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1、山东轻工业学院列管式换热器设计列管式换热器设计化工原理课程设计化工原理课程设计2022/11/25第1页山东轻工业学院设计题目拟用200Kpa的饱和水蒸气将常压下20的苯加热到80，苯的质量流量为50t/h单号苯的质量流量为40t/h双号试设计一列管式换热器。已知仓库中现有252.5mm，长6m的碳钢钢管 2022/11/25第2页化工原理教研室山东轻工业学院设计内容设计说明书设计说明书布管图布管图 187187 169169 114114装配图装配图 187187 169169 2022/11/253化工原理教研室山东轻工业学院设计说明书设计说明书封面目录设计任务书前言设计计算过程附表及相关
2、机械元件尺寸设计说明2022/11/254化工原理教研室山东轻工业学院设计步骤一、确定定性温度、物性数据二、换热器的类型及流体走向三、工艺计算四、换热器尺寸的初步确定五、校核计算六、进出口管径七、校核流体压力降2022/11/255化工原理教研室山东轻工业学院一、确定定性温度、物性数据1.1.苯的物性数据苯的物性数据 2.2.t t1 1 、t t2 2 、t tm m 、C CP2P2 、2 2 、2 2 2.2.水蒸汽的物性数据水蒸汽的物性数据 3.3.Ts Ts、4.4.同温度下水的物性同温度下水的物性5.5.、2022/11/256化工原理教研室山东轻工业学院二、换热器的类型及流体走向
3、卧式固定管板式换热器卧式固定管板式换热器 水蒸汽走壳程，苯走管程水蒸汽走壳程，苯走管程 不需要进行热补偿不需要进行热补偿 不需要加折流挡板不需要加折流挡板 2022/11/257化工原理教研室山东轻工业学院三、工艺计算1 1、热负荷即传热速率、热负荷即传热速率Q Q2 2、平均温度差、平均温度差ttm m3 3、选、选K K值，估算传热面积值，估算传热面积A A初初2022/11/258化工原理教研室山东轻工业学院1、热负荷即传热速率Q2022/11/259化工原理教研室山东轻工业学院2、平均温度差ttmm 由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把由于水蒸汽侧的温度不变，因此可以把两流体的平均温度差
4、看作是逆流来计算两流体的平均温度差看作是逆流来计算 （双管程）（双管程）2022/11/2510化工原理教研室山东轻工业学院3、选K值，估算传热面积A初 根据条件根据条件K K值在值在5805801160 1160 W/mW/m2 2 （K K 680680W/mW/m2 2）选用安全系数选用安全系数1.151.151.251.25A A初初AA 2022/11/2511化工原理教研室山东轻工业学院四、换热器尺寸的初步确定确定管程结构尺寸确定管程结构尺寸壳程设计数据壳程设计数据换热器长径比换热器长径比2022/11/2512化工原理教研室山东轻工业学院1、确定管程结构尺寸管子规格管子规格初步设
5、计总管数初步设计总管数校核流速、确定管程校核流速、确定管程管间距及排列方式管间距及排列方式2022/11/2513化工原理教研室山东轻工业学院（1 1）管子规格）管子规格 库存库存252.5mm252.5mm，L L3.0m3.0m的光滑碳钢的光滑碳钢钢管钢管取管内苯的流速为取管内苯的流速为u u0 0 （0.60 m/s0.60 m/s）苯系易燃易爆物苯系易燃易爆物 流速一般低于流速一般低于1 1 m/sm/s2022/11/2514化工原理教研室山东轻工业学院（2 2）初步设计总管数）初步设计总管数n”n”根根三角形排列管数，三角形排列管数，3 3a a2 2+3a+1+3a+1圆整圆整n
6、”n”2022/11/2515化工原理教研室山东轻工业学院（3 3）校核流速、确定管程）校核流速、确定管程 管程管程（一般双管程（一般双管程）2022/11/2516化工原理教研室山东轻工业学院（4 4）管间距及排列方式）管间距及排列方式管间距管间距t t（1.251.251.31.3）d d0 0采用三角型排列采用三角型排列根据总管数根据总管数n”n”确定层数确定层数a a，是否弓形排管，确定是否弓形排管，确定N NT T最外层六角形对角线上管数最外层六角形对角线上管数 N NTbTb2a+12a+1采用胀管法排列采用胀管法排列 2022/11/2517化工原理教研室山东轻工业学院2、壳程设
7、计数据 壳体内径壳体内径 D Dt t（N NTbTb1 1）+2 b+2 b t t 管间距管间距 N NTbTb 最外层六角形对角线上管数最外层六角形对角线上管数 b b 六角形最外层管中心到壳体六角形最外层管中心到壳体内内 壁距离，取壁距离，取bb（1 11.51.5）d d0 0 壳体内径标准圆整到壳体内径标准圆整到DmmDmm2022/11/2518化工原理教研室山东轻工业学院中心拉杆中心拉杆n n3 3根根 直径直径12mm12mm 双管程隔板少排双管程隔板少排N NTbTb根根实际管数实际管数n nN NT TN NTbTbn n3 3双管程，每程双管程，每程n/2n/2根排列管
