化工原理课程设计换热器的设计

化工原理课程设计易洪彬13990008826（62135）一、完整的说明书包括的内容1.目录2.任务书3.流程方案选择说明4.主体设备工艺设计计算过程5.附属设备设计选型6.结构设计、选型7.工艺设计结果概览8.结构设计结果概览9.设计评述10.参考文献11.附录1.固定管板式换热器•这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。二、选择换热器类型2.U型管换热器•U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。3.浮头式换热器•浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。4.填料函式换热器•填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。三、换热器制材的选择•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。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。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。1.确定物性数据(1)冷、热流体的定性温度：可取流体进出口温度的平均值。（2）定性温度下流体的物性ρ(kg/m3)C[kJ/(kg··℃)]μ(Pa·s)λ(W/m·℃)热流体冷流体四、列管式换热器的设计计算2.估算传热面积（1）换热器热流量的计算1212lntttttm(2)计算冷流体用量Q热，放=Q冷，吸+Q损失=KS△tmQ热，放=Q冷，吸+Q损失=KS△tm（3）计算平均传热温差(4)计算传热面积•求传热面积需要先知道K值，根据资料查得传热系数在550——1100W/(㎡·℃)左右，先取K值计算。•由Q=KS△tm得：•S=(㎡)3.工艺结构尺寸3.1．管径:选用Φ25×2.5和Φ19×2两管内流速：查相关资料u=m/s3.2管程数和传热管数•可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=•按单程管计算，所需的传热管长度为L=•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，取传热管长度（查资料）l=m，则该换热器的管程数为Np=（除1以外，均为偶数）•传热管总根数Nt=单程传热管数×管程数=（取整数）udVi24sondSlL3.3平均传热温差校正及壳程数R=热流体温降/冷流体温升P=冷流体温升/两流体最初温度差按单壳程，管程数查得：t平均传热温差mtmtt℃由于平均传热温差校正系数大于0.83.4传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角形或者正方形排列。取管心距：胀接取t=1.3—1.5d0焊接t=1.25d0内径：单管程dobtD)32()1(式中D——壳体内径,mm；t——管心距，mm；b——横过管中心线管数；do——传热管外径对于正方形b=1.19NN横过管中心线管数：对于正三角形b=1.1N—排列管子数目内径：多管程NtD05.1--管板利用率正三角形：2管程，管板利用率=0.7-0.85；大于4管程，管板利用率=0.6-0.8正方形：2管程，管板利用率=0.55-0.7；大于4管程，管板利用率=0.45-0.65注意：计算设计出总管子数、管程数和壳体直径后，就去查与国标相对应的资料3.5折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的20%--25%，则切去的圆缺高度为：h=（0.20--0.25）×=m，故可取h=m取折流板间距B=（查国家相应标准）折流板数目NB=（传热管长／折流板间距）－１4.换热器校核计算4.1热流量核算壳程表面传热系数：14.03155.0010)(PrRe36.0wed当量直径：ed=ooddt]423[422壳程流通截面积：)1(tdBDsoo㎡壳程流体流速及其雷诺数分别为：ouoRe普朗特数：Pr粘度校正：1)(14.0w４.2管内传热系数4.08.0PrRe023.0iiid管内表面传热系数：管程流体流通截面积：㎡s24ndSi管程流体流速：sVuV---管程体积流量4.3污垢热阻和管壁热阻：wcmRo/2wcmRi/2wcmRw/2管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/(m·c)4.4传热系数eK：cmwRddRddRddKoomowioiiioe2/)1(14.5传热面积裕度21mtKQSme2mlNdATop换热器的实际传热面积为Ap传热面积S为：该换热器的面积裕度为：%2510SSApH结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。1管程流体阻力换热器压降的计算4.6换热器内流体的流动阻力pstiNNFppp)(2121,pp——为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；tFmmmm5.225pN——结垢校正因数，量纲为1，对的管子，取1.4；——管程数sN——串联的壳程数2.壳程压降ssNFppp)('2'10壳程压降'1p——流体横过管束的压强降(Pa);'2p——流体通过折流板缺口的压强降(Pa);sF2)1(200'1uNnFfpBc——壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1，液体可取1.15。F——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.50f228.000Re5f——壳程流体的摩擦系数，当Re500时,;bBNh——横过管束中心线的管子数;——折流挡板数;——折流挡板间距(m);0u——按壳程流通截面积计算的流速(m/s);五.设备附件设计1.管箱2.法兰3.封头4.支座5.管板6.拉杆7.接管8.折流板9.定距管10.其他六.设计结果一览表和设计评述等3m225流体密度，kg/Φ七.参考文献•1.夏清,陈常贵.化工原理(上册)[M].天津:天津大学出版社,2005•2.化工原理课程设计•3.化工过程及设备设计•4.氯碱工业理化常数手册•5.钢制列管式固定管板换热器结构设计手册•6.化工设备机械基础•7.陈声宗,化工设计(第三版)八.绘图说明1.图纸幅面与格式参照951247GB-T%2018229-2000工程制图书中P2、图1、a图要求进行。2.标题栏参照BZ9398化工设计文件编制规定书中P40、a标题栏1进行。3.明细栏参照BZ9398化工设计文件编制规定书中P28、表4.3.1-1进行。4.管口表参照BZ9398化工设计文件编制规定书中P24、表4.2.3-1进行。5.设计数据表•参照BZ9398化工设计文件编制规定书中P23、表4.2.2-4进行。