列管式換熱器多種設(shè)計(jì)方案策劃設(shè)計(jì)方案計(jì)算過程詳細(xì)

1、根據(jù)給定的原始條件，確定各股物料的進(jìn)出口溫度，計(jì)算換熱器所需 的傳熱面積，設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸，并要求核對換熱器壓強(qiáng)降是 否符合小于30 kPa的要求。各項(xiàng)設(shè)計(jì)均可參照國家標(biāo)準(zhǔn)或是行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)來完成。具體項(xiàng)目如下：設(shè)計(jì)要求：.某工廠的苯車間，需將苯從其正常沸點(diǎn)被冷卻到40；使用的冷 卻劑為冷卻水，其進(jìn)口溫度為30，出口溫度自定。.物料(苯)的處理量為1000 噸/日。.要求管程、殼程的壓力降均小于30 kPa。1、換熱器類型的選擇。列管式換熱器2、管程、殼程流體的安排。水走管程，苯走殼程，原因有以下幾點(diǎn)：.苯的溫度比較高，水的溫度比較低，高溫的適合走管程，低溫適合走殼程.傳熱系數(shù)比較大的適合走

2、殼程，水傳熱系數(shù)比苯大.干凈的物流宜走殼程。而易產(chǎn)生堵、結(jié)垢的物流宜走管程。3、熱負(fù)荷及冷卻劑的消耗量。冷卻介質(zhì)的選用及其物性。按已知條件給出，冷卻介質(zhì)為水，根進(jìn)口溫度t=30，冷卻水出口溫度設(shè)計(jì)為t =38，因此平均溫度下冷卻水物性如下：1、2、密度p =994kg/m3粘度p J0.727X 10-3Pa.s導(dǎo)熱系數(shù)入=62.6X 10-2 W/(m.K)比熱對 Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下:進(jìn)口溫度：80.1 密度 進(jìn)口溫度：80.1 密度 p =880kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)入=14.8X 10-2 W/(m.K)粘度 p =1.15X 10-3Pa.s 比熱對 Cpc

3、=1.6 kJ/(kg.K)苯處理量：1000t/day=41667kg/h=11.57kg/s 熱負(fù)荷：Q二WhCph (T2-T1) =11.57X 1.6 X 1000X (80.1-40)=7.4X 105W冷卻水用量：Wc=Q/cpc(t2-t)=7.4X 105/4.184 X 1000 X(38-30)=22.1kg/s1 / 284、傳熱面積的計(jì)算。平均溫度差()確定R和P值查閱化工原理上冊203頁得出溫度校正系數(shù)為0.8,適合單殼程換熱器，平 均溫度差為tm=At,m 義 0.9=27.2 義 0.9=24.5由化工原理上冊表4-1估算總傳熱系數(shù)K (估計(jì))為400W/ (m

4、2-) 估算所需要的傳熱面積：S0F=75m25、換熱器結(jié)構(gòu)尺寸的確定，包括： (1)傳熱管的直徑、管長及管子根數(shù)；由于苯屬于不易結(jié)垢的流體，采用常用的管子規(guī)格19mm X2mm 管內(nèi)流體流速暫定為0.7m/s所需要的管子數(shù)目： ，取n為123管長： =12.9m按商品管長系列規(guī)格，取管長L=4.5m，選用三管程 管子的排列方式及管子與管板的連接方式：管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。 (2)殼體直徑；e 取 1.5盤，即 e=28.5mmD.=t(nc1)+2e=19X(1)+2義28.5=537.0mm，按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行整圓，殼體直徑為600mm。此時長徑比為

5、7.5,符合6-10的范圍。 殼體壁厚的計(jì)算3 =平 i + C2 仙 W p選取設(shè)計(jì)壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235,查的相應(yīng)的許用應(yīng)力匚=113MPa ；2 / 28焊接系數(shù)W = 0.65 (單面焊)，腐蝕裕度C = 4mm，所以5 = 0 .6 義 900h 4 = 7 .2 8 mm 6 = 8 mm2 x 113 x 0.6 5 0.6排管方式：橫過中心的管子數(shù)目：nc=21.1,取整21根有排管圖得出，中心有21根管道時，按照正三角形排列，可排331根，每邊各 加8根，總共可以排列379根，除去6根拉桿，總共可以排出373,與上述計(jì)算 相差不大，所以實(shí)際管子數(shù)目為373根

