列管式换热器

轻工食品学院 化工原理课程设计 列管式换热器         班级 生物工程081班 姓名 陈艺琦 学号 200810734116 指导教师 邓开野 李南薇 提交日期 2010年12 月31 日     目    录 1、 引言…………………………………………………………………………3 2、 换热器设计任务书………………………………………………………4 2.1设计题目………………………………………………………………4 2.2工艺条件………………………………………………………………4 2.3设计任务………………………………………………………………4 2.4设计工作量……………………………………………………………4 3、 列管换热器的流程图……………………………………………………5 4、 设计说明……………………………………………………………………6 4.1换热器类型的选择………………………………………………………6 4.2流程安排…………………………………………………………………6 4.3加热剂或冷却剂的选择…………………………………………………6 4.4流体进出口温度的确定…………………………………………………7 5、 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 的确定……………………………………………………………8 5.1选择换热器的类型………………………………………………………8 5.2流体流入空间的选择……………………………………………………8 5.3流向的选择………………………………………………………………8 5.4确定物性数据……………………………………………………………9 5.5定性温度计算……………………………………………………………9 6、初算冷却水的流量………………………………………………………10 6.1计算传热量……………………………………………………………10 6.2计算冷却水的量………………………………………………………10 6.3出算传热面积…………………………………………………………10 7、列管式换热器结构设计…………………………………………………12 8、传热面积校核………………………………………………………………15 9、核算压力降…………………………………………………………………19 10、计算结果一览表…………………………………………………………21 11、重要符号说明……………………………………………………………22 12、参考文献…………………………………………………………………23 13、设计总结…………………………………………………………………24 一 引言 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一项化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。 由于工业生产中所用的换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。而这个设计中主要是介绍列管试换热器。列管试换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器，蒸发器和再沸腾器及冷凝器使用。在这些不同的传热过程中，有些为无相变化传热，有些是有相变化传热，他它们具有不同的传热机理，遵循不同的流体力学和传热规律，因此在设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 上存在一些差别。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。 在满足生产的工艺条件、保证生产正常进行的前提下，还应该考虑过程的经济性。这牵涉到合理的选择设备及利用热能的问题。传热性能良好且结构紧凑的热交换设备，有利于节省设备费用的投资和热能的有效利用；如果热交换设备的传热性能不良或窜热面积过小，则难于有效利用低品位的热能，造成操作费用的增加。 通过这次的课程设计学习，就是要要分析影响传热速率的因素，掌握控制传递速率的一般规律。为本次的列管试换热器的工艺设计打下基础。 二 换热器设计任务书 2.1设计题目 列管式换热器设计 2.2工艺条件 （1）空气气体从120℃冷却到60℃ （2）冷却介质采用20℃的循环水 （3）混合气体流量：13000Kg/h 2.3设计任务 （1）换热器的热负荷、载热体用量、初算平均温度差、传热面积、传热系数、污垢系数、管程压力降、壳程压力降，主要工艺及结构基本参数的计算。 （2）列管式换热器主要构件的尺寸与接管尺寸的确定。 2.4设计工作量 （1）设计说明书一份。设计结果一览表包括：传热面积、传热系数、污垢系数、压力降及附属设备选型情况等。 （2）换热器结构及管子组合排列图各一张。 