换热器设计固定管板式

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化学工程基础课程设计

设计题目：管壳式换热器(固定管板式) 学生姓名: X X X

专业班级: 1０01

学号:１115０20126

指导教师：

西安科技大学化学与化工学院

2013年1月14日

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管壳式换热器设计任务书

一、设计目的

培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力

二、设计目标

设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的,操作上是安全的，环境上是友好的

三、设计题目

管壳式换热器设计——固定管板式 ?四、设计任务及操作条件? 1. 设计任务

设备型式:管壳式换热器 ——固定管板式

处理任务：物 料:原油 处理量 4900ｋg/ｈ

2． 操作条件

（1）热流体(原油)：入口温度１40℃; 出口温度4０℃

（2）冷却介质:水(入口30℃,出口４0℃）

（3)允许压降:不大于0.1MPa

（４）物性数据

原油定性温度下的物性数据

()()

C m W C

kg kJ c s

Pa m kg o o o po o o ?=?=??==-/128.0/2.2100.3/81533

λμρ导热系数定压比热容粘度密度

水的定性温度35℃下的物性数据：

)

(10725.0)

/(626.0)

/(08.4)

/(99433s Pa k m w k Kg KJ C m Kg p ??=?=?==-μλρ

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目录

一、设计概述?错误!未定义书签。

１、换热器的简单介绍......................................................... 错误!未定义书签。

2、设计的目的及意义?错误!未定义书签。

二、方案设计?错误!未定义书签。

1、工艺设计计算?错误!未定义书签。

1.1确定设计方案?错误!未定义书签。

1.2确定物性数据?错误!未定义书签。

1.3计算总传热系数....................................................... 错误!未定义书签。

1.４计算传热面积.......................................................... 错误!未定义书签。

２、换热器设备结构设计计算?错误!未定义书签。

2.1管径和管内流速?错误!未定义书签。

２.2管程数和传热管数................................................. 错误!未定义书签。

2.3传热管排列和分程方法?错误!未定义书签。

2.4壳体内经................................................................... 错误!未定义书签。

3、换热器的核算................................................................... 错误!未定义书签。

3.１面积核算.................................................................. 错误!未定义书签。

3.2换热器内流体的流动阻力核算?错误!未定义书签。

三、设计结果一览表.................................................................... 错误!未定义书签。

四、参考文献................................................................................ 错误!未定义书签。

五、主要符号说明........................................................................ 错误!未定义书签。

六、设计感想?错误!未定义书签。

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一、设计概述

1、换热器的简单介绍

换热器（ｈeat ｅxchａngｅr）,是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。

随着人类社会生活的发展，换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中,常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却,把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。近年来,由于科技的快速发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。换热器既可是一种单元设备,如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。

1.1换热器的类型

换热器根据不同的方式分类也不同。按传热原理分为表面式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器;按用途分为加热器、预热器、过热器、蒸发器;按结构分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。接下来着重介绍浮头式换热器和板式换热器。

浮头式换热器的简介

新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面,并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件,浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。

浮头式换热器两端的管板,一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

板式换热器的简介

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图二1—挡板2—补偿圈３—放气嘴

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。在相同压力损失情况下,其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。板式换热器主要由板式换热器板片和板式换热器密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、夹紧螺栓、上导杆、下导杆、后立柱七部分组成；具有传热系数高对数平均温差大、末端温差小、容易改变换热面积或流程组合、重量轻、价格低、制作方便、容易清洗、单位长度的压力损失大、不易结垢等优点，在实际生产中是用的比较多的一种换热器。

2、设计的目的及意义

换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20％有的甚至高达30％，其重要性可想而知。

通过本次设计,对本学期所学的化学工程基础进行整体的回顾,查漏补缺，扩宽知识面，了解换热器的类型及用途,熟悉换热器的工艺设计计算、设备结构设计计算和换热器的核算,知道换热器在日常生活中扮演着非常重要角色,掌握课程设计的一般步骤。在工业设计中,根据处理量的不同,选择合适的换热器,为换热系统的节能、低耗和高效益打下坚实的基础。通过设计,使同学们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风,加强课程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风

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-- 二、方案设计

1、工艺设计计算

１.1确定设计方案

1)选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃;冷流体（循环水)进口温度30℃,出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时出口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大,因此初步选用带膨胀节的固定管板式换热器。

3)流动空间及流速的确定

由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗，应使循环水走管程,原油走壳程。选用Ф25m m ×2.5ｍｍ的碳钢管,管内流速取u i ＝0.5ｍ/ｓ。

