列管式换热器设计步骤

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五、校核计算
1、校核总传热系数K值
化
工 原 理
2、校核壁温TW 3、校核传热面积A
教
研
室
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山东轻工业学院
1、校核总传热系数K值
化
K 1d 2d 12RS2d d1 2bdm 1dRS111
工
原 理
➢ 管内对流传热系数α2
教 研
➢ 管外对流传热系数α1
室
➢ 污垢热阻及管壁热阻
教
研 室
➢ 结果与原假设值TW校核 ——（TW＝115.6℃）
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3、校核传热面积A
T
化
t2
工
原
理
教
t1
研
室
0
L
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➢ 水蒸汽侧Ts
不变，一壳
程双管程换
t2
热器平均温
度差与逆流
平均温度差
相等。
2L
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➢ 实际所需面积
A' Q K tm
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➢参数说明
d i —— 管内径;
l —— 管长
化
Ft
—— 管程结垢校正系数， 三角形为1.5，
工 原
正方形为1.4；
理 教
N s —— 壳程数，1；
研 室
N p —— 一壳程的管程数，2 。
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λ 计算
➢取ε＝0.2mm，ε/d=0.01
➢ 实际管数n＝NT－NTb－n3
➢ 双管程，每程n/2根排列管子
化 工
➢ 实际流速u ，与初设苯流速u0 校核
原
理 教 研 室
u
ms2
n 2
4
d
2 0
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3、换热器长径比
➢ 确定长径比的取值范围
化
工
原 理 教 研
L 4~6 D
室
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（Φ219×6mm，长200mm）
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3、冷凝水排出口
➢选用水煤气管 1 1 "
化
2
工
原 理
Φ42.25×3.25mm，长100mm
教
研
室
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七、校核流体压力降
➢ 管程总压力降
化
➢ 壳程压力降
工 原
壳程是饱和水蒸汽冷凝，
研
理管内污垢，法兰尺寸见讲义P111－
室
115图4－63及表4－27。
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（5）管板与分程隔板的连接:采用单层隔板，隔 板材料与封头材料一致，厚度s＝10mm。（见 讲义P77表4－19）
化 工 原 理 教 研 室
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隔板 S 管板
S＋ 2
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原
理
弓形排管n＝8，弓形不排管n＝7
教
研 室
➢假设管外壁温TW（115.6℃）
t TS TW
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（3）污垢热阻及管壁热阻
➢ 苯侧污垢热阻RS2＝1.76×10-4m2·℃/W
化 ➢ 蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小，
工 原
水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，
理 教
➢ 碳钢钢管的导热系数λ＝45 W/m2·℃
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8. 管程进出口接管直径：选用无缝热 轧钢管（YB231-64）Φ152×4.5mm 长200mm。
9. 支座的公称直径Dg600mm，每个支
化
座承受的载荷为36.8吨，材料采用
工 原 理
A3F碳素钢；采用鞍形安装。（尺寸 见讲义P117图4－28b，表4－28）
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（1）管内对流传热系数α2
20.02d3R0.e8P0.r4 被加热
化 工 原 理
Re du
教
研 室
Pr CP
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（2）管外对流传热系数α1
1 0.725
r2g3
2
0.25
n3d0 t
化
工
➢n为水平管束垂直列上的管数
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7、封头与管箱
➢ 封头与管箱位于壳体的两端。
（1）封头的选择：选用椭圆形封头，
Dg600×10mm GB1154－73
化 工
（2）封头尺寸：曲面高度150mm，直边高
原 理
度40mm。（讲义P142附表1－2）
教 研
➢ 管程接口管与封头为焊接，封头与壳体
室 为法兰连接，法兰尺寸与上同。
理 教
阻力很小，不校核其压力降。
研
室
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管程总压力降 （P272）
➢ 总压力降计算公式
P t P i P r F t N s N p
化 工 原
➢ 每程直管压力降
Pi
l
di
u2
2
理 ➢ 每程局部阻力引起的压降
教
研 室
P r u 22 3 u 22
➢校 核 ΔPt < 3.0×104Pa
教 研
10. 整个换热器采用卧式安装，安装图
室
见图纸2－1。
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山东轻工业学院
九、参考资料
1. 《列管式换热器及其设计》（讲义）
山东轻工业学院，《化工原理教研
室》编，1987年。
化 工
2. 《化工原理》上册
化学工
原
业出版社，谭天恩主编，1990年。
理
教 3. 《基础化学工程》
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山东轻工业学院
（2）初步设计总管数
n ' A初 圆整n”
化
dL
工
原
理 教
n” 根———三角形排列管数，
研 室
3a2+3a+1
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（3）校核流速、确定管程
化 工
u'
ms2
n"
4
d
2 i
原
理 教 研 室
管程 m u 0 （一般双管程） u'
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设计内容
➢设计说明书
化 工
➢布管图
187
原 理
➢装配图
187
教
研
室
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169 114 169
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山东轻工业学院 化 工 原 理 教 研 室
山东轻工业学院 化 工 原 理 教 研 室
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一、确定定性温度、物性数据
1. 苯的物性数据
教 研
次设计所采用的固定管板式换热器是其
室
中最简单的一种。
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由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧
的对流传热系数大得多，根据壁温
总是趋近于对流传热系数较大的一
侧流体的温度实际情况，壁温与流
化 工
体温度相差无几，因此本次设计不
原 理
采用热补偿装置。
教
研
室
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d 4V
u
教
研 室
➢选用无缝热轧钢管（YB231-64） （Φ150×4.5mm，长200mm）
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2、水蒸汽进口管径
山东轻工业学院
➢ 蒸汽用量
GQ10.03 —富裕量3％
r
➢蒸汽体积流量 V＝Gν
化 工
➢取蒸汽流速u’＝20 m/s
原
理 教 研
D1
4V
u '
室 ➢选用无缝热轧钢管（YB231-64）
教 研
n＝164根，双管程
室 5. 布管图
见图纸2-2。
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6、管板
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(1)管板材料：选用碳素钢A4。 (2)管子在管板上的固定方法：焊接
(3)管板尺寸：Pg＝16kgf/cm2，
化
（见讲义P66表4-8）
工 原
(4)管板与壳体的连接：
理 教
采用法兰连接，拆开顶板可检修或清
研
室
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（4）校核K值 以外表面计算：
化 工
K 1d 2d 12bdm 1 dRSd d1 211
原
理
教 研
➢计算K值与原设值K初比较
室
使相对误差<5%
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2、校核壁温TW
Q 1A T T W
化 工 原 理
TW
T
Q
1A
2.
