化工原理课程设计-热交换器

换热器1/25热交换设备换热器2/25§换热器§1换热器的类型一.夹套式用于反应器的加热或冷却，加热剂或冷却剂在夹套内通过间壁与反应器内的物料进行换热。用蒸汽进行加热时，蒸汽高进低出。当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对流。二.管式换热器1.蛇管式换热器1.直接混合；2.蓄热式；3.间壁式换热器3/251）.沉浸式蛇管换热器结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。优点：结构简单，能承受高压；缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅拌器。换热器4/252）.喷淋式换热器喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。2.套管式换热器优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。换热器5/253.列管式1).固定管板式列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板；优点：结构简单、紧凑、造价便宜；缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。换热器6/252).U型管式优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比较简单，管束可以拔出清洗。缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。3).浮头式结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗；缺点：结构复杂，造价较高。换热器7/25§4-7-2列管换热器的设计和选用一.列管换热器设计时应考虑的问题1.流体流道的选择(1)不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；(2)需通过增大流速提高h的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速；(3)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；(4)压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；(5)饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其h与流速无关；(6)被冷却的流体一般走壳程，便于散热；(7)粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在Re100即可达到湍流。换热器8/252.流体流速选择安全性；强化传热()；结垢；压降(操作费用)。换热器9/253.流体两端温度的确定，确定热负荷冷热流体进出口温度由工艺条件给定。加热剂：由产生加热剂设备情况及能量利用确定冷却水：进口由当地气候条件估算，通常t2-t1=5~10℃，具体值根据水源情况确定。4.估算传热面积K0的估算换热器10/255.管程数，管子规格和排列方式管子规格：直径有19×2mm、25×2.5mm；选用长度：1.5m、2m、3m、6m等。换热管与壳径(L/D)之比：L/D=4~6。换热管排列：正三角形、正方形直排、正方形错排、同心圆排列。管间距：胀接法，t=(1.3~1.5)d0,且t(d0+6)；焊接法，t=1.25d0。换热器11/25换热器12/25管程和壳程数的确定在标准系列中管程数有1、2、4、6。采用多管程时，通常应使每程的管数大致相等，管程数m=u/u’。u：适宜流体；u’：相同传热面积下单管程换热器内的流速。温差校正系数t0.8。由于制造、安装、检修的原因，通常不采用多壳程，可采用换热器串联代替。6.外壳直径的确定'2)1(bntDn1.11.19nnnnnn正三角形排列：正方形排列：b’：最外层管的中心与外壳内壁的距离，通常b’=1~1.5d0。t：管心距，mmnn：最外六角对角线上的管数；换热器13/25壳体标准尺寸壳体外径,mm325400,500,600,700800,900,10001100,1200最小壁厚,mm81012147.主要附件主要附件：管板、封头、分程隔板、导流筒、排气孔、排液孔、接管、阀兰、支座、折流挡板、防冲板、膨胀节等。换热器14/258.材料选用根据操作压强、操作温度、流体性质等来选用材料。常用材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜、铝、石墨、聚四氟乙烯、玻璃等。10.流体流动阻力的计算管程流体阻力对于多管程换热器，流体总阻力应等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和（通常忽略进、出口阻力）：换热器15/25p1—流体流经直管的压力降，N/m2；p2—流体流经回弯管时的压力降，N/m2；Ft—结垢修正系数，25×2.5mm1.4，19×2mm1.5；Ns—串联的壳程数；Np—管程数。pstiNNFppp211)直管压力降p1可按流体力学的一般公式进行计算；2322up2)回弯管中的压力降p2由下面的经验公式估算：壳程流体阻力壳程流体阻力的计算公式很多，但由于壳程流体的流动状况十分复杂，由不同的公式计算的结果相差较大。埃索法计算壳程压降p0的公式：换热器16/25p1’—流体横过管束的压力降，N/m2；p2’—流体通过折流板园缺时的压力降，N/m2；Fs—壳程压力降的结垢修正系数，对于液体取1.5,对于气体或可凝蒸汽取1.0。ssNFppp'2'10通常，液体流经换热器的压力降为0.1～1atm,气体为0.01～0.1atm,设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。二.列管换热器的选用和设计计算步骤1.试算并初步选设备规格1）确定流体在换热器中的流道；2）根据任务计算热负荷；3）选择辅助流体，选换热器型式，确定冷热流体进出口温度，计算定性温度，查取物性参数；4）计算平均温度差；5）选定K；6）计算S，根据初步计算的S选换热器。换热器17/252.计算管程、壳程压降由初选设备规格计算管程、壳程压降，并检查计算结果是否满足工艺要求。若不，调整流速、确定管程数和折流挡板，或选择另一规格的设备，再重新计算。3.校核由选定设备计算i、0，确定垢阻Rsi、Rs0，计算K0；计算tm；计算所需要的传热面积S0；计算富裕度（换热器实际的传热面积nπdL/需要的传热面积S0）=1.05~1.1。流速≤安全流速；｜Tw-Tw’｜3℃;长径比：L/D=4~6，最大不超过10.4.附属设备1）接管：→按标准系列取整。0.5[4/()]dVsu换热器18/25主要参考资料•《化学工程手册，换热器设计》；•《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》；•《化工设备设计全书》；•《化学化工物性数据手册》；•《石油化工设备设计选用手册》；•《化工原理课程设计》换热器19/25要求固定地点：汇北食堂；任务书交回；A1图纸一张；说明书：右侧留空栏标注主要公式和经验参数选取依据；换热器20/25夹套换热器换热器21/25浸没蛇管换热器换热器22/25喷淋换热器换热器23/25套管换热器换热器24/25固定管板换热器换热器25/25固定管板换热器换热器26/25U形管式换热器换热器27/25浮头换热器换热器28/25折流挡板作用：提高管外的给热系数；形状：园缺型、园盘型、分流型等；挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为例，缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，常见的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外h；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。我国系列标准规定的挡板间距：固定管板式：150、300和600mm三种规格；浮头式：150、200、300、480和600mm五种规格。换热器29/25接管4sVdu计算公式：计算结果按标准选取！换热器30/25污垢热阻系数：1.163m2·℃/W