制藥工程課程設(shè)計

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［閶替葉A號

《化工原理》課程設(shè)計

管殼式換熱器設(shè)計

學(xué)生姓名孫國良

學(xué)生學(xué)號1343114

學(xué)科專業(yè)制藥工程

院部名稱工學(xué)院

設(shè)計時間.05.15至.06.14

二零一六年六月

目錄

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弓I言......................................................5

一、傳熱原理及用途.......................................5

二、換熱器的分類與特點...................................5

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性.....................................6

四、設(shè)計的普遍標(biāo)準(zhǔn)與要求................................7

設(shè)計任務(wù).....................................................8

設(shè)計步驟與基本原則...........................................8

一、設(shè)計步驟..............................................8

二、列管式換熱器種類選取.................................9

三、管程與殼程的選取....................................10

三、流體流速的選擇......................................10

四、管程結(jié)構(gòu)的選擇.......................................11

五、管程和管殼數(shù)的確定..................................12

六、折流擋板............................................13

七、其它主要部件........................................13

設(shè)計方案的確定..............................................14

一、設(shè)計方案的確定......................................14

1.選擇換熱器類型....................................14

2.選定流體流動空間及流速............................14

流程草圖及說明..............................................14

設(shè)計計算....................................................15

一、物性數(shù)據(jù)的確定......................................15

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二、計算逆流的平均溫度差................................16

三、初選總傳熱系數(shù)K.........................................................................16

標(biāo)準(zhǔn)化的管殼式換熱器設(shè)計方案............................17

一、換熱器初步選型...................................17

二、換熱器核算.......................................17

22

非標(biāo)準(zhǔn)化管殼式換熱器的設(shè)計方案

一、工藝結(jié)構(gòu)尺寸.....................................22

二、換熱器核算......................................24

其它零部件的設(shè)計............................................29

一、壁厚的確定..........................................29

二、封頭的確定..........................................30

換熱器裝配圖................................................31

設(shè)計評述....................................................31

一、設(shè)計總結(jié)............................................31

二、設(shè)計感想............................................32

參考資料....................................................32

致謝........................................................33

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引言

一、傳熱原理及用途

換熱器是一種在兩種或兩種以上不同溫度的流體間實現(xiàn)物料之間

熱量傳遞的設(shè)備，其功能是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低

的流體，使流體溫度達到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需

要，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。在換熱器中要實現(xiàn)熱

交換至少要有兩種不同溫度的流體，一種流體溫度高，放熱；另一種

流體溫度低，吸熱。根據(jù)具體的換熱要求，換熱器中有時也會有兩種

以上流體參與換熱，但其基本原理與兩種流體是一致的。

自然界存在三種基本傳熱方式，即熱傳導(dǎo)、對流傳熱、及熱輻射。

在管殼式換熱器中，實現(xiàn)高、低溫流體的熱量交換至少包括三個基本

步驟，即對流傳熱一熱傳導(dǎo)一對流傳熱。若傳熱壁面兩側(cè)存在污垢

層，還應(yīng)加上經(jīng)過兩壁面污垢層的熱傳導(dǎo)過程。

當(dāng)前，換熱器已成為化工、石油、動力、食品等行業(yè)中廣泛使用

的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加

熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。

二、換熱器的分類與特點

1.按用途劃分

按照其用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸

器、深冷器、過熱器等。加熱器是把流體加熱到必要的溫度而使用的

熱交換器，被加熱的流體沒有相變化；冷卻器是用于把流體冷卻到必

要的溫度的熱交換器；冷凝器是用于冷卻凝結(jié)性氣體，并使其凝結(jié)液

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化的熱交換器，若使氣體全部冷凝，則稱為全凝器，否則稱為分凝

