列管式换热器的设计
- 格式:doc
- 大小:2.09 MB
- 文档页数:24
摘要:列管式换热器属于间壁式换热器,冷热流体通过换热管壁进行热量的交换。
参照任务书的任务量,需设计年冷却15000吨乙醇的列管式换热器,设计时先确定流体流程,壳程走乙醇,其进、出口温度都为80℃,相变放出潜热,井水走管程冷却乙醇,进口温度为32℃,出口温度为40℃。
再进行热量衡算、传热系数校核,初选冷凝器的型号,然后通过进行设备强度校核等一系列的计算和选型,最终确定的设计方案为固定管板式换热器,所选用型号为BEM400-2.5-30-9/25-2 Ⅰ,换热器壳径为400mm,总换热面积为27.79m2,管程为2,管子总根数为60,管长6000 mm,管束为正三角排列,两端封头选取标准椭圆封头。
关键词:列管式换热器,乙醇,水,温度,固定管板式。
Abstract:The tube type heat exchanger is a dividing wall type heat exchanger, fluids with different temperatures exchange heat by means of tube wall’s heat transfer.According to the assignment, A tube type heat exchanger which has a process capacity of .⨯41510t/a is needed. The ethanol flow in the shell,the temperature in the entrance and exits is 80℃.The water which cool the ethanol flow in tubes, the inlet and outlet temperatures are 32℃and 40℃.Then by taking series calculating to confirm the module of the heat exchanger . After the design of intensity designing and a series calculating and choosing , the last result of our design is the fasten-board heat exchanger. The style of the heat exchangeis9BEM400 2.530 225Ⅰ----, and the diameter of the receiver is400mm ,The area of the heat exchange is 27.79 m2, The heat-exchanger in cludes two tube passes,one shell passes and 60 tubes.And the length of tubes is 6000mm . Tubes are ranked of the shape of triangle ,the envelops are oval-shaped.目录1前言 (3)2设计条件 (3)3设计方案的确定 (3)3.1设计原则 (3)3.2结构初选 (4)4列管式换热器的设计计算 (10)4.1列管式换热器型号的初选 (10)4.2核算总传热系数: (13)5列管式换热器的初步计算及选型 (15)5.1试算并初选换热器规格 (15)5.2设计校核 (19)6设备尺寸的确定及强度校核 (22)6.1计算圆筒厚度 (22)6.2封头设计 (23)6.3拉杆定距管尺寸 (24)6.4管板 (25)6.5容器法兰 (26)6.6接管与接管补强 (27)6.7管箱的计算 (33)6.8折流挡板 (33)6.9焊接方式 (34)6.10支座 (34)6.11辅助设备 (38)7设计结果概要 (39)8课程设计心得 (40)9参考文献 (42)1前言艰辛知人生,实践长才干。
化工原理课程设计列管式换热器设计要求:设计一个列管式换热器,实现两种不同温度的流体之间的热量传递。
设计要求如下:1. 列管式换热器采用直管式结构,热传导介质为水和油;2. 设计流量分别为水流量 Q1 = 500 L/h,油流量 Q2 = 300 L/h;3. 设计温度分别为水的进口温度 T1i = 80℃,油的进口温度T2i = 120℃;4. 确定水的出口温度 T1o 和油的出口温度 T2o;5. 选择合适的换热器材料,确保换热效果良好;6. 根据设计参数计算所需的换热面积 A 和换热效率η。
设计方案:1. 确定管径和管长:首先根据水和油的流量和温度差,计算所需的换热面积。
然后确定换热器的尺寸,其中包括管径和管长。
2. 选择换热器材料:根据换热介质的性质和工作条件,选择合适的换热器材料,例如不锈钢。
3. 计算出口温度:根据热平衡原理,计算水和油的出口温度。
假设换热器满足热平衡条件,即水的热量损失等于油的热量增加。
4. 计算换热面积:根据换热器的尺寸和热传导方程,计算所需的换热面积。
