板式换热器的设计

1广西科技大学化工原理课程设计设计题目：固定管板式换热器的设计姓名：专业：食品科学与工程班级：食品112班学号：201100602071起止日期：2013-12-23—2013-12-31指导教师（签名）：程谦伟小组成员：陈小娟李岳群陆惠芝钟承志韦年茂韦金妹饶川艳周萃妤设计成绩：日期201312252目录设计题目…………………………………………………………第3页说明书编写要求…………………………………………………第3页设计任务书………………………………………………………第4页一、设计方案……………………………………………………第5页1.换热器的选择…………………………………………………第6页2.结构设计工艺流程……………………………………………第7页3.流动空间及流速的确定………………………………………第8页二、确定物性数据…………………………………………………第9页三、计算总传热系数……………………………………………第9页1.热流量…………………………………………………………第9页2.平均传热温差…………………………………………………第9页3.冷却水用量……………………………………………………第9页4.总传热系数K…………………………………………………第10页四、计算换热面积………………………………………………第11页五、工艺结构尺寸………………………………………………第11页1.管径和管内流速……………………………………………第11页2.管程数和传热管数…………………………………………第11页3．平均传热温差校正及壳程数……………………………第12页4.传热管排列和分程方法……………………………………第12页5.壳体内径……………………………………………………第12页6.接管………………………………………………………第13页六、换热器核算…………………………………………………第13页1.热量核算……………………………………………………第14页2.换热器内流体的流动阻力…………………………………第15页3.换热器主要结构尺寸和计算结果………………………第16页设备结构图（附图）……………………………………………第17页主要符号说明……………………………………………………第17页七、设计评述……………………………………………………第18页参考文献…………………………………………………………第19页评语………………………………………………………………第21页3广西科技大学化工原理课程设计说明书设计题目：大豆油换热器的设计说明书编写要求：化工原理课程设计由说明书和图纸两部分组成。设计说明书为打印稿，包括所有论述、原始数据、计算、表格等，设计说明书一般不少于3000字，设计（论文）任务书装订于说明书的前页，其设计说明书具体书写格式及内容如下:1、标题页2、设计任务书3、目录4、设计方案简介5、工艺流程草图及说明6、工艺计算及主体设备设计7、辅助设备的计算及选型8、设计结果概要或设计一览表9、对本设计的评述10、附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）11、参考文献12、主要符号说明4化工原理课程设计任务书一、设计题目大豆油换热器的设计二、设计任务1、处理量：2000kg/h大豆油2、设备型式：列管式（固定管板式）换热器3、操作条件：a.大豆油：入口温度133°C，出口温度40°Cb.冷却介质：循环水，入口温度30°C，出口温度40°Cc.允许压降：不大于105Pa三、设计要求1.设计一个固定管板式换热器2.设计内容包括：a.热力设计b.流动设计c.结构设计d.强度设计3．设计步骤：1．根据换热任务和有关要求确定设计方案2．初步确定换热器的结构和尺寸3．核算换热器的传热面积和流体阻力4．确定换热器的工艺结构四、设计原则：1．传热系数较小的一个，应流动空间较大，使传热面两侧的传热系数接近2．换热器减少热损失3．管、壳程的决定应做到便于除垢和修理,以保证运行的可靠性4.应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力.从这个角度来讲,顺流式就优于逆流式5.对于有毒的介质或气相介质,必使其不泄露,应特别注意其密封性,密封不仅要可靠,而且应要求方便及简洁6.应尽量避免采用贵金属,以降低成本五、课程要求:1.要求每组成员共同进行查阅资料,在计算、绘图中进行分工合作2.要求在1月10日前完成说明书的编写和绘图过程3.要求每人上交一份说明书,每组一份图纸（用A1图纸绘制装置图一张：一个设备大图，包含设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏）5一、设计方案方案简介：列管式换热器又称管壳式换热器，是化工生产中应用最为广泛的一种换热设备，结构简单坚固，耐高压，可靠程度高、适应性强，制造材料范围广；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；而且种类多，型号全，制造工艺比较成熟。因此，本次设计就对传热过程所用设备——列管式换热器进行一次选型设计。列管式换热器抗结构可分为固定管板式，浮头式、U形管式三种类型。选用时可根据应用条件的不同及各自的优缺点设计适宜的换热器。要设计一个较完善的换热器，除了能满足传热方面的要求外，还力求传热效率高，体积小、重量轻、消耗材料少，制造成本低，清洗维护方便和操作安全等。因此列管式换热器的设计，首先必须根据化工生产工艺条件的要求通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数，管程数和壳程数，然后进行机械选型设计。列管换热器选型设计过程已有成熟的资料，具体步骤如下：(1)根据流体的物性及生产工艺条件的要求，确定流体通入的空间。(2)确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的型式。(3)计算流体的定性温度，确定流体的物性数据。(4)根据传热任务计算热负荷。(5)依对流传热系数a2和a1，确定污垢热阻Rs2和Rsl。