列管式換熱器課程設計

1、<p>　　化工原理課程設計說明書</p><p>　　列管式換熱器的選用和設計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 化工原理課程設計任務書</p><p><b>　　2 設計概述</b></p><p>　　3 換熱器

2、方案的確定</p><p>　　3.1 確定設計方案</p><p><b>　　3.2確定物性數據</b></p><p>　　3.3 計算總傳熱系數</p><p><b>　　4 計算換熱面積</b></p><p><b>　　5 工藝結構尺寸</b&

3、gt;</p><p>　　5.1 管徑和管內流速</p><p>　　5.2 管程和傳熱管數</p><p>　　5.3 平均傳熱溫差校正及殼程數</p><p>　　6 傳熱管的排列和分程方法</p><p><b>　　7 換熱器核算</b></p><p>　　8

4、 換熱器的主要結構尺寸和計算結果表</p><p><b>　　9 設計評述</b></p><p><b>　　10 參考資料</b></p><p><b>　　11 主要符號說明</b></p><p><b>　　12 特別鳴謝</b></p

5、><p>　　1化工原理課程設計任務書</p><p>　　欲用自來水將2.3萬噸/年的異丁烯從300℃冷卻至90℃，冷水進、出口溫度分別為25℃和90℃。若要求換熱器的管程和殼程壓強降不大于100kpa，試選擇合適型號的列管式換熱器。假設管壁熱阻和熱損失可以忽略。</p><p><b>　　概述與設計方案簡介</b></p>&l

6、t;p><b>　　換熱器的類型</b></p><p>　　列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>　　其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅

7、固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。</p><p>　　列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可

8、能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p><b>　　2.1換熱器</b></p><p>　　換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。</p><p>　　按用途它可分為加熱器、冷

9、卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。</p><p>　　間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。</p><p>　　直接接觸式換熱

10、器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。</p><p>　　蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷

11、流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。</p><p>　　工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。</p><p>　　緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。</p><p>

12、　　管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。</p><p>　　使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安

13、裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。</p><p><b>　　2.2設計方案簡介</b></p><p>　　2.2.1 換熱器類型的選擇</p><p>　　根據列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。以下根據本次的設計要求，介紹幾種常見的列

14、管式換熱器。</p><p>　　1． 固定管板式換熱器</p><p>　　這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質的泄漏。</p&

15、gt;<p><b>　　2.U型管換熱器</b></p><p>　　U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產生溫差應力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，

16、故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，因而報廢率</p><p>　　較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。</p><p>　　3. 浮頭式換熱器</p><p>　　浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點是黨環(huán)熱管與殼體間

17、有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可以從殼體內抽搐，便與管內管間的清洗。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質的混合。</p><p><b>　　4.填料函式換熱器</b></p><p>　　填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密

18、封。管束可以自由伸縮，不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料</p><p>　　函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；</p><p>　　管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。</p><p>　　2.3.

19、1換熱器類型的選擇 </p><p>　　所設計換熱器用于冷卻果漿，果漿粘度較大，易結垢，易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗，且果漿走殼程也方便散熱，與冷卻介質溫差較大，也避免產生溫差應力產生管道變形。綜上所述，換熱器選擇浮頭式，果漿走殼程。</p><p>　　2.3.2流徑的選擇 </p><p>　　在具體設計時考慮到盡量提高兩側傳熱系數

20、較小的一個，使傳熱面兩側傳熱系數接近；在運行溫度較高的換熱器中，應盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。</p><p><b>　　參考標準：</b></p><p>　　不潔凈和易結垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。</p><p>　　腐蝕

21、性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。</p><p>　　壓強高的流體宜走管內，以免殼體受壓，其中冷卻介質循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。</p><p>　　飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數與流速關系不大。</p><p>　　被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。</p>&l

22、t;p>　　需要提高流速以增大其對流傳熱系數的流體宜走管內，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。</p><p>　　粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數。</p><p>　　若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳

23、熱膜系數較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。</p><p>　　綜合考慮以上標準，確定果漿應走殼程，水走管程。</p><p>　　2.3.3流速的選擇</p><p>　　表2-2 換熱器常用流速的范圍</p><p>　　由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱

24、系數增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。故擬取循環(huán)水流速為1.4m/s。</p><p>　　2.3.4材質的選擇</p><p>　　列管換熱器的材料應根據操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。</p><p>　　目前 常用