5. 计算换热效率:根据热平衡原理和换热器的热传导性能,计算换热效率。
实施步骤:1. 根据设计流量和温度差,计算所需的换热面积。
假设水和油的传热系数均为常数,可以使用换热传导方程进行计算。
2. 根据所需的换热面积和理论计算值,选择合适的换热器尺寸。
3. 根据所选换热器材料,计算换热器的尺寸和管径。
假设管壁温度近似等于流体温度。
4. 根据热平衡原理,计算出口温度。
假设热平衡条件满足,即水的热量损失等于油的热量增加。
5. 根据所选材料和尺寸,计算换热效率。
假设换热器的热传导系数为常数,使用换热效率计算公式进行计算。
总结:本课程设计主要针对列管式换热器的设计,通过选择合适的换热器材料和计算换热器的尺寸,实现了水和油之间的热量传递。
根据设计要求,通过计算出口温度和换热效率,验证了设计方案的合理性。
设计过程需要考虑多方面的因素,如流体性质、流量和温度差等。
列管式换热器设计列管式换热器是一种常见的换热设备,广泛应用于化工、石油、制药等行业中。
本文将从列管式换热器的设计原理、设计步骤和设计考虑因素三个方面进行详细介绍。
一、设计原理列管式换热器是通过管内的换热流体和管外的换热流体之间的换热传递来实现热量的传递。
它的基本原理是利用换热流体在管内和管外的对流,通过管壁的传导传热作用,使热量从高温流体传递给低温流体。
二、设计步骤1.确定换热器的使用条件:包括换热流体的性质、入口温度、出口温度等。
2.确定换热器的换热面积:根据换热流体的热负荷和传热系数来计算所需的换热面积。
3.选择管子的尺寸和材料:根据换热流体的性质和流量来选择合适的管子尺寸和材料。
4.确定管子的数量和布置方式:根据换热面积和换热流体的流量来确定管子的数量和布置方式,一般采用多行多列的方式。
5.设计管束的尺寸:根据换热面积和管子的数量来确定管束的尺寸,包括管束的直径、长度和布置方式等。
6.计算换热器的传热系数:根据换热面积、流体的性质和传热方式来计算换热器的传热系数。
7.计算换热器的压降:根据流体的流量、管束的阻力和流体的性质来计算换热器的压降。
8.进行换热器的热力学计算:包括换热器的热力学效率、有效传热面积和温差效益等。
三、设计考虑因素1.热负荷:根据换热流体的热负荷来确定换热器的换热面积和管子的数量。
2.材料选择:根据换热流体的性质和工艺要求来选择合适的材料,包括管子的材料和管壳的材料。
3.温度差:根据换热流体的温度差来确定管束的数量和换热器的传热系数。
4.流体压降:根据流体的流量和管束的阻力来计算换热器的压降,并确定合适的管束布置方式和管束的尺寸。
5.清洗和维护:考虑到换热器的清洗和维护,要选择易于清洗和维护的结构设计。
综上所述,列管式换热器的设计是一个复杂的工程,需要考虑多个因素。
设计者需要根据具体的使用条件和要求来确定换热器的换热面积、管子的尺寸和材料、管束的数量和布置方式等。
同时,还需要计算换热器的传热系数、压降和热力学参数等。
2.4 列管换热器设计示例某生产过程中,需将6000 kg/h的油从140℃冷却至40℃,压力为0.3MPa;冷却介质采用循环水,循环冷却水的压力为0.4MPa,循环水入口温度30℃,出口温度为40℃。
试设计一台列管式换热器,完成该生产任务。
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,冬季操作时进口温度会降低,考虑到这一因素,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式换热器。
(2)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,油品走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管,管内流速取u i=0.5m/s。
2.确定物性数据定性温度:可取流体进口温度的平均值。
壳程油的定性温度为(℃)管程流体的定性温度为(℃)根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
油在90℃下的有关物性数据如下:密度ρo=825 kg/m3定压比热容c po=2.22 kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.140 W/(m·℃)粘度μo=0.000715 Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据:密度ρi=994 kg/m3定压比热容c pi=4.08 kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626 W/(m·℃)粘度μi=0.000725 Pa·s3.计算总传热系数(1)热流量Q o=W o c poΔt o=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)(2)平均传热温差(℃)(3)冷却水用量(kg/h)(4)总传热系数K管程传热系数W/(m·℃)壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃);污垢热阻R si=0.000344 m2·℃/W , R so=0.000172 m2·℃/W管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)=219.5 W/(m·℃)4.计算传热面积(m2)考虑15%的面积裕度,S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。