器；再沸器是用于再加熱裝置中冷凝了的液體使其蒸發(fā)的熱交換器；

深冷器是用于把流體冷卻到0℃以下的很低溫度的熱交換器；過熱器

是將流體(一般是氣體)加熱到過熱狀態(tài)的熱交換器。

2.按熱量交換原理和方式劃分

按照冷、熱流體熱量交換的原理和方式不同，換熱器可分為3大

類：

(1)混合式換熱器：冷、熱流體直接接觸和混合進行換熱。這類

換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，常做成塔狀。

(2)蓄熱式換熱器：冷熱流體交替經(jīng)過格子豉或填料等蓄熱體以

實現(xiàn)換熱。這類換熱器由于少量流體相互摻和，易造成流體間的“污

染”。

(3)間壁式換熱器：冷熱流體經(jīng)過隔開它們的固體壁面進行換

熱，這是工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的一類換熱器。按照傳熱面的形狀及結(jié)

構(gòu)特點又可將其分為：

①管式換熱器，如管殼式、套管式、螺旋管式、熱管式等；

②板面式換熱器，如板式、螺旋板式等；

③擴展表面式換熱器，如板翅式、管翅式等。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性

換熱器是制藥生產(chǎn)、化工、石油、動力、食品等行業(yè)中廣泛使用的

通用設(shè)備，在生產(chǎn)過程中起著重要作用，一個合適的換熱器能夠更好

的達到生產(chǎn)要求。在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占工程總投資的

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11%;一般換熱器約占煉油及化工設(shè)備總投資的40%。再者，在生產(chǎn)

工藝流程中使用著大量的換熱器，提高其換熱效率，能夠減少能源的

消耗；用換熱器來回收工業(yè)余熱，也能夠顯著的提高流程整體的熱效

率。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量量不斷增加，能源緊張已成為

一個全球性問題，為緩解生產(chǎn)和人民生活的方方面面。因此，換熱器

的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱機理研究，在節(jié)省投資、降低能耗等

方面發(fā)揮著日益重要的作用

四、設(shè)計的普遍標(biāo)準(zhǔn)與要求

1、設(shè)計的普遍標(biāo)準(zhǔn)

工程設(shè)計是一項政策性很強的工作，要求設(shè)計人員必須嚴(yán)格遵

循國家的有關(guān)方針政策和法律法規(guī)以及有關(guān)的行業(yè)規(guī)范，特別是

國家的工業(yè)經(jīng)濟法規(guī)、環(huán)境保護法規(guī)和安全法規(guī)。另外，由于設(shè)

計本身是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，對于同一個問題，常會有多種不

同的解決方案，設(shè)計者常常要在相互矛盾的選項中進行判斷和選

擇，作出科學(xué)合理的決策，為此一般應(yīng)遵循如下一些普遍標(biāo)準(zhǔn)：

①技術(shù)的先進性和可靠性；②過程的經(jīng)濟性；③過程的安全性；

④清潔生產(chǎn)；⑤過程的可操作性和可控制性；⑥盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)

系列。

2、設(shè)計的基本要求

①、查閱文獻資料，了解換熱設(shè)備的相關(guān)知識，熟悉換熱器設(shè)計的

方法和步驟；

②、根據(jù)設(shè)計任務(wù)書給定的生產(chǎn)任務(wù)和操作條件，進行換熱器工藝

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設(shè)計及計算；

③、根據(jù)換熱器工藝設(shè)計及計算的結(jié)果，進行換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計；

④、以換熱器工藝設(shè)計及計算為基礎(chǔ)，結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)

果，繪制換熱器裝配圖；

⑤、編寫設(shè)計說明書對整個設(shè)計工作的進行書面總結(jié)，設(shè)計說明

書應(yīng)當(dāng)用簡潔的文字和清晰的圖表表示設(shè)計思想、計算過程和設(shè)計結(jié)

果。

設(shè)計任務(wù)

以某工段C9產(chǎn)品冷卻器設(shè)計為例。該冷卻器利用公用工程冷卻

水使C9產(chǎn)品降溫，達到工藝要求。其設(shè)計條件如表1所列。

表1冷卻器設(shè)計條件

參數(shù)熱流體冷流體

介質(zhì)C9產(chǎn)品公用工程冷卻水

進出溫度/℃188/5030/40

壓力/MPa0.690.45

物料質(zhì)量流量/(kg-Z)8500——

設(shè)計步驟與基本原則

一、設(shè)計步驟

根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，選擇設(shè)計列管式換熱器中的

浮頭式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來選擇

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管程走什么，殼程走什么。在這里，由于冷卻水易結(jié)垢，若流速太低

