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管壳式换热器设计++


管壳式换热器设计
目 化工原理课程设计任务书 设计概述 试算并初选换热器规格 1. 流体流动途径的确定 2. 物性参数及其选型 3. 计算热负荷及冷却水流量 4. 计算两流体的平均温度差 5. 初选换热器的规格 工艺计算 1. 核算总传热系数 2. 核算压强降 经验公式 设备及工艺流程图 设计结果一览表 设计评述 参考文献 录

管壳式换热器设计<

br />
工原理课程设计任务书
一、设计题目:
设计一台换热器

二、操作条件:
1、苯:入口温度 80℃,出口温度 40℃。 2、冷却介质:循环水,入口温度 35℃。 3、允许压强降:不大于 50kPa。 4、每年按 300 天计,每天 24 小时连续运行。

三、设备型式:
管壳式换热器

四、处理能力:
99000 吨/年苯

五、设计要求:
1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。 4、设备简图。(要求按比例画出主要结构及尺寸) 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。

-1-

1.设计概述
1.1 热量传递的概念与意义
1.热量传递的概念 热量传递是指由于温度差引起的能量转移,简称传热。由热力学第二定律可知,在自然界 中凡是有温差存在时,热就必然从高温处传递到低温处,因此传热是自然界和工程技术领域中极 普遍的一种传递现象。 2. 化学工业与热传递的关系 化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作,多需要进行加 热和冷却,例如:化学反应通常要在一定的温度进行,为了达到并保持一定温度,就需要向反应 器输入或输出热量;又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中,都要向这些设备输入或输出热量。 此外, 化工设备的保温, 生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题, 由此可见;传热过程普遍的存在于化工生产中,且具有极其重要的作用。总之,无论是在能源, 宇航,化工,动力,冶金,机械,建筑等工业部门,还是在农业,环境等部门中都涉及到许多有 关传热的问题。 应予指出,热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和传热的快 慢,它仅研究物质的平衡状态,确定系统由一个平衡状态变成另一个平衡状态所需的总能量;而 传热学研究能量的传递速率,因此可以认为传热学士热力学的扩展。 3.传热的基本方式 根据载热介质的不同,热传递有三种基本方式: (1)热传导(又称导热) 物体各部分之间不发生相对位移,仅借分子、原子和自由电子等 微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。 (2)热对流(简称对流) 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。 热对流仅发生在流体中,产生原因有二:一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别,使流体 质点产生相对位移的自然对流;二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动的强制对流。

-2-

此外,流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程,即是热由流体传到固 体表面(或反之)的过程,通常称为对流传热。 (3)热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是:不仅 有能量的传递,而且还有能量的转移。

1.2 换热器的概念及意义
在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。 在化工生产中,为了工艺流程的需要,往往进行着各种不同的换热过程:如加热、冷却、蒸发和 冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备,通过这种设备,以便使热量从温度较高的流 体传递到温度较低的流体,以满足工艺上的需要。它是化工炼油,动力,原子能和其他许多工业 部门广泛应用的一种通用工艺设备, 对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说, 换热器尤为重要。 换热器在化工生产中,有时作为一个单独的化工设备,有时作为某一工艺设备的组成部分,因此 换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中,无论是国内还是国外,它在生产中都 占有主导地位。 【表】 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 对事故工况的校核 对管箱隔板强度的校核 各部件吊耳安装位置的校核 浮头式和 U 形管束固定管板外径延伸,使管板兼作试压法兰时的强度校核 管板的刚度校核 风载荷和地震载荷的校核 进出口接管承受管线载荷的校核 叠装换热器中,底下那台换热器的校核 鞍式支座的校核 外表油漆干膜厚度的检测 封头热压成形时,终压温度的检测 壳体直线度的检测 氢工况的判别及材料要求 换热器设计要求

特别要求

3、管壳式换热器的简介

-3-

管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式 换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由 管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心,其中换热管作为导热元件,决 定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板(或折流杆)。 管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。 1)工作原理: 管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器,其换热管内构成的流体通 道称为管程,换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时,温 度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体,温度较高的流体被冷却,温度较低的 流体被加热,进而实现两流体换热工艺目的。

2)主要技术特性: 一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性: 1、耐高温高压,坚固可靠耐用; 2、制造应用历史悠久,制造工艺及操作维检技术成熟; 3、选材广泛,适用范围大。

二 试算并初选换热器规格
1.流体流动途径的确定
本 换 热 器 处 理 的 是 两 流 体 均 不 发 生 相 变 的 传热过程,且均不易结垢,根据两流体的 情况,故选择苯走换热器的管程,循环水走壳程。

2.确定流体的定性温度、物性数据,并选择列管换热器的型式
冷却介质为循环水,取入口温度为:25 ℃,出口温度为:(25+5~10) ℃ 苯的定性温度: Tm ?

