化工原理课程设计——列管换热器.docx

化工原理课程设计报告换热器的设计年级专业设计者姓名设计单位完成日期概述11.换热器设计任务书5-1.2换热器的结构形式-7-2.蛇管式换热器-8-3,套管式换热器-8-3换热器材质的选择-8-1.4管板式换热港的优点-IO-1.5 列管式换热器的结构-I1.-1.6 管板式换热器的类型及工作原理-12-17确定设计方案-13-2.1 设计参数-13-2.2 计算总传福系数-14-2.3 工艺结构尺寸-15-2.4 换热器核算-16-2.4.1. 热流量核算-16-2.42联温计算-19-2.4.3,换热器内流体的流湎阻力-20-在不同温度U'JmmI"JIGH匕U'J衣H俨"y3*X.1Xfr.I>Jg/4换热器。在换热罂中至少要有两种温度不同的流体，种流体温度较高，放出热量：另种流体则温度较低，汲取热量。35%40%.随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热罂的设计、制造、结构改进及传热机理的探讨非常活跃，些新型高效换热器相继问世。随着换热罂在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热罂各仃优缺点，性能各异。在换热罂设计中，首先应依据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热潜的结构尺寸。换热罂按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。换热沿按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，依据传热面的形态和结构特点乂可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。表2-1传热器的结构分类类型特点间壁式省光式固定管板式刚性结构用于管壳温差较小的状况（一般K50C）,管间不能清洗带膨胀节有肯定的温度补偿实力，亮程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间荷洁泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介明内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较困难，主要用于高'温高压场合和固定床反应器中,套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热券螺旋管式沉醉式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板式拆洗便利，传热而能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能平板式,结构紧凑，拆洗便利，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太尚混合式适用于允许换热流体之间干脆接触芟战Q换热过程分阶段交替进行，适用T从高温炉气中回布'“.八I收热能的场合完善的换热器在设计或选型时应满意以下各项基本要求。（1）合理地实现所规定的工艺条件传热城、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应依据这些条件进行热力学和流体力学的计弊，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其详细做法如下。增大传热系数？在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。提河平均温差？对于无相变的流体，尽量采纳接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提裔平均温差，还有助于削减结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。妥当布置传热面？例如在管壳式换热器中，采纳合适的管间隹或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流淌特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。假如换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。（2）平安牢靠换热蹲是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲惫寿命计匏时，应遵照我国钢制石油化工压力容落设计规定与MW制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的平安牢彝起着重要的作用。C3）有利于安装、操作与修理直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的阻碍，依据须要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热落的最终指标是：在肯定的时间内（通常为1年）固定仍用（设备的购置费、安装费等）与愫作费（动力费、清洗比、修理费等）的总和为最小。在设计或选型时，假如有几种换热涔都熊完成生产任务的须要，这一指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高乂有利于传热，因此存在一最相宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而削减，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必需从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最相宜的运行周期。严格地讲，假如孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定相宜的操作条件与相宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素变更后对整个系统的效益关系影响不大时，依据上述观点单独地对换热器进行经济核算仍旧是可行的。1.1 .换热器设计任务书1 .设计题目煤油冷却器的设计。设计课题工程背景:在石油化工生产过程中，经常须要将各种石油产品(如汽油、煤油、柒油等)进行冷却，本设计以某炼油厂冷却燃油产品为例，让学生熟识列管式换热器的设计过程。设计的目的：通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能依据工艺要求选择适当的类型，同时还能依据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。2 .设计任务及操作条件(1)处理实力(1.584,1.98,2.2176,2,4552,2.6928)×104吨/年煤油(2)设备型式列管式换热器（3）操作条件煤油：入口温度（M（TC、120C、100c）,出口温度40C冷却介质：自来水，入门温度30C,出口温度50C允许压强降：不大于IOTa每年按330天计，每天24小时连续运行（4）设计项目设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。换热器的工艺计舞：确定换热落的传热面枳。换热器的主要结构尺寸设计.主要协助设备选型.绘制换热器总装配图。3 .设计说明书的内容（1）书目：（2）设计题目及原始数据（任务书）：（3）论述换热器总体结构（换热器型式、主要结构）的选择：（4）换热器加热过程有关计算（物料衡整、热量衡算、传热面枳、换热管型号、壳体直径等）：（5）设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）；（6）主体设备设计计算及说明;（7）主要零件的强度计算（选做）：（8）附属设备的选择（选做）：（9）参考文献;（10）后记及其它。