目录§一.任务书 (2)1.1.化工原理课程设计的重要性1.2.课程设计的基本内容和程序1.3.列管式换热器设计内容1.4.设计任务和操作条件1.5.主要设备结构图1.6.设计进度1.7.设计成绩评分体系§二.概述及设计要求 (4)2.1.换热器概述2.2.固定管板式换热器2.3.设计要求§三.设计条件及主要物理参数 (5)3.1.初选换热器的类型3.2.确定物性参数3.3.计算热流量及平均温差3.4.管程安排(流动空间的选择)及流速确定3.5.计算总传热系数3.6.计算传热面积§四. 工艺设计计算 (9)4.1.管径和管内流速4.2.管程数和传热管数4.3.平均传热温差校正及壳程数4.4.换热管选型汇总4.5.换热管4.6.壳体内径4.7.折流板4.8.接管4.9.壁厚的确定、封头4.10.管板§五.换热器核算 (14)5.1.热量核算5.2.壁温核算5.3.流动阻力核算§六. 设计结果汇总 (18)§七. 设计评述 (19)§八. 工艺流程图 (19)§.九.符号说明 (21)§.十.参考资料 (22)§一.化工原理课程设计任务书1.1.化工原理课程设计的重要性化工原理课程设计是学生学完基础课程以及化工原理课程以后,进一步学习工程设计的基础知识,培养学生工程设计能力的重要教学环节,也是学生综合运用化工原理和相关选修课程的知识,联系生产实际,完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。
通过这一环节,使学生掌握单元操作设计的基本程序和方法,熟悉查阅技术资料、国家技术标准,正确选用公式和数据,运用简洁文字和工程语言正确表述设计思想和结果;并在此过程中使学生养成尊重实际问题向实践学习,实事求是的科学态度,逐步树立正确的设计思想、经济观点和严谨、认真的工作作风,提高学生综合运用所学的知识,独立解决实际问题的能力。
列管式换热器的设计列管式换热器的应用已有很悠久的历史。
现在,它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用,尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中,列管式换热器仍处于主导地位。
同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备,大量地应用于工业中。
为此本章对这两类换热器的工艺设计进行介绍。
列管式换热器的设计资料较完善,已有系列化标准。
目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式(即列管式)换热器”(GB151)标准执行。
列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
其中以热力设计最为重要。
不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计,而且对于已生产出来的,甚至已投人使用的换热器在检验它是否满足使用要求对,均需进行这方面的工作。
热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求,合理地选择运行参数,并根据传热学的知识进行传热计算。
流动设计主要是计算压降,其目的就是为换热器的辅助设备——例如泵的选择做准备。
当然,热力设计和流动设计两者是密切关联的,特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。
结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸,例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸,等等。
在某些情况下还需对换热器的主要零部件——特别是受压部件做应力计算,并校核其强度。
对于在高温高压下工作的换热器,更不能忽视这方面的工作。
这是保证安全生产的前提。
在做强度计算时,应尽量采用国产的标准材料和部件,根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核(该部分内容属设备计算,此处从略)。
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容:①根据换热任务和有关要求确定设计方案;②初步确定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确定换热器的工艺结构。
