列管式換熱器的設(shè)計(jì)及其選用

1、食品工程原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器設(shè)計(jì)及其選用姓 名：所屬學(xué)院：專 業(yè)：班 級(jí)：指導(dǎo)老師：日 期：換熱器作為化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)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。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。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

2、的換熱器。其中，列管式換熱器作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，也是最典型的間壁式換熱器，在許多工業(yè)部門被大量采用。由于它是把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此，這 種換熱器也稱為管殼式換熱器。它主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流 體在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程，管束的壁面即為 傳熱面，同時(shí)為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)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(cuò)流通過管束，使 湍流程度大為增加。列管式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可

3、選用的結(jié)構(gòu)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， 從而使得它在各種換熱設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)作用，并在換熱器不斷發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來(lái)。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（50C以上）時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形， 甚至彎曲或破裂，因此在不同設(shè)備不同條件下選擇換熱器時(shí)，必須考慮這種熱膨脹的影響。緒論-1 -目錄-1 -第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 -3 -第二章 確定設(shè)計(jì)方案 -3 -2.1列管式換熱器分類 -3 -2.2選擇換熱器的類型 -5 -2.3管程安排-5 -第三章確定物性

4、數(shù)據(jù) -6 -第四章估算傳熱面積 -6 -4.1熱流量-6 -4.2平均傳熱溫差 -6 -4.3傳熱面積-7 -4.4冷卻水用量-7 -第五章工藝結(jié)構(gòu)尺寸 -7 -5.1管徑和管內(nèi)流速-7 -5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) -7 -5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) -8 -5.4 傳熱管排歹U和分程方法 -8 -5.5其他附件-9 -5.6 接管-9 -第六章?lián)Q熱器核算 -10-換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果:錯(cuò)誤！未定義書簽結(jié)論-11 -參考文獻(xiàn)：-11 -第一章設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件某生產(chǎn)過程的流程如圖所示。反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將 其從110C進(jìn)一步冷卻至60C之后，進(jìn)入吸收塔

5、吸收其中的可溶性組分。已知混合氣體的流量 為227301kg h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為29C,出口的溫度為39C，試設(shè)計(jì)一列管式換熱器，完成生產(chǎn)任務(wù) 物性特征：混合氣體在35C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）密度：-1 =90 kg. m3定壓比熱容Cp1 =3.29kJ /(kg. C)熱導(dǎo)率: = C C .? w/ m粘度叫=1.51-5(Pi s循環(huán)水在34C下的物性數(shù)據(jù):密度=994.3 kg. m3定壓比熱容 Cp1= 4.1 7 4J / kg. C)熱導(dǎo)率 1 = 0.624 w. mLK 粘度叫丸.742 10

6、9;PaLs第二章設(shè)計(jì)方案2.1列管式換熱器的分類根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求，介紹幾種 常見的列管式換熱器。1. 固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上， 它的結(jié)余構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)式殼測(cè)清洗困難， 所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí), 用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。圖1-1 固定管板式換熱器1折流檔板 2管束 弓一売體 4 一封頭 5接管 呑一管板2. U型管換熱器U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

7、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(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間 清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低； 管束最內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高。此外，其造價(jià) 比管定管板式高10%左右。圖12 U型管式換熱器3. 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼 體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器

8、的優(yōu)點(diǎn)是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在， 殼體或環(huán)熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間 的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生 泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。2圖13浮頭式換熱器1-殼蓋2固定管扳3-隔扳4-浮頭鉤圈法蘭5浮動(dòng)管板6浮頭蓋4. 填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填 料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱 器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從 殼體內(nèi)抽出，管

9、內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通 過填料函外樓，對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。圖1-4填料函式換熱器1 一活動(dòng)管板2填料壓蓋3填料4填料函5縱向隔板2.2選定換熱器的類型兩流體溫度的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 110C，出口溫度60C ;冷流體進(jìn)口溫度29C, 出口溫度39C，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因 素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2.3管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較 易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)

10、速度，使換熱器的熱流量下，所以從總體考慮，應(yīng) 使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。第三章相關(guān)物性數(shù)據(jù)的選定定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼 程混和氣體的定性溫度為110 60T= 2=85C管程流體的定性溫度為3929t= 2-34根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)混合氣體來(lái)說(shuō)，最可靠的無(wú)形數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)值。若不具備此條件，則應(yīng)分別查取混合無(wú)組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，然后按照相應(yīng)的 加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)。混和氣體在85C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：密度幾=90kg,m3 定壓比熱容Cp仁3.29kJ /（kgC）