會加快污垢增長的速度，使換熱器的熱流量下降，總體考慮，冷卻水

走管程，C9產(chǎn)品走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密

度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面

積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)傳熱管長，算出傳熱管

程，傳熱管總根數(shù)等等。隨后校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管

排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流

板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設(shè)計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對換

熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出

面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果在設(shè)計范圍

內(nèi)就能完成任務(wù)。最后，根據(jù)設(shè)計好的換熱器類型選擇合適的相關(guān)零

部件即可。

二、列管式換熱器種類選取

根據(jù)固定管板式的特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修

困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。U形管式特點：結(jié)構(gòu)簡單，

質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是

潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗

和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，兩流體溫度

變化情況如下：熱流體進口溫度188℃,出口溫度52℃；冷流體進口

溫度30℃,出口溫度40℃；溫差較大。我們設(shè)計的換熱器中流體有

冷卻水易結(jié)垢，再根據(jù)能夠完全消除熱應(yīng)力原則我們選用浮頭式換熱

器。

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三、管程與殼程的選取

根據(jù)以下原則：

1).不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。

2).腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，且管子

也便于清洗和檢修。

3).壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。

4).飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，

冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大

5).被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強

冷卻效果。

6).需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程

流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。

7).粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間

又因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改

變，在低Re(Re>l()O)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)，且冷卻

水易結(jié)垢，污垢會影響傳熱效率，因此選擇冷卻水走管程，C9產(chǎn)品走

殼程。

三、流體流速的選擇

當(dāng)流體不發(fā)生相變時，增加流體在換熱器中的流速，將加大對流

傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱

阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積，使換熱器結(jié)

構(gòu)緊湊，降低制造成本?？墒橇魉龠^大也會帶來一些不利的影響，如

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壓降增加，泵功率增大，且加劇了對傳熱面的沖刷。另外，在選擇流

速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目

減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)，而管

子太長不易清洗，一般管長都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑逃謺蛊?/p>

均溫度差下降。因此需要選擇適當(dāng)?shù)牧魉俜秶?，已達到較好的傳熱效

果。同時也要考慮流體本身的特性，如易燃易爆液體或氣體應(yīng)控制其

流速不能過大等。

換熱器常見流體及不同黏度液體的流速范圍如下表：

表2-換熱器中常見流體的流速范圍

流體

流速

循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低黏度油高粘度油氣體

管程流速

1.0~2.00.8~1.50.5~3>1.00.8~1.80.5~1.55-30

m/s

殼程流速0.5-

0.5~1.50.2~1.5>0.50.4~1.00.3~0.82-15

m/s1.5

表3-不同黏度液體的流速（以普通鋼壁為例）

液體黏度小（KP/.S/加2）最大流速u（m/s）

>15000.6

1500~5000.75

500~1001.1

100~351.5

35~11.8

<12.4

四、管程結(jié)構(gòu)的選擇

選擇管徑時，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流

速范圍。常見的列管式換熱管規(guī)格有619mmX2mm、<i>25X2.5mm

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及。25X2mm。在選擇管徑規(guī)格時，一般選用外徑為。19mm的管

子;在這里，冷卻水易結(jié)垢，為了方便清洗，選擇力25X2.5mm管

子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清

洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長為6m,則合理的換熱器管長

應(yīng)為1.5、2、3或6mo另外，管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為

4~6（對直徑小的換熱器可大些）。

管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯

列等，等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會

少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可

排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適

用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時

為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)（較直列

排列的）能夠適當(dāng)?shù)靥岣摺?/p>

管子在管板上排列的間距（指相鄰兩根管子的中心距），隨管子與

管板的連接方法不同而異。一般，脹管法取t=（L3?1.5）d,且相鄰兩

管外壁間距不應(yīng)小于6mm,即t》（d+6）。焊接法取t=1.25d

換熱管管心距一般按表4選取。

表4-換熱管管心距

換熱管外徑/mm19253238

換熱管管心距/mm25324048

分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的

38445260

管心距/mm

五、管程和管殼數(shù)的確定

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當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管