6、。實(shí)際傳熱面積 S0=Nn do (L-0.1) =373 X3.14X0.019X(4.5-0.1) =97.9m2實(shí)際傳熱系數(shù)K= W/(m2K)(3)折流板尺寸和板間距；選取折流板與殼體間的間隙為3.5mm,因此，折流板直徑Dc=600-2X 3.5=593mm切去弓形高度h=0.25D=0.25X 600=150mm取折流板間距h =300mm那么 N= (4.5-d.1) /0.3=14.6，取整得 N=15 塊實(shí)際排流板間距 h= (L-0.1) /(N+1)= (4500-100) / (15+1) =275mm拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定。選用12mm鋼拉桿，數(shù)量6條。定距管

7、采用與換熱管相同的管子，即19mmX2mm鋼管。溫度補(bǔ)償圈的選用。由于(80.1+40) /2-(30+38)/2=26.0550,故需不慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。=0.15m(4)流體進(jìn)出口接管直徑等。=0.15m苯的進(jìn)出口管道直徑: 經(jīng)圓整采用159mmX 10mm熱軋無縫鋼管，實(shí)際苯的進(jìn)出口管內(nèi)流速為 =0.867m2水的進(jìn)出口管道直徑： 一 =0.106m經(jīng)圓整采用108mmX5mm熱軋無縫鋼管，實(shí)際水的進(jìn)出口管內(nèi)流速為 =2.5m6、管、殼程流體的壓力降計(jì)算。管程壓降：ZA pi= ( P1+A p2) FtNN管程數(shù)N3,串聯(lián)殼程數(shù)4=1,對于19mmX 2mm的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為3

8、/ 28F=1.5。tRe=查表，得到入=0.044，取F=1.5。tRe=查表，得到入=0.044=5066.6Pap =3/2=3X88 0X0. 72/2=58 . 8Pa2Z p5066.6X3X 1.5+58.8=22849.7Pa30Kpa,滿足條件殼程壓降：ZA p。二( p+ p2)FsNs,由于管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正因子：F=0.5 (正三角形排列)d = =0.0136mu = =V=0.401m/so hD(i -4)h(D - nd) tRe=7456.5,f =5XRe-0.228=0. 13A p =Ff N (N+1) uo2 =0.5X0.128X21X (

9、15+1)X994X0.4012/2=1718.5Pa 1o c B2A p =N (3.5- 2h ) uo=15 X (3.5-2X0.275/0.6) X994X0.4012/2=3096.8Pa 2 B D 2Z A p(A p1+A p2)FtN = (1718.5+3096.8) X 1.15=5537.6Pa0.8,可見用單殼程合適，因此平均溫度差 %= tmX0.99=27按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K。(估),選取K。(估)=500W/(m2.K) (4)所需傳熱面積S。：a， Q 2534 x 1000S = =187.7m2。K At 500 x 27 o m(五)、主要工藝

10、及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算(1)換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定。選用25mmX2.5mm鋼管。換熱管數(shù)量及長度的確定管數(shù) n= 4V = 4 x (125000/3600)/838 =176 根u - d 20.75 x 3.14x 0.022i igk i S187.7管長 l =o=13.6mn 冗 d 176 x3.14x 0.025按商品管長系列規(guī)格，取管長L=4.5m,N =二=3.02選用四管程。p L管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定。管子的排列方式，采用正 三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。(4)計(jì)算外殼內(nèi)直徑DiDi=t(n-1)+2b由于管中心距t=1.25d =1.25

11、X 25=32mm。橫過管束中心線的管數(shù) n=1.1 =1.1、:2 x 704 =29.1取整n=29根管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b =1.5do=1.5X0.025=0.038m 所以Di=0.032 (29-1) +2X0.038=0.972m,按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取D=1000mm。因?yàn)長/D=4500/1000=4.5,管長徑比在425之間，合適。9 / 28排管：根據(jù) 殼體直徑Di、管 中心距t、橫過 管束中心線的 管數(shù)nc及其排 列方式，繪出排 管圖。由圖可知， 中心排29根管 時，按正三角形 排列，可排631 根，若在六角形 每邊各加14根 (12+2,

