列管式换热器的设计

1化工原理课程设计学院:化学化工学院班级：姓名学号：指导教师：2目录§一.列管式换热器1.1.列管式换热器简介1.2设计任务1.3.列管式换热器设计内容1.4.操作条件1.5.主要设备结构图§二.概述及设计要求2.1.换热器概述2.2.设计要求§三.设计条件及主要物理参数3.1.初选换热器的类型3.2.确定物性参数3.3.计算热流量及平均温差3.4壳程结构与相关计算公式3.5管程安排(流动空间的选择)及流速确定3.6计算传热系数k3.7计算传热面积§四.工艺设计计算§五.换热器核算§六.设计结果汇总§七.设计评述§八.工艺流程图§九.主要符号说明§十.参考资料3§一.列管式换热器1.1.列管式换热器简介列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.2设计任务1.任务处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行）设备形式：列管式换热器2．操作条件(1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃(2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃(3)允许压强降：不大于一个大气压。备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。1.3.列管式换热器设计内容1.3.1、确定设计方案（1）选择换热器的类型；（2）流程安排1.3.2、确定物性参数（1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数1.3.3、估算传热面积（1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量1.3.4、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）传热管排列和分程方法；（5）壳体内径；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、换热器核算（1）传热能力核算；（2）壁温核算；（3）换热器内流体的流动阻力1.4.操作条件4某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液。欲将6000kg/h的植物油从140℃冷却到40℃，井水进、出口温度分别为20℃和40℃。若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa，试选择合适型号的列管式换热器。定性温度下有机液的物性参数列于附表中。附表项目密度，kg/m3比热，KJ/(kg·℃)粘度，Pa·s热导率，kJ/(m·℃)植物油9502.2610.7420.1721.5.主要设备结构图（示例）根据设计结果，可选择其它形式的列管换热器。1-挡板2-补偿圈3-放气嘴固定管板式换热器的示意图§二.概述及设计要求2.1.换热器概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，（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；5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。（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。6（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。2.2.设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。（2）安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。（3）有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。7§三.设计条件及主要物理参数3.1.初选换热器的类型两流体的温度变化情况如下：（1）植物油：入口温度140℃，出口温度40℃；（2）冷却介质：井水，入口温度20℃，出口温度40℃；该换热器用循环冷却井水进行冷却，由于22040240140mmtT60℃50℃,所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，故从安全、方便、经济考虑可以采用带有补偿圈的管板式换热器。3.2.确定物性参数定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程流体（植物油）的定性温度为：T=(140+40)/2=90℃管程流体（水）的定性温度为：t=（40+20）/2=30℃在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和植物油)的物性参数，见下表3-1：密度/（㎏/m3）比热容/（kJ/kg•℃）粘度/（Pa•s）导热系数/（kJ/m•℃）植物油9502.2617.42×10-40.172水995.74.1748.01×10-40.6183.3.计算热流量及平均温差3.3.1.热流量以热介质植物油为计算标准算它所需要被提走的热量:Q=ms1cp1(T1-T2)=6000x2.261x(140-40)=1356.6kJ/h=376.83kw3.3.2.平均传热温差计算两流体的平均传热温差暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有植物油：140℃→40℃井水：40℃←20℃从而，69.4920100ln20100'mt8而此时，我们有：00.52010020404014017.01202020140204012212112ttTTRTTttP式中：21,TT——热流体（植物油）的进出口温度，单位℃；21tt，——冷流体（井水）的进出口温度，单位℃；R2+1R-1ln1-PR1-Pln2-P(1+R-2-P(1+R+R2+1R2+1))ψ=87.0)1551(16.02)1551(16.02ln516.0116.01ln1515222ψ0.8符合要求则平均温差：△tm='mt×ψ=0.87x49.69=43.23℃3.3.3.冷却水用量由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得冷却水用量：Qc=)(12ttCQpc=1356600/[4.174x(40-20)]=16250.60㎏/h3.4壳程结构与相关计算公式介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下：单管程D=t(nc-1)+(2~3)d0式中t——管心距，mm；9d0——换热管外径，mm；nc——横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。正三角形排列：正方形排列：多管程式中N——排列管子数目；η——管板利用率。正角形排列：2管程η=0.7~0.854管程η=0.6~0.8正方形排列：2管程η=0.55~0.74管程η=0.45~0.65壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为20％~50％。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。3.5管程安排(流动空间的选择)及流速确定已知两流体允许压强降均不大于35kPa；两流体分别为植物油和水。与植物油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加