再计算总传热系数K计。据总传热系数的经验值范围，或按实际情况，选定总传热系数K选值。(6)通过化工工艺计算，由总传热速率方程Q=KSΔtm初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸按系列标准选择设备规格。(7)计算管程、壳程(8)计算初选设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围，需调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压降直到压强降满足要求为止。以上设计过程还要牵涉到大量公式，其具体计算式子可以参考文献[1]。1.换热器的选择：两流体温度变化情况：热流体大豆油的入口温度133℃，出口温度40℃；冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。由于两流体的温度不同，所以使管束和壳体的温度也不一样，因此它们的热膨胀程度也有差别。列管式换热器中，由于冷热两流体温度不同，使壳体和管束的温度也不同。因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度相差较大时，就可能由于应力而引起设备的变形，甚至弯曲和断裂，或管子从管板上松脱，因此必须采用适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。根据采取热补偿方法的不同，列管换热器可分为以下几种主要型式：(1)固定管板式。所谓固定管板式，即两端管板和壳体连接成一体的结构形式，因此它具有结构简单和造价低廉的优点，但壳程清洗困难，因此要求壳方流体应是较清洁且不容易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。而具有补偿圈(或称膨胀节)的固定管板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)，以适应外壳和管束的不同热膨胀。此法适用于两流体温度差小于120℃壳程压力小于60MPa的场合。6(2)U形管换热器。U形管换热器每根管子都弯成U形，管子两端均固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩，从而解决补偿问题。这种型式换热器的结构也较简单，质量轻，适用于高温和高压的情况。其主要缺点是管程清洗比较困难；且因管子需一定的弯曲半径，管板利用率较差。(3)浮头式的换热器。浮头式换热器两端管板中有一端不与外壳固定连接，该端称为浮头，这样当管束和壳体因温度差较大而热膨胀不同时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，而与外壳无关，从而解决热补偿问题。另外，由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。所以浮头式换热器应用较为普遍，但结构比较复杂。金属耗量多，造价较高。本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，当两流体的温度差较大时，可以选用固定管板式。而且它具有结构简单和造价低廉的优点。故本次设计初步确定选用固定管板式。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。2.结构设计工艺流程2.1列管式换热器的选用步骤：哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)。(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。程，且可采用多管程以增大流速。(4)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。在选择流体流径时，首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降。7本设计以油和循环冷却水作为传热媒介，水走管内，油走壳程，因为水的压强高、循环冷却水较易结垢、需要提高流速。为便于水垢清洗，应使循环水走管程，大豆油走壳程，综合考虑做此选择。2.2流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求：选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，单程变为多程使平均温度差下降。由于本换热器设计，总热负荷小，不需要太高的对流传热系数，油和水又是液体，再加之平均温度的下降影响了换热，所以在常见流速中选择了0.5m/s。2.3流体两端温度的确定若换热器中冷热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。本次化工原理课程设计任务书的操作条件给出换热器中冷热流体的温度,因此就不存在确定流体两端温度的问题。2.4管子的规格和排列方法(1)选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有ф25×2mm及ф19×2mm两种规格的管子。管子的选用可参照GB151—1999，由于本设计要求大豆油为传热媒介黏度大，选择ф25×2mm。(2)管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、2.5、3、4.5或6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～10(对直径小的换热器可大些)。本设计选用3m以配合管子的排列和管子数量能满足换热要求。(3)如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等。等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体