12、兩層)， 共排715根，除去6根拉桿位置，實(shí)際排出709根。因此，實(shí)際管子數(shù)N=n=709根。(6)計(jì)算實(shí)際傳熱面積So及過程的總傳熱系數(shù)Ko (選)S =Nnd (L-0.1)=406X3.14X0.025.(9-0.1)=284m2K = -Q = 2534 *1000 =382.7W/(m2.K) o(選)S At245.23x27折流板直徑上、數(shù)量及其有關(guān)尺寸的確定。選取折流板與殼體間的間隙為4.5mm,因此，折流板直徑 D =1000-2 X 4.5=991mm c切去弓形高度h=0.25D=0.25 X 1000=250mm折流板數(shù)量N=三-1B ho,取折流板間距h=600mm,

13、那么 oN= H-1= 4500一100 -1=6.3B h 600o取整得N=7塊B實(shí)際折流板間距10 / 28h= 45T =550mm7 +1(8)拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定。選用12mm鋼拉桿，數(shù)量6條。定距管采用與換熱管相同的管子，即25mmX2.5mm鋼管。溫度補(bǔ)償圈的選用。由于80J + 40 25 + 35 = 3.5 50,故無需考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。22(10)列出所設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)。外殼直徑：D=1000mm換熱面積：S =245.23mmo換熱管數(shù)量：N=709 根管長：L=4500mm管子規(guī)格： 25mmX 2.5 mm （鋼管）管中心距：t=32mm管子排

14、列方式：正三角形管程數(shù)：4殼程數(shù)：1折流板數(shù)量：Nb=7（塊）折流板間距：h=600mm拉桿數(shù)量：6根拉桿直徑： 12mm定距管：與換熱管相同規(guī)格通過管板中心的管子數(shù)：nc=29根(六)、換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構(gòu)件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座。主要接管 有：流體進(jìn)出口接管，排液管等。(1)筒體壁厚的確定選取設(shè)計(jì)壓力p=0.6MPa ,殼體材料為Q235 ,查的相應(yīng)的許用應(yīng)力IL 113MPa ；焊接系數(shù)9 = .65 (單面焊)，腐蝕裕度C = 2 mm，所以+ 2 = 5.28 + 2 = 5.28 mm2 x 113 x .65 - .6根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)

15、，取厚度為12mm,即三三=12mm11 / 28封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標(biāo)準(zhǔn)件。(3)流體進(jìn)、出口接管直徑計(jì)算。變換器進(jìn)出口接管d1,取u1=2m/s那么4x125000di = 13600 x 838 x 3.14 x 封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標(biāo)準(zhǔn)件。(3)流體進(jìn)、出口接管直徑計(jì)算。變換器進(jìn)出口接管d1,取u1=2m/s那么4x125000di = 13600 x 838 x 3.14 x 2=0.1625m經(jīng)圓整采用168mmx12mm熱軋無縫鋼管(GB8163-87)實(shí)際苯的進(jìn)出口管內(nèi)流速為4x125000u = 1 3600 x 838 x 3.14 x 0.1442=2

16、.55 m / s水進(jìn)出口接管d2，取u/m/s，那么,4 x 218561d 9 =.,3600 x 838 x兀 x 2=0.197 m經(jīng)圓整采用203mmx 12mm熱軋無縫鋼管(GB8163-87)實(shí)際水流速4 x 2185613600 x995.7x3.14x0.17922.42 m / s(七)、管、殼程壓強(qiáng)降的校驗(yàn)(1)管程壓強(qiáng)降：Z pi=( P1+A P2)FtN Np據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)Np=4,串聯(lián)殼程數(shù)Ns=1,對于25mmX 2.5mm的換熱管， 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為F=1.4。t流體流經(jīng)直管段的壓力降為lpu2lpu2 p=(入+E e+E c)-=(入+1.5) J1

17、 d2 d2由于Gi=125000=624兀3600 x-x 0.022 x 1774Re=衛(wèi)=0.02 x 621i r0.39 x 10-3=3200012 / 28取 =0.2mm,那么 /d0.2/20=0.01，可查得入=0.041,故4.5838 x 0.752 nn_ ,T , p = (0.041X+1.5)X=2527.7 N/m210.022流體流經(jīng)回彎管的壓力降為 p2=3 （浮）=3X（ W ） =707.06 N/m2所以Z p(2527.7+707.06)X1.4X 1X4=18114.66 N/m2 50080.07 x 10- 5f =5x (9294.2) -

