列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)

1、列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)甲烷壓縮機(jī)旁路冷卻器 2015目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書3二、確定設(shè)計(jì)方案3（1）選擇換熱器的類型3（2）流程安排3三、確定物性參數(shù)3（1）定性溫度4（2）定性溫度下的物性參數(shù)（附流量kg/h）4四、估算傳熱面積4（1）熱負(fù)荷5（2）平均傳熱溫度差5（3）傳熱面積5（4）冷卻水用量5五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)5（1）選擇管徑、管束材質(zhì)及管內(nèi)流速5（2）選取管長(zhǎng)、確定管程數(shù)和總管數(shù)6（4）傳熱管排列方式、管間距和分程方法7（5）殼體內(nèi)徑8（6）殼體材質(zhì)8（7）折流擋板8六、換熱器核算9（1）傳熱能力核算9殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)9管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)10污垢熱阻和管壁熱阻11傳熱系

2、數(shù)11傳熱面積裕度11（2）壁溫核算12（3）換熱器內(nèi)流體的流體阻力13管程流體阻力13殼程阻力13七、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果列表14八、參考資料15一、設(shè)計(jì)任務(wù)書任務(wù)及已知條件：換熱器名稱：甲烷壓縮機(jī)旁路冷卻器；熱流體：低壓甲烷；冷流體：冷卻水；流體名稱流量，t/h進(jìn)口溫度出口溫度最大允許壓降，kPa操作壓力,kPa低壓甲烷3.1211604029.4294.2冷卻水3068.6441.3工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容：查閱相關(guān)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)或指導(dǎo)書，選用或設(shè)計(jì)一臺(tái)合適的列管式換熱器，并給出管束和殼體材質(zhì)、管子根數(shù)、管長(zhǎng)、管子排列方式、管間距、殼直徑。二、確定設(shè)計(jì)方案（1）選擇換熱器的類型兩種流體溫度變化

3、情況：熱流體即低壓甲烷進(jìn)口溫度T 為160，出口溫度T 為40，均在臨界溫度之上，為氣體；冷流體即冷卻水進(jìn)口溫度T 為30，出口溫度T 不得高過熱流體出口溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)暫定38，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。（2）流程安排低壓甲烷為氣體，相較于冷卻水壓力小、溫度高、較清潔；冷卻水易結(jié)垢。為了便于散熱、減少冷卻水的用量，應(yīng)使甲烷走殼程，但為了保證操作人員的安全，需設(shè)置保溫層；為了清洗和控制結(jié)垢，應(yīng)使冷卻水走管程。綜上，應(yīng)使冷卻水走管程，低壓甲烷走殼程。三、確定物性參數(shù)（1）定性溫度低

4、壓甲烷定性溫度T=(160+40)2=100冷卻水定性溫度t=(30+38)2=34（2）定性溫度下的物性參數(shù)（附流量kg/h）流體名稱定性溫度流量kg/h密度（kg/m³）定壓比熱容Cp/kJ/(kg*)黏度（mPa·s）導(dǎo)熱系數(shù)低壓甲烷10031211.5242.1740.01390.045冷卻水34994.3694.1740.73710.626其中來源：低壓甲烷近似符合理想氣體狀態(tài)方程，先根據(jù)P=101.3kPa，T=273.15K時(shí)密度為0.717kg/m³【化工原理（上冊(cè)）附錄五1】得到壓縮因子Z=1.0046，再使用理想氣體狀態(tài)方程和壓縮因子得到P=2

5、94.2kPa，T=373.15K時(shí)密度為1.524 kg/m³；水的密度查“1990國(guó)際溫標(biāo)純水溫度表” 得之。理想氣體熱容公式如圖甲烷：A=33298  B=79933  C=2086.9  D=41602  E=991.96，T=373.15K 壓縮包附圖“甲烷定壓比熱容計(jì)算過程.JPG”。，得到的是理想氣體熱容，單位J/kmol/K，再除以摩爾質(zhì)量M=16.04kJ/kmol，可得甲烷的定壓比熱容。水的比熱容由化工原理（上冊(cè)）附錄三查到。甲烷的黏度由化工原理（上冊(cè)）附錄五3作圖得 壓縮包附圖“甲烷

