换热器传热计算毕业论文

这只是个模板，你还要自己修改数据，其中有些公式显示不出来。一．设计任务和设计条件某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流患热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301㎏/h，压力为 ,循环冷却水的压力为 ，循环水的入口温度为29℃，出口温度为39℃ ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征：混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容 =℃热导率 =粘度循环水在34℃ 下的物性数据：密度 =㎏/m3定压比热容 =℃热导率 =℃粘度二． 确定设计方案1． 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110℃ 出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，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度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2． 管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。三． 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为T= =85℃管程流体的定性温度为t= ℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容 =℃热导率 =粘度 =×10-5Pas循环水在34℃ 下的物性数据：密度 =㎏/m3定压比热容 =℃热导率 =℃粘度 =×10-3Pas四． 估算传热面积1． 热流量Q1==227301××(110-60)=×107kj/h =.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得=3.传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(㎡k)则估算的传热面积为Ap=4.冷却水用量 m= =五． 工艺结构尺寸1．管径和管内流速 选用Φ25×较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=。2．管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为Np=传热管总根数 Nt=612×2=12243.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b）有 R=P=按单壳程，双管程结构，查图3-9得平均传热温差 ℃由于平均传热温差校正系数大于，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.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。见图3-13。取管心距t=，则 t=×25=≈32㎜隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算S=t/2+6=32/2+6=22㎜各程相邻管的管心距为44㎜。管数的分成方法，每程各有传热管612根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5．壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率η= ，则壳体内径为D=按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm6．折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为H=×1400=350m，故可 取h=350mm取折流板间距B=，则 B=×1400=420mm，可取B为450mm。折流板数目NB=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。7．其他附件拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为Ф12拉杆数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。8．接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=，则接管内径为圆整后去管内径为360mm六． 换热器核算1． 热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式（3-22）当量直径，依式（3-23b）得=壳程流通截面积，依式3-25 得壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数粘度校正（2）管内表面传热系数 按式3-32和式3-33有管程流体流通截面积管程流体流速普朗特数（3）污垢热阻和管壁热阻 按表3-10，可取管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻管壁热阻按式3-34计算，依表3-14，碳钢在该条件下的热导率为50w/(m•K)。所以（4） 传热系数 依式3-21有（5）传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积Ac为该换热器的实际传热面积为Ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2． 壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15℃，出口温度为39℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式4-42有式中液体的平均温度 和气体的平均温度分别计算为×39+×15=℃(110+60)/2=85℃5887w/㎡•㎡•k传热管平均壁温℃壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85℃。壳体壁温和传热管壁温之差为 ℃。该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。3．换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力, ,由Re=35002，传热管对粗糙度，查莫狄图得 ，流速u=,,所以，管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 按式计算, ,流体流经管束的阻力F=×××(14+1)× =75468Pa流体流过折流板缺口的阻力, B= , D=总阻力75468+43218=× Pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数 管程 壳程流率 898560 227301进/出口温度/℃ 29/39 110/60压力/MPa 物性 定性温度/℃ 34 85密度/（kg/m3） 90定压比热容/[kj/（kg•k）] 粘度/（Pa•s） ××热导率（W/m•k） 普朗特数 设备结构参数 形式 浮头式 壳程数 1壳体内径/㎜ 1400 台数 1管径/㎜ Φ25× 管心距/㎜ 32管长/㎜ 7000 管子排列 △管数目/根 1224 折流板数/个 14传热面积/㎡ 673 折流板间距/㎜ 450管程数 2 材质 碳钢主要计算结果管程 壳程流速/（m/s） 表面传热系数/[W/（㎡•k）] 5887 污垢热阻/（㎡•k/W） 阻力/ MPa 热流量/KW 10417传热温差/K 传热系数/[W/（㎡•K）] 400裕度/% 七． 参考文献：1． 刘积文主编，石油化工设备及制造概论，哈尔滨；哈尔滨船舶工程学院出版社，1989年。2． ——84机械制图图纸幅面及格式3． GB150——98钢制压力容器4． 机械工程学会焊接学会编，焊接手册，第3卷，焊接结构，北京；机械工业出版社 1992年。5． 杜礼辰等编，工程焊接手册，北京，原子能出版社，19806． 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年。

