年处理量为15万吨的热水冷却换热器设计..doc

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吉林化工学院食品工程原理课程设计

吉林化工学院

食品工程原理课程设计

题目年处理量为1.5万吨的热水冷却换热器设计

教学院化工与生物技术学院

专业班级食品科学与工程1202班

学生姓名刘旭辉

学生学号12340206

指导教师刘洋

2014年5月13日

目录

摘要 I

1概述与设计方案的选择 1

1.1概述 1

1.1.1换热器的分类 1

1.1.2列管式换热器的分类与特点 1

1.2.1选择换热器的类型 3

2工艺设计计算 6

2.1确定物性数据 6

2.2热负荷及传热面积的确定 6

2.2.1热负荷 6

2.2.2平均传热温差校正及壳程数 7

2.2.3初算传热面积 7

2.3换热器主要结构尺寸的确定 7

2.3.1管径和管内流速 7

2.3.2管程数和传热管数 7

2.3.3壳程数 8

2.3.4传热管排列和分程方法 8

2.3.5壳体直径 9

2.3.6折流板 10

2.3.7接管 10

2.4换热器核算 10

2.4.1传热面积校核 10

2.4.2换热器内压降的核算 13

3设计结果汇总表 16

4结果与讨论 17

5心得体会 18

6参考文献 19

附录 20

摘要

换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。

这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。

本设计就是利用相关知识，设计出达到工艺所规定的要求，同时强度、结构可靠，便于制造、安装和检修，以及经济上合理的列管式换热器，满足生产需要。

本设计以循环水和热水为介质，按实际设计步骤进行计算、核算和结构设计。

主要研究内容如下：

1、对换热器的分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本结构和基本原理。

2、通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对固定管板式换热器进行设计，具体分为换热器的传热计算、核算和结构设计。

3、换热器的外部设计包括它的板管的设计、封头的设计、管箱和折流挡板的设计。

4、换热器的内部设计包括：

它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。

关键词：

换热器设计计算固定管板式

食品工程原理课程设计任务书

1.设计题目年处理量为　2.5　　万吨热水冷却换热器设计

2.操作条件

设备型式：

列管式换热器

操作条件：

（1）冷却介质：

循环水入口温度：

22℃，出口温度：

40℃井水，入口压强0.3MPa。

（2）热水：

入口温度：

80℃，出口温度：

60℃

（3）允许压降：

不大于105Pa

（4）每年按330天计，每天24小时运行

（5）允许压强降：

不大于30kPa。

（6）换热器热损失：

以总传热量的5%计。

3.设计任务

（1）选择适宜的列管式换热器并进行核算。

（2）工艺设计计算

包括选择适宜的换热器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、热负荷及传热面积的确定、换热器主要尺寸的确定、总传热系数的校核等。

（注明公式及数据来源）

（3）结构设计计算

选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。

主要包括管程和壳程分程、换热管尺寸确定、换热管的布置、折流板的设置等。

（注明公式及数据来源）

（4）绘制工艺流程图

绘制设备工艺条件图一张或设备装配示意图（2号图纸）；CAD绘制。

（5）编写设计说明书

设计说明书的撰写应符合规范与要求。

1概述与设计方案的选择

1.1概述

1.1.1换热器的分类

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。

按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。

根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：

混合式、蓄热式、间壁式。

管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。

其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。

1.1.2列管式换热器的分类与特点

列管式换热器是目前化工上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。

在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：

1.1.2.1．固定管板式换热器

　这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。

此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。

通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。

同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。

因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

　　为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。

但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。

一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

。

1.1.2.2．U型管式换热器：

U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。

管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。

1.1.2.3．浮头式换热器：

　换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。

其优点是：

管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。

其缺点为结构复杂，造价高。

1.1.2.4.填料函式换热器：

这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。

但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

1.2设计方案的选择

1.2.1选择换热器的类型

热流体进口温度80℃，出口温度60℃；

冷流体进口温度22℃，出口温度40℃。

两流体平均温度差（-）=39小于50，根据列管式换热器的分类与特性表，结合上述工艺要求，故选用固定管板式换热器。

1.2.2流动空间及流速的确定

1.2.2.1流动空间的确定

工艺设计计算在列管式换热器设计中，冷、热流的流程，进行合理安排，一般应考虑以下原则。

①易结垢流体应走易于清洗的侧.对于固定管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于l一I钾换热器，易结垢流体应走壳程。

‚有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。

这是因为管程流通截面积一般较小，且易于采用多用管程结构以提高流速。

③其有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用降低换热器成本。

④压力高的流体应走管程。

这是因为管子直径小，承压能力强，能够避免采用耐压的壳体和密封措施。

⑤具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液。

⑥粘度大的流体应走壳程，因为壳程内的流体在拆流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达揣流状态。