三 列管换热器的流程图 四 设计说明 4.1换热器类型的选择 由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。不同类型的换热器各有自己的优缺点和适用条件。因此，选择的换热器要保证达到工艺要求的热流量，操作上要安全可靠，结构上要简单，可维护性要好，尽可能节省操作费用和设备投资。 4.2流程安排 在列管式换热器设计中，冷、热流和流程，需进行合理安排，一般应考虑以下原则。 易结垢流体应走易于清洗的一侧。对于固定管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于U 型管换热器，易结垢流体应走壳程。 有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积一般较小，且易于采用多管程结构以提高流速。 具有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用量，降低换热器成本。 压力高的流体应管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够避免采用耐压的壳体和密封措施。 具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液。 粘度大的流体应壳程，因为壳程内的流体在折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较你的雷诺数下就可达湍流状态。 应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的主要问题，首行满足其中较为重要的要求。 4.3加热剂或冷却剂的选择 一般情况下，用作加热剂或冷却的流体是由实际情况决定的。但有些时候则需要设计者自行选择。在选用加热剂和冷却剂时，除首先应满足所能达到的加热器或冷却温度外，还应考虑其来源方便，价格低廉，使用安全。在化工生产中，水是常用的冷却剂，饱和水蒸气是常用的加热剂。 4.4流体进出口温度的确定 工艺流体的进出口温度是工艺条件所规定的。加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的，但其出口温度有时可由设计者选定。该温度直接影响加热剂或冷却剂的用量以及换热器的大小，因而这个温度的确定有一个经济上的优化问题。例如以水为冷却剂时，由于工艺流体的进出口温度及流量都是确定的，所以若冷却水出口温度选择得较高，其用理就可以减少，从而降低了操作费用，但此时由于平均传热温差下降，使得设备较大，增加了设备投资。适宜的出口温度应使操作费和设备费之和最小。另外，还应考虑到温度对污垢的影响，比如未经处理的河水作冷却剂时，其出口温度一般不得超过50℃，否则积垢明显增多，会大大增加传热阻力。 五 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的确定 5.1选择换热器的类型 本设计冷却器选用带有折流挡板的浮头式管换热器，浮头式换热器可以从壳体中抽出，便于清洗、检修。适用壳体壁温和管壁温差较大的场合。这种换热器的特点是一端管板与壳体用螺栓固定，而另一端管板不与壳体相连，与另一个可以自由伸缩的壳体（封头）相连，当换热器管束受热或受冷时可以自由伸缩，不受壳体的约束，固管、壳间不产生温差应力。且且这种换热器适用于高温、高压的大型装置中。 采用折流挡管束板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。 本设计中的浮头式换热器采用的材料为不锈钢。 见参考文献275页 5.2流体流入空间的选择 本冷却器的管程走入口温度为20°C的冷却介质水，壳程走混合气体。冷溶液和加热水逆向流动换热。根据的原则有： 1.压强高的流体宜走管程，因为管子直径小，耐压能力高，并避免采用耐压的壳体和密封措施。 2.对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。 3.冷原料走管内，可以提高其流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且以增大流速。 4.被冷却的流体宜走壳程，便于散热。 *参考  详见参考文献1、2 5.3流向的选择 因工艺上无特殊要求，所以选用逆流操作。 5.4 确定物性数据 空气：  进口温度120℃      出口温度60℃ 冷却水：进口温度20℃      设出口温度60℃ 5.5 定性温度计算 定性温度：对于空气和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 空气的定性温度： ℃ 水的定性温度：  ℃ 空气在定性温度下的有关物性数据如下： 物性 密度ρ （kg/m3） 定压比热容 [KJ/(kg·K)] 粘度 （Pa·s） 导热系数λ （W·m-1·K1） 普朗特数 空气 0.972 1.009 0.690             水在定性温度下的有关物性数据如下： 物性 密度ρ （kg/m3） 定压比热容 [KJ/(kg·K)] 粘度 （Pa·s） 导热系数λ （W·m-1·K-1） 普朗特数 水 992.2 4.174 0.635 4.31             *参考  详见参考文献4 六 初算冷却水的流量 6.1计算传热量 6.2计算冷却水的量 6.3.