理学固定管板式列管换热器的设计.ppt

目 录•一、固定管板式换热器的介绍 1、固定管板式换热器的结构特点 2、固定管板式换热器的性能优点 3、固定管板式换热器的性能缺点•二、设计方案的确定及流程说明 1、确定设计方案 2、流程说明•三、换热面积的估算•四、管子尺寸及数目计算•五、管子在管板上的排列•六、壳体内径的确定•七、附件设计•八、换热器校核（包括换热面积、 壁温、压力降）•九、设计结果概要或设计一览表固定管板式列管换热器1目 录•十、对本设计的评述或有关问题的分析讨论•十一、参考文献•十二、工作总结•十三、设计创新点固定管板式列管换热器2摘 要•本次课程设计属于化工课程设计的一个重要方面，在工业生产中有着广泛的应用目的在于考察我们对相关化工原理基本理论知识的掌握程度，提高对化工设备的认知以及培养分工与独立工作的能力我们的课题为“固定管板式列管换热器的设计”，通过已知的苯进口温度，管程壳程的压力降要求，水的常温温度等条件设计一符合实际工作要求的换热器，并且通过一工艺流程图展现其在某种特定用途下的操作流程由于水的出口温度并不已知，笔者通过选择合理的泵来推算出其出口温度，进而对后续的计算问题迎刃而解。

后期的校核计算中，所得的换热面积、压力降及壁温均符合要求，标明所设计的换热器是满足一定生产负荷下正常工作要求的固定管板式列管换热器3一、固定管板式换热器的介绍1、固定管板式换热器的结构特点 此种换热器的特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管固定管板式列管换热器42、固定管板式换热器的性能优点 与其他形式的换热器相比，它的结构简单，制造成本较低管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗3、固定管板式换热器的性能缺点 无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以致管子扭弯或从管板上脱落，甚至损坏整个换热器固定管板式列管换热器5二、设计方案的确定及流程说明1、确定设计方案（1）已知设计条件 ①生产负荷（按每年7200小时计算）：11.6万吨纯苯/年 ②苯进料状况：80℃的液体 ③苯出口状况：55℃的液体 ④冷却介质：循环水（15~35℃） ⑤管程和壳程压降：不大于10kpa（2）设计的前期处理 ①壳程和管程所走流体的选择 选择依据：1）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会，而苯是一种可至白血病有毒液体；2）粘性大的或流量小的液体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，在较小的雷诺数（Re<100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数，而一般正常温度下，苯的粘性小，水的粘性大；3）苯是高温液体，在管内热膨胀，水是低温流体，在壳内冷缩，从而使管子不会从管板上脱落。

固定管板式列管换热器6 由此，笔者选定让水走壳程，苯走管程 ②对水的假定 假设所用水的水源来自于清河水，在使用它作为冷却介质前，需对其做一定的化学处理：先通过一净水池将较大的颗粒除去；再通过另一净水池，使用絮凝剂，将钙离子和镁离子沉淀，这样得到的水可近似认为是污垢热阻很小的蒸馏水同样的，考虑到设备是长期工作的，难免保证水不蒸发、泄露而损耗，需进行定期的补给 ③水入口温度的选定 笔者假定换热器的常年平均工作温度为20℃，亦即室外温度基本恒定在20℃符合这样条件的地区分布在大陆的低纬度地区，以广州地区为宜所以，水入口的温度选择为20℃ 固定管板式列管换热器7④水出口温度的设计思路 笔者是通过选择泵来确定水的出口温度的下面即为设计的思路： 一般情况下，水的流速在1~2.5m/s之间取 取TR32-160型离心式液下泵（《化工设备设计手册》P1530），已知其体积流量qV=9m³/h,出口直径d为32mm，由u=qV/A解得出口流速为2.07m/s，正好符合上述的流速范围内；由③的选定，得到20℃条件下水的密度为998.2kg/m³，知道质量流量qm=qV*ρ=998.2*9kg/h=2.4955kg/s； 在根据热负荷计算式 Q=ω1Cp1(T1-T2)= ω2Cp2(t2-t1) 可计算得水的出口温度 =40.505℃≈40.50℃ 因此，水的出口温度设定为40.5℃。