应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的主要问题，首先满足其中较为重要的要求。

由于当液体温度升高时，粘度随着减小，故有循环水走壳程，因为壳程内的流体在拆流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达揣流状态。

在两流体的粘度力看，应该使热水走管程，循环冷却水走壳程，但是由于循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢的增长速率，使换热器热流量下降，所以，从总体考虑，应该使热水走壳程，循环冷却水走管程。

1.2.2.2流体流速的确定

流体的流速对传热来说非常的重要，因为在滞留层的传热是一热传导为主，热传导的传热速率小于对流传热。

所以如果流速太小它形成的滞留层会很厚，会大大减小传热速率，又因如果流速太小杂质会在壁面沉积也会导致传热速率的下降，提高流体在换热器中的流速，可以增大对流体传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需要传热面积减少，设备费用降低。

但是流速增加，流体阻力将相应加大，使操作费用增加。

所选择流速时应该综合考虑。

此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。

例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。

管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。

这些也是选择流速时应予考虑的问题。

下表列出工业一般采用的流体流速范围。

表1-1

介质

循环水

新鲜水

低粘度油

高粘度油

易结垢体

一般液体

管程m/s

1.0-2.0

0.8-1.5

0.8-1.8

0.5-1.5

＞1.0

0.5-3

壳程m/s

0.5-1.5

0.5-1.5

0.4-1.0

0.3-0.8

＞0.5

0.2-1.5

根据流体在直管内常见适宜流速，管内循环冷却水的流速初选为=1.0m/s，管子选用的较好级冷拔碳钢管换热管（换热管标准：

GB8163）。

2工艺设计计算

2.1确定物性数据

定性温度：

壳程热水的定性温度为

T=℃

管程循环冷却水的定性温度为

t=℃

表2-1

热水在70℃下有关物性数据循环冷却水在31℃下的物性数据

密度密度

定压比热容定压比热容

导热系数导热系数

粘度粘度

2.2热负荷及传热面积的确定

2.2.1热负荷

考虑到热损失为5%

2.2.2平均传热温差校正及壳程数

℃

查得温度校正系数

平均传热温差：

℃

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。

2.2.3初算传热面积

假定总传热系数K=800w/（m℃）

2.3换热器主要结构尺寸的确定

2.3.1管径和管内流速

选用较高级冷拔传热管（碳钢10），取管内流速为1.0m/s。

2.3.2管程数和传热管数

冷却水用量

根据传热管内径和流速确定单程传热管数：

按单程管计算，所需要的传热管的长度为：

管程数：

按单程管设计传热管太长，采用多管程结构，现取传热管长

传热管总根数：

2.3.3壳程数

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。

2.3.4传热管排列和分程方法

（A） （B）（C）（D）（E）

图2-1换热管在管板上的排列方式

（A）正方形直列（B）正方形错列（C）三角形直列

（D）三角形错列（E）同心圆排列

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。

我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

采用三角形排列，取管心距=1.25d0,则=

隔板中心到离其最近的一排管中心距离为：

各程相邻管心距为2Z=44。

2.3.5壳体直径

列管换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径，可由下面的公式进行计算。

D＝a（－1）＋2（2－9）

式中D－壳体内径，mm；

－最外层六边形对角线上的管子数；

－最外层管子中心到壳体内壁的距离，一般取=（1～1.5）mm；若对管子分程则D＝f＋2

f值的确定方法：

可查表求取，也可用作图法。

根据管子排列方式一般在程内采用正三角形排列，而在程与程之间采用正方形排列管间距根据最小管间距选择的原则。

由作图法求得壳体内径为220mm。

圆整到300mm。

表2-2

壳体内径

300

400~700

700~1000

最小壁厚

8

10

12

所以壳体直径为316mm。

2.3.6折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20％，则切去的圆缺高度为：

H=0.2×300=60

取折流板间距h==60mm（0.2D

折流板数目：

2.3.7接管

根据表1-1，选择流速为，则接管内径

根据《食品工程原理》第二版附录二的冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ28mm×1.2mm