11、 熱導(dǎo)率. w/m粘度"1 1.5 10 呂 PaLs循環(huán)水在34 C下的物性數(shù)據(jù)：密度 A = 994.3 kg. m3定壓比熱容Cm =4.174jkgLC） 熱導(dǎo)率二 L，.： -w/ m粘度 f =0.742 10”PaLs第四章傳熱面積的物理量計(jì)算4.1熱流量Q = m1cpr 11=227301X 3.29X (110-60)=3.75x 10 7KJ/h =10416.66kw4.2平均傳熱溫差先按照純逆流計(jì)算，得:(110_39)_(6°_29)=48.3Kin960 -294.3傳熱面積為求得傳熱面積A，需先求出傳熱系數(shù)K，而K值又與給熱系數(shù)、污垢熱阻等有

12、關(guān)。在換 熱器的直徑、流速等參數(shù)均未確定時(shí)，給熱系數(shù)也無(wú)法計(jì)算，所以只能進(jìn)行試算。假設(shè) K=340W/（ m2 k）則估算的傳熱面積為Q、 10416.66x10"上一二二 674刖畑椎 320x48.34.冷卻水用量10416.66x10川 =2醴陰 e 二 898560/ hm汕=- i'M dii" - |"'Q第五章工藝結(jié)構(gòu)中主要的尺寸計(jì)算5.1管徑和管內(nèi)流速選用25X 2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u仁1.4m/s 5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Ns=898560/(3600x994.3)0.78

13、5x0.02axl.3= 612第-12 -頁(yè)共12頁(yè)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為4L=6743.14x0.025x612按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取 傳熱管長(zhǎng)l=7.5m，貝U該換熱器的管程數(shù)為N L =2（管程）p I 7傳熱管總根數(shù)Nt=612 X 2=1224（根）5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)有-T2110-60R5t2 -ti39-29t2 - t1T1 - X39 -2911029= 0.124按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，化工原理(第三版)化學(xué)工業(yè)出版社出版查圖5-19 (a),得' -0.96平均傳熱溫

14、差"m = ' - '：tm逆 =0. 9 6 4 8. 3 4 6. 42由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.9,殼程流體流量又較大，所以選取單殼程合適5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列取管心距t=1.25d0,則t=1.25X 25=31.25" 32(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離計(jì)算：S=t/2+6=32/2+6=22 mm各程相鄰管的管心距為44伽。，化學(xué)管數(shù)的分成方法，每程各有傳熱管612根，其前后關(guān)鄉(xiāng)中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按 工業(yè)出版社出版，化工原理(第三版)圖3-14選取。5.5

15、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑的估算中，取管板利用率n =0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1 05t阿萬(wàn)二1.0%艾Ji勿而5 = 135加犧按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取 D=1400mm5.6折流板采用圓缺折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25X 1400=350mm，故可 取 h=350mm取折流板間距B=0.3D，貝UB=0.3 X 1400=420mm,可取 B 為 450mm。折流板數(shù)目傳熱管長(zhǎng)NB=折流板間距7000-11 =14.5 : 14450折流板圓缺面水平裝配。5.7其他附件由于本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，則拉桿直徑選取 16,拉桿數(shù)量不

16、得少于8 殼程入口處，設(shè)置防沖擋板，5.8接管D=4x227301/(3600x90)=0.2993.14x10殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為 u1 =10m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為310mmD2 =4x898560/(3600x994 3)344x2.5管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速 u2 =2.5m/s，則接管內(nèi)徑為= 0 358圓整后去管內(nèi)徑為360mm第六章?lián)Q熱器核算換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表:數(shù)參程 管a409物性3488m 創(chuàng) / 密99- - ? kg z(923O1X £1率 熱數(shù) 特 朗 普6.94設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)式 浮數(shù) 程 殼1O4011血®/管32m 管O007列三 子 管422141m2 / 積 面 熱 傳6450數(shù) 程 管2質(zhì) 材岡 ¥ 碳*程 管S) mm z( / 速 流.9- - k ? z(7000055529k ?90w /K 量 流 熱3- - K ? m2 z(4/% 度 裕我們組設(shè)計(jì)的是浮頭式換熱器，通過查相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際要求按照常規(guī)設(shè)計(jì)的方法 與步驟，根據(jù)設(shè)計(jì)取殼體的內(nèi)徑為 1400mm,傳熱管長(zhǎng)7m,傳熱管總根數(shù)1224根，單殼程雙 管程的換熱器。其它尺寸可直接查得。經(jīng)校核后符合設(shè)計(jì)要求。由于該工藝計(jì)算較為繁瑣，所 以只