列管式換熱器的設(shè)計-浮頭式換熱器講解

1、 i弋込呂鄉(xiāng)7QansuUniversity化工原理課程設(shè)計設(shè)計題目列管式換熱器的設(shè)計選型班級：生物工程專業(yè)2010級本科班指導(dǎo)教師：蔣玉梅李霽晰學(xué)生：賈滔設(shè)計時間：2012052520120602甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院二O一二年五月 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書11化工原理課程設(shè)計的重要性化工原理課程設(shè)計是學(xué)生學(xué)完基礎(chǔ)課程以及化工原理課程以后，進一步學(xué)習(xí)工程設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合運用化工原理和相關(guān)選修課程的知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計的實踐。通過這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握單元操作設(shè)計的基本程序和方法，熟悉查閱技術(shù)資料、國家技術(shù)標準

2、，正確選用公式和數(shù)據(jù)，運用簡潔文字和工程語言正確表述設(shè)計思想和結(jié)果；并在此過程中使學(xué)生養(yǎng)成尊重實際問題向?qū)嵺`學(xué)習(xí)，實事求是的科學(xué)態(tài)度，逐步樹立正確的設(shè)計思想、經(jīng)濟觀點和嚴謹、認真的工作作風(fēng)，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)的知識，獨立解決實際問題的能力。12課程設(shè)計的基本內(nèi)容和程序化工原理課程設(shè)計的基本內(nèi)容有：1、設(shè)計方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進行簡要的論述。2、主要設(shè)備的工藝計算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。3、輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備規(guī)格型號的選定。4、工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的

3、物料方向、物流量、主要測量點。5、主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。6、編寫設(shè)計說明書：可按照以下幾步進行：課程設(shè)計準備工作有關(guān)生產(chǎn)過程的資料；設(shè)計所涉及物料的物性參數(shù)；在設(shè)計中所涉及工藝設(shè)計計算的數(shù)學(xué)模型及計算方法；設(shè)備設(shè)計的規(guī)范及實際參考圖等。確定設(shè)計方案工藝設(shè)計計算結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝設(shè)計說明書封面：課程設(shè)計題目、學(xué)生班級及姓名、指導(dǎo)教師、時間。目錄設(shè)計任務(wù)書概述與設(shè)計方案的簡介設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表工藝設(shè)計計算輔助設(shè)備的計算及選型設(shè)計結(jié)果匯總表設(shè)計評述工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖參考資料主要符號說明以上即為我們在課程設(shè)計中所涉及的主要內(nèi)容。三列管式換熱器設(shè)

4、計內(nèi)容1確定設(shè)計方案（1）選擇換熱器的類型；（2）流程安排2確定物性參數(shù)（1）定性溫度；（2）定性溫度下的物性參數(shù)3估算傳熱面積（1）熱負荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量4工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排列和分程方法;（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、換熱器核算（1）傳熱能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動阻力四設(shè)計任務(wù)和操作條件某廠用井水冷卻從反應(yīng)器出來的循環(huán)使用的有機液。欲將6000kg/h的植物油從140C冷卻到40C,井水進、出口溫度分別為20C和4

5、0C。若要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa,試選擇合適型號的列管式換熱器。定性溫度下有機液的物性參數(shù)列于附表中。附表項目密度，kg/m3比熱，KJ/(kgC)粘度，mpas執(zhí)八、kJ導(dǎo)率，/(mC)植物油9502.2610.7420.172五主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（示例）根據(jù)設(shè)計結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器。浮頭蓋浮頭管板.7000六設(shè)計進度1.設(shè)計動員，下達設(shè)計任務(wù)書；搜集資料，閱讀教材，擬定設(shè)計進度1天；2設(shè)計計算（包括電算，編寫說明書草稿）2-3天；3繪圖2天；5整理，抄寫說明書1天；6設(shè)計小結(jié)及答辯1天。七設(shè)計成績評分體系考核成績分為五檔：優(yōu)秀（90-100分）、良好（80-8

