浮头式换热器设计

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生物工程专业《化工原理课程设计》说明书

题目名称浮头式换热器的设计

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学生姓名

指导教师

2012 年06 月08 日

目录

1、设计方案................................................................................ 错误！未定义书签。

2、衡算........................................................................................ 错误！未定义书签。

2.1确定设计方案 ................................................................... 错误！未定义书签。

2.1.1换热器的类型.............................................................. 错误！未定义书签。

2.1.2 管程安排..................................................................... 错误！未定义书签。

2.2确定物性数据 ................................................................... 错误！未定义书签。

2.3估算传热面积 ................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.1 热负荷......................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.2 热流体用量................................................................. 错误！未定义书签。

2.3.3 平均传热温差......................................................... 错误！未定义书签。

2.3.4 初算传热面积............................................................. 错误！未定义书签。

2.4换热器工艺结构尺寸设计 ............................................... 错误！未定义书签。

2.4.1 管径和管内流速......................................................... 错误！未定义书签。

2.4.2管程数和传热管数..................................................... 错误！未定义书签。

2.4.3 平均传热温差校正..................................................... 错误！未定义书签。

2.4.4 传热管排列................................................................. 错误！未定义书签。

2.4.5 壳体直径..................................................................... 错误！未定义书签。

2.4.6 折流板......................................................................... 错误！未定义书签。

2.4.7接管............................................................................. 错误！未定义书签。

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

3.1传热面积校核.................................................................... 错误！未定义书签。

3.1.1管程传热膜系数.......................................................... 错误！未定义书签。

3.1.2 壳程传热膜系数......................................................... 错误！未定义书签。

3.1.3 总传热系数................................................................. 错误！未定义书签。

3.1.4 传热面积校核............................................................. 错误！未定义书签。

3.2换热器内压降的核算...................................................... 错误！未定义书签。

3.2.1 管程阻力..................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.2 壳程阻力..................................................................... 错误！未定义书签。

4、设备选型................................................................................ 错误！未定义书签。

4.1管子排列方式的选择 ....................................................... 错误！未定义书签。

4.2折流板的选择 ................................................................... 错误！未定义书签。

4.3除污垢措施的选择 ........................................................... 错误！未定义书签。

4.4材料的选择 ....................................................................... 错误！未定义书签。

5、附录及图表............................................................................ 错误！未定义书签。

6、设计总结................................................................................ 错误！未定义书签。

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

1、设计方案

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛地使用各种换热器，且他们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%。在某工厂的生产过程中，因生产需要，需用水回收甘油的热量。已知水将甘油从120℃冷却至50℃，且甘油的压力不大于0.1MPa 。水的流量为50m 3/h ，水的入口温度为28℃，出口温度为78℃，压力不大于0.1MPa ，请设计一台换热器能完成上述任务。 2、衡算

2.1 确定设计方案 2.1.1换热器的类型

两流体的温度变化情况：水的进口温度28℃，出口温度为78℃；甘油的进口温度为120℃，出口温度为50℃，本组为浮头式换热器。 2.1.2 管程安排

对于一般压力较高的流体流经管内，因为管子直径小，承受高压能力好，所以水走管程，又被冷却物料一般走壳程，便于散热，所以甘油走壳程。 2.2 确定物性数据

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、出口温度平均值。

故壳程甘油的定性温度为

12050

852T +=

=℃ 管程流体的定性温度为

2878

532

T +==℃

在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(水和甘油)的物性参数，见下表：

表1 冷热流体的物性参数

物质 密 度 (kg/m 3) 比热

容

(kJ/kg·℃)

黏 度 (Pa·s) 导热系数 (W/m·℃) 甘油 水 810

985.6

2.22 4.176

0.9×10-3 509.6×10-6

0.18 65.4×10-2

2.3 估算传热面积

2.3.1 热负荷（忽略热损失）

6m c p c 985.610 4.17650 2.0610Q C T ?=???=?，，KJ/h =572kW

2.3.2 热流体用量（忽略热损失）

()

