 常用流體的污垢熱阻”管內(nèi)流體污垢熱阻：Ri = 2.1×

20、10-4 m2/W管外流體污垢熱阻：Ro =1.76×10-4 m2/W已知管壁厚=0.0025m，取碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)=45.4 W/(m2)總傳熱系數(shù)KK = 1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o= ×20+2.1×10-4×2520+0.0025×2545.4×22.5+1.76×10-4+1757=455W/(m2)（3）傳熱面積校正所需面積：A = QKtm = 3.791××27.04 = 30.8m2前面已算出換熱器的實際傳熱面積A= m2AA'=37.0630.8=1.

21、20說明該換熱器有20%的面積裕度，在10%25%范圍內(nèi)，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。II 壁溫的計算換熱器壁溫可由下式估算tw=1Tm+2tm1+2已知1=0=757 W/(m2)；2=i=3276 W/(m2)；Tm= 0.4T1 +0.6 T2 =0.4×87+0.6×41=59.4；tm=0.4t2 +0.6 t1=0.4×37+0.6×26=30.4tw=1Tm+2tm1+2=757×59.4+3276×30.4757+3576=33.36殼體壁溫可近似取為殼體流體的平均速度，即Tw=59.4。殼體壁溫與傳熱壁溫之差為t=59.4-3

22、3.36=26.04該溫度小于50，故不需設(shè)置溫差補償裝置。III 核算壓力降（1）管程壓力降pi = (p1 +p2)FtNpNs其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1；ui=0.645m/s ，Rei=16529.6（湍流）對于碳鋼管，設(shè)管壁粗糙度= 0.1mmd = 0.120 = 0.005在化工原理第四版P37 由-Re關(guān)系圖中查得=0.036 p1 = Ldu22 = 0.036×30.02×994.3×0.64522 = 1116.9Pap2 = 3u22 = 3×994.3×0.64522 = 620.5Papi =

23、(1116.9+620.5)×1.4×2 = 4865 Pa < 10kPa（2）殼程壓強降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折流擋板間距 B=0.15m折流擋板數(shù) NB=19殼程流通截面積 So = B(D-bdo) = 0.15×(0.5-14.26×0.025) = 0.0215m2殼程流速 uo = qvS0 =8.30.0215 =0.386m/sReo = deu000= 0.02×

24、;0.386×825.1940.419×10-3 = 15204fo=5.0 Reo-0.228=0.557所以流體流經(jīng)管束的阻力：p1 = Ffonc(NB+1)uo22 = 0.5×0.557×14.26×(19+1)×825.194×0.38622 = 4879Pa流體流過折流板缺口的阻力：p2 = NB(3.5-2BD) uo22 =19×(3.5-2×0.150.5)×825.194×0.38622 =3386 Pa總阻力：po =（4879+3386)×1.15×1 = 9505.3 Pa < 10kPa殼程壓降也在范圍之內(nèi)。計算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計要求。四、設(shè)計結(jié)果一覽表64對二甲苯31.5自來水密度/kg/m3比熱容/J/(kg)熱導(dǎo)率/ W/(m)黏度/Pas825.1941.78×103 0.1240.419×10-3994.34.174×1030.6210.77