6、黏性數(shù)據(jù).JPG”。；水的黏度由化工原理（上冊(cè)）附錄三查到。甲烷的導(dǎo)熱系數(shù)由壓縮包附圖“甲烷丙烷的導(dǎo)熱系數(shù)”得；水的導(dǎo)熱系數(shù)由化工原理（上冊(cè)）附錄三查到。四、估算傳熱面積（1）熱負(fù)荷Q1=3121×2.174×160-40=814206.5 kJ/h（2）平均傳熱溫度差先按照純逆流計(jì)算，得tm=160-38-（40-30）ln160-3840-30=44.77（3）傳熱面積由列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）表1-1和熱交換器原理與設(shè)計(jì)附錄A得知K值大致范圍，為150500W/(m²·)假設(shè)K=270 W/(m²·)Ap=Q1Ktm=8

7、14206.5270×44.77=67.353.6m2=18.71m2（4）冷卻水用量對(duì)于工藝流體被冷卻的情況，工藝流體所放出的熱量等于冷卻劑所吸收的熱量與熱損失之和，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為可靠起見，可忽略熱損失，以下式計(jì)算冷卻劑用量：mc=Q1cpct2-t1=814206.54.174×(38-30)=24383.3 kg/h五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)管束和殼體材質(zhì)、管子根數(shù)、管長(zhǎng)、管子排列方式、管間距、殼直徑。（1）選擇管徑、管束材質(zhì)及管內(nèi)流速由于管長(zhǎng)及管程數(shù)均和管徑及管內(nèi)流速有關(guān)，故應(yīng)首先確定管徑及管內(nèi)流速。管內(nèi)流速的大小對(duì)于傳熱膜系數(shù)及壓力降的影響較大，所以要全面分析比較。選

8、擇25×2.5碳鋼管【參見列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）表1-2】。一般要求所選擇的流速應(yīng)使流體處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，即雷諾數(shù)大于10000。列管式換熱中常見的流速范圍【參見列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）表1-3、1-4、1-5】，取管內(nèi)流速uc=0.9m/s。（2）選取管長(zhǎng)、確定管程數(shù)和總管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-9）】ns=V4di2u=24383.3÷994.369÷36003.14÷4×0.022×0.9=24.1025 根依此可求得按單程換熱器計(jì)算所得的管子長(zhǎng)度如

9、下：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-10）】L=Apnsdo=18.7125×3.14×0.025=9.53m10m按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用【GBT 151-2014 熱交換器6.4.1.1】推薦傳熱管長(zhǎng)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-11）】Np=Ll=103=3.334 換熱器的總管數(shù)為【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-12）】NT=Npns=25×4=100（3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選用多管程換熱器，可提高管內(nèi)傳熱膜系數(shù)，但同時(shí)也增加了換熱

10、器的阻力，并損失部分傳熱溫差。這種情況下的平均傳熱溫差需要校正。平均溫差校正系數(shù)：【R： 化工原理（第二版）上冊(cè)式（5-25）；P：化工原理（第二版）上冊(cè)式（5-26）】R=T1-T2t2-t1=160-4038-30=15P=t2-t1T1-t1=38-30160-30=0.0615按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)：【化工原理（第二版）上冊(cè)式（5-27）】=R2+1R-1ln1-P1-PRln2-P1+R-R2+12-P1+R+R2+1=0.876平均傳熱溫差：【化工原理（第二版）上冊(cè)式（5-24）】tm=tm'=0.876×44.77=39.20 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，

11、同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。（4）傳熱管排列方式、管間距和分程方法等邊三角形排列在相同的管板面積上可排較多的管子，而且管外傳熱膜系數(shù)較大。雖然等邊三角形排列時(shí)管外機(jī)械清洗較為困難，但鑒于本設(shè)備的殼程流的是低壓甲烷，較清潔，故不對(duì)此做考慮。又因?yàn)楸驹O(shè)備是單殼程多管程，故采用組合排列方法。采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。圖源：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）圖1-13】傳熱管和管板的連接方法選擇焊接【換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)（錢頌文）174頁(yè)】，故取管心距【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）23頁(yè)第7行】t=1.25do=1.25×0.025=0.031