3

m,h

3

p h 2157210 3.7kg /s 13320() 2.221012050T Q Q C T T ?====-?-，kg/h 2.3.3 平均传热温差

先按纯逆流计算，得

m 7050602t +?==℃

2.3.4 初算传热面积

参照列管式换热器中K 值大致范围表[1],可假设K=350W/(m 2·℃)则估算的传热面积为

3

57210===2735060

T m Q S K t ???估m 2

2.4 换热器工艺结构尺寸设计 2.4.1 管径和管内流速

参照列管式换热器内常用的流速范围表[3]，取管内流速为1i u =m/s ，并取s N =24管径用下式计算

50/3600

27.150.785241

4

v s q d N u

π

=

=

=????mm

又由于考虑到市场上管径的一般规格大小，所以我们选用φ30×1.0mm 的管子。 利用试差法，计算管内流速为：

2

2

50/3600

==0.940.7850.028244v i s q u d N π=????m/s 2.4.2 管程数和传热管数

由于s N =24，按照单管程，所需的传热管长度为

27

123.140.02824

s

S L d N π=

=

=??估

m

按照单管程设计，由于传热管太长，故宜采用多管程设计。根据实际情况，采用非标准管长设计，取传热管长3l =m ，则该换热器的管程数为

12

43

P L N l ===

传热管总根数244=96n =? 2.4.3 平均传热温差校正

平均温差校正系数计算如下

2111782850

0.541202892t t P T t --=

===-- 12211205070

1.4782850

T T R t t --=

===-- 按单壳程，双管程结构，查阅温度差校正系数t ??值的表[2]，查得0.82t ??= 平均传热温差 '0.8260=49.2m t m t t ???=?=?（℃）

由于平均传热温差校正系数大于0.8，故可以采取单壳程合适。 2.4.4 传热管排列

采用组合排列法，每管程内采用正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 取管心距01.25t P d =,则 1.253038t P =?≈mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离 6252t P

Z =+=mm

各程相邻管的管心距为50mm 。 2.4.5 壳体直径

采用多管程结构，壳体直径按式

1.05 1.0538960.62496.5t D P n η==??=mm 可取500D =mm

2.4.6 折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的30%，则切去的圆缺高度为0.30500150h =?=mm

取折流板间距0.3B D = ()0.2D B D <<，则0.3500150B =?=mm 折流板数目30001119150

B l N B =-=-= 2.4.7 接管

壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为12u =m/s ，则接管内径为

()1413320/810/360040.05393.142

v

q D u π?=

==?m 圆整后可取管内径为D 1=54mm ，根据试差法计算管内液体流速为

()1221413320/810/36004=

==1.9963.140.054

v q u D π??m/s 管程流体进出口接管：取接管内流体流速2 2.5u =m/s ，则接管内径为

224450/3600

0.8413.14 2.5

v q D u π?=

==?m 圆整后可取管内径为2D =85mm ，根据试差法计算管内液体流速为

222

24450/3600=

==2.4493.140.085

v q u D π??m/s 3、换热器核算 3.1传热面积校核 3.1.1管程传热膜系数

按照下式进行计算

0.80.40.023

Re Pr i i

d λ

α=

管程流体流通截面积

2i i n 96

=d =0.7850.028=0.0295422S π??m 2

50/3600

0.4710.0295

i u ==m/s

6

0.0280.471985.6

Re 25507509.610

i i d υρ

μ

-??=

=

=? 普朗特数 364.17610509.610Pr 3.340.638

p C μ

λ-???=== 0.80.40.648

0.02371289 3.349208.50.02

i α=?

??=W/(m 2·

℃)

3.1.2 壳程传热膜系数

用下式计算

0.14

0.55131

'0.36Re Pr i w d λμαμ??

=??? ?

??

管子是按照正三角形排列，传热当量直径为

22220'0334

)4(0.0380.03)24240.0233.140.03

e Pt d d d ππ

π-?-?=

==?（m 壳程流通截面积为

030115050010.015838t d S BD P ????

=-=??-= ? ?????

m 2

壳程流体流速及其雷诺数分别为

()

13320/8103600=

=0.290.0158

u ?m/s

003

0.0280.29810

Re 72280.9110

d u ρ

μ

-??=

=

=? 普朗特数 332.22100.9110Pr 110.18p C μ

λ-???=== 黏度校正 0.14

0.95w μμ??

≈ ?

??

0.55130.180.367228110.956480.028

α=?