6、9分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（V60分）。設(shè)計條件及主要物理參數(shù)條件1滿足生產(chǎn)工藝要求3經(jīng)濟上合理節(jié)約2操作維護及檢修方案4保證生產(chǎn)安全工藝設(shè)計計算某廠用井水冷卻從反應(yīng)器出來的循環(huán)使用的有機液。欲將6000kg/h的植物油從140C冷卻到40C,井水進、出口溫度分別為20C和40C。若要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa，試選擇合適型號的列管式換熱器。1確定方案選擇換熱器的類型浮頭式換熱器流程安排已知兩流體允許壓強降均不大于35kPa；兩流體分別為植物油和水。與植物油相比，水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速

7、度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)自來水走管程，而使植物油走殼程。2確定物性參數(shù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。殼程流體(植物油)的定性溫度為：T=(140+40)/2=90C管程流體(水)的定性溫度為：t=(40+20)/2=30C在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(冷卻水和植物油)的物性參數(shù)密度/(熄/m3)比熱容/(kJ/kgC)粘度/(Pas)導(dǎo)熱系數(shù)/(kJ/mC)植物油水950995.72.2610.742X10-30.1724.1740.801X10-30.6183估算傳熱面積(1)熱負荷Q=ms1Cp1(

8、T1-T2)=6000 x2.261x10-3x(140-40)/3600=376833w(2)平均傳熱溫差計算兩流體的平均傳熱溫差，暫時按單殼程、多管程計算。逆流時，我們有植物油：140C-40C井水：40C-20CAt二叨一縱二49.7CmIn(10020丿對逆流傳熱溫度差A(yù)t進行校正mtt21-T-T12140-40_10040-20_而40-2020T-T二二0.17R=T2140-20120t-121查表的屮=0.900.82，可行，所以修正后的傳熱溫度差為:t=AtX屮=0.90 x49.7=44.71Cmm冷卻水用量(忽略熱損失)QC(p222-t1)=376833.3x3600

9、/4.174xX103x(40-20)=16250kg/h初步選用025X2.5的碳鋼管，則管內(nèi)徑di=25-2.5X2=20mm管內(nèi)流速取u=1m/s,從管內(nèi)體積流量i為：vi=n(n/4)X0.022X1X3600=16250/995=16.32m3/h解得n=i5參照列管換熱器中K值的大致范圍，根據(jù)兩流體的具體情況，初步選定總傳熱系數(shù)K=300W/m2C傳熱面積：A二n兀dL=376833.3/(300X44.71)=28.1m2可以求得單程管長L=28.1/(15X3.14X0.025)=23m若選用6m長的管，需要4管程，則一臺換熱器的總管數(shù)為4X16=64根.查化學(xué)工業(yè)出版社第三版

10、化工原理附錄十九，可以初步確定換熱器的主要參數(shù)見下表項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)殼徑D(DN)400mm管尺寸025mmX2.5mm管程數(shù)Np(N)4管長6m官數(shù)n68管排列方式正方形斜轉(zhuǎn)45。中心排管數(shù)nc9管心距32mm管程流通面積Si0.0053m2公稱傳熱面積31.6m2殼程數(shù)1折流擋板數(shù)圓缺型3.1對表中的數(shù)據(jù)進行核算：每程的管數(shù)n1=n/Np=684=17,管程流通面積si=(n/4)X0.022X17=0.005338m與表中的數(shù)據(jù)0.0053m?很相符。傳熱面積A=nd0Ln=3.14X0.025X6X68=32.028m?稍大于表中31.6m,這是由于管長的一部分需用于在管板上固定管子，