1.1设计方案的确定1.1.1换热器类型的选择(1)固定管板式换热器这类换热器如图2-1(a)所示。
化工原理课程设计列管式换热器化工原理课程设计是化学工程学科的重要环节,其设计的目的是让学生在理论基础知识的基础上,能够熟练掌握工业化学反应装置和过程的设计方法,并能灵活运用各种装置和工艺条件来实现设备的最优化。
其中列管式换热器是常用于化工生产过程中的一种重要装置,本文将对其进行详细介绍。
一、列管式换热器的结构与原理列管式换热器是通过管壳型构造,由许多纵向的管子构成,管子两侧通过流体工质进行换热。
其主要结构包括壳体、管板、管束、进出口法兰等部分。
换热原理是将热量从高温的流体传给低温的流体,实现两种流体之间的热量交换。
二、列管式换热器的特点和应用列管式换热器具有结构简单、换热效率高、应用范围广、容易清洗维修等特点。
其在化工生产中广泛应用于热回收、冷却、加热等方面,如在石油、化工、冶金、食品、制药、造纸等行业的反应过程中都有重要的应用。
三、列管式换热器的设计方法在设计列管式换热器时,主要需考虑的参数有流体介质、流量、温度、压力等等,其中最核心的是确定热量传递系数与压降。
常用的设计方法有总热传系数法、等效径法、NTU法等。
其中总热传系数法是最常用的方法,其计算的公式为:1/U = 1/hi + Δx/k + Δy/ho其中U为总热传系数,hi、ho分别为热传分界面内的内、外热传系数,k为扩散系数(介质传热系数),Δx、Δy为介质的平均厚度与壁层厚度。
在设计时应根据具体情况选用合适的计算方法。
四、列管式换热器的操作和维护在使用列管式换热器时,应注意清洗维护工作。
由于该装置的结构特殊,应定期进行化学清洗,以避免沉积物和腐蚀物堵塞换热器内壁。
同时还应注意防止介质的过于浓缩,以免产生结晶、沉积、腐蚀等情况。
综上所述,列管式换热器是化工生产中不可缺少的一种装置,其结构特殊、应用范围广泛、换热效率高,并且容易维护操作,是值得研究和推广的一种装置。
在化工原理的课程设计中,学生能够通过对列管式换热器的深入理解和设计方案的完善,培养出创新思维和实际操作能力,为将来化工行业的发展奠定坚实的基础。
列管式换热器设计列管式换热器设计⼀、概述1.概述与设计⽅案简介1.1换热器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。
在⼯程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器,但它的基本原理与上述情形并⽆本质上的差别。
换热器是化学⼯业、⽯油⼯业及其它⼀些⾏业中⼴泛使⽤的热量交换设备,它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使⽤,⽽且是⼀些化⼯单元操作的重要附属设备,因此在化⼯⽣产中占有重要地位。
由于⽣产中的换热⽬的不同,换热器的类型很多,不同类型的换热器各有优缺点,性能各异。
特别是随着化⼯⼯艺的不断发展,新型换热器不断出现。
在换热器设计中,⾸先应根据⼯艺要求选择适⽤的类型然后计算换热所需传热⾯积,并确定换热器的结构尺⼨。
虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和⾦属耗量等⽅⾯不及某些新型换热器,但它具有结构简单、坚固耐⽤、适应性强、制造材料⼴泛等独特的优点,因⽽在换热设备中仍占有重要的地位。
特别是在⾼温、⾼压和⼤型换热设备中仍占绝对优势。
1.2列管式换热器的选择列管式换热器的应⽤已有很悠久的历史,在化⼯⽣产中主要作为加热(冷却)器,冷凝器、蒸发器和再沸器使⽤。
现在,它被当作⼀种传统的标准换热设备在很多⼯业部门中⼤量使⽤,尤其在⽯油、化⼯、能源设备等部门所使⽤的换热设备中,列管式换热器仍处于主导地位。
按材质分为碳钢列管换热器,不锈钢列管换热器和碳钢与不锈钢混合列管换热器三种。
按结构分为单管程、双管程和多管程,传热⾯积1~500m2。
列管式换热器按结构特点,主要分为以下四种:①固定管板式换热器;②浮头式换热器;③U形管式换热器;④填料函式换热器。
列管换热器主要特点:1.耐腐蚀性:聚丙烯具有优良的耐化学品性,对于⽆机化合物,不论酸,碱、盐溶液,除强氧化性物料外,⼏乎直到100℃都对其⽆破坏作⽤,对⼏乎所有溶剂在室温下均不溶解,⼀般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使⽤。
列管式换热器-课程设计一、概述列管式换热器是一种将多个平行管道嵌入到圆柱形壳体中、同时将流体分别流过内、外两侧实现热量传递的设备。
本次课程设计将要探讨的是该设备的设计过程。
二、设计过程1. 确定设计参数设计前需要先确定所需的设计参数,如换热器的设计热负荷、流量、压力等,这些参数将决定换热器的尺寸和布局,为后续设计提供基础。
2. 换热器类型选择根据设计参数、使用场景、材料成本等因素选择适合的换热器类型,如单相流、双相流、冷凝器、蒸发器等。
3. 确定材料和尺寸选择适合的材料和尺寸以满足设计参数,同时考虑生产和运输的成本和实际情况。