25、的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。</p><p><b>　　2.3.5管程結構</b></p><p>　　換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。</p><p>　　(a) 正方形直列 

26、;   （b）正方形錯列    (c) 三角形直列 </p><p>　　（d）三角形錯列  （e）同心圓排列 </p><p>　　正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。

27、 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。</p><p>　　2.3.6殼程結構與相關計算公式</p><p>　　介質流經傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內的結構，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內對各種元件的設置形式亦不同，以此來滿足設計的要求。各元

28、件在殼程的設置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側介質對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設備的傳熱效果而設置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護列管而設置的支承板、管束的導軌以及緩沖板等。 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用

29、復合金屬板。 介質在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應用最為普遍。如殼側傳熱膜系數遠小于管側，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 殼體內徑D取決于傳熱管數N、排列方式和管心距t。計算式如下： 單管程 D=t(nc-1)+(2~3)d0式中</p><p>　　殼體內徑D的計算值最終應圓整到標準值。

30、在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內徑之比)通常為20％~50％。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷

31、凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 殼程流體進出口的設計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴大，即將接管做成喇叭

32、形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進口處設置擋板。</p><p>　　3 換熱器設計方案的確定</p><p><b>　　3.1確定設計方案</b></p><p>　　選擇換熱器類型：浮頭式換熱器</p><p>　　流經的選擇：異丁烯走殼程，自來水走管程</p><p>　　管程循環(huán)水流速取

33、1.2m/s</p><p><b>　　材質：不銹鋼</b></p><p>　　管徑：φ25*2.5mm</p><p><b>　　3.2確定物性數據</b></p><p>　　定性溫度：異丁烯 水</p><p>　　異丁烯（195℃）

34、 </p><p>　　水（57.5℃） </p><p>　　3.3計算總傳熱系數</p><p>　　3.3.1熱流量（對異丁烯）</p><p>　　3.3.2平均傳熱溫差：</p><p>　　3.3.3冷卻水用量（忽略熱損失）</p><p>　　3.3.4總傳

35、熱系數K（取流速) </p><p><b>　　其中 </b></p><p><b>　　管程：</b></p><p>　　對流傳熱系數 （其中被加熱介質n=0.4) 、）</p><p><b&

36、gt;　　‘</b></p><p><b>　　污垢熱阻 </b></p><p><b>　　4.1計算換熱面積</b></p><p><b>　　5.工藝結構尺寸</b></p><p>　　5.1管徑和管內流速</p><p>

37、　　選用較高級冷拔傳熱管（不銹鋼）</p><p><b>　　取管內流速 </b></p><p>　　5.2管程和傳熱管數 </p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p><p>　　取管長為3m則（管程）</p><p><b>　　則傳熱管數總根數&l

38、t;/b></p><p>　　5.3平均傳熱溫差校正及殼程數</p><p>　　平均溫差校正系數計算如下：</p><p>　　但R=8.6的點很難在圖上讀出，因而以相應1/R代替R，PR代替P，按單殼程，雙管程結構，查表知</p><p><b>　　平均傳熱溫差 </b></p><p&

39、gt;　　由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　6.傳熱管的排列和分程方法</p><p><b>　　6.1殼體直徑</b></p><p>　　取管板利用率則殼體直徑為</p><p>　　計算的到的殼體直徑應按換熱器的系列標準進行圓整。殼體直徑經常用的標準有

40、159mm、273mm、400mm、500mm、600mm、800mm等。根據以上標準可取D=273mm。</p><p>　　6.2折流板 采用弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為，故可取h=70mm。</p><p><b>　　取折流板間距，則</b></p><p><b>　　個</b>

41、</p><p><b>　　6.3接管 </b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為，則接管內徑為</p><p>　　，圓整后可取管內徑為30mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內流體流速為 ，則接管內徑為</p><p>　　，圓整后可取管內

42、徑為40mm。</p><p><b>　　7.換熱器核算</b></p><p><b>　　7.1傳熱面積校核</b></p><p>　　7.1.1管程傳熱膜系數核算。</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p>　　管程流

43、體流速和雷諾數分別為</p><p><b>　　普朗特數 </b></p><p><b>　　管程傳熱膜系數 </b></p><p>　　7.1.2殼程傳熱膜系數核算。</p><p>　　管子按正三角形排列，傳熱當量直徑為</p><p><b>　

