列管式换热器设计说明书

列管式换热器设计说明书设计者：班级11级生物工程姓名日期2013-7-29指导教师尹亮设计成绩日期目录一、设计任务书………………………………………………………………………1二、设计方案简介……………………………………………………………………2三、工艺计算及主体设备设计………………………………………………………31.确定设计方案………………………………………………………………………3(1)选择换热器的类型…………………………………………………………3(2)流体流入空间的选择………………………………………………………3(3)流向的选择…………………………………………………………………32.确定物性数据………………………………………………………………………43.估算传热面积………………………………………………………………………6（1）计算传热面积………………………………………………………………6（2）冷却水用量…………………………………………………………………6（3）传热平均温度差……………………………………………………………6（4）初算传热面积……………………………………………………………64.工艺结构尺寸………………………………………………………………………7（1）选管子规格…………………………………………………………………7（2）总管数和管程数……………………………………………………………7（3）确定管子在管板上的排列方式…………………………………………7（4）壳体内径的确定……………………………………………………………7（5）绘管板布置图确定实际管子数目.(见附录图)…………………………8（6）折流挡板……………………………………………………………………8（7）其它附件……………………………………………………………………9（8）接管…………………………………………………………………………95.换热器核算…………………………………………………………………………9I、传热面积校核………………………………………………………………………9（1）传热面积温差校正…………………………………………………………9（2）总传热系数K的计算……………………………………………………10（3）传热面积校正……………………………………………………………11II壁温的计算………………………………………………………………………11III核算压力降……………………………………………………………………12（1）管程压力降………………………………………………………………12（2）壳程压强降………………………………………………………………12四、设计结果一览表…………………………………………………………………14五、主要符号说明……………………………………………………………………15六、参考文献…………………………………………………………………………17七、对本设计的吐槽…………………………………………………………………18八、附图…………………………………………………………………………另附图1一、设计任务书某厂在生产过程中，需将对二甲苯液体从87℃冷却到41℃。处理能力为1.2×105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度26℃，出口温度37℃。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行）设计任务：处理能力为1.2×105吨/年。操作条件：（1）对二甲苯液体从87℃冷却到41℃。（2）冷却介质采用自来水，入口温度26℃，出口温度37℃。（3）换热器的管程和壳程的压降≤10kPa。2二、设计方案简介本设计任务为用自来水（冷流体）冷却对二甲苯（热流体）降温。利用热传递过程中对流传热原则，依照满足工艺和操作上的要求；确保生产安全；金肯呢个节省操作费用和设备费用等原则制成换热器，以供生产需要。在化工生产过程中，换热器应用十分广泛，它是完成各种不同换热过程的设备。其中列管换热器，因为具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特优点。所以这个设计任务首选列管式换热器作为设计基础。列管式散热器有几种类型。根据本设计方案，从经济角度看，而且工艺条件允许，所以优先选用固定管板式换热器。因为固定管板式换热器具有结构简单、适应性强、造价低廉等优点。同时由于对二甲苯的黏度系数比较小，所以使其走壳程。根据不同流体的不同特性，不断进行计算核对结果，让最终结果的裕度落在10%-25%之间，换热器的管程和壳程的压降≤10kPa，这样的话设计才算成功。3三、工艺计算及主体设备设计1.确定设计方案(1)选择换热器的类型两流体温度变化情况：对二甲苯(热流体)进口温度87℃→出口温度41℃。自来水(冷流体)进口温度26℃→出口温度37℃。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，又较为清洁,不需要经常检修.因此初步确定选用固定管板式换热器。固定管板式换热器,其结构简单,制造成本低,能得到较小的壳体内径,管程可分成多样,规格范围广,固在工程中广泛应用.同时,它的管内不容易积累污垢,即使产生了污垢也能比较容易清洗.它的缺点是管外清洗比较困难,因为不适宜处理脏的又具有腐蚀性的介质;管壳间存在温差应力,适用于管束和壳体间温差较小,壳程流体不易结垢的场合.当壳壁与管壁温差在50℃以上的时候,为了减少温差应力,可以在壳体上设置补偿圈.当壳壁和管壁温差大于60℃,壳程压强超过0.6MPa时,由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构.(2)流体流入空间的选择本设计任务中,冷流体为水,热流体为对二甲苯.由于水比较容易结垢,为了方便提高流动速度.同时减少污垢的生成,以及根据固定管板式换热器的特点,为了便于清洗污垢,因此冷却水走管程.另外,为了使对二甲苯通过壳体壁面时向空气中散热,提高冷却效果.固使对二甲苯走壳程。(3)流向的选择流体流向有并流、逆流、错流、折流四种基本类型。