换热器设计

设计题目：列管式换热器

班 级：林产化工

学 号：

姓 名：彭松

指导老师：

1101

20110636

颜 贤 仔

化工原理课程设计

设计题目：用自来水冷却煤油产品的列管式换热器的设计

一、 设计任务及条件

煤油的有关参数如下表，试设计一台适当的列管式换热器。 温 度 ℃ 质量流量 ×104吨/年煤油 入口 出口 100 40 2.4552 比 热 kJ/kg.℃ 密 度 导热系数 粘度×kg/m3 W/m.℃ 0.13 103 Pa.s 0.91 2.30 810 1、 处理能力 2.4552×104吨/年煤油 2、 设备型式 列管式换热器 3、 操作条件

a． 煤油：入口温度100℃，出口温度40℃ b． 冷却介质：自来水

c． 允许压强降：不大于5×105Pa

d． 每年按330天计，每天24小时连续运行

二、设计内容 （1）、合理的参数选择和结构设计：

传热面积；管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核；折流挡板数目，壳体直径；结构设计包括壳体壁厚；主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管 （2）、传热计算和压降校核计算：设计计算和管程和壳程的压强降校核。 （3）、绘图 三、设计成果

1. 每个设计者必须提交的设计成果有：设计说明书一分，内含图纸一幅（1）装配图一张；。按化工制图要求绘制。

2. 设计说明书必须包括下述内容:封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、参考文献以等。 3. 设计计算书的主要内容应包括的步骤。

一：确定设计方案

1、两流体温度变化情况：煤油的进口温度为100℃，出口温度为40℃，冷却水的进口温度20℃出口温度为50℃.。该换热器用循环水冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 2、 流动空间及流速的确定:由于循环冷却水较易结垢，为了便于清洗，应使循环水走管程，油走壳程。选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。

二：确实物性数据：

定性温度：对于一般液体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度

的平均值。故壳程煤油的定性温度为

T1004070 2管程冷却水的定性温度为

t305040 2

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

煤油在70℃下的有关物性数据如下（内差法求得）： 密 度 0810kg/m3

定压比热容 cp0=2.30kJ/(kg.℃) 导热系数 0=0.130W/(m.℃) 粘 度 0=0.000910 Pa.s

循环水在40℃ 下的物性数据： 密 度

定压比热容

i992.2kg/m3

) cpi=4.174kJ/(kg.℃

导热系数 i=0.6338W/(m.℃) 粘 度 1=0.0006560Pa.s

三：计算总传热

3.1热流量：

m02692810003400kg/h 33024Q0m0cp0t034002.310040469200kj/h130.33kj3.2 平均温差：

（3-1）

tmt2t1(10040)(5030)36.4℃ （3-2） t210040lnln5030t13.3冷却水的用量

mQ04242125081.6kg/h （3-3） Cpiti4017450303.4总传热系数

3.4.1 管程传热系数

雷诺数

di0.0250.002520.02m ui=0.5m/s Rei 普朗特数

diuiii0.020.5992.215125 （3-4）

0.0006560 PrCpiII41740.00065604..320 （3-5）

0.6338由上可知Re>10000，Pr>0.7，由Re>10000，Pr>0.7，根据Dittus和Boelter关联式，冷流体加热，n=0.4得：

i0.023（3-6)

idiRePr0.80.40.0230.63380.8151254.3200.42888.0179W/(m2.0C) 0.023.4.2 壳程传热系数

假设壳程的传热系数0=290W/(m℃)

由表3-4-2-1查得：

2管外侧污垢热阻 Ro0.0001(7m2℃)/W

管内侧污垢热阻 Ri0.000344(m2℃)/W

表3-4-2-1壁面污垢的热阻（污垢系数）（m℃/W）

1）冷却水

加热流体的温度/℃ 水的温度/℃ 水的流速/(m/s) 海水 自来水、井水、湖水、 115以下 25以下 1以下 0.8598104 1.719710-4 1以上 0.8598104 1.719710-4 115~205 25以上 1以下 1以上 1.7197104 1.7197104 3.439410-4 3.439410-4 2 2）石油分馏物 馏出物名称 原油 汽油 石脑油 煤油 热阻 3.4394104~12.098104 1.7197104 1.7197104 1.7197104 馏出物名称 柴油 重油 沥青油 热阻 3.4394104~5.1590104 8.598104 17.197104 管壁的导热系数由表5-4-2-2查得：取45W/(m℃)