初算传热面积 6.3.1按逆流计算 120℃    →      60℃ 20℃    →      60℃ ＝ 60℃        ＝ 40℃ 图6.3.1 温差校正系数图 由于 ，所以应采用双壳管、双管程的列管式换热器 据R、P的数值可从温差校正系数 算图，查得温差校正系数 =0.968 6.3.2传热面积的计算 据传热系数K的大致范围，取K=180 则估算传热面积： = 七 列管换热器结构设计 7.1换热管规格 选用 19mm 2mm的不锈钢管，管长 。 *参考  详见参考文献2 7.2管子数目和管程数 传热管总管数： 单程流速： 单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多程管。按管程流速的推荐范围，选管程流速为 ，所以管程数为 ,管程数取5管程。 7.3确定管子在管板上的排列方式 图7.3.1 该换热器为30程，固采用正三角形排列，管子与管板采用焊接结构。管心距的实际最小值不能小于  （d+6）mm，取t=19+6=25mm。 图7.3.2    7.4壳体的内径确定 采用多管程结构，壳体内径可按式 估算。 即 式中 D——壳体内径，mm t——管间距，mm ——横过管束中心线的管束，管子按正三角形排列时，nc=1.1 ——管束中心线上最外层管的中心至壳体壁的距离，一般可取 =（1～1.5）d  mm 7.5绘管板布置图确定实际管子数目 取管板厚度为 mm，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm，所以换热器的实际传热面积： =27.07 管程实际流速： 7.6折流挡板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去圆缺 高度为： 因壳程为单相清洁流体，所以折流板却口水平上下布置。缺口向上的折流板底部开一90°小缺口，以便停机时排净器内残液。 *参照  详见参考文献7 取折流板间距 B=0.99D，则 折流板数  l——换热管长 B——折流板间距 *参照  详见参考文献5《食品工程原理》 7.7其他附件 封头、筒体法兰、管板、支座等根据相关标准从相关手册上查取。详见参考文献7 选拉杆直径为16mm的钢拉杆，拉杆数量为4根。 7.8接管 7.8.1管程流体进出口接管 取管程内流速 则接管内径 ——接管内径，mm ——进，出换热器流体的体积流量，m3/s U——流体在管内流动的适宜流速，m/s 7.8.2壳程流体进出口接管 取管内流速 则接管内径 八 传热面积校核 8.1传热温度差的校核 计算P和R *参照  详见参考文献10 根据P、R值，查温差校正系数图 ，由于 ，所以应采用双壳管、双管程的列管式换热器。 图8.1 温差校正系数图 查得温差校正系数 =0.968 则  8.2总传热系数K的计算 8.2.1管内膜传热系数： 流体被加热，取n＝0.4。因为管内流体无相变化，在圆形直管内作强制湍流时，而且低于2倍常温水的粘度，而且流体被加热，所以传热系数公式选用： 8.2.2管外膜传热系数 流体被冷却，取n＝0.3  t＝19+6=25mm=0.025m 传热当量直径 的计算与管子排列方式有关。因为管子正三角形排列，所以传热当量直径为： = 取 流速u根据流体流过管间的最大截面S计算 t＝0.025m 所以壳程流通截面积： *参考:由文献4查表得： Pa·s 壳程流体流速： 代入计算得： 8.2.3总传热系数K 已知 ；取不锈钢导热系数 该设计中水与空气的污垢热阻可忽略不计，固 8.3总传热系数的校核 上式算得Ko（计）=267 前面估算Ko（选）=180，则 说明KO的选定值合适，该换热器的设计合理。 8.4换热管壁温 为检验所选换热器的型式是否合适，是否需要加设温度补偿装置等，所以要 计算其壁温。 换热管壁温可由下式估算。 由上面计算知 ； ； 所以换热管平均温度为： 8.5壳体壁温 壳体壁温的计算方法与传热管壁温的计算方法类似。这里由于传热条件使壳体壁温接近于介质温度，所以壳体壁温可取壳程流体的平均温度，即 壳体壁温与传热管壁温之差为： 九 核算压力降 9.1管程压力降 对多程换热器，其总阻力为各程直管阻力、回弯管阻力及进出口阻力之和。相比之下，进出口的阻力较少，一般可忽略不计。