在流体的进口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，所以，若工艺上没有特殊要求，一般采用逆流操作。因为，在本设计任务中，我们选用逆流来设计。42.确定物性数据对二甲苯的定性温度：T=24187=64℃水的定性温度：T=23726=31.5℃（1）对二甲苯①密度查《化学化工物性算图手册.有机卷》得ρ=825.194kg.m-3②比热容在《化工原理》第四版P343查得大约Cp=1.78kJ/(kg•℃)③热导率在《化工原理》第四版P341查得大约λ=0.124W/(m•℃)④黏度在网上查得“对二甲苯液体黏度共线图坐标值”为X：13.9Y:10.9然后对照《化工原理》第四版P339的液体黏度共线图查得μ=0.419mPa•s（2）水①密度在《化工原理》第四版P328查得ρ=994.3kg.m-3②比热容在《化工原理》第四版P328查得Cp=4.174kJ/(kg•℃)③热导率在《化工原理》第四版P328查得λ=0.621W/(m•℃)T/°C5④黏度在《化工原理》第四版P336查得μ=0.7760mPa•s总结上述数据，对二甲苯和水的物性数据如下表：物质密度/kg/m3比热容/J/(kg•℃)热导率/W/(m•℃)黏度/Pa•s64℃对二甲苯825.1941.78×1030.1240.419×10-331.5℃水994.34.174×1030.6210.7760×10-33.估算传热面积（1）计算传热面积（忽略热损失）∵设计条件中，要求处理能力为处理能力为1.2×105吨/年（每年按300天，每天24小时连续运行）∴qm1=36002430010102.135=4.6296kg/sQ=qm1cp1(T1-T2)=4.62961.78×103×（87-41）=3.791105（2）冷却水用量（忽略热损失）qm2=)(122ttcQp=3.791×1054.174×103×（37−26）=8.2567kg/s（3）传热平均温度差在确定设计方案中的流向的选择，我们已经决定先采用逆流来计算。对二甲苯：87℃→41℃水：37℃←26℃∴Δt1=50℃Δt2=15℃Δtm=Δt1−Δt2lnΔt1Δt2=50−15ln5015=29.07℃6（4）初算传热面积参照《化工原理》第四版P152“表4-7列管式换热器中K值大致范围”，假设K值=400W/(m•℃)（随便取，K值主要是决定管程数，只要你确定好要用管程二还是四，大概取个K值以致得到你要的结果就行）∴估算的传热面积A估=𝑄𝐾𝛥t𝑚=3.791×105∗∗∗×29.07=32.6m2∵A实=（1.15～1.25）A估现在取实际面积为估算面积的1.15倍，∴实际面积A实=1.15×33.44=37.49m24.工艺结构尺寸（1）选管子规格换热器中最常用的管子Φ19mm×2mm和Φ25mm×2.5mm两种规格。根据本设计管程走的是最易结垢的流体，所以选择较大直径的管子，因此选用Φ25mm×2.5mm的无缝钢管。管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为原则，中国生产的钢管长以3m和6m最为普遍，经过考虑，取管长l=3m。（2）总管数和管程数总管数n=𝐴实𝜋𝑑0𝑙=37.493.14×0.025×3=160根单程流速u=𝑞𝑣𝜋4𝑑𝑖2𝑛=8.2567994.33.144×0.022×160=0.165m/s单程流速较低，为提高传热效果，考虑采用多管程。按照参照教材上表3-2管程流速的推荐范围：0.5~3，取管程流速u’=0.7m/s∴管程数m=𝑢′𝑢=0.70.165=4.24≈4取四管程（这很重要，你要在这里确定好要管程2还是管程4，管程四画图比较麻烦，但我用管程2算出来的结果不符合要求）7(3)确定管子在管板上的排列方式由于管程是四管程,固采用组合排列法,即每程内按照正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列.因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距a=1.25d0，则a=1.25×25≈32mm隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/2+6=32/2+6=22mm则分程隔板槽两侧相邻管中心距ac=44mm。(4)壳体内径的确定正三角形排列的四管程换热器，其管板利用率η的范围为0.6~0.8.取管板利用率η=0.75，则壳体内径为：D=1.05a√N/η=1.05×32√160/0.75=491mm按照壳体标准圆整可取D=500mm管长的选择还要使换热器有适宜的长径比,一般为6~10.因为换热器长径比𝐿𝐷=30.5=6,在推荐范围内,可卧式放置.(5)绘管板布置图确定实际管子数目.(见附录图)（这里很重要，你要在这里先初略地设计好你你要画的图，从而决定实际的管子数目）（由管板布置图可知,实际排管数为166根,扣除4根拉杆,则实际换热管为162根.）根据你画的图来确定实际排管数查参考教材上表3-6,取管板厚度为40mm,设管子与管板焊接时伸出管板的长度为3mm,所以换热器的实际面积为:A=nπd0(l-2×0.04-2×0.003)=162×3.14×0.025×(3-2×0.04-2×0.003)=37.06m2管程实际流速ui=𝑞𝑣𝑛𝑚×𝜋4𝑑𝑖2=8.2567994.31624×3.144×0.022=0.653m/s由于管程的实际流速在所推荐的范围（0.5~3）内，所以是可取的。8（6）折流挡板为了提高壳程流体的流速，增加湍流程度以提高传热效果，通常在壳体内安装一定数量的横向折流板，弓形折流板结构简单，流动死角少，所以应用最多。本设计中也采用弓形折流挡板。弓形折流挡板通常切去弓形高度为壳体内径的20%~45%，通常是20%和25%两种。现在取20%，则切去的圆缺高度为：h=0.20×500=100mm因为壳程为单相清洁流体，所以折流板缺口水平上下布置。缺口向上的折流板底部开一个90°小缺口，以便以便停车时排净器內残液。一般取折流板的间距为壳体内径的0.2~1.0倍，且不小于50