11、應(yīng)以表中的值為準。換熱管是正方形斜轉(zhuǎn)45。，中心排管數(shù)nmn=1.19X689c3.2阻力損失的計算3.2.1.管程m16250.598流速u=s2=0.855m/siP-A995.7X3600 x0.0053雷諾數(shù)Re.=0.855x995.7x0.02=211851p0.801x10-3可知管內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)摩擦系數(shù)取鋼管絕對粗糙度=0.1mm，得相對粗糙度/d=0.005Re.=21185查入-Re可得入.=0.0315所以P.二入.L(u2p.)/2=0.0315X6X0.8552X995F0.02F2=3436Pad.11iPr=3X(u2p.)/2=3X0.8552X9952=1

12、091Pai則管程內(nèi)總壓降為：為Pt=(P.+Pr)FtNsNp=(3436+1091)X1.4X1X4=21513.9PaV35kPa故殼程的壓降滿足題目中的要求322殼程取折流擋板間距為h=0.15m計算截面積So=h(Dnd)=0.15x(0.4-9x0.02)=0.026c0計算流速u0=3600 xZ0.026彳0671雷諾數(shù)的計算Re=UPd0=0.025X0.067X9500.000742=21590P摩擦系數(shù)f=匹=o.860Re0.228Re。500則折流擋板數(shù)NB=-1=60.15-1=39h于是P1=Ff0n(Nb+D(2)=0.4X0.86X9X(39+1)X950X0

13、.0672-F2=266.7PaP2=NB(3.5-萬)(u02p)/2=39X(3.5-則殼程損失LPs=(P1+P2)FsNs=即殼程的壓降也滿足題意晉)(950“0672)/2=228.琢(266.7+228.68)x1.15x1=569.6V35KPa綜上核算初步認為所選的換熱器適用3.3.計算總傳熱系數(shù)3.3.1.管程傳熱系數(shù):Re=21256.52icu4.174x103x0.801x10-3Pr=1二二5.375i九i0.618a=0.023才(Re)0$(Pr)0.4=0.023XG2)x34360 x5.3570.4=4040w/m2-ki3.3.2.殼程傳熱系數(shù)：對圓缺型折

14、流板：用科恩法計算九1a=o.360RePr30d0ea(亠)04aw管心距：t=1.25d=0.032o當量直徑d，由正方形排列得e兀3144(t2-d2)4(0.0322-x0.0252)d二=4=0.027me兀d0殼程流通截面積A=hDQ-紜)=0.15x0.4x(1-025)=0.013mt00323.14x0.02560003600 x950 x0.013=0.134dupRe二-o-0a=0.027x0.134x950二46320.742x10-3Pr002.261x103x0.742x10-30.172二9.754a由于殼程流體被冷卻，所以?。ㄉ隙?4=0.95，于是殼程流體

15、的對流傳熱系數(shù)a為TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Current Document a0w九丄a0172丄a二0.36xRe0.55Pr3（0）二0.36xx4666.780.55x9.7543x0.95二485.15w/m2-k0da0.027ew3.3.3污垢熱阻的選擇根據(jù)污垢熱阻的大致范圍表查得管程井水3.3.4總傳熱系數(shù)R=0.00058m2C/Wsi殼程植物油R=0.00018m2C/Ws0Q管程對流傳熱系數(shù)iQ殼程對流傳熱系數(shù)od。一換熱管外徑d換熱管內(nèi)徑iTOC o 1-5 h zk0=dd-1Sio+Ro+R+adsidsoaiii

16、o25251=“（4040020+0.亦10-3x-+0.淼10-3+歸）=324.1W/m2k在初選換熱器型號時，要求換熱過程的總傳熱系數(shù)為300w/m2k，通過核算，知道該型號換熱器在規(guī)定的流體流動條件下，所能提供的總傳熱系數(shù)為324W/m2k,與選擇的相差不大，故所選換熱器是合適的。3.4核算傳熱面積由以上的計算數(shù)據(jù)，代入下面的公式，計算傳熱面積:QkAt0mTOC o 1-5 h z376833“=26m2324044.7“八31.6-26“/z與換熱器列出的傳熱面積A=31.6比較有X10000=17.70：的裕度，從阻力損失和傳31.600熱面積來看所選的換熱器適用。四.工藝設(shè)計計