4. 确定管束参数确定管束长度、管束密度、管道直径和布局等参数,保证管束的压力和流速符合设计要求,并达到最佳热传导效果。
5. 热传导计算进行热传导计算,以确定管束长度和直径,根据流动状态和温度场计算出换热系数、平均温差和热效率等参数。
6. 设计壳体结构设计壳体的结构和尺寸,确定支撑方式和绝热方式,同时考虑安全和易于维护的因素。
7. 流体力学分析进行流体力学分析,确定流体在管道中的流动状态,以保证衬里的材料和厚度设计得足够坚固,以避免漏泄和磨损。
8. 设计精度分析进行精度分析和优化,以确定设备的运行效率和稳定性,并满足设计和生产的要求。
9. 制造和安装根据设计图纸制造和安装换热器,并进行预试运行和调试,最终达到设计要求。
三、总结以上是列管式换热器的设计过程,该过程需要深入掌握流体力学、热传导学、结构力学等知识,同时也需要掌握计算机辅助设计软件的使用,以提高效率和质量。
设计合理的列管式换热器能够提高生产效率,降低能耗,并为工业生产的可持续发展提供支持。
列管式换热器 课程设计一、课程目标知识目标:1. 让学生掌握列管式换热器的基本结构和工作原理,理解换热过程中的热量传递机制。
2. 使学生了解列管式换热器的类型、特点及应用场景,能够区分不同类型的换热器。
3. 引导学生掌握换热器设计的基本原则和步骤,学会运用相关公式计算换热器的传热系数和换热面积。
技能目标:1. 培养学生运用所学知识分析实际换热问题,具备解决换热器设计问题的能力。
2. 提高学生运用计算工具(如Excel、计算器等)进行换热器相关计算的速度和准确性。
3. 培养学生团队合作意识,提高沟通与协作能力,通过小组讨论、汇报等形式,共同完成换热器设计任务。
情感态度价值观目标:1. 培养学生对换热器设计及工程应用的兴趣,激发创新意识和探索精神。
2. 引导学生关注换热器在能源、环保等领域的重要性,培养节能环保意识和社会责任感。
3. 培养学生严谨、踏实的科学态度,养成认真负责的工作作风。
本课程针对高年级学生,结合学科特点和教学要求,将目标分解为具体的学习成果。
课程注重理论与实践相结合,以实际工程案例为载体,引导学生通过自主学习、小组合作等方式,掌握换热器设计的基本知识和技能。
在教学过程中,关注学生的个体差异,鼓励提问和讨论,以提高学生的思维能力和解决问题的能力。
通过本课程的学习,使学生能够具备独立设计换热器的能力,为未来从事相关工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 列管式换热器的基本概念:介绍换热器的作用、分类及其在工业中的应用。
教材章节:第二章 换热器的基本概念与分类2. 列管式换热器的工作原理:讲解列管式换热器中的热量传递过程,包括对流传热和导热。
教材章节:第三章 列管式换热器的工作原理与热量传递3. 列管式换热器的设计原则与步骤:阐述换热器设计的基本原则,介绍设计步骤及注意事项。
教材章节:第四章 列管式换热器的设计原则与步骤4. 列管式换热器传热系数的计算:分析影响换热器传热系数的因素,介绍相关计算公式。
第一章 列管式换热器的设计1.1概述列管式换热器是一种较早发展起来的型式,设计资料和数据比较完善,目前在许多国家中已有系列化标准。
列管式换热器在换热效率,紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器,但是它具有结构牢固,适应性大 ,材料范围广泛等独特优点,因而在各种换热器的竞争发展中得以继续应用下去。
目前仍是化工、石油和石油化工中换热器的主要类型,在高温高压和大型换热器中,仍占绝对优势。
例如在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜(或再沸器)和冷凝器、化工厂中蒸发设备的加热室等,大都采用列管式换热器[3]。
1.2列管换热器型式的选择列管式换热器种类很多,目前广泛使用的按其温度差补偿结构来分,主要有以下几种:(1)固定管板式换热器:这类换热器的结构比较简单、紧凑,造价便宜,但管外不能机械清洗。
此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。
因此,当管壁与壳壁温度相差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以致管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏整个换热器。
为了克服温差应力必须有温度补偿装置,一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时,为安全起见,换热器应有温差补偿装置。
(2)浮头换热器:换热器的一块管板用法兰与外壳相连接,另一块管板不与外壳连接,以便管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管板上来连接有一个顶盖,称之为“浮头”,所以这种换热器叫做浮头式换热器。
