浮头式换热器的设计.docx
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浮头式换热器的设计
一．设计内容
（1）设计计算列管式换热器的热负荷，传热面积，换热管，壳体，管板，隔板及等。
（2）绘制列管式换热器的装配图。
（3）编写课程设计说明书
确定设计方案
1.选择换热器类型
两流体温度变化情况：
热流体（混合物料）进口温度170.25℃，出口温度85℃；冷流体（冷水）进口温度35℃，出口温度43℃，该换热器用循环冷却水冷却，因两流体的温度之差较大，（>50℃）因此初步确定选用浮头式换热器。
2.流程的安排
为使混合物料通过壳壁面向空气散热，提高冷却效果，应使冷却水走管程，混合物料走壳程。
确定物性数据
定性温度：
对于水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
故管程冷水的定性温度为
T=（T1+T2）/2=（35+43）/2=39（℃）
温度（t）/℃
密度（ρ）/㎏/m3
比热容（cp×10-3）/J·㎏-1·k-1
热导率（k×102）/W﹒m-1·k-1
黏度（μ×106）/Pa·s
39
992.3
4.174
63.3
67
混合物料的定性温度T=（T1+T2）/2=（85.00+170.35）/2=127.68（℃）
壳程混合物料在127.68℃下的有关物性数据如下
甲苯
乙苯
邻二甲苯
间二甲苯
对二甲苯
苯乙烯
平均
组成
0.0457
0.0256
0.38
0.157
0.256
0.106
密度（ρ）/㎏/m3
866.9
866.5
880
860
861
902
847.25
比热容（Cp）KJ/kg/℃
2.17
2.34
2.1
2.01
2.11
3.02
2.13
热导率（k）/W/m/℃
0.112
0.113
0.112
0.112
0.112
0.108
0.108
黏度μ*10^3（Pa·s）
0.245
0.255
0.36
0.256
0.27
0.348
0.301
密度ρo=847.25㎏/m3
定压比热容cpo=2.13KJ/（㎏·℃）
热导率ko=0.108W/（m·℃）
黏度μo=0.301×10-3Pa·s
估算换热面积
1.热流量依据公式Q=Wh*Cph（T1-T2）计算可得：
Wh=23.3943*（92.14*0.0457+106.17*0.0256+0.380+0.157+0.256）+104.14*0.106）=2390㎏/h
Q=2390/3600*2.13*1000*（170.35-85.00）=1.207*10^5W
2.平均传热温差先按纯逆流计算，依据下式得：
△tm’=
=（127.35-50）/ln（127.35/50）=82.73℃
3.计算R与P
R=（T1-T2）/（t2-t1）=（170.35-85）/（43-35）=10.67
P=（t2-t1）/（T1-t1）=（43-35）/（170.35-35）=0.059
查表￠△t=0.83
△tm=￠△t△tm’=0.83×82.73=68.67（℃）
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。
4.传热面积设K=450W/（m2·K）则估算的传热面积为
AP=Q/（K△tm）=1.207*10^5/（450*68.67）=3.906（m2）
5.冷却水用量依据下式得
Wc=Q/Cpc（t2-t1）=1.207*10^5/（4174*（43-35））=3.61（kg/s）
工艺结构尺寸
1.管径和管内流速选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1m/s。
2.管程数和传热管数通过下式可依据传热管内径和流速确定单程传热管数
ns=
=3.61/992.3/（Π*0.25*0.02^2*1）=11.48≈12（根）
按单程管计算，所需的传热管长度为
L=
=3.906/（Π*0.025*12）=4.14（m）
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=3m,则该换热器的管程数为
NP=
=4.14/3≈2（管程）
传热管总根数NT=12×2=24根）
3.传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。
取管心距t=1.25do=,则t=1.25×25=31.25≈32（mm）
隔板中心到离其最近一排管中心距离按下式计算
s=
+6=22（mm）
各层相邻管的管心距为44mm
每层各有传热管12根.