4 .设计图要求用594X841图纸绘制换热器一张：一主视图，一仰视图，一剖面图，两个局部放大图。5 .设计思索题（1）设计列管式换热器时,通常都应选用标准型号的换热器，为什么?（2）为什么在化工厂运用列管式换热最广泛？（3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？（4）说明列管式换热器的选型计算步骤？（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？（6）说明常用换热管的标准规格批管径和管长）。（7）列管式换热器中,两流体的流涧方向是如何确定的？比较其优缺点？6 .部分设计问题指导（1）列管式换热器基本型式的选择（2）冷却剂的进出口温度的确定原则（3）流体流向的选择（4）流体流速的选择（5）管子的规格及排列方法（6）管程数和壳程数的确定（7）揩板的型式1.2 换热器的结构形式1.管壳式换热器管壳式换热器乂称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简洁，坚实耐用，造价低廉，用材广泛，清洗便利,适应性强等优点，应用最为厂泛。管亮式换热器依据结构特点分为以下儿种：（1）固定管板式换热蹲固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热潜结构简洁，价格低廉，但管外清洗困难，身处理两流体温差小于50C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70C且壳方流体压强不高于600KPa的状况。（2）浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关.浮头苴换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构困难.，造价就（3）填料涵式换热器境料涵式换热涔管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热涔相比，结构简洁，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。2.蛇管式换热涔蛇管式换热器是管式换热器中结构最简洁，操作最便利的一种换热设备，通常依据换热方式不同，聘蛇管式换热器分为沉醉式和喷淋式两类。1.1 管式换热耦套管式换热器是由两种不同身径的直管贲在一起加成同心套管,其内管用Ig时管顺次连接，外管与外管相互连接而成，其优点是结构的洁，能耐而压，传热面积可依据须要增取，适当地选择管内、外径,可使流体的流逑墙大，两种流体呈逆流流淌，有利于传热.此换热器适用于高温，商压及小流吊流体间的换热,1.3 换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应依据设招的操作压力、操作温度，流体的腐饨性能以及对材料的制造工艺性Ife等的要求来选取，当然，最终还要考虑材料的经济合理性.一般为了满懑设备的操作压力和操作温度，即从设备的覆度或刚度的角度来考虑，是比较简洁达到的，但材料的耐腐烛性能，有时往往成为一个困难的问区.在这方面考虑不周.选材不妥,不仅会影响换热器的运用寿命.而息也大大提高设备的成本.至于材料的制造J1.艺性健，是与换热器的详细结构有着亲密关系.一般换热器常用的材料，有碳钢和不俯钢.(D碳削价格低,强度较高对减性介质的化学屣蚀比较稳定.很简洁被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的一般无缝纲管,其常用的材料为IO号和20号碳纲.(2)不锈钢奥氏体系不锈钢以1Cr1.8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不诙钢，有枪定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑：正方形排列便于机械清洗：同心圆排列用于小壳径换热冷，外网管布管匀称，结构更为紧凌。我国换热器系列中,固定管板式多采纳正三角形排列：浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。(2)管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的H的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa,设计温度不超过350C的场合。封头和管箱封头和管箱位T壳体两端，其作用是限制及安排管程流体.封头当亮体直径较小时常采纳封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接.封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，克径较大的换热器大多采纳管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆卜管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板当须要的换热面很大时，可采纳多管程换热落。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提而介质流速，增加传热.管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布身时应尽量使管程流体与壳程潦体成逆流布置，以增加传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路.1.4 管板式换热器的优点(1)换热效率高,热损失小在最好的工况条件E换热系数可以达到6000Wm2K,在一般的工况条件卜.，换热系数也可以在30004000W/m2K左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,全部通过设招的流体都能在板片水纹的作用卜.形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程，板式换热器的换热面枳仅为管壳式的1/31/4。(2)占地面积小重量轻除设备本身体积外，不须要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.60.8mm。同样的换热效果，板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3)污垢系数低流体在板片间猛烈翻腌形成湍流，优秀的板片设计避开了死区的存在，使得杂质不易在通道中沉枳堵塞，保证了良好的换热效果。(4)检修、清洗便利换热板片通过夹萦螂柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时，仅需松开夹紧螺柱即可卸卜.板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广设备最高耐温可达180-C1耐压2.OMPa,特殊适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面，在低品位热能回收方面，具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工Q>KM,365唯=32.53()037.44(m,)2.3工艺结构尺寸1 .管径和管内流速选用中25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速u=5.5mso2 .