???=W/(m ２

·

℃) 3.1.3 总传热系数

首先对于污垢热阻和管壁热阻，参照壁面污垢热阻的数值范围表［１］，管外侧污垢热阻40 1.719710R -=?(m ２·℃)/W 管内侧污垢热阻41.719710i R -=?(m ２·℃)/W 。已知管壁厚度0.001b =m ，查固体材料的热导率表[2]，碳钢在该条件下的热导率为52λ=(W/m·℃)。 故总传热系数K 为

01

4361

i i i i m K d d bd R R d d d αλα

=

=++++W/(m 2·℃)

3.1.4 传热面积校核

由下式可得所计算传热面积'S 为

3

m 57210'==21.865k t 43660

T Q S ?=??m 2

换热器的实际传热面积为S

3.140.0339627.1296T S d lN π==???=m ２

换热器的面积裕度为

27.1296

1.24'21.865

S S ==

传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。 3.2 换热器内压降的核算 3.2.1 管程阻力

管程总阻力可以采取下式计算

12()i s p t P P P N N F ?=?+?

式中 1p ?、2p ?—分别为直管和回弯管中因摩擦阻力而引起的压降，Pa t F —结垢校正因数，对φ30×

1.0mm 管子取1.4 p N —管程数

s N —串联的壳程数

又=1s N ，=4p N ，=1.4t F

由255072000e R =>，为湍流，又传热管的相对粗超度为0.01，查相关文献中的~e R λ双对数坐标图［１］得0.042λ=W/m·℃，流速0.471i u =m/s ，985.6ρ=kg/m 3， 所以

22130.471985.60.04249220.0282i u l P d ρλ??=?=??=Pa 2

22985.60.4713332822

i u P ρ??==?=Pa

()=49232814 1.4=4592i P ?+???Pa <0.1MPa

管程流体阻力在允许的范围之内。 3.2.2 壳程阻力

按下式计算

()''

12=t s P P P F N ?+?

其中1s N =， 1.15t F = 流体流经管束的阻力

()

2

'

1

12

c B P Ff n N ρυ?=+

0.5F =

0.288

722850.3869f -=?=

1.1 1.19610.8c n n ==?= 19B N =

00.29u =m/s

故

()2

'

1

8100.2919114232

0.50.386910.8P ?+?

=?=???Pa

流体流过折流板缺口的阻力为

2

223.52B h N D P ρυ?

?=- ??

??

其中h=0.15m ，0.5D =m ，则

2

'

220.158100.2919 3.518770.52P ???

?=?-?

= ???

?Pa 总阻力()142318771 1.244092P ?=+??=Pa <0.1MPa 故壳程阻力在允许的范围内。 4、设备选型

4.1 管子排列方式的选择

管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形错列，我们选择了正三角形排列方式。正三角形排列的优点是接凑度高，相同管板面积上可排管数多，壳程流体扰动性好，有较高的传热性能比，应用最为普遍，但其缺点就是不易清洗，常用于清洁的流体。本设计考虑到管子数目较多，又由于是4管程，则需采用组合排列，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。 4.2 折流板的选择

安装折流板的目的是提高壳程对流传热系数，为了取得良好的换热效果，挡板的形状和间距必须适当。

相邻挡板的距离(板间距)一般取换热器外径你给的0.2~1.0倍。浮头式换热器的板间距有150mm 、200mm 、300mm 、400mm 、600mm 五种。在此次设计中，根据计算和综合各方面因素考虑，选择板间距为150mm ，并且采用弓形折流板。 4.3 除污垢措施的选择

化学清洗易对设备产生腐蚀，因此在此次的除污垢措施中，采用软机械清洗，这种清洗方法依靠插入物的在管内的运动，与管子内表面接触，达到去除污垢的效果。这种软机械清洗又称在线软件清洗，常见的方法有旋转螺旋线法、液固流态化法、旋转纽带

法、海绵胶球在线清洗法。而此次我们采用的是海绵胶球在线清洗法，此方法是将直径比管子内径稍大的海绵球挤入管内以起到除垢的目的。又查的，胶球循环一次所需时间一般为30秒，胶球补充周期为胶球清洗系统累计运行7次，也可根据使用的具体情况不同调整补充周期。胶球的更换周期：根据国产球使用统计，其更换周期为胶球清洗字体累计运行60次。