这种型式的优点为:管束可以拉出,以便清洗;管束的膨胀不受壳体的约束,因而当两种换热介质的温差大时,不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。
其缺点为结构复杂,造价高。
(3)填料函式换热器:这类换热器管束一端可以自由膨胀,结构与比浮头式简单,造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能,壳程终不应处理易挥发、易爆、易燃和有毒的介质。
东莞理工学院《化工原理》课程设计说明书题目:列管式换热器的设计学院:班级:学号:姓名:指导教师:时间:目录一.化工原理课程设计任务书 (4)1.1 设计题目:列管式换热器的设计 (4)1.2 前言 (4)1.3 合成氨工业概述 (5)1.3.1 合成氨工业重要性 (5)1.3.2 合成氨的原料及原则流程 (5)1.4 世界合成氨生产技术及进展 (6)1.4.1 国外合成氨技术现状及发展 (6)1.4.2 我国合成氨技术的基本状况 (6)1.5 概述 (7)1.5.1 换热器概述 (7)1.5.2 固定管板式 (8)1.5.3 列管换热器主要部件 (8)1.5.4 设计背景及设计要求 (10)二.热量设计 (11)2.1 设计条件: (11)2.2 初选换热器的类型 (11)2.3 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 (12)2.4 初算换热器的传热面积SO (12)三.机械结构设计 (14)3.1 管径和管内流速 (14)3.2 管程数和传热管数 (14)3.3 换热器筒体尺寸与接管尺寸确定 (16)3.4换热器封头选择 (17)3.4.1 封头选型及尺寸确定 (17)3.4.2 封头厚度选取 (18)3.5 管板的确定 (19)3.5.1 管板尺寸 (19)3.5.2 管板与壳体的连接 (19)3.5.3 管板厚度 (20)3.6换热器支座及法兰选定 (20)3.7 换热器核算 (21)3.7.1管、壳程压强降计及校验 (21)3.7.2 总传热系数计算及校验 (23)四.设计结果表汇 (25)五.参考文献 (26)附:化工原理课程设计之心得体会 (26)一.化工原理课程设计任务书1.1 设计题目:列管式换热器的设计系(院)、专业、年级:学生姓名:学号:指导老师姓名:任务起止日期:1.2 前言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。
热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料,因此,要求制造在换热器的材料具有抗强腐蚀性能。
化工原理课程设计学院: 化学化工学院班级:姓名学号:指导教师:目录§一.列管式换热器1.1.列管式换热器简介1.2设计任务1.3.列管式换热器设计内容1.4.操作条件1.5.主要设备结构图§二.概述及设计要求2.1.换热器概述2.2.设计要求§三.设计条件及主要物理参数3.1. 初选换热器的类型3.2. 确定物性参数3.3.计算热流量及平均温差3.4 壳程结构与相关计算公式3.5 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 3.6计算传热系数k3.7计算传热面积§四.工艺设计计算§五.换热器核算§六.设计结果汇总§七.设计评述§八.工艺流程图§九.主要符号说明§十.参考资料§一 .列管式换热器1.1. 列管式换热器简介列管式换热器又称为管壳式换热器,是最典型的间壁式换热器,历史悠久,占据主导作用,主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。
一种流体在关内流动,其行程称为管程;另一种流体在管外流动,其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广,操作弹性大,因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
为提高壳程流体流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍流程度大为增加。
列管式换热器中,由于两流体的温度不同,使管束和壳体的温度也不相同,因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大(50℃以上)时,就可能由于热应力而引起设备的变形,甚至弯曲或破裂,因此必须考虑这种热膨胀的影响。
1.2设计任务1.任务处理能力:3×105t/年煤油(每年按300天计算,每天24小时运行)设备形式:列管式换热器2.操作条件(1)煤油:入口温度150℃,出口温度50℃(2)冷却介质:循环水,入口温度20℃,出口温度30℃(3)允许压强降:不大于一个大气压。
备注:此设计任务书(包括纸板和电子版)1月15日前由学委统一收齐上交,两人一组,自由组合。
延迟上交的同学将没有成绩。