表3-4-2-2 物质导热系数的数量级

物质种类 :W/(m℃) 气体 0.006-0.6 液体 0.07-0.7 非导固体 0.2-3.0 金属 15-420 绝热材料 <0.25 3.4.3 总传热系数

dodobdo1K1RRsisodddimo iiK10.0250.0250.00250.02510.0003440.0001722888.01790.020.02450.0225290219.78kw (3-7)

3.5 总传热面积

Q130.33103S16.29m2 （3-8）

Ktm219.7836.4

四、工艺结构尺寸 4.1 管径和管内流速

选用Φ25×2.5的碳钢管，由表4-1-1得：取管内流速取ui=0.7m/s。

表4-1-1 换热器常用流速的范围

介质 流速 管程流速，m/s 壳程流速，m/s 循环水 1.0-2.0 0.5-1.5 新鲜水 0.8-1.5 0.5-1.5 一般液体 0.5-3 0.2-1.5 易结构液体 >1.0 >0.5 低粘度油 0.8-1.8 0.4-1.0 高粘度油 0.5-1.5 0.3-0.8 4.2 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：

nsV4di2u307499236005.486(根) 0.7850.0220.5按单程管计算，所需的传热管长度为：

LS14.7331.27m l0ns3.140.0256 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=4m,则该换热器管程数为： NpL328(管程） l4传热管总根数：N6848根

4.3平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数

100403

503050300.333 P10040R按单壳程，双管程结构，温差校正系数查图4-3-1得： t0.88 平均传热温差：

/tmttm0.8836.432

图4-3-1

4.4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1.25do,则

t1.252531.2532(mm)

横过管束中心线的管数

nc1.19N1.19488.245=8根

4.5壳体内径

采用多管程结构，由表4-5-1得，取管板利用率0.7，则壳体内径为

D1.05tN/1.053248/0.7278mm

圆整可取D=300(mm)

表4-5-1 管板利用率与排列方式关系

正三角形 正方形 2管程 0.7-0.85 0.55-0.7 >4管程 0.6-0.8 0.45-0.65 4.6换热器壳体壁厚的计算

计算壁厚为 =PDi/(2[σ]tΦ－P)

式中 P—设计压力，MPa；当P﹤0.6 MPa时，取P=0.6 MPa； Di—壳体内径，mm；

Φ—焊缝系数，根据焊缝情况选取Φ=0.85-1.0；

[σ]t—壳体材质在设计温度时的许用应力，113MPa。

0.63001mm

21130.850.6取负偏差C1=1mm，腐蚀C22mm

=

所以厚度为4mm

4.7折流板

采用弓形折流板，去弓形之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30075(mm) 故可取h=100mm

取折流板间距B=0.3D，

则B0.330090(mm) 可取B为100mm 折流板数目：

NB传热管长40001143(块)

折流板间距90折流板圆缺面水平装配。

4.8 接管

壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u=1.0m/s，则接管内径为

D14v/u43400/36008103.140.038mm

取标准管径为40mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u=1.5m/s，则接管内径为 D24V/u43400/3600992.23.141.50.035m