18、0.228 =0.623pi =0.5X0.623X29X(7+1)、/ 995.7x0.372X=4925.5 N/m22 hp =N (3.5-絲)B D廠 22 hp =N (3.5-絲)B D(3.5-) X=1097.31 N/m13 / 28N =1（單殼程）F=1.15 （液體）所以ZA 所以ZA p =1.15X(4925.5+1097.31)=6926 N/m20.8,可見用單殼程合適，因此平均溫度差 %= tmx0.99=27按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K。(估)，選取K。(估)=500W/(m2.K) (4)所需傳熱面積S。：a， Q 2534 x 1000S =187.7m

19、2。K At 500 x 27 o m(五)、主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算(1)換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定。選用25mmX2.5mm鋼管。換熱管數(shù)量及長度的確定管數(shù) n= 4V = 4 x (125000/3600)/838 =176 根u 冗 d 2 0.75 x 3.14x 0.022 i i20 / 28gk 1 , S187.7管長 l = 13.6mn 冗 d176 x3.14x 0.025按商品管長系列規(guī)格，取管長L=4.5m,N =3.02 選用四管程。p L管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定。管子的排列方式，采用正 三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。(4)計(jì)算外殼內(nèi)

20、直徑DiDi=t(n-1)+2b由于管中心距t=1.25d =1.25X25=32mmo橫過管束中心線的管數(shù)n=1.1五=1.1 J2 x 704 =29.1取整n=29根管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b =1.5do=1.5X0.025=0.038m 所以Di=0.032 (29-1) +2X0.038=0.972m, 按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取D=1000mm。因?yàn)長/D=4500/1000=4.5,管長徑比在425之間，合適。排管：根據(jù) 殼體直徑Di、管 中心距t、橫過 管束中心線的 管數(shù)nc及其排 列方式，繪出排 管圖。由圖可知， 中心排29根管 時，按正三角形 排列，

21、可排631 根，若在六角形 每邊各加14根 (12+2,兩層)，共排715根，除21 / 28共排715根，除去6根拉桿位置，實(shí)際排出709根。因此，實(shí)際管子數(shù)N=n=709根。(6)計(jì)算實(shí)際傳熱面積So及過程的總傳熱系數(shù)Ko (選)S =Nn d (L-0.1)=406X3.14X0.025.(9-0.1)=284m2K = Q = 2534 義1000 =382.7W/(m2.K) o(選)S At245.23x27折流板直徑上、數(shù)量及其有關(guān)尺寸的確定。選取折流板與殼體間的間隙為4.5mm,因此，折流板直徑D =1000-2 X 4.5=991mmc切去弓形高度 h=0.25D=0.25

22、X 1000=250mm折流板數(shù)量N= H-1B ho,取折流板間距h=600mm,那么 oN= i1-1= 4500-100 -1=6.3B h 600o取整得N=7塊B實(shí)際折流板間距h= 4500 -100 =550mm7 +1(8)拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定。選用12mm鋼拉桿，數(shù)量6條。定距管采用與換熱管相同的管子，即25mmX2.5mm鋼管。溫度補(bǔ)償圈的選用。由于80.1 + 40 25 + 35 = 30.05 50,故無需考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。22(10)列出所設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)。外殼直徑：D=1000mm換熱面積：S =245.23mmo換熱管數(shù)量：N=709 根管長：

23、L=4500mm管子規(guī)格： 25mmX 2.5 mm （鋼管）管中心距：t=32mm管子排列方式：正三角形管程數(shù)：4殼程數(shù)：1折流板數(shù)量：Nj7(塊)折流板間距：h=600mm拉桿數(shù)量：6根拉桿直徑： 12mm22 / 28定距管：與換熱管相同規(guī)格通過管板中心的管子數(shù):29根(六)、換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構(gòu)件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座。主要接管 有：流體進(jìn)出口接管，排液管等。(1)筒體壁厚的確定選取設(shè)計(jì)壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235，查的相應(yīng)的許用應(yīng)力IL 113MPa ；焊接系數(shù)9 = 0.65 (單面焊)，腐蝕裕度C = 2 mm，所以 二0