1.3.列管式换热器设计内容1.3.1、确定设计方案(1)选择换热器的类型;(2)流程安排1.3.2、确定物性参数(1)定性温度;(2)定性温度下的物性参数1.3.3、估算传热面积(1)热负荷;(2)平均传热温度差;(3)传热面积;(4)冷却水用量1.3.4、工艺结构尺寸(1)管径和管内流速;(2)管程数;(3)平均传热温度差校正及壳程数;(4)传热管排列和分程方法;(5)壳体内径;(6)折流板;(7)其它附件;(8)接管1.3.5、换热器核算(1)传热能力核算;(2)壁温核算;(3)换热器内流体的流动阻力1.4.操作条件某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液。
欲将6000kg/h的植物油从140℃冷却到40℃,井水进、出口温度分别为20℃和40℃。
若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa,试选择合适型号的列管式换热器。
定性温度下有机液的物性参数列于附表中。
附表项目密度,kg/m3比热,KJ/(k g·℃)粘度,P a·s热导率,kJ/(m·℃)植物油950 2.261 0.7420.1721.5.主要设备结构图(示例)根据设计结果,可选择其它形式的列管换热器。
1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴固定管板式换热器的示意图§二.概述及设计要求2.1.换热器概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。
在化工厂,换热器的费用约占总费用的10%~20%,在炼油厂约占总费用35%~40%。
换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。
因此,设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,即简称换热器,是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。
换热器的类型按传热方式的不同可分为:混合式、蓄热式和间壁式。
其中间壁式换热器应用最广泛,(1)固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。
固定管办事换热器的两端和壳体连为一体,管子则固定于管板上,它的结余构简单;在相同的壳体直径内,排管最多,比较紧凑;由于这种结构式壳测清洗困难,所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。
当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时,用使用管子于管板的接口脱开,从而发生介质的泄漏。
(2) U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板,换热管为U型,管子的两端固定在同一块管板上,其管程至少为两程。
管束可以自由伸缩,当壳体与U型环热管由温差时,不会产生温差应力。
U型管式换热器的优点是结构简单,只有一块管板,密封面少,运行可靠;管束可以抽出,管间清洗方便。
其缺点是管内清洗困难;哟由于管子需要一定的弯曲半径,故管板的利用率较低;管束最内程管间距大,壳程易短路;内程管子坏了不能更换,因而报废率较高。
此外,其造价比管定管板式高10%左右。
(3)浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。
其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接,可在壳体内沿轴向自由伸缩,该端称为浮头。
浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在,壳体或环热管膨胀时,互不约束,不会产生温差应力;管束可以从壳体内抽搐,便与管内管间的清洗。
其缺点是结构较复杂,用材量大,造价高;浮头盖与浮动管板间若密封不严,易发生泄漏,造成两种介质的混合。
(4)填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。
其特点是管板只有一端与壳体固定连接,另一端采用填料函密封。
管束可以自由伸缩,不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。
填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单,制造方便,耗材少,造价也比浮头式的低;管束可以从壳体内抽出,管内管间均能进行清洗,维修方便。
其缺点是填料函乃严不高,壳程介质可能通过填料函外楼,对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。
2.2.设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求:(1)合理地实现所规定的工艺条件:可以从:①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。