17、算管徑和管內(nèi)流速選用25X2.5的不銹鋼管，管長6m,速取ui=1m/s管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和流速，可以確定單程管根數(shù):16250.598/995.7-ii4314x0.022x0.8554按單程計算，所需傳熱管的長度是:L二兀dn23.053.14x0.02x17=21.59m若按單程管計算，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長l=6m，則該傳熱管程數(shù)為:L2159N二一二一.一二3.59沁4（管程）pl6則傳熱管的總根數(shù)為：N=NXn=4X17=68（根）ps4.3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)由前面的計算已求得，按單殼程、多管程計算，逆流時:At（140-40）-（40-

18、20）=49代而此時,I140-40ln40-20我們有：t一tP二T1Tt11TT14040R=T2=5t一t40一20212由屮二屮（P,R）函數(shù)公式可得：屮At=0.900.82，所以，修正后的傳熱溫度差為:At=At屮=49.7X0.9=44.7CmmAt于是，校正后的平均傳熱溫差是44.7C，殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為4。4.4.換熱管選型匯總通過查表，可以發(fā)現(xiàn)下面的結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器和所需的比較接近，故而選擇該種換熱器:DN,mm400管程數(shù)4殼程數(shù)1管子規(guī)格25x2.5管子根數(shù)68中心排管數(shù)9管程流通面積，m20.0053換熱面積，m231.6換熱器長度，mm6000換熱管傳熱管排列和

19、分程方法管子在管板上的排列方式最常用的為圖4-1所示的（a）、（b）、（c）、（d）四種，即正三角形排列（排列角為30）.同心圓排列、正方形排列（排列角為90）.轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45）。當管程為多程時，則需采取組合排列，圖1-10為二管程時管小組合排列的方式之一。正方形斜45C管子在管板上的排列方式和組合排列示意圖隔板中心到離其最近的一排管中心的距離S=t/2+6=22mm接管殼程流體進出口時接管取接管內(nèi)植物油流速為u=O.lm/s則接管內(nèi)徑為：4V4x6000/(3600 x950)d=0.021mmu3.14x1.0所以，取標準管的內(nèi)徑為20mm。管程流體進出口時的接管取接管內(nèi)循環(huán)

20、水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑：4x16250.60/(3600 x995.7)d=0.062m3.14x1.5取標準管徑為60mm。壁厚的確定、封頭查GB151-99P21表8得圓筒厚度為：8mm查JB/T4737-95,橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即8mm五換熱器核算5.1核算壁溫因管壁很薄，且管壁阻力很小，故管壁溫度可用m+m計算，按最不利情況考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫，于是t=0.4x40+0.6x5=25CmT1T=(140+40)=90Cm2a=4034.708w/m2-kia=485.15w/m2-k0因此，傳熱平均壁溫9025+t=4034.89485.15

21、=3198C+4034.89485.15殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度即T=90C殼體的壁溫和傳熱平均壁溫之差為At=90-31.98=58.02C該溫差較大，故所需溫度補償裝置。5.2核算壓力降因為殼程和管程都有壓力降的要求，所以要對殼程和管程的壓力降分別進行核算。5.2.1管程壓力降管程壓力降的計算公式為：工Apt=(Ap+Ap)NNFtirspAp.1單程直管阻力Apr局部阻力Ns-殼程數(shù)1Np管程數(shù)Ft管程阻力結(jié)垢校正系數(shù)取1.4Pt管程總阻力=211850.02x0.855x995.7Rei=0.801x10-3可知管內(nèi)流體為湍流。取管壁粗糙度=0.1mm,相對粗糙度為匕=0

