换热器设计说明书.docx
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换热器设计说明书
甲醇■甲醇换热器II的设计
第一部分设计任务书
一，设计题目
甲醇-甲醇换热器II的设计
二，设计任务
1,热交换量：
8029.39kw
2,设备形式：
长绕管式换热器
三，操作条件
1甲醇：
入口温度7.83°C,出口温度-31.68°C
2甲醇：
入口温度-37.68°C,出口温度1.00°C
3允许压强降：
管侧不大于1.5*105pa壳侧不大于2.9*10’pa.四，设计内容
1设计方案简介：
对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。
2换热器的工艺计算：
确定换热器的传热面积和传热系数。
3换热器的主要结构尺寸设计。
4主要辅助设备选型。
5绘制换热器总装配图。
第二部分换热器设计理论计算
1,计算并初选换热器的规格
（1）两流体均不发生相变的传热过程，管程，壳程的介质均为甲醇。
（2）确定流体的定性温度，物性数据。
管程介质为甲醇，入口温度为7.83°C,出口温度-31.68°Co
壳程介质也为甲醇，入口温度・37.68°C,出口温度1.00°Co管侧甲醇的定性温度:
打=7兀：
型=-H.925°C。
2
壳侧的甲醇定性温度：
仏=二门卑V—1&34°C。
2
两流体在定性温度下的物性数据：
流体
物性
温度
°C
密度P
%,
粘度U
mp*s
比热容GkJ/（kg*°C）
导热系数
X
W/（m*°C）
热交换量
kw
甲醇
-11.925
826.225
1.087
2.345
0.2132
8029.39
甲醇
-18.34
835.4
1.186
2.335
0.2147
8029.27
⑶传热温差
△_7厂力）一72一"_（7.83-1）-[-31.8—（-37.68）]_6.83-6—钳％°C
」厂T-7・83-（一31・68）_39・51
r-f"1-（-37.68）~38.68"）
p=hzk=1—（—37S）=坯=085
「-匕7.83-（-37.68）45.51…
由R和P查图得到校正系数为：
处ul,所以校正后的温度为
=^=6.406°C（查传热课本P288）
（4）计算热负荷Q
Q=MiCp」T厂「）=312379.8*2.345*39.51/3600=8039.524kw
（5）初步选择换热器的规格：
根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢清洗要求等条件选择适宜的换热器。
初选换热器的规格如下：
壳体直径：
管排方式：
正三角形规则错列排列
管尺寸：
4>25*2.5mm（不锈钢管）
管数：
N=558
管程数：
1
管孔间距：
100mm
换热管长：
L=103934mm
管板规格：
管板厚度：
管子与管板：
焊-胀
管绕层数：
31
层间距：
2
绕管高度：
9058.4mm
绕管束规格：
2280mm
芯铜直径：
600mm
（6）计算并确定管根数:
管程热流体体积流量:
_也_312379.8
Vi~~p~826.225*3600
选用4）25*2.5规格不锈钢管，并设管内的流速vi=0.6m/s所需管子根数n：
n=,l^di2u,
则心4仏=—4*0.1051_诫儿3.14*0.02‘*0・6式中：
认--体积流量〃叨仏--管内的流速d一管子内径加加
（7）绕管方式（31层）
壳侧济体
管内侧流体
JJJ
IJ]
图1单管缠绕管式热交换器概略图
D=600〃〃〃
d=25mm
e=5mm
滋=558（根）
则由Dj=/>+O—l）"+M+2e得:
£>,=600+25+2*5=635mm
D?