8、子根排列管子实际流速实际流速u u，与初设苯流速与初设苯流速u u0 0 校核校核2022/11/2519化工原理教研室山东轻工业学院3、换热器长径比 确定长径比的取值范围确定长径比的取值范围2022/11/2520化工原理教研室山东轻工业学院五、校核计算 1 1、校核总传热系数、校核总传热系数K K值值 2 2、校核壁温、校核壁温T TW W 3 3、校核传热面积、校核传热面积A A 2022/11/2521化工原理教研室山东轻工业学院1、校核总传热系数K值 管内对流传热系数管内对流传热系数2 2管外对流传热系数管外对流传热系数1 1 污垢热阻及管壁热阻污垢热阻及管壁热阻 2022/11/2
9、522化工原理教研室山东轻工业学院（1 1）管内对流传热系数）管内对流传热系数2 2 被加热被加热 2022/11/2523化工原理教研室山东轻工业学院（2 2）管外对流传热系数）管外对流传热系数1 1 n n为水平管束垂直列上的管数为水平管束垂直列上的管数弓形排管弓形排管n n8 8，弓形不排管弓形不排管n n7 7假设管外壁温假设管外壁温T TW W（115.6115.6）2022/11/2524化工原理教研室山东轻工业学院（3 3）污垢热阻及管壁热阻）污垢热阻及管壁热阻苯侧污垢热阻苯侧污垢热阻R RS2S21.76101.7610-4-4m m2 2/W/W蒸汽冷凝污垢热阻相对比较小，蒸
10、汽冷凝污垢热阻相对比较小，水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，水蒸汽侧污垢热阻可以忽略不计，碳钢钢管的导热系数碳钢钢管的导热系数45 W/m45 W/m2 2 2022/11/2525化工原理教研室山东轻工业学院（4 4）校核）校核K K值值 以外表面计算：以外表面计算：计算计算K K值与原设值值与原设值K K初初比较比较 使相对误差使相对误差5%5%2022/11/2526化工原理教研室山东轻工业学院2、校核壁温TW 结果与原假设值结果与原假设值T TW W校核校核 （T TW W115.6115.6）2022/11/2527化工原理教研室山东轻工业学院3、校核传热面积A水蒸汽侧水蒸汽侧TsTs不
11、变，一壳不变，一壳程双管程换程双管程换热器平均温热器平均温度差与逆流度差与逆流平均温度差平均温度差相等。相等。2022/11/2528化工原理教研室山东轻工业学院实际所需面积实际所需面积 实际提供面积实际提供面积 余度余度 2022/11/2529化工原理教研室山东轻工业学院六、进出口管径 苯进口管、出口管苯进口管、出口管 水蒸汽进口管径水蒸汽进口管径 冷凝水排出口冷凝水排出口 2022/11/2530化工原理教研室山东轻工业学院1、苯进口管、出口管 取进口流速取进口流速u u1 11m/s 1m/s 进口直径进口直径 选用无缝热轧钢管（选用无缝热轧钢管（YB231-YB231-6464）（）
12、（1504.5mm1504.5mm，长长200200mmmm）2022/11/2531化工原理教研室山东轻工业学院2、水蒸汽进口管径 蒸汽用量蒸汽用量 富裕量富裕量富裕量富裕量3 3 3 3蒸汽体积流量蒸汽体积流量 V VGG取蒸汽流速取蒸汽流速uu20 m/s20 m/s 选用无缝热轧钢管（选用无缝热轧钢管（YB231-YB231-6464）（）（2196mm2196mm，长长200200mmmm）2022/11/2532化工原理教研室山东轻工业学院3、冷凝水排出口选用水煤气管选用水煤气管 42.253.25mm 42.253.25mm，长长100100mmmm2022/11/2533化工原
13、理教研室山东轻工业学院七、校核流体压力降 管程总压力降管程总压力降壳程压力降壳程压力降 壳程是饱和水蒸汽冷凝，壳程是饱和水蒸汽冷凝，阻力很小，不校核其压力降。阻力很小，不校核其压力降。2022/11/2534化工原理教研室山东轻工业学院q管程总压力降（P272）总压力降总压力降计算公式计算公式每程直管压力降每程直管压力降每程直管压力降每程直管压力降 每程局部阻力引起的压降每程局部阻力引起的压降每程局部阻力引起的压降每程局部阻力引起的压降 校校 核核 PPt t 3.010 3.0104 4PaPa 2022/11/2535化工原理教研室山东轻工业学院 管内径管内径;管长管长 管程结垢校正系数，