80 ? 40 ? 60 ℃ 2 25 ? 30 ? 27 .5 ℃ 水的定性温度: t m ? 2
两流体的温差: Tm ? t m ? 60 ? 27.5 ? 32.5 ℃ -4-


由于两流体温差不大于 50℃,故选用固定管板式列管换热器. 查《化学工程手册》——化工基础数据 化学工业出版社 P265 图 4-21 表 4-33 可有:

? 苯=0.381 cp =0.381mPa·s
? 水= 0.825 cp =0.825mPa·s
P238 图 4-15 表 4-16 可有:

Cp苯=0=1.828KJ/(㎏·oC)
Cp水=4.176KJ/(㎏·oC)
P274 图 4-28(2)液体导热系数 可有:

?苯= 0.151W/(m·oC)
?水 =0.613W/(m·oC)
查《化工手册》上卷 山东科学技术出版社

两流体在定性温度下的物性数据如下: 物性 密度 ㎏/m 流体 苯 水 836.6 996.35 1.828 4.176 0.381 0.852 0.151 0.613
3

比热 KJ/(㎏· C)

o

粘度 mPa·s

导热系 W/(m· C)

o

3.计算热负荷和冷却水流量
Wc ? Q 322000 ? 3600 ? ? 15.4kg / h 3 Cp(t 2 ? t1) 4.176?10 (30 ? 25) 1.14 ? 108 ? 1.828? 103 ? (80 ? 40) / 3600 ? 3.22 ? 105 W 300? 24

Q ? Wh C ph ?T1 ? T2 ? ?

4.计算两流体的平均温度差
暂按单壳程、多管程进行计算,逆流时平均温度差为:

-5-

?t m ?



?t 2 ? ?t1 ?80 ? 30? ? ?40 ? 25? ? ? 29.07? C ? ?t 2 80 ? 30? ln ln (40 ? 25) ?t1



P?

t 2 ? t1 30 ? 25 ? ? 0.091 T2 ? T1 80 ? 25
T1 ? T2 80 ? 40 ? ?8 t 2 ? t1 30 ? 25

R?

由《化工原理》上册 P232 页查图 4-19 可得: ? ?t ? 0.82 所以 ?tm ? ??t ?tm ? 0.96? 29.07 ? 27.9? C 又因为 0.96> 0.8 ,故可选用单壳程的列管换热器。


5.试算和初选换热器的规格
根据低温流体为水,高温流体为有机物(参见《化工原理》P355)有 K 值的范围:430~
o 850W/( m · C),
2
2 ? 假设 K ? 400W / m ? C

?

?

又因为苯走管程且初选,L= 4.5m 的列管,所以设 ui ? 0.9m / s 由 V ? ui

?
4

d i2 ni 可求得:

单管程的管子根数: ni ?

ui
S0 ?
Li ?

?

V 4 di2

?

115369 ? 4 ? 28根 300 ? 24 ? 3600 ? 0.0152 ? 3.14 ? 0.9

Q 3.22 ?105 ? 28.85m2 K0 ?tm 400 ? 27.9
S0 106.6 ? ? 34.82 ?d 0 ni 3.14 ? 0.025? 39

管程数: N p ? 所以

Li 34.82 ? ?6 L 6

n ? N p ? ni ? 4 ? 28 ? 108根

将这些管子进行排列有图如下: 据此初选固定管板式换热器规格尺寸为: 壳 径 D 600 ㎜ 管 子 尺 寸 Φ 19×2mm

-6-

管 程 数 Np 管子总数 n

4 108

管 长L 管子排列方法

4.5 m 正三角形

实际传热面积 S? ? n? d L ? 108? 3.14? 0..015? 4.5 ? 22.89m 2 若采用此传热面积的换热器,则要求过程的总传热系数为:

??

Q 3.22 ? 105 ? ? 433 W /(m 2 ? ℃) S?t m 22.89 ? 32.5

三 工艺计算
1. 核算总传热系数

1)计算管程对流传热系数 ? i
Ai ? n ? 108? ? ? 0.0152 ? ? d i2 ? ? 0.00477m 2 4 4 4? 4

ui ?
适)

Vs 114000000 ? ? 0.925m s Ai 0.00477? 300? 24 ? 3600? 996.325
d i ui ? 0.015? 0.925? 996.325 ? 1.6225?104 ?湍流? 0.852?10?3

(与假设相一致 合

Re i ?

?
?

?

Pri ?

Cp?

?

4.176? 103 ? 0.852? 10?3 ? 5.8 0.613

-7-

图 所以

壳程摩擦系数 f 0 与 Re 0 的关系

? i ? 0.023
? 0.023?

?
di

Re 0.8 Pri (苯被加热)

0.3

0.613 0.4 ? (1.6225? 104 ) 0.8 ? ?5.8? 0.015 ? 4432 W / m 2 ?? C

?