24、.6x900+ 2 = 5.28mm2 x 113 x 0.65 - 0.6根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)，取厚度為12mm，即三=12mm 封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標(biāo)準(zhǔn)件。(3)流體進(jìn)、出口接管直徑計(jì)算。4V4x125000變換器進(jìn)出口接管d/取ui4x125000=0.1625md = =0.1625m3600 x 838x 3.14x 2經(jīng)圓整采用中168mmx12mm熱軋無縫鋼管(GB8163-87)實(shí)際苯的進(jìn)出口管內(nèi)流 速為廠 4 x125000= 2.55 m / s1 3600 x 838 x 3.14 x 0.1442水進(jìn)出口接管與取u2=2m/s，那么23 / 284x2185610

25、.197 m 3600 x 838 x兀 x 24 x 218561經(jīng)圓整采用203mm義12mm熱軋無縫鋼管4 x 218561=2.42 m / s=2.42 m / s3600 x 995.7 x 3.14 x 0.1792(七)、管、殼程壓強(qiáng)降的校驗(yàn)(1)管程壓強(qiáng)降：Z pi=( P1+A P2)FtN Np據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)N4,串聯(lián)殼程數(shù)N=1,對于25mmX2.5mm的換熱管， 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為F=1.4。t流體流經(jīng)直管段的壓力降為lpu2 lpu2 p=(入+t e+E c) Y i =(入+1.5) H i 1 d2 d2由于Gi=125000=624由于Gi=125000

26、=624兀3600 x x 0.022 x 1774Re=q=0.02 x 621i R0.39 x 10-3=32000取 =0.2mm,那么 /di=0.2/20=0.01，可查得入=0.041,故4.5838 x 0.752 nn_ ,T , p = (0.041X+1.5)X=2527.7 N/m2 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 10.022流體流經(jīng)回彎管的壓力降為 p=3 (段:)=3X ( 838x0.752 ) =707.06 N/m2 222所以Z pi= (2527.7+707.06)X1.4X

27、 1X4=18114.66 N/m2 50080.07 x 10- 5f =5x (9294.2) -0.228 =0.623p1 =0.5X0.623X29X(7+1)X995.7 x 0.372 =4925.5 N/m 22 h p =N (3.5-)D(3.5-三竺1)X 995.7X0.372 =1097.31 N/mN =1(單殼程) sF=1.15 (液體) s所以Z p =1.15X(4925.5+1097.31)=6926N/m2 30kpa，殼程壓強(qiáng)降滿足題給要求。（八）、總傳熱系數(shù)的校驗(yàn),“1總傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：Ko （計(jì)）=+Raoso+ bd九dmR d+ siodi

28、d+oa d其中，管內(nèi)變換氣的傳熱系數(shù)a的計(jì)算ia =0.023 工 R 0.8 Pr 0.3id eii=0.023 x 06 x (32000)0.8 x ( 0.021.8 X103 X 0.39 X10-30.136)0.3 = 1031.9 W/( m 2 .K)25 / 28管間水的傳熱系數(shù)a的計(jì)算a =0.36九丁 Re 0$5 Pri/3 w0.14e由于水被加熱，取粘度校正系數(shù)w 0.14 =1.05=0.36 xo0.61760.0202=0.36 xo0.61760.0202x (9294.2)0.55 x (4.174 x 103 x 0.8007 x 10-30.61

29、76)1/3 x 1.05=2802 W/( m 2 .K)取水側(cè)與苯側(cè)污垢熱阻分別為0.26X 10-3 (m2 K/W)、1.7197X 10-4 ( m2 K)/W,鋼管導(dǎo)熱系數(shù)入=51 W/（ zK），故1Ko（計(jì)）1Ko（計(jì)）128020.0025 x 2525+ 0.26 x 10-3 +1.7197 x 10-4 x +51 x 22.520251031.9 x 20=2.098 x 10-3 m2 K/WK (計(jì))=476.6 W/( m 2 K)所以，屋二也二 1.245所以，K （選）382.7一般KJ K （選）應(yīng)在35工25之間。本設(shè)計(jì)的換熱器可適用。（九）、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：固定管板式換熱器面積Im?）： 245.23工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱苯循環(huán)水操作壓力，N/m18114.666926操作溫度，。c60.0530流量，kg/h125000218561流體密度，kg/m 3838995.7流速，m/s0.750.3726/28傳熱量，kw2534總傳熱系數(shù)，w/ k476.6對流傳熱系數(shù)，w/