10-11-2管壳式热交换器的设计和选用(流程指导)

SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄主讲：郝世雄E-mail:[e-mail]:1207185928课程：化工原理课程设计SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄题目：管壳式换热器的设计和选用时间安排：选型3天结构设计4天作图5天SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄1、收集资料2、设计方案的确定1).选择换热器的类型2).流程安排3).加热剂或冷却剂的选择4).流体进出口温度的确定3、工艺设计计算1).确定物性数据2).初选换热器的尺寸规格3).计算管程的压降和传热系数4).计算壳程的压降和传热系数5).计算总传热系数、较核传热面积4、材料5、结构设计1).壳体、管箱壳体和封头2).膨胀节3).接管和开孔补强4).接管与壳体、管箱壳体的连接5).接管法兰的要求6).壳程接管位置最小尺寸L1,minSichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄7).管箱接管位置最小尺寸L2,min8).排气、排液管9).折流板的布置和尺寸10).防冲板11).拉杆、定距管尺寸12).管板和设备法兰13).垫片14).管箱15).支座16).吊耳和顶丝6、撰写设计说明书1)设计方案的确定2)工艺设计计算部分3)材料的选用部分4)结构设计部分5)换热器主要结构尺寸和计算结果表6)换热器主要结构尺寸示意图7)设计评述8)参考文献7、绘图1).必须选定的尺寸2)参考书3)作图步骤SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄1、收集资料[2]梅慈云.化工原理课程设计[M].广州：华南理工大学出版社，1990[1]柴诚敬,等.化工原理课程设计[M].天津:天津科学技术出版社,1994[3]大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计[M].大连:大连理工大学出版社,1994[4]卢焕章,等.石油化工基础数据手册[M].北京：化学工业出版社，1982SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄[5]燕山石油化学总公司设计院，等.钢制列管式固定管板换热器结构手册[M].北京：1984[6]上海化学工业设计院.化工工艺设计手册[M].北京：1986[7]郑晓梅.化工制图[M].北京：化学工业出版社，2002[8]刁玉玮,王立业.化工设备机械基础[M].第五版.大连：大连理工大学出版社，2005SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄[9]董大勤,等.《压力容器设计手册》.北京：化学工业出版社.2005[10]陈敏恒,丛德滋,方图南,等.《化工原理》(上)(第二版).北京：化学工业出版社.1999SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄一、设计任务题目：热交换器设计条件：1、热流体乙酸戊酯，ws1=33000kg/h；温度T1=90℃;T2=30℃;压强降≤35kPa2、冷流体自来水，温度t1=20℃;t2=28℃;压强降≤35kPaSichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄2、设计方案的确定1).选择换热器的类型固定管板式浮头式换热器U形管换热器填料函式换热器√SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄2).流程安排(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)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；(3)压强高的流体宜选管程，以防止壳体受压；(4)饱和蒸汽宜走壳程。因为饱和蒸汽比较干净、冷凝液易于排出，并且对流传热系数与流速无关；SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄(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，以提高对流传热系数。注意：上述要求常常不能同时满足，结合设计任务在设计中应考虑其中的主要问题，首先满足其中较为重要的要求。(6)被冷却的流体一般走壳程，可利用外壳向外进行散热；(5)有毒的液体宜走管内，使泄露的机会较少；SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄3、工艺设计计算定性温度根据定性温度，分别查取壳程流体和管程流体的有关物性数据1).确定物性数据222121;ttTT++冷流体：热流体：SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄2).初选换热器的尺寸规格初步选定换热器冷热流体的流动方式，即逆流或并流由冷热流体的进、出口温度计算温差修正系数φ∆t。φ∆t的数值应大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄根据经验（或教材第355页附录22）估计总传热系数K估，计算传热面积So,估。m,om,o12pcc21phh)()(tKQStSKQQttcWTTcWQ∆′⇒∆′==−−=估估估估热负荷热负荷＝＝考虑15％的面积富裕度估估＝,o,o15.1SS′SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄根据S估的数值，在系列标准中(列管式固定管板换热器结构设计手册)选择适当的换热器型号（可能有多个）。