t1 、t2 、tm 、ρ２ 、CP2 、μ2 、
化
λ2
工 原
2.
水蒸汽的物性数据
理 教
3.
Ts 、ρ１ 、γ１
研 4.
室
同温度下水的物性
5.
ρ 、μ 、λ
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二、换热器的类型及流体走向
➢ 卧式固定管板式换热器
➢ 水蒸汽走壳程，苯走管程
化
➢ 不需要进行热补偿
化工原理课程设计
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列管式换热器设计
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设计题目
山东轻工业学院
拟用200Kpa的饱和水蒸气将常压下 20℃的苯加热到80℃，
①苯的质量流量为50t/h—单号
②苯的质量流量为40t/h－双号
试设计一列管式换热器。
已 知 仓 库 中 现 有 Φ25×2.5mm， 长 6m的碳钢钢管
化
➢实际提供面积 Ad0Ln
工
原
理 教
➢余度
AA' 20%
研
A
室
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六、进出口管径
➢苯进口管、出口管
化 工
➢水蒸汽进口管径
原 理
➢冷凝水排出口
教
研
室
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山东轻工业学院
1、苯进口管、出口管
➢ 取进口流速u1＝1m/s ➢ 进口直径
化 工 原 理
化
工➢
原 理
A' Q K初tm
教 研
➢选用安全系数Φ＝1.15～1.25
室 ➢A初＝ΦA’
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四、换热器尺寸的初步确定
➢ 确定管程结构尺寸
化
➢ 壳程设计数据
工 原
➢ 换热器长径比
理
教
研
室
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山东轻工业学院
1、确定管程结构尺寸
➢管子规格
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（4）管间距及排列方式
➢ 管间距t＝（1.25～1.3）d0 ➢ 采用三角型排列
➢ 根据总管数n”确定层数a，
化 工 原
➢ 是否弓形排管，确定NT ➢ 最外层六角形对角线上管数
理源自文库教
NTb＝2a+1
研 室
➢ 采用胀管法排列
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2、壳程设计数据
工 原
➢ 不需要加折流挡板
理
教
研
室
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山东轻工业学院
三、工艺计算
1、热负荷即传热速率Q
化
2、平均温度差Δtm
工 原 理
3、选K值，估算传热面积A初
教
研
室
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山东轻工业学院
1、热负荷即传热速率Q
QKAtm
化
工 原
Q m S 2 c P 2 t 2 t 1 m S 1 c P 1 T 1 T 2
➢ 壳体内径
D＝t（NTb－1）+ 2 b’
t －管间距
化
工 原 理
NTb －最外层六角形对角线上管数 b’ －六角形最外层管中心到壳体
教 研
内
室
壁距离，取b’＝（1～1.5）d0
➢ 壳体内径标准圆整到ΦD×δmm
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➢ 中心拉杆n3根 直径Φ12mm
双管程隔板少排NTb根
化 工
➢
Re du
原
理
教
➢查图可知λ
研
室
（化工原理上册P43图1－28）
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山东轻工业学院
八、换热器尺寸及附属部件
1. 管间距： t＝32.5mm
2. 壳体直径：Φ600×10mm，内径D＝
580mm
化 工 原 理
3. 壳体材料：碳素钢A3F，钢板卷焊 4. 管子尺寸：Φ25×2.5mm，L＝3.0m，
化
➢初步设计总管数
工 原
➢校核流速、确定管程
理 教
➢管间距及排列方式
研
室
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山东轻工业学院
（1）管子规格
➢ 库存Φ25×2.5mm，L＝3.0m的光滑碳
化
钢钢管
工 原
➢ 取管内苯的流速为u0 （0.60 m/s）
理 教
——苯系易燃易爆物
研 室
流速一般低于1 m/s
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上海科
研 室
学技术出版社，编写组，1980年。
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十、对一些问题的说明
列管式换热器是目前化工生产中应用最
广泛的一种换热器，它的结构简单、坚
固、容易制造、材料范围广泛，处理能
化
力可以很大，适应性强。但在传热效率、
工 原 理
设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗 量等方面还稍次于其他板式换热器。此
理
教 研 室
Qms1r
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2、平均温度差Δtm
山东轻工业学院
➢ 由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把
两流体的平均温度差看作是逆流来计算
（双管程）
化
工
原 理 教 研
tm
t1 ln
t2 t1
室
t2
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山东轻工业学院
3、选K值，估算传热面积A初
➢ 根据条件K值在580～1160 W/m2·℃ （K＝ 680W/m2·℃）