列管式換熱器設(shè)計(jì)

新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院PAGE14-新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書院（系）名稱化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)名稱化學(xué)工程與工藝年級(jí)13-4班學(xué)生姓名石艷萍2015年1列管式換熱器設(shè)計(jì)石艷萍摘要：換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。列管式換熱器（又稱管科時(shí)換熱器）是應(yīng)用最廣泛的間壁式換熱器。列管式換熱器主要有殼體、管束、折流擋板、管板和封頭等部分組成。管束兩端固定在管班上，管板外是封頭，供管程流體的進(jìn)入和流出，保證各管中的流動(dòng)情況一致。常用的折流擋板有圓缺型和圓盤型兩種，圓缺型擋板應(yīng)用最廣泛。關(guān)鍵字：乙醇水溶液；列管式換熱器；設(shè)計(jì)目錄1.換熱器設(shè)計(jì)任務(wù) -1-1.1列管式換熱器按不同方式的不同分類 -1-1.1.1固定管板式 -1-1.1.2U形管式 -1-1.1.3浮頭式 -1-1.2列管式換熱器的選用及設(shè)計(jì)原則 -1-1.2.1形式與結(jié)構(gòu)的選定 -1-1.2.2管程和殼程的確定 -2-2.確定設(shè)計(jì)方案 -3-2.1選擇換熱器的類型 -3-2.2流動(dòng)空間及流速的確定 -4-3．確定物性數(shù)據(jù) -4-4.計(jì)算總傳熱系數(shù) -4-4.1T2的計(jì)算 -4-4.2平均傳熱溫差 -5-4.3管程傳熱系數(shù) -5-4.4傳熱面積的計(jì)算 -6-4.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸 -6-4.5.1管徑和管內(nèi)流速 -6-4.5.2管程數(shù)和傳熱系數(shù) -6-4.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) -6-4.5.4傳熱管排列和分程方法 -6-4.5.5殼體內(nèi)徑 -7-4.5.6折流板 -7-4.5.7接管 -7-4.6換熱器核算 -7-4.6.1熱量核算 -7-4.6.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 -9-列管式換熱器圖 -10-列管式換熱器主要結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果表 -11-結(jié)束語(yǔ) -12-參考文獻(xiàn) -13-新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院1.換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)某乙醇車間欲回收精餾塔內(nèi)釜液的熱量，初步計(jì)劃用釜液將原料從95℃預(yù)熱至75℃，原料液及釜液均為乙醇的水溶液，其操作條件列表如下：物料流量kg/h組成（含乙醇量）mol%溫度℃操作壓力MPa進(jìn)口出口釜液10060395580.9原料液11620615500.51.1列管式換熱器按不同方式的不同分類1.1.1固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。1.1.2U形管式U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來(lái)解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。1.1.3浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。1.2列管式換熱器的選用及設(shè)計(jì)原則1.2.1形式與結(jié)構(gòu)的選定(1)固定管板式與浮頭式的選擇固定管板式與浮頭式相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低(約相差20%)，所以在工藝條件允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用。但固定管板式的管束與殼體要承受較大的膨脹應(yīng)力，且管束無(wú)法抽出清掃，故當(dāng)冷熱兩流體的極限溫度超過(guò)50℃或殼程流體易生垢、有腐蝕時(shí)應(yīng)當(dāng)選用浮頭式。(2)管束形式及管徑、管長(zhǎng)的選擇目前，國(guó)產(chǎn)浮頭換熱器系列中，F(xiàn)、FA型為Ф19×2mm管子，正三角形排列；FB型為Ф25×2.5mm管子，正方形斜轉(zhuǎn)450排列。正三角形排列單位傳熱面金屬耗量低，小管徑有利于傳熱，還可承受較高的壓力，但殼程不易清掃，故只與殼程流體潔凈時(shí)才優(yōu)先選用FB系列。固定管板換熱器系列中管長(zhǎng)有1.5、2、3、6m四種；浮頭式只有3、6m兩種，對(duì)單位傳熱面積而言，長(zhǎng)管比短管節(jié)省金屬，對(duì)煉油廠常用的大型換熱器，一般都采用≥6m長(zhǎng)的管子。(3)折流擋板的選擇前已述及，安裝折流擋極可以提高殼程流體的速度，使端流程度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。下面就常用的橫向圓缺形折流擋板作一簡(jiǎn)要介紹。圓缺形折流擋板切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10%～40%，一般取20%～25%。