4.壳体内径采用多管程结构，壳体内径按下式计算。
取管板利用率η=0.7，则壳体内径为
D=1.05t
=1.05×32×（24/0.7）^0.5=196.7（mm）
按卷制壳体的进级挡，可取D=200mm。
5.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体的25%，则切去的圆缺高度为
h=0.25×200=50（mm），故可取h=50mm。
取折流板间距B=0.5D,则
B=0.5×200=100（mm），可取B为100mm。
折流板数NB
NB=
-1=2000/100-1=19（块）
6.其它附件本换热器传热管外径为25mm,其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆。
换热器核算
1.热流量核算
（1）壳程表面传热系数用克恩法计算，见下式
ho=0.36
Reo0.55pr1/3（
）0.14
当量直径，依式得
de=
=
=0.020（m）
壳程流通截面积，根据下式计算得：
SO=BD（1-
）=0.1×0.2×（1-
）=4.375×10-3（m2）
壳程流体流速及其雷诺数分别为
uo=2390/（3600*847.25）/（4.375*10^-3）=0.179（m/s）
Reo=0.02*0.179*847.25/（0.301*10^-3）=10077（>500）
普朗特数
Pr=2.13*10^3*0.301*10^-3/0.108=5.94
h0=0.36*0.108/0.02*10077^0.55*5.94^（1/3）*（0.301/0.67）^0.14=500.96[W/（m2·K）］
（2）管内表面传热系数
hi=0.023
Re0.8pr0.4
管程流体流通截面积
Si=0.25*Π×0.022×24/2=3.77×10^-3m2
管程流体流速
ui=3.61/992.3/（3.77*10^-3）=0.965（m/s）
Re=0.02*0.965*992.3/（0.67*10^-3）=28584
普特常数
Pr=4.174*10^3*0.67*10^-3/0.633=4.42
hi=0.023×0.633/0.02×28584^0.8*4.42^0.4=4844［W/（m2·K）］
（3）污垢热阻和管壁热阻
管外侧污垢热阻R0=1.7197×10-4m2·K/W
管内侧污垢热阻Ri=3.4394×10-4m2·K/W
管壁热阻碳钢在该条件下的热导率为50.58W/（m2·K）。
所以
RW=0.0025/50.58=4.50*10^-5（m2·K/W）
（4）传热系数Kc依式有
Kc=1/（
+R0+
+
+
）=1/（1/500.96+1.7197×10-4+0.000045×
+3.4394×10-4×
+1/4844×
）=344.1［W/（m2·K）］
（5）传热面积裕度根据下式可得计算传热面积Ac为
Ac=1.207*10^5/（344.1*68.67）=5.11（m2）
该换热器的实际传热面积A
A=πd0LNT=Π×0.025×2×24=3.77（m2）
该换热器的面积裕度按下式计算为
H=
×100%=（5.11-3.77）/3.77*100%=35.54%
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
换热器内流体的流动阻力
（1）管程流体阻力依据下式可得
△pt=（△pi+△pr）NsNpFt
Ns=1Np=2Ft=1.4
△pi=λi
×
由Re=28584，传热管相对粗糙度0.1/20=0.005，查图得λi=0.031，流速u=0.965m/s,ρ=992.3kg/m3,所以
△pi=0.031×2/0.02×992.3*0.965^2/2=1432.28（Pa）
△pr=ξ
=3×992.3*0.965^2/2=1386.08（Pa）
△pt=（1432.28+1386.08）×2×1.4=7891Pa<15000Pa
管流体阻力在允许范围之内。
（2）壳程阻力按式计算
△ps=（△p0+△pi）NsFs
Ns=1,Fs=1.15
流体流经管束的阻力
△p0=Ff0NTC（NB+1）
F=0.5f0=5.0×10077^（-0.228）=0.6112
NTC=1.1NT0.5=1.1×240.5=5.39
NB=19,u0=0.179m/s
△p0=0.5×0.6112×5.39×（19+1）×847.25*0.179^2/2=447.16（Pa）
流体流过折流板缺口的阻力
△pi=NB（3.5-
）
B=0.1m，D=0.2m
△pi=19×（3.5-2*0.1/0.2）×847.25*0.179^2/2=644.74（Pa）
总阻力