4.4材料的选择

换热器材料应该根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。

金属材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铜和铝。

非金属材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃、普通胶球。

不锈钢和有色金属材料抗腐蚀性能好，但价格相对较高。综合考虑到经济、安全等因素，我们选择了碳钢管子。

设备选型汇总表

名称规格型号数量厂家

折流板换热管壳体

管程接管壳程接管螺柱

法兰

支座

定距管压力阀普通胶球上管板下管板高250mm

φ30?1.0mm

厚1.0mm

85mm

54mm

M20

RF 550-2.5

耳式支座B2

φ30?1.0mm

25mm

402-101H-07

GB/T14976

Q235-A

BR01-A

BR006

JB-T4707-2000

HG20615

JB1165-732

GB/14976-1994

SL100XL

PSJJ7A132-0-2

PSJJ7A132-0-6

19

96

1

2

2

72

1

265

1

1

1

1

1

海东不锈钢有限公司

宝丰钢业

淄博泰勒换热设备有限公司

上海化工装备有限公司

上海化工装备有限公司

沙河市四方紧固件有限公司

武汉威孚热工技术有限公司

河北同力自控阀门制造有限公司

上海斯普热能技术有限公司

成都莱峰科技有限公司

连云港式泰格电力设备有限公司

澳昭美金属材料有限公司

澳昭美金属材料有限公司

5、附录及图表

附表 1 换热器主要结构尺寸和计算结果

项目结果单位

水的流量

水的进(出)口温度水的压力

甘油的进(出)口温度水的密度

水的比热容

水的热导率

水的黏度

甘油的密度

甘油的比热容

甘油的热导率

甘油的黏度

热负荷

水的定性温度

甘油的定性温度

热流体用量

平均传热温差

管径

管长

管数目

管心距

壳体直径

折流板的圆缺高度折流板的间距

折流板的数目

接管壳程内径

接管管程内径

管程流速

壳程流速

管程传热系数

壳程传热系数

管外侧污垢热阻

管内侧污垢热阻

总传热系数

传热面积

裕度

管程阻力

壳程阻力50

28（78）

0.01

120（50）

985.6

4.176

65.4×10-2

509.6×10-6

810

2.22

0.18

0.91×10-3

572

53

85

13320

60

Φ30×1.0

3

96

38

500

150

150

19

54

85

0.471

0.29

2845.9

648

1.7197×10-4

1.7197×10-4

436

27.1296

1.24

4592

4092

m3/h

℃

MPa

℃

kg/m3

kJ/kg·℃

W/m·℃

Pa·s

Kg/m3

kJ/(kg/℃)

W/m·℃

Pa·s

kW

℃

℃

kJ/h

℃

mm

m

根

mm

mm

mm

mm

块

mm

mm

m/s

m/s

W/ (m2·℃)

W/ (m2·℃)

m2·℃/W

m2·℃/W

W/ (m2·℃)

m2

Pa

Pa

6、设计总结

在此次的化工原理课程设计中，我们所做的内容是设计一台浮头式换热器，用水回收甘油的热量。对于此次的浮头式换热器，其本生存在着优点和缺点，其中，该换热器的管子和管间在清洗时方便，检修也方便，且具有热补偿能力，但是其传热面不便于调整，结构也复杂，造价又高。此次的传热管在管板上的排列方式选用了组合式的方法，每程内均按正三角形排列，这样可以在同样的管板面积上排列最多的管束数，可以节省些材料。管子的管径为 30×1.0mm，对于一般易结垢的物料，为方便清洗，会采用该规格下的管径，对于其它类型的换热器来说，虽然该换热器的相对费用要高点，但相对于其他换热器来说还是浮头式换热器好。

7、参考文献

[1]王志魁，刘丽英，刘伟. 化工原理[M]. 第四版. 化学工业出版社，北京，2010.

[2]申迎华，郝晓刚. 化工原理课程设计[M]. 化学工业出版社，北京，2009.

[3]黄英. 化学过程设计[M]. 西北工业大学出版社，西安，2005.

[4]齐玉来，牛勇胜，马婕.AutoCAD建筑制图[M]. 清华大学出版社，北京，2006.