12、250.032m=32mm計(jì)算結(jié)果亦符合GB151-1999規(guī)定【換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)（錢頌文）表1-6-16）】。隔板中心到離其最.近一排管中心距離：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-15）】s=t2+0.006=0.022m=22mm各程相鄰管的管心距為22mm。計(jì)算結(jié)果亦符合GB151-1999規(guī)定【換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)（錢頌文）表1-6-16】。管數(shù)的分程方法。程數(shù)為4，每程各有傳熱管25根，其前后管程中隔板設(shè)置按熱交換器原理與設(shè)計(jì)（第四版）圖2.15選取。選擇相鄰流程溫差較小的平行隔板?！緢D源：熱交換器原理與設(shè)計(jì)（第四版）圖2.15】（5）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行殼體內(nèi)徑估算。取管板

13、利用率=0.75【此處根據(jù)列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）第24頁(yè)第6行取值】，則殼體內(nèi)徑為【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-19）】D=1.05tNT=1.05×0.0321000.75=0.388m=388mm卷制殼體的內(nèi)徑（公稱直徑）以400mm為基數(shù)，以100mm為進(jìn)級(jí)檔，故取D=400mm。（6）殼體材質(zhì)按【GBT 151-2014 熱交換器第43頁(yè)6.10.1】：“公稱直徑小于或等于400mm的圓筒，可用管材制作”。又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中熱流體并非高溫高壓氣體，不需特殊設(shè)計(jì)，又較為清潔，故，殼體使用碳鋼。（7）折流擋板因?yàn)槭菃螝こ虛Q熱器，僅需設(shè)置橫向折流板。采用弓形折流擋

14、板，去折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%【換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)（錢頌文）57頁(yè)下數(shù)第8行】，則切去的圓缺高度為h=0.25×0.400=0.100m=100mm故可取h=0.100m=100mm。取折流板間距【換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)（錢頌文）58頁(yè)第4、5行】最大板間距BMAX=171do0.74=1851.3mm最小板間距B=0.3D=120mm則取 B=250mm折流板數(shù)目NB=傳熱管長(zhǎng)折流板間距-1=30.250-1=11折流板圓缺面水平裝配?！緢D源：列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）圖1-15】折流板厚度。由【換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)（錢頌文）表1-6-26】選擇折流板厚度為4mm。折流板也使用碳鋼。六

15、、換熱器核算（1）傳熱能力核算殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，【化工原理（上冊(cè)）（4-84）】0=0.361deRe00.55Pr13w0.14de當(dāng)量直徑，【化工原理（上冊(cè)）（4-86）】de=432t2-4do2do=0.02m殼程流通截面積：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-24）】So=BD1-dot=0.250×0.4001-2532=0.022 m2殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為:uo=VoSo=3121÷3600÷1.5240.022=26.01 m/sRe0=deuo1=0.02×26.01×1.5241.39×1

16、0-5=57024由此可見，2×103<Reo<106，在適用范圍，該法可用。普朗特?cái)?shù)Pr=cp=2.174×103×1.39×10-50.045=0.67粘度校正w0.141綜上，殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)o=0.36×0.0450.02×570240.55×0.6713×1=292.9 wm2·K管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)【化工原理（上冊(cè)）（4-73）】i=0.023idiRe0.8Pr0.4管程流體流通截面積Si=4×di2×NTNp=3.144×0.022×1004

17、=0.00785 m2管程流體流速ui=ViSi=24383.3÷3600÷994.3690.00785=0.87 m/s雷諾數(shù)Rei=diuii2=0.02×0.87×994.36973.71×10-5=20628普朗特?cái)?shù)Pr=cp=4.174×103×73.71×10-50.626=4.91可知1.0×104<Re<1.2×105，0.7<Pr<120，ld=4.50.02=225>60，符合迪圖斯-貝爾特公式條件【化工原理（上冊(cè)）第195頁(yè)第10行】所以，管內(nèi)