△ps=（447.16+644.74）*1.15*1=1256Pa<15000Pa
壳程流体的阻力也比较适宜。
换热器主要结构尺寸和计算结果表
参数
管程
壳程
流率（Kg/h）
12996
2390
进/出口温度/℃
35/43
170.35/85.00
物性
定性温度/℃
38
127.68
密度/（kg/m3）
992.3
847.25
定压比热容/[kj/（kg•K）]
4.174
2.13
粘度/（Pa•s）
67×10-6
30.1×10-6
热导率（W/m•K）
63.3×10-2
10.80×10-2
普朗特数
4.42
5.94
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/㎜
150
台数
1
管径/㎜
Φ25×2.5
管心距/㎜
32
管长/㎜
2000
管子排列
正三角形排列
管数目/根
24
折流板数/个
19
传热面积/㎡
5.11
折流板间距/㎜
100
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.965
0.179
表面传热系数/[W/（㎡•K）]
4844
500.96
污垢热阻/（㎡•K/W）
1.7197×10-4
3.4394×10-4
阻力/Pa
7891
1256
传热温差/K
68.67
传热系数/[W/（㎡•K）]
344.1
裕度/%
35.54%
参考文献
[1]陈裕清.化工原理[M].上海:
上海交通大学出版社,2008
[2]李志勇,喻健良,刘志军.过程机械[M].北京:
化学工业出版社,2008.1.
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化学工业出版社,2007.7.
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化学工业出版社,2006.4.
[5]喻健良.化工设备机械基础[M].大连:
大连理工大学出版,2009.7.
[6]董大勤.化工设备机械基础[M].北京:
化学工业出版,2002.12.
[7]潘继红.管壳式换热器的的分析与计算[M].北京:
科技出版社,1996.
设计结果评价
换热设备是实现物料之间热量传递的节能设备，也是回收余热、废热，特别是低位热能的有效装置。
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器（heatexchanger）。
在化工生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。
本文主要研究的是固定管板式换热器，它是换热设备的一类。
通过对换热器的发展、分类、材料和运用等相关理论进行阐述，进而对换热器进行热工设计，结构设计以及强度设计。
固定管板式换热器的设计，让我对换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。
无论换热设备的设计计算或是校核计算，一般均应考虑下。
（1）首先必须满足工艺要求。
（2）换热设备中换热介质参数（流速、允许压降、温度等）的合理选取。
在换热设备中，介质流速高，传热系数大，在热负荷一定的情况下，可使传热面积减小，设备结构紧凑，不仅节省投资，而且有利于减缓或抑制污垢的形成，但同时，介质流速高，压降增大，而且介质对传热面积的冲蚀加剧，并容易产生流体诱导振动破坏等。
因此介质速度的选取应考虑压降的合理性，尽可能在允许压降范围内，提高流速，以加大传热系数。
（3）合理安排流程，以便获得较大的传热系数，并使热、冷流体的流向尽可能接近逆流。
（4）换热设备结构参数的合理选择主要包括结构形式、尺寸和材质等方面。
（5）设计计算时，应注意定性尺寸的计算。
在弩塞尔特数、雷诺数等的定义式中均有定性尺寸，通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。
（6）在达到所需工艺要求的前提下，应使设备费、操作费和维护费之和最低。
（7）考虑采用各种强化传热措施。
由传热基本方程Ｑ＝ＫＡ△t可见，增大总传热系数、传热面积和有效平均温差均可提高传热效率，强化传热。
增大传热面积，不是单纯的增大换热设备的尺寸，而要增大单位体积内的传热面积，是设备紧凑、结构合理，如采用小直径管子，翅片管等。
根据以上结论，通过分析固定管板式换热器各部分性能影响，合理选择设计固定管板式换热器的结构参数，以获得具有较高抗拉强度、耐腐蚀性、耐介质性等综合性能良好的换热器设备，从而使其能更好的应用到石化、化工行业中。
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