其中，热负荷Q=213580J 固定管板式列管换热器8⑤输送苯对应泵的选择 由苯的年产量可知其质量流量，再由苯的进口温度查得其对应密度，结合质量流量和入口密度即可求得苯入口的体积流量（为20.23m^3/h）选用ZA 型卧式离心泵，型号ZA40-200 对应C型叶轮 ，额定流量Q=22m^3/h（摘自《化工设备设计手册》下卷P1512） 下面确定泵操作的流量富余量，以确定所选泵是否符合要求 泵的流量富余量应尽量减少，这样所选泵的型号、规格的额定工况接近操作工况，泵的一次性投资较小，操作效率高，节省操作费用根据经验，泵的流量富余量最好在泵的额定流量5%~10%的范围内 而计算得富余量约为8%，符合要求⑥换热器设计压力的选定 由于条件中所给苯的进口温度为80℃，而苯的沸点也略高于这个值，因而不宜在常压下进行工作，需要施加一定的压力，使其不宜蒸发出来，根据后来计算出的压降值（很小）以及标准的几个公称压力值，因此这里的设计压力定为0.6Mpa固定管板式列管换热器9（3）设计安排 本次设计首先通过换热面积的计算以及校核值确定所选用的换热器是否合适，一旦选择好换热器后，其内部总管子的数目以及换热面积都是确定的值。

根据管子的尺寸和数目即可进行相应的排列当壁温和压力降的校核结果满足后，即可进行附件的设计当计算和校核的部分完成后，即可进行作图笔者作为组长，负责协调每一个人的分工，从而为后续的设计扫除障碍固定管板式列管换热器10三、换热面积的估算①计算定性温度，确定物理常数管程管程壳程壳程T=67.5℃t=30.25℃ρ1 =831kg/m^3ρ2=995.7kg/m^3μ1 =0.000358Pa*sμ2=0.0008015Pa*sCp1=1909J/(kg*k)Cp2=4174J/(kg*k)λ1 =0.1315W/(m*k)λ2=0.618W/(m*k)固定管板式列管换热器11②计算对数平均温差 为了增加传热的有效性，设计时采用逆流的方式根据计算式△tm逆=（ △t1- △t2）/ln（ △t1/△t2 ）其中， △t1 =80-40.5（ ℃ ）=39.5 ℃ △t2 =55-20（ ℃ ）=35 ℃求得△tm逆=37.20 ℃ 假设所选择的流程为单壳程、双管程，则流动的形式为折流，需对对 数平均温度差△tm逆乘以校正系数，而校正系数是辅助量R与P的函数。

固定管板式列管换热器12其中，R=（T1-T2）/（t2-t1）=1.22 P= (t2-t1)/(T1-t1)=0.342由《化工原理》图4-52（α）得出温差校正系数为0.94解得△tm逆=34.97℃③估算总传热系数K值 由《化工原理》表4-4可知，有机物—水组合中，当有机物黏度μ<0.5mpa*s时，K的取值范围为300～800W/（㎡*k），而苯的μ1 =0.000358Pa*s<0.5mpa*s 由于纯苯可近似看做无污垢，而水也是经过处理的，因此总的影响传热系数的值不大，因而K值可取大一些，这里，取K估=500W/（ ㎡*k ）固定管板式列管换热器13④由K估和△tm逆计算换热面积由A=Q/（ K估*△tm逆）解得A=12.22㎡⑤管根数NT估的计算假设管长Ls=3m，根据NT估=A/（π* dLs）其中， A=12.22㎡，d19mm（标准的管有19*2和25*2.5两种规格，这里取得是前者），解得NT估=68.24（根）固定管板式列管换热器14四、管子尺寸及数目的计算 上面最后解得NT估=68.24（根），参照工具书上φ19*2管的标准参数，选择壳程为1，管程为2，管总数为88根，管长L=3m的参数列，对应的传热面积A选=15.2㎡。