=Di+2d+2a=689〃〃”
D产D、+2d+2a=743mm
取
Y）
绕管层数（n）
缠绕管径（Dj）
管根数
1
635
8
2
689
8
3
743
9
4
797
10
5
851
10
6
905
11
7
959
12
8
1013
13
9
1067
13
10
1121
14
11
1175
15
15
1229
15
13
1283
16
14
1337
17
15
1391
17
16
1445
18
17
1499
19
18
1553
19
19
1607
20
20
1661
21
21
1715
22
22
1769
22
23
1823
23
24
1877
24
25
1931
24
26
1985
25
27
2039
26
28
2093
26
29
2147
27
30
2201
27
31
2255
27
2,计算总传热系数和总面积：
（1）缠绕管式换热器模型的建立:
几何结构模型：
1M
图2缠绕管式换热器几何结构示意图
图3错流流动示意图
架设在壳侧流体流动方向上相邻两绕管间距为一常数，且相反缠绕方
向的相邻两绕管相对位置为x,则有两个特征位置：
Smax={[（C+C/）/2]~+（d+/?
）2}
当x="即x=巧=62.5〃〃胡寸，亍=a=2mm.
22Jmm
当X=0时，相邻两绕管间的间隙几将处于几和与几in之间，其计算公式:
（c+J）/2$・=[%•+〃）]严积分结果
fX『2%
=凹c+〃+迪讪上L+u（c+d
几2L屮2d+2”E22/U+（2d+2d门
仝型空%+2±2£^2^型占（
4+2*25
2L丄十I八卄X丿」100+254+50卩十（土厶。
-丿」=8.7712
式中：
51=^2*110.0/7*H4=3.14*2‘*11°°/7*31/4=1529.6加〃,
32=加'*（"一灯*//（4°*厶）=3.14*2‘*（558-31）*105015/（4.0*105015卞）!
15°）
=18981.3mm
壳体流道截面积：
Z）jD+伙-l）*G+k*d+S,“
=600+（31-1）*2+31*25+8.7712
=1443.7712〃〃“
则S产D,"*KS,厂（$+小）
=1443.7712*3.14*31*&7712—（1529.6+18981.3）
=1212161.1〃亦
市壳侧流道截而积可求的壳侧流道的当量直径：
"4.0匕/厶
又浸润周ii/=2.0（^D,,f+KSJ=2.0*（3.14*1443.7712+31*8.7712）
=9610.7〃〃”
则0=4.0*SJL=4.0*1212161.1/9610.7=504.505〃〃”
传热管的缠绕角为Q与缠绕管换热器的轴向管束长度厶，缠绕圈数旳的关系分别为：
lc=lsinc
wj=/cosa/（/z£）；）
个缠绕管的中心圆平均直径为：
D,=D+（J-1血+M+天
式中，e是第一层缠绕管与芯桶之间的隔板厚度，取5mm
（2）壳侧传热膜系数模型
缠绕管式换热器中，传热管在缠绕芯筒周围介于隔板中间呈螺旋状一次缠绕多层，形成圆筒状盘管而形成流道。
传热管的缠绕方向逐层相反，缠绕角与纵向间距通常是均匀的，且管长相同。
因此，随着传热管传热直径的增加，各层传热管数目也随之成比例增加。
这些盘管所组成的管束，其壳侧流道因圆周方向位置的不同而变化，由于相邻两个盘管呈错列的变化，则流道构成就变成管子布置为错列组合排列时的管外流动的流道构成。
规则错列布置E七
图4由盘管层组成的管束的流道构成
传热膜系数:
061
久=0.338FFF”&亿。
（九/D）
其中，F厂一管子排列（流道结构）修正系数；
F厂-管子倾斜修正系数；
F“--管排数修正系数
Fi=[cOS0；T6W（l-叙cos什盘sin。
严
0一_表示实际流动方向偏离盘管中心线方向的角廃
P=a（1_纟）（1_£°25）
90
取a=5°（参照最新热交换器设II•计算与传热强化质葩验标准规范实施手册第十三章p汕北方工业出版社）
0=67+0
其中：
k--盘管的特性数，盘管层左右缠绕交替时，值取1,仅
取一个方向缠绕时，值取0.