?

2)计算壳程对流传热系数 ? 0 换热器中心附近管排中流体流通截面积为:

? d ? ? 0.019? A0 ? hD?1 ? 0 ? ? 0.15? 0.4 ? ?1 ? m2 ? ? 0.0244 t 0 . 032 ? ? ? ?
式中 h ? ? 折流挡板间距,取 300 mm; t ? ? 管中心距,对 ? 25 ? 2.5mm , t ? 32 mm 。 因为 WC ? 15.4kg / h 所以

u0 ?

Vs 114000000 ? ? 0.22m / s A0 3600? 300? 24 ? 863.6 ? 0.0244
3 2 ? 2 3 3.14 t ? d0 ) 4 ? ( ? 0.0322 ? ? 0.0192 ) 2 4 2 4 ? ? 0.05m ?d 0 3.14 ? 0.019
-8-

由正三角形排列得:

de ?

4(

Re 0 ?

d eu0 ?



?
3

?

0.05 ? 0.22 ? 836.6 ? 24154 0.381? 10?3
6

因为 Re 0 在 2 ? 10 ~ 1 ? 10 范围内,故可用下式计算 ? 0

? 0 ? 0.36 ?

?
de

?Re 0 ?0.55 ?Pr0 ?3 ? ? Pr0 ?

1

Cp?

?

?

1.828? 103 ? 0.381? 10?3 ? 4.6 0.151

壳程中水被加热,取 ? ? ? 1.05 ,

所以

? 0 ? 0.36 ?

0.151 ? (24154 ) 0.55 (4.6) 3 ? 1.05 ? 484 W / m 2 ?? C 0.05

1

?

?

3 )确定污垢热阻 管内、外侧污垢热阻分别取为:

Rsi ? 0.0002 m2 ?? C / W (有机液体), Rso ? 0.00017 m2 ?? C / W(井水) 4 )总传热系
数 K0
o 因为苯为有机物,管子材料选用不锈钢,取其导热系数为 ?w ? 16.5W / (m· C),总传热系数

K 0 为:
K0 ? 1 1 d0 d ? 0 di ?i d i 1

?0
?

? Rso ? Rsi

1 19 19 ? 1.7 ? 10? 4 ? 2.0 ? 10? 4 ? ? 484 15 4432? 15 2 ? ? 360 W/m ? C

?

?

由前面计算可知,选用该型号换热器时,要求过程的总传热系数为 443 W / m ? C ,在传热
2 ?

?

?

任务所规定的流动条件下,计算出的 K 0 为 526 W / m ? C ,其安全系数为:
2 ?

?

?

443 ? 360 ? 100 % ? 20 .2 % 360
故所选择的换热器是合适的。

2.

核算压强降

1)计算管程压强降

??P ? ??P ? ?P ?F N
i 1 2 t

p

Ns
4

前面已算出: ui ? 0.925m s , Re i ? 1.6225?10 (湍流) -9-

取不锈钢管壁粗糙度 ? ? 0.1mm



?
di

?

0.1 ? 0.0067,由《化工原理》上册第一章 P54 15

的 ? ? ? Re 关系图中查得: ? ? 0.0338

所以

?P 1 ??

L ?ui 4.5 996.325? ?0.925? ? ? 0.033? ? ? 4322Pa di 2 0.015 2
2 2

?P2 ? 3

? ui 2
2

? 3?

996.325? ?0.925? ? 5115Pa 2
2

对于 ?19 ? 2mm 的管子 4,Ns=1

??P ? ?4322? 5115??1.4 ? 4 ?1 ? 52847Pa
i

2 )计算壳程压强降
0

? ?P ? ??P

, 1

? ?P2 Fs Ns




?

其中 Fs ? 1.15 ,Ns ? 1,?P1 ? Ff0 nc ?N B ? 1? 管子为正三角形排列,取 F=0.4

? u0 2
2

nc ? 1.19 n ? 1.1? 108 ? 12
取折流挡板间距 h ? 0.15 m 折流挡板数: N B ?

L 4.5 ?1 ? ? 1 ? 29 h 0.15

壳程流通面积 A0 ? h?D ? nc d 0 ? ? 0.15? ?0.4 ? 12? 0.019? ? 0.025m2

u0 ?

Vs 114000000 ? ? 0.2m / s A0 3600? 300? 24 ? 836.6 ? 0.025
d 0u0 ?

Re 0 ?

?

?

0.019? 0.2 ? 836.6 ? 8344> 500 0.381? 10?3

f 0 ? 5.0 Re 0


?0.228

? 5.0 ? 8344?0.228 ? 0.64
836.6 ? 0.2 2 ? 7710Pa 2
2

所以 ?P 1 ? 0.4 ? 0.64 ? 12 ? ?29 ? 1? ?
2

2h ? ? u0 2 ? 0.15 ? 836.6 ? ?0.2? ? ? ?P2 ? N B ? 3.5 ? ? ? 29 ? ? 3.5 ? ? 1334Pa ?? D? 2 0.4 ? 2 ? ?