选择管的排列方式为正三角形排列后面有解释，详见五） 根据工具书，参考壳径Ds=其中，CL是指传热管配置角度对换热器直径的影响系数，这里CL=1； CTP是指传热管程数对换热管直径的影响系数，双程时，CTP=0.9固定管板式列管换热器15 PR=PT/d其中，PT为管间距，这里一般取得是25mm 解得Ds=0.229m 选取Ds正好对应于0.325m,也较满足 在一般情况下，取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍，且一般为50mm 的倍数 壳体内径D=0.325m 对应的挡板间距取值范围为0.065～0.325m 这里取200mm的间距，即h=200mm 由折流板数目的计算式NB=L/h-1，得 NB=14（块） 即折流板的数目设计为14块固定管板式列管换热器16五、管子在管板上的排列 设计中之所以选择正三角形排列，是因为正三角形排列较紧凑、对相同壳体直径的换热器排的管子较多，传热效果也较好，且所使用的两种液体污垢热阻均很小，可以忽略不易清洗的因素固定管板式列管换热器17六、壳体内径的确定 四中已通过一种方法计算得的Ds=0.229m，选定的一个内经标准为0.325。

下面选择另一种方法来确定壳体的内径—— 选择换热管为正三角排列，排列管的中心距为t=25mm横过管束中心线的管数 ＝由n=88解得 ＝10.3≈11 最外层换热管中心线距壳体内壁距离：＝（1～1.5）d此处 取一倍d即 ＝0.019m 壳体内径：Ds=（ -1）*t+2*解得Ds=0.288m 两种方法所得结果不同，但都可圆整为最接近于他们的标准内径0.325m固定管板式列管换热器18七、附件设计1、接管及法兰的选择 六个管口（两对进出口，一个排气口，一个排污口）及相应法兰的选择（设计中均用凸面法兰），确定其尺寸（厚度、直径、高度）、材料、重量，相应法兰的配备螺孔等具体见设计任务书2、换热管的选择 20钢材质的无缝钢管，规格： 长度：3000mm 与管板的连接采用热胀连接3、左管板短节的选择 包括内径、壁厚、长度以及材料和重量4、左管箱封头的选择 同上固定管板式列管换热器195、左管箱隔板的选择 这里其厚度选为10mm(换热器公称直径小于或等于600时，碳钢隔板的最小厚度为8mm)。

6、左管箱法兰和密封垫片的选择7、左箱板的选择 管板厚度的确定（40mm）、管板的选型、管板的开孔布置8、右管板与右管箱的选择 与左边相对应的相同9、鞍座的选择 相应的尺寸（包括底板和垫板）以及质量固定管板式列管换热器20八、换热器校核（包括换热面积、壁温、压力降）1、换热面积的校核①管程的对流传热系数α1流速u1=4*qm1/(ρ1*π*n*d1*d1)=0.693m/sRe1=d1*u1*ρ1/μ1 =214120Pr1=Cp1*μ1/ λ1=5.197Α1= =1060W/(㎡*k)②壳程的对流传热系数α2壳程最大的流通截面积公式：S=h*D*(1-d/t)解得S=0.0156㎡固定管板式列管换热器21水的流量：qm2=Q/Cp2*(t2-t1)=2.496kg/s水的流速：u2=qm2/(ρ2*S)=0.161m/s三角形排列的当量直径：de==0.0173同理，Re2=3460当Re2的取值介于2000与2000000之间时，可用下式计算α2：α2=固定管板式列管换热器22设 ，其中， 解得查得相应外壁壁温将 带入α2的计算式，得α2=2056W/（㎡*k）③总传热系数K的计算 查《化工原理》表4-6常用流体的污垢热阻，水近似看做蒸馏水，苯为有机物，因而有固定管板式列管换热器23 以传热面积A2为基准的总传热系数计算式为：代入已知值，解得 解得K2=490.44㎡*k/W ④计算换热面积 A=Q/(K* △tm)=12.45㎡⑤校核总换热面积 之前所选定的换热面积为A选=15.2㎡（没有考虑到有效换热面积的情况） 而计算得到实际所需的换热面积为12.45㎡。