0=0形=5。
F=rCOSor61*{（1-—）*cos5+—*sin5}5/235
则F*L32」90100
=0.998802
厂.0.5580.3160.112
F=1—+———一——.—
r”nrrn
其中：
n是流动方向一条直线上的管排数。
当n>10时，可近似
认为Fn=l
（同上参照第十三章表13-2）
则传热膜系数：
a产0.338FiFtF”Re「'Prf（加D）式中:
Re产佟也
Wo
u=—二一=——322600.4——=0.0885加/s3600&q（）3600*1.212*835.4'
即Re产巴也公二
504.505*103*0.0885*835.4
1.186*10
Wo
=31447.264
Pr>=C^=2.335*10^1.186*10-=128985
九°・2147
a.=0.338F,piF”Re；「p£%/S
:
0.2147
5.04505
=0・338水2・936*0・99802*1*（31447・264）曲*（12・8985）=547.58774
3.管侧传热膜系数模型
从层流到紊流过渡的临界雷诺数：
（Re）c=2300*[l+8.6*（d,/Dm）045]
=2300*（1+&6*（0.02/1.443）045]
=5184.164
管侧雷诺数:
Re-
duPi=
Ui
0・02水0・6乜26.225
1.087*1（）7
Pr—CpM-
A-
_2.345*10A*l.087*10-3
0.2132
=9121.159
=11.96
当阻a={0.023*[l+14.8*（l+£）*（害）g]Re；Pr严彳“凡/⑴
i=0・8・0.22（@-）°」
D.n
则:
i=0.8-0.22（―—）0J=0.65659
1.4437712
a.
={0.023*（1+14.8*（1+
0.02
1.4437712
）*（
0.02
1.4437712
）0333]（9i2]is?
0.65659
*（11.96）0333）*（0.2132/002）
总传热系如=
Ro=O.OOO15m2*Vw
Ri=0.0001m2*k/w
取15w/（m*k）
取25mm
=103&642wk*m2
4•总传热系数与总而积的计算
[do+R）+（加）/（沟”）+〃/（%厶）+/%
式中：
管外侧污垢阻力
管内侧污垢阻力
x-----合金导热率
d-管子外径
d+dt0.025+0.02
22
=0.0225m
b壁厚取2.5mm
2.5*10"3*25*10"325*10」
W，J~k=547.58774+°-00015+15*22.5*10-3+1038.642*0.02+
=>k=286.5436w/k*
0.0001*25*10"
20*10-3
h圧曲a①8039.524*103“皿°
总传热面积A===4379.7845nr
K£286.5436*6.406
5•压力损失的计算:
vl＞売程压力损失:
5.334CCC號
传热管倾斜修正系数
z1.8z/x—1.355z/""I-355
C=（cos0）（cos0）=（cos0）（cos5）=0.9948473
管排数修正系数
03750375
C,=0.9524（1+=0.9524（1+=0.97621
其中n=Icosa17tD}=15
管子布置修正系数
「_C*in-line+C*sta^erd_2.032+3.84_93622•
直列布置时的修正系数Cin.Line与规则排列时的修正系数Cstaggerd可有文献［2］（第十三章P845表13・2）
A^=0.334CGGy^T
15*322600.4’
2*i.27*1o8*835.4
/gfQ
=0.334*2.936*0.9948473*0.97621*
=7.006402契g/沪
式中gc——换算系数1.27*10讪//『
<2>管程压力损失
^p=
摩擦系数
带入数据，整理得
「28800气0.0250.31開
八9121」591.4437721（9121」59）心=0.039576
0.039576*312379.82*105.015
2*1.27*10°826.2250.02
=96.623761公斤/米?
6•结构设计
（1）壳体内径的确定
由前面的理论计算可知売体内径Di=2330mm,由于売体内径Dj>2000mm,故真空区厚度为10~15mm,取15mm。
（2）壳体内外径厚度的设计计算及强度校核：
vl>.内压薄壁圆筒桥体的计算
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