填写下表壳径公称压强公称面积管子尺寸管子数管长管中心距管程数Np管子排列方法正三角形管程流通面积可参考下面步骤选择SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄1、选择换热管（φ25×2.5、φ19×2）和管内流速u=0.5~3m/s2、计算单程换热管数和管程数NpiiSudVn2s785.0=按单程计算所需要换热管长度losdnSlπ估=SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄取换热管长度L＝1500，2000，3000，4500,6000,9000LlN=p圆整为2，4，6换热管总数npsNnn=SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄估算壳体内径DbntD′+−=2)1(cnn1.1c=o)5.1~1(db=′根据D,以及n,Np,L查《钢制列管式固定管板换热器结构手册》可初选出换热器圆整成标准系列SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄计算所选定的换热器的实际传热面积So,实际，和过程需要总传热系数K需。m,Om,O21phhO,O)()1.0(tSQKtSKQTTcWQLdnS∆⇒∆=−=−实际需实际需实际＝＝πSichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄3).计算管程的压降和传热系数由公式4-121计算管程压降∆pi。如果∆pi∆p允，则必须调整管程数目重新计算。计算管内传热系数αi,如果αiK需，则必须调整管程数目重新计算。如果改变管程数后不能同时满足∆pi∆p允和αiK需,另选其他型号的换热器进行试算。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄4).计算壳程的压降和传热系数参考教材第272选定挡板间距，由公式4-123计算壳程压降∆ps。如果∆ps∆p允，则可以增大挡板间距。计算壳程传热系数αo,如果αoK需，则减小板间距。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄5).计算总传热系数、较核传热面积根据流体的性质选择适当的污垢热阻R，由R、αi、αo计算总传热系数K计算。然后在计算所需要的传热面积So,需。mo,mo,12pcc21phh)()(tKQStSKQttcWTTcWQ∆⇒∆=−−=计算计算＝＝需需SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄当So,需小于初选换热器的实际传热面积So,实，则原则上以上计算可行。考虑到所选用的传热计算式的准确度及其他未可预料的因素，应使选用的换热器的传热面积留有15~25%的富裕度，使So,实/So,需=1.15~1.25。否则需重新估计一个K估，重复以上计算选型过程可以参考教材285页例4-22SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄4、材料根据公称Dg，以及设计压力Pg（也称公称压力PN表示），流体的化学性质，查《钢制…….》第27页表3-2，表3-3。5、结构设计注意：每选好一个部件，在设计说明书中要画出该部件有尺寸的、按比例的示意图。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄参考资料：《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》《化工设备机械基础》《化工制图》《压力容器设计手册》等。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄单程列管式换热器1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄图幅：841×594边框：(841-25-10)×(594-10-10)SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄1).壳体、管箱壳体和封头厚度：根据公称Dg（现用DN表示），选用的材料以及设计压力（也称公称压力PN表示），查手册或者根据强度计算公式计算然后再圆整为标准系列，见《钢制…》第29页表4-2。尺寸：根据公称Dg，选用的材料以及设计压力（也称公称压力PN表示），查《化工制图》第95页附表1。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄2).膨胀节根据Tm-tm是否大于50℃确定是否需要膨胀节。如果需要，则其尺寸根据公称Dg，选用的材料以及设计压力（也称公称压力PN表示），查见《钢制…》第181页附录2。SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄3).接管和开孔补强接管的直径：步骤：选流速计算管径参考《化工设备机械基础》第306页附录7，以及化工工艺设计手册园整为标准管校核流速。流速u的经验值可取，液体u=1.5~2m/s(详见教材p283)参考《化工设备机械基础》第160页表6-9找出所选接管公称直径SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄接管的伸出长度：根据公称Dg，选用的材料以及设计压力（也称公称压力PN表示），查《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》第33页表4-5。开孔补强的计算：参见《化工设备机械基础》第177~181页，第160页表6-9。如需补强查《化工制图》第102页附表8SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄5).接管法兰的要求根据公称DN，选用的材料以及设计压力，流体的性质（是否有毒、是否易燃、易爆选取密封面的形式后，查《化工设备机械基础》第333页附录14结构形式：采用插入式焊接结构，4).接管与壳体、管箱壳体的连接SichuanUniversityofScience&Engineering郝世雄6).壳程接管位置最小尺寸L1,min根据《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》第35页，提供的公式计算出L1,min7).管箱接管位置最小尺寸L2,min根据《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》第35~36页的公