因形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生"死角"不利于傳熱。兩相鄰折流擋板間的距離(板間距)B約為外殼內(nèi)徑的0.2～1.0倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的B值，對(duì)固定管板式的有150、300和600mm三種；對(duì)浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。板間距過(guò)大時(shí)，不能保證流體垂直地流過(guò)管束，使殼程對(duì)流傳熱系數(shù)下降；板間距過(guò)小時(shí)，不僅制造、檢修困難，且阻力損失也大。(4)殼徑的選定殼徑越大，單臺(tái)換熱器傳熱面積越大，單位傳熱面金屬耗量越低，即用一臺(tái)大換熱器比用多臺(tái)小型換熱器經(jīng)濟(jì)。但殼徑的選擇還需根據(jù)殼程流速及殼程數(shù)對(duì)平均溫差的影響綜合考慮。1.2.2管程和殼程的確定主要是根據(jù)流體的性質(zhì)、流量、生垢及腐蝕情況等因素，并依據(jù)有利傳熱、減少壓降、便于操作與清掃等原則來(lái)確定。一般可按下列原則處理：(1)不潔凈或易結(jié)垢的流體應(yīng)流經(jīng)易清洗的一側(cè)。對(duì)于固定管板式換熱器上述物料應(yīng)流經(jīng)管程，而對(duì)于U形管式換熱器應(yīng)流經(jīng)殼程，對(duì)浮頭式換熱器，流經(jīng)管程或殼程均可。(2)需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體應(yīng)流經(jīng)管程。(3)具有腐蝕性的流體應(yīng)流經(jīng)管程，以免殼體和管束同時(shí)被腐蝕。(4)壓力高的流體宜流經(jīng)管程，以免殼體受壓。(5)飽和蒸筑或沸騰液體應(yīng)走殼程。因有相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)很大，不需要用提高流速的方法來(lái)強(qiáng)化傳熱過(guò)程，同時(shí)也便于排出冷凝液。(6)粘度大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在設(shè)有折流擋板的殼程中流動(dòng)低的雷諾數(shù)(Re>100)下即可達(dá)揣流，以利于提高殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)。(7)需要冷卻的流體一般流經(jīng)殼程，便于散熱。以上各點(diǎn)往往不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體問(wèn)題，首先考慮流體的壓力、防腐蝕及清洗等要求，綜合、權(quán)衡考慮，以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。管子的排列方式及管間距的確定。管子在管板上排列的原則是：管子在整個(gè)換熱器的截面上均勻分布，排列緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，方便制造并適合流體的特性。其排列方式通常為等邊三角形與正方形兩種，也有采用同心圓排列法和組合排列法。在一些多程的列管換熱器中，一般在程內(nèi)為正三角形排列，但程與程之間常用正方形排列，這對(duì)于隔板的安裝是很有利的，此時(shí)，整個(gè)管板上的排列稱為組合排列。對(duì)于多管程的換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上的一部分面積，實(shí)際排管數(shù)比理論要少，設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際的管數(shù)應(yīng)通過(guò)管板布置圖而得。在排列管子時(shí)，應(yīng)先決定好管間距。決定管間距時(shí)應(yīng)先考慮管板的強(qiáng)度和清理管子外表時(shí)所需的方法，其大小還與管子在管板上的固定方式有關(guān)。2.確定設(shè)計(jì)方案2.1選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度95℃出口溫度55.39℃,冷流體進(jìn)口溫度15℃，出口溫度為50℃。根據(jù)初步估算平均溫差小于5000C,所以選用列管式換熱器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，應(yīng)用廣泛。2.2流動(dòng)空間及流速的確定由于物料的操作溫度和原料液的污垢系數(shù)大于釜液的污垢系數(shù)綜合考慮，應(yīng)使釜液走管程，原料液走殼程。選用Ф25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取u=0.5m/s。3．確定物性數(shù)據(jù)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冷流體的定性溫度：（15+50）/2=32.5℃熱流體的定性溫度：（95+58）/2=76.5℃查物性數(shù)據(jù)表得:32.5℃時(shí)乙醇的物性數(shù)據(jù):ρ=785λ=0.8115=0.95=2.15932.5℃時(shí)水的物性數(shù)據(jù)：ρ=994.83λ=0.621=0.7462=4.174