因此，管程总阻力的计算式为 为管程校正系数，对Ф19mm×2mm的管子取1.5 为串联的壳程数    为管程数 已知： ； ；NP=5； ； （湍流）； 对于碳钢管，取管壁粗糙度  *参照  详见参考文献4 由 关系图查得  所以计算得： pa ＝（3851＋304）×1.5×1×5 ＝31162.5pa 9.2壳程压力降 由于壳程流体的流动状况较为复杂，计算压力降的方法较多，用不同的公式计算结果往往偏差较大。下面选用较通用的埃索计算公式： 其中：            为壳程结垢校正系数，对于气体 ＝1.0 管子的排列方式按正三角形  所以F＝0.5，b= 折流挡板间距：    B＝0.368m 折流档板数：      ＝7块 壳程流通截面积：  壳程流速：        得： 已知  .0；  ，有 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适合。 十 计算结果一览表 参数 壳程 管程 进口温度/℃ 120 20 出口温度/℃ 60 60 物性 定性温度/℃ 90 40 密度/Kg/m3 0.972 992.2 定压比容/kJ/（Kg·K） 1.009 4.174 热传导系数/W/(m·K) 0.0313 0.635 粘度/Pa·s 21.5×10 0.653×10 普朗特数 0.690 4.31 流量Kg/s 4.17 1.41 流速/m/s 121.2 0.452 表面传热系数/W/( m2·℃) 318.11 2828 压力降/Pa 161263 31162.5 热流量/(KJ/S) 23.5 传热温差/ 60 传热系数/W/( m2·℃) 180 裕度/％ 20 设备结构参数 形式 浮头式换热器 拉杆直径/mm 16 壳体内径/mm 19 壳程数 1 管径/mm 19×2 管心距/mm 25 管长/mm 3000 管形排列 正三角形 管数目/根 153 折流板数/块 7 传热面积/ m2 27.07 折流板间距/mm 368 管程数 5 材质 不锈钢                   表1 计算结果一览表 十一 重要符号说明 符号 意义 单位 T 温度 ℃ Q 热负荷 KJ/S q 质量流量 Kg/s C 定压比热容 J/（Kg·K） A 面积 m2 管长 mm K 传热系数 W/( m2·℃) u 流体流速 m/s a 管心距 mm D 壳体内径 mm h 切去圆缺高度 mm 折流板数 块 B 相邻折流板间距 mm 对流传热膜系数 W/( m2·℃) λ 流体导热系数 W/( m·℃) 管外径 mm 管内径 mm 当量直径 mm R 污垢热阻 ( m2·℃)/W       表2 重要符号说明 十二 参考文献 1.李功祥 陈兰英 崔英德 《常用化工单元设备设计》 华南理工大学出版社  2006年4月1日 2.陈均杰 李磊 《化工原理实验及课程设计》 化学工业出版社  20088月 3.朱有庭 曲文海 于浦义 《化工设备设计手册》化学工业出版社  2005年6月1日 4.黄少烈 邹华生 《化工原理》 高等教育出版社    2002年8月 5.李运飞 葛克山主编《食品工程原理》，中国农业大学出版社 6、王明辉主编《化工单元过程设课程设计》化学工业出版社，2002年6月第1版 7.钱颂文主编《换热器设计手册》，化学工业出版社，2002年8月第1版 十三 设计总结 从2010年12月20日到2010年12月31日，我们2008级生物工程专业学生进行了为期两周的食品工程原理课程设计。通过这次课程设计，使我们拓宽了知识面，提高了对知识的应用能力，动手能力得到较大提高。经过近两个星期的坚持和努力，终于完成了列管式换热器的课程设计。通过这次设计使我懂得了很多，包括专业知识、查找能力和做事情方面，收获不少。这次设计也使我学会了做任何事情都要毅力、坚持、认真，不要半途而废，遇困难要积极面对、冷静思考，这样事情才能得到完满的解决，也可以得到最快的解决。 安排食品工程原理课程设计的基本目的，使学生受到一次食品工程设计技术方面的基本训练，从而了解和掌握食品工程原理计算的基本知识、基本方法，培养学生独立分析和解决一些技术问题的能力。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，改变学习内容与方法提供实践依据。 设计的第一步就是学会查 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ，在英东楼翻阅了不少关于换热器的书籍与资料。熟悉了换热器的工作原理和操作，也要了解处理物料的性质，接下来进行各种数据处理。虽然，计算方面出了不少问题，K值的选取计算了很多次，处理数据花了很长的时间，但最后还是得出了一个比较正确的结果。最后根据物料性质和数据等选择合适的设备。选完设备就是是进行管路的排列，我采用的三角形的形式。 做完上述步骤，就是进行画图。这次设计任务虽然不是很难，但工作量大，需要很多的时间，要有一定的耐性才能完成。工程设计耗时长，要经过反复的验证才能成功。课程设计提高了我的动手能力和思考能力，对以后的工作有一定的帮助。