壳程流体进出口接管：

取接管内热水的流速为，则接管的内为：

根据冷轧无缝钢管的标准规格选择规格为φ32mm×2.5mm

2.4换热器核算

2.4.1传热面积校核

2.4.1.1管程传热膜系数

（出自化工原理第四章）

管程流体流通截面积：

管程流体流速：

雷诺数：

普朗特数：

2.4.1.2壳程传热膜系数

可采用克恩公式：

（化工原理第四章）

管子按正三角形排列，传热当量直径：

壳程流通面积：

壳程流体流速

雷诺数：

普朗特数：

黏度校正：

由于热水被冷却，取

2.4.1.3污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻：

m2℃/W

管内污垢热阻：

m2℃/W

碳钢在此条件下的热导率为：

50W/m·℃

已知管壁厚度为：

。

2.4.1.4计算总传热系数

平均直径：

2.4.1.5传热面积校核

所计算的传热面积是：

换热器的实际传热面积是：

换热器的面积裕度为：

所以传热面裕为21.8％，传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.4.2换热器内压降的核算

2.4.2.1管程流体阻力

管程压力降计算的通式为，出自《化工原理课程设计指导》

可知管程流体呈湍流状态。

取管壁粗糙度,，。

参考图双对数坐标图得，流速，所以

管程流体阻力在允许范围之内。

2.4.2.2壳体阻力

由于壳程的流动状况较复杂，所以计算壳程流体压力降的表达式很多，计算结果也相差很大。

这里用埃索法来计算壳程压降。

出自《化工原理课程设计指导》。

即

式中

△P1流体横过管束的压强降，Pa；

△P2流体通过折流板缺口的压强降，Pa；

FS压强降的结垢校正因数,

FS=1.15,Ns=1

流体流经管束的阻力，出自《化工原理课程设计指导》。

，

u0——按壳程流通面积A0计算的流速，

上面已求得

流体流过折流板缺口的阻力，出自《化工原理课程设计指导》

，

其中折板间距，

则

总阻力<30kpa

通过以上压力降核算可知，管程和壳程压力降都小于所要求的30kpa

核算结果表明，所选换热器可用。

3设计结果汇总表

参数壳程管程

流量3156.573694.37

进/出口温度/℃80/6022/40

压力/0.3—

定性温度/℃7031

物密度/977.8995.37

性定压比热容/4.1874.174

粘度/4.06

设热导率/0.6680.618

备形式固定管板式壳程数1

参壳体内径/316台数1

数管径/管心距/mm32

管数目/根12折流板数/个49

传热面积/2.826折流板间距/mm60

管程数1材质不锈钢

主要计算结果管程壳程

流速/1.0490.2264

表面传热系数/4204.422592.6

污垢热阻/0.000171970.00017197

压降/28.4126.025

热流量/kw77.10传热系数888裕度/％21.8

4结果与讨论

1.由计算得管长=3m，壳体内径D=30cm,,在6-10之间符合要求。

2.传热温差校正系数0.96>0.8，符合要求。

3.壳程流体流速符合要求。

4.～1.25，符合要求。

5.管程压降阻力。

6.壳程压降阻力。

7.在1.15～1.25之间，符合要求。

5心得体会

通过一周的课程设计，让我们对食品工程原理有了更多的了解，对这门学科也有了更深的了解。

我觉得课程设计时让我们更好的去理解一门学科，也是让我们能更好的去了解我们到底学到了什么东西。

学会了什么东西，课程设计一开始，我觉得茫然，不知道要去做什么，也不知道我们做成什么，不过一点一点慢慢来，当图纸画满线条的时候，觉得自己是成功的，成功的完成了绘图，成功的学到了以前认为不重要的东西，生活中的好多事要我们去学习的，从一点一滴的学习当中我们能感到自己的成长，也能不断地充实自己。

做每一件事情的时候，我们应该认真，应该多动动脑子，这样才能劳有所获，以后的生活中，我应该注重这些，这样才能有所成就。

此次设计让我们学习了更多化工原理基础知识，培养了化工设计能力，通过这一实践教学环节的训练，使我掌握化工设计的基本方法，熟悉查询和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强了我的工程观念和实践能力。

最后也特别感谢李飞老师和刘洋老师给予我的指导，以及隋老师和尹老师等专业老师对我们孜孜不倦的教导，还有本组同学热心的帮助。

感谢您们，有了您们的帮助我才得以顺利完成了本次课程设计。

6参考文献

（1）李云飞，葛克山.《食品工程原理》，中国农业大学出版社，2009年8月，第二版；

（2）王志魁，刘丽英，刘伟，《化工原理》，化学工业出版社，2010年，第四版；

（3）任晓光，宋永吉，李翠清，《化工原理课程设计指导》，化学工业出版社，2009年二月，第一版；

（4）方书起，魏新利，《化工设备课程设计指导》，化学工业出版社，2010年九月，第一版

附录

下标

C─冷流体；h─热流体；

i─管内；m─平均；

o─管内；s─污垢。

’-理论；

希腊字母

─对流传热系数，；─有限差值，

─导热系数，；─密度，；

─粘度系数，；─校正系数。

英文字母

h─折流板间距,m；─努赛尔特准数;

C─系数,无量纲；