76.5℃時(shí)水的物性數(shù)據(jù)：ρ=973.9λ=0.672=0.439=4.185276.5℃時(shí)的乙醇的物性數(shù)據(jù)：ρ=740λ=0.171=0.430=3.205物料密度(Kg/m)粘度（u/mpa·s）熱容Cp(KJ/Kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）3%的乙醇水溶液966.880.4394.15560.6576%的乙醇水溶液982.240.7754.07470.6454.計(jì)算總傳熱系數(shù)4.1T2的計(jì)算已知T=95℃.t1＝15℃.t2＝50℃mc=11620Kg/hmh=10060Kg/hQc=mcCpc△t=11620/3600×4.0747×103×(50-15)=4.6033×105J=△t=10060/3600×4.1556×103×(95-T2)=Qc=4.6033×105則=55.39℃4.2平均傳熱溫差4.3管程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù)2000污垢熱阻：0.0003270.000335管壁的導(dǎo)熱系數(shù)454.4傳熱面積的計(jì)算 考慮到安全性問(wèn)題，留15%的裕度，S=S’(1+15%)=18.07×1.15=20.794.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.5.1管徑和管內(nèi)流速選用φ25×2.5冷拔無(wú)縫鋼管，取管內(nèi)流速0.54.5.2管程數(shù)和傳熱系數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度m按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)=4m,則該換熱器的管程數(shù)為：則換熱器管子的總根數(shù)為根4.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)按單管程設(shè)計(jì)，三殼程，溫差校正系數(shù)應(yīng)差有關(guān)圖表。查圖可得℃4.5.4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=1.25do，則t=1.25×25=31.25≈32㎜橫過(guò)管束中心線的管數(shù)根4.5.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率為η＝0.7，則殼體直徑為D=按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔殼體直徑應(yīng)取D=400mm。4.5.6折流板采用弓形折流板，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=0.25×400=100mm，取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×400=120mm折流板數(shù)目塊折流板圓缺面水平裝配。4.5.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷流體流速為，則接管內(nèi)徑為：取標(biāo)準(zhǔn)管徑為60mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷流體流速為，則接管內(nèi)徑為：取標(biāo)準(zhǔn)管徑為60mm4.6換熱器核算4.6.1熱量核算(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用克恩法計(jì)算得：管子按正三角形排列傳熱當(dāng)量直徑為：0.020m殼程流通截面積：殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： 普朗特?cái)?shù)：粘度校正： (2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)：管程流體流通截面積：管程流體流速：普朗特?cái)?shù)：(3)總傳熱系數(shù)(4)傳熱面積S為：該換熱器的實(shí)際傳熱面積為該換熱器的面積裕度為H：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.6.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力（1）管程流體阻力 式中Ft——結(jié)垢校正系數(shù)，無(wú)因次，Φ25×2.5mm的換熱管取1.4；,,由Re=2.2×104，傳熱管相對(duì)粗糙度，查莫狄圖，流速u=0.490m/s,,所以直管壓降可按范寧公式計(jì)算：pa回彎管壓降由經(jīng)驗(yàn)公式得：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程流體阻力： ,流體流經(jīng)管束的阻力：F=0.5流體流過(guò)折流板缺口的阻力：其中B=0.12m，D=0.40m則總阻力：。殼程流動(dòng)阻力也比較合適。列管式換熱器圖列管式換熱器主要結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果表?yè)Q熱器的形式：固定板式管口表?yè)Q熱面積（m2）:28.91符號(hào)尺寸用途工藝參數(shù)aDN60釜液入口名稱管程殼程bDN60釜液出口物料名稱釜液原料液cDN60原料液入口操作溫度（0C）95/55.3915/50adadbc泵2泵1DN60原料液口流量（Kg/h）1006011620流體密度(Kg/m3)966.88982.24流速(m/s)0.4840.183傳熱量(J)4.6033×105總傳熱系數(shù)W/(m