管壳式换热器课程设计TJRAC

1、设计任务书某生产过程中，需将苯从80C冷却至35C，压力小于4kpa;冷却介质采用循环水，循环水质量流量60m3/h，试设计一台固定管板式换热器，完成该生产任务。目 录设计任务书2绪论5设计方案简介6工艺流程草图及说明7工艺计算及主体设备设计7一、确定物性数据8二、计算总传热系数81.热流量82.平均传热温差8三、计算传热面积9四、工艺结构尺寸91管径和管内流速92管程数和传热管数93平均传热温差校正及壳程数94传热管排列和分程方法 95壳体内径106折流板10五、换热器核算101热量核算 10（1）壳程对流传热系数10（2）管程对流传热系数11六、换热器内流体的流动阻力111.管程压降112.壳程压降12换热器主要结构尺寸和计算结果13对本设计的评述14参考文献15附录16附表116附表216附表317绪 论管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进

2、。强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流

3、板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。本次课程设计就是针对粗苯-水而进行的管壳式热交换器的设计及相关设备选型。由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正。设计方案简介(1)了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。 (2)由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热体的用量。 (3)决定流体通入的空间。 (4)计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。 (5)初算有效平均温差。一般先按逆流计算，待后再校核。 (6)选取管径和管内流速。(7)计算传热系数 K 值，包括管程给热系数和壳程给热系数的计算。由于壳程给热系数 与壳径、管束等结构有关，因此一般先假定一个壳程给热系数，以计算 K 值，然后再作校核。(8)初估传热面积。考虑安全系数和初估性质，因而常取实际传热面积是计算值的1.151.25倍。(9)选择管长 L。(10)计算管数 N。(11)校核管内流

4、速，确定管程数。 (12)画出排管图，确定壳径 D 和壳程挡板形式及数量等。 (13)校核壳程给热系数。(14)校核有效平均温差。 (15)校核传热面积，应有一定安全系数，否则需重新设计。 (16)计算流体流动阻力。如阻力超过允许范围，需调整设计，直至满意为止。工艺流程草图及说明由于粗苯有腐蚀性，所以粗苯走管程，冷却水走壳程。如图1所示，粗苯经管道从接管C进入换热器管程；冷却水经管道从接管A进入换热器壳程。两物质在换热器中进行交换，苯从80被冷却至35之后，由接管B流出；循环冷却水则从30升至35，由接管D流出。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。图1由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用252.5 的碳钢管，管内流速取 ui=0.5m/s。 工艺计算及主体设备设计一、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程流体的定性温度为 T=80+352=57.5管程流体的定性温度为 t=30+352=32.5根据定性温度，分

5、别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 粗苯在 57.5下的有关物性数据如下：密度839.2kg/m3定压比热容CP1.82kJ/（kg）导热系数0.138W/（m）粘度0.000399Pas循环冷却水在 32.5下的物性数据：密度0995kg/m3定压比热容CP04.178kJ/（kg）导热系数00.62W/（m）粘度00.00076Pas二、计算总传热系数1.热流量QWhcphT1-T2601.8210380-351145508W 2.平均传热温差 tm=t2-t1lnt2t1=80-35-35-30ln80-3535-30=18.2冷却水用量Wc=Qcpct2-t1=11455084.17835-30=54835kg/h总传热系数 K管程传热系数 Re=diuiii=0.020.5839.20.000399=21033i=0.023ididiuiii0.8cpuii0.3 =0.023 0.1380.02210330.81.820.3990.1380.3=750.3w/m2壳程传热系数假设壳程传热系数0=4000w/m2；污垢热阻Rsi=0.0002m2/w Rs0=0.00035

6、m2/w管壁导热系数=45 w/m2K=1d0aidi+Rsid0di+bd00+Rs0+10=10.025750.30.02+0.00020.0250.02+0.00250.025450.0225+0.00035+14000=384.6 w/m2三、计算传热面积S=QKtm=1145508384.618.2=163.6m2考虑15%的面积富裕度，S=1.15S=1.15163.6=188m2 四、工艺结构尺寸1管径和管内流速选用252.5 传热管（碳钢），取管内流速ui0.5m/s。 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=V4di2u=54835/(839.23600)0.7850.0220.5=116根按单程管计算，所需的传热管长度为L=Sd0n=1883.140.025116=23.4m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l6m， 该换热器管程数为Np=Ll=23.46=4 （管程）传热管总根数 N = 1164464（根） 3平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数P=t2-t1T1-t1=35-3080-30=0.1 R=T

7、1-T2 t2-t1=80-3535-30=9由图4-19查的t=0.85。平均传热温差tm=ttm=0.8518.2=15.474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 t1.25，则t=1.2525=31.2532 (mm)横过管束中心线的管数nc=1.1N=1.1464=24 （根）5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为D=1.05tN=1.05324640.7=865mm园整可取 D=900mm6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 25，则切去的圆缺高度为 h=0.25900225（mm），故可取 h=220mm。取折流板间距 B0.3D，则 B0.3900300（mm），可取 B 为 300mm。折流板数NB=传热管长折流板间距-1=0.60.3-1=19 （块）折流板圆缺面水平装配.五、换热器核算1热量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式0=0.360d0Re00.55Pr13当量直径，由正三角形排列得de=432t2-4d02d0=4320.0322-0

8、.07850.02523.140.025=0.02mm壳程流通截面积S0=BD1-d0t=0.30.91-0.0250.032=0.059m2壳程流体流速及其雷诺数分别为u0=VA=54835/99536000.059=0.259m/sRe0=d0u000=0.020.2599950.00076=6782普兰特准数Pr=4.1871030.7610-40.62=5.12粘度矫正系数w0.14=1.030=0.360.620.0267820.555.12131.03=2536w/m2（2）管程对流传热系数i=0.023idiRe0.8Pr0.4管程流通截面积Si=0.7850.0224644=0.0443m2管程流体流速ui=VA=503523600839.20.0443=0.376m/sRe=diuiii=0.020.376839.20.000399=15816普兰特准数Pr=1.821030.39910-40.138=5.262i=0.0230.1380.02158160.85.2620.3=597w/m2传热系数KK=1d0aidi+Rsid0di+bd00+Rs0+10=10.0255970.02+0.00020.0250.02+0.00250.025450.0225+0.00035+12536=323.2 w/m2六、换热器内流体的流动阻力1.管程压降pi=p1+p2FtNsNp其中Ft=1.5，Ns=1, Np=6p1=ildu22p2=3u22设管壁粗糙度=0.1mm,di=0.120=0.005,由第一章中-Re关系图中查得=0.034。p1=0.03460.02839.20.37622=403Pap2=3839.20.37622=178Papi=403+1781.44=3254Pa4kPa管程压降在允许范围之内2.壳程压降p0=p1+p2

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