44、　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼體流體流速及其雷諾數分別為</p><p><b>　　普朗特數</b></p><p><b>　　黏度校正</b></p><p><b>　　則殼程傳熱膜系數</b></p><p>　　

45、7.1.3污垢熱阻和管壁熱阻。</p><p>　　查表知，管外側污垢熱阻，管內污垢熱阻</p><p>　　。已知管壁厚度為，不銹鋼在此條件下的熱導率為17.4W/m·℃。</p><p>　　7.2總傳熱系數K。</p><p><b>　　7.3傳熱面積校核</b></p><p>

46、;<b>　　實際傳熱面積</b></p><p>　　換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　7.4換熱器內壓降的核算</p><p><b>　　7.4.1管程阻力</b></p><p>　　由，傳熱管相對粗糙度0.005，參考圖雙對數坐標圖得

47、，流速，，所以</p><p>　　小于10KPa,管程流體阻力在允許范圍之內。</p><p><b>　　7.4.2殼程阻力</b></p><p><b>　　按下式計算</b></p><p><b>　　，其中</b></p><p><

48、b>　　流體流經管束的阻力</b></p><p><b>　　，，</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p><b>　　，其中 ，</b></p><p><

49、b>　　則</b></p><p><b>　　總阻力 </b></p><p>　　8、換熱器的主要結構尺寸和計算結果表</p><p><b>　　9. 設計評述</b></p><p>　　本設計所有參數經反復核算，保證各參數均在設計要求之內，準確可行。殼程流體流速=1.5

50、m/s，流體雷諾數=2769。管程流體流速=0.306m/s，流體雷諾數Rei </p><p>　　=12008>4000。管程流體流動方式為湍流，能夠較好的達到換熱的要求。</p><p>　　考慮到果漿產品的衛(wèi)生要求，為減少果漿的污染，換熱器材質選用不銹鋼材料。每程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。正三角形排列結構緊湊，正方形排列便于機械清

51、洗。該換熱器的面積裕度H=19％在15％-25％之間，則所設計換熱器能夠完成生產任務。管程流動阻力為25.85Kpa，25.85<30 Kpa在允許范圍之內；殼程流動阻力為1794.15pa，2491.3pa<100 Kpa也允許范圍之內，比較適宜。</p><p><b>　　10 .參考資料</b></p><p>　　1 《化工原理課程設計》賈紹義

52、 柴誠敬，天津大學出版社 2003年6月第二次印刷</p><p>　　2 《化工物性算圖手冊》劉光啟 馬連湘 邢志有主編 化工出版社出版 2002年1月</p><p>　　3 《化工原理（第二版）》上冊 天津大學化工學院柴誠敬主編 2010年5月 高等教育出版 </p><p><b>　　社</b></p><p

53、>　　《物理化學（第五版）》上冊 傅獻彩 沈文霞 姚天揚 侯文華 高等教育出版2005年</p><p>　　11. 主要符號說明</p><p><b>　　英文字母</b></p><p>　　B——折流板間距，m；C——系數，無量綱；d——管徑，m；D——換熱器外殼內徑，m；f——摩擦系數；F——系數；h——圓缺高度，

54、m；K——總傳熱系數，W/(m2·℃)；L——管長，m；m——程數；n——指數； 管數； 程數；N——管數； 程數；NB——折流板數；Nu——努塞爾特準數；P——壓力，Pa； 因數；Pr——普蘭特準數；q——熱通量，W/m2；Q——傳熱速率，W；r——半徑，m；氣化潛熱，kJ/kg；</p><p>　　R——熱阻，m2·℃/

55、W； 因數；e——雷諾準數；</p><p>　　S——傳熱面積，m2；t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　管心距，m；T——熱流體溫度，℃；u——流速，m/s；W——質量流量，kg/s，V——體積流量，m3/s。希臘字母α——對流傳熱系數，W/(m2·℃)；Δ——有限差值；λ——導熱系數，W/(m·℃)；</p>&

56、lt;p>　　μ——粘度，Pa·S；ρ——密度，kg/m3；ψ——校正系數。下標c——冷流體；h——熱流體；i——管內；m——平均；o——管外；s——污垢。</p><p><b>　　12.特別鳴謝</b></p><p>　　感謝老師的細心指導。</p><p>　　感謝各位同學的討論和幫助。</p&