14、管程结垢校正系数，三角形为三角形为1.51.5，正方形为正方形为1.41.4；壳程数，壳程数，1 1；一壳程的管程数，一壳程的管程数，2 2。参数说明参数说明2022/11/2536化工原理教研室山东轻工业学院q 计算计算取取0.2mm0.2mm，/d=0.01/d=0.01 查图可知查图可知 （化工原理上册（化工原理上册P43P43图图1 12828）2022/11/2537化工原理教研室山东轻工业学院八、换热器尺寸及附属部件 1.1.管间距：管间距：t t32.5mm 32.5mm 2.2.壳体直径：壳体直径：60010mm60010mm，内径内径D D580mm 580mm 3.3.壳体
15、材料：碳素钢壳体材料：碳素钢A A3 3F F，钢板卷焊钢板卷焊 4.4.管子尺寸：管子尺寸：252.5mm252.5mm，L L3.0m3.0m，n n164164根，双管程根，双管程 5.5.布管图布管图 见图纸见图纸2-22-2。2022/11/2538化工原理教研室山东轻工业学院6、管板(1)(1)管板材料：选用碳素钢管板材料：选用碳素钢A A4 4。(2)(2)管子在管板上的固定方法：焊接管子在管板上的固定方法：焊接(3)(3)管板尺寸管板尺寸：PgPg16kgf/cm16kgf/cm2 2，（见讲义见讲义P66P66表表4-84-8）(4)(4)管板与壳体的连接：管板与壳体的连接：
16、采采用用法法兰兰连连接接，拆拆开开顶顶板板可可检检修修或或清清理理管管内内污污垢垢，法法兰兰尺尺寸寸见见讲讲义义P111P111115115图图4 46363及表及表4 42727。2022/11/2539化工原理教研室山东轻工业学院（5 5）管管板板与与分分程程隔隔板板的的连连接接:采采用用单单层层隔隔板板，隔隔板板材材料料与与封封头头材材料料一一致致，厚厚度度s s10mm10mm。（见见讲义讲义P77P77表表4 41919）2022/11/2540化工原理教研室山东轻工业学院7、封头与管箱 封头与管箱位于壳体的两端。封头与管箱位于壳体的两端。（1 1）封封头头的的选选择择：选选用用椭椭
17、圆圆形形封封头头，Dg60010mm GB1154Dg60010mm GB11547373（2 2）封封头头尺尺寸寸：曲曲面面高高度度150150mmmm，直直边边高高度度4040mmmm。（。（讲义讲义P142P142附表附表1 12 2）管程接口管与封头为焊接，封头与壳体管程接口管与封头为焊接，封头与壳体为法兰连接，法兰尺寸与上同。为法兰连接，法兰尺寸与上同。2022/11/2541化工原理教研室山东轻工业学院8.8.管程进出口接管直径：选用无缝热管程进出口接管直径：选用无缝热轧钢管（轧钢管（YB231-64YB231-64）1524.5mm 1524.5mm 长长200200mmmm。9
18、.9.支座的公称直径支座的公称直径Dg600mmDg600mm，每个支每个支座承受的载荷为座承受的载荷为36.836.8吨，材料采用吨，材料采用A A3 3F F碳素钢；采用鞍形安装。（尺寸碳素钢；采用鞍形安装。（尺寸见讲义见讲义P117P117图图4 42828b b，表表4 42828）10.10.整个换热器采用卧式安装，安装图整个换热器采用卧式安装，安装图见图纸见图纸2 21 1。2022/11/2542化工原理教研室山东轻工业学院九、参考资料 1.1.列管式换热器及其设计（讲义）列管式换热器及其设计（讲义）山东轻工业学院，化工原理教研山东轻工业学院，化工原理教研室编，室编，198719
19、87年。年。2.2.化工原理上册化工原理上册 化学工化学工业出版社，谭天恩主编，业出版社，谭天恩主编，19901990年。年。3.3.基础化学工程基础化学工程 上海科上海科学技术出版社，编写组，学技术出版社，编写组，19801980年。年。2022/11/2543化工原理教研室山东轻工业学院十、对一些问题的说明 q列管式换热器是目前化工生产中应用最列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器，它的结构简单、坚广泛的一种换热器，它的结构简单、坚固、容易制造、材料范围广泛，处理能固、容易制造、材料范围广泛，处理能力可以很大，适应性强。但在传热效率、力可以很大，适应性强。但在传热效率、设备紧凑
20、性、单位传热面积的金属消耗设备紧凑性、单位传热面积的金属消耗量等方面还稍次于其他板式换热器。此量等方面还稍次于其他板式换热器。此次设计所采用的固定管板式换热器是其次设计所采用的固定管板式换热器是其中最简单的一种。中最简单的一种。2022/11/2544化工原理教研室山东轻工业学院q由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧由于水蒸汽的对流传热系数比苯侧的对流传热系数大得多，根据壁温的对流传热系数大得多，根据壁温总是趋近于对流传热系数较大的一总是趋近于对流传热系数较大的一侧流体的温度实际情况，壁温与流侧流体的温度实际情况，壁温与流体温度相差无几，因此本次设计不体温度相差无几，因此本次设计不采用热补偿装置。采用热补偿装置。2022/11/2545