苏招太的列管式换热器设计的毕业论文1

酒 泉 职 业 技 术 学 院

毕 业设计（论 文）

级

题 目： 列管式换热器的应用技术

毕业时间： 2012年6月 学生姓名： 苏招太 指导教师： 王峻

班 级： 09石化2班

2011 年 6月10日

酒泉职业技术学院 2009 届各专业

毕业论文（设计）成绩评定表

说明：1、以上各栏必须按要求逐项填写.。2、此表附于毕业论文 (设计)封面之后。

摘 要

提出了在设计列管式换热器时的整体优化、简化设计的计算步骤及过程，从而可使便于计算，以获适宜或最优化设计。

关键词：换热器，简化，热流量，折流挡板

目录

摘 要 ................................................................................................................................ 3 引 言 ................................................................................................................................ 5 一、方案简介 ...................................................................................................................... 6 二、方案设计 ...................................................................................................................... 7 2.1 确定设计方案 ......................................................................................................... 7 2.1.1 选择换热器的类型 ............................................................................................. 7 2.1.2 流动空间及流速的确定 ..................................................................................... 7 2.1.3 设计和选用的计算步骤 ..................................................................................... 7 2.2、确定物性数据 ......................................................................................................... 8 2.3计算总传热系数 ........................................................................................................ 8 2.3.1 热流量 ................................................................................................................. 8 2.3.2 平均传热温差 ..................................................................................................... 9 2.3.3 冷却水用量 ....................................................................................................... 9 2.3.4 总传热系数K ..................................................................................................... 9 2.4 计算传热面积 ......................................................................................................... 10 2.5 工艺结构尺寸 ......................................................................................................... 10 2.5.1 管径和管内流速及管长 ................................................................................... 10 2.5.2 管程数和传热管数 ........................................................................................... 10 2.5.3 平均传热温差校正及壳程数 ........................................................................... 10 2.5.4 传热管排列和分程方法 ................................................................................... 11 2.5.5 壳体内径 ........................................................................................................... 11 2.5.6 壳体内径 ......................................................................................................... 11 2.5.7 接管 ................................................................................................................... 12 2.6 换热器核算 ............................................................................................................. 12 2.6.1 热量核算 ........................................................................................................... 12 2.6.2 换热器内流体的压力降 ................................................................................... 14 三 列管式换热器的设计和选用应考虑的问题 ............................................................ 16 3.1 冷、热流体流动通道的选择 ................................................................................. 16 3.2流速的选择 ............................................................................................................... 16 3.3 流动方式的选择 ...................................................................................................... 17 3.5折流挡板 ................................................................................................................... 18 3.5.1 流体通过换热器时阻力的计算 ....................................................................... 19 3.5.2 管程阻力损失 ................................................................................................... 19 四、设计结果一览表 ........................................................................................................ 21 五、总结 ............................................................................................................................ 22 致 谢 ................................................................................................................................ 23 参考文献 ............................................................................................................................ 24 主要符号说明 .................................................................................................................... 25

引 言

列管式换热器是一种结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广的换热器.因此在石油、化工生产中，尤其是高温高压等大型换热器的主要结构形式分类,在化工、石油炼制等工业生产中，换热器被广泛使用。随着化工、炼油的迅速发展，各种新型换热器不断些传统的换热器的结构也在不断改进、更新。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性，不断降料消耗提高

一、方案简介

本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.

选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。

二、方案设计

某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93℃冷却到50℃。处理能力为1×105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度27℃，出口温度37℃。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行）

2.1 确定设计方案

2.1.1 选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度93℃，出口温度50℃冷流体。冷流体进口温度27℃，出口温度37℃。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。 2.1.2 流动空间及流速的确定

由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。 2.1.3 设计和选用的计算步骤

设有流量为去qm,h的热流体，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。由此已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力

。根据传热速率基本方程：

则是由传热面积A的大

当Q和

已知时，要求取传热面积A必须知K和

小和换热器结构决定的。可见，在冷、热流体的流量及进、出口温度皆已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算，按以下步骤进行。

初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数

大于0.8，否则应改变流动

方式，重新计算。计算热流量Q及平均传热温差△tm，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A估。选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。

2.2、确定物性数据

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 硝基苯在71.5℃下的有关物性数据如下：

密度 ρo=1154 kg/m3 定压比热容 cpo=1.558kJ/(kg·℃)

导热系数 λo=418.4×30.9×10-5＝0.129 W/(m·℃) 粘度 μo=0.000979 Pa·s 冷却水在32℃下的物性数据： 密度 ρi=994.3kg/m3 定压比热容 cpi=4.24 kJ/(kg·℃) 导热系数 λi=0.618 W/(m·℃) 粘度 μi=0.000818 Pa·s

2.3计算总传热系数

2.3.1 热流量

Wo=1×105×1000÷300÷24≈13889kg/h

Qo=WocpoΔto=13889×1.558×(93-50)=930479.7 kJ/h=258.5 kW

2.3.2 平均传热温差

t1 t2(93 37) (50 27)

37.1℃ 1lnln t250 27

t'm

2.3.3 冷却水用量

QO930479.7 21945.3kg/h cpi ti4.24 （37 27）

Wi

2.3.4 总传热系数K

管程传热系数

Re

diuipi

i

0.02 0.5 994.3

12115

0.000818

idiuipi0.8cpi i0.4

i 0.023）（）

di i i

0.6184.24 103 0.0008180.40.8

0.023 12115 （）

0.020.618

2618.2W（/m ℃）

壳程传热系数

假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)；

污垢热阻Rsi=0.000344 m2·℃/W , Rso=0.000172 m2·℃/W 管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)