取标准管径为40mm。

五：换热器核算

5.1.1 壳程对流传热系数

对圆缺形折流板，可采用克恩公式：

00.361Re00.55Pr(130.14 ) （5-1a）

dew当量直径 ：

4[322d2t4do]d0.02m o壳程流通截面积：

sdooBD(1t)0.10.3(12532)0..0065625 壳程流体流速为：

u3400/360081000.00656250.18m/s 壳程雷诺数：

R0.020.18992.2e00.0009103925.2 壳程普朗特数：

PCp002.31039.1104r00.1316.1（5-6）

粘度校正

()0.141

w代入式（7-1a）得：

360.13000.0.023925.20.5516.11/3559.91W/(m2.0C) 5.1.2 管程对流传热系数

.8.4i0.023idRe0Pr0 i（5-2） 5-3） （5-4）

（5-5）

（5-7） （5-1b）

（5-8a）

（ 管程流体流通截面积: 2N48Sid00.7850.0227.536103m （5-9）

422管程流体流速为： 5081.6/(3600992.2)ui0.19m/s) （5-10）

7.536103 管程雷诺数：

Re0.020.19992.2/(0.6560103)5747.5 （5-11） 管程普朗特数：

4.1741030.6560103Pr4.32 （5-12）

0.6338代入式（7-8a）得：

0.6338i0.0235747.50.84.320.41331.76W/(m2.℃) （ 5-8b）

0.025.1.3 总传热系数K

dodobdo1K1RR sisod （5-13）ddimoii0.0250.0250.00250.0251K10.0003440.000172299.4KW1331.760.020.020450.0225559..91

5.1.4 传热面积S

Q130.33103 S13.6(m2) （5-14）

Ktm299.432 该换热器的实际传热面积Sp：

SpdolNT3.140.02544815.072 （5-15）

该换热器的面积裕度为

HSpSS100%15.07213.6100%9.8%

15.072传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务

5.2 换热器内流体的流动阻力

5.2.1 管程流动阻力

pi(p1p2)FtNsNp （5-17a）

Ns1 , Np2, 由表7-2-1-1得Ft1.5

lu2 （5-18a） piidi2由Re=5747.5，传热管相对粗糙度

0.010.0005，查莫狄图得: 20i0.036W/(m℃)，流速ui0.19m/s,992.2kg/m3,

所以：

40.192992.2pi0.036128.94Pa （5-18b）

0.022992.20.192pr353.73Pa （5-19）

22u2代入式（7-17a）得：

p1(128.9453.73)1.502548.010.35105 （5-17b） （由表5-2-1-2查得）

管程流体阻力在允许范围之内。

5.2.2 壳程流动阻力

''po(p1p2)FtNs

（5-20a）

Ns1, 查表5-2-1-1得Ft0.5

流体流经管束的阻力为:

pFfonc(NB1)'1u22

（5-21a）

已知F=0.5 fo5Re00.288541300.2880.794

nc6 NB43 uo0.18m/s

代入式（5-21a）得：

8100.182p0.50.7946(431)1375.29 （5-21b）

2/1流体流过折流板缺口的阻力:

2BuopNB(3.5)D2'22

（5-22a）

已知B=0.9m , D=0.30m 代入式（5-22a）得：

20.188100.182p43(3.5)1297.77Pa0.302'2

（5-22b）

总阻力,代入式（5-20a）得:

p01375.29Pa1297.97Pa2673.26Pa105Pa（5-20b）

（由表5-2-1-2查得）

壳程流动阻力也适宜。

表5-2-1-1 结垢校正系数与管径、物质状态的关系

252.5mm 

Ft 1.4 1.5 1.15 1.0

表5-2-1-2 合理压强降的选取

192.0mm 液体 气体 操作情况 减压操作 低压操作 操作压力，Pa（绝） P=0-1 105 P=（1-1.7）105 P=（1.7-11）105 合理压强降，Pa 0.1 P 0.5 P 0.35105 中压操作 较高压操作 P=（11-31）105 P=（31-81）105（表） 0.35-1.8105 0.7-2.5105

换热器设计结果一览表

参数 流量kg/h 进/出口温度/℃ 压力/MPa 定性温度/℃ 密度/（kg/m3） 物 性 定压比热容/[kJ/（kg•℃）] 粘度/（Pa•s） 热导率（W/m•℃） 普朗特数 设 备 结 构 参 数 形式 壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数目/根 传热面积/m2 管程数 主要计算结果 流速/（m/s） 表面传热系数/[W/（m2•℃）] 污垢热阻/（m2•℃/W） 阻力/ MPa 热流量/KW 传热温差/℃ 传热系数/[W/（m2•℃）] 面积裕度/% 管程 5081.6 30/50 40 992.2 4.17 0.000656 0.6338 4.32 管壳式 300 Φ25×2.5 4000 48 13.02 8 管程 0.1606 1331.76 0.000344 0.011 130.33 41.5 296.1 0.92% 台数 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 折流板间距/mm 材质 壳程 0.19 559.91 0.000172 0.002885 壳程 3074 100/40 0.3 70 810 2.30 0.000910 0.130 16.1 壳程数 1 1 32 正三角 43 93 碳钢