1.2确定物性数据

定性温度：可取流体进出口温度的平均值

壳程油的定性温度：

902

40140=+=

T ℃ 原油在9０℃下的物性数据: 密度3/815m kg o =ρ

黏度s Pa o ??=-3103.0μ

定压比热容()℃?=kg k C po /J 2.2

导热系数()℃?=m /128.0o W λ

管程流体的定性温度为:

352

4030=+=t ℃ 循环冷却水在35℃下的物性数据：

密度3/994m kg =ρ

黏度s Pa ??=-41025.7μ

定压比热容()℃?=kg k C p /J 08.4

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-- 导热系数()℃?=m /626.0W λ

１.３计算总传热系数

热流量

)/(36.13600

4900,s kg q h m == ()()()kW T T c q Q ph h m 2.299401402.236.121,=-??=-=

平均传热温差? ()()()℃39304040140ln 304040140ln 2

1

21'=-----=???-?=?t t t t t m 冷却水用量

()

)/(33.7304008.42.299s kg c Q pi o i =-?==

ω 总传热系数K 管程传热系数:

137********

.09945.002.0Re =??==i i

i i i u d μρ 4.08.0023.0???? ?????? ??=i i pi i i i i i i i c u d d λμμρλα

()

℃????? ???????=24.038.0/626.010000725.008.413710020.0626.0023.0m W ()

℃?=2/2733m W 壳程传热系数:

()

℃假设壳程的传热系数?=2i /W 310m α 由于冷却水较易结垢,查表得，污垢热阻：

管壁的导热系数：

o

so m o i o si i i o o R d bd d d R d d K αλα11++++= W

m R W

m so /000172.0/000344.0R 22si ℃℃?=?=

-- -- ()℃?++??+?+?=2/3101000172.00225.045025.00025.0020.0025.000034.0020.02733025.01

m W ()

℃?=2/W 09.219m 1．4计算传热面积

()

23

''02.353909.219102.299K m t Q S m =??=?= 考虑15%的换热面积裕度,()2'27.4002.3515.115.1m S S =?=?=

2、换热器设备结构设计计算

2.1管径和管内流速

选用Φmm mm 5.225?传热管(碳钢)，取管内流速s m i /5.0=μ。

2.2管程数和传热管数

依据传热管内径的流速确定单程传热管数：

()

s m w q i

c v /1037.799433.733,-?===ρ ()根479.465

.002.0785.01037.74232,≈=???==-i i c

v s u d q n π

按单程管计算,所需的传热管长度为：

()m n d S L s o 91.1047

025.014.327.40=??==π 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m ，则该换热器管程数为：

()根26

91.10N o ≈==l L 传热管总根数

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-- ()根94247=?=N

平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正数:

按单壳程、双管程结构，经查阅资料,得82.0=?t ??所以平均传热温差：

℃323982.0'=?=?=??m t m t t ?

2．3传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方型排列。取管心距o d t 25.1=,则:

()mm t 3225.312525.1≈=?=

横过管束中心线的管数:

)(129419.119.1根=?==N n c

2.４壳体内经

采用多管程结构,取管板利用率η=0.7,则壳体内经为：

)(36.3897

.01183205.105.1mm N

t D =??==η 圆整可取D=４00mm 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为)(10040025.0mm h =?=，故可取h=１00ｍm 。

取折流板间距B=0.３Ｄ，则,1204003.0=?=B ，可取B 为１00m ｍ。折流板数（块）折流板间距传热管长591100

60001=-=-=B N 折流板圆缺面水平装配。

壳程流体进口接管:取接管内油品流速为1.０m/s ，则接管内径为

091.030140304010304040140=--==--=P R

-- -- )/(1067.18153600490033,,s m q q o

h m h v -?===ρ )(046.00

.114.31067.1443

,m u q d h v =???==-π 取标准管径为５0mm 。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.５m ／s,则接管内径为 )(079.05

.114.3994/33.74m d =??= 取标准管径为８0ｍm 。

3、换热器的核算

3．1面积核算

１）热量核算

壳程对流传热系数 对圆缺型折流伴,可采用Kren 公式

14.03/155.0Pr Re 36.0???? ??=w o o e o o d μμλα

当量直径ｄe 由正三角形排列得

()m d d t d o e 02.0025

.014.3025.0785.0032.023*********=????? ???-?=???? ?

?-=ππ 壳程流通截面积

()m t d BD S o o 00875.0032.0025.0140.010.01=??? ??-??=??

? ??-= 壳程流体流速及雷诺数分别为

()1032003.081519.002.0Re /19.000875

.01067.13,=??=

=?==-o o h

v o s m s q u

普朗特准数 56.51128

.0003.010002.2Pr =??==o o

po c λμ

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