列管式换热器 2

课 程 设 计 说 明 书

课程名称：化工原理课程设计

设计题目：列管式换热器

院 系：化学与环境工程学院

学生姓名：

学 号：

专业班级：

指导教师：

10级高分子材料与工程 2014 年11月

日

列管式换热器设计任务书

设计一台列管式换热器

一、 设计任务及操作条件

(1) 处理能力 1×106t/a热水

(2) 设备型式 列管式换热器

(3) 操作条件

① 煤油:入口温度140℃, 出口温度40℃.

② 冷却介质:循环水, 入口温度30℃, 出口温度40℃.

③ 允许压降:不大于105Pa.

④ 每年按300天计算, 每天24小时连续运行.

二、 设计要求及内容

(1) 根据换热任务和有关要求确认设计方案;

(2) 初步确认换热器的结构和尺寸;

(3) 核算换热器的传热面积和流体阻力;

(4) 确认换热器的工艺结构.

摘要：通过对列管式换热器的设计，首先要确定设计的方案，选择合适的计算步骤。查得计算中用到的各种数据，对该换热器的传热系数 传热面积 工艺结构尺寸等等要进行核算，与要设计的目标进行对照是否能满足要求，最终确定换热器的结构尺寸为设计图纸做好准备和参考，来完成本次课程设计。

关键词：标准 方案 核算 结构尺寸

目 录

一. 概述……………………………………………………………….4

二. 方案的设计与拟定……………………………………………….4

三. 设计计算………………………………………………………….7

3.1确定设计方案……………………………………………..7

3.1.1选择换热器的类型…………………………………...7

3.1.2流动空间及流速的测定……………………………...7

3.2确定物性数据………………………………………...........7

3.3计算总传热系数…………………………………………..8

3.3.1热流量…………………………………………………8

3.3.2平均传热温差…………………………………………9

3.3.3冷却水用量…………………………………................9

3.4计算传热面积……………………………………………...9

3.5工艺结构尺寸…………………………………………….10

3.5.1管径与管内流速……………………………………..10

3.5.2管程数与传热管数…………………………………..10

3.5.3传热管排列和分程方法……………………………..10

3.5.4壳体内径……………………………………………..11

3.5.5折流板………………………………………………...11

3.5.6接管…………………………………………………..11

3.6换热器核算……………………………………………...12

3.6.1热量核算……………………………………………..12

3.6.1.1壳程对流传热系数…………………………….12

3.6.1.2管程对流传热系数……………………………..13

3.6.1.3传热系数K ……………………………………..13

3.6.1.4传热面积S ………………………………………13

3.6.2换热器内流体的流动阻力 …………………………14

3.6.2.1管程流动阻力…………………………………...14

3.6.2.2壳程阻力………………………………………..15

3.6.2.3换热器的主要结构尺寸和计算结果…………..15

四．设计小结……………………………………………………….16

五．参考文献………………………………………………………..18

一. 概述

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器, 简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体, 一种流体温度较高, 放出热量; 另一种流体则温度较低, 吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器, 它们也是这些行业的通用设备, 并占有十分重要的地位。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

二. 方案设计和拟订

根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，冷水走管程，热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为3m ，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。

根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。U 形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用

固定管板式换热器。

根据以下原则：(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，热水走壳程。

流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速u i 1. 1m /s 。

管子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×2mm 两种规格的管子。在这里，选择 φ25×2.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m ，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m 。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些) 。在这次设计中，管长选择6m 。

管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列

的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的) 可以适当地提高。在这里选择组合排列法，每程内均选择按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距) ，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do ，且相邻两管外壁间距不应小于6mm ，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。

管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为4程，壳程为单程。

折流挡板：安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h 为外壳内径D 的(0.2～1) 倍。系列标准中采用的h 值为:固定管板式的有150、300和600mm 三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。

换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言) 管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。

主要构件的选用：

（1）封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm) ，圆形用于大直径 的壳体。

（2）缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。

（3）导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动

的空间(死角) ，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。

（4）放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。

（5）接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。

最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。

三. 设计计算

3.1确定设计方案

3.1.1 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，热流体为煤油，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

3.1.2 流动空间及流速的测定

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，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取u i =1.6m/s。 .

3.2确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程煤油的定性温度为

T=140+40=90（℃） 2

管程流体的定性温度为

30+40=35 (℃) 2

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 t= 煤油在90℃下的有关物性数据如下：

密度 ρ0=825kg /m 3

定压比热容c p 0=2. 22kJ /(kg ⋅℃）

导热系数 λ0=0.140W/(m ⋅︒c )

黏度 μ0=0. 000715Pa ⋅s

循环冷却水在35℃下的物性数据：

密度 ρi =994kg /m 3

定压比热容c pi =4. 08kJ /(kg ⋅℃）

导热系数 λi =0. 626W /(m ⋅℃）

黏度 μi =0. 000725Pa ⋅s

3.3计算总传热系数

10000003.3.1 热流量m 0==138888.9(kg/h) 300⨯24

138888. 9⨯2. 2⨯(140-40) =30. 8333358⨯106kJ /h =8564. 816kW

3.3.2 平均传热温差

∆t 1-∆t 2(140-40) -(40-30) ==39℃ ∆t m =∆t 1140-40ln ln ∆t 240-30'

3.3.3 冷却水用量

Q o 30. 8333358⨯106 w i ===755719kg /h c pi ∆t i 4. 08⨯(40-30)