22、.1=0.005d20i查九-Re關(guān)聯(lián)圖得摩擦因數(shù)九=0.0315所以Ap=九ilpu2d二0-0315X為X5-7X0.85522=3436pa=1091pa.-pu2995.7x0.8552Ap=3=3xr22則工Ap二(Ap+Ap)NNFtFt=(3436+1091)x1x4x1.4tirsp=21513.9Pa35kpa5.2.2殼程壓力降由于殼程流體的流動狀況比較地復(fù)雜，所以計算殼程流體壓力降的表達式有很多，計算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計算殼程壓力降：工Ap=(Ap+Ap)FsNss12Api流體橫過管束的壓力降，Pa；Ap?流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs殼程壓力降的垢

23、層校正系數(shù)，無因次，對于液體取1.15，對于氣體取1.0；Ns殼程數(shù)；而Ap=Ffn(N+1)卑a10cB2Ap=N(3.5-2h)2BD2F管子排列方法對壓力降的校正系數(shù)，對正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，F(xiàn)=0.4,殼程流體的摩擦系數(shù)，當Re500時，fo二5(Re)-o.228on橫過管束中心線的管子數(shù)cn二1.19*nch折流擋板間距，mNB折流擋板數(shù)D殼徑，md換熱器外徑，mo按殼程流通截面積S計算的流速，而A=h(D-ncdo)=0026m2Nb傳熱管長折流板間距-1二39代入數(shù)值得:A=h(D-nd)=0.15(0.4-9x0.025)=0.026m2c06000u=0.06703600

24、x950 x0.026dupReoo-0P0.025x0.067x9500.00074221590.86120Reo.228224O.56o.228ApFfn(N+1)PUZ=0.4X0.8612X9X40X950X10cB20.0672=266.7paAp2N(3.5-2h)PU=39X(3.5-BD22x0.150.4950 x0.0722=228.68Pa工Ap(Ap+Ap)FsNs=1.15X1X(266.7+228.68)=569Pa35kpas12經(jīng)過以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表參數(shù)管程殼程進、出口溫度，。c20/40140/40流量

25、，kg/h162506000物性物性溫度，c3090密度，kg/m3995.7950定壓比熱容，kJ/(kgC)4.1742.261粘度，mpa-s0.8010.742熱導(dǎo)率，W/mk0.6180.172普朗特常數(shù)5.3759.754結(jié)構(gòu)參數(shù)型式浮頭換熱器殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm400臺數(shù)1管徑，mm025x2.5管心距，mm32管長，m6管子排列方式正方形斜轉(zhuǎn)45管子總數(shù)68折流板數(shù)，個39公稱傳熱面積，m231.6折流板間距，mm150管程數(shù)4折流板形式圓缺型主要計算結(jié)果管程殼程流速，m/s0.8550.134污垢熱阻，m2-k/W0.000580.00018傳熱膜系數(shù)w/m2-k40404

26、85.15阻力損失Mpa21.5130.569熱負荷，KW376.83傳熱溫差，c44.7傳熱系數(shù)，W/m2-k324裕度/%17.7符號說明英文字母物理意義英文字母物理意義B圓缺高度mRe雷諾數(shù)d管徑mS傳熱面積m2D殼徑mt冷流體溫度，管心距f摩擦系數(shù)T熱流體溫度CF系數(shù)u流速m/sh折流板間距ms質(zhì)量流量kg/hk總傳熱系數(shù)a對流傳熱系數(shù)L管長A有限差值m程數(shù)入熱導(dǎo)系數(shù)w/mkn指數(shù)，管數(shù)粘度pa-snb折流板數(shù)P密度kg/m3N努賽爾準數(shù)申校正系數(shù)P壓力i管內(nèi)Pr普朗特準數(shù)o管外N程數(shù)，管數(shù)s污垢q流誦量w/m2Cp比熱容kJ/(kgC)Q傳熱速率wr半徑mR熱阻m2C/W設(shè)計評述在化

27、工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的