(2)安全可靠换热器是压力容器,在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时,应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
(3)有利于安装操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与拆卸,在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍,根据需要可添置气、液排放口,检查孔与敷设保温层。
(4)经济合理评价换热器的最终指标是:在一定时间内(通常1年内的)固定费用(设备的购置费、安装费等)与操作费(动力费、清洗费、维修费)等的总和为最小。
在设计或选型时,如果有几种换热器都能完成生产任务的需要,这一标准就尤为重要了。
§ 三.设计条件及主要物理参数3.1.初选换热器的类型两流体的温度变化情况如下:(1)植物油:入口温度140℃,出口温度40℃;(2)冷却介质:井水,入口温度20℃,出口温度40℃;该换热器用循环冷却井水进行冷却,由于=+-+=-22040240140m m t T 60℃>50℃,所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,故从安全、方便、经济考虑可以采用带有补偿圈的管板式换热器。
3.2.确定物性参数定性温度:对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
壳程流体(植物油)的定性温度为:T= (140+40)/2=90℃管程流体(水)的定性温度为:t=(40+20)/2=30℃在定性温度下,分别查取管程和壳程流体(冷却水和植物油)的物性参数,见下表3-1:3.3.计算热流量及平均温差3.3.1.热流量以热介质植物油为计算标准算它所需要被提走的热量:Q=m s1c p1(T 1-T 2)=6000x2.261x(140-40)=1356.6kJ/h=376.83kw3.3.2.平均传热温差计算两流体的平均传热温差暂时按单壳程、多管程计算。
逆流时,我们有植物油:140℃→40℃井 水: 40℃←20℃从而,69.4920100ln 20100'=-=∆m t而此时,我们有:00.52010020404014017.01202020140204012212112==--=--===--=--=t t T T R T T t t P式中: 21,T T ——热流体(植物油)的进出口温度,单位℃; 21t t ,——冷流体(井水)的进出口温度,单位℃;R 2+1R-1ln 1-PR 1-P ln 2-P(1+R-2-P(1+R+R 2+1R 2+1))ψ= 87.0)1551(16.02)1551(16.02ln 516.0116.01ln 1515222=+++⨯-+-+⨯-⨯---+=ψ>0.8符合要求则平均温差:△tm='m t ∆×ψ=0.87x49.69=43.23℃3.3.3.冷却水用量由以上的计算结果以及已知条件,很容易算得冷却水用量:Qc=)(12t t C Q pc -=1356600/[4.174x(40-20)]=16250.60㎏/h3.4壳程结构与相关计算公式介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。
壳程内的结构,主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。
由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同,壳程内对各种元件的设置形式亦不同,以此来满足设计的要求。
各元件在壳程的设置,按其不同的作用可分为两类:一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动,来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板,如折流板、纵向挡板。
旁路挡板等;另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。
壳体是一个圆筒形的容器,壳壁上焊有接管,供壳程流体进人和排出之用。
直径小于400mm 的壳体通常用钢管制成,大于400mrn 的可用钢板卷焊而成。
壳体材料根据工作温度选择,有防腐要求时,大多考虑使用复合金属板。
介质在壳程的流动方式有多种型式,单壳程型式应用最为普遍。
如壳侧传热膜系数远小于管侧,则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。
用两个换热器串联也可得到同样的效果。
为降低壳程压降,可采用分流或错流等型式。
壳体内径D 取决于传热管数N 、排列方式和管心距t 。
计算式如下:单管程D =t (n c -1)+(2~3)d 0式中 t ——管心距,mm ;d——换热管外径,mm;n——横过管束中心线的管数,该值与管子排列方式有关。