总传热系数K

管程传热系数

Re i =

0. 020⨯1. 6⨯994=438730. 000725 αi =0. 023⨯

壳程传热系数. 0. 626⨯438730. 8⨯(4. 08⨯103⨯0. 000725÷0. 626) 0. 4=6931W /(m 2⋅℃0. 02

假设壳程传热系数αo

污垢热阻 =600w/(m²℃,

R Si =0.000344℃/w，

Rs 0=0.000172m²℃/w,

管壁的导热系数λ=45w /(m ⋅ c ) 则 总传热系数为：

K =1 d o d o bd o 1+R si ++R so +αi d i d i λd m αo

=

1+0. 000344⨯++0. 000172+6931⨯0. 0200. 02045⨯0. 0225600

=398. 3/(m ⋅℃) 2

3.4计算传热面积

S =Q

K ∆t m =8564816=551. 4m 2 398. 3⨯39

3.5工艺结构尺寸

3.5.1 管径和管内流速

选用Φ25⨯2. 5传热管(新的无缝钢钢), 取管内流速u i =1. 6m /s

3.5.2 管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数 (994⨯3600) n s = =≈421（根）220. 785⨯0. 02⨯1. 6d i u 4V

按单程管计算, 所需的传热管长度为

L =S 551. 4==16. 7m πd o n s 3. 14⨯0. 025⨯421

按单程管设计, 传热管过程, 宜采用多管程结构。现取传热管长l =6m ， 则该换热器管程程数为

L 16. 7=≈（管程）4 N p = l 6

传热管总根数N =421⨯4=1684 （根）

平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

140-40=10 R =40-30

11

40-30=0. 091 P =140-30

按单壳程, 4管程结构, 温差校正系数可查对数平均温度校正系数ϕ∆t

可得

ϕ∆t =0. 82

=ϕ∆t ∆t ' m =0. 82⨯39=32℃ 平均传热温差 ∆t m

3.5.3 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排列, 隔板两恻采用正方形排列. 取管

心距t =1. 25d o , 则

t =1. 25⨯25=31. 25≈32mm

横过管束中心线的管数 n c =1. 19N =1. 19=49（根）

3.5.4 壳体内径

采用多管程结构, 取管板利用率0.65, 则壳体内径为 D =1. 05t N =1. 05⨯320. 65=1710mm

可取D =1800mm

3.5.5 折流板

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

h =0. 25⨯1800=400mm , 故可取h =400mm 。

取折流板间距B =0.2D

12

则B =0.2×1800=360mm

可取B 为400mm 。

折流板数

N B =6000/400-1=14

折流板圆缺面水平装配。

3.5.6 接管

壳程流体进出口接管:取接管内煤油流速为u=2.0m/s为 4V 4⨯138888. 825⨯3600d ==≈0. 180（m ）=180mm πu 3. 14⨯2. 0

取标准管径为180mm 。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u

=3m /s ，则接管内径为

4V 4⨯994⨯3600d ===0. 299m =299mm πu 3. 14⨯3

取标准管径为300mm 。

3.6换热器核算

3.6.1 热量核算

3.6.1.1 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板, 可采用克恩公式

. 55⎛μo ⎫ ⎪Pr αo =0. 36Re 0

o ⎪d e ⎝μw ⎭λo 0. 14

当量直径, 由正三角形排列得

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⎛2π2⎫⎪4 2t -4d o ⎪⎭= d e =⎝

πd 0⎛3⎫22⎪4 ⨯0. 032-0. 785⨯0. 025 2⎪⎝⎭=0. 020m 3. 14⨯0. 025

壳程流通截面积 ⎛d o ⎫⎛0. 025⎫ S o =BD 1-⎪=0. 4⨯1. 8 1-⎪=0. 1575m ² t ⎭⎝⎝0. 032⎭

壳程流体流速及其雷诺数分别为

138888. 9(825⨯3600)=0. 297(m /s ) 0. 1575

Re =0. 020⨯0. 297⨯825=6854

00. 000715

普兰特准数 u 0=

2. 22⨯103⨯715⨯10-6

=11. 34 Pr =0. 140

⎛μ⎫ 粘度校正 μ⎪⎪⎝w ⎭0. 14≈1

0. 140⨯68540. 55⨯11. 341/3=729. 0W /(m 2⋅℃) α0=0. 36⨯0. 02

3.6.1.2 管程对流传热系数 αi =0. 023λi d i Re 0. 8Pr 0. 4

管程流通截面积 S i N 16842=d i ⨯=0. 785⨯0. 02⨯=0. 1322(m 2) 4N p 42π

管程流体流速及其雷诺数分别为

7555719/(994⨯3600) =1. 597m /s u i =0. 1322

0. 020⨯1. 597⨯994=43791 Re i =0. 000725

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普兰特准数 4. 08⨯103⨯0. 725⨯10-3

=4. 73 Pr =0. 626

αi =0. 023⨯0. 626⨯437910. 8⨯4. 730. 4=6923W /(m 2⋅℃) 0. 02

3.6.1.3 传热系数 K

1 d o d o bd o 1+R si ++R so +αi d i d i λd m αo K =

1=+0. 000344⨯++0. 000172+6923⨯0. 0200. 02045⨯0. 0225729. 0

=451W /(m 2⋅℃)

3.6.1.4 传热面积 S

Q 8564816S ===593. 5m 2 K ∆t m 451⨯32

该换热器的实际传热面积S p

S p =πd o L (N -n c )

=3. 14⨯0. 025⨯(6-0. 06)⨯(1684-49)

=762. 4(m 2)

该换热器的面积裕度为 S p -S 762. 4-593. 5⨯100％=⨯100％=28. 5％ H =S 593. 5

传热面积裕度适宜, 该换热器能够完成生产任务。

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