K

1o＋Rio＋o＋Rso＋ ididi dm o

1

＋0.000344 ＋＋0.000712＋

2618.2 0.0200.02045 0.0225290

400W（/m ℃）

2.4 计算传热面积

Q285.5 103

S 19.24m2

K tm400 37.1

''

考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.24=22.12m2

2.5 工艺结构尺寸

2.5.1 管径和管内流速及管长

选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s，选用管长为3m

2.5.2 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

22.12

Ns 94根

dol3.14 0.025 3

A实

按单程管计算其流速为

u

Wi（/3600 994.3）21945.3/(3600 994.3)

0.21m/s22

dins3.14 0.02 94

44

按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。则该换热器管程数为

Np

ui0.5

2 u0.21

(管程)

传热管总根数 N=94 (根) 2.5.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

93 3756R 2.43

50 2723

P

50 2723

0.41

93 3756

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得 t 0.90 平均传热温差

'

tm t tm 0.90 37.1 33.39℃

2.5.4 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，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，则

t=1.25×25=31.25≈32(mm) 横过管束中心线的管数

NC 1. 10.7 11根

得到各程之间可排列11支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，则实际换热器为98根 2.5.5 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为

圆整可取D＝400mm 2.5.6 壳体内径

D 1.05t

N

1.05 32

98

389.4mm 0.7

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＝0.25×400＝100mm，故可取h＝100 mm。 取折流板间距B＝0.5D，则B＝0.3×400＝200mm，可取B为200。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块)折流板圆缺面水平装配。

2.5.7 接管

壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为 u＝1..0 m/s，则接管内径为

d1

4V

u

4 13889（/3600 1154）

0.065m

3.14 1.0

取标准管径为108 mm×11mm。

管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为

d2

4 21945.3（/3600 994.3）

0.072m

3.14 1.5

取ф76mm×6.5mm无缝钢管。

2.6 换热器核算

2.6.1 热量核算

①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式

o 0.36

de

Reo

0.55

/3Pr1（

0.14

） w

当量直径，由正三角形排列得

4(de

2 23

t do)4( 0.0322 0.0252) 0.020m do3.14 0.025

壳程流通截面积

So BD（1

do0.025

） 0.2 0.4 （1 ） 0.0175m t0.032

壳程流体流速及其雷诺数分别为

uo

13889（/3600 1154）

0.191m/s

0.0175

0.02 0.191 1154Reo 4503

0.000979

普兰特准数

1.558 103 0.000979Pr 11.8

0.129

粘度校正 （

0.14

） 1 w

o 0.36

0.129

10632.40.55 11.81/3 1 866.6W（/m2 ℃）

0.02

②管程对流传热系数

i 0.023

i

di

Re0.8Pr0.4

管程流通截面积

Si 0.785 0.022 98/2 0.0148m2

管程流体流速

21945.3（/3600 994.3）

0.414m/s

0.0148

0.02 0.414 994.3Rei 10064.6

0.000818ui

普兰特准数

4.24 103 0.000818Pr 5.6

0.618 0.618

i 0.023 10891.10.8 5.60.4 2402.3W/(m2 ℃）

0.02

③传热系数K

K

1

o＋Rio＋o＋Rso＋ ididi dm o

1

0.0250.0250.0025 0.0251

＋0.000344 ＋＋0.000712＋

2402.3 0.0200.02045 0.0225866.6 347.5W（/m2 ℃）

④传热面积S

Q258.5 103S 20m2

K tm347.5 37.1

''

该换热器的实际传热面积Sp

Sp dolN 3.14 0.025 （3 0.06） （98 11） 22.2m2

该换热器的面积裕度为

H

Sp S''

S

100%

22.2 20

11% 20

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 2.6.2 换热器内流体的压力降

①管程流动阻力

∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp Ns=1, Np=2, Ft=1.5

l u2 u2

P， P2 1 i

d22

由Re＝10064.6，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037 W/m·℃，

流速ui＝0.414m/s，ρ＝994 .3kg/m3，所以

3994.3 0.4142

P1 0.037 472.9Pa

0.022994.3 0.4142

P2 3 255.6Pa

2

1.5 2 2185.5Pa＜10kPa Pi （472.9 255.6）

管程压力降在允许范围之内。

②壳程压力降

P P）FtNs P（

o

'

1

'2

Ns 1,Ft 1

流体流经管束的阻力

P Ffonc(NB 1)F 0.5

'1

2

uo

2

fo 5 10064.6 0.228 0.6114nc 11,NB 14,uo 0.191

1154 0.1912

P 0.5 0.6114 11 (14 1) 1064.1Pa

2

'1

流体流过折流板缺口的阻力

2

2B uo

P NB(3.5 )

D2

B 0.2m,D 0.4m'2

2B u2 0.21154 0.191) 14 (3.5 ) 736.7PaD20.42

总压力降 Po （1064.1 736.7） 1 1 1800.8＜10kPa P2' NB(3.5

2

o

2

壳程压力降也比较适宜。

三 列管式换热器的设计和选用优化技术

3.1 冷、热流体流动通道的选择

在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，下列几点可作为选择的一般原则不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。以上各点常常不可能同时满足，应抓住主要方面，例如首先从流体的压力、防腐蚀及清洗等要求来考虑，然后再从对阻力降低或其他要求予以校核选定。

3.2流速的选择

流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表4.7.1及表4.7.2列出一些工业

常用的流速范围，以供参考。

表3-1 列管换热器内常用的流速范围