內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多

管程?？墒浅虜?shù)過多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時

多程會使平均溫度差下降；另外多程隔板使管板上可利用的面積減

少，設(shè)計時應(yīng)考慮這些問題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有

1、2、4和6程等四種。采用多程時，一般應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相

等。

六、折流擋板

安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加

劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常見的為圓缺形擋板，切去的弓形

高度約為外殼內(nèi)徑的10?40%,一般取20?25%,過高或過低都不

利于傳熱。兩相鄰擋板的距離（板間距）B為外殼內(nèi)徑D的（0.2?1）倍。

系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的B值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，

板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就

難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。這次設(shè)計選用圓缺形擋

板。

換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于（對浮頭式換熱器而言）管板的

直徑。初步設(shè)計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管

程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。

七、其它主要部件

1.緩沖板與導(dǎo)流筒在殼程進口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖

板。它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，

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還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不

但起防沖板的作用，還可改進兩端流體的分布，提高傳熱效率。

2.拉桿和定距管折流板用拉桿和定距管連接在一起。拉桿的數(shù)量取

決于殼體的直徑，從4根到10根，直徑10~12mm。定距管直徑一般

與換熱管相同。又是也可將折流板與拉桿焊在一起而不用定距管。

3.旁流擋板與假管當(dāng)管束與殼體之間的間隙較大時，會形成旁流，

影響傳熱，其間應(yīng)設(shè)置旁流擋板，或稱密封條。當(dāng)管束中間由于管程

分程隔板而引起較大的空隙時，可裝一些假管，以減少旁流。假管是

一些不穿過管板的管子，她們的一端或兩段都是封閉的，沒有流體經(jīng)

過，不起換熱作用。

設(shè)計方案的確定

一、設(shè)計方案的確定

1.選擇換熱器類型

根據(jù)設(shè)計任務(wù)，兩流體溫度變化情況如下：熱流體進口溫度

188℃,出口溫度52℃；冷流體進口溫度30℃,出口溫度40℃；因考

慮冷、熱流體溫度差較大，初步確定選用浮頭式換熱器。

2.選定流體流動空間及流速

由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若流速太快會加速污垢增長速度，式換

熱器的熱流量下降，總體考慮，冷卻水走管程，C9產(chǎn)品走殼程。同時

選用@25mmX2.5mm的較高級冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速以=1.10m/s。

流程草圖及說明

標(biāo)準(zhǔn)換熱器流程草圖如下:

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C9產(chǎn)品出口

冷卻水進口冷卻水出口

C9產(chǎn)品進口

其中，循環(huán)冷卻水走管程，其進口溫度為30℃,出口溫度為40℃；

C9產(chǎn)品走殼程，其進口溫度為188℃,出口溫度為50℃；從整體上分

析兩流體處于逆流狀態(tài)。

設(shè)計計算

一、物性數(shù)據(jù)的確定

1.定性溫度

可取流體進口溫度的平均值，則殼程流體的定性溫度為：

T=188+50=119℃

2

管程流體的定性溫度為

T=3°+4°=35℃

2

2.根據(jù)定性溫度，由AspenExchangerDesignandRating中自帶的

物性數(shù)據(jù)庫可查得操作條件下管程即殼程的物性數(shù)據(jù)如表4所示。

表4管程與殼程的定性溫度及相關(guān)物性數(shù)據(jù)

參數(shù)管程

定性溫度(℃)11935

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密度(kg/m3)931.7994.3

比定壓熱容Cp[kJ/(kg?℃)]1.374.174

熱導(dǎo)率-[W/(m?℃)]0.2080.624

黏度u(mPa?s)0.850.742

3.換熱器的熱負(fù)荷

換熱器的熱負(fù)荷可根據(jù)熱流體的流量及溫度變化情況計算：

中=咻-cp)h(匯-5)=8500X1.37X(188-50)/3600ZW=446.39(ZW)

4.冷流體質(zhì)量流量:

①446.39x3600

q〃,儂//?=38500(四/72)

Cp,h(，2—4.174x(40-30)

二、計算逆流的平均溫度差

設(shè)C9產(chǎn)品冷卻器殼程物料進出口溫度分別為小心,管程冷卻水進

出口溫度分別為L，2則逆流的平均溫度差為

A?2—A/|(7J—tp—(7^—)(188-40)-(50-30)