管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数NS=-=31505/(3600x994.3)=442,O.785×O.O22×5.5*按单程管计算，所需的传热管长度为1=42z,mi,n,3.I4×O.()25×44按单程管设计，传热管过长，宜采纳多管程结构。依据本设计实际状况，采纳非标设计，现取传热管长1.=7m,则该换热器的管程数为Np="%=6/7传热管总根数N1.=44X6=2643 .平均传热温差校正及壳程数R=吐O40-30p=40-30=0()9140-30按单壳程，双管程结构得：%=0.96平均传热温差Zn,=£抑“例=0.96X39=37.44C由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。4 .传热管排列和分程方法采纳组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采纳正方形排列。取管心距t=1.25cU则t=1.25X25=31.25*32ran隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式(3-16)计算S=t2÷6=322+6=22(三各程相邻管的管心距为44mm5 .壳体内径采纳多管程结构，取管板利用率n=0.75,则壳体内径为：D=1.05tyjN=1.05×32JiO4/0.75=4(X¼m11按卷制壳体的进级档，可取D=400mm6 .折流板采纳弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为：H=0.25×400=100m>故可Wh=100mm取折流板间距B=0.3D,则B=0.3×400=120mm,可取B为150mm。折流板数目N11=传热管长折流板间距7W0而=57.6582.4换热卷核算2.4.1. 热流核算(I)壳程表面传热系数用克恩法计算得：a,1.=0.36AReoQS5Pr%(K严d,当量直径:壳程流通截面积:=0.02，”矶s.=D(1.-)=450×400(1.-)=0.0096，32壳程流体流速及其田诺数分别为:5976/(3600x90)八，=-=0.2Im0.(X)96R嗤潸“侬普朗特数:rv3.297X10"X1.5XM1.,f0.0279It=1.773粘度校正:=Oj6Xx25185f1.,5×1.773×=925.5wm2K,0.02（2）管内表面传热系数:,=0.023RcPr,u1.管程流体流通截面积:,*764S1=0.785X0.022×z=00396管程流体流速:卫幽幽2）U0.0396Re=O.O2×1.3O6×9943/(0.742XIoT)=35002普朗特数:d4.I74×10j×0.742×I0sr=a,=0.023X0-624×35(M)2,×4.9604=5887卬/，/JI'0.02(3)污垢热阻和管壁热阻:管外侧污垢热阻R0=0.(XXMn2W管内侧污垢热阻R1=00006病-k/w管壁热阻按碳钢在该条件卜的热导率为50w(nK)o所以：R,=0.(XX)05,kw50(4)传热系数(：(5)传热面积裕度依式3-35可得所计算传热面积Ac为:该换热器的实际传热面积为ApA1,=血JNT=3.14×0.025×7×264=24J该换热器的面积裕度为：24-2020=16.1%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.4.2. 壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小。冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保牢靠，取循环冷却水进口温度为30C,出口温度为4(C计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温上升，降低/壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应当按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：式中液体的平均温度(和气体的平均温度分别计算为1.=O.4X39+0.6X15=24.6°C7；.,=(140+40)2=90C,-ai=5887w/IT1.7k*=,=925.5wm,k传热管平均壁温35.4C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90°C壳体壁温柔传热管壁温之差为/=9()-35.4=54.6'Co2.4.3. 换热器内流体的流淌阻力(I)管程流体阻力W=(Ap,+AOMN,EN,=1.,Np=2,p,=a4-42由Re=25185,传热管对粗糙度0.01,查莫狄图得大,=ON,流速u=0.55ms,p=994.3w所以：.,v,70.552×994.3A»,=O.(MX×2129.SPa''0.022、.pu1.9M.3×0.552.p,=iy-=3X=4>4P1.1.M1.=(2129.8+454)×2×1.5=7722/Vz7722/口小于100oO版所以：管程流体阻力在允许范围之内。换热器主要结构尺寸和计算结果见下表:换热器型式：IS定管板式换热器面枳m1);32.5工艺参数名称管理壳程物料名称循环水煤油操作压力,MPa0.!0.03操作温度.r30/4010/140流量,kg/h315055976流体密度，kgm,997.7825流速，m/s0.550.06传热量kw1038.8总传热系数，wm'k100对流,传热系数，wm,k5210494污垢系数，mtkw0.000210.00018阻力将.Pa6523012841程数41运用材料碳钢碳铜管子规格25×2管数120管长，mm7000管间矩.三32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，m11I200切口高度25%壳体内径，mm500保温层厚度，的项目数据项目数据壳径D(DN)500mm管尺寸25mmX2管程数NP(N)4管长1(1.)4.5m管数n144管排列方式正三角形排列中心排管数n,13管心距32mm管程流通面枳Si0.0125m2传热面积49.7m2结束语化工原理课程设计是培育个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本学问去解决某一设计任务的一次训练，也起着培育学生独立工作实力的重要作用。在换热器的设计过程中，我感觉我的理论运用于实际的实力得到了提升，主要有以下几点：(1)驾驭了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的实力：(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并留意到操作时的劳动条件和环境爱护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的实力：(3)培育了快速精确的进行工程计算的实力：(4)学会了用简洁的文字，清楚的图表来表达自己设计思想的实力。从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高,总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择小常重要.主要参考文献I化工原理天津高校化工原理教研室编天津：天津高校出版社.(1999)2换热器秦叔经、叶文邦等,化学工业出版社(2003)3化工原理(第三版)上、下册谭天恩、窦梅、周明华等,化学工业出版社(2006)4化工过程及设备设计华南工学院化工原理教研室(1987)5化工原理课程设计贾绍义等，天津高校出版社(2003)