43列管式换热器设计

新疆师范大学化学化工学院1新疆师范大学化学化工学院换热器设计任务书院（系）名称化学化工学院专业名称化学工程与工艺年级13-4班学生姓名石艳萍2015年1月7日新疆师范大学化学化工学院2列管式换热器设计石艳萍摘要：换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。列管式换热器（又称管科时换热器）是应用最广泛的间壁式换热器。列管式换热器主要有壳体、管束、折流挡板、管板和封头等部分组成。管束两端固定在管班上，管板外是封头，供管程流体的进入和流出，保证各管中的流动情况一致。常用的折流挡板有圆缺型和圆盘型两种，圆缺型挡板应用最广泛。关键字：乙醇水溶液；列管式换热器；设计新疆师范大学化学化工学院3目录1.换热器设计任务-----------------------------------------------1-1.1列管式换热器按不同方式的不同分类-----------------------------------------1-1.1.1固定管板式------------------------------------------------------------------1-1.1.2U形管式---------------------------------------------------------------------1-1.1.3浮头式------------------------------------------------------------------------1-1.2列管式换热器的选用及设计原则----------------------------------------------1-1.2.1形式与结构的选定---------------------------------------------------------1-1.2.2管程和壳程的确定---------------------------------------------------------2-2.确定设计方案--------------------------------------------------3-2.1选择换热器的类型-----------------------------------------------------------------3-2.2流动空间及流速的确定---------------------------------------------------------4-3．确定物性数据------------------------------------------------4-4.计算总传热系数----------------------------------------------4-4.1T2的计算---------------------------------------------------------------------------4-4.2平均传热温差---------------------------------------------------------------------5-4.3管程传热系数----------------------------------------------------------------------5-4.4传热面积的计算-------------------------------------------------------------------6-4.5工艺结构尺寸----------------------------------------------------------------------6-4.5.1管径和管内流速----------------------------------------------------------6-4.5.2管程数和传热系数-------------------------------------------------------6-4.5.3平均传热温差校正及壳程数-------------------------------------------6-4.5.4传热管排列和分程方法------------------------------------------------6-4.5.5壳体内径-------------------------------------------------------------------7-4.5.6折流板----------------------------------------------------------------------7-4.5.7接管-------------------------------------------------------------------------7-4.6换热器核算-------------------------------------------------------------------------7-4.6.1热量核算-------------------------------------------------------------------7-4.6.2换热器内流体的流动阻力----------------------------------------------9-列管式换热器图------------------------------------------------10-列管式换热器主要结构和计算结果表------------------------------12-结束语--------------------------------------------------------13-参考文献------------------------------------------------------14-新疆师范大学化学化工学院-1-1.换热器设计任务某乙醇车间欲回收精馏塔内釜液的热量，初步计划用釜液将原料从95℃预热至75℃，原料液及釜液均为乙醇的水溶液，其操作条件列表如下：1.1列管式换热器按不同方式的不同分类1.1.1固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。1.1.2U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。1.1.3浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。1.2列管式换热器的选用及设计原则1.2.1形式与结构的选定(1)固定管板式与浮头式的选择物料流量kg/h组成（含乙醇量）mol%温度℃操作压力MPa进口出口釜液10060395580.9原料液11620615500.5新疆师范大学化学化工学院-2-固定管板式与浮头式相比，其结构简单，造价低(约相差20%)，所以在工艺条件允许时应优先使用。但固定管板式的管束与壳体要承受较大的膨胀应力，且管束无法抽出清扫，故当冷热两流体的极限温度超过50℃或壳程流体易生垢、有腐蚀时应当选用浮头式。(2)管束形式及管径、管长的选择目前，国产浮头换热器系列中，F、FA型为Ф19×2mm管子，正三角形排列；FB型为Ф25×2.5mm管子，正方形斜转450排列。正三角形排列单位传热面金属耗量低，小管径有利于传热，还可承受较高的压力，但壳程不易清扫，故只与壳程流体洁净时才优先选用FB系列。固定管板换热器系列中管长有1.5、2、3、6m四种；浮头式只有3、6m两种，对单位传热面积而言，长管比短管节省金属，对炼油厂常用的大型换热器，一般都采用≥6m长的管子。(3)折流挡板的选择前已述及，安装折流挡极可以提高壳程流体的速度，使端流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。下面就常用的横向圆缺形折流挡板作一简要介绍。圆缺形折流挡板切去的弓形高度约为外壳内径的10%～40%，一般取20%～25%。因形缺口太大或太小都会产生死角不利于传热。两相邻折流挡板间的距离(板间距)B约为外壳内径的0.2～1.0倍。系列标准中采用的B值，对固定管板式的有150、300和600mm三种；对浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过大时，不能保证流体垂直地流过管束，使壳程对流传热系数下降；板间距过小时，不仅制造、检修困难，且阻力损失也大。(4)壳径的选定壳径越大，单台换热器传热面积越大，单位传热面金属耗量越低，即用一台大换热器比用多台小型换热器经济。但壳径的选择还需根据壳程流速及壳程数对平均温差的影响综合考虑。1.2.2管程和壳程的确定主要是根据流体的性质、流量、生垢及腐蚀情况等因素，并依据有利传热、减少压降、便于操作与清扫等原则来确定。一般可按下列原则处理：(1)不洁净或易结垢的流体应流经易清洗的一侧。对于固定管板式换热器上新疆师范大学化学化工学院-3-述物料应流经管程，而对于U形管式换热器应流经壳程，对浮头式换热器，流经管程或壳程均可。(2)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体应流经管程。(3)具有腐蚀性的流体应流经管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。(4)压力高的流体宜流经管程，以免壳体受压。(5)饱和蒸筑或沸腾液体应走壳程。因有相变化时对流传热系数很大，不需要用提高流速的方法来强化传热过程，同时也便于排出冷凝液。(6)粘度大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在设有折流挡板的壳程中流动低的雷诺数(Re100)下即可达揣流，以利于提高壳程的对流传热系数。(7)需要冷却的流体一般流经壳程，便于散热。以上各点往往不能同时兼顾，应视具体问题，首先考虑流体的压力、防腐蚀及清洗等要求，综合、权衡考虑，以便作出较恰当的选择。管子的排列方式及管间距的确定。管子在管板上排列的原则是：管子在整个换热器的截面上均匀分布，排列紧凑，结构设计合理，方便制造并适合流体的特性。其排列方式通常为等边三角形与正方形两种，也有采用同心圆排列法和组合排列法。在一些多程的列管换热器中，一般在程内为正三角形排列，但程与程之间常用正方形排列，这对于隔板的安装是很有利的，此时，整个管板上的排列称为组合排列。对于多管程的换热器，分程的纵向隔板占据了管板上的一部分面积，实际排管数比理论要少，设计时实际的管数应通过管板布置图而得。在排列管子时，应先决定好管间距。决定管间距时应先考虑管板的强度和清理管子外表时所需的方法，其大小还与管子在管板上的固定方式有关。2.确定设计方案2.1选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度95℃出口温度55.39℃,冷流体进口温度15℃，出口温度为50℃。根据初步估算平均温差小于5000C,所以选用列管式换热器。它的结构简单，造价低廉，应用广泛。新疆师范大学化学化工学院-4-2.2流动空间及流速的确定由于物料的操作温度和原料液的污垢系数大于釜液的污垢系数综合考虑，应使釜液走管程，原料液走壳程。选用Ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s。3．确定物性数据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