=63.95(C)

]加2iT、—t?188-40

In-In———In

A。T2Tl50-30

三、初選總傳熱系數(shù)K

根據(jù)物系、操作條件及傳熱手冊，初步假設(shè)傳熱系數(shù)K=350

W/(m2-℃)o

5.估計總傳熱面積

總傳熱方程為①二鹿餌“，則

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①446.39x10002、

Sc=-------=---------------=19.949（帆）

K-Atm350x63.95

考慮非標(biāo)準(zhǔn)換熱器設(shè)計需要留有裕度，則

S=1.15xS=22.93(m2)

標(biāo)準(zhǔn)化的管殼式換熱器設(shè)計方案

一、換熱器初步選型

換熱器形式的確定有兩種，一種將換熱器作為標(biāo)準(zhǔn)化的管殼式換

熱器進行選型，另一種是自行設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)化的換熱器。這里將換熱器

做為標(biāo)準(zhǔn)化換熱器經(jīng)過選型完成設(shè)計任務(wù)。

根據(jù)殼程及管程流體溫度的變化和傳熱面積，并考慮一定的裕

度，在浮頭式換熱器系列中選擇型號為BES500-0.6-28.3-3/25-1I的內(nèi)

導(dǎo)流浮頭式換熱器，根據(jù)JB/T4714-92,該換熱器的基本參數(shù)如下：

外殼直徑500mm管/殼程設(shè)計壓力0.6MPa公稱傳熱面積28.3m2

管子尺寸①25mmX2.5mm管子數(shù)206管長3m

管心距32mm管程數(shù)2管子排列方式正三角形

管程流通面積0.0215m2

采用雙弓折流板，圓缺高度為殼徑的25%,折流板間距0.3m。

二、換熱器核算

1.傳熱能力的核算

（1）.殼程流體傳熱系數(shù)

%=0.362Re產(chǎn)pri/3（_X^）o.（4

de"w

根據(jù)克恩公式有

其中當(dāng)量直徑由于正三角形排列，則

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2

:4(當(dāng)產(chǎn)一詈6^)4(坐X0.0322_3J4X0025)

=0.02(m)

e71do3.14x0.025

殼程流通面積，由于D=500mm,B=().33D=165mm,則

4=5X。X(1—9)=0.165X0.5X(1—§§§)=0.018(利2)

殼程流速

Vh_8500/3600

4--931.7x0.018=0.141(/71/5)

雷諾數(shù)

deuopo_0.02x0.141x931.7

於()x1000=3091.05

No0.85

普朗特數(shù)

Pr=21.37x0.85「“

--------------=5.60

A)0.208

黏度校正

4=]

4w

因此，

4=0.36&Re產(chǎn)Pr1/3(^)014

de"w

=0.363091.05°55X5.6OI/3xlo,4w/(m2?℃)

0.02

=552.45W/(m2?℃)

(2).管程流體傳熱系數(shù)

a：=0.023^-Re08Pr04

A

根據(jù)迪特斯-貝爾特公式有

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其中，管程流通面積

A=0.0215m2

管程流速

38500/3600

匕=0.500(m/5)

994.3x0.0215

雷諾數(shù)

_0.02x0.500x994.3

Re=型?x1000=13400.27

A0.742

普朗特數(shù)

CpM4.174x0.742.

Pr=-----=--------------------=4.9Q6A

為0.624

因此

1=0.023&Re?！稰r°-4

山

=0.023xx134OO.2708x4.960-4W/(m2?℃)

0.02

=2727.5W/(/M2-℃)

(3).污垢熱阻和管壁熱阻

查閱《化工工藝物性手冊》得:

管內(nèi)側(cè)污垢熱阻0.000344m2?℃/W

管外側(cè)污垢熱阻0.000200m2?℃/W

管壁導(dǎo)熱系數(shù)50m2-℃AV

(4).總傳熱系數(shù)

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1

K=

do+&，膏+給+號。+之

1

0.025X0.025|0.0025x()025

2727.5x0.020+0.0003440.020丁50x0.0225+0.000200+552.45

=338.53W/(m2-℃)