列管式换热器的设计计算________________________________________【关键词】列管式换热器【论文摘要】列管式换热器的设计计算列管式换热器的设计计算 � 1． 流体流径的选择� 哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)� (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。 (2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。� 在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。 2. 流体流速的选择 增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。 此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。 3. 流体两端温度的确定 若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。 4. 管子的规格和排列方法� 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×及φ19×mm两种规格的管子。 管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为、2、3或6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。 如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，如第五节中图4－25所示。等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。� 管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(～)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=。 5. 管程和壳程数的确定� 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。 管程数m可按下式计算，即: � (4-121)� 式中�u―――管程内流体的适宜速度， m/s； � u′―――管程内流体的实际速度， m/s。�图4-49串联列管换热器 当壳方流体流速太低时，也可以采用壳方多程。如壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程，如前述的图4-47和图4-48所示。但由于纵向隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。例如当需二壳程时，则将总管数等分为两部分，分别安装在两个内径相等而直径较小的外壳中，然后把这两个换热器串联使用，如图4-49所示。 6. 折流挡板� 安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。 第五节的图4－26已示出各种挡板的形式。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。 两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(～1)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。 �挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示。 �7. 外壳直径的确定� 换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走"短路"，可以适当增减一些管子。� 另外，初步设计中也可用下式计算壳体的内径，即: �� (4-122) 式中 �D――――壳体内径， m； � t――――管中心距， m； � nc―――－横过管束中心线的管数； � b′―――管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离， 一般取b′=(1～)do。 nc值可由下面的公式计算。 管子按正三角形排列时: (4-123) 管子按正方形排列时: (4-124) 式中n为换热器的总管数。 �按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸，见表4-15。� 8．主要构件� 封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径 的壳体。 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 �导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。� 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。� 接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即: ��式中Vs--流体的体积流量， /s； � �u --接管中流体的流速， m/s。 流速u的经验值为:�对液体 u=～2 m/s对蒸汽 u=20～50 m/s�对气体 u=(15～20)p/ρ (p为压强，单位为atm ；ρ为气体密度，单位为kg/)� 9． 材料选用� 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。 �10． 流体流动阻力(压强降)的计算� (1) 管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力 Δpi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为: � � （4-125）�� 式中 �Δp1、Δp2------分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，N/；�� Ft-----结垢校正因数，无因次，对于φ25×的管子， 取为，对φ19×2mm的管子，取为； � � Np-----管程数； � � Ns-----串联的壳程数。� 上式中直管压强降Δp1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Δp2由下面的经验公式估算，即: �� �� (4-126) (2) 壳程流体阻力 现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多，但是由于流体的流动状况比较复杂，使所得的结果相差很多。下面介绍埃索法计算壳程压强Δpo的公式，即: � � (4-127)式中 Δp1′-------流体横过管束的压强降，N/； �Δp2′-------流体通过折流板缺口的压强降，N/；� �Fs --------壳程压强降的结垢校正因数，无因次，对液体可取 ，对气体或可凝蒸气 可取而 (4-128) (4-129)式中 F----管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=，对正方形斜转45°为，正方形排列为；� fo----壳程流体的摩擦系数，当Reo＞500时， nC----横过管束中心线的管子数；�� NB----折流板数；� � h ----折流板间距，m；� uo----按壳程流通截面积Ao计算的流速，而。 一般来说，液体流经换热器的压强降为 ～1atm，气体的为～。设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。 �三、 列管式换热器的选用和设计计算步骤 � 1． 试算并初选设备规格� (1) 确定流体在换热器中的流动途径。� (2) 根据传热任务计算热负荷Q。�� (3) 确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性 温度下流体的性质。 �(4) 计算平均温度差，并根据温度校正系数不应小于的原则，决定壳程数。� (5) 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。� (6) 由总传热速率方程�Q＝KSΔtm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。� 2． 计算管、壳程压强降� 根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工 艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。� 3． 核算总传热系数� 计算管、壳程对流传热系数αi 和αo，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K'，比较K得初始值和计算值，若K'/K＝～，则初选的设备合适。否则需另设K选值，重复以上计算步骤 。� 通常，进行换热器的选择或设计时，应在满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。它们之间往往是互相矛盾的。例如，若设计的换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降(阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数和压强降降低，但却又要受到安装换热器所能允许的尺寸的限制，且换热器的造价也提高了。 此外，其它因素(如加热和冷却介质的用量，换热器的检修和操作)也不可忽视。总之，设计者应综合分析考虑上述诸因素，给予细心的判断，以便作出一个适宜的设计。

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