18、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為i=0.023idiRe0.8Pr0.4=0.023×0.0450.02×206280.8×4.910.4=3849.8wm2·K污垢熱阻和管壁熱阻由【熱交換器原理與設(shè)計(jì)（第四版）附錄D 氣體的污垢熱阻經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)】可知：管外側(cè)污垢熱阻（按“干凈的有機(jī)化合物氣體”?。㏑o=0.000086 m2·KW由【熱交換器原理與設(shè)計(jì)（第四版）附錄C 水的污垢熱阻經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)】可知：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻（按“干凈的湖水”取）Ri=0.00017 m2·KW由【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）表1-11】可知：按碳鋼100取w=48.85 Wm&#

19、183;K管壁熱阻【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-33）】Rw=bw=0.002548.85=5.11×10-5 m2·KW傳熱系數(shù)【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-20）】Ke=11ododi+Ridodi+Rwdodm+Ro+1o=1253849.8×20+0.00017×2520+5.11×10-5×2522.5+0.000086+1292.9244.3 Wm2·K傳熱面積裕度計(jì)算傳熱面積Ac【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-34）】Ac=Q1Ketm=226.1685×103244

20、.3×44.77=20.67 m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積為ApAP=dolNT=3.14×0.025×3×100=23.85 m2該換熱器的面積裕度為【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-35）】H=AP-AcAc=23.85-20.6720.67=15.4%為保證換熱器操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于1520%【見列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）第31頁(yè)第11行】，滿足此要求，傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。（2）壁溫核算管壁溫度：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-41）】tw=Tm1c+Rc+tm1h+Rh1c+Rc

21、+1h+Rh液體平均溫度【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-42）】tm=0.4t2+0.6t1=0.4×38+0.6×30=33.2【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-44）】Tm=T1+T22=160+402=100C=i=3849.8 wm2·Kh=o=292.9 wm2·KRh=Ro=0.000086 m2·KWRc=Ri=0.00017 m2·KW傳熱管平均壁溫tw=1003849.8+100×0.00017+33.2292.9+33.2×0.00008613849.8+0.00017+129

22、2.9+0.000086=40.50殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）32頁(yè)第1行】T=100殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為t=100-40.50=59.50該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。（3）換熱器內(nèi)流體的流體阻力管程流體阻力管程流體的阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力之和【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-46）】pt=pi+pNsNpFsNs=1殼程數(shù)，Np=4管程數(shù)，【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-47）】：pi=ildiu22【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工

23、大學(xué)）式（1-48）】：p=u22【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-46）后參數(shù)】：Fs1.5【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-47）后參數(shù)】“=3由Rei=20628，傳熱管絕對(duì)粗糙度查得=0.02mm【化工原理（上冊(cè)）表1-1】，d=0.0220=0.001查莫迪圖【化工原理（上冊(cè)）圖1-32】得i=0.027，ui=0.87ms，=994.369kgm3所以，pi=0.027×30.02×0.873×994.3692=1.32kPap=3×994.369×0.8722=1.12 kPapt=1.32+1.12×1

24、×4×1.5=14.63kPa管程即冷流體冷卻水最大允許壓力降為68.6 kPa >14.63 kPa，可行。所以，管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力按埃索法計(jì)算【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-49）及式后參數(shù)】ps=po+piNsFsNs=1殼程數(shù)，F(xiàn)s1對(duì)氣體流體流經(jīng)管束的阻力【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-50）及式后參數(shù)】po=FfoNTCNB+1uO22F=0.5正三角形排列對(duì)阻力損失的影響【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-53）】：fo=5.0×Reo-0.228=5.0×71280-0.228=0.4117NTC=1.1NT0.5=1.1×1000.5=11(正三角形排列)NB=11，uo=26.01 mspo=0.5×0.4117×11×11+1×1.524×26.0122=14.00 kPa流體流過折流板缺口的阻力：【列管式換熱器設(shè)計(jì)（大連理工大學(xué)）式（1-51）】pi=NB3.5-2BDuO22，B=0.250m，D=0.4mpi=11×3