(5).傳熱面積裕度

換熱所需傳熱面積

S=44639x1。。。=20.62(一)

K-\tm338.53x63.95

實際傳熱面S。=28.3加2積則

裕度

F=員二。xlOO%=283-20.62xl0()%=3724%

S20.62

因此該換熱器能完成任務(wù)

2.壁溫核算

由于管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫降低，降低了殼體與

傳熱管壁之間的溫度差，但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱

管壁溫度差會較大。計算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取

兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。

因此，傳熱管平均壁溫

T/a+t/a105.2/2727.5+34/552.45℃.

t—m-------c------m------h---—---------------------------------------—

X/ac+l/ah~1/2727.5+1/552.45,'

殼體因有良好的保溫層，可近似取殼程流體的平均溫度，即

t=10血籍。咽此,45.99)℃=59.21℃250c溫差較大，且任務(wù)要求

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中殼程流體壓力較高，因此，選用浮頭式換熱器是可行的

3.換熱器的阻力損失

(1).管程阻力損失

工”，=(△*+Ap2}FtNpNs

其中，對625mmX2.5mm的管予爺=1.4,且Np=2,Ns=1

由Re=13740.61,傳熱管相對粗眄.004,查莫迪摩擦系數(shù)圖得

4=0.033W/(/T72-℃)

管程流遨,=0.500僧管程流體密度8=994.3版/加則

Ap.=2,?—?包工=0.033xx0,5002x994.3尸a=615.2Pa

1'd20.022

22

△4=J.包父=3x0-500-x994.3=372.9Az

222

則，ZA0=("]+\p2}FtNpNs=(615.2+372.9)x1.4x1x2Pa=2767Pa<5kPa

因此，管程流體阻力損失在允許范圍之內(nèi)。

(2).殼程阻力損失

￡即\=Sp；+Ap2)FsNs

流體流經(jīng)管束的阻力

2

△p；=曰0&(%+1)

其中，p-Q5,PQ=931.7左g/nr,,u0=0.141m/s

-0228

/0=5x(3091.O5)=0.800

%=1.=l.lxV206?16

_傳熱管長_3000

B二折流板間距—而一=

29

貝lj,△〃；=Ffonc(NB+1)號^=0.5x0.8xl6x(17+l)x網(wǎng).7;0.⑷一=10669Pa

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流體流過擋板缺口的阻力

?_28、Z?UM—「2x0.165、931.7x0.1412……

年2=/Ar(3.5--)?堂0=17x(3.5--)x-----------------=447.1Pa

Q52

因此殼程總阻力

ZAp0=(Ap']+Ap2)FSNS=(1066.9+447.1)x1x1=1514P?

因此，殼程流體阻力損失也在允許范圍之內(nèi)

初選的標(biāo)準(zhǔn)化換熱器能滿足工藝要求。

非標(biāo)準(zhǔn)化管殼式換熱器的設(shè)計方案

一、工藝結(jié)構(gòu)尺寸

(1).管徑和管內(nèi)流速

已選定，管徑為@25mmX2.5mm,管內(nèi)流速為四=L10m/s。

(2).管程數(shù)和傳熱管數(shù)

根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)A

V38500/(994.3x3600)…曰、

&=--------；—=---------------------------=31.14a32(不艮)

0.785<2M,.0.785X0.022X1.1

按單程管計算所需換熱管的長度L

,S22.93

=9.13(m)

ns7rd032x3.14x0.025

按單程管設(shè)計，傳熱管過長，根據(jù)本任務(wù)的實際情況，取傳熱管

長L=4.5m,則該換熱器的管程數(shù)為

TQ13

M節(jié)=言。2(管程)

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傳熱管總根數(shù)=32x2=64(根)

(3).平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)首先計算P和R的參數(shù):

40-30T-T188-50

0.063R=2}=13.8

188-30‘2—440—30

按公式獲取。A并求取單殼程雙管程屬于1-2折流，現(xiàn)用1-2

折流的公式計算溫差校正系數(shù)和傳熱平均溫差。

卬Z=返三I-m上2/in2-尸…-=0.929

R—'\一PR2——(1十二十J—2十1)