所以，A选/A=1.2209，裕量为22.09%固定管板式列管换热器24根据裕量要求的范围为10%~25%，可知所选的换热面积是合适的若考虑到所选择的面积应为有效换热面积，则要在所选换热面积（15.2㎡）的基础上，减去因折流板覆盖管外表面的面积A1以及管子嵌入管板中的面积A2由折流板的厚度为6mm可知，要计算A1，必然要知道折流板弓形部分圆缺的高度，这需要看自己的选择，观察所作图，可近似用如下式子来求得其值： A1= π*0.0019*0.006*14*80㎡=0.401 ㎡因而这一部分是不能忽略的 管子的左右两端分别嵌入前管板和后管板中，不传热的部分包括与管板接触的面积以及伸出管板外的面积一根管子的“损失长度”为32*2mm，换算成面积为0.0038 ㎡，因而A2=88*0.0038 ㎡=0.34 ㎡，同样不能够忽略所以，总的损失面积为A1+A2=0.401+0.34 （㎡）=0.741 ㎡在进行传热面积校核的时候，就要将此因素考虑进去，即A选=15.2-0.741（㎡）=14.459 ㎡则A选/A=1.1614；裕量为16.14%，同样符合在规定的要求之内固定管板式列管换热器252、壁温的校核前面曾假设 ，解得相应的根据相关资料可查到壁温的核算式：将已知值代入得，由假设值和算得值作比较，发现两者非常接近，说明设想与实际的壁温值非常吻合。

固定管板式列管换热器263、压力降的校核1）管程压降的校核管程压降△PT是由△Pt、△Pr、 △Pλ、 △PCE组成，它们各自的意义如下：△Pt：直管部分的压力损失；△Pr：管箱处改变方向的压力损失；△Pλ：进出口接管处的压力损失；△PCE：管箱处进入换热器管口突然收缩和膨胀的压力损失它们之间的关系以及计算演变式为△PT= △Pt+ △Pr+ △Pλ+ △PCE=其中，ntpass表示管程数，等于2固定管板式列管换热器27Gi=W1/a1解得Gi=575.60由Re1=24120>2100,得di表示列管的内径，15mm.由于管内的液体被加热，因此近似取KC=0.3，KE=0.2，K=4将这些数值代入△Pt的公式中，得到△Pt=4632Pa<10KPa即管程的压降是符合要求的2）壳程压降的校核①横过管束的压强降 管子排列方法对压强降的较正因素 F=0.5（正三角形排列） 壳程流体的摩擦fo,当Re2>500时，固定管板式列管换热器28横过管束中心线的管子数nc=1.1* =10.31 取nc=11折流板数NB=14壳程流速u2=0.161m/s解得②流体通过折流板缺口的压强降折流板间距h=0.2m壳体内径D=0.325m一般的，流体流经换热器进出口导致的压降可忽略。

对于液体壳程压强降的结垢校正系数Fs=1.5固定管板式列管换热器29壳程数Ns=1因此，壳程的压力降也是符合要求的固定管板式列管换热器30九、设计一览表水进口温度水进口温度20℃面积裕量面积裕量（非有效）（非有效）22.09%水出口温度40.5℃实际外壁壁温41℃苯的质量流量4.4753kg/s管长3m水的质量流量2.4955kg/s管径输送水的泵型号TR32-160型管子数目88输送苯的泵型号ZA40-200型折流板数目14管、壳程设计压力0.6MPa折流板间距200mm管程压力降4632Pa拉杆和定距杆数目4壳程压力降1860Pa管子在管板上排列方式正三角形设计传热面积(非有效)15.2㎡排列管的中心距25mm计算传热面积12.45㎡壳体内径325mm固定管板式列管换热器31十、设计创新点 在整个设计过程的计算步骤中，我是通过选择泵来确定水的出口温度的 这样做的好处是，一方面能够使水满足在其正常的流速范围中工作（1~2.5m/s），不至于对设备造成较大的冲击影响，另一方面也能为实际的生产带来方便，即直接可利用所选择的泵，且符合其工作范围之内，以期达到生产中的有效利用。

固定管板式列管换热器32十一、设计中的不足点及需改进之处第一，我们设计的常年工作室温为20℃，但这一条件常常不能够严格符合，我们需考虑到在当地一些极端情况下的温度情况，即利用历史气象数据，计算在极端情况下的换热器工作情况，再对其作出取舍；第二，尽管接触了大量的文献，在附件的选择中依然查不到一些附件的质量，这是我们设计报告的不完整之处；第三，在工作中的协调问题我在协调作图员与设备员的方面做得不够好，以致后期制图时，某些尺寸和查资料所得尺寸有不同之处总之，在工作之前，一定要明确每个组员之间的关系，这样才能更好地实现组内效率最大化；第四，作图时，某些剖面线画得比较粗，粗细不匀，没有严格按照标准区分各类线固定管板式列管换热器33十二、工作总结固定管板式列管换热器34。