Pa ??P ? ?7710? 1334??1.15?1 ? 10401
0

- 10 -

由上面计算可知,该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求,故所选换热器合适。

四. 设计结果一览表
项 目 流量,㎏/s 温度,℃(进/出) 定性温度,℃ 密度,㎏/m3 物 比热,kJ/㎏℃ 粘度,Pa·s 性 导热系数,kJ/m℃ 结 构 参 数 普兰特数 壳体外径, mm 管径, mm 管长,m 管数 传热面积,㎡ 管程数 主要计算结果 流速,m/s 污垢热阻,(㎡·℃)/W 传热系数,W/(㎡·℃) 壳程(循环水) 15.4 25/30 27.5 996.325 4.176 0.825×10-3 0.613 5.29 600 Ф 19×2 4.5 108 108.4 4 壳程 0.925 2.0× 10?4 10401 0.22 1.7× 10?4 4432 管程(苯) 9.25 80/40 60 836.6 1.828 0.318×10-3 0.151 5.27 台数 壳程数 管心距,㎜ 管子排列 折流板数 折流板距,m 材质 1 1 32 正三角形排列 29 0.3 不锈钢 管程

五.经验公式
1.管程对流传热系数 ? i ,可用迪特斯和贝尔特关联式:

? i ? 0.023

?
di

Re 0.8 Pri

0.3

2.壳程对流传热系数 ? 0 ,可用关联式计算:

? 0 ? 0.36 ?

?
de

?Re 0 ?0.55 ?Pr0 ?3 ? ?

1

3.管程压强降可用:

??P ? ??P ? ?P ?F N
i 1 2 t

p

Ns

4.壳程压强降可用埃索法: - 11 -

? ?P ? ??P
0

, 1

? ?P2 Fs N s



?

六.设备及工艺流程图

七.设计评述
通过本次课程设计,我对换热器的结构、性能都有了一定的了解,同时,在设计过 程中,我也掌握了一定的工艺计算方法。 换热器是化工厂中重要的化工设备之一,而且种类繁多,特点不一,因此,选择合 适的换热器是相当重要的。在本次设计中,我发现进行换热器的选择和设计是要通过反 复计算,对各项结果进行比较后,从中确定出比较合适的或最优的设计,为此,设计时 应考虑很多方面的因素。 首先要满足传热的要求,本次设计时,由于初选总传热系数不合适,使规定条件下 的计算结果与初设值的比值不在要求范围内,因此,经过多次计算,才选择到合适的 K
W / m 2 ?? C ,计算结果为 360 W / m 2 ?? C ,安全系数为 16.8%,满足要求。 值为 443

其次, 在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型, 通过分析操作要求及计算, 本次设计选用换热器为上述计算结果。 再次, 从压强降来看, 管程约为 10401Pa, 壳程约为 4432Pa, 都低于要求值 (50kPa) , 因此, 可适当加大流速, 从而加大对流传热系数, 减少污垢在管子表面上沉积的可能性, 即降低污垢热阻,然而,流速增加,流动阻力也会随之增大,动力消耗就增多,因此, 作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。 此外,其他因素(如加热和冷却介质用量,换热器的检修和操作等) ,在设计时也是 不可忽略的。根据操作要求。 在检修和操作方面,固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体,因此不便 于清洗和检修。 本次设计中,在满足传热要求的前提下,考虑了其他各项问题,但它们之间是相互 矛盾的。如:若设计换热器的总传热系数较大,将导致流体通过换热器的压强降(阻力) 增大,相应地增加了动力费用;若增加换热器的表面积,可能使总传热系数或压强降减 小,但却又受到换热器所能允许的尺寸限制,且换热器的造价也提高了。因此,只能综 合考虑来选择相对合适的换热器。
然而在本次设计中由于经验不足,知识有限,还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成 本进行核算,仅在满足操作要求下进行设计,在经济上是否合理还有待分析。在设计的过程中我发现 板式换热器采用同一板片组成不同几何尺寸和形状的流道(非对称流道)解决了两侧水流量不等的问 题,同时与对称结构相比具有相同的耐压性和使用寿命。总之,通过本次设计,我发现自己需要继 学习的知识还很多,我将会认真请教老师,不断提高自己的知识水平,扩展自己的知识面。

八. 参考文献
[1] 柴诚敬编著.化工原理课程设计.天津:天津科学技术出版社,2006.03.01 [2] 夏 清、陈常贵主编.化工原理(上册).天津:天津大学出版社,2005.01 [3]

- 12 -

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