Atm=(z?AtAtm=0.929x63.95=59.41(℃)

由于溫度校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流量亦較大，故取單殼程較合

適。

(4).傳熱管排列和分程方法

采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排

列。取管心距f=L25d0,則

t=1.25x25=32(mm)

隔板中心到其最近一排管中心的距離C：按凈空不小于6mm的原

則確定，亦可按下式來求?。?。=t/2+6=32/2+6=22Gn加)

分程隔板兩側(cè)相鄰排管之間的管心距

ta=2c=2x22=44(mm)

管中心距t與分隔板槽兩側(cè)相鄰管排中心距ta的計算結(jié)果與表4給

出的數(shù)據(jù)完全一致，證明可用。

(5).殼體內(nèi)徑

采用兩管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7,則殼體內(nèi)徑

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D=1.05tjN/77=1.05x32V64/0.7=322（mm）

圓整取D=400mm。

（6）.折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切

去的圓缺高度為h=0.25x400=100（即），取h=100mm。

取折流板間距為B=0.33D=0.33X400=132mm,則折流板數(shù)

_傳熱管長45001—33（塊）

心一折流板間反巨塊）

折流板圓缺水平面安裝。

（7）.其它附件

拉桿直徑為012mm,其數(shù)量不少于4根。殼程入口應(yīng)設(shè)置防沖擋

板。

（8）.接管

①殼程流體（C9產(chǎn)品）進出口接管取接管內(nèi)流體流速為4m/s,

則接管內(nèi)徑

“=傳==0.027m

取標(biāo)準(zhǔn)管徑為6

②管程流體（循環(huán)水）進出口接管取接管內(nèi)循環(huán)水的流速

2.5m/s,則接管內(nèi)徑

d=信=J4x3850；：匿994五=。皿加

取標(biāo)準(zhǔn)管徑為6

二、換熱器核算

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(1).傳熱能力核算

①殼程對流給熱系數(shù)對于圓缺形折流板，可采用克恩公式

劭=0.36&Re浮Pry*)?！梗?/p>

de"w

當(dāng)量直徑由正三角形排列得

d_4(Y產(chǎn)-￡屏)_4(4X0.0322-竽X0.0252)

=0.02(m)

e~有-3.14X0.025

由于D=40()mm,B=132mm,殼程流通截面積

4=6X。X(1—牛)=0.132X0.4X(1—牒)=0.012(m2)

殼程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特常數(shù)分別為

Vh_8500/3600

u=0.211(m/5)

oA)-931.7x0.012

R%二誓=空喂產(chǎn)x-625.61

1.37x0.85_/八

---------------=5.6()

4)0.208

0208

a=0.36x—x4625.61055x5.60l/3xl=689.56W/(7n2?℃)

00.020

②管程給熱系數(shù)

根據(jù)迪特斯-貝爾特公式有

%=0.0234Re"Pr0-4

A

管程流通面積

3.14x0.02()2

Tcd^NT64

X--=-----0.010,%2

A=4242

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管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為

Uj=1.10m/5

Re=i！hPk=0.020xLl0*9943xl0(X)=29481>10000

出0.742

DCp、M4.174x0.742

Pr=-.......=------------------=4.96

’40.624

故，管程給熱系

a,=0.023^Re08Pr04-0.023xx2948108x4.9604=5126.6W/(小?℃)

40.020

③污垢熱阻與管壁熱阻

查閱《化工工藝物性手冊》得：

管內(nèi)側(cè)污垢熱阻0.000344m2?℃/W

管外側(cè)污垢熱阻0.000200m2?℃/W

管壁導(dǎo)熱系數(shù)碳鋼的熱導(dǎo)率：45m2-rAV

④總傳熱系數(shù)

工=4+入心+旦+&.0+工

Kocididj24〃a。

0.0250.0025x0.0251

+0-000344x^++0.0002+

5126.6x0.02045x0.0225689.56

金制艇8娘2/w

因此

⑤傳熱面積

理論傳熱面積

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446.39x1()3

=17.9m2

KZ“、419x59.41

該換熱器的實際換熱面積

2

Sp=TKIOLNT=3.14X0.025x(4.5-0.1)x64=22.1m

面積裕度為

F=豈二^=22-I7.9=23.4%

S17.9

換熱面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計要求。

（2）核算壁溫

因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計算:

t——?（士+凡）+%*（聶+>/?）

士+&+擊+&

Tm=0.47；+0.67；=0.4x188+0.6x50=105.2℃

t?,=0.由2+06]=0.4x40+0.6x30=34c

取兩側(cè)污垢與熱阻為零計算壁溫，得傳熱管平均壁溫：

t_7；”/4.+〃/%_105.2/5126.6+34/689.56_42隹

—\/ac+l/atl―1/5126.6+1/689.56一,

殼體平均壁溫，近似取殼程流體的平均溫度，即105.2C

殼體平均溫度與傳熱管平均壁溫之差：105.2-42.4=62.8℃

該溫差較大，故需設(shè)置溫度補償裝置。由于換熱器殼程流體壓力較

高，因此，選用浮頭式換熱器是可行的。

（3）換熱器內(nèi)流體的流動阻力

①管程流動阻力

匯=（八〃1+Ap2）FtNpNs

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取換熱管粗糙度為0.01mm,則￡/d=0.005,而

Re：=29481,查圖得a=0.024,流速的=1.10m/s,密度夕=994.3kg//??

因此，

、,Lp：ureg”4.5994.3xl.l2〃八

An.=4—=0.024x-------x---------------=3248.4Pa

1

'di20.022

甌2=4告^=3x994.；Il=1804.7Ptz

對025mmx2.5加利的管子有用=1.4,且=2,Ns=1

ZAp,=(A〃i+A〃2)￡NpNs=(3248.4+1804.7)xL4x2x1=14148.7R/

②殼程流動阻力

ZApo=(A〃；+Ap2)?Ns

流體流經(jīng)管束的阻力

2

△P\=Efo〃c(NB

式中：F為管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5,

正方形直列F=0.3,正方形錯列F=0.4

%為橫過管束中心線的管數(shù)久=L1JNT=1.1XV64?9

折流板間流板=0.132mm,折流板數(shù)NB=34,40=0.211m/s

1^7八。［"12

△pi=0.5x0.7299x9x(34+l)x；：——=2384.3Pa

流體流經(jīng)體流經(jīng)折流板阻力

2xQA32

Ap2=NB(3.5)^-=34x(3.5-)x知人⑼產(chǎn)=20027Pa

2BD20.42

ZAp0=(2384.3+2002.7)xl,15xl=5045.1Pa

/o為殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)He。＞500時，為=5.0Re/28=0.7299

流體流經(jīng)管殼式換熱器是由于流動阻力而產(chǎn)生一定的壓力降，因此

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換熱器的設(shè)計必須滿足工藝要求的壓力將。一般合理的壓力降的范圍

見表5

表5合理壓力降的選取

操作情況減壓操作低壓操作中壓操作較高壓操作

操作壓力/Pa55

p=0-lxl05p=lxlO-1.7xlOp=llxl05-31xl05p=31xl05-81xl05

(絕)

P=L7X105-11X105

0.5p

合理壓力降/PaO.lp0.35xlO5-1.8xlO50.7X105-2.5X105

0.35xlO5

參考上表可看出該換熱器的壓降在合理的范圍之內(nèi)，故設(shè)計的換熱器

合適。

其它零部件的設(shè)計

一、壁厚的確定

殼體、管程殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式

換熱器的殼體一般是由管材或板材卷制而成的。當(dāng)直徑小于400mm

時，一般采用管材和管箱殼體。當(dāng)直徑不小于400mm時，采用板材

卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列匹配，

以便于法蘭和封頭的選型。一般情況下，當(dāng)直徑小于1000mm時-，其

直徑相差100mm為一個系列：當(dāng)直徑大于1000mm時，直徑相差

200mm為一個系列，若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔時間可取

100mmo常見碳素鋼或低合金鋼圈圓筒的最小壁厚見表6o

表6碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度

公稱直徑(mm)400-700800-10001000-15001600-2100-2600

浮頭式(mm)810121416

U型管式(mm)